2.6 CMOS逻辑门

1、12.52.6 MOS逻辑门逻辑门 2.5.2 MOS2.5.2 MOS管开关特性管开关特性 2.5.3 MOS2.5.3 MOS逻辑门逻辑门 2.6.1 CMOS2.6.1 CMOS电路结构电路结构 2.6.4 CMOS2.6.4 CMOS逻辑门的技术参数（逻辑门的技术参数（CMOSCMOS规范）规范） 2.5.1 2.5.1 MOSMOS管管 2.6.2 CMOS2.6.2 CMOS逻辑门逻辑门22.5.1 MOS2.5.1 MOS管管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MOSFET绝缘栅型绝缘栅型(IGFET)在数字电路中主要使用增强型的在数字电路中主要使用增

2、强型的MOS管管1. MOS器件概述器件概述3（以（以N沟道增强型沟道增强型MOSFET为例）为例）P型衬底型衬底沟道区域沟道区域绝缘层绝缘层金属铝金属铝2.5.1 MOS2.5.1 MOS管管2. MOS管的结构管的结构4N沟道增强型沟道增强型MOSFET静态时没有导电通道静态时没有导电通道53. MOS3. MOS管工作原理管工作原理反型层反型层（导电沟道）（导电沟道） 当当G G、S S间加上正电压，间加上正电压，且且VGS VT时，栅极与衬时，栅极与衬底之间形成电场，吸引底之间形成电场，吸引衬底中的电子到栅极下衬底中的电子到栅极下面的衬底表面，形成一面的衬底表面，形成一个个N N型的反

3、型层构成型的反型层构成D D、S S之间的导电沟道之间的导电沟道。由于由于VGS 0时，无导电时，无导电沟道，在增强沟道，在增强VGS 电压后形成导电沟道，所以称这类电压后形成导电沟道，所以称这类MOS管管为增强型为增强型MOS管管。VGS=0=0时，则时，则D D、S S之间之间相当于两个相当于两个PNPN结背向的结背向的串联，串联， D D、S S之间不通，之间不通，i iD0 0。P型衬底型衬底2.5.1 MOS2.5.1 MOS管管6耗尽型耗尽型NMOS管管静态时已有导电通道7耗尽型耗尽型NMOS工作原理工作原理G极加上负电压，导电通道被关断8N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管具

4、有以下特点：管具有以下特点： 当当V VGSGS V VT T 时，管子导通时，管子导通 当当V VGSGS V VT T 时，管子截止时，管子截止对应对应 P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管：管： 当当| |V VGSGS| | | | |V VT T| |时，管子导通时，管子导通 同晶体管类似：同晶体管类似：管子截止时电阻很大，相当于开关打开；管子截止时电阻很大，相当于开关打开；管子导通时电阻很小，相当于开关闭合管子导通时电阻很小，相当于开关闭合；数字电路中，两种增强型数字电路中，两种增强型MOSMOS管均可作为开关管均可作为开关2.5.2 MOS2.5.2 MOS管的静态与动态特性

5、管的静态与动态特性1. MOS1. MOS管作为开关管作为开关9关断状态关断状态导通状态导通状态sgdCIsgdCIRONRON约在约在1k以以内，与内，与VGS的的大小有关大小有关由于由于SiO2绝缘层的存在，绝缘层的存在，MOS管的管的Ri近似为无穷大，但栅近似为无穷大，但栅极与衬底之间存在电容极与衬底之间存在电容CI，其容量约为几皮法。，其容量约为几皮法。2. MOS管的开关等效电路管的开关等效电路2.5.2 MOS2.5.2 MOS管的静态与动态特性管的静态与动态特性3. MOS管的动态特性：栅极电容与导通电阻的影响管的动态特性：栅极电容与导通电阻的影响102.5.3 NMOS逻辑门逻

6、辑门 构成构成NMOS门门的基本单元的基本单元 负载管负载管TL（电阻）（电阻） 输入管输入管TO a)增强型负载增强型负载 b)耗尽型负载耗尽型负载 DSLDSORR1 NMOS反相器反相器112 NMOS与非门与非门 T1、T2：串联输入管：串联输入管 TL、T1、T2：增强型：增强型NMOS FAB一直导通一直导通A A加上正电加上正电压压T1T1导通导通B B加上正电加上正电压压T2T2导通导通123 NMOS或非门或非门 T1、T2：并联输入管：并联输入管 FAB132.6 CMOS2.6 CMOS逻辑门逻辑门 VDD TP TN vO vI DDTN)TPVVV ( VDD P 沟

7、道沟道 vO vI N 沟道沟道 PMOSNMOS柵极相连柵极相连做输入端做输入端漏极相连做输漏极相连做输出端出端2.6.1 CMOS2.6.1 CMOS反相器及其工作原理反相器及其工作原理CMOSCMOS反相器的电路组成反相器的电路组成14 VDD TP TN vO vI 当当 I = 0 V= 0 V时时 VDD DDOHOFFONOFFVVRRRVGSN =0 VTNTN管截止；管截止；|VGSP|=VDDVTP 电路中电流近似为零（忽略电路中电流近似为零（忽略T TN N的的截止漏电流）截止漏电流）, ,VDD主要降落在主要降落在TN上，输出为高电平上，输出为高电平VOHTP管导通。管

8、导通。VDD2.6.1 2.6.1 CMOS反相器及其工作原理反相器及其工作原理 CMOS CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理15VDD TP TN vO vI 当当 I =VOH= VDD时时 DDOLONONOFFVVRRRFAVGSN =VDD VTNTN管导通；管导通；|VGSP|= 0 VTP TP管截止管截止。此时，此时，VDD主要降在主要降在TP管上，输管上，输出为高电平出为高电平VOL : :2.6.1 2.6.1 CMOS反相器及其工作原理反相器及其工作原理16 CMOS反相器的特点（静态）反相器的特点（静态） VDD TP + vSGP vO vI + TN iD 关

9、断管子的内阻极高关断管子的内阻极高vSGN=VOH=VDD 负载曲线负载曲线工作点工作点vSGP=0 iD OvO 当当 I=VDD时时 vSGP=VDD 工作点工作点 负载曲线负载曲线 VOHVDD vO O iD 。当当 I=0V时时 T T1 1和和T T2 2总有一个处于关断状态总有一个处于关断状态CMOSCMOS反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）2.6.1 2.6.1 CMOS反相器及其工作原理反相器及其工作原理17 C 108 6 4 2 0 D vI/V 2 4 6 8 10 VOH VDD vO/V B A CMOS反相器的特点（传输特性）反相

10、器的特点（传输特性） T N 截止截止 TN和和TP 均在饱和区均在饱和区 VDD=10V 在饱和区在饱和区 在可变电阻区在可变电阻区 TNTP截止截止 TPP在饱和区在饱和区 在可变电阻区在可变电阻区 TPTN2.6.1 2.6.1 CMOS反相器及其工作原理反相器及其工作原理18 CMOS反相器的工作速度与动态功耗反相器的工作速度与动态功耗 iDN CL vO vI TP TN iDP VDD VDD iDP vO vI=0V CL 在电容负载情况下，由于电路具有互补对称的性质，在电容负载情况下，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。它的开通时间与关闭时间是相等的。平

11、均延迟时间：平均延迟时间：10ns在动态情况下，在动态情况下，CMOSCMOS反相器的功耗大大增加反相器的功耗大大增加2.6.1 2.6.1 CMOS反相器及其工作原理反相器及其工作原理192.6.2 CMOS 逻辑逻辑门门1. 与非门与非门二输入二输入“与非与非”门电路结构如图门电路结构如图每 个 输 入 端 与 一每 个 输 入 端 与 一 个个 NMOS管和一个管和一个PMOS管的栅极相连管的栅极相连 当当A A和和B B为高电平时为高电平时1两 个 并 联 的两 个 并 联 的PMOSPMOS管管T T3 3、T T4 4两个串联的两个串联的NMOS TNMOS T1 1、T T2 2

12、通通通通止止止止0101通通止止通通1止止当当A A和和B B有一个或一个以上有一个或一个以上为低电平时为低电平时电路输出高电平电路输出高电平输出低电平输出低电平 电路实现电路实现“与非与非”逻辑功能逻辑功能FAB思考：三输入思考：三输入“与非与非”门电路？门电路？输入管串联输入管串联输入端增加时低电平抬高输入端增加时低电平抬高202. 或非门电路或非门电路 TP2 B A TN2 TN1 VDD L 1 当当A、B全为低电平时全为低电平时 00输出为高电平输出为高电平2.6.2 CMOS2.6.2 CMOS逻辑门逻辑门 TP2 B A TN2 TN1 VDD L 011 当当A、B都为高电平

13、时都为高电平时 当当A、B中有一个为高电平时中有一个为高电平时输出为低电平输出为低电平输出为低电平输出为低电平LAB思考：三输入思考：三输入“或非或非”门电路？门电路？负载管串联负载管串联输入端增加时高电平降低输入端增加时高电平降低213. CMOS3. CMOS三态门电路三态门电路 2.6.2 CMOS2.6.2 CMOS逻辑门逻辑门 附加一对控制电路附加一对控制电路 时，时，TON和和TOP均截止均截止 1E 22 C TP vO/vI vI/vO +5V 5V TN C C vO/vI vI/vO TG C 传输门传输门(TG) 是一种传输是一种传输模拟信号模拟信号的的模拟开关模拟开关

14、结构对称，其漏极和源极可互换，结构对称，其漏极和源极可互换，它们的开启电压它们的开启电压|VT|=2V 。由互补的信号电压来控制，分别由互补的信号电压来控制，分别用用C和和 表示表示。 C它广泛地用于采样它广泛地用于采样 保持电路、保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。斩波电路、模数和数模转换电路等。 4. 4. CMOS传输门电路传输门电路2.6.2 CMOS2.6.2 CMOS逻辑门逻辑门23CMOSCMOS传输门电路的工作原理传输门电路的工作原理 设设TP和和TN的开启电压的开启电压|VT|=2V，且输入模拟信号的变化范围为且输入模拟信号的变化范围为5V到到+5V。 C TP vO/

15、vI vI/vO +5V 5V TN C 当当c端接低电压端接低电压 5V时时 5V+5V 5V+5V开关断开，导通开关断开，导通电阻极大电阻极大 C TP vO/vI vI/vO +5V 5V TN C 当当 c端接高电压端接高电压+5V+5V5V I 3V I+3V3V+3V一管导通程度愈深，另一管导一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻较小且近似通愈浅，导通电阻较小且近似为一常数（数百欧）为一常数（数百欧）2.6.2 CMOS2.6.2 CMOS逻辑门逻辑门242.6.4 CMOS2.6.4 CMOS逻辑门电路的技术参数（逻辑门电路的技术参数（CMOSCMOS规范）规范）系列系列参数参数基本的基本的CMOS(4000/4000B系列系列)高速高速CMOS(74HC系系列列)与与TTL兼容的高兼容的高速速CMOS(74HCT系列系列)与与TTL兼容兼容的的高速高速BiCMOS (74BCT)系列系列tpd/ns(CL=15pF)7510132.9PD/mw0.0021.551.0020.00037.5DP/pJ0.1515.513.0260