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逻辑门电路工作原理
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1、工作原理

首先考虑两种极限情况:当 vI 处于逻辑 0 时,相应的电压近似为 0V ;而当 vI 处于逻辑 1 时,相应的电压近似为VDD。假设在两种情况下N沟道管TN为工作管P沟道管TP为负载管。但是,由于电路是互补对称的,这种假设可以是任意的,相反的情况亦将导致相同的结果。左图分析了当vI=VDD时的工作情况。在TN的输出特性iD—vDSvGSNVDD(注意vDSN=vO)上,叠加一条负载线,它是负载管TPvSGP=0V时的输出特性iDvSD。由于vSGPVTVTN=|VTP|=VT),负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即工作点。显然,这时的输出电压vOL≈0V(典型值<10mV,而通过两管的电流接近于。这就是说,电路的功耗很小(微瓦量级)左图分析了另一种极限情况,此时对应于vI0V。此时工作管TNvGSN0的情况下运用,其输出特性iDvDS几乎与横轴重合,负载曲线是负载管TPvsGPVDD时的输出特性iDvDS。由图可知,工作点决定了VOVOH≈VDD;通过两器件的电流接近零值。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。由此可知,基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元,其输出电压接近于零或+VDD,而功耗几乎为零。

2、传输特性

由于VDD>(VTN|VTP|),因此,当VDD-|VTP|>vI>VTN时、TNTP两管同时导通。考虑到电路是互补对称的,一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到,器件在放大区(饱和区)呈现恒流特性,两器件之一可当作高阻值的负载。因此,在过渡区域,传输特性变化比较急剧。两管在VI=VDD/2处转换状态。

3、工作速度

CMOS反相器在电容负载情况下,它的开通时间与关闭时间是相等的,这是因为电路具有互补对称的性质。下图表示当vI=0V时,TN截止,TP导通,由VDD通过TP向负载电容CL充电的情况。由于CMOS反相器中,两管的gm值均设计得较大,其导通电阻较小,充电回路的时间常数较小。类似地,亦可分析电容CL放电过程。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns

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