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文档简介
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
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