CMOS门电路实用学习教案

1、会计学1CMOS门电路实用门电路实用(shyng)第一页，共34页。2CMOS门电路的基本构成(guchng)单元是MOS门电路。MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成(guchng)的门电路。 MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路(dinl)中，且二者在工作中互补，称为CMOS管（意为互补：Complementary）。 MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路(dinl)中，多采用增强型。MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有(jyu)制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。第1页/共34页第二页，共

2、34页。33.3.1 MOS管的开关(kigun)特性 BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 MOS管是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 MOS管因其制造工艺简单(jindn)，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。MOS管分类(fn li) 增强型耗尽型N沟道P沟道N沟道P沟道第2页/共34页第三页，共34页。4一. MOS管的结构(jigu)和工作原理 金属-氧化物-半导体场效应管晶体管 ( Metal-Oxide-Semiconductor Fie

3、ld-Effect Transistor)，简称MOSFET。分为(fn wi)： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道 1.N沟道(u do)增强型MOS管 （1）结构 4个电极：漏极D，源极S，栅极G，衬底B。符号：-N+NP型半导体衬底源极S栅极G漏极D衬底BSiO2-GSDB第3页/共34页第四页，共34页。5（2）工作(gngzu)原理 当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压也不会(b hu)形成电流，即管子截止。 再增加uGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道,如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。栅源电压uGS的控

4、制作用-P衬底SGN+BDVDS二氧化硅+N-S二氧化硅P衬底GDSV+ND+BNVGSiD第4页/共34页第五页，共34页。6 定义： 开启电压（ UT）沟道刚开始形成(xngchng)时的栅源电压UGS。（一般2 3V）N沟道增强型MOS管的基本特性(txng)： uGS UT，管子截止，iD= 0； uGS UT，管子导通，有iD。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流iD 越大。 可通过改变 uGS 改变 iD 的大小，因此是电压控制元件。-S二氧化硅P衬底GDSV+ND+BNVGSiD第5页/共34页第六页，共34页。 说明(shumng)： 开关指的是D-

5、S之间的开关。开关状态由 uGS 控制(kngzh)，改变 uGS 控制(kngzh) iD 的大小，因此是电压控制(kngzh)元件。-S二氧化硅P衬底GDSV+ND+BNVGSiDuDSDGSuGS+-+-iDDmGSigu第6页/共34页第七页，共34页。8第7页/共34页第八页，共34页。9uDSuGSDGS+-+-iD共源接法i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)1234输出特性曲线输入特性(txng)：输入回路栅极电流为零输出特性：截止(jizh)区、可变电阻区、恒流区可变电阻区恒流区截止区第8页/共34页第九页，共34页。10 可根据输出特性曲线

6、作出转移(zhuny)特性曲线。如：作uDS=10V的一条转移(zhuny)特性曲线：UT第9页/共34页第十页，共34页。111、MOS管的基本(jbn)开关电路 （ N沟道(u do)增强型 MOS 管为例）VGS(TH)vGSID0 当vIVGS（TH）时： 当vIVGS（TH）时：vGSVGS(TH)vDSID0DGSuiuOVDDRDMOS管工作在截止区，vO=VOHVDD在可变电阻区，沟道电阻很小，vO=VOL0V第10页/共34页第十一页，共34页。122、MOS管的开关(kigun)等效电路 截止(jizh)时漏源间的内阻ROFF很大，D-S可视为开路C表示栅极的输入电容。数值

7、(shz)约为几个皮法这个电阻一般情况不能忽略不计。导通时漏源间的内阻RON约在几百1K以内，且与VGS有关（ VGS RON ）开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作时，漏极电流ID和输出电压UO=UDS的变化会滞后于输入电压的变化，这一点和双极型三极管是相似的。 DGSCDGSCRON导通时截止时VDSID0UGSVGS1VGS1RON2RON1ROFFSDGIDUDSUGS特性曲线越陡，表示RON越小RON2RON1第11页/共34页第十二页，共34页。13四、MOS管的四种(s zhn)类型 2、P沟道(u do)增强型MOSFET-GSDB-P+PN型半导体衬

8、底源极S栅极G漏极D衬底BSiO2-+-+uDSuGS工作时使用(shyng)负电源，开启电压为负值。iD0实际电流方向：SD第12页/共34页第十三页，共34页。14 在栅极下方(xi fn)的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。 定义： 夹断电压（ UP） 沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。-SBGD第13页/共34页第十四页，共34页。15-SBGD-S二氧化硅N衬底GDSV+PD+BPVGSiD第14页/共34页第十五页，共34页。3.3.2 CMOS反相器的电路结构(jigu)和工作原理T1VDDuIuoT2T1为增强型PM

9、OS，开启(kiq)电压 UGS(th)P 0 uI=0V时: uI=VDD时:T1 导通，T2 截止， uO=UOH VDD T1 截止，T2 导通，uO=UOL0静态时T1、T2总是有一个导通而另一个截止，且两管开启电压绝对值相等称互补对称管，把这种电路结构形式称为互补MOS（Complementary-Symmetery MOS，简称CMOS）。GDSGDS工作在互补状态，流过T1、T2 的静态电流极小，静态功耗小, 导通损耗小，效率高，这是CMOS电路最突出的一大优点。 非运算一、电路结构第15页/共34页第十六页，共34页。17二、电压(diny)传输特性1、反映(fnyng)CMO

10、S反相器的抗干扰能力 过渡过程很陡，更近似于理想开关； 可确定噪声容限； 曲线(qxin)对称，UNL=UNH2、UNL、UNH和UDD有关若VDD变化，传输曲线比例变化。可见：VDD越大，UNL、UNH越大，抗干扰能力越强。一般估算UNL=UNH =30%VDD，若现场干扰较大，应选CMOS电路，且可取电源电压稍大。第16页/共34页第十七页，共34页。183.3.3 CMOS反相器的静态输入(shr)特性和输出特性一、输入特性（反映门电路作为负载(fzi)时对信号源驱动能力的要求）电流近似为零，是由于输入接到MOS管栅极(shn j)，而栅极(shn j)绝缘，电阻达到M级(106)。MO

11、S管作负载时，对信号源的要求很低，不需要信号源提供电流。T1VDDuIuoT2GDSGDSiIuIiI0TTL输入特性-1mAIIH1.4V40uA第17页/共34页第十八页，共34页。19第18页/共34页第十九页，共34页。20二、输出特性（反映(fnyng)CMOS带负载能力）1、低电平输出特性即T2管的输出特性曲线(qxin)VIH=VDD越大，VGS越大，则导通内阻(ni z)越小， IOL相同，因此VOL越小。IOL越大，UOL越大IOLIOLmax16mA第19页/共34页第二十页，共34页。212、高电平输出特性IOH5mA内变化(binhu)很小实际(shj)只有0.4mAT

12、TL带负载(fzi)能力较CMOS强。原因：TTL的输出电阻小。第20页/共34页第二十一页，共34页。22tPLH：输出(shch)由低电平变为高电平的传输延迟时间tPHL：输出(shch)由高电平变为低电平的传输延迟时间3.3.4 CMOS反相器的动态特性（门电路状态切换(qi hun)时所呈现的特性）第21页/共34页第二十二页，共34页。23放电(fng din)充电(chng din)寄生电容管子切换需要时间输出端的负载(fzi)电容充、放电需要时间主要原因CMOS反相器传输延迟的原因：UO：UOH到UOL，CL需要有放电的时间UO：UOL到UOH，CL需要有充电的时间由于CMOS的

13、输出电阻大，所以其充放电时间也比TTL长（=RC）。这是造成CMOS动态特性下传输延迟的主要原因。第22页/共34页第二十三页，共34页。243.3.3 其它(qt)类型的CMOS门电路 1. 其他逻辑(lu j)功能的CMOS门电路（P9193） 在CMOS门电路的系列产品中，除了(ch le)反相器外常用的还有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等 。2. 漏极开路的门电路（OD门） 如同TTL电路中的OC门那样，CMOS门的输出电路结构也可做成漏极开路（OD）的形式。其使用方法与TTL的OC门类似。第23页/共34页第二十四页，共34页。25与OC门类似，能实现线与连接、电平转换

14、，提高(t go)驱动能力。电平转换：vI：0VDD1 vO：0VDD2漏极开路(kil)的门电路（OD门）（Open-Drain）Y=(AB)74HC03电路结构TNAB内部逻辑VDD1VDD2RLvOOD与非门逻辑符号ABYGDS使用时必须(bx)外接上拉电阻第24页/共34页第二十五页，共34页。263. CMOS传输(chun sh)门（TG门）Transistor Gate CMOS传输(chun sh)门：控制信号传输(chun sh)的门 利用(lyng)P沟道MOS管和N沟道MOS管的互补性构成。 C和C是一对互补的控制信号。TPCVDDuo/uiui/uoCTN电路结构如何判

15、断MOS管的源极和漏极？根据MOS管工作时的电流方向： PMOS管从S端流向D端； NMOS管由D端流向S端。分别按输入/输出信号端的位置判断。TP : VTP 0可实现双向传输VTN=VTPUGS（TP） VTP UGS（TN） VTN第25页/共34页第二十六页，共34页。CMOS传输(chun sh)门的工作原理 若C=0（0V），C1（VDD）时：TP的G极电路中最高电位，故无论vI为何值，UGS（TP）都不会(b hu)为负值，TP截止；TN管的G极电路中最低电位(din wi)， UGS（TN）都不会为正值，故TN截止。输入与输出之间呈高阻态（ROFF109），传输门截止。C=VD

16、D TPTNVDDC=0RLvovISDSDGG第26页/共34页第二十七页，共34页。 若C=1（VDD），C0（0V）时： TN、TP的工作状态与vI的大小有关，故将vI的变化范围(fnwi)分成三段：l 对TN管，讨论vI 在0VDD-|VTP|段和VDD-|VTP|VDD段的工作(gngzu)状态： vI = 0VDD-|VTP|段：假设(jish)TN导通，则vI 传到vO后，有UGS（TN）VTNTN导通，假设(jish)成立。故此段TN导通。VTNVDDVDD-|VTP|0TNTPvITN通VTN = |VTP| vI = VDD-|VTP|VDD段：仍假设TN导通，则vI传到v

17、O后，有UGS（TN）VTN TN截止，与假设相矛盾。故此段TN截止。TN止C=0 TPTNVDDC=VDDRLvovISDSDGG第27页/共34页第二十八页，共34页。l 对TP管，讨论vI 在0VTN段和VTNVDD段的工作(gngzu)状态： vI =0VTN段：|UGS（TP）|VTP|TP导通。综上，因此(ync)：在 vI=0VDD范围内，TP、TN至少有一管导通，所以vI总能从左往右传到vO端。VTNVDDVDD-|VTP|0TN通TNTPvITN止TP止TP通C=0 TPTNVDDC=VDDRLvovISDSDGG第28页/共34页第二十九页，共34页。30若将vI加在右端，

18、RL加在左端，同理可分析，通过(tnggu)C和C 能控制 vI 从右向左传输，实现信号的双向传输。由于TN和TP的源极S和漏极D在结构上完全对称，故源极和漏极可以互换使用，所以(suy)传输门能够实现双向传输。C TPTNVDDCRLvivoDSDSGG第29页/共34页第三十页，共34页。31传输(chun sh)门可作为模拟开关，传输(chun sh)连续变化的模拟信号。这是一般的逻辑门无法实现的，模拟开关(kigun)由传输门和反相器组成。它也是双向器件。 CMOS传输(chun sh)门的逻辑符号及应用uiuoTGuo/uiui/uoCC模拟开关TGuo/uiui/uoCC逻辑符号SWuo/uiui/uoC逻辑符号第30页/共34页第三十一页，共34页。324. 三态输出(shch)的 CMOS门电路EN=1时，CMOS呈高阻态EN=0时，实现反相器的逻辑(lu j)功能三态输出(shch)的CMOS门电路也可以实现总线结构和双向数据传输YAEN三