第三章-CMOS门电路..ppt

1 3 3CMOS门电路 MOS管的开关特性CMOS反向器其它类型的CMOS门电路CMOS门电路的正确使用 2 CMOS门电路的基本构成单元是MOS门电路 MOS门电路 以MOS管作为开关元件构成的门电路 MOS管有NMOS管和PMOS管两种 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中 且二者在工作中互补 称为CMOS管 意为互补 Complementary MOS管有增强型和耗尽型两种 在数字电路中 多采用增强型 MOS门电路 尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单 集成度高 抗干扰能力强 功耗低 价格便宜等优点 得到了十分迅速的发展 3 3 3 1MOS管的开关特性 BJT是一种电流控制元件 iB iC 工作时 多数载流子和少数载流子都参与运行 所以被称为双极型器件 MOS管是一种电压控制器件 uGS iD 工作时 只有一种载流子参与导电 因此它是单极型器件 MOS管因其制造工艺简单 功耗小 温度特性好 输入电阻极高等优点 得到了广泛应用 MOS管分类 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 4 一 MOS管的结构和工作原理 金属 氧化物 半导体场效应管晶体管 Metal Oxide SemiconductorField EffectTransistor 简称MOSFET 分为 增强型 N沟道 P沟道耗尽型 N沟道 P沟道 1 N沟道增强型MOS管 1 结构4个电极 漏极D 源极S 栅极G 衬底B 符号 5 当uGS 0V时 纵向电场 将靠近栅极下方的空穴向下排斥 耗尽层 2 工作原理 当uGS 0V时 漏源之间相当两个背靠背的二极管 在D S之间加上电压也不会形成电流 即管子截止 再增加uGS 纵向电场 将P区少子电子聚集到P区表面 形成导电沟道 如果此时加有漏源电压 就可以形成漏极电流iD 栅源电压uGS的控制作用 6 定义 开启电压 UT 沟道刚开始形成时的栅源电压UGS 一般2 3V N沟道增强型MOS管的基本特性 uGS UT 管子截止 iD 0 uGS UT 管子导通 有iD uGS越大 沟道越宽 在相同的漏源电压uDS作用下 漏极电流iD越大 可通过改变uGS改变iD的大小 因此是电压控制元件 说明 开关指的是D S之间的开关 开关状态由uGS控制 改变uGS控制iD的大小 因此是电压控制元件 8 9 二 MOS管的输入特性和输出特性 uDS uGS iD 共源接法 输入特性 输入回路栅极电流为零 输出特性 截止区 可变电阻区 恒流区 可变电阻区 恒流区 截止区 10 可根据输出特性曲线作出转移特性曲线 如 作uDS 10V的一条转移特性曲线 UT 11 1 MOS管的基本开关电路 N沟道增强型MOS管为例 VGS TH 当vI VGS TH 时 当vI VGS TH 时 vGS VGS TH vGS VGS TH 三 MOS管的基本开关电路及开关等效电路 12 2 MOS管的开关等效电路 截止时漏源间的内阻ROFF很大 D S可视为开路 C表示栅极的输入电容 数值约为几个皮法 这个电阻一般情况不能忽略不计 导通时漏源间的内阻RON约在几百 1K 以内 且与VGS有关 VGS RON 开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容 所以在动态工作时 漏极电流ID和输出电压UO UDS的变化会滞后于输入电压的变化 这一点和双极型三极管是相似的 导通时 截止时 UGS UGS TH VGS2 VGS2 VGS1 VGS1 RON2 RON1 ROFF 特性曲线越陡 表示RON越小 RON2 RON1 13 四 MOS管的四种类型 2 P沟道增强型MOSFET 工作时使用负电源 开启电压为负值 iD 0 实际电流方向 S D 14 3 N沟道耗尽型MOSFET 特点 当uGS 0时 就有沟道 加入uDS 就有iD 当uGS 0时 沟道增宽 iD进一步增加 当uGS 0时 沟道变窄 iD减小 在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子 所以当uGS 0时 这些正离子已经感应出反型层 形成了沟道 定义 夹断电压 UP 沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS 15 4 P沟道耗尽型MOSFET P沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同 只不过导电的载流子不同 供电电压极性不同而已 这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样 3 3 2CMOS反相器的电路结构和工作原理 T1 VDD uI uo T2 T1为增强型PMOS 开启电压UGS th P 0 T2为增强型NMOS 开启电压UGS th N 0 uI 0V时 uI VDD时 T1导通 T2截止 uO UOH VDD T1截止 T2导通 uO UOL 0 静态时T1 T2总是有一个导通而另一个截止 且两管开启电压绝对值相等 称互补对称管 把这种电路结构形式称为互补MOS Complementary SymmeteryMOS 简称CMOS 工作在互补状态 流过T1 T2的静态电流极小 静态功耗小 导通损耗小 效率高 这是CMOS电路最突出的一大优点 非运算 一 电路结构 17 二 电压传输特性 1 反映CMOS反相器的抗干扰能力 过渡过程很陡 更近似于理想开关 可确定噪声容限 曲线对称 UNL UNH 2 UNL UNH和UDD有关 若VDD变化 传输曲线比例变化 可见 VDD越大 UNL UNH越大 抗干扰能力越强 一般估算UNL UNH 30 VDD 若现场干扰较大 应选CMOS电路 且可取电源电压稍大 18 3 3 3CMOS反相器的静态输入特性和输出特性 一 输入特性 反映门电路作为负载时对信号源驱动能力的要求 电流近似为零 是由于输入接到MOS管栅极 而栅极绝缘 电阻达到M 级 106 MOS管作负载时 对信号源的要求很低 不需要信号源提供电流 19 20 二 输出特性 反映CMOS带负载能力 1 低电平输出特性 即T2管的输出特性曲线 VIH VDD越大 VGS越大 则导通内阻越小 IOL相同 因此VOL越小 IOL越大 UOL越大 IOLmax 16mA 21 2 高电平输出特性 IOH 5mA内变化很小 实际只有0 4mA TTL带负载能力较CMOS强 原因 TTL的输出电阻小 22 tPLH 输出由低电平变为高电平的传输延迟时间 tPHL 输出由高电平变为低电平的传输延迟时间 3 3 4CMOS反相器的动态特性 门电路状态切换时所呈现的特性 23 放电 充电 寄生电容 管子切换需要时间输出端的负载电容充 放电需要时间 主要原因 CMOS反相器传输延迟的原因 UO UOH到UOL CL需要有放电的时间 UO UOL到UOH CL需要有充电的时间 由于CMOS的输出电阻大 所以其充放电时间也比TTL长 RC 这是造成CMOS动态特性下传输延迟的主要原因 24 3 3 3其它类型的CMOS门电路 1 其他逻辑功能的CMOS门电路 P91 93 在CMOS门电路的系列产品中 除了反相器外常用的还有与门 或门 与非门 或非门 与或非门 异或门等 2 漏极开路的门电路 OD门 如同TTL电路中的OC门那样 CMOS门的输出电路结构也可做成漏极开路 OD 的形式 其使用方法与TTL的OC门类似 25 与OC门类似 能实现线与连接 电平转换 提高驱动能力 电平转换 vI 0 VDD1vO 0 VDD2 漏极开路的门电路 OD门 Open Drain Y AB 使用时必须外接上拉电阻 26 3 CMOS传输门 TG门 TransistorGate CMOS传输门 控制信号传输的门 利用P沟道MOS管和N沟道MOS管的互补性构成 C和C 是一对互补的控制信号 TP TN 电路结构 如何判断MOS管的源极和漏极 根据MOS管工作时的电流方向 PMOS管从S端流向D端 NMOS管由D端流向S端 分别按输入 输出信号端的位置判断 TP VTP0 可实现双向传输 VTN VTP UGS TP VTP UGS TN VTN CMOS传输门的工作原理 若C 0 0V C 1 VDD 时 TP的G极 电路中最高电位 故无论vI为何值 UGS TP 都不会为负值 TP截止 TN管的G极 电路中最低电位 UGS TN 都不会为正值 故TN截止 输入与输出之间呈高阻态 ROFF 109 传输门截止 若C 1 VDD C 0 0V 时 TN TP的工作状态与vI的大小有关 故将vI的变化范围分成三段 对TN管 讨论vI在0 VDD VTP 段和VDD VTP VDD段的工作状态 vI 0 VDD VTP 段 假设TN导通 则vI传到vO后 有UGS TN VTN TN导通 假设成立 故此段TN导通 TN通 VTN VTP vI VDD VTP VDD段 仍假设TN导通 则vI传到vO后 有UGS TN VTN TN截止 与假设相矛盾 故此段TN截止 TN止 对TP管 讨论vI在0 VTN段和VTN VDD段的工作状态 vI 0 VTN段 UGS TP VTP TP截止 vI VTN VDD段 UGS TP VTP TP导通 综上 因此 在vI 0 VDD范围内 TP TN至少有一管导通 所以vI总能从左往右传到vO端 TN止 TP止 TP通 30 若将vI加在右端 RL加在左端 同理可分析 通过C和C 能控制vI从右向左传输 实现信号的双向传输 由于TN和TP的源极S和漏极D在结构上完全对称 故源极和漏极可以互换使用 所以传输门能够实现双向传输 31 传输门可作为模拟开关 传输连续变化的模拟信号 这是一般的逻辑门无法实现的 模拟开关由传输门和反相器组成 它也是双向器件 CMOS传输门的逻辑符号及应用 32 4 三态输出的CMOS门电路 EN 1时 CMOS呈高阻态EN 0时 实现反相器的逻辑功能 三态输出的CMOS门电路也可以实现总线结构和双向数据传输 33 一 输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路 但是 这种保护是有限的 为避免静电损坏 应注意以下几点 3 3 4CMOS门电路的使用知识 1 所有与CMOS电路直接接触的工具 仪表等应可靠接地 2 存储和运输CMOS电路 应采用金属屏蔽层做包装材料 3 多余的输入端不能悬空 CMOS电路的输入阻抗高 且栅极电容很小 输入端悬空极易产生感应较高的静电电压 击穿MOS管栅极极薄的绝缘层 造成器件的永久损坏 对多余的输入端 应按功能要求接电源或接地 或与其它输入端并联使用 34 本章小结1 半导体二极管和三极管的开关特性