复旦数字电路设计：反相器详解与CMOS功耗分析

本资源是关于复旦大学的数字电路设计课程的一章教程和笔记，主要关注数字集成电路中的核心组件——反相器。章节详细探讨了反相器在数字电路设计中的基础概念和特性。 首先，反相器是数字逻辑中最基本的门电路，其功能是将输入信号进行逻辑取反。从设计角度出发，反相器的静态特性被着重介绍，包括输入电流（IL）和输出电流（IH）的关系，以及输入电压变化对输出电压的影响。静态特性中的典型参数如上升时间和下降时间（反映速度），上升和下降传输延迟（影响电路响应速度），以及扇入和扇出能力（表示一个门能驱动多少个同类门）都是评估反相器性能的重要指标。 动态特性的讨论涉及了功耗方面，包括功耗的影响因素如封装、成本、散热、集成晶体管数量、电源布线和容量等。衡量功耗的常用指标有峰值功率、平均功率，以及通过时间常数（如dt）来表示功耗与时间的关系。 接下来，教材引入了CMOS反相器的概念，这是一种特殊的晶体管结构，它结合了PMOS和NMOS器件，具有低功耗和高噪声抑制的优点。CMOS反相器的设计包括输入和输出端口、电源（VDD）、地（GND）连接，以及PMOS和NMOS晶体管的布局。课程还介绍了金属布线互连、电源和地的共享以及单元间的拼接方式。 电压转移特性（Voltage Transfer Characteristic, VTC）是关键概念，它展示了反相器如何将输入电压映射到输出电压，特别是在CMOS反相器中，VOL和VOH分别代表输出低电平和高电平的电压值，而这些值与电路参数（如电阻Rn和Rp）紧密相关。 最后，章节深入到反相器的直流分析，特别是在一级分析中，通过分析输出电压VOH和VOL与输入电压Vin的关系，理解了当输入电压处于最大值VDD和最小值0时，输出电压如何变化。 这部分教程详细讲解了数字电路设计中反相器的基础理论、设计参数、功耗分析，以及具体到CMOS反相器的内部构造和工作原理，对于学习数字电路设计的学生来说，提供了丰富的实践指导和理论依据。