XH202 门电路2012

1、半导体三极管分为：半导体三极管分为：双极型三极管双极型三极管场效应三极管场效应三极管 双极型三极管：双极型三极管：电流控制元件，载流子有空穴、电子两种。 场效应三极管：场效应三极管：电压控制元件，仅用一种载流子参与导电。电子作为载流子称为N沟道器件，空穴作为载流子的称为P沟道器件。每一类又分为增强型和耗尽型两种。增强型：增强型：V VGS GS = 0, = 0, 无导电沟道，无导电沟道，I ID D = 0= 0耗尽型：耗尽型：V VGS GS = 0, = 0, 有导电沟道，有导电沟道，I ID D 0 0MOS逻辑门分为三类：NMOS、PMOS、和CMOS基本结构基本结构上一页上一页下一

2、页下一页返返 回回下一节下一节上一节上一节工作原理工作原理增强型增强型 MOS MOS 场效管场效管上一页上一页下一页下一页返返 回回下一节下一节上一节上一节 导电沟道的形成导电沟道的形成C1SDGSDGRO NC1SDGSDGRO N(a) (a) 截止状态截止状态(b) (b) 导通状态导通状态MOSMOS电路的特点：电路的特点：2. 2. 是电压控制元件，静态功耗小。是电压控制元件，静态功耗小。3. 3. 允许电源电压范围宽（允许电源电压范围宽（3 3 18V18V）。）。4. 4. 扇出系数大，抗噪声容限大。扇出系数大，抗噪声容限大。优点优点1. 1. 工艺简单，集成度高。工艺简单，集

3、成度高。缺点：缺点：工作速度比工作速度比TTLTTL低低 。1 1、电阻负载倒相器（非门）、电阻负载倒相器（非门）G:栅极栅极D:漏级漏级S:源极源极VDD:电源电源 510VV t h:开启电压开启电压 0.52VRD:漏级负载电阻漏级负载电阻 25KT: N沟道增强型沟道增强型MOS管管VGS V t h T 导通导通VGS V t h T 截止截止假设假设V t h1.5V当：当：A=0时：时：VGS = 0 V t hT饱和。饱和。0ddDDDrrRVF 集成电路中非常不希望有大电阻，集成电路中非常不希望有大电阻，一个大电阻相当一个大电阻相当20多个管子。因此采多个管子。因此采用用MO

4、S 管做负载管。管做负载管。AF电路组成：电路组成：导通条件：导通条件：工作原理：工作原理：0 11 0GDSAFRD+VDDT T2 2: :负载管负载管 栅、漏极连在一起得的MOS管代替负载电阻RD。T T1 1：驱动管：驱动管，起倒相作用。T2负载管伏安特性曲线：VGS2 Vth2 i D2随VGS2增加而非线性增加，T2管起到了非线性电阻的作用。01 2 3 42/GSVV2/DimA2Di2GSVFA+VDDT2T1当输入当输入A=0VA=0V时时： T1截止，T2导通。T1只有 n A 级漏电流。工作在负载 线A点。AB输出电压: F = VDD - Vth2 = 5 2 = 3

5、V设： Vth2 = 2 VVGS1 Vth1T1导通:工作在负载 线B点。输出电压:oVrrrVFdddDD121由此可知：rd2 rd1 就能很好实现倒相器逻辑功能。AF Vth11.5V负载管特性负载管特性V0V3FA+VDDT2T1012341/DSVV1/DimA0V2V3V4V、抗干扰能力、抗干扰能力 从从NMOS倒相器的电压传输特性图中倒相器的电压传输特性图中可以看出：可以看出：输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限接近于接近于T1的开启电压的开启电压Vth1。VNL=1.5V输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限:VNH=1V 提高电源电压，加大开启电压，就可以提高抗干扰能力。提高

6、电源电压，加大开启电压，就可以提高抗干扰能力。一般一般MOS管电源电压为：管电源电压为：318V。、负载能力、负载能力 负载管导通电阻负载管导通电阻rD2一般为：几十一般为：几十K,因而在输出高电平时，因而在输出高电平时，其输出阻抗比较高。但由于下一级的输入是其输出阻抗比较高。但由于下一级的输入是MOS管的栅极，其输管的栅极，其输入阻抗为入阻抗为1010，几乎不取负载电流。因此，几乎不取负载电流。因此MOS管的负载能力是很管的负载能力是很强的。强的。电压传输特性电压传输特性NLVNHV01234/IVV/OVV123FA+VDDT2T1、功耗、功耗当输入低电平时：当输入低电平时： T1管截止，

7、管截止，T2管导通，电源电流几乎管导通，电源电流几乎为为0，因此静态功耗为，因此静态功耗为0。当输入高电平时：当输入高电平时： T1,T2 均导通，但均导通，但T2的导通电阻的导通电阻 rd2=几十几十K,电源电流一般为：电源电流一般为：100200A,A,所所以静态功耗在以静态功耗在1mW1mW以下。以下。、工作速度、工作速度 MOS 管的延迟时间由负载电容及充、放电的电流大小决定。管的延迟时间由负载电容及充、放电的电流大小决定。当输入由高电平变为低电平时：当输入由高电平变为低电平时：T1管截止，管截止，T2管导通。充电时常数管导通。充电时常数 = r = rd2 d2 C CL L当输入由

8、低电平变为高电平时：当输入由低电平变为高电平时：放电时常数放电时常数 = r = rd1 d1 C CL L充电电流几百微安充电电流几百微安放电电流几毫安放电电流几毫安当当C CL L100pF100pF时：平均延迟时间平均延迟时间 t t p d p d = 550 ns= 550 nsNMOSNMOS倒相器的速倒相器的速度比度比TTLTTL的速度要的速度要低一至两个数量低一至两个数量级。级。 与非门与非门T3:负载管T1，T2 两个串连驱动管 当A,B中有一个低电平时，相应的驱动管截止，输出F为高电平。 当A,B全为高电平时，T1，T2均导通，输出 F 为低电平。ABT1T2F00止止止止

9、101止止导导110导导止止111导导导导0ABF ：所以所以电路组成：电路组成：工作原理：工作原理：FAT2T1T3BT T3 3: :负载管负载管T T1 1、T T2 2 两个并连驱作动管两个并连驱作动管 当A，B中只要有一个高电平时，T1，T2总有一个导通，输出F为低电平。 只有A,B全为低电平，T1,T2均截止，输出 F 才是高电平。输出和输入的逻辑关系是：BAFABT1T2F00止止止止101止止导导010导导止止011导导导导0同理：CDABF是与或非门电路组成：电路组成：工作原理：工作原理：FT2T1T3AB-VDDFT5T1AT3C-VDDT2BT4DPMOS集成电路采用负电

10、源负电源，一般用负逻辑分析。 PMOS倒相器，与非门，或非门电路结构形式与NMOS完全相同，不同之处PMOS电源电压为VDD,驱动管和负载管均是增强型PMOS管。开启电压为负2V。1 1、PMOSPMOS倒相器倒相器PMOS采用负电源，用负逻辑分析：输入信号高电平为 0 V输入信号低电平为5 V用逻辑用逻辑“0”0”表表示示用逻辑用逻辑“1”1”表示表示当 A = 0 V 时：VGS1= 0 V| VGS1 | | V t h | T1导通，F=0所以：AF 区别区别V0 V5FA-VDDT2T1 A BPMOS管管 F电压电压真值真值电压电压真值真值T1T2电压电压真值真值-5 1-5 1导

11、导导导 00-5 1 0 0导导止止-51 0 0-5 1止止导导-51 0 0 0 0止止止止-51 A BPMOS管管 F电压电压真值真值电压电压真值真值T1T2电压电压真值真值-5 0-5 0导导导导 01-5 0 0 1导导止止-50 0 1-5 0止止导导-50 0 1 0 1止止止止-50有有0为为1,全全1为为0。是负逻辑与非门。是负逻辑与非门。ABF 用负逻辑分析：BAF用正逻辑分析：有1为0,全0为1。是正逻辑或非门FAT2T1T3B-VDD 用和与非门同样的分析方法，得出是负逻辑的或非门，也是正逻辑的与非门。NMOS管用正电源。正逻辑分析。0止止1导通。导通。PMOS管用负

12、电源。负逻辑分析。也是也是 0止止1导通。导通。PMOS管优点：成品率高，价格便宜，曾广泛使用。 PMOS管优点：导通功耗大，工作速度低，负载管导通电阻要求大，不利于大规模集成，现在用的比较少。FT2T1T3AB-VDDNMOS,PMOSNMOS,PMOS电路存电路存在三个问题：在三个问题： 负载管一直导通，当驱动管导通时，电源与地之间有静态电流，所以功耗大。 要保证输出低电平，要求 rd2rd1不利于大规模集成。 当驱动管截止时，由于负载管导通电阻rd2很大，对容性负载充电时间很长，使电路工作速度缓慢。 CMOS(CMOS(Complementary -Symmetry MOS互补对称式互补

13、对称式MOS)MOS)集成电路由集成电路由 P P 沟道和沟道和 N N 沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 管串连组成，管串连组成，CMOSCMOS电路能有效解决上述问题。电路能有效解决上述问题。TPTNVDDVI IVO O 电路结构：电路结构：PMOS作负载管，开启电压为负V t h 。NMOS作输入管，开启电压为正 V t h 。两个栅极两个栅极G G并联作输入端。并联作输入端。G两个漏极两个漏极D D串连作输出端。串连作输出端。DD 两个衬底都和源极S接在一起，PMOS管源极接电源VDD，NMOS管源极接地。 正常工作条件：正常工作条件： 电源电压大于两管开启电压绝对值之和。VDD

14、 | V t h P |+ V t h NSS 工作原理工作原理假设：PMOS管 V t h P 2.5VNMOS管 V t h N = 2 VVDD = 5 V当当 VI = 0 V 时：时： NMOS管 VGSN = 0 |V t h P| ，TP管导通，其导通电阻R on = 103 1DDoffoffonDDVRRRVFV0TPTNVDDVI IVO OoffRonRDDV当当 VI= 5 V 时：时： NMOS管VGSN = 5V V t h N TN管导通，其导通电阻 R on = 103 。 PMOS管 VGSP = 5V - V DD= 0 V | VGSP | | V t h

15、 P | TP管截止，其导通电阻R off = 1091012, F = 0。 以上分析：以上分析：输入是0,输出是1,实现倒相关系，AF PMOS 管，启为负，启为负，0 0导导1 1截止。截止。NMOS 管，启为正，启为正，0 0止止1 1导通。导通。 倒相器工作过程中，两管轮流导通，导通电阻小，截止电阻大，所以静态电流只有 n A 级。低功耗是低功耗是CMOSCMOS倒相器的倒相器的重要特点。重要特点。TPTNVDDVI IVO O电压传输特性：v o = f ( vi ) 电流传输特性： i o = f ( v I )从电压传输特性曲线可以看出： CMOS阈值电平 V t h = VD

16、D， 并以阈值电平为分界线。VI VDD 输出 VO = “0” VI = VDD TP、TN 都饱和导通，这一瞬间有大电流通过，在其它区域总有一个导通，另一个截止。所以 i D 电流较小。thVOViVthNVDDV21DDVthPDDVVDDV123450DiiVthNVDDVthPDDVV123450thV、静态功耗极低，仅几十纳瓦、静态功耗极低，仅几十纳瓦 CMOS倒相器工作在1和5工作区，总有一个MOS管处于截止状态，有极小漏电流流过。只有在急剧翻转的第3区才有较大的电流，因此动态功耗会增大。 CMOS倒相器在低频工作时，功耗极小，低功耗时CMOS的最大优点。、抗干扰能力较强、抗干扰

17、能力较强 由于阈值电平近似等于 VDD，输入高、低电平的噪声容限随电源的升高而提高。所以抗干扰能力增强。DiiVthNVDDVthPDDVV123450thVOViVthNVDDV21DDVthPDDVVDDV123450、电源利用率高、电源利用率高 VOH = VDD , 同时 V t h 随 VDD 变化而变化。允许VDD的变化范围为3V18V。、输入阻抗高，带负载能力强、输入阻抗高，带负载能力强 扇出系数NO = 50 ,下一级是绝缘栅几乎不取电流，所以可带50个同类门电路。CMOS门的输出端在静态时，一个导通，另一个截止。动态时，两管均导通，所以输出端不可以并联。4 4、输入特性和输出

18、特性、输入特性和输出特性、输入特性、输入特性 CMOS电路的栅极和衬底之间是绝缘栅，其直流电阻高达1012,只要有少量电量便可感生出足可以击穿氧化层，造成永久损坏。因此，在CMOS输入端都加有保护电路。IiiVDDV0V1 D1、D2是保护二极管，正向压降是保护二极管，正向压降1V，反向，反向击穿电压击穿电压30V。 D1是是P型扩散区和型扩散区和N型衬底间自然形成的分型衬底间自然形成的分布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。C1、C2是是TP、TN管栅极等效电容。管栅极等效电容。R是限流电阻，阻值是限流电阻，阻值13K。加保护电路的输入特性加保护

19、电路的输入特性: : 当输入当输入 0 V0 VVDDDD+V+VD D时：时：保护二极管保护二极管D D1 1导通，输入电导通，输入电流流 i i I I 迅速增加，同时将迅速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于管栅极电压钳位于V VDDDD+V+VD D。保证加在。保证加在C C2 2上的电压，不超过其耐压极限。上的电压，不超过其耐压极限。 当输入当输入V VI I 109。传输门截止。输入信号不能通过。0CVCDD TN、TP均导通，输入和输出之间电阻 U UT T导通导通有源有源负载负载( (非线性电阻非线性电阻) )实际结构实际结构UCCuiuo33 MHzgm2gm1T2的导通电

20、阻的导通电阻 T1的导通电阻的导通电阻“1”“0”“0”“1”即：即：T2的导通管压降的导通管压降 T1的导通管压降的导通管压降+UDDAYT2T133 MHz“1”“0”有有“0”全全“1”有有“1”“0”全全“0”“1”Y=A BY=A+B+UDDBYT2T3AT1Y+UDDT3AT1BT233 MHzComplementary -Symmetry MOS( (互补对称式互补对称式MOS)MOS)33 MHz2. CMOS2. CMOS与非门与非门&ABF工作原理工作原理+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构结构0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 FBAF33 MHzA B T1 T2 T3 T4 F ABF工作原理工作原理+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构结构0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 0 3. CMOS3. CMOS或非门或非门BAF33 MHzi3VT Viii33 MHziii3VT V33 MHzTGuiuOCCTGuiuiCC1“1”TGuiuiCC1“0”33 MHz33 MHz想一想：想一想：如何构造如何构造C