一文看懂CMOS反相器原理

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反相器作为数字设计的核心，其静态CMOS反相器具有以下特点：输出高电平为VDD，输出低电平为GND；属于无比逻辑，功能不受晶体管相对尺寸影响；具有低输出阻抗，输入电阻极高；理论上具有无穷大扇出，单个反相器可以驱动无穷多个门，增加扇出会增加传播延时，动态特性会变差，但不会影响稳态特性；在稳态工作情况下，电源线和地线之间没有直接通路，没有电流存在，意味着理论上没有静态功耗。

静态CMOS反相器电路图由一个上拉的PMOS器件和一个下拉的NMOS器件组成。通过使用MOS管的开关模型，可以将其等效成反相器开关模型。当Vin＝VDD时，下拉NMOS器件开始工作，PMOS器件断开，将存储在负载电容CL上的电压放电至0V。当Vin＝0V时，上拉PMOS器件开始工作，NMOS器件断开，向负载电容CL充电至VDD。

使用NMOS器件作为下拉器件，PMOS器件作为上拉器件的原因是PMOS器件是强1器件，而NMOS器件是强0器件。使用NMOS器件放电时可以将存储在负载电容CL上的电压放电至0V，而使用PMOS器件只能放电至|VTp|。同样，使用PMOS器件充电时，可以向负载电容CL充电至VDD，而使用NMOS器件只能充电至VDD-VTn。

通过公式进行关系转换，将PMOS器件的I-V特性曲线转换到与NMOS器件相同的坐标系中。利用图解法迭加NMOS和PMOS器件I-V特性曲线，得到负载曲线，其中红线代表PMOS器件，蓝线代表NMOS器件。通过整理圆点处的Vin和Vout，可以得到反相器电压传输特性曲线。电压传输特性曲线中有一个VM点，即开关阈值，一般定义为Vin=Vout的点。图解法求VM是找出y=x函数与电压传输特性曲线的交点。

反相器在VM处的增益可以通过对Vin求导得到。噪声容限是指在前一级输出为最坏的情况下，为保证后一级正常工作，所允许的最大噪声幅度。其中NMH指的是高电平噪声容限，NML指的是低电平噪声容限。VIL、VIH可以在VTC中求增益等于-1的工作点得到。

传播延时表示一个信号通过一个门时所经历的时间，定义为输入和输出波形的50%翻转点之间的时间。通过将充电过程的开关模型转换成一阶RC网络，列出电压关系，可以求出放电过程的传播延时tpHL。等效电阻的计算方法是通过NMOS晶体管放电时的等效电阻。将等效电阻公式代入传播延时公式中，忽略沟道调制。

CMOS反相器的总功耗分为动态功耗和静态功耗。动态功耗主要有两种，由充放电电容引起的动态功耗和由直接通路电流引起的动态功耗。静态功耗一般由源（或漏）与衬底之间的反偏二极管漏电和亚阈值漏电构成。CMOS反相器的总功耗为充放电电容引起的动态功耗和由直接通路电流引起的动态功耗之和。