电子技术基础(数字部分)：3.2MOS开关及其等效电路

1、3.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路 ：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平 : : MOS管截止，管截止， 输出高电平输出高电平 当当I VT MOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的控制的 无触点开关。无触点开关。 MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区， 相当于开关相当于开关“闭合闭合”， 输出为低电平。输出为低电平。 MOS管截止，管截止， 相当于开关相当于开关“断开断开” 输出为输出为高高电平。电平。 当输入为低电平时：当输入为低电平时： 当输入为当输入为高高电平时：电平时： 3.3.1 CMOS 反相器反相器 1.1.工作原理工作

2、原理 AL 1 +VDD +10V D1 S1 vivO TN TP D2 S2 0V +10V vivGSNvGSPTNTPvO 0 V 0V-10V截止截止导通导通 10 V 10 V 10V 0V 导通导通截止截止 0 V VTN = 2 VVTP = - - 2 V 逻辑图逻辑图 AL 逻辑表达式逻辑表达式 vi (A) 0 vO(L) 1 逻辑真值表逻辑真值表 1 0 )VVV TPTNDD ( P沟道沟道MOS管输出特性曲线坐标变换管输出特性曲线坐标变换 输入高电平时的工作情况输入高电平时的工作情况 输入低电平时的工作情况输入低电平时的工作情况 作图分析：作图分析： 2. 电压传输

3、特性和电流传输特性 )v(fv IO 电压传输特性电压传输特性 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：闭时间是相等的。平均延迟时间：10 ns。 带电容负载带电容负载 A BTN1 TP1 TN2 TP2L 0 0 0 1 1 0 1 1 截止截止 导通导通 截止截止 导通导通 导通导通 导通导通导通导通 截止截止截止截止 导通导通 截止截止截止截止 截止截止 截止截止 导通导通导通导通 1 1 1 0 与非门与非门 1.CMOS 与非门与非门 vA +VDD+10V TP1

4、TN1 TP2 TN2 A B L vB vL A B ; CDAB CDAB +VDD VSS TP1 TN1 TP2 TN2 A B L A B L 电路电路 A B L ; (3) 上拉电阻对OD门动态性能的影响 RP VDD L A B C D Rp的值愈小，负载电容的充电时间的值愈小，负载电容的充电时间 常数亦愈小，因而开关速度愈快常数亦愈小，因而开关速度愈快。 但功耗大但功耗大, ,且可能使输出电流超过允且可能使输出电流超过允 许的最大值许的最大值IOL(max） ） 。 。 电路带电容负载电路带电容负载 1 1 0 0 CL L Rp的值大，可保证输出电流不能超的值大，可保证输出

5、电流不能超 过允许的最大值过允许的最大值IOL(max）、 ）、功耗小 功耗小。 但负载电容的充电时间常数亦愈大，但负载电容的充电时间常数亦愈大， 开关速度因而愈慢开关速度因而愈慢。 最不利的情况：最不利的情况： 只有一个只有一个 OD门导通，门导通， 1 1 0 为保证低电平输出为保证低电平输出OD门的门的输输 出电流不能超过允许的最大值出电流不能超过允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max） ） ，RP不 不 能太小能太小。 当当VO=VOL IL(total)OL OLDD p II VV R (max) (max) (min) - - - - IL(total) p OL

6、DD OL I R VV I (min) (max) (max) - - +V DD IIL RP ; M2截止截止, , MN的输出电流全的输出电流全 部作为部作为T2管的驱动电流管的驱动电流, , M1 、 M2 加快输出状态的转换加快输出状态的转换 I I为低电平为低电平: : MP、M2和和T1导通，导通，MN、M1和和T2 截止，输出截止，输出 O O为高电平。为高电平。 T2基区的存储电荷通过基区的存储电荷通过M2而消散。而消散。 M1 、 M2加快输出状态的转换加快输出状态的转换电电 路的开关速度可得到改善路的开关速度可得到改善 M1截止，截止，MP的输出的输出 电流全部作为电流

7、全部作为T1的驱动电流。的驱动电流。 BiCMOS 门电路(BiCMOS gate circuit) 它兼有它兼有CMOSCMOS电路的低功耗和双极型电路低电路的低功耗和双极型电路低 输出内阻的优点。输出内阻的优点。 图是图是Bi-CMOSBi-CMOS反相器的两种电路结构型式。反相器的两种电路结构型式。 图图( (a) a) 中两个双极型输出管的基极接有下中两个双极型输出管的基极接有下 拉电阻。当拉电阻。当V VI I=V=VIH IH时， 时，M MN N和和T2T2导通，导通，M MP P和和T1T1 截止，输出为低电平截止，输出为低电平V VOL OL。当 。当V VI I=V=VIL

8、 IL时， 时，M MP P和和 T1T1导通而导通而M MN N和和T2T2截止，输出为高电平截止，输出为高电平V VOH OH 。 为了加快为了加快T1T1和和T2T2的截止过程，要求的截止过程，要求R1R1和和R2R2 的阻值尽量小，而为了降低功耗要求的阻值尽量小，而为了降低功耗要求R1R1和和 R2R2的阻值应尽量大，两者显然是矛盾的。的阻值应尽量大，两者显然是矛盾的。 为此，目前的为此，目前的Bi-CMOSBi-CMOS反相器多半采用图反相器多半采用图( (b)b) 所示的电路结构，以所示的电路结构，以M1M1和和M2M2取代图取代图( (a)a)中的中的 R1R1和和R2R2，形成

9、有源下拉式结构。当，形成有源下拉式结构。当V VI I=V=VIH IH时， 时， M1M1、M MN N和和T2T2导通，导通，M MP P、M2M2和和T1T1截止，输出为截止，输出为 低电平低电平V VOL OL。当 。当V VI I=V=VIL IL时， 时，M MP P、M2M2和和T1T1导通，导通， M1M1、M MN N和和T2T2截止，输出为高电平截止，输出为高电平V VOH OH。由于 。由于 T1T1和和T2 T2 的导通内阻很小，所以负载电容的导通内阻很小，所以负载电容C CL L的充、放的充、放 电时间很短，从而有效地减小了电路的传电时间很短，从而有效地减小了电路的传

10、 输延迟时间。输延迟时间。 VDD(5v)VDD(5v) VoVo VIVI ( (b)b)常见的常见的BiCMOSBiCMOS电路电路 MPMP M1M1 MNMN M2M2 T1T1 T2T2 VDD(5v)VDD(5v) VoVo VIVI ( (a)a)最简单的最简单的BiCMOSBiCMOS反相器电路反相器电路 MPMP R1R1 MNMN R2R2 T1T1 T2T2 hw: 3.1.4 （a.b） 、 3.1.5、 3.1.10、（1.2.3） NMOSNMOS逻辑门电路逻辑门电路 ( (NMOS Logic gate circuit)NMOS Logic gate circui

11、t) VDD Vo VI (a)实际电路实际电路 T1 T2 (b) 简化电路简化电路 VDD Vo VIT1 T2 NMOSNMOS逻辑门电路是全部由逻辑门电路是全部由N N沟道沟道MOSFETMOSFET构成。由于这种构成。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。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，由于此外，由于NMOSNMOS集成电路的结构简单，易于使用集成电路的结构简单，易于使用CADCAD技技 术进行设计。与术进行设计。与CMOSCMOS电路类似，电路类似，NMOSNMOS电路中不使用难于电路中不使用难于 制造的电阻。制造的电阻。 NMOSN

12、MOS反相器是整个反相器是整个NMOSNMOS逻辑门电路的基逻辑门电路的基 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增强型也可以是耗尽型。现以增强型器件作为负载管的 NMOSNMOS反相器为例来说明它的工作原理。反相器为例来说明它的工作原理。 1.1.NMOSNMOS反相器反相器 T1T1为工作管（开关管），为工作管（开关管），T2T2为负载管为负载管 , , T2T2总处于导通总处于导通 工作原理：工作原理： 当输入当输入V VI I为高电压为高电压( (超过管子的开启电压超过管子的开启

13、电压VT) VT)时，时， T1T1导通，输出导通，输出V VO O为低电压。输出低电压的值，为低电压。输出低电压的值， 由由T1T1、T2T2两管导通时所呈现的电阻值之比决定。两管导通时所呈现的电阻值之比决定。 通常跨导通常跨导gm1gm1gm2gm2，以保证输出低电压值在，以保证输出低电压值在+1+1V V左右。左右。 当输入当输入V VI I为低电压为低电压 ( (低于管子的开启电压低于管子的开启电压VT) VT)时，时， T1T1截止，输出截止，输出V VO O为高电压。为高电压。 （因（因2 2管总是处于导通状态管总是处于导通状态, ,输出高电压值约为输出高电压值约为VDD-VTVD

14、D-VT）。）。 2.NMOS或非门电路或非门电路 电路电路: :在在NMOSNMOS反相器的基础上，可以制成反相器的基础上，可以制成 图为图为NMOSNMOS或非门电路。或非门电路。 工作原理工作原理: :输入输入A A、B B中，任一个为高电平，中，任一个为高电平， 与它对应的与它对应的NMOSNMOS导通，输出为低电平；仅导通，输出为低电平；仅 当当A A、B B全为低电平时，所有工作管都截止，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，输出才为高电平。可见电路具有或非功能， 即即L= A+BL= A+B 电路特点：或非门的工作管都是并联的，电路特点：或非门的

15、工作管都是并联的， 增加管子的个数，输出低电平基本稳定，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，因而在设计电路设计中较为方便，因而NMOSNMOS门门 电路是以或非门为基础的。电路是以或非门为基础的。 NMOS或非门电路或非门电路 VDD L=A+B T1T2 BA CMOS门特点门特点 1.1.优点优点 功耗低：低静态功耗仅为功耗低：低静态功耗仅为510510-3 -3mW mW，动态功耗因工作时伴有，动态功耗因工作时伴有 分布电容的充放电而有所提高分布电容的充放电而有所提高. . 抗干扰能力强：由于抗干扰能力强：由于CMOSCMOS门逻辑电压摆幅大门逻辑电压摆幅大(

16、74(74HCXXHCXX为为0 05 5 V V， CD40XXCD40XX系列为系列为0 01515V)V)，所以抗干扰能力强，所以抗干扰能力强. . . .带同类门的负载能力强：因为带同类门的负载能力强：因为CMOSCMOS门工作时不需要输入电流，门工作时不需要输入电流， 前级门与后级门无电流的联系，所以从理论上说，一个门带同类前级门与后级门无电流的联系，所以从理论上说，一个门带同类 负载门的个数是无限制的，但实际上考虑到分布电容充放电的影负载门的个数是无限制的，但实际上考虑到分布电容充放电的影 响，响，NoNo也应小于也应小于5050个个. . 2. 2.缺点缺点 缺点是易损坏。由于缺

17、点是易损坏。由于MOSMOS管绝缘栅薄且输入阻抗高，易被干管绝缘栅薄且输入阻抗高，易被干 扰电荷移动所造成的高压击穿。所以使用时要小心谨慎，主要注扰电荷移动所造成的高压击穿。所以使用时要小心谨慎，主要注 意两点：意两点： 电源电压不能超过手册所规定的值；电源电压不能超过手册所规定的值； 未使用的输入端绝对不能悬空，应按逻辑功能的需要接至未使用的输入端绝对不能悬空，应按逻辑功能的需要接至 电源或地线，否则不是损坏器件就是工作不正常电源或地线，否则不是损坏器件就是工作不正常. . ( (例例) ) 用增强型用增强型NMOSNMOS管构成的电路如图管构成的电路如图( (a)a)所示。试写出所示。试写出F F的逻辑式。的逻辑式。 解: 解题时首先要分清哪些管子是 负载管，哪些管子是开关管，只有 在一个负载管的源极与开关管的漏负载管的源极与开关管的漏