数字电路逻辑设计课件：3-5

1、3.5CMOS电路3.5.13.5.1CMOS反相器工作原理反相器工作原理3.5.23.5.2CMOS反相器的主要特性反相器的主要特性3.5.33.5.3CMOS传输门传输门3.5.43.5.4CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.5.53.5.5CMOS电路的锁定效应及电路的锁定效应及 正确使用方法正确使用方法图3- -5- -1 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.5.13.5.1CMOS反相器工作原理反相器工作原理CMOS反相器由一个反相器由一个P沟道增强型沟道增强型MOS管和一个管和一个N沟道增强沟道增强型型MOS管串联组成。通常管串联组成。通常P沟道管作为负载管，沟道管作为

2、负载管，N沟道管作为输沟道管作为输入管。入管。两个两个MOS管的开启电压管的开启电压VGS(th)P0，通常为了保证正常工作，要，通常为了保证正常工作，要求求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。若输入若输入vI为低电平为低电平(如如0V)，则负载，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。若输入若输入vI为高电平为高电平(如如VDD)，则输入管导通，负载管截止，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近输出电压接近0V。图3- -5- -2 CMOS反相器电压传输特性vIvOOVDDVDDVDD+VGS(th)PVGS(th)N3.5.23.5.2CM

3、OS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工作区。性曲线可分为五个工作区。工作区工作区：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。工作区工作区：PMOS和和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧均处于饱和状态，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。工作区工作区：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以：负载管截止，输入管处于非饱和状态，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管的工

4、作状态表图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，只在工作区特性曲线，只在工作区时，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状态，会产生一个较大和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都的电流。其余情况下，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。静态功耗极低。在稳定时，在稳定时，CMOS反相器工作在工作反相器工作在工作区区和工作区和工作区，总有一个，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流管处于

5、截止状态，流过的电流为极小的漏电流。为极小的漏电流。(2) 抗干扰能力较强。抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪信号变化时，过渡变化陡峭，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，抗干扰能力增强。声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。(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变变化而变化，所以允许化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为有较宽的变化范围，一般为+3+18V。(4) 输入阻抗高，带负载能力强

6、。输入阻抗高，带负载能力强。图3- -5- -4 CMOS输入保护电路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保护栅极和衬底之间为了保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输入端都加有保护电路。输入端都加有保护电路。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考虑输入保护电路后，考虑输入保护电路后，CMOS反相器的输入特性如图反相器的输

7、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 输出低电平时输出特性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为高电平时，负为高电平时，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。输出电阻的大小与输出电阻

8、的大小与vGSN(vI)有关，有关，vI越大，输出电阻越小，越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。反相器带负载能力越强。VOHVDDTNRLvI=0TPIOH图3- -5- -8 输出高电平等效电路图3- -5- -9 输出高电平时输出特性vSDPOIOH (iSDP)vGSPVDDb. 高电平输出特性高电平输出特性当输入当输入vI为低电平时，负为低电平时，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，拉电流流IOH即为即为iSDP，输出特性曲线，输出特性曲线如图如

9、图3- -5- -9所示。所示。由曲线可见，由曲线可见，|vGSP|越大，越大，负载电流的增加使负载电流的增加使VOH下降越下降越小，带拉电流负载能力就越强。小，带拉电流负载能力就越强。电源特性电源特性CMOS反相器的电源特性包含工作时的反相器的电源特性包含工作时的静态功耗静态功耗和和动态功动态功耗耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。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，尤其是在工作反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，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反相器工反相器工作在第作在第工作区时，将产生瞬时

10、大电流，从而产生工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功瞬时导通功耗耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。充、放电所消耗的功耗。TP图3- -5- -10 CMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTN3.5.33.5.3CMOS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沟道增强型沟道增强型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。输出和输入之间管都截止。输出和输入之间

11、呈现高阻抗，传输门截止。当呈现高阻抗，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门传输高电平信号传输高电平信号时，若控制信号时，若控制信号C为有效电平，则为有效电平，则传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电容传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向

12、负载电容CL充电，直至输出电平与输入电平相同，完成高电平的传输。充电，直至输出电平与输入电平相同，完成高电平的传输。若若传输低电平信号传输低电平信号，电流从输出端流向输入端，负载电容，电流从输出端流向输入端，负载电容CL经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端相同经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端相同的低电平，完成低电平传输。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AT4T3T23.5.43.5.4CMOS逻辑门电路逻辑门电路CMOS与非与非门、门、或非

13、或非门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；反之则管导通；反之则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，但存在一些严重缺点：上述电路虽然简单，但存在一些严重缺点：(1) 输出电阻受输入端状态的影响；输出电阻受输入端状态的影响；(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。解决方法：解决方法：在各输入端、输出端增加一级反相器，构成带在

14、各输入端、输出端增加一级反相器，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 的与非与非门是在门是在或非或非门的输入端、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 结构之一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，增加了控制端和控门是在普通门电路上，增加了控制端和控制电路构成，一般有三种结构形式。制电路构成，一般有三种结构形式。第一种形式：第一种形式：在反相器基础上增加一对在反相器基础上增加一对P沟道沟道TP和和N沟道沟道TN MOS管。管。

15、当控制端为当控制端为1时，时，TP和和TN同时同时截止，输出呈高阻态；当控制截止，输出呈高阻态；当控制端为端为0时，时，TP和和TN同时导通，同时导通，反相器正常工作。该电路为低反相器正常工作。该电路为低电平有效的三态输出门。电平有效的三态输出门。EN图3- -5- -16 三态输出CMOS门结构之二AYVDD1TNTPAY&TNTPVDDENTNTP第二种形式和第三种形式：第二种形式和第三种形式：EN图3- -5- -17 三态输出CMOS 门结构之三AYVDD1TGA图3- -5- -18 漏极开路输出门VDD11&BVDD2RL漏极开路输出门漏极开路输出门如图如图3- -

16、5- -18所示，所示，其原理与其原理与TTL开路输出门相同。开路输出门相同。CMOS电路以其低功耗、高抗干电路以其低功耗、高抗干扰能力等优点得到广泛的应用。其工扰能力等优点得到广泛的应用。其工作速度已与作速度已与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VSSS2G2D2D1G1S

17、1vOvIVDD图3- -5- -19 CMOS反相器结构示意图3.5.53.5.5CMOS电路的锁定效应及正确使用方法电路的锁定效应及正确使用方法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，是产生锁定效应的原因。均为寄生三极管，是产生锁定效应的原因。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馈电路。了一个正反馈电路。在在CMOS电路中如果电路中如果发生了发生了T1、T2寄生三寄生三极管正反馈导电情况，极管正反馈导

18、电情况，称为称为锁定效应锁定效应，或称，或称为为可控硅效应可控硅效应。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必须满足：必须满足：)(DDDD(BR)DDDDDODDDDID端击穿电压端击穿电压VVVVVvVVVvV CMOS器件使用时应注意的问题器件使用时应注意的问题(1) 输入电路的静电防护输入电路的静电防护措施措施：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。用的

19、多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。(2) 输入端加过流保护输入端加过流保护措施措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻RP。(3) 防止防止CMOS器件产生锁定效应器件产生锁定效应措施措施：在输入端和输出端设置钳位电路；在电源输入端加：在输入端和输出端设置钳位电路；在电源输入端加去耦电路，在去耦电路，在VDD输入端与电源之间加限流电路，防止输入端与电源之间加限流电路，防止VDD端出端出现瞬态高压；在现瞬态高压；在vI输入端与电源之间加限流电阻，