反相器工作原理ppt课件

1、3.5CMOS电路电路3.5.13.5.1CMOSCMOS反相器任务原理反相器任务原理3.5.23.5.2CMOSCMOS反相器的主要特性反相器的主要特性3.5.33.5.3CMOSCMOS传输门传输门3.5.43.5.4CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路3.5.53.5.5CMOSCMOS电路的锁定效应及电路的锁定效应及 正确运用方法正确运用方法图3-5-1 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.5.13.5.1CMOSCMOS反相器任务原理反相器任务原理CMOS反相器由一个反相器由一个P沟道加强型沟道加强型MOS管和一个管和一个N沟道加强沟道加强型型MOS管串联组成。通常管

2、串联组成。通常P沟道管作为负载管，沟道管作为负载管，N沟道管作为输沟道管作为输入管。入管。两 个两 个 M O S 管 的 开 启 电 压管 的 开 启 电 压VGS(th)P0，通常为了，通常为了保证正常任务，要求保证正常任务，要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。假设输入假设输入vI为低电平为低电平(如如0V)，那么，那么负载管导通，输入管截止，输出电压接负载管导通，输入管截止，输出电压接近近VDD。假设输入假设输入vI为高电平为高电平(如如VDD)，那么输入管导通，负载管，那么输入管导通，负载管截止，输出电压接近截止，输出电压接近0V。图3-5-2 CMOS反相器电压传输特性

3、vIvOOVDDVDDVDD+VGS(th)PVGS(th)N3.5.23.5.2CMOSCMOS反相器的主要特性反相器的主要特性电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性CMOS反相器的电压传输特反相器的电压传输特性曲线可分为五个任务区。性曲线可分为五个任务区。任务区任务区：由于输入管截止，：由于输入管截止，故故vO=VDD，处于稳定关态。，处于稳定关态。任务区任务区：PMOS和和NMOS均处于饱和形状，特性曲线急剧均处于饱和形状，特性曲线急剧变化，变化，vI值等于阈值电压值等于阈值电压Vth。任务区任务区：负载管截止，输入管处于非饱和形状，所以：负载管截止，输入管处于非饱和形状，

4、所以vO0V，处于稳定的开态。，处于稳定的开态。表3-5-1 CMOS电路MOS管的任务形状表图3-5-3 CMOS反相器电流传输特性vIOVDDiDSVDD+VGS(th)PVGS(th)NV thCMOS反相器的电流传输反相器的电流传输特性曲线，只在任务区特性曲线，只在任务区时，时，由于负载管和输入管都处于饱由于负载管和输入管都处于饱和导通形状，会产生一个较大和导通形状，会产生一个较大的电流。其他情况下，电流都的电流。其他情况下，电流都极小。极小。CMOS反相器具有如下特点：反相器具有如下特点：(1) 静态功耗极低。在稳定时，静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器任务在任务反相器任务在任务

5、区区和任务区和任务区，总有一个，总有一个MOS管处于截止形状，流过的电流管处于截止形状，流过的电流为极小的漏电流。为极小的漏电流。(2) 抗干扰才干较强。由于其阈值电平近似为抗干扰才干较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD，输，输入信号变化时，过渡变化峻峭，所以低电平噪声容限和高电平入信号变化时，过渡变化峻峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰才干加强。噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰才干加强。(3) 电源利用率高。电源利用率高。VOH=VDD，同时由于阈值电压随，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围

6、，普通为有较宽的变化范围，普通为+3+18V。(4) 输入阻抗高，带负载才干强。输入阻抗高，带负载才干强。图3-5-4 CMOS输入维护电路vOVDDTPTNvIC1D2N D1 D1C2PPPNR输入特性和输出特性输入特性和输出特性(1) 输入特性输入特性为了维护栅极和衬底之间为了维护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有维护电路。输入端都加有维护电路。由于二极管的钳位作用，由于二极管的钳位作用，使得使得MOS管在正或负尖峰脉管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。冲作用下不易发生损坏。图3-5-5 CMOS反相器输入特性vIOVDDiI1V思索输入维护电路

7、后，思索输入维护电路后，CMOS反相器的输入特性如图反相器的输入特性如图3-5-5所示。所示。vO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOL图3-5-6 输出低电平等效电路图3-5-7 输出低电平常输出特性VOL(vDSN)OIOL(iDSN)vI(vGSN)(2) 输出特性输出特性a. 低电平输出特性低电平输出特性当输入当输入vI为高电平常，负为高电平常，负载管截止，输入管导通，负载载管截止，输入管导通，负载电流电流IOL灌入输入管，如图灌入输入管，如图3-5-6 所示。灌入的电流就是所示。灌入的电流就是N沟道沟道管的管的iDS，输出特性曲线如图，输出特性曲线如图3-5-7 所示。所示。输

8、 出 电 阻 的 大 小 与输 出 电 阻 的 大 小 与vGSN(vI)有关，有关，vI越大，输出越大，输出电阻越小，反相器带负载才干电阻越小，反相器带负载才干越强。越强。VOHVDDTNRLvI=0TPIOH图3-5-8 输出高电平等效电路图3-5-9 输出高电平常输出特性vSDPOIOH (iSDP)vGSPVDDb. 高电平输出特性高电平输出特性当输入当输入vI为低电平常，负为低电平常，负载管导通，输入管截止，负载载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图电流是拉电流，如图3-5-8所示。所示。输出电压输出电压VOH=VDD-vSDP，拉电流拉电流IOH即为即为iSDP，输出特，输出

9、特性曲线如图性曲线如图3-5-9所示。所示。由曲线可见，由曲线可见，|vGSP|越大，越大，负载电流的添加使负载电流的添加使VOH下降越下降越小，带拉电流负载才干就越强。小，带拉电流负载才干就越强。电源特性电源特性CMOS反相器的电源特性包含任务时的静态功耗和动态功反相器的电源特性包含任务时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在任务反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在任务频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器任反相器任务在第务在第任务区

10、时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功任务区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗耗PT。此外，动态功耗还包括在形状发生变化时，对负载电容。此外，动态功耗还包括在形状发生变化时，对负载电容充、放电所耗费的功耗。充、放电所耗费的功耗。TP图3-5-10 CMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTN3.5.33.5.3CMOSCMOS传输门传输门CMOS传输门是由传输门是由P沟道和沟道和N沟道加强型沟道加强型MOS管并联互补组管并联互补组成。成。当当C=0V，C=VDD时，两个时，两个MOS管都截止。输出和输入之管都截止。输

11、出和输入之间呈现高阻抗，传输门截止。当间呈现高阻抗，传输门截止。当C=VDD，C=0V时，总有一个时，总有一个MOS管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。TP图3-5-11 传输门高、低电平传输情况VDDC=0C=VDDvOvI=VDDTNDSSDCLTPVDDC=0C=VDDvOvITNSDDSCL(a) 高电平传输高电平传输(b) 低电平传输低电平传输传输门传输高电平信号时，假设控制信号传输门传输高电平信号时，假设控制信号C为有效电平，为有效电平，那么传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电那么传输门导通，电流从输入端经沟道流

12、向输出端，向负载电容容CL充电，直至输出电平与输入电平一样，完成高电平的传输。充电，直至输出电平与输入电平一样，完成高电平的传输。假设传输低电平信号，电流从输出端流向输入端，负载电假设传输低电平信号，电流从输出端流向输入端，负载电容容CL经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端一经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端一样的低电平，完成低电平传输。样的低电平，完成低电平传输。YVDDT1BTP图3-5-12 CMOS与非门TPATNTNT4T3T2YVDDT1B图3-5-13 CMOS或非门AT4T3T23.5.43.5.4CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路CMOS与非门、或

13、非门与非门、或非门当输入信号为当输入信号为0时，与之相连的时，与之相连的N沟道沟道MOS管截止，管截止，P沟道沟道MOS管导通；反之那么管导通；反之那么N沟道沟道MOS管导通，管导通，P沟道沟道MOS管截止。管截止。YVDDB图3-5-14 带缓冲级的与非门A上述电路虽然简单，但存在一些严重缺陷：上述电路虽然简单，但存在一些严重缺陷：(1) 输出电阻受输入端形状的影响；输出电阻受输入端形状的影响；(2) 当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，使低电平噪声容限降低。使低电平噪声容限降低。处理方法：在各输入端、输出端添加一级反相器，构成带处理方

14、法：在各输入端、输出端添加一级反相器，构成带缓冲级的门电路。缓冲级的门电路。带 缓 冲 级 的带 缓 冲 级 的与非门是在或非与非门是在或非门的输入端、输门的输入端、输出端接入反相器出端接入反相器构成的。构成的。VDDEN图3-5-15 三态输出CMOS门 构造之一AYVDD1TNTNTPTP三态输出三态输出CMOS门门三态输出三态输出CMOS门是在普通门电路上，添加了控制端和控门是在普通门电路上，添加了控制端和控制电路构成，普通有三种构造方式。制电路构成，普通有三种构造方式。第一种方式：第一种方式：在反相器根底上添加一对在反相器根底上添加一对P沟道沟道TP和和N沟道沟道TN MOS管。管。当

15、控制端为当控制端为1时，时，TP和和TN同同时截止，输出呈高阻态；当控时截止，输出呈高阻态；当控制端为制端为0时，时，TP和和TN同时导同时导通，反相器正常任务。该电路通，反相器正常任务。该电路为低电平有效的三态输出门。为低电平有效的三态输出门。EN图3-5-16 三态输出CMOS门构造之二AYVDD1TNTPAY&TNTPVDDENTNTP第二种方式和第三种方式：第二种方式和第三种方式：EN图3-5-17 三态输出CMOS 门构造之三AYVDD1TGA图3-5-18 漏极开路输出门VDD11&BVDD2RL漏极开路输出门如图漏极开路输出门如图3-5-18所示，所示，其原理与其

16、原理与TTL开路输出门一样。开路输出门一样。CMOS电路以其低功耗、高抗干电路以其低功耗、高抗干扰才干等优点得到广泛的运用。其任扰才干等优点得到广泛的运用。其任务速度已与务速度已与TTL电路不相上下，而在电路不相上下，而在低功耗方面远远优于低功耗方面远远优于TTL电路。电路。目前国产目前国产CMOS逻辑门有逻辑门有CC 4000系列和高速系列和高速54HC/74HC系列，主要性能比较如下：系列，主要性能比较如下：表3-5-2 CMOS门性能比较P+N+N+N+P+P+N+P+RRWT2T4T6T3T1T5RSP阱阱N衬底衬底VSSS2G2D2D1G1S1vOvIVDD图3-5-19 CMOS反

17、相器构造表示图3.5.53.5.5CMOSCMOS电路的锁定效应及正确运用方法电路的锁定效应及正确运用方法CMOS电路的锁定效应电路的锁定效应图中的图中的T1T6均为寄生三极管，是产生锁定效应的缘由。均为寄生三极管，是产生锁定效应的缘由。RvIvOVDDVSST5T6RWT1T2RST3T4P阱阱(N衬底衬底)图3-5-20 CMOS锁定效应等效电路寄生三极管等效寄生三极管等效电路中，电路中，T1和和T2构成构成了一个正反响电路。了一个正反响电路。在在CMOS电路中假设电路中假设发生了发生了T1、T2寄生三寄生三极管正反响导电情况，极管正反响导电情况，称为锁定效应，或称称为锁定效应，或称为可控

18、硅效应。为可控硅效应。为保证为保证CMOS电路不产生锁定效应，电路不产生锁定效应，vI和和vO必需满足：必需满足：)(DDDD(BR)DDDDDODDDDID端端击击穿穿电电压压VVVVVvVVVvV CMOS器件运用时应留意的问题器件运用时应留意的问题(1) 输入电路的静电防护输入电路的静电防护措施：运输时最好运用金属屏蔽层作为包装资料；组装、措施：运输时最好运用金属屏蔽层作为包装资料；组装、调试时，仪器仪表、任务台面及烙铁等均应有良好接地；不运调试时，仪器仪表、任务台面及烙铁等均应有良好接地；不运用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。(2) 输入端加过流维护输入端加过流维护措施：在能够出现大输入电流的场所必需加过流