2.6 CMOS逻辑门.ppt

1 2 5 2 6MOS逻辑门 2 5 2MOS管开关特性 2 5 3MOS逻辑门 2 6 1CMOS电路结构 2 6 4CMOS逻辑门的技术参数 CMOS规范 2 5 1MOS管 2 6 2CMOS逻辑门 2 2 5 1MOS管 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 在数字电路中主要使用增强型的MOS管 1 MOS器件概述 3 以N沟道增强型MOSFET为例 P型衬底 沟道区域 绝缘层 2 5 1MOS管 2 MOS管的结构 4 N沟道增强型MOSFET 静态时没有导电通道 5 3 MOS管工作原理 反型层 导电沟道 当G S间加上正电压 且VGS VT时 栅极与衬底之间形成电场 吸引衬底中的电子到栅极下面的衬底表面 形成一个N型的反型层 构成D S之间的导电沟道 由于VGS 0时 无导电沟道 在增强VGS电压后形成导电沟道 所以称这类MOS管为增强型MOS管 VGS 0时 则D S之间相当于两个PN结背向的串联 D S之间不通 iD 0 P型衬底 2 5 1MOS管 6 耗尽型NMOS管 静态时已有导电通道 7 耗尽型NMOS工作原理 G极加上负电压 导电通道被关断 8 N沟道增强型MOS管具有以下特点 当VGS VT时 管子导通 当VGS VT时 管子截止 对应P沟道增强型MOS管 当 VGS VT 时 管子截止 当 VGS VT 时 管子导通 同晶体管类似 管子截止时电阻很大 相当于开关打开 管子导通时电阻很小 相当于开关闭合 数字电路中 两种增强型MOS管均可作为开关 2 5 2MOS管的静态与动态特性 1 MOS管作为开关 9 关断状态 导通状态 RON约在1k以内 与VGS的大小有关 由于SiO2绝缘层的存在 MOS管的Ri近似为无穷大 但栅极与衬底之间存在电容CI 其容量约为几皮法 2 MOS管的开关等效电路 2 5 2MOS管的静态与动态特性 3 MOS管的动态特性 栅极电容与导通电阻的影响 10 2 5 3NMOS逻辑门 构成NMOS门的基本单元负载管TL 电阻 输入管TOa 增强型负载b 耗尽型负载 1NMOS反相器 11 2NMOS与非门 T1 T2 串联输入管TL T1 T2 增强型NMOS 一直导通 A加上正电压T1导通 B加上正电压T2导通 12 3NMOS或非门 T1 T2 并联输入管 13 2 6CMOS逻辑门 PMOS NMOS 2 6 1CMOS反相器及其工作原理 CMOS反相器的电路组成 14 当 I 0V时 VDD VGSN 0 VTN TN管截止 VGSP VDD VTP 电路中电流近似为零 忽略TN的截止漏电流 VDD主要降落在TN上 输出为高电平VOH TP管导通 VDD 2 6 1CMOS反相器及其工作原理 CMOS反相器的工作原理 15 当 I VOH VDD时 VGSN VDD VTN TN管导通 VGSP 0 VTP TP管截止 此时 VDD主要降在TP管上 输出为高电平VOL 2 6 1CMOS反相器及其工作原理 16 CMOS反相器的特点 静态 关断管子的内阻极高 当 I VDD时 T1和T2总有一个处于关断状态 CMOS反相器的静态功耗极小 微瓦数量级 2 6 1CMOS反相器及其工作原理 17 CMOS反相器的特点 传输特性 VDD 10V 2 6 1CMOS反相器及其工作原理 18 CMOS反相器的工作速度与动态功耗 在电容负载情况下 由于电路具有互补对称的性质 它的开通时间与关闭时间是相等的 平均延迟时间 10ns 在动态情况下 CMOS反相器的功耗大大增加 2 6 1CMOS反相器及其工作原理 19 2 6 2CMOS逻辑门 1 与非门 二输入 与非 门电路结构如图 当A和B为高电平时 1 0 1 0 1 1 当A和B有一个或一个以上为低电平时 电路输出高电平 输出低电平 电路实现 与非 逻辑功能 思考 三输入 与非 门电路 输入管串联 输入端增加时低电平抬高 20 2 或非门电路 1 当A B全为低电平时 输出为高电平 2 6 2CMOS逻辑门 0 1 1 当A B都为高电平时 当A B中有一个为高电平时 输出为低电平 输出为低电平 思考 三输入 或非 门电路 负载管串联 输入端增加时高电平降低 21 3 CMOS三态门电路 2 6 2CMOS逻辑门 附加一对控制电路时 TON和TOP均截止 22 传输门 TG 是一种传输模拟信号的模拟开关 结构对称 其漏极和源极可互换 它们的开启电压 VT 2V 由互补的信号电压来控制 分别用C和表示 它广泛地用于采样 保持电路 斩波电路 模数和数模转换电路等 4 CMOS传输门电路 2 6 2CMOS逻辑门 23 CMOS传输门电路的工作原理 设TP和TN的开启电压 VT 2V 且输入模拟信号的变化范围为 5V到 5V 当c端接低电压 5V时 5V 5V 5V 5V 开关断开 导通电阻极大 当c端接高电压 5V 5V 5V I 3V I 3V 3V 3V 一管导通程度愈深 另一管导通愈浅 导通电阻较小且近似为一常数 数百欧 2 6 2CMOS逻辑门 24 2 6 4CMOS逻辑门电路的技术参数 CMOS规范 与TTL规范比较 25 2