数电第三章第二部分new

场效应三极管（FET、FieldEffectTransistor)利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。场效应管特点只有一种载流子参与导电；

输入电阻高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强；工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。CMOS门电路

绝缘栅型场效应管

由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体(Metal-Oxide-Semiconductor)场效应管，或简称MOS场效应管。特点：输入电阻可达109以上。类型N

沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型耗尽型场效应管:VGS

=0时漏源间存在导电沟道的MOS管

增强型场效应管:VGS=0时漏源间不存在导电沟道的MOS管N

沟道增强型

MOS

场效应管1.结构P型衬底N+N+GSDSiO2源极Source漏极Drain栅极Gate1.MOS管的工作原理导电沟道(反型层)当大于VGS(th)时，将出现导电沟道。VGS(th)称为开启电压，与管子构造有关。SDB导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压，将形成漏极电流iD。称为N沟道增强型场效应管

显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若不变，就可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。3.特性曲线(N

沟道增强型

MOS管)GD

S3V4V5VvGS

=6ViD

/mA43210246810vDS

/V可变电阻区（恒流区）iD+-VGS+-

VDS输出特性截止区：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω截止区恒流区：iD

基本上由VGS决定，与VDS关系不大可变电阻区：当VDS

较低,VGS

一定时， 这个电阻受VGS

控制、可变。3.特性曲线(N

沟道增强型

MOS管)GD

S3V4V5VvGS

=6ViD

/mA42643210vGS

/ViD

/mA43210246810vDS

/V可变电阻区（恒流区）VGS(th)iD开启电压+-VGS+-

VDS输出特性转移特性截止区VGS<VGS(th)

MOS管截止VGS>VGS(th)

MOS管导通N

沟道增强型

MOS管:VGS>04.MOS管的开关作用开启电压VGS(th)

>0DDOHOVVv==V0OLO»=VvIv>VGS(th)

+VDDRDBGDSOvIvSGDCIRONIvOvSGDCIIvOv<VGS(th)

Iv导通截止N沟道增强型

MOS管：N型衬底P+P+GSDSiO2源极漏极栅极P

沟道增强型MOS

场效应管P

沟道增强型MOS管-VDDRDBGDSvIvO开启电压

VGS(th)

<0SGDCIOvvIsGDCIRONOvvI导通截止CMOS

反相器1、工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0V0V-10V截止导通10V10V10V0V导通截止0VVGS(th)N

=2VVGS(th)P

=-2V逻辑图逻辑表达式vi(A)0vO(L)1逻辑真值表10Complementary-SymmetryMOS.互补对称式MOS电路。要求两管特性完全一样MOS管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道2.CMOS反相器的传输特性iD+VDD+vI-vOTNTPABCDEFVTNVDDAB段：vI<VTN

，vO=VDD、iD

0，功耗极小。0vO

/VvI

/VTN截止、TP导通，BC段：TN导通vO

略下降。CD段：TN、TP均工作在恒流区DE、EF段：iD+VDD+vI-vOTNTPABCDEF0iD

/mAvI

/VVTHABCDEFVDDVTH0vO

/VvI

/V电压传输特性电流传输特性AB、EF

段：

TN、TP总有一个为截止状态，故iD

0。CD段：

TN、Tp

均导通，流过两管的漏极电流达到最大值

iD=iD（max)

。动态功耗

在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大；若有负载电容，动态功耗也会增加，这也成为限制电路扇出系数的主要因素。动态功耗

输入端保护电路:(1)-

vDF<vA

<VDD+vDF(2)vA

>

VDD+vDF

二极管导通电压：vDF

=0.5~0.7V(3)vA

<

-

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。+VDDvOvATPD1C1C2RSTND2D3D1、D2、D3截止(保护电路不起作用）D2、D3

导通vG

=

VDD+vDFD1导通vG

=

-

vDFCMOS反相器输入特性由于UGS越大，TN管的导通电阻RON就越小，1.低电平输出特性U0=U0L时:所以：在同样的IOL值下，VDD越高，使TN管导通时的UGS就越大，其RON就越小，UOL也就越低。+VDDTNTPUIHUOLIOLRLIOL从负载电路注入TN管。TN管导通，TP管截止，VDD=5V10V15VUOLOIOL

输出特性2.高电平输出特性由于UGS越负，TP管的导通电阻RON就越小，U0=U0H时：所以：在同样的IOH值下，VDD越高，使TP管导通时的UGS就越负，其RON就越小，VOH也就越高。TNTP+VDDUILUOHIOHRLIOH从TP管流向负载电路。TP管导通，TN管截止，UOHOIOHVDDVDD=5V10V15V输入噪声容限结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限驱动门负载门传输延迟时间(1)MOS管的导通电阻比TTL电路大的多，导通电阻受VDD影响，所以，VDD也影响传输延迟时间；(2)CMOS门的输入电容比TTL电路大得多，因此负载个数越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数就是受传输延迟时间和动态功耗等动态特性限制的。CMOS门电路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11101、CMOS与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&00100111Y=(a)电路结构(b)工作原理2.CMOS与门+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABY+VDDG1D1S1TNTPD2S2G2VSSAB&L1AB&L3、CMOS或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA

BTN1TP1TN2TP2L00011011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≥100100111vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvL+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABL小结与非门为例：也更高越高，输入端越多，端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输出电阻存在的缺点：OHOLONONOONONOONONONOONONONOOVV)(RRRB,ARRRB,ARR//RRB,ARRRRB,AR:)(3131422011021002111=============+===带缓冲极的CMOS门的提出解决方法采用缓冲电路能统一参数。1.CMOS漏极开路门1.）CMOS漏极开路门的提出输出短接，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。CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路（2）漏极开路门的结构与逻辑符号(c)可以实现线与功能;(d)可实现逻辑电平变换：(a)工作时必须外接电源和电阻;+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABL电路逻辑符号(b)可并联LRp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的值愈大，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。上拉电阻应如何选择?它取值的大小对OD门的开关时间和电路工作的安全性有何影响?VDD1和VDD2可取不同值；

允许灌入电流较大。如：CC40107在VOL<0.5V的条件下，允许灌入的最大电流可达50mA。2、用于直接驱动大电流负载。74HC/HCT系列CMOS门电路的最大灌电流或拉电流为4mA指示灯(12V,20mA)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：高电平同相逻辑门01三态输出门电路CMOS传输门(双向模拟开关)

数据采集电路ADCCH1CH2CHN方案2计算机ADCCH1CH2CHN方案1ADCADC计算机CMOS传输门υI/υOυo/υIC等效电路VGS(th)PVGS(th)NVDD0VN沟道管导通P沟道管导通分析原理。先分析只有一个管时的情况：单管工作的缺点是：1.有死区；2.导通电阻随输入电压变化很大。采用双管可克服这些缺点。υI/υOυo/υIC等效电路||当模拟开关将电压传输系数定义如下：KTG==

采用改进电路的四双向模拟开关74HC4066在VDD=6V时，RTG值只有30Ω。而且在变化时，RTG基本保持不变。

目前，某些精密CMOS模拟开关的导通电阻已降低到20Ω以下。0传输门组成的数据选择器C=0TG1导通,TG2断开

L=XTG2导通,TG1断开

L=YC=101XX断开导通0101断开X导通YCH1CH2

CMOS集成电路的主要特点(1)功耗极低。(2)电源电压范围宽。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干扰能力强。输入端噪声容限=0.3VDD

~0.45VDD(4)逻辑摆幅大。(5)输入阻抗极高。(6)扇出能力强。(7)集成度很高，温度稳定性好。(8)抗辐射能力强。CC4000系列：≥50个≥CMOS电路使用中应注意的几个问题注意输入端的静电防护(导电材料包装,安装场地接地)。4.1注意电源电压极性。(保护电路中的保护二极管)多余的输入端不应悬空。与门、与非门：接电源或与其他输入端并联或门、或非门：接地或与其他输入端并联3.输出端不能和电源、地短接。(保护输出级MOS管)4.输入电路的过流保护4.2保护二极管只能承受1mA电流，因此下列三种情况下输入端要串入保护电阻。(1)输入端接低内阻信号源；(2)输入端接有大电容；(3)输入端接长线（伴生有分布电容和分布电感）。CMOS电路锁定效应的防护（阅读P102）

产生锁定效应将造成CMOS电路永久失效。可在输入、输出端接入钳位保护电路，在电源输入端加去偶电路。

应确保CMOS电路先通电、后断电。1)驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围（属于电压兼容性的问题）。在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和CMOS两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：2)驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流（属于门电路的扇出数问题）.TTL电路和CMOS电路的接口灌电流IILIOLIIL拉电流IIHIOHIIHvOvI驱动门

负载门1

1

VOH(min)vO

VOL(max)

vI

VIH(min)VIL(max)

10111…1n个01110…1n个负载器件所要求的输入电压对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流VOH(min)≥VIH(min)VOL(max)