CMOS逻辑门电路.doc

CMOS逻辑门电路 +UDD +UDD P沟道 TP TP uo ui uoui TN TN N沟道 CL (a) 电路 (b) 简化电路图11-36 CMOS反相器 CMOS是互补对称MOS电路的简称（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），其电路结构都采用增强型PMOS管和增强型NMOS管按互补对称形式连接而成，由于CMOS集成电路具有功耗低、工作电流电压范围宽、抗干扰能力强、输入阻抗高、扇出系数大、集成度高，成本低等一系列优点，其应用领域十分广泛，尤其在大规模集成电路中更显示出它的优越性，是目前得到广泛应用的器件。 一、CMOS反相器 CMOS反相器是CMOS集成电路最基本的逻辑元件之一，其电路如图11-36所示，它是由一个增强型NMOS管TN和一个PMOS管TP按互补对称形式连接而成。 两管的栅极相连作为反相器的输入端，漏极相连作为输出端，TP管的衬底和源极相连接电源UDD，TN管的衬底与源极相连后接地，一般地UDD(UTN+|UTP|)，(UTN和|UTP|是TN和TP的开启电压)。 当输入电压ui=“0”（低电平）时，NMOS管TN截止，而PMOS管TP导通，这时TN管的阻抗比TP管的阻抗高的多，（两阻抗比值可高达106以上），电源电压主要降在TN上，输出电压为“1”（约为UDD）。 当输入电压ui=“1”（高电平）时，TN导通，TP截止，电源电压主要降在TP上，输出uo=“0”，可见此电路实现了逻辑“非”功能。 通过CMOS反相器电路原理分析，可发现CMOS门电路相比NMOS、PMOS门电路具有如下优点： 无论输入是高电平还是低电平，TN和TP两管中总是一个管子截止，另一个导通，流过电源的电流仅是截止管的沟道泄漏电流，因此，静态功耗很小。 两管总是一个管子充分导通，这使得输出端的等效电容CL能通过低阻抗充放电，改善了输出波形，同时提高了工作速度。 由于输出低电平约为0V，输出高电平为UDD，因此，输出的逻辑幅度大。 CMOS反相器的电压传输特性如图11-37所示。特性区大致分成五个区域：uo(V) TN截止 TN在饱和区10 TP在可变电阻区 8 TN和TP均在饱和区 6 TP在饱和区 4 TN在可变电阻区 2 TP截止 0 2 4 6 8 10 ui(V) UTN UTR |UTP|图11-37 CMOS反相器电压传输特性 第区域：uiUTN，TN开始导通，但工作在饱和区，TP仍工作在可变电阻区的导通状态。这时有一个较小的电流流过两管，uDS2已不为0，所以uo开始下降。 第区域：输入电压ui增大到UTR时，TN和TP都工作在饱和区，有较大电流流过两管，这时只要ui有一个很小的变化，就会引起uo有一个很大的变化，所以这一段内曲线最陡，称为特性转换区，UTR称为状态转移电压。 第区域：ui继续增大，TN进入非饱和区，uDS1(即uo）迅速减少，流过两管的电流开始下降。 第区域：TN导通（工作在可变电阻区），TP截止，uo=uDS10V。 从传输特性曲线可以看出：区域很陡，且UTRUDD/2，所以，CMOS反相器的电压传输特性接近于理想开关特性。由于电压传输特性曲线的转折点大约为UDD/2，干扰信号必须大于或等于UDD/2才能导致状态改变，所以说CMOS门电路具有极强的抗干扰能力。 二、CMOS“与非”门电路 电路如图11-38所示，设CMOS管的输出高电平为“1”，低电平为“0”，图中T1、T2为两个串联的NMOS管，T3、T4为两个并联的PMOS管，每个输入端（A或B）都直接连到配对的NMOS管（驱动管）和PMOS（负载管）的栅极。当两个输入中有一个或一个以上为低电平“0”时，与低电平相连接的NMOS管仍截止，而PMOS管导通，使输出F为高电平，只有当两个输入端同时为高电平“1”时，T1、T2管均导通，T3、T4管都截止，输出F为低电平。 由以上分析可知，该电路实现了逻辑与非功能，即 +UDD +UDD T3 T4 A T4 F B T3A T2 FB T1 T1 T2图11-38 CMOS“与非”门 图11-39 CMOS“或非”门 三、CMOS“或非”门电路 图11-39所示电路为两输入CMOS“或非”门电路，其连接形式正好和“与非”门电路相反，T1、T2两NMOS管是并联的，作为驱动管，T3、T4两个PMOS管是串联的，作为负载管，两个输入端A、B仍接至NMOS管和PMOS管的栅极。 其工作原理是：当输入A、B中只要有一个或一个以上为高电平“1”时，与高电平直接连接的NMOS管T1或T2就会导通，PMOS管T3或T4就会截止，因而输出F为低电平。只有当两个输入均为低电平“0”时，T1、T2管才截止，T3、T4管都导通，故输出F为高电平“1”，因而实现了或非逻辑关系，即： 四、CMOS传输门电路 CMOS传输门也是CMOS集成电路的基本单元，其功能是对所要传送的信号电平起允许通过或者禁止通过的作用。 TP ui +5V uo -5V ui uo 高电平：+5V TNc 低电平：-5V c c (a)电路 (b)逻辑符号图11-40 CMOS传输门TG CMOS传输门的基本电路及逻辑符号如图11-40(a)、(b)所示，它是由一只增强型NMOS管TN和一只增强型PMOS管TP按闭环互补形式连接而成的，设输入模拟信号的变化范围为-5V到+5V。为使衬底与漏极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故TP的衬底接+5V的电压，TN的衬底接-5V的电压，两管的栅极由互补信号电压（+5V和-5V）来控制，分别用c和表示。 传输门的工作原理如下： 当c端接低电平（-5V）时，TN的栅压为-5V(c端），ui为-5V到+5V范围内的任意值，TN不导通。同时，TP的栅压为+5V（），ui在-5V到+5V范围内任意取值，TP也不导通。所以，当c端接低电平时，开关是断开的。cui uo图11-41 CMOS模拟开关TG 当c端接高电平（+5V）时，此时TN的栅压为+5V(c端），ui为-5V到+5V范围内的任意值，TN导通。同时，TP的栅压为-5V（），ui在-5V到+5V范围内任意取值，TP也导通。所以，当c端接高电平时，开关导通的。 由此可知，当ui+5V时，仅有TP导通。当ui在-5V到+5V的范围内，TN和TP两管均导通。进一步分析还可看到，一管导通的程度越深，另一管的导通将相应减少。换句话说，当一管的导通电阻减少，则另一管的导通电阻就增大。由于两管并联运行，可近似认为开关的导通电阻为一常数。这是CMOS传输门的优点。 由CMOS倒相器和CMOS传输门可构成模拟开关。这种模拟开关常用于CMOS触发器和A/D转换器中，电路如图11-41所示。 五、CMOS三态门电路 CMOS三态门实现的方法很多，现举两例说明。 +UDD +UDD T4 TPui uo T2 TN ui uo T1 c c T3图11-42 用CMOS传输门 图11-43 附加MOS构成三态门 构成三态门TG11 1利用CMOS传输门构成三态门电路，如图11-42所示。其工作原理是：当c=“1”时，传输门导通，输出；当c=“0”时，传输门断开，输出为高阻状态。2利用CMOS倒相器（由T1、T2构成）附加一个PMOS管和一个NMOS管构成三态门电路，如图11-43所示。其工作原理是，当禁止端c=“1”时，T3、T4截止，输出高阻状态；当c=“0”时，则处于信息传输状态，uo=ui。如何理解CMOS反相器的电压传输特性? 【相关知识】：MOS管的伏安特性曲线、CMOS反相器的结构，工作原理、静态特性。 【解题方法】：通过逐点分析CMOS反相器的输入、输出关系，可以看出它有良好的开关特性。【解答过程】：CMOS反相器电路如图1（a）所示，图1（b）为其电压传输特性曲线。设CMOS非门的电源电压=10V，两管的开启电压为=|=2V。(1) 当2V，截止，导通，输出=10V；(2) 当2V5V，和都导通，但的栅源电压的导通电阻，所以，这时开始下降,但下降不多，输出仍为高电平；(3) 当=5V，的栅源电压=栅源电压绝对值，两管都工作在饱和区，且导通电阻相等,所以，=(/2)=5V；(4) 当5V的导通电阻，所以变为低电平；(5) 当8V，截止，导通，输出=0V。