什么是CMOS逆变器:工作及其应用

术语“互补金属氧化物半导体是“互补对称金属氧化物半导体”的缩写,发音为“see mos”。CMOS是MOSFET的一种类型,其制造过程使用互补和对称的p型和n型MOSFET对的逻辑功能。CMOS器件的主要特点是低静态功耗和高抗噪声能力。逆变器在对单个i/p变量进行布尔运算时被普遍接受为基本逻辑门。一个基本的逆变器电路通过从a到a '的补全来完成一个逻辑变量。所以,一个CMOS反相器是一个非常简单的电路,设计了两个极性相反的mosfet在一个互补的方式。本文讨论了CMOS逆变器及其应用的概述。


什么是CMOS逆变器?

CMOS逆变器定义是一种用来产生逻辑函数的设备,被称为CMOS逆变器,是所有集成电路中必不可少的部件。CMOS逆变器是一种场效应晶体管它由一个金属栅极组成,该栅极位于半导体上的氧的绝缘层上。这些逆变器被用于大多数负责在小电路中产生数据的电子设备中。

CMOS逆变器符号和真值表
CMOS逆变器符号和真值表

CMOS逆变器原理图

类似于逆变器的逻辑元件对应用的输入信号进行反向处理。在数字逻辑电路中,二进制运算和开关或逻辑函数的数学操作最好通过符号0和1来完成。CMOS逆变器真值表如上所示。如果输入逻辑是0(0),那么输出将是高(1),反之,如果输入逻辑是1(1),那么输出将是低(0)。

CMOS反相器电路
CMOS反相器电路

CMOS逆变器电路图如下图所示。一般的CMOS逆变器结构是PMOS和NMOS晶体管的组合,PMOS布置在顶部,NMOS布置在底部。

在CMOS逆变器中,PMOS和NMOS晶体管的连接可以这样完成。NMOS晶体管连接在漏极(D)和栅极(G)端子上,PMOS的源端连接电压源(VDD), NMOS的源端连接GND端子。输入电压(Vin)连接到晶体管的栅极端子,输出电压(Vout)连接到晶体管的漏极(D)端子。

这是非常重要的观察到,CMOS设备没有任何电阻,所以它将更节能。一旦CMOS的输入电压在0 ~ 5伏之间变化,那么两个晶体管的状态也会相应变化。如果我们把每个晶体管设计成一个简单的开关,通过输入电压(Vin)来操作,那么逆变器的操作可以很简单地观察到:

CMOS逆变器操作和工作

CMOS逆变器的工作原理与其他类型的fet一样,除了依赖于一个氧层来分割栅和半导体内部的电子。它们设计有电源,输入电压端子,输出电压,栅,漏极,PMOS和NMOS晶体管,这些晶体管连接到栅和漏极端子。

PCBWay

当低输入电压给CMOS逆变器,然后PMOS晶体管被打开,而NMOS晶体管将关闭,通过允许电子流通过栅极终端并产生高逻辑输出电压。

类似地,当高输入电压给CMOS逆变器时,PMOS晶体管被关闭,而NMOS晶体管将被打开,避免了很多电子获得输出电压和产生低逻辑输出电压。

因此,直流电源从供电电压(VDD)到输出电压(Vout)和负载电容(CL)可以充电,显示Vout = VDD。因此,上面的电路工作起来就像一个逆变器。

CMOS反相器的特点

CMOS逆变器的特性在下面讨论。

逆变器静态特性或VTC

通过绘制输入电压(Vin)和输出电压(Vo)之间的VTC或电压传递曲线,可以频繁地测量逆变器的质量。从以下的静态特性中,可以得到器件的参数,如增益、工作逻辑电平、噪声容忍度和噪声。

电压传输曲线
电压传输曲线

VTC或电压转移曲线看起来像一个倒置的阶梯函数,指定了ON和OFF之间的精确切换,但在实际设备中,存在一个渐变过渡区域。电压传递曲线表明,当输入电压Vin较低时,电路产生的电压Vout较高,而当输入电压较高时,电路产生的电压为0。

过渡区坡度是衡量质量的一种方法——陡坡能产生精确的切换。对噪声的容忍度可以通过计算ON或OFF操作的每个区域的最小输入到最高输出的值来计算。

逆变器动态特性

CMOS逆变器动态特性如下图所示。下面讨论一些不同参数的形式定义。这里,所有的百分比(%)值都是稳态值。

CMOS逆变器的动态特性
CMOS逆变器的动态特性
  • 上升时间(tr):信号从10%增加到90%的时间。
  • 下降时间或tf:下降时间是用来降低信号从90%到10%的时间
  • 边缘速率或trf:为(tr + tf)/2。
  • 传播延迟从高到低或tpHL:用于从VOH - 50%下降的时间。
  • 传播延迟从低到高或tpLH:从50%- VOL增加所用的时间。
  • 传播延迟或tp:是(tpHL + tpLH)/2。
  • 污染延迟(tcd):从50%输入过程到50%输出过程的最小时间。

优势

CMOS反相器的优点包括以下。

  • CMOS逆变器的稳态功耗几乎可以忽略不计,除了由于漏电流造成的功耗很小。
  • VTC(电压转移特性)在0 V和VDD之间表现出完整的o/p电压波动,且电压转移特性的转变通常非常剧烈。因此,CMOS逆变器的特性看起来像一个理想的逆变器。
  • 这些逆变器使用电力,一旦他们被打开和关闭导致更少的电力消耗。因此,这些逆变器产生的废热非常少,使其高效,因此用于小型和精致的电子设备。
  • 这些逆变器具有高的抗噪声能力,这使得它们能够同时阻断输入和输出的频率峰值。
  • 这些都是低成本的批量生产。

缺点

CMOS反相器的缺点包括以下。

  • 与其他逆变器相比,CMOS逆变器的切换速度较高。
  • 这是非常困难的制造,因为这两个晶体管使用在同一硅片。
  • 它使用两个晶体管来制造一个逆变器,所以它在IC上使用更多的空间,相比于NMOS逆变器。

应用程序

CMOS逆变器的应用包括以下。

  • CMOS逆变器是用在不同的地方ic(集成电路)比如微处理器,静态RAM,微控制器、数据转换器、图像传感器等收发器
  • 它们存在于移动设备、数码相机、家用电脑、手机、路由器、网络服务器、调制解调器和几乎彼此都需要逻辑功能的电子设备中。

CMOS逆变器的功能是什么?

CMOS逆变器是最常用的柔性MOSFET逆变器,用于设计集成电路如CD4069UB CMOS十六进制逆变器,CD4069UBE, CD40106BE等。它们通过非常小的功率损耗和高速运行。这些逆变器是用来在小型电子电路中产生数据的。

什么是逆变器门在CMOS?

在CMOS中,逆变门是逻辑门的一种,用于实现逻辑反()。

哪个门也被称为逆变器?

逻辑门也被称为逆变器,因为NOT门给高输入低输出和提供高输出低输入。

为什么我们在CMOS中使用P衬底?

在CMOS中,p型衬底可以在没有额外掺杂的情况下构建n通道晶体管。所以这是主要的好处,因为掺杂低,电子迁移率高,增益高,晶体管的开关速度高。

因此,这一切都是关于CMOS的概述运行速度快,耗电少的逆变器。这些逆变器具有良好的逻辑缓冲特性,因此在高、低条件下都有较大的噪声裕度。有个问题要问你,什么是P-MOS晶体管?

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