山大数字电子技术基础课件第3章门电路第2节 CMOS门电路

1、第二节 CMOS门电路 CMOS反相器的工作原理 CMOS反相器的静态输入、输出特性 CMOS反相器的动态特性 其他类型的CMOS门电路 MOS管的开关特性CMOS电路的正确使用下页总目录推出1下页返回上页一、MOS管的开关特性 1. MOS管的结构和工作原理SGDBP型衬底(B)N+N+SGD+-+-iD当vGS= 0 时，D-S间不导通， iD= 0 。当vGS vGS(th) (MOS管的开启电压）时，栅极下面的衬底表面形成一个N型反型层。这个反型层构成了D-S间的导电沟道，有 iD流通。2下页返回上页2. MOS管的输入特性和输出特性+-+-vGSvDSiD共源接法vGS=UTiD/m

2、AvDS/VO输出特性曲线共源接法下的输出特性曲线又称为MOS管的漏极特性曲线。表示iD与vGS关系的曲线称为MOS管的转移特性曲线。vGS/ViD/mAO转移特性曲线3下页返回上页可变电阻区恒流区vGS=UTiD/mAvDS/VO输出特性曲线截止区截止区漏极和源极之间没有导电沟道，iD0。漏极特性曲线分为三个工作区。可变电阻区当vGS一定时，iD与vDS之比近似等于一个常数，具有类似于线性电阻的性质。恒流区iD的大小基本上由vGS决定，vDS的变化对iD的影响很小。4下页返回上页3. MOS管的基本开关电路若参数选择合理输入低电平时MOS管截止，输出高电平。输入高电平时MOS管导通，输出低电

3、平。+-+-vIvOiDVDDRD当vI =vGS vGS(th) 并继续升高， VOL 0，D-S间相当于一个闭合的开关。5返回CIGDS截止状态4. MOS管的开关等效电路CI代表栅极的输入电容， CI的数值约为几皮法。RON为MOS管导通状态下的内阻，约在1k以内。下页上页CIGDSRON导通状态6返回二、CMOS反相器的电路结构和工作原理CMOS反相器的电路图当vI = VIL= 0时，输出为高电平VOH VDD 。当vI = VIH= VDD 时，输出为低电平VOL 0。 输入与输出之间为逻辑非的关系。CMOS反相器的静态功耗极小1. 电路结构下页上页7T2的开启电压T1的开启电压阈

4、值电压VTHAB段：T1导通， T2截止，VO = VOH VDD。CD段：T2导通， T1截止，VO = VOL 0。BC段：T1 、T2同时导通，为转折区。2. 电压传输特性下页返回上页VDDVDDOvIvOVGH(th)NVGH(th)PABCDCMOS反相器的电压传输特性8下页返回上页3. 电流传输特性AB段：T2截止漏极电流几乎为0CD段：T1截止漏极电流几乎为0BC段：阈值电压附近电流很大CMOS电路不应长时间工作在BC段。CBADO90IvOVDD=10VVDD=15V适当提高VDD，可提高CMOS反相器的输入噪声容限。4. 输入噪声容限下页返回上页10下页返回上页三、CMOS反

5、相器的静态输入、输出特性1. 输入特性因为MOS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，所以必须采取保护措施。CC400系列的输入保护电路C1RSC2输入保护电路C1RSC274HC系列的输入保护电路输入保护电路11下页返回上页74HC系列的输入特性iI -0.7VOVDD+0.7VvI输入特性曲线CC400系列的输入特性iI -0.7VOVDD+0.7VvI12下页返回上页2. 输出特性低电平输出特性当输出为低电平时，工作状态如下图所示。VDD=5V 10V15VIOLVOLOCMOS反相器的低电平输出特性13下页返回上页高电平输出特性当输出为高电平时，工作状态如下图所

6、示。VDD=5V15VIOHVOHOCMOS反相器的高电平输出特性10VVDD14下页返回上页四、 CMOS反相器的动态特性tPHLtPLHOtOtvovI1. 传输延迟时间50%VIH50%VOH一般情况下，tPHL、 tPLH主要是由于负载电容的充放电所产生的，为了缩短传输延迟时间，必须减小负载电容和MOS管的导通电阻。15下页返回上页2.交流噪声容限当噪声电压的作用时间小于或接近于CMOS电路的传输延迟时间时，输入噪声容限将明显提高。传输延迟时间越长，交流噪声容限也越大。16下页返回上页3. 动态功耗定义：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的过程中，将产生附加的

7、功耗，称之为动态功耗。动态功耗 PD = PT + PC其中PT ：T1和T2在短时间内同时导通所产生的瞬时导通功耗。 PC ：对负载电容充、放电所消耗的功率。17下页返回上页五、其他类型的CMOS门电路在CMOS门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有：与非门、或非门、与门、或门、与或非门、异或门等几种。1.其他逻辑功能的CMOS门电路18当A，B两个输入端全为“1”时，T1和T2都导通，T3和T4都截止，输出端为“0”。 当输入端有一个或全为“0”时，T1或T2（或都）截止，T3或T4 （或都）导通 ，输出端Y为“1” 。（1）CMOS与非门电路 下页返回上页CMOS与非门ABT3T4T2

8、T1YVDD缺点：1. 输入端的工作状态不同时影响电压传输特性。 2. 输出的高、低电平受输入端数目的影响。 3. 它的输出电阻受输入状态的影响。19当A，B两个输入端全为“1”或 其中一个为“1”时，输出端为“0”。只有当输入端全为“0”时，输出端才为“1”。 （2）CMOS“或非”门电路 下页返回上页BAVDDT3T4T2T1YCMOS或非门存在和与非门类似的问题。20下页返回上页2.带缓冲级的CMOS门电路电路构成：在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器，加进的这些反相器具有标准参数，所以称为缓冲器。优点：这些带缓冲级的门电路，其输出电阻和输出的高、低电平以及电压传输特性将不受输入

9、端状态的影响，电压传输特性的转折区也变得更陡。21下页返回上页3. 漏极开路的门电路（OD门）用途：输出缓冲/驱动器；输出电平的变换；满足大功率负载电流的需要；实现线与逻辑。RLVDD2CC40107VDD1ABVSSABY22下页返回上页ABYABRLVDDY2Y1G1G2线与逻辑符号线与连接方法RLVDDG1ABY2G2CDY1Y23下页返回上页4. CMOS传输门和双向模拟开关TG时，传输门导通。时，传输门截止。24下页返回上页利用 CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如异或门、数据选择器、寄存器、计数器等。TG1TG2用反相器和传输门构成异或门电路25下页返回上

10、页传输门的另一个用途是作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。TGSWSWC=0时开关截止。C=1时开关接通。模拟开关的导通内阻为RTG。26下页返回5. 三态输出的 CMOS门电路时，输出呈现高阻态。时，反相器正常工作。上页三态输出的 CMOS反相器动画27下页返回上页用三态输出反相器接成总线结构总线总线用三态输出反相器实现数据双向传输28下页返回6.改进的 CMOS门电路(1) 高速 CMOS门电路由于在MOS管中存在着一些寄生电容，因而降低了MOS管的开关速度。为了减小这些寄生电容，在高速MOS门电路中从工艺上做了改进。首先尽量减小沟道的长度，缩小整个MOS管的尺寸。其次采用了硅栅自

11、对准技术减小了栅极和漏极、栅极和源极的重叠区，使CGD和CGS的数值减小。上页29下页返回上页用短沟道、硅栅自对准工艺生产的高速CMOS门电路，其平均传输延迟时间小于10ns。高速CMOS门电路的通用系列为54HC/74HC系列。该系列产品使用+5V电源，输出的高、低电平与TTL电路兼容。如54HC/74HC 与54LS/74LS ，只要最后 表示的数字相同，则两种器件的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列顺序也完全相同。但两种器件不能简单地互换使用。30下页返回(2) Bi- CMOS电路Bi-CMOS是双极型-CMOS(Bipolar-CMOS)电路的简称。这种门电路的特点是逻辑部分采用CMOS结

12、构，输出极采用双极型三极管。因此，它兼有CMOS电路的低功耗， 和双极型电路低输出内阻的优点。目前Bi-CMOS反相器的传输延迟时间可减小到1ns以下。上页31下页返回六、CMOS电路的正确使用1. 输入电路的静电防护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CMOS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。2）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原料制作。上页3）不用的输入端不应悬空。32下页返回2. 输入电路的过流保护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：1）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过1mA。2）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。上页3）输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保