一文详解NMOS逆变器和PMOS逆变器

NMOS逆变器

通常的做法是将栅极用作输入，将漏极用作输出，使源极和基板与地保持连接。

图1显示了输入接地的增强型n沟道MOS（NMOS）的符号和连接。正电压+V通过负载电阻（RL），偏置设备。负载电阻产生压降Id∙RL其中Id表示漏极电流。基板、源极和栅极接地。

图1.带接地输入的增强型NMOS逆变器

当输入接地时，栅极电容上的电压为零，表示逻辑为0。因此，栅极电容将保持放电状态，并且晶体管中不会形成沟道。在没有通道的情况下，晶体管作为开路运行。它具有高电阻，因此，其漏极和源极之间的电流Id非常低。输出变为正（+V）–逻辑1–因为负载电阻中的压降可以忽略不计。

然后，使用接地输入（逻辑0），晶体管“关断”，输出非常接近电源电压（逻辑1）。

图2显示了相同的晶体管，但输入连接到电源电压+V（逻辑1）。

图2.增强型NMOS逆变器，输入端电压为+V。

现在，栅极端子连接到正电压。这会将电子吸引到栅极的氧化层。当足够的电荷积聚在栅极下方时，结果是电子过多，硅在表面变成n型材料。

现在，一个n沟道连接n型源极和n型漏极，从而减小了电阻，并允许漏极电流ID从漏极流向源极。栅极上的正电压打开晶体管，它充当闭合开关。打开晶体管所需的电压是阈值电压VT.

当晶体管导通时，它表现为电阻器。但是，由于n沟道的电阻与负载电阻相比具有较小的电阻，因此输出几乎变为地电位–逻辑0。

总而言之，将输入接地（逻辑0）使输出具有非常接近电源电压的电压（逻辑1），使输入为正（逻辑1）导致输出接地（逻辑0），用作逆变器。

术语增强型来自这样一个事实，即晶体管充当“常开”开关，并在打开时导通。

请注意，输入始终是直流信号的开路，因为栅极连接到电容器。因此，输入电流仅在电容器的充电/放电时间内不为零。

NMOS逆变器的一个弱点是在晶体管的ON状态期间需要连续的电流从电源流向地面，这可能导致功耗显着增加，尤其是在处理复杂电路时。

PMOS逆变器

PMOS晶体管以互补方式工作，逆变器电路连接与NMOS版本相反。

图3显示了PMOS逆变器的符号和连接，输入端施加电压+V，代表逻辑1。基板和源极连接到+V，负载电阻接地。

图3.具有+V输入的增强型PMOS逆变器

+V输入（Vgs=0V）不对栅极电容充电，使晶体管保持“关断”。因此，与负载电阻相比，晶体管的电阻较高，从而提供接地输出（逻辑0）。

图4显示了具有接地输入的PMOS逆变器（输入施加逻辑0）。

图4.带接地输入的增强型PMOS逆变器

接地输入（Vgs=-V）为栅极电容器充电，使电子保持在电容器的栅极侧。电容器另一侧的电荷为正，由正电压源提供。

有了足够的累积正电荷，它们将n型硅的表面转化为p型材料，在源极和漏极之间形成低电阻连续p沟道。此条件打开晶体管，允许漏极电流Id从源极流向漏极。

由于晶体管的导通电阻与负载电阻相比非常小，因此其压降很小，输出非常接近+V（逻辑1）。

与NMOS逆变器一样，输入端的逻辑0在输出端产生逻辑1，反之亦然。

逆变器介绍

逆变器是反转所施加信号的逻辑元件。在数字电路中，开关或逻辑功能的二进制算术和数学操作最好使用符号0（零）和1（一）执行。如果逻辑电平为0（接地）或0 V，1（V伏），则在逆变器中，0 V的输入电平会导致输出电平为V伏，反之亦然。

另一种方法是给出一个真值表，其中包含所有可能的输入值及其结果输出的排列，而不是用文字陈述这些逻辑运算。例如，表1显示了逆变器的真值表。