第三章_CMOS门电路

1、1MOS管的开关特性管的开关特性CMOS反向器反向器其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路CMOS门电路的正确使用门电路的正确使用2CMOS门电路的基本构成单元是门电路的基本构成单元是MOS门电路。门电路。MOS门电路：以门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。管作为开关元件构成的门电路。 MOS管有管有NMOS管和管和PMOS管两种。管两种。 当当NMOS管和管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为作中互补，称为CMOS管（意为互补：管（意为互补：Complementary）。）。 MOS管有增强型和耗尽型两种。管有增强型和耗尽型两种。 在

2、数字电路中，多采用在数字电路中，多采用增强型增强型。MOS门电路，尤其是门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、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，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。得到了十分迅速的发展。33.3.1 MOS管的开关特性 BJT是一种电流控制元件是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。器件。 MOS管是一种电压控制器件管是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，工作时，只有一种载流

3、子参与导电，因此它是单极型器件。只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 MOS管因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，管因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。MOS管分类管分类 增强型增强型耗尽型耗尽型N沟道沟道P沟道沟道N沟道沟道P沟道沟道4一一. MOS. MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管晶体管半导体场效应管晶体管 ( Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，简称，简称MOSFET。分为：分为： 增强型

4、增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道 1.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管管 （1 1）结构结构 4个电极：个电极：漏极漏极D，源极，源极S，栅极栅极G，衬底，衬底B。符号：符号：-N+NP型半导体衬底型半导体衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D衬底衬底BSiO2-GSDB5 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴将靠近栅极下方的空穴向下排斥向下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在D、S之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。之间加上电

5、压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区区表面表面形成导电沟道形成导电沟道,如果如果此时加有漏源电压，就可此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流以形成漏极电流iD。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用-P衬底衬底SGN+BDVDS二氧化硅+N-S二氧化硅P衬底衬底GDSV+ND+BNVGSiD6 定义：定义： 开启电压（开启电压（ UT）沟道刚开始形成时的栅源沟道刚开始形成时的栅源电压电压UGS。（一般。（一般2 3V）N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止，iD= 0；

6、 uGS UT，管子导通，有，管子导通，有iD。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极作用下，漏极电流电流iD 越大。越大。 可通过改变可通过改变 uGS 改变改变 iD 的大小，因此是电压控制元件。的大小，因此是电压控制元件。-S二氧化硅P衬底衬底GDSV+ND+BNVGSiD 说明：说明： 开关指的是开关指的是D-S之间的开关。之间的开关。开关状态由开关状态由 uGS 控制，改变控制，改变 uGS 控制控制 iD 的大小，的大小，因此是电压控制元件。因此是电压控制元件。-S二氧化硅P衬底衬底GDSV+ND+BNVGSiDuDSDGSuG

7、S+-+-iDDmGSigu89二、二、MOS管的输入特性和输出特性管的输入特性和输出特性uDSuGSDGS+-+-iD共源接法共源接法i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)1234输出特性曲线输出特性曲线输入特性：输入回路栅极电流为零输入特性：输入回路栅极电流为零输出特性：截止区、可变电阻区、恒流区输出特性：截止区、可变电阻区、恒流区可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区10 可根据输出特性曲线作出可根据输出特性曲线作出转移特性曲线转移特性曲线。如：作如：作uDS=10V的一条的一条转移特性曲线：转移特性曲线：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4V

8、uGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UT111、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路 （ N沟道增强型沟道增强型 MOS 管为例）管为例）VGS(TH)vGSID0 当当vIVGS（TH）时：时： 当当vIVGS（TH）时：时：vGSVGS(TH)vDSID0三、三、MOS管的基本开关电路及开关等效电路管的基本开关电路及开关等效电路DGSuiuOVDDRDMOS管工作在截止区，管工作在截止区，vO=VOHVDD在可变电阻区，沟道电阻很小，在可变电阻区，沟道电阻很小， vO=VOL0V122、MOS管的开关等效电路管的开关等效电路 截止时漏源间的内

9、阻ROFF很大，D-S可视为开路C表示栅极的输入电容。数值约为几个皮法这个电阻一般情况不能忽略不计。导通时漏源间的内阻RON约在几百1K以内，且与VGS有关（ VGS RON ）开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作时，漏极电流ID和输出电压UO=UDS的变化会滞后于输入电压的变化，这一点和双极型三极管是相似的。 DGSCDGSCRON导通时截止时VDSID0UGSVGS1VGS1RON2RON1ROFFSDGIDUDSUGS特性曲线越陡，表示RON越小RON2RON113四、四、MOS管的四种类型管的四种类型 2、P沟道增强型沟道增强型MOSFET-GSDB-P+PN

10、型半导体衬底型半导体衬底源极源极S栅极栅极G漏极漏极D衬底衬底BSiO2-+-+uDSuGS工作时使用负电源，工作时使用负电源，开启电压为负值。开启电压为负值。iD0实际电流方实际电流方向：向：SD143. N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET特点：特点： 当当uGS=0时，就有沟道，时，就有沟道，加入加入uDS，就有就有iD。 当当uGS0时，沟道增宽，时，沟道增宽，iD进一步增加。进一步增加。 当当uGS0时，沟道变窄，时，沟道变窄，iD减小。减小。 在栅极下方的在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，

11、形成了沟道。时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。 定义：定义： 夹断电压（夹断电压（ UP） 沟道刚刚消失所需的栅源电压沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。-g漏极s+N衬底P衬底源极d栅极bN+ +-SBGD15 4、P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSFET P沟道沟道MOSFET的工作原理与的工作原理与N沟道沟道 MOSFET完全相完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有这如同双极型三极管有NPN型和型和PNP型一样。型一样。-SBGD-S二氧化硅N衬底衬底GDSV+PD+BPVGSiD3.3.2 CMO

12、S反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理T1VDDuIuoT2T1为增强型为增强型PMOS，开启电压，开启电压 UGS(th)P 0 uI=0V时时: uI=VDD时时:T1 导通，导通，T2 截止，截止， uO=UOH VDD T1 截止，截止，T2 导通，导通，uO=UOL0静态时静态时T1、T2总是有一个导通而另一个截止，且两管开启电压总是有一个导通而另一个截止，且两管开启电压绝对值相等绝对值相等称互补对称管，把这种电路结构形式称为互补称互补对称管，把这种电路结构形式称为互补MOS（Complementary-Symmetery MOS，简称，简称CMOS）。GDSGDS工

13、作在互补状态，流过工作在互补状态，流过T1、T2 的静态电流极小，的静态电流极小，静态功耗小静态功耗小, 导通损耗小，效率高，这是导通损耗小，效率高，这是CMOS电路最突出的一大优点。电路最突出的一大优点。 非非运运算算一、电路结构一、电路结构17二、电压传输特性二、电压传输特性1、反映、反映CMOS反相器的抗干扰能力反相器的抗干扰能力 过渡过程很陡，更近似于理想开关；过渡过程很陡，更近似于理想开关； 可确定噪声容限；可确定噪声容限； 曲线对称，曲线对称，UNL=UNH2、UNL、UNH和和UDD有关有关若若VDD变化，传输曲线比例变化。变化，传输曲线比例变化。可见：可见：VDD越大，越大，U

14、NL、UNH越越大，抗干扰能力越强。大，抗干扰能力越强。一般估算一般估算UNL=UNH =30%VDD，若现场干扰较大，应选若现场干扰较大，应选CMOS电路，且可取电源电压稍大。电路，且可取电源电压稍大。183.3.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性一、输入特性（反映门电路作为负载时对信号源驱动能力的要求反映门电路作为负载时对信号源驱动能力的要求）电流近似为零，是由于输入接到电流近似为零，是由于输入接到MOS管栅管栅极，而栅极绝缘，电阻达到极，而栅极绝缘，电阻达到M级级(106)。MOS管作负载时，对信号源的要求很低，不需要管作负载时，对信号源

15、的要求很低，不需要信号源提供电流。信号源提供电流。T1VDDuIuoT2GDSGDSiIuIiI0TTL输入特性输入特性-1mAIIH1.4V40uA1920二、输出特性（反映二、输出特性（反映CMOS带负载能力）带负载能力）1、低电平输出特性、低电平输出特性即即T2管的输出管的输出特性曲线特性曲线VIH=VDD越大，越大，VGS越大，越大，则导通内阻越小，则导通内阻越小， IOL相相同，因此同，因此VOL越小。越小。IOL越大，越大，UOL越大越大IOLIOLmax16mA212、高电平输出特性、高电平输出特性IOH5mA内内变化很小变化很小实际只有实际只有0.4mATTL带负载能力较带负载

16、能力较CMOS强。强。原因：原因：TTL的输出电阻小。的输出电阻小。22tPLH：输出由低电平变为高电平的传输延迟时间tPHL：输出由高电平变为低电平的传输延迟时间3.3.4 CMOS反相器的动态特性（门电路状态切换时反相器的动态特性（门电路状态切换时所呈现的特性）所呈现的特性）23放电放电充电充电寄生电容寄生电容管子切换需要时间管子切换需要时间输出端的负载电容充、放电需要时间输出端的负载电容充、放电需要时间主要原因主要原因CMOS反相器传输延迟的原因：反相器传输延迟的原因：UO：UOH到到UOL，CL需要有放电的时间需要有放电的时间UO：UOL到到UOH，CL需要有充电的时间需要有充电的时间

17、由于由于CMOS的输出电阻大，所以其充放电时间也比的输出电阻大，所以其充放电时间也比TTL长长（=RC）。这是造成）。这是造成CMOS动态特性下传输延迟的主要原因。动态特性下传输延迟的主要原因。243.3.3 其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路 1. 其他逻辑功能的其他逻辑功能的CMOS门电路（门电路（P9193） 在CMOS门电路的系列产品中，除了反相器外常用的还有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等 。2. 漏极开路的门电路（漏极开路的门电路（OD门）门） 如同TTL电路中的OC门那样，CMOS门的输出电路结构也可做成漏极开路（OD）的形式。其使用方法与TTL的OC门类似。

18、25与与OC门类似，能实现线与连接、电平转换，提高驱动能力。门类似，能实现线与连接、电平转换，提高驱动能力。电平转换：电平转换：vI：0VDD1 vO：0VDD2漏极开路的门电路（漏极开路的门电路（OD门）（门）（Open-Drain）Y=(AB)74HC03电路结构TNAB内部逻辑内部逻辑VDD1VDD2RLvOOD与非门逻辑符号与非门逻辑符号ABYGDS使用时必须外接上拉电阻使用时必须外接上拉电阻263. CMOS传输门（传输门（TG门）门）Transistor Gate CMOS传输门：控制信号传输的门传输门：控制信号传输的门 利用利用P沟道沟道MOS管和管和N沟道沟道MOS管管的互补性

19、构成。的互补性构成。 C和和C是一对互补的控制信号。是一对互补的控制信号。TPCVDDuo/uiui/uoCTN电路结构如何判断如何判断MOS管的源极和漏极？管的源极和漏极？根据根据MOS管工作时的电流方向：管工作时的电流方向： PMOS管从管从S端流向端流向D端；端； NMOS管由管由D端流向端流向S端。端。分别按输入分别按输入/输出信号端的位置判断。输出信号端的位置判断。TP : VTP 0可实现双向传输可实现双向传输VTN=VTPUGS（TP） VTP UGS（TN） VTNCMOS传输门的工作原理传输门的工作原理 若若C=0（0V），），C1（VDD）时：）时：TP的的G极电路中最高电

20、位，故无论极电路中最高电位，故无论vI为何值，为何值，UGS（TP）都都不会为负值，不会为负值，TP截止截止；TN管的管的G极电路中最低电位，极电路中最低电位， UGS（TN）都不会为正值，故都不会为正值，故TN截止截止。输入与输出之间输入与输出之间呈高阻态呈高阻态（ROFF109），），传输门截止传输门截止。C=VDD TPTNVDDC=0RLvovISDSDGG 若若C=1（VDD），），C0（0V）时：）时： TN、TP的工作状态与的工作状态与vI的大小有关，的大小有关，故将故将vI的变化范围分成三段：的变化范围分成三段：l 对对TN管，讨论管，讨论vI 在在0VDD-|VTP|段和段和

21、VDD-|VTP|VDD段的工作状态：段的工作状态： vI = 0VDD-|VTP|段：假设段：假设TN导通，则导通，则vI 传到传到vO后，有后，有UGS（TN）VTNTN导通，假设成立。故此段导通，假设成立。故此段TN导通。导通。VTNVDDVDD-|VTP|0TNTPvITN通通VTN = |VTP| vI = VDD-|VTP|VDD段：仍假设段：仍假设TN导通，则导通，则vI传到传到vO后，有后，有UGS（TN）VTN TN截止，与假设相矛盾。故此段截止，与假设相矛盾。故此段TN截止。截止。TN止止C=0 TPTNVDDC=VDDRLvovISDSDGGl 对对TP管，讨论管，讨论v

22、I 在在0VTN段和段和VTNVDD段的工作状态：段的工作状态： vI =0VTN段：段：|UGS（TP）|VTP|TP导通。导通。综上，因此：在综上，因此：在 vI=0VDD范围内，范围内，TP、TN至少有一管导通，至少有一管导通，所以所以vI总总能从左往右传到能从左往右传到vO端。端。VTNVDDVDD-|VTP|0TN通通TNTPvITN止止TP止止TP通通C=0 TPTNVDDC=VDDRLvovISDSDGG30若将若将vI加在右端，加在右端，RL加在左端，同理可分析，通过加在左端，同理可分析，通过C和和C 能控制能控制 vI 从右向左传输，实现信号的从右向左传输，实现信号的双向传输

23、双向传输。由于由于TN和和TP的源极的源极S和漏极和漏极D在结构上完全对称，故源极和在结构上完全对称，故源极和漏极可以互换使用，所以传输门能够实现漏极可以互换使用，所以传输门能够实现双向传输双向传输。C TPTNVDDCRLvivoDSDSGG31传输门可作为传输门可作为模拟开关模拟开关，传输连续变化的，传输连续变化的模拟信号模拟信号。这是一般的逻辑门无法实现的，模拟开关由传输门和反相这是一般的逻辑门无法实现的，模拟开关由传输门和反相器组成。它也是双向器件。器组成。它也是双向器件。 CMOS传输门的逻辑符号及应用传输门的逻辑符号及应用uiuoTGuo/uiui/uoCC模拟开关模拟开关TGuo/uiui/uoCC逻辑符号逻辑符号SWuo/uiui/uoC逻辑符号逻辑符号324. 三态输出的三态输出的 CMOS门电路门电路EN=1时，时，CMOS呈高阻态呈高阻态EN=0时，实现反相器的逻辑功能时，实现反相器的逻辑功能三态输出的三态输出的CMOS门电路也可以实现总线结构和双向数门电路也可以实现总线结构和双向数据传输据传输YAEN三态反相器逻辑符号三态反相器逻辑符号33一、输入电路的静电保