数字集成电路 | CMOS反相器

Answer 1

CMOS反相器的特性直观展现

CMOS技术中的NMOS和PMOS行为各异：当Vin接近VDD时，NMOS的导通能力增强，沟道加宽，电流增大；反之，当Vin靠近GND，PMOS的空穴吸收增多，同样导致沟道拓宽和电流增加。

CMOS反相器的电压转换（VTC）并非瞬间完成，输出电容决定了瞬态响应时间，可通过调整RC时间常数模型来计算。静态特性中，设计开关阈值（Vm）通常选择VDD/2，以平衡噪声容限，特殊情况可能需要非对称特性来抑制噪声干扰。

通过驱动强度比r（与PMOS和NMOS尺寸比值有关）调整，可以优化噪声容限。过渡区宽度影响噪声影响，减小宽度能提高容限。利用公式可以调整电路参数来控制过渡区宽度和增益。

再生特性，即多次反相后的电平恢复，显示了电路的驱动能力。并非所有反相器都有此特性，电路稳定性受制于器件工艺，但工艺差异对CMOS性能影响较小。

降低电源电压虽然能改善VTC特性，但会增加延迟和动态特性敏感性。动态特性中的电容包括栅漏电容、扩散电容和连线电容，影响传播延时。优化延时方法包括减小CL、调整晶体管宽长比和避免自载效应。

从设计角度，可通过调整PMOS宽度，选择合适的反相器链尺寸，以及优化反相器网络来优化延时。同时，动态功耗，如电容充放电和直接通路功耗，也是考虑的功耗来源。静态功耗中的漏电流，可通过提高阈值电压来减少。