数字电路逻辑设计第3章2MOS管

MOS型电路是另一种常用电路，MOS意为金属氧化物半导体（Metal-OxideSemiconductor）,（一）、MOS晶体管晶体三极管有：E发射极B基极C集电极机理是：基极电流IB控制集电极电流IC。结构有：NPNPNPMOS三极管有：S源极G栅极D漏极机理是：栅极电压VGS控制漏极电流ID结构有：N沟道P沟道,3.4MOS逻辑门,MOS管除分N沟道、P沟道外，还分增强型和耗尽型。增强型栅压VGS为0无沟道，耗尽型栅压VGS为0有沟道。,1、MOS管的基本结构以N沟道增强型为例源、漏极结构对称，可以互换使用P衬P型衬底，N型沟道,2、N沟道增强型MOS管的工作特点：,栅极电压VGS小于开启电压VGS（th）时，无沟道形成，漏极电流ID为0。VDS爱多大多大！（截止区）,栅极电压VGS大于等于开启电压VGS（th）时，沟道形成，有ID形成，分两种情况：a、VDS较大，大于VGSVGS（th），ID随VGS的增加而增加。但很快VDS已使ID饱和，没什么影响了。（饱和区）,b、VDS较小，小于VGSVGS（th），ID随VGS的增加也增加，但与VDS的大小密切相关。或者也可以这样说：对某一VGS，ID随VDS线性增加，且VGS越大，斜率越大，等效电阻越小。（非饱和区or可调电阻区）,3、转移特性和跨导gm,VGS和IDS的关系通常用跨导表示：IDSgm=VGSVDS=常数它代表VGS对IDS的控制能力。gm与沟道宽度和长度有关。沟道宽度越宽、长度越短，gm越大，控制能力越强。,4、MOS管的输入电阻和输入电容,MOS管的输入阻抗指栅极到源极（或漏极）的电阻，由于有SiO2绝缘层的阻隔，电阻极大，通常在1012欧姆以上。作为静态负载对前级几乎没有什么影响。MOS管的栅极、源极之间有很小的寄生电容，称为输入电容，虽然很小（几P或更小），但由于输入阻抗极高，漏电流很小，所以可用来暂时存储信息（如动态RAM）。,5、直流导通电阻RON,直流导通电阻是指MOS管导通时，漏源电压和漏源电流的比值：RON=VDS/IDS,（二）、MOS反相器MOS反相器有四种形式，我们只讲E/E型、CMOS反相器。E/EMOS反相器有两个增强型MOS管组成，一个作为输入管，一个作为负载管，两个管子的特性（如跨导）完全不同。由N沟道管构成的反相器叫NMOS反相器。见图：,1、E/EMOS管反相器结构：,当输入A=0V时：,T1截止，T2导通。T1只有nA级漏电流。工作在负载线A点。,A,B,输出电压:F=VDD-Vth2=52=3V,设：Vth2=2V,VGS1Vth1,T1导通:工作在负载线B点。,输出电压:,由此可知：rd2rd1就能很好实现倒相器逻辑功能。,Vth11.5V,2、E/EMOS管反相器工作原理：,负载管特性,与非门,T3:负载管,T1，T2两个串连驱动管,当A,B中有一个低电平时，相应的驱动管截止，输出F为高电平。,当A,B全为高电平时，T1，T2均导通，输出F为低电平。,电路组成：,工作原理：,3.NMOS逻辑门,N:0止1导通,T3:负载管,T1、T2两个并连驱作动管,当A，B中只要有一个高电平时，T1，T2总有一个导通，输出F为低电平。,只有A,B全为低电平，T1,T2均截止，输出F才是高电平。,输出和输入的逻辑关系是：,同理：,是与或非门,电路组成：,或非门,工作原理：,E/EMOS反相器的特点：,单一电源，结构简单。负载管TL始终饱和，速度慢，功耗大。高电平不为VDD，有所损失。输出高低电平，取决于两管跨导之比。负载管跨导小，电阻大，影响工作速度。,NMOS,PMOS电路存在三个问题：,负载管一直导通，当驱动管导通时，电源与地之间有静态电流，所以功耗大。,要保证输出低电平，要求rd2rd1不利于大规模集成。,当驱动管截止时，由于负载管导通电阻rd2很大，对容性负载充电时间很长，使电路工作速度缓慢。,CMOS集成电路由P沟道和N沟道增强型MOS管串连组成，CMOS电路能有效解决上述问题。,二、CMOS逻辑电路。,电路结构：,PMOS作负载管，开启电压为负Vth。NMOS作输入管，开启电压为正Vth。,两个栅极G并联作输入端。,G,两个漏极D串连作输出端。,D,D,两个衬底都和源极S接在一起，PMOS管源极接电源VDD，NMOS管源极接地。,正常工作条件：,电源电压大于两管开启电压绝对值之和。VDD|VthP|+VthN,1、CMOS倒相器,S,S,工作原理,假设：,PMOS管VthP2.5V,NMOS管VthN=2V,VDD=5V,当VI=0V时：,NMOS管VGSN=0|VthP|，TP管导通，其导通电阻Ron=103,CMOS倒相器,TP,TN,VDD,VI,VO,当VI=5V时：,NMOS管VGSN=5VVthNTN管导通，其导通电阻Ron=103。,PMOS管VGSP=5V-VDD=0V|VGSP|VthP|TP管截止，其导通电阻Roff=1091012,F=0。,以上分析：,输入是0,输出是1,实现倒相关系，,PMOS管，启为负，0导1截止。,NMOS管，启为正，0止1导通。,倒相器工作过程中，两管轮流导通，导通电阻小，截止电阻大，所以静态电流只有nA级。低功耗是CMOS倒相器的重要特点。,CMOS倒相器,TP,TN,VDD,VI,VO,（1）当Vi2V，TN截止，TP导通，VoVDD=10V。,2电压传输特性：,CMOS门电路的阈值电压Vth=VDD/2,（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）,（2）当2VVi5V，TN工作在饱和区，TP工作在可变电阻区。,（3）当Vi=5V，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2）=5V。,（4）当5VVi8V，TP工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。,（5）当Vi8V，TP截止，TN导通，Vo=0V。,电流传输特性：io=f(vI),VI=VDDTP、TN都饱和导通，这一瞬间有大电流通过，在其它区域总有一个导通，另一个截止。所以iD电流较小。,3、电流传输特性,、静态功耗极低，仅几十纳瓦,CMOS倒相器工作在1和5工作区，总有一个MOS管处于截止状态，有极小漏电流流过。只有在急剧翻转的第3区才有较大的电流，因此动态功耗会增大。,CMOS倒相器在低频工作时，功耗极小，低功耗时CMOS的最大优点。,、抗干扰能力较强,由于阈值电平近似等于VDD，输入高、低电平的噪声容限随电源的升高而提高。所以抗干扰能力增强。,CMOS倒相器特点：,、电源利用率高,VOH=VDD,同时Vth随VDD变化而变化。允许VDD的变化范围为3V18V。,、输入阻抗高，带负载能力强,扇出系数NO=50,下一级是绝缘栅几乎不取电流，所以可带50个同类门电路。CMOS门的输出端在静态时，一个导通，另一个截止。动态时，两管均导通，所以输出端不可以并联。,4、输入特性和输出特性,、输入特性,CMOS电路的栅极和衬底之间是绝缘栅，其直流电阻高达1012,只要有少量电量便可感生出足可以击穿氧化层，造成永久损坏。因此，在CMOS输入端都加有保护电路。,D1、D2是保护二极管，正向压降1V，反向击穿电压30V。,D1是P型扩散区和N型衬底间自然形成的分布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。,C1、C2是TP、TN管栅极等效电容。,R是限流电阻，阻值13K。,加保护电路的输入特性:,当输入0VDD+VD时：保护二极管D1导通，输入电流iI迅速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于VDD+VD。保证加在C2上的电压，不超过其耐压极限。,当输入VI109。传输门截止。输入信号不能通过。,TN、TP均导通，输入和输出之间电阻103。传输门导通。输入、输出信号接通。,2、CMOS传输门（双向开关，模拟开关）,N:0止1导通,P:0导1截止,TP衬底接VDD，TN衬底接地。,逻辑符号：,用途：,作模拟开关，传输连续变化的模拟信号。如音频，视频等信号。还可以作多路开关。,CMOS传输门（双向开关，模拟开关）,与非门,利用CMOS倒相器构成与非门。,电路组成：,两P并，作负载，0导1截止。,两N串，作驱动，0止1导通。,工作原理：,当A,B中只要有一个0,TN总有一个截止，TP总有一个导通，输出为高电平。,只要A,B都为1,TN都导通，TP都截止，输出为低电平。,因此该电路具有与非逻辑功能。,3、静态CMOS逻辑门电路,电路组成：,两P串，作负载，0导1截止。,两N并，作驱动，0止1导通。,工作原理：,当A,B中只要有一个1,TN总有一个导通，TP总有一个截止，输出为底电平。,只要A,B全为0,TN都截止，TP都导通，输出为高电平。,因此该电路具有或非逻辑功能。,或非门,用CMOS倒相器构成的与非门电路简单，但存在一些缺点。,1、输出电阻RON随输入信号变化而变化。,输入信号不同，引起输出电阻不同。相差四倍之多。,N:0止1导通。,P:0导1截止。,带缓冲级的与非门,当输入端数目增加时：串联驱动管、并联的负载管随输入变量的增加而增加。,串联驱动管越多，导通输出低电平等于各驱动管压降之和。所以输入端数目增加使输出低电平升高，输入低电平噪声容限下降。,解决上述缺点的方法：,采用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点，在或非门的输入、输出端加具有标准参数的倒相器构成。,2、输出低电平受输入端数多少的影响,用逻辑符号表示：,如果将电路改为：倒相器与非门倒相器？,带缓冲级的门电路，输出电阻，输出低电平不受输入信号和输入端数的影响。,倒相器,倒相器,或非门,带缓冲级的与非门,三态输出CMOS门是在普通倒相器的基础上增加控制端和控制电路构成。三态门有三种形式：,反相器控制电路,工作原理：,TP和TN均导通，上接电源下接地，是一个反相器。,TP和TN均截止，上、下都不通。悬空，是高阻态。,是低有效。控制端为0,电路正常工作，控制端为1是高阻态。,特点：由增加底TP和TNMOS管及反相器组成。,P:0导1截止。,N:0止1导通。,三态输出CMOS门,反相器控制门,特点：增加TP和或非门,工作原理：,TP导通，电源接通，就是一个反相器。,TP截止，电源断开，,TN也截止，上、下都不通。悬空，是高阻态。,控制端为0,电路正常工作，控制端为1是高阻态。是低有效。,P:0导1截止。,N:0止1导通。,或门输出,三态输出CMOS门,反相器控制门的另一种形式,特点：增加TN和与非门,TN截止，与非门输出为1,TP也截止。上、下都不通。悬空，是高阻态。,TN导通，与非门开放，F=A。,反相器传输门,EN是高有效。,TG导通,TG截止，F为高阻。,C,是低有效。,N:0止1导通。,P:0导1截止。,EN=1:,EN=0:,后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：,CMOS异或门电路,由两级组成，前级为或非门，输出为,1CMOS逻辑门电路的系列（1）基本的CMOS4000系列。（2）高速的CMOSHC系列。（3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。2CMOS逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（min）=0.9VDD；VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2）阈值电压Vth约为VDD/2。（3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1mW/门；（5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。,CMOS逻辑门电路的系列及主要参数,（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,多余输入端的处理,（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平。如直接接电源正端，在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。,本章小结,1最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。2目前普遍使用的数字集成