CMOS反相器基础（数字电路学习笔记）

通过几个问题来记录CMOS反相器是什么，以及数字电路中为什么要使用CMOS反向器。

Q1：模拟电路和数字电路的区别？

模拟电路：

在模拟电路中使用连续的电压，电流来表示信息。一条信号线理论上可以表示无穷多个信息。但是无法区分噪声和有效信息，不能避免噪声对电路的影响。

所以模拟电路通常用在系统前段，把外部的物理量通过传感器转换为电信号，希望尽快的就把信号传到数字电路中处理（通过ADC把模拟信号转换为数字信号）。

数字电路：

在数字系统中，传递的就是0，1，离散的电压序列。不是所有信息都是有效的。

在模拟电路中一根线可以表示无限多的信息量。但是在数学系统中，一根线只能传递0或1状态。

想要传递0.35这样的信息，需要多bit信号线才能表示出来。或者牺牲时间代价，通过一根线多次传输表示出0.35这个信息。

在数字系统中，时序和面积是需要衡量的两个重要性能。

Q2：为什么说相对模拟电路来说数字电路比较稳定？

1，因为数字电路中只进行0，1的计算，运算规则简单。

2，因为数字系统通常使用CMOS反相器作为最小设计单元。CMOS反相器对输入有一定的噪声容限，能够接受低质量的0，1输出高质量的0，1。

Q3：数字电路中为什么要使用CMOS门电路？

首先我们知道在数字电路中是通过电压来表示0，1两种信息。而理想的0就是地，1是电源。

按照这个思路，我们尝试用开关和电阻通过以下电路来获得0，1。

Vo = 1 ，通过Vi控制开关S断开，Vo通过R上拉到电源电压。

Vo = 0，通过Vi控制S闭合，通过开关把Vo拉到地Vss。这是我们希望R尽可能大，最好是断路。

这样确实可以让Vo输出0，1了，但是上述电路有个问题。

Vo=1时，我们希望限流电阻R尽可能小，减小分压和功耗，让Vo尽量等于Vcc。

V1=0时，我们有希望限流电阻尽可能大，最好时断路，让Vo尽量等于Vss。

上述电路满足不了这个要求，那么我们想到MOS管也有开关特性，可以把开关S和电阻R换成两个MOS管。

当Vi < Vgs(th) ，NMOS截止，Vo ≈Vdd

当Vi > Vgs(th) ，NMOS导通，工作在可变电阻区，等效为一个小电阻Ron，Vo ≈0

所以MOS管的DS之间相当于一个受Vi控制的开关。

然后我们再把电阻R也换成一个Pmos。

当Vi = 1，NMOS导通，处于可变电阻区，而PMOS截止，处于截止区，流过PMOS的电流接近于0，基本没有功耗。

NMOS,PMOS两个管子这样Gate端共用一个输入，D端相连输出的结构就叫互补MOS结构，CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体）的缩写。

两个管子的开启电压相同，Vgs(th)N = |Vgs(th)P|。标准的CMOS反相器中，P,N管的各项参数都相同。

基于MOS管的电压，电流传输特性，能够推出CMOS的电压，电流传输特性。

电压传输特性：输出电压Vo随输入电压Vi变化的关系曲线。

电流传输特性：输出漏极电流Id随输入电压Vi变化的关系曲线。

在AB段，Vi<Vtn，NMOS截止，处于截止区，PMOS导通，处于可变电阻区。

在CD段，Vi > VDD - |Vtp|，这是NMOS导通，处于可变电阻区，PMOS截止，处于截止区。

在BC段，从左到右，B~1/2Vdd阶段，NMOS处于饱和区（Vi大于Vtn,Vds由于PMOS的导通比较大，直接进入饱和区），PMOS处于可变电阻区（由于Vi变大，PMOS导通程度降低）

在BC段，从左到右，1/2Vdd阶段，由于Vi的逐渐增大，NMOS依然处于处于饱和区，PMOS也进入了饱和区。

在BC段，从左到右，1/2Vdd~C阶段，NMOS导通程度增大，处于可变电阻区，PMOS导通程度降低，Vds逐渐增大，进入饱和区。

在BC段，NMOS.PMOS同时导通，若N,P参数完全对称，那么Vi = 1/2Vdd 时，Vo = 1/2Vdd。

当Vtn<Vi < VDD -Vtp时，即图中的BC段，两个管子都处于饱和区，Id电流最大，会出现一个电流峰值，产生动态功耗。

Q4：CMOS的输入噪声容限是什么？

在电压特性曲线中，在Vi从0上升到Vtn的过程中，输出Vo高电平维持一段时间没有变化。

在Vi从理想的高电平Vdd减小Vtp的期间，输出Vo低电平也维持一段时间没有变化。

因此，CMOS反相器对输入允许有一定的波动范围，在此范围内都能够输出有效的高，低电平。

而CMOS输出的时候，由于MOS管的导通电阻，输出高电平的时候，会产生分压，电位降低一点。输出低电平的时候，电位会被抬高一点。

所以输出高低电平有一定的误差，由于器件参数的分散性，相同条件下相同型号输出的低电平也略有区别，但是最大不会超过Vol(max)。输出高电平的最小值不会低于VoH(min)。

输出误差和输入波动范围就一起定义了CMOS的输入噪声容限。

例如，在74HC系列CMOD集成电路在5V工作电压时的参数。

输入高电平的噪声容限 VNH =VOH(min) -V IH(min) = 4.9V - 3.5V =1.4V

输入低电平的噪声容限 VNL =VIL(max) -V OL(maz) = 1.5V - 0.1V =1.4V

当P,NMOS的参数完全对称时，噪声容限也是相同的

当增大电源电压时，能够提高噪声容限，但是同时也增大了动态功耗。

Q5：CMOS结构中P管的宽长比为什么比N管的大？

由于NMOS管中多子是空穴，少子是电子，而PMOS的多子是电子，少子是空穴

所以在Gate接入电压，Nmos中电子形成导电沟道，Pmos用空穴形成导电沟道，电子的迁移能力比空穴强，

在相同的电场强度下，想要形成相同的导通电阻的话，Pmos的导电沟道宽长比(W/L)要做的比Nmos大，才能得到相同的导通电阻。

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