• CMOS反相器的工作原理和电路结构

    目录

    CMOS反相器的电路结构

    静态输入特性        

    输出特性

    后续一些其他补充介绍 

    NMOS

    MOSFET的开关模型

    现实生活中MOSFET的截面图 

    输出特性曲线

    总结

    MOSFET的SCS模型

    MOSFET的SR模型 

    进一步分析 

    例子

     PMOS

    CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

    CMOS反相器的电路结构

     当输入为高电压的时候 ，下半部分导通，输出端接地

    当输入为低电压的时候，上半部分导通，输出端连接VDD

    静态输入特性        

    从反相器输入端看进去输入电压与电流的关系

    因为栅极和衬底之间存在着以二氧化硅为介质的输入电容，而绝缘介质又非常薄，极易被击穿，所以必须采取保护措施

    在目前生产的CMOS电路中采取了各种各样的保护措施，其中最常见的就是

     我们需要保证加到T_1.T_2上的电压都不超过V_{DD}+V_{DF}

    我们设计如上图所示的电路图，当电压> V_{DD}+V_{DF}

    此时D_1上的压降大于V_{DF},二极管导通，相当于导线，此时该点处的电压就变为V_{DD}+V_{DF}

    下面的二极管原理也是同理

    输出特性

     从反相器输出端看进去的输出电压与输出电流的关系，称为输出特性

    低电平输出特性

    原先的想法：电流增大，压降增大，所以输出电压减小 

    CMOS管此时等效成可变电阻，得要用输出曲线来解释

    后续一些其他补充介绍 

    NMOS

     金属氧化物半导体场效应晶体管

    这是一个什么样的结构呢？

    对于N型增强型MOSFET

    如果看到这个符号是一个N型增强型的MOSFET

    一般认为是三端的元器件

    gate端我们定义成栅极

    drain端我们定义成漏极

    source端我们定义成源极

    对于MOSFET来说，我们用电信号来代替力学信号

    当栅极和源极之间的电压差大于某一个数的时候就是导通的

    力控开关就是力到达某一程度，开关导通

    对于MOSFET来说也是一样的

    V_{GS}>=V_T那么则是导通的

    V_{GS} < V_T那么则是不导通的

    用电压值来控制开关，我们就更加容易实现电路逻辑了

    MOSFET的开关模型

    DS之间会形成一个源漏电流， i_{GS}非常非常小，\approx 0，一直是接近于，几乎可以等同于0

    D,S就是开关的一个输入和输出

    D端和S端是对称的，因而i_{GD}=i_{GS}

    这个MOSFET相当于是一个电控的开关，开关特性完全类似于力控开关，力控开关可以实现逻辑门的运算还有功能，我们用电控开关一样可以实现功能

    这个MOSFET可以等同于力控开关

     V_{in}>V_T,V_{in}= '0'

    V_{in}<V_T,V_{in}= 'V_s'

    V_{out}=\overline{V_{in}}

    我们把高电压定义为数字逻辑1，低电平定义成数字逻辑0

    推广一下可以得到

    举例：

     对于NMOS形成的逻辑门来说，这个操作形成的是或

    大家以后看到这样的电路，可以直接写出表达式

    如果逻辑门采取的是这样的构型，下面是通过NMOS的串并联，那么结果上肯定始有非的

      

    Gate，Drain，Source并不是一个平面结构，而是一个立体的结构

    在drain和source我们写了一个N+,是一个非常重的N型掺杂

    画斜杠的这一层就是meta，箭头指的地方就是氧化层，再往下就是S结构

    Source和Drain之间是有距离的，我们定义成L代表Channel \ Length

    电流不仅取决于长度，也取决于W

    当这个MOSFET导通的时候，电流在L上流动，L越小，I_{DS}就会越大

    L越小，W越大，电流才会越大

    现实生活中MOSFET的截面图 

     侧墙是为了保护氧化物这一层的

     当V_{GS}比较小的时候，沟道呈现高阻态，所以电流不导通

    输出特性曲线

    现在可以看出来

    晶体管导通的时候D和S之间并不是短路，至少是有一个电阻

    总结

     在饱和区的时候，I_{DS}不受V_{DS}控制，受到V_{GS}控制，像是一个压控电流源

    此时我们就可以用电流源的符号来等效MOSFET

    在这个时候，我们就会发现压控电流源，在现实生活中是存在的，只是并不是线性的受控电流源

    在线性区的时候，等效于一个电阻，V_{DS}和I_{DS}类似线性模型，此时重点就在于R_{ON}，这个取决于电路结构

    R_{ON}受到V_{GS}的控制，栅压越大，导通性能就会越好，电阻值就会越小

    MOSFET的SCS模型

     SCS模型可以用来做放大

    如果要用来做放大，我们一定要让他工作在饱和区

    否则工作在线性区，我们不能让它和输入电压构成关系

    所以我们一定要千方百计让它一定要工作在饱和区，这样才能实现一个类似放大器的功能

    MOSFET的SR模型 

     SR模型主要是用在数字电路中的

    我们下面简单来做一个对比

    导通的时候，肯定不是短路

    对于SR模型来说，导通的时候就是一个电阻，用在MOSFET开关电路中

    SR模型更加贴近MOSFET的实际情况，S模型是一个理想化的模型，在现实生活中用的比较少

    当然如果外接电阻非常大的话，我们一样也可以忽略这些

    进一步分析 

     我们需要R_{ON}比较小，R_L比较大，我们才能够满足需求

    但是不管用S模型还是SR模型都是相对比较容易的

    例子

     PMOS

    PMOS在属性上和NMOS相反，大家只需要记住相反的结论就可以了

    CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)

     互补型MOSFET技术

    NMOS和PMOS连接起来就是CMOS（互补型电路）

    下面和地相接的是NMOS，上面和电源相接的是PMOS

    不管是上面在工作，还是下面在工作，他都没有形成通路

    引入CMOS大大降低了功耗，永远都不能形成V_s到地的通路

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