CMOS反相器電路解析
一、電路原理圖與物理版圖
CMOS反相器由NMOS和PMOS晶體管組成，其電路原理圖和物理版圖如下圖所示。物理版圖相當(dāng)于MASK圖形，集成電路制造基于此圖形，經(jīng)光刻、生長(zhǎng)、注入等工藝逐層實(shí)現(xiàn)。因此，任何電路圖最終需轉(zhuǎn)換為物理版圖供生產(chǎn)。
CMOS反相器實(shí)際剖面圖如下，展示了其層疊結(jié)構(gòu)。
通常，VDD與VBBp連接且接至VDD，作為PMOS的源端；VBBn與GND連接并接地，充當(dāng)NMOS的源端。隨著工藝尺寸縮小，為節(jié)省面積，VBBp和VBBn不再與每一門(mén)電路的VDD和GND連接，而是每隔幾個(gè)電路連接一次。不過(guò)，這會(huì)導(dǎo)致襯底偏置電壓（VBS）與源端出現(xiàn)minor電壓差，進(jìn)而改變閾值電壓VT。VBS與VT呈反比關(guān)系：VBS越大，VT越小；VBS越小，VT越大。
對(duì)于數(shù)字集成電路工程師而言，了解襯底偏置電壓對(duì)VT的影響即可。在先進(jìn)工藝中，為實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)，BodyBiasingGenerator（BBG）可微調(diào)偏置電壓，在功耗與性能間做出權(quán)衡。降低VT能提升性能，但會(huì)增加漏電；提高VT可減少漏電，但對(duì)性能有負(fù)面影響。
二、電路分析
（一）電路組成與負(fù)載電容
CMOS反相器電路包含一個(gè)負(fù)載電容CL。對(duì)于CMOS門(mén)電路，其輸出需驅(qū)動(dòng)負(fù)載。一般而言，CMOS門(mén)電路的負(fù)載是金屬連線與地之間的電容以及下一級(jí)電路輸入柵極與地之間的電容。由于MOSFET是電壓控制電流器件，僅靠電流無(wú)法實(shí)現(xiàn)邏輯傳遞。負(fù)載電容在充電和放電過(guò)程中，使其節(jié)點(diǎn)在VDD和地電勢(shì)間跳變，從而傳遞邏輯數(shù)值。
（二）反相器轉(zhuǎn)移特性曲線
假設(shè)PMOS和NMOS的VT值相同，輸入電壓變化引起的輸出電壓變化曲線（反相器轉(zhuǎn)移特性曲線）如下：
A區(qū)域：當(dāng)輸入電壓Vin在0V到VTN之間時(shí)，NMOS截止，PMOS處于非飽和狀態(tài)，但無(wú)電流通路，因此無(wú)電流流過(guò)，輸出電壓保持不變。
B區(qū)域：Vin在VTN到1/2VDD之間時(shí)，NMOS處于飽和狀態(tài)，PMOS處于非飽和狀態(tài)。由于PMOS的VDS不大，電流較小，電容放電速度較慢。
C區(qū)域：當(dāng)Vin在1/2VDD附近時(shí)，NMOS和PMOS同時(shí)處于飽和狀態(tài)，放電速度突然增大。此時(shí)，PMOS很快達(dá)到飽和狀態(tài)（VDS增加），而NMOS很快達(dá)到非飽和狀態(tài)（VDS減少），隨后進(jìn)入D區(qū)域。
D區(qū)域：Vin在1/2VDD到接近（VDD-VTP）的區(qū)間時(shí)，NMOS處于非飽和狀態(tài)，PMOS處于飽和狀態(tài)。由于NMOS的VDS不大，電流較小，電容放電速度較慢。
E區(qū)域：當(dāng)Vin大于VDD-VTP時(shí)，PMOS截止，無(wú)電流通路，輸出電壓固定在0V。
從上述特性可見(jiàn)，輸入電壓為VDD時(shí)，輸出電壓為0V；輸入電壓為0V時(shí)，輸出電壓為VDD，滿足反相器的邏輯關(guān)系。
（三）輸入電壓與電路電流的關(guān)系
分析表明，當(dāng)輸入電壓小于NMOS的VT或大于VDD-|VTP|時(shí)，電路幾乎不產(chǎn)生電流。僅在中間區(qū)間，才會(huì)產(chǎn)生較大電流，尤其當(dāng)兩個(gè)管子均處于飽和狀態(tài)時(shí)。這種特性意味著電路在不發(fā)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)幾乎不消耗電流，而一旦發(fā)生翻轉(zhuǎn)，借助NMOS和PMOS的互補(bǔ)性，可迅速實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而提升電路性能。
通過(guò)以上分析，深入理解CMOS反相器的電路原理和特性，有助于在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中更好地運(yùn)用和優(yōu)化反相器，以實(shí)現(xiàn)高性能、低功耗的電路設(shè)計(jì)。
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