CMOS逻辑门电路课件

CMOS逻辑门电路

绝缘栅型场效应管可分成增强型和耗尽型两种类型。2.6.0MOS管的基本工作原理MOS是绝缘栅型场效应管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）的简称。每一种类型，又可分为P沟道和N沟道两种导电沟道。在数字电路中使用的器件常采用N沟道增强型管制成。幻灯片1‘NNP（衬底）导电沟道SGD源极栅极漏极NMOS结构示意图NNP（衬底）SGDIDVDSVGS导电沟道幻灯片2NMOS的工作原理幻灯片2‘VGS增加到一定大小的VGS称为开启电压，用VT表示。改变VGS，就改变了二氧化硅层中的电场，能有效地控制漏极电流iD的大小（场效应管）。

NNP（衬底）SGDIDVDSVGS导电沟道0510152025123453.5v4v4.5v5v5.5vID/mAVDS/VNNP（衬底）SGDIDVDSVGS导电沟道幻灯片3饱和区截止区可变电阻区051015202512345–3.5v–4v–4.5v–5v–5.5v–ID/mA–VDS/V幻灯片4PPN（衬底）SGDIDVDSVGS导电沟道PMOS：外加电压、电流的方向和NMOS正好相反。开启电压VT（用VTP表示，而NMOS用VTN表示）也为负值。对PMOS来说，当VGS低于VTP时，或者说，当VGS的绝对值|VGS|大于VTP的绝对值|VTP|时，管子才导通。

MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。

MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、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。2.6CMOS逻辑门电路1.CMOS反相器MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。

MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。NMOS管的电路符号及转移特性

(a)电路符号（b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小

（1）NMOS管的开关特性

图2-25PMOS管的电路符号及转移特性

(a)电路符号（b）转移特性D接负电源

（2）PMOS管的开关特性

导通导通电阻相当小截止CMOS反相器PMOS管负载管NMOS管驱动管

开启电压（又称门电压）UGS(th)P<0，V(GS)N>0且VDD>|VGS(th)P|+VGS(th)N。2．CMOS反相器的工作原理

（1）基本电路结构

（2）工作原理CMOS反相器UIL=0V截止导通UOH≈VDD当uI=UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，

uO=UOH≈VDD

iDvSGP=VDDVOH

VDDOvGSN=0工作点负载线vOCMOS反相器UIH=VDD截止UOL≈0V当uI=UIH=VDD

，VTN导通，VTP截止，

uO=UOL≈0V导通iDvGSN=VOH=VDDVOL

0OvSGP=0工作点负载线vO

（3）逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。（4）工作特点

VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，而且截止内阻又极大，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。CMOS反相器的电压传输特性2电压传输特性VOH

VDDvo(V)vi(V)BCDA210864210864OVOL

0TN截止TP在饱和区TN在可变电阻区TN、TP均在饱和区TN在饱和区TP在可变电阻区TP截止CMOS电路的优点：

（1）静态功耗极小。

CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。（2）抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。（3）电源利用率高。多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常工作。

（4）输入阻抗高。（5）负载能力强。

CMOS电路可以带50个同类门以上。（低电平0V，高电平VDD）Y=AB1、CMOS与非门

负载管并联（并联开关）

驱动管串联（串联开关）COMS逻辑门电路CMOS或非门电路TN2TP2BLVDDTP1TN1A0V5V0V（5V）TN2TP2BLVDDTP1TN1A0V0V5V（5V）2.6.3BiCMOS门电路BiCMOS是双极型-CMOS（Bipolar-CMOS）电路的简称。1.BiCMOS反相器T1MPVDDvIvOT2M1MNM2CLT1MPVDDvIvOT2M1MNM2CL5V0V（5V）T1MPVDDvIvOT2M1MNM2CL0V5V（5V）T1MPVDDvIvOT2M1MNM2CL0V5V（5V）5VT1MPVDDvIvOT2M1MNM2CL5V0V（5V）0V2.BiCMOS门电路T1MPAVDDLT2M1AM1BM2CLMPBABMNAMNBT1MPAVDDLT2M1AM1BM2CLMPBABMNAMNB5V0V0V（5V）T1MPAVDDLT2M1AM1BM2CLMPBABMNAMNB0V0V5V（5V）2.6.4CMOS传输门TGvI

/vOvI

/vOCCTPTN–5V+5VTG—TransmissionGatevI

/vOvI

/vOCCTGvOC=–5VC=5VTPTN–5V+5V–5V~+5V断开状态：vOC=+5VC=–5VTPTN–5V+5V–5V~+5V开通状态：2.6.5CMOS逻辑门电路的技术参数CMOS数字集成电路的主要特点：功耗低、噪声容限大、扇出系数大。最早出现的CMOS器件为4000系列，寄生电容较大，工作速度较慢，传输延迟时间达到近百ns（75ns）。

74HC系列（高速CMOS），减小了管子的沟道长度，减小了栅极和漏极、栅极和源极的重叠区，从而减小了寄生电容，平均延迟时间10ns。

74HCT系列和74BCT（即BiCMOS）系列，为最新产品，可以与TTL兼容。74BCT系列的延迟时间只有不到3ns，而功耗达到10

4mw的量级。

类型参数基本CMOS4000/4000B系列高速CMOS