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1、3.1 3.1 引言引言引言引言 反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平常，其输出为低反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平常，其输出为低反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平常，其输出为低反相器是这样的电路，当其输入信号为高电平常，其输出为低电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电电平，而当其输入信号为低电平，其输出则为高电平。反相器在电路中的表示符号如图路中的表示符号如图路中的表示符号如图路中的表示符号如图3.1.13.1.1所示。所示。所示。所示。图
2、图图图3.1.1 3.1.1 反相器符号反相器符号反相器符号反相器符号图图图图3.1.2 3.1.2 反相器结构反相器结构反相器结构反相器结构3.2 NMOS3.2 NMOS管负载反相器管负载反相器管负载反相器管负载反相器3.2.1 3.2.1 增加型增加型增加型增加型NMOSNMOS管负载反相器管负载反相器管负载反相器管负载反相器1 1、负载、负载、负载、负载NMOSNMOS管工作于饱和区的反相器管工作于饱和区的反相器管工作于饱和区的反相器管工作于饱和区的反相器 （a a）电路）电路）电路）电路 （b b）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性图图图图3.2.1 3.2.1
3、饱和区增加型负载饱和区增加型负载饱和区增加型负载饱和区增加型负载NMOSNMOS管反相器管反相器管反相器管反相器2 2、负载、负载、负载、负载NMOSNMOS管工作于线性电阻区管工作于线性电阻区管工作于线性电阻区管工作于线性电阻区（a a）电路）电路）电路）电路 （b b）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性图图图图3.2.2 3.2.2 线性区增加型负载线性区增加型负载线性区增加型负载线性区增加型负载NMOSNMOS管反相器管反相器管反相器管反相器3.2.2 3.2.2 耗尽型负载耗尽型负载耗尽型负载耗尽型负载NMOSNMOS管反相器管反相器管反相器管反相器（a a）电路）
4、电路）电路）电路 （b b）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性）电压转移特性图图图图3.2.3 3.2.3 耗尽型负载耗尽型负载耗尽型负载耗尽型负载NMOSNMOS管反相器管反相器管反相器管反相器3.3 CMOS3.3 CMOS反相器反相器反相器反相器3.3.1 CMOS3.3.1 CMOS反相器结构特点反相器结构特点反相器结构特点反相器结构特点（a a）电路）电路）电路）电路3.3.2 CMOS3.3.2 CMOS反相器直流特性反相器直流特性反相器直流特性反相器直流特性（b b）转移特性）转移特性）转移特性）转移特性图图图图3.3.1 CMOS3.3.1 CMOS反相器反相器反相器反相
5、器（c c）电流的变更）电流的变更）电流的变更）电流的变更3.4 3.4 动态反相器动态反相器动态反相器动态反相器图图图图3.4.1 3.4.1 动态反相器动态反相器动态反相器动态反相器3.4.1 3.4.1 动态有比反相器动态有比反相器动态有比反相器动态有比反相器3.4.2 3.4.2 动态无比反相器动态无比反相器动态无比反相器动态无比反相器图图图图3.4.2 3.4.2 动态无比反相器动态无比反相器动态无比反相器动态无比反相器3.5 3.5 延迟延迟延迟延迟（a a）反相器）反相器）反相器）反相器（b b）输入从逻辑）输入从逻辑）输入从逻辑）输入从逻辑0 0跳变到逻辑跳变到逻辑跳变到逻辑跳
6、变到逻辑1 1（c c）输入从逻辑）输入从逻辑）输入从逻辑）输入从逻辑1 1跳变到逻辑跳变到逻辑跳变到逻辑跳变到逻辑图图图图3.5.1 3.5.1 反相器产生延迟反相器产生延迟反相器产生延迟反相器产生延迟图图图图3.5.2 3.5.2 两级两级两级两级CMOSCMOS反相器级联反相器级联反相器级联反相器级联（a a）充电模型）充电模型）充电模型）充电模型（b b）放电模型）放电模型）放电模型）放电模型图图图图3.5.3 3.5.3 延迟模型延迟模型延迟模型延迟模型（a a）充电过程）充电过程）充电过程）充电过程图图图图3.5.4 3.5.4 主要电阻和电容来源主要电阻和电容来源主要电阻和电容来
7、源主要电阻和电容来源（b b）放电过程）放电过程）放电过程）放电过程3.6 3.6 功耗功耗功耗功耗CMOSCMOS反相器的耗功反相器的耗功反相器的耗功反相器的耗功P P由两部分组成，由两部分组成，由两部分组成，由两部分组成，（1 1）静态功耗，即反向漏电造成的功耗）静态功耗，即反向漏电造成的功耗）静态功耗，即反向漏电造成的功耗）静态功耗，即反向漏电造成的功耗PDPD；（2 2）动动动动态态态态功功功功耗耗耗耗，即即即即反反反反相相相相器器器器电电电电平平平平发发发发生生生生跳跳跳跳变变变变时时时时产产产产生生生生的的的的功耗。功耗。功耗。功耗。1 1、静态功耗、静态功耗、静态功耗、静态功耗图
8、图图图3.6.1 CMOS3.6.1 CMOS反相器的稳态时没有电流反相器的稳态时没有电流反相器的稳态时没有电流反相器的稳态时没有电流图图图图3.6.2 NMOS3.6.2 NMOS反相器稳态会产生电流反相器稳态会产生电流反相器稳态会产生电流反相器稳态会产生电流2 2、动态功耗、动态功耗、动态功耗、动态功耗以以以以CMOSCMOS反反反反相相相相器器器器为为为为例例例例来来来来分分分分析析析析动动动动态态态态功功功功耗耗耗耗。在在在在输输输输入入入入信信信信号号号号从从从从逻逻逻逻辑辑辑辑0 0到到到到逻逻逻逻辑辑辑辑1 1的的的的跳跳跳跳变变变变或或或或输输输输入入入入信信信信号号号号从从从
9、从逻逻逻逻辑辑辑辑1 1到到到到逻逻逻逻辑辑辑辑0 0跳跳跳跳变变变变的的的的瞬瞬瞬瞬间间间间，CMOSCMOS反反反反相相相相器器器器的的的的NMOSNMOS晶晶晶晶体体体体管管管管和和和和PMOSPMOS晶晶晶晶体体体体管管管管都都都都处处处处于于于于导导导导通通通通状状状状态态态态，这这这这导导导导致致致致一一一一个个个个从从从从电电电电源源源源VDDVDD到到到到地地地地的的的的窄窄窄窄电电电电流流流流脉脉脉脉冲冲冲冲。同同同同时时时时为为为为了了了了对对对对负负负负载载载载电电电电容容容容进进进进行行行行充充充充电电电电和和和和放放放放电电电电，也也也也须须须须要要要要有有有有电电电
10、电流流流流流流流流淌淌淌淌，这这这这将将将将引引引引起起起起功功功功耗耗耗耗。通通通通常常常常，对对对对负载电容的充电和放电所须要的电流是造成动态功耗的主要因素。负载电容的充电和放电所须要的电流是造成动态功耗的主要因素。负载电容的充电和放电所须要的电流是造成动态功耗的主要因素。负载电容的充电和放电所须要的电流是造成动态功耗的主要因素。以以以以图图图图3.5.23.5.2所所所所示示示示的的的的电电电电路路路路为为为为例例例例，由由由由于于于于对对对对负负负负载载载载电电电电容容容容的的的的充充充充电电电电和放电所引起的平均动态功耗为：和放电所引起的平均动态功耗为：和放电所引起的平均动态功耗为：和放电所引起的平均动态功耗为：式式式式中中中中，f f是是是是输输输输入入入入脉脉脉脉冲冲冲冲信信信信号号号号变变变变更更更更频频频频率率率率，CLCL是是是是延延延延迟迟迟迟模模模模型型型型中中中中的的的的电电电电容容容容，如如如如图图图图3.5.33.5.3所示。所示。所示。所示。