基于Cadence的CMOS反相器的特性分析与仿真

钱 香，陆亚青

（无锡科技职业学院，江苏 无锡 214028）

0 引 言

CMOS电路是同时采用NMOS管和PMOS管构成的一种电路，这种电路的优点是结构简单且规则，静态功耗非常小，所以在大规模和超大规模集成电路中用的较多[1]。CMOS反相器是静态CMOS逻辑电路的基本单元之一，下面先分析CMOS反相器的工作原理，再辅以软件仿真，分析其直流特性和瞬态特性[2,3]。

1 CMOS反相器的设计

文中设计的CMOS反相器中，NMOS管宽长比为2，PMOS管宽长比为5，输入信号为Vin，输出信号为Vout。输入低电平时，NMOS管截止，PMOS管导通，输出为高电平，输入高电平时，NMOS管导通，PMOS管截止，输出为低电平[4,5]。CMOS反相器的输出电压在0～VDD之间，是一种无比电路。

2 CMOS反相器的直流特性

直流输入下，CMOS反相器输出电压随输入电平的变化关系即直流电压传输特性[6-8]。输入信号Vin从0增加到VDD，NMOS管一开始工作于截止区，然后进入饱和区，最后进入非饱和区。PMOS一开始工作于非饱和区，然后进入饱和区，最后进入截止区[1]。结合MOS管工作区域的条件，将输入信号用线段表示，并在线段上将MOS管的工作区标注出来，如图1所示。Vit是反相器电压传输特性中输入和输出相等时对应的输入信号电压值，叫转换电平，也是CMOS反相器输出发生明显变化的转折点[7]。

图1 MOS管工作区域

设置CMOS反相器电源电压为5 V，对输入信号进行DC扫描，扫描范围为0～5 V，得到CMOS反相器的直流电压传输特性曲线如图2所示。从图中可以看出，输入电压较小时输出电压为5 V，输入电压较大时输出电压为0 V。输入信号等于Vit时，理想情况下输出电压直线下降，实际情况下由于沟道长度调制效应等原因，是一段变化很陡的曲线。

图2 CMOS反相器的直流电压传输特性曲线

3 CMOS反相器的瞬态特性

在输入阶跃波的条件下，反相器的瞬态特性可以用反相器的上升时间和下降时间来表示。上升时间tr定义为使反相器的输出电平从0.1VDD上升到0.9VDD所需要的时间，下降时间tf定义为输出电平从0.9VDD下降到0.1VDD所需要的时间。设置图1的CMOS反相器电源电压为5 V，输出端增加一个2 pF的负载电容，输入信号设置为周期为1 μs的方波，对电路进行瞬态仿真，得到CMOS反相器的瞬态特性曲线。由瞬态特性曲线可知输入信号为高电平时输出为低电平，输入信号为低电平时输出为高电平，电路实现反相的功能。由CMOS反相器的电路图分析可以得到，在输出高电平状态或输出低电平状态时，CMOS反相器中只有一个MOS晶体管导通，理论上不存在直流导通电流，没有静态功耗，这是CMOS电路的最大优点[9,10]。

根据上升时间和下降时间的定义，可以得到上升时间和下降时间的表达式分别为：

从表达式中可得，上升时间和下降时间与负载电容的大小、MOS管宽长比的大小有关[1]。改变电路中的参数分别进行仿真，结果记录如表1所示。

一般在设计反相器时要求输出波形对称，即上升时间和下降时间相等。从表1的数据分析可以得到，当NMOS管宽长比为2，PMOS管宽长比为5时，CMOS反相器的上升时间和下降时间近似相等。在负载电容不变的情况下，上升时间随PMOS管宽长比的增大而减小，而下降时间随NMOS管宽长比的增大而减小。

4 结 论

本文用Cadence设计了一个对称型CMOS反相器，并对电路进行了直流特性和瞬态特性仿真，验证了上升时间、下降时间与负载电容的大小、MOS管宽长比的大小有关，且PMOS管宽长比影响上升时间的大小，NMOS管宽长比影响下降时间的大小。CMOS反相器是静态CMOS逻辑电路中的基本单元之一，理解其工作原理及特性对设计其他静态CMOS逻辑电路起到至关重要的作用。