图五CMOS反相器电压传输特性
工作区Ⅰ：由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。
工作区Ⅲ：PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI值等于阈值电压Vth。
工作区Ⅴ：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO≈0V，处于稳定的开态。 (2)CMOS反相器的电流传输特性曲线，只在工作区Ⅲ时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。
图六CMOS反相器电流传输特性
②输入特性与输出特性 （1） 输入特性
为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。 由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。考
6
虑输入保护电路后，CMOS反相器的输入特性如图七所示：
i 图七CMOS反相器输入特性 －（2） 输出特性 a.低电平输出特性
当输入vI为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流IOL灌入输入管，如图八所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS，输出特性曲线如图九所示。输出电阻的大小与vGSN(vI)有关，vI越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。
(iDSN) VDD T IOL PRL vI(vGSN) IOL vO=VOL vI=VDD TN VOL(vDSN) 图八 输出低电平等效电路 图九 输出低电平时特性
OVvb.高电平输出特性
当输入vI为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图十所示。输出电压VOH=VDD-vSDP，拉电流IOH即为iSDP，输出特性曲线如图十一所示。由曲线可见，|vGSP|越大，负载电流的增加使VOH下降越小，带拉电流负载能力就越强。 IOH VDD vGST P IOH VOH vI=0 TN RL O VD 图十输出高电平等效电路 图十一输出高电平时特性 ③电源特性
CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。
CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态
7
vSD功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工作在第Ⅲ工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。
第三章 CMOS反相器的电路仿真
3.1 CMOS反相器的电路图设计
第一步：首先利用LTspice进行电路图设计的仿真，步骤如下： 1、添加pmos(nmos管同理)：
注意:其中，mos管的初始方向都是同向的，所以PMOS要旋转＋倒置，其中CTRL+R的功能是旋转，而ctrl+E的功能是镜像的作用。如图所示：
8
2、设置两mos管的参数：
将鼠标移至PMOS或者NMOS管上，待出现手指图案时就点击鼠标右键，则会出现MOS管的设置窗口，本文将参数均设置为0.12u。
3、在电路输入界面中的EDIT下拉菜单中找到Draw Wire或点击工具栏图标，可以实现原件互连。而后，鼠标放置在线的终端，单击鼠标右键，选择Label Net，设置相应的标签或者点击工具栏图标
可放置地线，点击工具栏图标
可
以添加并设置输入/输出口。布线后结果如图：添加其他器件及连接线，完成图：
图4.4
9
4、封装：
5、接入信号源
电路做好后，在电路输入端加激励信号源，才能观察到电路的反应如何。接入信号源的步骤如下：第一步，在元器件库中找到独立电压源Voltage；第二步，双击Voltage，让它进入画图界面；第三步，拖动Voltage图标，移到电路输入端；第四步，右击Voltage图标，对它进行设置。在弹出的的窗口中选择PULSE，它的PULSE参数分别为（0 5v 0.5ms 1n 1n 1s 2s 10）, 这些参数表示为（低电平脉冲大小延时上升沿时间下降沿时间脉冲宽度脉冲周期仿真周期个数），如图：
10