微电子电路——反相器网表详解

基础
反相器直流特性：
SPICE网表：

*INV DC Analysis.TEMP    25.0000 .option abstol=1e-6 reltol=1e-6 post ingold.lib 'gd018.l' TT* --- Voltage Sources ---
vdd   VDD  0 dc=1.8
vin   vi 0 dc=0.9* --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos vo vi VDD VDD PCH W=30U L=6U
Mnmos vo vi GND GND NCH W=30U L=6U* --- Transient Analysis ---
.dc vin 0 1.8 0.01.print dc v(vi) v(vo).end

没什么特别的，nmos和pmos串联，如有不理解可以看我之前的博客

同样可以做出如下的改进：

反相器直流特性-不同宽长比：
SPICE网表：

*INV DC Analysis.TEMP    25.0000 .option abstol=1e-6 reltol=1e-6 post ingold.lib 'gd018.l' TT
.para WA=30U* --- Voltage Sources ---
vdd   VDD  0 dc=1.8
vin   vi 0 dc=0.9* --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos vo vi VDD VDD PCH W=WA L=6U
Mnmos vo vi GND GND NCH W=6U L=6U* --- Transient Analysis ---
.dc vin 0 1.8 0.01 sweep WA 30U 36U 1U.print dc v(vi) v(vo).end

这里通过定义了一个WA变量，我们可以通过sweep进行改变，看不同宽长比情况下的图像

反相器瞬态特性-单周期
SPICE网表：

*AC Analysis for INV.TEMP    25.0000
.PRINT TRAN V(IN) V(OUT)
*打印节点in，out电压瞬态分析值
.option abstol=1e-6 reltol=1e-6 post ingold
.lib 'gd018.l' TT
* --- Voltage Sources ---
vdd   VDD  0 dc=1.8
vin   vi 0 PULSE(0 1.8 0ns 0.5ns 0.5ns 5ns 10ns)
*在vi和0节点之间加一个脉冲源，低电平为0，高电平为108V，延时0ns，上升沿0.5ns，下降沿0.5ns脉冲宽度5ns，周期10ns
* --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos vo vi VDD VDD PCH W=30U L=6U
Mnmos vo vi GND GND NCH W=30U L=6U* --- Transient Analysis ---
.OPTIONS    POST
.tran       0.001ns 10ns
*瞬态分析步长为0.001ns，时间为10ns.end

我们要看输入输出电压

可以进行如下改进

反相器瞬态特性-单周期-不同宽长比
SPICE网表：

*AC Analysis for INV.TEMP    25.0000
*打印节点in，out电压瞬态分析值.lib 'gd018.l' TT
.para WA=10U* --- Voltage Sources ---
vdd   VDD  0 dc=1.8
vin   vi 0 PULSE(0 1.8 5ns 2ns 2ns 10ns 20ns)
*在vi和0节点之间加一个脉冲源，低电平为0，高电平为108V，延时2ns，上升沿0.5ns，下降沿0.5ns脉冲宽度5ns，周期10ns
C1 vo 0 0.75p
* --- Inverter Subcircuit ---
Mpmos vo vi VDD VDD PCH W=WA L=1U
Mnmos vo vi GND GND NCH W=20U L=1U* --- Transient Analysis ---
.OPTIONS    POST
.tran       0.01ns  25ns sweep WA 10U 40U 5U
*瞬态分析步长为0.01ns，时间为25ns
.print tran v(vi) v(vo).end

原理讲解——反相器：

反相器是一个nmos与一个pmos相连，其中栅极相连，为输入端；漏极相连，为输出端。而pmos的源极和衬底接高电平，nmos的源极和衬底接低电平。
当输入为高电平的时候，对pmos而言，Vgs=0；对nmos而言，Vgs=VDD高电平，所以相当于pmos截止，nmos导通，相当于放电，对外显示低电平0；当输入为低电平的时候，对pmos而言，Vgs=-VDD高电平反向；对nmos而言，Vgs=0低电平，所以相当于nmos截止，pmos导通，相当于充电，对外显示高电平1。
当改变输入电压的时候，根据不同的线性区和饱和区的电压，可以绘制出7个不同的区域，如下：

当 0≤Vin≤VTN，NMOS截止， PMOS线性，Vin在一定范围变化(0～VTN)， Vout始终保持VDD。
当VTN<Vin<Vout+VTP，NMOS饱和，PMOS线性，Vout随Vin的增加而非线性地下降, Kr=KN/KP为比例因子
当 Vout+VTP≤Vin≤Vout+VTN，NMOS饱和， PMOS饱和，VTC垂直下降。
当Vout+VTN<Vin<VDD+VTP，NMOS线性，PMOS饱和，Vout随Vin的增加而非线性地下降
当VDD≥Vin≥VDD+VTP，NMOS线性， PMOS截止，Vin在一定范围变化(VDD+VTP ～ VDD)， Vout始终保持0
理想VTC曲线：
(1)为输出高电平区
(2)、(3)、(4)为转变区
(5)为输出低电平区
其中(3)表现为垂线段

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