ch21CMOS门电路

1、第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？门电路有哪些参数？如何正确使用？门电路有哪些参数？如何正确使用？问题的提出问题的提出 与非门与非门的逻辑功能：的逻辑功能： 输入有输入有“0”，输出为，输出为“1” 输入全为输入全为“1”，输出才为，输出才为“0”ABF 门电路的分类门电路的分类2.1 CMOS门电路门电路2.1.1 MOS管的开关特性管的开关特性2.1.2 CMOS反相器反相器2.1.3 CMOS与非门和或非门与非门和或非门2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性2.1.5 CMOS逻辑电路系列

2、逻辑电路系列2.1.6 CMOS OD门门2.1.8 CMOS 传输门传输门2.1.7 CMOS 三态门三态门2.1.1 MOS2.1.1 MOS管的开关特性管的开关特性 MOS管又称为管又称为绝缘栅型场效应三极管绝缘栅型场效应三极管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor , MOSFET） MOS管分为管分为N沟道增强型沟道增强型、 N沟道耗尽沟道耗尽型、型、 P沟道增强型、沟道增强型、 P沟道耗尽型沟道耗尽型，它们的，它们的工作原理基本相同。工作原理基本相同。P型衬底BSiO2N+N+SDG 取一块取一块P型半导体作为衬底，型半

3、导体作为衬底，用用B表示。表示。 用氧化工艺生成一层用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。薄膜绝缘层。 用光刻工艺腐蚀出两个孔。用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的扩散两个高掺杂的N型区。型区。从而形成两个从而形成两个PN结。（绿色部结。（绿色部分）分） 从从N型区引出电极，一个是型区引出电极，一个是漏极漏极D，一个是源极，一个是源极S。 在源极和漏极之间的绝缘层在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极上镀一层金属铝作为栅极G。DGSBDGSB1.NMOS管的结构和符号管的结构和符号2.1.1 MOS2.1.1 MOS管的开关特性管的开关特性 （1 1） 当当vGS=0V时时 当

4、vGS=0V时，漏极时，漏极D和源极和源极S之间为两个之间为两个PN结，两端加上电结，两端加上电压总有一个压总有一个PN结反偏，因此，无电流流过，结反偏，因此，无电流流过，iD=0。管子处于截。管子处于截止状态。止状态。2. MOS管的工作原理管的工作原理P型衬底BSiO2N+N+SDG2.1.1 MOS2.1.1 MOS管的开关特性管的开关特性 （2 2） 当当vGS0时时SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子 vGS0将在绝缘层产生电场将在绝缘层产生电场， 该电场将该电场将SiO2绝缘层下方的绝缘层下方的空穴推走，同时将衬底的电子吸空穴推走，同时将衬底的电子吸引

5、到下方，形成导电沟道。引到下方，形成导电沟道。反型层 当当vDS0产生有漏极电流产生有漏极电流iD。这这说明说明vGS对对iD的控制作用。的控制作用。0DSU2.MOS管的工作原理管的工作原理 思考：思考：何谓反型层？何谓开启何谓反型层？何谓开启电压？电压？2.1.1 MOS2.1.1 MOS管的开关特性管的开关特性3.NMOS管和管和PMOS管的通断条件管的通断条件NMOS当当vGSVTN时导通时导通当当vGSVTN时截止时截止PMOS当当 vGS VTP 时导通时导通 当当 vGS VTP 时截止时截止 2.1.1 MOS2.1.1 MOS管的开关特性管的开关特性 （1）当）当vGS=0时

6、，时，rDS可达到可达到106。当。当vGS增加时，增加时，rDS减小减小，最小可达到，最小可达到10左右，因此，左右，因此，MOS管可看成由电压控制管可看成由电压控制的电阻。的电阻。（2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。管的门极有非常高的输入阻抗。4.MOS管的电路模型管的电路模型2.1.1 MOS2.1.1 MOS管的开关特性管的开关特性1. CMOS反相器的电路结构反相器的电路结构2.1.2 CMOS2.1.2 CMOS反相器反相器漏极相连漏极相连做输出端做输出端PMOSNMOS柵极相连柵极相连做输入端做输入端2. CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理 如果将如果将0V定义为逻辑定

7、义为逻辑0，VDD定义为逻辑定义为逻辑1，将实现逻，将实现逻辑辑“非非”功能功能 。AF （1 1）当当vI=0V时，时，vGSN=0V，VTN截截止，止， vGSP =VDD ，VTP导通，导通，vOVDD，门电路输出高电平；，门电路输出高电平；（2）当）当vI=VDD时，时，VGSN=VDD ，VTN导通，导通， VGSP =0V，VTP截止截止，vO0V，门电路输出低电平，门电路输出低电平。2.1.2 CMOS2.1.2 CMOS反相器反相器3.CMOS与非门与非门2.1.3 CMOS2.1.3 CMOS与非门和或非与非门和或非门门00通通通通止止止止1ABY 止止止止100通通通通4.

8、 CMOS二输入或非门二输入或非门BAY2.1.3 CMOS2.1.3 CMOS与非门和或非与非门和或非门门思思 考考 题题 CMOS门电路结构上有什么特点？门电路结构上有什么特点？ 如何分析如何分析CMOS门电路的逻辑功能？门电路的逻辑功能？1 1电压传输特性电压传输特性 用来描述输入电压和输出电压关系的曲线，就称为门电用来描述输入电压和输出电压关系的曲线，就称为门电路的路的电压传输特性电压传输特性。 V2vIvOV112.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性测量电路测量电路vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/VAB段段：vI1.5V， VTN截止

9、，截止， VTP导通，输出电压导通，输出电压vOVDD CD段段：vI3.5V， VTN导通，导通， VTP截止，输出电压截止，输出电压vO0V BC段段：1.5VvI3.5V ，VTP、VTN均导通。当均导通。当vI =VDD2时，时， VTP和和VTN 导通程度相当。导通程度相当。vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/V2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性AB段段：VTN管截止，电阻非常大，所以流过管截止，电阻非常大，所以流过VTN和和VTP管的管的漏极电流几乎为漏极电流几乎为0。 CD段段：VTP管截止，电阻非常大，所以流过管截止，电阻非常大

10、，所以流过VTN和和VTP管的管的漏极电流也几乎为漏极电流也几乎为0。 BC段段： VTP、VTN同时导通。有电流流过同时导通。有电流流过VTN和和VTP管，当管，当vI=1/2VDD时，漏极电流最大。时，漏极电流最大。 电流传输特性电流传输特性 2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性CMOS门电路的门电路的 高低电平电压范围高低电平电压范围2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性VIH(min)：保证能被识别为高电平的最小输入电压；：保证能被识别为高电平的最小输入电压；VIL(max)：保证能被识别为低电平的最大输入电压；：保

11、证能被识别为低电平的最大输入电压；VOH(min)：输出为高电平时的最小输出电压；：输出为高电平时的最小输出电压；VOL(max)：输出为低电平时的最大输出电压。：输出为低电平时的最大输出电压。vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/V74HC系列系列CMOS门电路的门电路的极限参数极限参数2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性符号符号参参 数数测试条件测试条件最小值最小值典型值典型值最大最大值值单位单位VIH输入高电平电压输入高电平电压VDD=4.5V3.15VVIL输入低电平电压输入低电平电压VDD=4.5V1.35VVOH输出高电平电压输出高电平

12、电压VDD=4.5V，IOH=- -20A4.44.499VVDD=4.5V，IOH=- -4mA3.984.3VVOL输出低电平电压输出低电平电压VDD=4.5V，IOH=20A0.0010.1VVDD=4.5V，IOH=4mA0.170.26V噪声容限噪声容限 低电平噪声容限低电平噪声容限高电平噪声容限高电平噪声容限VNL=VIL（max）VOL（max）VNH= VOH（min） VIH（min）G111G2VOL（max）VIH（min）VOH（min）VIL（max）2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性VNL=VIL（max）VOL（max）=1.

13、5V0.1V=1.4V 例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOL（max）=0.1V，最大输入低电平，最大输入低电平VIL（max）=1.5V，最小输出高电平，最小输出高电平 VOH（max）=4.9V，最小输入高电平，最小输入高电平VIH（max）=3.5V，则其低电平，则其低电平噪声容限噪声容限VNL= 。（1）2.0V （2）1.4V （3）1.6V （4）1.2V 2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性2. 2. 输入特性输入特性 CMOS门电路的输入阻抗非常大。门电路的输入阻抗非常大。 优点优点：

14、几乎不吸收电流。：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电一般来说，高电平输入电流流IIH1A，低电平输入电，低电平输入电流流IIL1A。 缺点缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。：容易接收干扰甚至损坏门电路。 措施措施：输入级一般都加了保护电路。：输入级一般都加了保护电路。 2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性讨论题：讨论题：CMOS门电路多余引脚的处理门电路多余引脚的处理。 将将2 2输入的输入的CMOS逻辑门转换成逻辑门转换成CMOS反相器反相器，其中，其中的一个引脚多余，请分析以下的一个引脚多余，请分析以下4 4种处理方法的合理性。种处理方法的合理性。结

15、论：结论：CMOS门电路多余引脚不能悬空；输入引脚接门电路多余引脚不能悬空；输入引脚接一电阻到地相当于输入低电平一电阻到地相当于输入低电平。 2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性3. 3. 输出特性输出特性 当门电路输出低电平时当门电路输出低电平时 结论：灌电流（结论：灌电流（sinking current）负载提高了低电平输出）负载提高了低电平输出电压电压VOL。 IOL的值一般由厂商提供，如的值一般由厂商提供，如CD4011，当，当VDD=5V，VO=0.4V时，至少可以灌入时，至少可以灌入0.51mA的电流的电流。2.1.4 CMOS2.1.4 CMO

16、S门电路的电气特性门电路的电气特性 当门电路输出高电平时当门电路输出高电平时 结论：拉电流（结论：拉电流（sourcing current）负载降低了高电平输）负载降低了高电平输出电压出电压VOH。 IOH的值一般由厂商提供，对于的值一般由厂商提供，对于CD4011，当，当VDD=5V，VO=4.6V时，至少可以提供时，至少可以提供0.51mA的拉电流。的拉电流。2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性 扇出系数扇出系数 低电平时扇出系数：低电平时扇出系数：高电平时扇出系数：高电平时扇出系数：2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特

17、性）（）（maxILmaxOLLIIN）（）（maxIHmaxOHHIIN 传输传输延迟时间（延迟时间（Popagation Delay） 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 P PL LH HP PH HL LP PD D2 21 1ttttPHLtPLHvIvO4. 4. 动态特性动态特性 2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性 动态功耗动态功耗 CMOS门电路的静态功耗非常低。门电路的静态功耗非常低。 fVCP2DDLC（1）由负载电容产生的动态功耗）由负载电容产生的动态功耗 动态功耗分为两部分：动态功耗分为两部分： 2.1.4 CMOS2.1.4 CMO

18、S门电路的电气特性门电路的电气特性fVCP2 2D DD DP PD DT T（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗 （3）总的动态功耗）总的动态功耗 fVCCPPP2DDPDLTCD）（2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性例：有一例：有一CMOS反相器，已知电源电压反相器，已知电源电压VDD=5V，静态电源电，静态电源电流流IDD=1A，负载电容，负载电容CL=70pF，功耗电容，功耗电容CPD=14pF。输入信。输入信号加入标准方波信号，频率为号加入标准方波信号，频率为200kHz，试计算其空载时的静，试计算其空载时的静

19、态功耗和动态功耗态功耗和动态功耗。解：静态功耗为解：静态功耗为PS=IDDVDD=10-65W=0.005mW动态功耗动态功耗PD可根据式计算得到可根据式计算得到mW42. 0102005108432122DDPDLTCDfVCCPPP）（2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性CMOSCMOS电路的特点电路的特点1. 静态静态功耗小功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；2. 2. 集成度高；集成度高； 3. 3. 抗幅射能力强抗幅射能力强，MO

20、S管是多数载流子工作，射线管是多数载流子工作，射线辐辐 射对多数载流子浓度影响不大；射对多数载流子浓度影响不大；4. 4. 电压范围宽电压范围宽：CMOS门电路输出高电平门电路输出高电平VOH VDD，低电平，低电平VOL 0V；5. 5. 输出驱动电流比较大输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可：扇出能力较大，一般可以大于以大于5050；2.1.4 CMOS2.1.4 CMOS门电路的电气特性门电路的电气特性2.1.5 CMOS2.1.5 CMOS逻辑门系列逻辑门系列CMOS门电路几种常见系列：门电路几种常见系列：（1）CD4000系列：基本系列，速度较慢系列：基本系列，速度较慢（2）74

21、HC系列：速度比系列：速度比CD4000系列提高近系列提高近10倍倍（3）74HCT系列：与系列：与LSTTL门电路兼容门电路兼容（4）LVC系列：低电压系列系列：低电压系列2.1.6 CMOS2.1.6 CMOS漏极开路门漏极开路门1. 推拉式输出推拉式输出 2.1.6 CMOS2.1.6 CMOS漏极开路门漏极开路门2推拉式输出门电路不能线与推拉式输出门电路不能线与 将门电路的输出端直接连接以将门电路的输出端直接连接以实现与的逻辑功能，称为线与。实现与的逻辑功能，称为线与。 当当L1输出高电平，输出高电平，L2输出低电平输出低电平时，自时，自G1的的VDDTPG2的的TN地形地形成低阻通路

22、。成低阻通路。 因此，推拉式输出门电路不能因此，推拉式输出门电路不能线与。线与。2.1.6 CMOS2.1.6 CMOS漏极开路门漏极开路门3OD门（门（opendrain，OD门）的电路结构和工作原理门）的电路结构和工作原理 VOH=VDD- iDR 2.1.6 CMOS2.1.6 CMOS漏极开路门漏极开路门3OD门可以线与门可以线与CDABL2.1.6 CMOS2.1.6 CMOS漏极开路门漏极开路门【例例】图所示的门电路全部为图所示的门电路全部为CMOS门电路。其中门电路。其中OD门输出端门输出端高电平时的漏电流高电平时的漏电流IOZ=10A，最大灌电流，最大灌电流IOL（max）=4

23、mA，负，负载门的低电平输入电流载门的低电平输入电流IIL=1 A，高电平输入电流，高电平输入电流IIH =1A。如。如果要求果要求X点高电平点高电平VX4V，低电平，低电平VX0.4V，请计算上拉电阻，请计算上拉电阻R 的选择范围。的选择范围。2.1.6 CMOS2.1.6 CMOS漏极开路门漏极开路门I=3IOZ+6IIH=30.01+60.001=0.036mA VX=5VIR=5V0.036RC4Vk8 .27036. 045R当当X点为高电平时点为高电平时2.1.6 CMOS2.1.6 CMOS漏极开路门漏极开路门mA46001. 04 . 05OLRIk15. 144 . 05R1.15kR27.8k 当当X点为低电平时点为低电平时2.1.6 CMOS2.1.6 CMOS漏极开路门漏极开路门4OD门的应用门的应用（1）可实现线与