第6次课——第3章 门电路

1、第第3章章 门电路门电路复习复习:3.1 概述概述3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.3.1 MOS管的开关特性管的开关特性门电路、正负逻辑系统、高低电平的实现、门电路、正负逻辑系统、高低电平的实现、数字电路的优点及分类数字电路的优点及分类门电路的动态特性、二极管与门与或门、门电路的动态特性、二极管与门与或门、二极管门电路的缺点二极管门电路的缺点vGS VGS(th) 管子导通，管子导通，VGS(th) 0；vGS VGS(off) 管子导通，管子导通，VGS(off) 0；vGS VGS(th) 管子导通，管子导通，VGS(th) 0；vGS VGS(off) 管子导通，管子导通

2、，VGS(off) |VGS(th)P| + VGS(th)N2.2.工作原理工作原理当当vIVIL0为低电平时，为低电平时，T2截止，截止， T1导通，导通，输出电压为高电平输出电压为高电平，即，即OH()offDDDDonoffoffonRvVVRRRR一一. .电路结构和工作原理：电路结构和工作原理：第第3章章 门电路门电路当当vIVIHVDD为高电平时，为高电平时，T2导通导通, T1管截止，输出管截止，输出电压为低电平电压为低电平，即，即)(0OLoffonDDonoffonRRVRRRv图图3.3.10 CMOS反相器电路反相器电路第第3章章 门电路门电路特点特点 1. 无论无论

3、vI 是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，T1和和T2管总是一个管总是一个 导通一个截止的工作状态，称为导通一个截止的工作状态，称为互补结构互补结构CMOS 电路电路；2. 由于无论输入为低电平还是高电平，由于无论输入为低电平还是高电平， T1和和T2总是有总是有 一个截止的，其一个截止的，其截止电阻很高截止电阻很高，故流过，故流过T1和和T2的静的静 态电流很小，故其态电流很小，故其静态功耗很小静态功耗很小。CMOS电电路最突出路最突出优点之一优点之一第第3章章 门电路门电路二、电压传输特性和电流传输特性二、电压传输特性和电流传输特性GS(th)PGS(th)NDDGS(th)PGS(t

4、h)NVVVVV 反相器电压传输特性是输反相器电压传输特性是输出电压出电压vo和输入和输入vI之间的关系之间的关系曲线，如图曲线，如图3.3.11所示。并设所示。并设1. 1. 电压传输特性电压传输特性图图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性第第3章章 门电路门电路图图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性AB段段：输入低电平：输入低电平0OLOVVNGSIVV)th(DDOHOVVVT1管导通，管导通，T2截止截止, 输出电压为高电平输出电压为高电平,即即CD段段：输入高电平：输入高电平PTHGSDDIVVV)(T1管截止，管截止，T2导通，

5、输导通，输出电压为低电平，即出电压为低电平，即第第3章章 门电路门电路BC段段：PTHGSDDINTHGSVVVV)()(图图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性DDODDIVVVV2121时，当T1、T2同时导通，若同时导通，若T1、T2参数完全相同，则参数完全相同，则电压传输特性转折区中点对应电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为反相器的的输入电压称为反相器的阈值阈值电压电压，用，用VTH表示。表示。第第3章章 门电路门电路2.2.电流传输特性电流传输特性图图3.3.12 CMOS反相器的电流传输特性反相器的电流传输特性AB段段：输入低电平：输入低电平NGSIV

6、V)th(T1管导通管导通, T2截止截止, 输输出漏极电流近似为零出漏极电流近似为零 电流传输特性是反相器的电流传输特性是反相器的漏极电流漏极电流随随输入电压输入电压变化曲变化曲线，如图线，如图3.3.12所示。也分成所示。也分成三段：三段：第第3章章 门电路门电路CD段：段：输入高电平输入高电平PTHGSDDIVVV)(T1管截止管截止, T2导通导通, 输输出漏极电流近似为零出漏极电流近似为零图图3.3.12 CMOS反相器的电流传输特性反相器的电流传输特性BC段：段：PTHGSDDINTHGSVVVV)()(T1、T2同时导通同时导通, 有电流有电流iD同时同时通过通过, 且在且在vI

7、VDD / 2附近处附近处, 漏极电流最大漏极电流最大, 故在故在使用输入使用输入电压不应长时间工作在这段，电压不应长时间工作在这段，以防由于功耗过大而损坏以防由于功耗过大而损坏。第第3章章 门电路门电路三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限图图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性由图由图3.3.11 CMOS反相器电压传输特反相器电压传输特性可知，在输入电压性可知，在输入电压vI偏离正常低电偏离正常低电平或高电平时，输出电压平或高电平时，输出电压vo并不随之并不随之马上改变，允许输入电压有一定的马上改变，允许输入电压有一定的变化范围。变化范围。输入端噪声容限：输入端噪

8、声容限：是指在保证输是指在保证输出高、低电平基本不变出高、低电平基本不变(不超过规不超过规定范围定范围)时，允许输入信号高、低时，允许输入信号高、低电平的波动范围电平的波动范围.1. 1.定义：定义：第第3章章 门电路门电路CMOS反相器的特点：反相器的特点： 静态功耗极低；静态功耗极低； 抗干扰能力强；抗干扰能力强； 电源利用率高，且有较大的允许范围；电源利用率高，且有较大的允许范围； 输入阻抗高，带负载能力强；输入阻抗高，带负载能力强； 电压传输特性接近理想开关。电压传输特性接近理想开关。 第第3章章 门电路门电路3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性C

9、MOS 反相器的静态（不考率输入输出延迟）反相器的静态（不考率输入输出延迟）输入和输出特性为输入端和输出端的伏安特性输入和输出特性为输入端和输出端的伏安特性.一、输入特性一、输入特性 输入特性是从输入特性是从CMOS反相器输入端看其输入电压反相器输入端看其输入电压与电流的关系。与电流的关系。 由于由于MOS管的栅极和衬底之间存在管的栅极和衬底之间存在SiO2为介质的输为介质的输入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对由由MOS管所组成的管所组成的CMOS电路，必须采取电路，必须采取保护措施保护措施。第第3章章 门电路门电路图图3.3.15

10、 CMOS反相器的两种常用保护电路反相器的两种常用保护电路其中其中D1和和D2，正向导通压降为，正向导通压降为VDF0.5V0.7V，反向击穿电压约为反向击穿电压约为30V， D2为为分布式二极管分布式二极管，可以可以通过较大的电流通过较大的电流，RS的值一般在的值一般在1.52.5K之间。之间。 C1和和C2为为T1和和T2的栅极等效电容。的栅极等效电容。第第3章章 门电路门电路在输入信号正常工作范围内，即在输入信号正常工作范围内，即0vI VDD，输入端，输入端保护电路不起作用。保护电路不起作用。当当vI VDD+VF时，时，D1导通，将导通，将栅极电位栅极电位vG钳位在钳位在VDD+VF

11、，而，而当当vI -VF时，时， D2导导通，将栅极电位通，将栅极电位vG钳位在钳位在VF，这样使得，这样使得C1、 C2不会超过允许值。不会超过允许值。图图3.3.15 CMOS反相器的两种常用保护电路反相器的两种常用保护电路第第3章章 门电路门电路其输入特性如图其输入特性如图3.3.16所示所示图图3.3.16 CMOS反相器的输入特性反相器的输入特性D1、D2截止截止D1或或D2导通导通D1或或D2导通导通第第3章章 门电路门电路二、输出特性二、输出特性 输出特性为从反相器输出端看输出电压和输出电流的关系，输出特性为从反相器输出端看输出电压和输出电流的关系，包括输出为低电平输出特性和输出

12、为高电平输出特性包括输出为低电平输出特性和输出为高电平输出特性1.低电平输出特性低电平输出特性在输入为高电平在输入为高电平, 即即 vIVIHVDD时，此时时，此时T1截止，截止， T2导通，如图导通，如图3.3.17所示，电流从负载注入所示，电流从负载注入T2，输出电压输出电压VOL随电流增加而提高。随电流增加而提高。图图3.3.17 输出为低电平时的电路输出为低电平时的电路第第3章章 门电路门电路其特性曲线如图其特性曲线如图3.3.18所示所示实际上是实际上是T2管漏极电流管漏极电流iD和漏源电压和漏源电压vDS之间的关系之间的关系图图3.3.18 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的

13、输出特性第第3章章 门电路门电路2.高电平输出特性高电平输出特性 在输入为低电平，即在输入为低电平，即 vIVIL0时，此时时，此时T1导通，导通， T2截止，如图截止，如图3.3.18所示，电流从所示，电流从T1管流出到负载，输出电管流出到负载，输出电压压VOHVDDIOHRON1随电流增加而下降。随电流增加而下降。图图3.3.18 输出为高电平时的电路输出为高电平时的电路电流的实际方向与电流的实际方向与所设方向相反所设方向相反第第3章章 门电路门电路其特性曲线如图其特性曲线如图3.3.19所示所示图图3.3.19 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性高电平输出特性也和管子高电平

14、输出特性也和管子的输出特性有关，而且的输出特性有关，而且vGS越负，电压下降的越多越负，电压下降的越多第第3章章 门电路门电路3.3.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间tPHL和和 tPLH 前面的输入输出特性为静态特性，没有考虑电路转换状态前面的输入输出特性为静态特性，没有考虑电路转换状态时的延迟，时的延迟，动态特性要考虑传输延迟时间动态特性要考虑传输延迟时间。由于由于MOS管的寄生电容和负载电容的存在，使得输出电压的变化滞后输入管的寄生电容和负载电容的存在，使得输出电压的变化滞后输入电压的变化，将输出电压变化迟后输入电压变化的时间成为传输延迟时间。

15、电压的变化，将输出电压变化迟后输入电压变化的时间成为传输延迟时间。tPHL输出由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间输出由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间tPLH输出由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间输出由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间tpd平均传输延迟时间，平均传输延迟时间，tpd（ tPHL tPLH）/ 2CMOS电路电路tPHL tPLHMOS管的电极管的电极之间以及电极之间以及电极与衬底之间都与衬底之间都存在寄生电容存在寄生电容当负载为下一级当负载为下一级反相器时，下一反相器时，下一级反相器的输入级反相器的输入电容和接线电容电容和接线电容就构成这一级的就构成这一级的负载电容负载

16、电容第第3章章 门电路门电路图图3.3.20为为CMOS非门的输出输入波形。非门的输出输入波形。图图3.3.20 CMOS反相器的输入输出波形反相器的输入输出波形tPHL输入电压前沿输入电压前沿上升到幅值的上升到幅值的50与与输出后沿输出后沿下降到幅下降到幅 值的值的50之间的差值之间的差值tPLH输入电压后沿输入电压后沿下降到幅值的下降到幅值的50与与输出前沿输出前沿上升到幅上升到幅 值的值的50之间的差值之间的差值第第3章章 门电路门电路二、交流噪声容限二、交流噪声容限图图3.3.20 交流噪声容限在不同交流噪声容限在不同VDD时交流噪声时交流噪声容限与噪声电压作用时间的关系容限与噪声电压

17、作用时间的关系它反映它反映CMOS反相器的动态抗反相器的动态抗干扰能力。其中干扰能力。其中tw 是脉冲宽度。是脉冲宽度。 交流噪声容限是在窄脉冲作交流噪声容限是在窄脉冲作用下，用下，输入电压允许变化的范围输入电压允许变化的范围，图图3.3.20是输入为不同宽度窄脉冲是输入为不同宽度窄脉冲时时CMOS反相器的交流噪声容限反相器的交流噪声容限曲线。即曲线。即VNA= f(tw)由于电路中存在着由于电路中存在着开关时间开关时间和和分布电容分布电容的充放电过程，因而门电路输出状态的的充放电过程，因而门电路输出状态的改变，直接与输入脉冲信号的改变，直接与输入脉冲信号的幅度幅度和和宽度宽度有关，当输入脉冲

18、信号的宽度接近于有关，当输入脉冲信号的宽度接近于门电路传输延迟时间的情况下，则需要较大的输入脉冲幅度才能使电路的输出门电路传输延迟时间的情况下，则需要较大的输入脉冲幅度才能使电路的输出发生变化。也就是说门电路对发生变化。也就是说门电路对窄脉冲窄脉冲的噪声容限要高于直流噪声容限。的噪声容限要高于直流噪声容限。 因而，噪声电压作用时间越短、电源电压越高，则交流噪声的容限越大。因而，噪声电压作用时间越短、电源电压越高，则交流噪声的容限越大。第第3章章 门电路门电路三、动态功耗三、动态功耗 当当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定状态过程反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定状态过程中，将产生附加的功耗，称为动态功耗。它包括对中，将产生附加的功耗，称为动态功耗。它包括对负载电容充放电的功耗负载电容充放电的功耗PC和在和在两个管子同时导通时的瞬时功耗两个管子同时导通时的瞬时功耗PT。2LCDDVfCP 其中：其中：CL负载电容负载电容 f输入信号的频率输入信号的频率 VDD漏极电源电压漏极电源电压电容充放电的功耗为电容充放电的功耗为第第3章章 门电路门电路两个管子同时导通时的功耗两个管子同时导通时的功耗PT为为2PDTAVDDTDDVfCIVP其中：其中：C