电子技术基础数字部分

3.3

MOS开关及其等效电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平:MOS管截止，输出高电平当υI

<VT当υI

>VTMOS管相当于一个由vGS控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。MOS管截止，相当于开关“断开”输出为高电平。当输入为低电平时：当输入为高电平时：3.3.1

CMOS

反相器1.工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0V0V-10V截止导通10V10V10V0V导通截止0VVTN=2VVTP=-2V逻辑图逻辑表达式vi(A)0vO(L)1逻辑真值表10P沟道MOS管输出特性曲线坐标变换输入高电平时的工作情况输入低电平时的工作情况作图分析：2.电压传输特性和电流传输特性VTN电压传输特性3.CMOS反相器的工作速度在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间：10ns。

带电容负载A

BTN1TP1

TN2TP2L00011011截止导通截止导通导通导通导通截止截止导通截止截止截止截止导通导通1110与非门1.CMOS与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)电路结构(b)工作原理VTN=2VVTP=-2V0V10VN输入的与非门的电路?输入端增加有什么问题?3.3.2CMOS逻辑门或非门2.CMOS或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA

B

TN1TP1TN2TP2L00011011截止导通截止导通导通导通导通截止截止导通截止截止截止截止导通导通1000AB≥10V10VVTN=2VVTP=-2VN输入的或非门的电路的结构?输入端增加有什么问题?3.异或门电路=A⊙B4.输入保护电路和缓冲电路采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。（1）输入端保护电路:(1)0<vI<VDD+vDF(2)vI

>

VDD+vDF

二极管导通电压：vDF(3)vI

<

-

vDF

当输入电压不在正常电压范围时,二极管导通，限制了电容两端电压的增加,保护了输入电路。D1、D2截止D1导通,D2截止vG

=

VDD+vDFD2导通,D1截止vG=

-

vDFRS和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且衰减后到栅极。

D2---分布式二极管(iD大)（2）CMOS逻辑门的缓冲电路输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能1.CMOS漏极开路门1.）CMOS漏极开路门的提出输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。3.3.3CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路+VDDTN1TN2AB+VDDAB01（2）漏极开路门的结构与逻辑符号(c)可以实现线与功能;+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABL电路逻辑符号(b)与非逻辑不变漏极开路门输出连接(a)工作时必须外接电源和电阻;(3)上拉电阻对OD门动态性能的影响Rp的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大,且可能使输出电流超过允许的最大值IOL(max）

。电路带电容负载10CLRp的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值IOL(max）、功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢。最不利的情况：只有一个OD门导通，110为保证低电平输出OD门的输出电流不能超过允许的最大值IOL(max)且VO=VOL(max），RP不能太小。当VO=VOL+VDDIILRP&&&&n…&m&…kIIL（total)IOL（max)当VO=VOH+VDDRP&&&&n…&m&…111IIH（total)I0H（total)为使得高电平不低于规定的VIH的最小值，则Rp的选择不能过大。Rp的最大值Rp(max)

：

2.三态(TSL)输出门电路10011截止导通111高阻

×0输出L输入A使能EN001100截止导通010截止截止X1逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门013.3.4CMOS传输门(双向模拟开关)1.CMOS传输门电路电路逻辑符号υI

/υOυo/υIC等效电路2、CMOS传输门电路的工作原理

设TP:|VTP|=2V，TN:VTN=2VI的变化范围为－5V到+5V。

5V+5V5V到+5VGSN<VTN,TN截止GSP=5V(-5V到+5V)=(10到0)V开关断开，不能转送信号GSN=-5V(－5V到+5V)=(0到-10)VGSP>0,TP截止1）当c=0，c=1时c=0=-5V，c

=1=+5V

C

TP

vO/vI

vI/vO

+5V

–5V

TN

C

+5V5VGSP=5V

(－3V~+5V)=2V~10VGSN=5V(－5V~+3V)=(10~2)Vb、I=3V~5VGSN>VTN,TN导通a、I=5V~3VTN导通，TP导通GSP>|VT|,TP导通C、I=3V~3V2）当c=1，c=0时传输门组成的数据选择器C=0上边的TG导通,

下边的TG断开L=X下边的TG导通,

上边的TG断开

L=YC=1传输门的应用CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过TTL器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。参数系列传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗(mW)延时功耗积(pJ)4000B751(1MHz)10574HC101.5(1MHz)1574HCT131(1MHz)13BiCMOS2.90.0003~7.50.00087~223.3.5CMOS逻辑门电路的技术参数CMOS门电路各系列的性能比较v0/vvI/v简化的CMOS反相器的传输特性VDDVOH1/2VDDVOLCMOS与TTL传输特性的异同v0/v213451230.22.483.61.1v1.2v0.4vvI/vABCDE基本的TTL反相器的传输特性CMOS门的阈值电压：VT=1/2VDD,TTL门的VT一般在1.0～1.4V

CMOS门输出高电平为VDD,即VOH=VDD,输出低电平VOL=0V.在VO=VOH时，随向外拉的电流增加，VOH值下降；而在VO=VOL时，随灌入的电流增加，VOL值上升。所不同的是，VOH的下降和VOL的上升，对TTL电路来讲基本是线性，对CMOS门电路而言则为非线性的。特点:功耗低、速度快、驱动力强3.3.6BiCMOS门电路I为高电平:MN、M1和T2导通，MP、M2和T1截止，输出O为低电平。工作原理:M1的导通,迅速拉走T1的基区存储电荷;M2截止,MN的输出电流全部作为T2管的驱动电流,M1、

M2加快输出状态的转换I为低电平:MP、M2和T1导通，MN、M1和T2截止，输出O为高电平。T2基区的存储电荷通过M2而消散。

M1、M2加快输出状态的转换电路的开关速度可得到改善M1截止，MP的输出电流全部作为T1的驱动电流。BiCMOS门电路(BiCMOSgatecircuit)它兼有CMOS电路的低功耗和双极型电路低输出内阻的优点。图是Bi-CMOS反相器的两种电路结构型式。图(a)中两个双极型输出管的基极接有下拉电阻。当VI=VIH时，MN和T2导通，MP和T1截止，输出为低电平VOL。当VI=VIL时，MP和T1导通而MN和T2截止，输出为高电平VOH

。为了加快T1和T2的截止过程，要求R1和R2的阻值尽量小，而为了降低功耗要求R1和R2的阻值应尽量大，两者显然是矛盾的。为此，目前的Bi-CMOS反相器多半采用图(b)所示的电路结构，以M1和M2取代图(a)中的R1和R2，形成有源下拉式结构。当VI=VIH时，M1、MN和T2导通，MP、M2和T1截止，输出为低电平VOL。当VI=VIL时，MP、M2和T1导通，M1、MN和T2截止，输出为高电平VOH。由于T1和T2的导通内阻很小，所以负载电容CL的充、放电时间很短，从而有效地减小了电路的传输延迟时间。VDD(5v)VoVI(b)常见的BiCMOS电路MPM1MNM2T1T2VDD(5v)VoVI(a)最简单的BiCMOS反相器电路MPR1MNR2T1T2

hw:3.1.4（a.b）、3.1.5、3.1.10、（1.2.3）NMOS逻辑门电路(NMOSLogicgatecircuit)VDDVoVI(a)实际电路T1T2(b)简化电路VDDVoVIT1T2NMOS逻辑门电路是全部由N沟道MOSFET构成。由于这种器件具有较小的几何尺寸，适合于制造大规模集成电路。此外，由于NMOS集成电路的结构简单，易于使用CAD技术进行设计。与CMOS电路类似，NMOS电路中不使用难于制造的电阻。NMOS反相器是整个NMOS逻辑门电路的基本构件，它的工作管常用增强型器件，而负载管可以是增强型也可以是耗尽型。现以增强型器件作为负载管的NMOS反相器为例来说明它的工作原理。1.NMOS反相器T1为工作管（开关管），T2为负载管,T2总处于导通工作原理：当输入VI为高电压(超过管子的开启电压VT)时，

T1导通，输出VO为低电压。输出低电压的值，

由T1、T2两管导通时所呈现的电阻值之比决定。

通常跨导gm1»gm2，以保证输出低电压值在+1V左右。当输入VI为低电压(低于管子的开启电压VT)时，

T1截止，输出VO为高电压。

（因2管总是处于导通状态,输出高电压值约为VDD-VT）。2.NMOS或非门电路电路:在NMOS反相器的基础上，可以制成图为NMOS或非门电路。工作原理:输入A、B中，任一个为高电平，与它对应的NMOS导通，输出为低电平；仅当A、B全为低电平时，所有工作管都截止，输出才为高电平。可见电路具有或非功能，即L=A+B

电路特点：或非门的工作管都是并联的，增加管子的个数，输出低电平基本稳定，在设计电路设计中较为方便，因而NMOS门电路是以或非门为基础的。NMOS或非门电路VDDL=A+BT1T2BACMOS门特点1.优点①

功耗低：低静态功耗仅为5~10-3mW，动态功耗因工作时伴有分布电