数字电路MOS逻辑门电路

1、3.1 MOS逻辑门逻辑门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 逻辑门的一般特性逻辑门的一般特性3.1.3 MOS开关开关及其等效电路及其等效电路3.1.4 CMOS反相器反相器3.1.5 CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出漏极开路门和三态输出门电路门电路3.1.7 CMOS传输门传输门3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数1 、逻辑门逻辑门: :实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。2、 逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL

2、门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介1.CMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74HC 74HCT74VHC 74VHCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74

3、HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS74LS系列系列74AS74AS系列系列 74ALS74ALS2.TTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。（a)a)带拉电流负载带拉电流负载当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输

4、出高电压当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。个数。)(I)(IN负载门负载门驱动门驱动门IHOHOH 高电平高电平扇出数扇出数:IOH : :驱动门的输出端为高电平电流驱动门的输出端为高电平电流IIH : :负载门的输入电流为负载门的输入电流为。(b)带灌电流负载带灌电流负载)(I)(IN负负载载门门驱驱动动门门ILOLOL 当负载门的个数增加时，总的灌电流当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起将增加，同时也将引起输出低电压输出低电压VO

5、L的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。出低电平的上限值。IOL ：驱动门的输出端为低电平电流：驱动门的输出端为低电平电流IIL ：负载门输入端电流之和：负载门输入端电流之和电路类型电路类型电源电电源电压压/V传输延传输延迟时间迟时间/ns静态功耗静态功耗/mW功耗延迟积功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限直流噪声容限输出逻输出逻辑摆幅辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.

6、2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平: : MOS管截止，管截止， 输出高电平输出高电平当当I VTMOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的控制的无触点开关。无触

7、点开关。MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区，相当于开关相当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止，管截止，相当于开关相当于开关“断开断开”输出为低电平。输出为低电平。当输入为低电平时：当输入为低电平时：当输入为高电平时：当输入为高电平时：3.1.4 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止导通导通 10 V10 V 10V 0V导通导通截止截止0 VVTN = 2 VVTP = - - 2 V逻辑图逻辑图AL 逻辑表达式逻辑表达式v

8、i (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10)VVVTPTNDD( P沟道沟道MOS管输出特性曲线坐标变换管输出特性曲线坐标变换输入高电平时的工作情况输入高电平时的工作情况输入低电平时的工作情况输入低电平时的工作情况作图分析：作图分析：2. 电压电压传输特性和电流传输特性传输特性和电流传输特性)v(fvIO 电压传输特性电压传输特性3.CMOS反相器反相器的工作速度的工作速度在由于在由于CMOSCMOS管导通电阻较小，充放电回路的时间常数管导通电阻较小，充放电回路的时间常数较小。平均延迟时间：较小。平均延迟时间：10 ns。 带电容负载带电容负载A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 0

9、0 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通1110与非门与非门1.CMOS 与非门与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)(a)电路结构电路结构(b)(b)工作原理工作原理VTN = 2 VVTP = - - 2 V0V10V3.1.5 CMOS 逻辑门逻辑门或非门或非门BAL 2.2.CMOS 或非门或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止

10、导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通1000AB10V10VVTN = 2 VVTP = - - 2 V3. 异或门电路异或门电路BA BABAXBAL BABA BA =A B4.4.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 VDD vi vo 采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。具有相同的输入和输出

11、特性。（1 1）输入端保护电路）输入端保护电路: :(1) 0 vA VDD + vDF 二极管导通电压：二极管导通电压：vDF(3) vA - - vDF 当输入电压不在正常电压范围时当输入电压不在正常电压范围时, ,二极管导通，限制了电容两端二极管导通，限制了电容两端电压的增加电压的增加, ,保护了输入电路。保护了输入电路。D1、D2截止截止D1导通导通, D2截止截止vG = VDD + vDFD2导通导通, D1截止截止vG = - - vDFRS和和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且衰减后到栅极。延迟且衰减后到栅极

12、。 D2 -分布式二极管分布式二极管(iD大大) VDD vI CN TP Rs D2 D1 TN CP vO BABAL （2）CMOS逻辑门的缓冲电路逻辑门的缓冲电路输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能能为与非功能1 1.CMOS漏极开路门漏极开路门1.）CMOS漏极开路门的提出漏极开路门的提出输出短接，在一定情况下会产输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流有可能导生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定致器件的损毁，

13、并且无法确定输出是高电平还是低电平。输出是高电平还是低电平。 3.1.6 CMOS漏极开路（漏极开路（OD）门和三态输出门电路）门和三态输出门电路 +VDDTN1TN2AB+VDDAB01C D RP VDD L A B & & （2）漏极开路门的结构与逻辑符号漏极开路门的结构与逻辑符号(c) (c) 可以实现线与功能可以实现线与功能; ;CDAB CDAB +VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABLA B L 电路电路A B L & 逻辑符号逻辑符号(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变RP VDD L A B 漏极开路门输出连接漏极开路门输出连接21PPL RP V

14、DD L A B C D (a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻; ;(2) (2) 上拉电阻对上拉电阻对OD门动态性能的影响门动态性能的影响RP VDD L A B C D Rp的值愈小，负载电容的充电时间的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大但功耗大, ,且可能使输出电流超过允且可能使输出电流超过允许的最大值许的最大值IOL(max） 。电路带电容负载电路带电容负载1 10 0CL LRp的值大，可保证输出电流不能超的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值过允许的最大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。但负载

15、电容的充电时间常数亦愈大，但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢开关速度因而愈慢。最不利的情况：最不利的情况：只有一个只有一个 OD门导通，门导通，110为保证低电平输出为保证低电平输出OD门的门的输输出电流不能超过允许的最大值出电流不能超过允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max） ，RP不不能太小能太小。当当VO=VOLIL(total)OLOLDDpIIVVR(max)(max)(min)- - - IL(total)pOLDDOLIRVVI(min)(max)(max) - - +V DDIILRP&n&m&kIIL（total)IOL（

16、max)当当VO=VOH+V DDRP&n&m&111IIH（total)I0H（total)为使得高电平不低于规定的为使得高电平不低于规定的VIH的的最小值，则最小值，则Rp的选择不能过大。的选择不能过大。Rp的最大值的最大值Rp(max) ：IH(total)OH(total)IHDDpIIVVR(min)(max) - - 2.三态三态(TSL)输出门电路输出门电路1TP TN VDD L A EN & 1 1 EN A L 1 0011截止截止导通导通111高阻高阻 0 输出输出L输入输入A使能使能EN0011 10 00截止截止导通导通010截止截止截

17、止截止X1逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门0 13.1.7 CMOS传输门传输门( (双向模拟开关双向模拟开关) ) 1 1. CMOS传输门电路传输门电路TP vI /vO TN vO /vI C C +5V - -5V 电路电路vI /vO vO /vI C C T G 逻辑符号逻辑符号I / Oo/ IC等效电路等效电路TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 0V 2、CMOS传输门电路的工作原理传输门电路的工作原理 设设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V I的变化范围为的变化范围为0V到到+5V。 0V+5V0V到到+5V GS

18、N0, TP截止截止1）当）当c=0， c =1时时c=0=0V， c c =1=+5V C TP vO/vI vI/vO +5V 0V TN C +5V0V GSP= 0V - - (2V+5V)=- - 2V 5V GSN=5V - - (0V+3V)=(52)V b、 I=2V5V GSNVTN, TN导通导通a、 I=0V3VTN导通，导通，TP导通导通 GSP |VT|, TP导通导通C、 I=2V3VIOvv 2）当）当c=1， c =0时时传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器C=0TG1导通导通, TG2断开断开 L=XTG2导通导通, TG1断开断开 L=YC=1传输门的应用传输门的应用CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过到或者超过TTLTTL器件的水平。器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。参数参数系列系列传输延迟时间传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗功耗(mW)延时功耗积延时功耗积(pJ)4000B751 (1MH