第3章门电路--CMOS门电路

1、第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路1第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路2一、一、MOS管及其开关特性管及其开关特性 1. 1. 什么是什么是MOSMOS管：结构和工作原理管：结构和工作原理GSvDSviD当当vDS 0，如果如果 vGS= 0 时，时，D-S间不导通，间不导通， iD= 0 。当当vDS 0， 且且vGS vGS(th) (MOS管的管的开启电压开启电压）时，）时，栅极下面的衬底表面形成一个栅极下面的衬底表面形成一个N型反型层。这个反型反型层。这个反型层构成了型层构成了D-S间的导电沟道，有间的导电沟道，有 iD流通。流通。第三节第三节 CMOSCMOS门电路门

2、电路1. MOS1. MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理GSvDSviD1）栅极与衬底间有）栅极与衬底间有SiO2隔开，所以栅极不会有电隔开，所以栅极不会有电 流流入；流流入；2）压控型开关器件，）压控型开关器件，VDS大小可以控制导电沟道大小可以控制导电沟道的宽度，影响导通电阻；的宽度，影响导通电阻；3）靠电场效应实现开、关，又称为）靠电场效应实现开、关，又称为Mosfet；3第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路4共源接法共源接法第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路5GSGS(th)vV截止区截止区漏极和源极之间漏极和源极之间没有导电沟道，没有导电沟道，iD0。漏极特性曲

3、线分为三个工作区漏极特性曲线分为三个工作区可变电阻区可变电阻区当当vGS一定时，一定时，iD与与vDS之比之比近似等于一个常数，具有类近似等于一个常数，具有类似于线性电阻的性质。似于线性电阻的性质。恒流区恒流区vGS一定时，且不为零一定时，且不为零时，时， 随着随着VDS的增大，的增大，iD基本不再变化。基本不再变化。输出特性曲线输出特性曲线第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路GS(th)V转移特性曲线转移特性曲线当当 时，时， 2()(1)GSDDSGS thviIVGSGS(th)vV2GSDiv越大，导通阻抗越小！越大，导通阻抗越小！ GSv6共源接法共源接法IDS是是Vgs=0.

4、5Vgs(th)是时的电流是时的电流第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路7当当 = = 并继续升高，并继续升高， ，D-SD-S间相当于一个闭合的开关。间相当于一个闭合的开关。？第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路8CIGDSCIGDSRON1k约第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路9GSvDSviDP沟道沟道 增强型增强型VGs越小于零，沟道越宽越小于零，沟道越宽耗尽型耗尽型MOS管使用不多管使用不多开启电压开启电压VGS(th)P0第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路10二、MOSMOS反相器的电路结构和工作原理DDV1T2TIvOvSSVDiCMOS反相器的电路图

5、反相器的电路图当当vI = VIL= 0时，时，T1导通，导通，T2截截止，输出为高电平止，输出为高电平VOH VDD 。当当vI = VIH= VDD 时，时， T2导通，导通，T1截止，输出为低电平截止，输出为低电平VOL 0。 1) 1) 输入与输出之间为逻辑非的关系输入与输出之间为逻辑非的关系2) MOS2) MOS逻辑电路的基本结构逻辑电路的基本结构3) 3) 两个两个MOSMOS三极管始终处于三极管始终处于“互补互补”状态状态-基于基于MOSMOS三极管的逻辑电路称为三极管的逻辑电路称为CMOSCMOS电路电路第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路112. 电压传输特性电压传输

6、特性DDV1T2TIvOvSSVDi12DDVVDDVDDO12DDVvIvOVGH(th)NVGH(th)PA BCDCMOSCMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性反相器中，上下反相器中，上下MOS管都导通，且管都导通，且Ron相等时，相等时，对应的输入电压对应的输入电压VGS称为称为阈值电压，记为阈值电压，记为V VTHTH。第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路12CBAD12DDVDDVGS(th)NVGS(th)PVIvDiODDV1T2TIvOvSSVDi第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路1312DDVVDDVDDO12DDVvIvOVGH(th)NVGH(t

7、h)PA BCDCMOSCMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性4. 4. 输入噪声容限输入噪声容限第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路14反相器的静态输入、输出特性因为因为MOSMOS管的栅极和衬底之间存在输入电容；管的栅极和衬底之间存在输入电容；绝缘介质又非常薄，极易被击穿；绝缘介质又非常薄，极易被击穿；DDV1T2TIvOvCC400系列的输入保护电路系列的输入保护电路C1RSC2输入保护电路输入保护电路DDV1T2TIvOvC1RSC274HC系列的输入保护电路系列的输入保护电路输入保护电路输入保护电路第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路15包含保护电路在内）包含保

8、护电路在内）ODDV1T2TIvOvCC400系列的输入保护电路系列的输入保护电路C1RSC2输入保护电路输入保护电路第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路162. 2. 输出特性输出特性-从输出端看进去，从输出端看进去，输出电流输出电流与与输出电压输出电压的关系的关系低电平输出特性低电平输出特性DDV2TIHDDVVOLVD2iLROLIVDD=5V15VIOLVOLOCMOSCMOS反相器的低电平输出特性反相器的低电平输出特性10VV VDDDD一定时，一定时，I IOLOL越大，说明越大，说明R RL L越小，越小，T T2 2分压越高，即分压越高，即V VoLoL越高；越高；第三节

9、第三节 CMOSCMOS门电路门电路17高电平输出特性高电平输出特性VDD=5V15VIOHVOHOCMOSCMOS反相器的高电平输出特性反相器的高电平输出特性10VVDD1T0ILV DDVOHVLROHIV VDDDD一定时，一定时，I IOLOL绝对值越大，即绝对值越大，即RLRL越小，越小，T T2 2分压越高，分压越高，V VoLoL越低；越低；结论：结论： 反相器输出的高、低电平具体值是与负载电流大小有关的。反相器输出的高、低电平具体值是与负载电流大小有关的。第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路18当当A=1，B=1时，时，T1、T2都导通，都导通，T3、T4都截止，都截止，

10、输出端为输出端为“0”。 当输入端有一个为当输入端有一个为“0”时，时，输出端输出端Y被拉高为被拉高为“1” 。（1 1）CMOSCMOS与非门电路与非门电路 ()YAB CMOS与非门与非门ABT3T4T2T1YVDD缺点：缺点：1. 1. 它的输出电阻受输入状态的影响。它的输出电阻受输入状态的影响。 2. 2. 输出的高、低电平受输入端数目的影响输出的高、低电平受输入端数目的影响。 四、四、其它类型其它类型的的门电路门电路第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路19当当A，B两个输入端全为两个输入端全为“1”或或 其中一个为其中一个为“1”时，时，输出端为输出端为“0”。只有当输入端只有

11、当输入端全为全为“0”时，时，输出端才为输出端才为“1”。 （2 2）CMOS“CMOS“或非或非”门电路门电路 ()YAB BAVDDT3T4T2T1YCMOS或非门或非门存在和与非门类似的问题。存在和与非门类似的问题。第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路20第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路21用途：用途：输出缓冲输出缓冲/ /驱动器驱动器；输出电平的变换输出电平的变换；满足；满足大功率负载电流的大功率负载电流的需要需要；实现线与逻辑实现线与逻辑。()YAB RLVDD2CC40107VDD1ABVSSABY特点：特点：输出端接一漏极开路的输出端接一漏极开路的MOSMOS管管

12、。外接电源、上拉电阻外接电源、上拉电阻第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路22实际电路实际电路第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路23ABYABRLVDDY2Y1G1G2线与逻辑符号线与逻辑符号线与连接方法线与连接方法RLVDDG1ABY2G2CDY1Y12YYY() ()()ABCDABCD如何确定如何确定R RL L的取值范围？的取值范围？Y第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路24CCDDV1T2T/IOvv/OIvvCC/IOvv/OIvvTG传输门导通传输门导通1,0CC0,1CC传输门截止传输门截止第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路25AYBTG1TG2AY

13、BYAB第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路26LOILTGRvvRRC/IOvv/OIvvTGCSW/IOvv/OIvvCSWIvOvLRC=0时开关截止。时开关截止。C=1时开关接通。时开关接通。电压传输系数电压传输系数第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路27时，输出呈现高阻态。时，输出呈现高阻态。1EN 0EN 时，反相器正常工作。时，反相器正常工作。ENAYEN1T2TADDVY第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路281EN1A1G2EN2A2GnENnAnG总总线线ENIDYOD/OIDD1G2G总总线线第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路29实际电路实际电路

14、第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路30为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：1）在存储和运输在存储和运输CMOSCMOS器件时，不要使用易产生静电高压的器件时，不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。2）组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。原料制作。3 3）不用的输入端不应悬空。

15、不用的输入端不应悬空。第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路31 由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限，所以由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限，所以在可能出现较大输入电流的场合，必须采取以下保护措施：在可能出现较大输入电流的场合，必须采取以下保护措施：1）输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超进保护电阻，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过过1mA1mA。2）输入端接有大电容时，应在输入端和电容之间接入保护输入端接有大电容时，应在输入端和电容之间接入保护电阻。电阻。3 3）输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。第三节第三节 CMOSCMOS门电路门电路323. CMOS电路锁定效应的防护电路锁定效应的防护 锁定效应或称为可控硅效应，是锁定效应或称为可控硅效应，是CMOSCMOS电路中的一个特有电路中的一个特有问题。发生锁定效应以后往往会造成器件的永久失效，为防问题。发生