反相器是所有數(shù)字設(shè)計(jì)的核心。靜態(tài)CMOS反相器具有以下重要特性：

①輸出高電平為V DD ，輸出低電平為GND；

②屬于無(wú)比邏輯，功能不受晶體管相對(duì)尺寸影響；

③具有低輸出阻抗，輸入電阻極高；

④理論上具有無(wú)窮大扇出，單個(gè)反相器可以驅(qū)動(dòng)無(wú)窮多個(gè)門(mén)，增加扇出會(huì)增加傳播延時(shí)，動(dòng)態(tài)特性會(huì)變差，但不會(huì)影響穩(wěn)態(tài)特性；

⑤在穩(wěn)態(tài)工作情況下，電源線和地線之間沒(méi)有直接通路，沒(méi)有電流存在，意味著理論上沒(méi)有靜態(tài)功耗。

如下圖是一個(gè)靜態(tài)CMOS反相器的電路圖，由一個(gè)上拉的PMOS器件和一個(gè)下拉的NMOS器件組成。通過(guò)使用MOS管的開(kāi)關(guān)模型，可以將其等效成右邊所示的反相器開(kāi)關(guān)模型。

當(dāng)V in ＝VDD時(shí)，下拉NMOS器件開(kāi)始工作，PMOS器件斷開(kāi)，將存儲(chǔ)在負(fù)載電容CL上的電壓放電至0V。當(dāng)V in ＝0V時(shí)，上拉PMOS器件開(kāi)始工作，NMOS器件斷開(kāi)，向負(fù)載電容CL充電至V DD 。

CMOS反相器的工作示意圖

在大多數(shù)情況下，反饋電阻RF是內(nèi)嵌在振蕩器電路內(nèi)的(至少在ST的MCU中是如此)。它的作用是通過(guò)引入反饋使反相器的功能等同于放大器。Vin和Vout之間增加的反饋電阻使放大器在Vout ＝ Vin時(shí)產(chǎn)生偏置，迫使反向器工作在線性區(qū)域(圖3中陰影區(qū))。

該放大器放大了晶振的正常工作區(qū)域內(nèi)的在并聯(lián)諧振區(qū)內(nèi)的噪聲(例如晶振的熱噪聲)(譯注：工作在線性區(qū)的反向器等同于一 個(gè)反向放大器)，從而引發(fā)晶振起振。在某些情況下，如果在起振后去掉反饋電阻RF，振蕩器仍可以繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖 反相器工作示意圖

CMOS反相器電路的原理圖以及物理版圖

影響CMOS反相器特性的因素

除電源電壓外，影響反相器特性的主要有：

1.NMOS和PMOS管的閾值電壓；
2.NMOS的W/L和PMOS管的W/L；
3.NMOS和PMOS管W/L值之比。