门电路---CMOS.ppt

1、,教学基本要求：1、了解半导体器件的开关特性。2、熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或门）、三态门、OD门（OC门）和传输门的逻辑功能。3、学会门电路逻辑功能分析方法。4、了解逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。,3.逻辑门电路,1、逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。,2、逻辑门电路的分类,二极管门电路,三极管门电路,TTL门电路,MOS门电路,PMOS门,CMOS门,分立门电路,NMOS门,3.1.1数字集成电路简介,TTL系列门,MOS门,平均延迟时间：75ns,平均延迟时间：310ns,结构复杂、集成度低,功耗低（0.01mw）,功耗高（220mw）,开关速度较

2、快,结构和制造工艺简单容易实现高密度制作,开关速度稍低,在大规模的集成电路中，主要采用的是CMOS电路。,3.1.2逻辑门电路的一般特性,1.输入和输出的高、低电平,输出高电平的下限值VOH(min),输入低电平的上限值VIL(max),输入高电平的下限值VIH(min),输出低电平的上限值VOL(max),VNH当前级门输出高电平的最小值时允许负向噪声电压的最大值。,负载门输入高电平时的噪声容限：,VNH=VOH(min)VIH(min),2.噪声容限：在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力.,3.1.2逻辑门电路的一般特性,VNL当前级门输出低电平的最

3、大值时允许正向噪声电压的最大值,负载门输入低电平时的噪声容限：,VNL=VIL(max)VOL(max),3.传输延迟时间,传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。,CMOS电路传输延迟时间,3.1.2逻辑门电路的一般特性,4.功耗,静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流ID与电源电压VDD的乘积。,5.延时功耗积,是速度功耗综合性的指标.延时功耗积，用符号DP表示,扇入数：取决于其输入端的个数。,6.扇入与扇出数,动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于TTL门电路来说，静态功

4、耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗,3.1.2逻辑门电路的一般特性,1,0,1,电流方向?,灌电流,IIL,IOL,=nIIL,驱动门的所带负载分为灌电流负载和拉电流负载两种情况:,（a)带灌电流负载,扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。,3.1.2逻辑门电路的一般特性,0,1,0,电流方向?,拉电流,IIH,IOH,=nIIH,(b)带拉电流负载,3.1.2逻辑门电路的一般特性,各类数字集成电路主要性能参数的比较,3.1.2逻辑门电路的一般特性,1、高、低电平产生的原理,当S闭合，O=,当S断开，O=,0V,+5V,(低电平),(高电平

5、),理想开关的两个工作状态：,3.1.3MOS开关及其等效电路,2.产生的高、低电平半导体器件,工作在截止区:输出高电平,工作在饱和区:输出低电平,场效应三极管,利用电场效应来控制电流的三极管，称为场效应管，也称单极型三极管。,场效应管特点:,只有一种载流子参与导电；,输入电阻高,可达109以上;,工艺简单、易集成、功耗小、体积小、成本低。,3.1.3MOS开关及其等效电路,由金属、氧化物和半导体制成。称为金属-氧化物-半导体场效应管，或简称MOS场效应管。,是一种电压控制器件；,3.1.3MOS开关及其等效电路,符号,1、N沟道增强型MOS场效应管,3.V-I特性曲线,（1）输出特性,截止区

6、:当vGSVT时，iD0，为截止工作状态。,可变电阻区,rdso是一个受vGS控制的可变电阻,vGS越大rdso越小,（1）输出特性,rdso=vDS/iD,开启电压vTN=2V,3）NMOS开关及其等效电路,开启电压vTN=2V,3）NMOS开关及其等效电路,3.1.4CMOS反相器,1、工作原理,vi,vGSN,vGSP,TN,TP,vO,0V,0V,-10V,截止,导通,10V,10V,10V,0V,导通,截止,0V,VTN=2V,VTP=-2V,逻辑图,逻辑表达式,电路逻辑功能分析:1、列出电路状态表；（根据输入确定半导体器件开关状态及输出电平）2、列出真值表；3、确定逻辑功能。,iD

7、,VTH,电流传输特性,AB、EF段：TN、TP总有一个为截止状态，故iD0。,CD段：TN、Tp均导通，流过两管的漏极电流达到最大值iD=iD（max)。,阈值电压：,VTH=0.5VDD,（VDD=318V）,电流传输特性,3.1.4CMOS反相器,3.1.3其他CMOS门电路,AB,TN1TP1TN2TP2,L,00,01,10,11,截止,导通,截止,导通,导通,导通,导通,截止,截止,导通,截止,截止,截止,截止,导通,导通,1,1,1,0,与非门,1、CMOS与非门,Y=,(a)电路结构,(b)工作原理,VTN=2V,VTP=-2V,或非门,2、CMOS或非门,AB,TN1TP1T

8、N2TP2,L,00,01,10,11,截止,导通,截止,导通,导通,导通,导通,截止,截止,导通,截止,截止,截止,截止,导通,导通,1,0,0,0,VTN=2V,VTP=-2V,3.1.3其他CMOS门电路,3.CMOS与门,3.1.3其他CMOS门电路,4.CMOS或门,3.1.3其他CMOS门电路,由或非门和与或非门组成,5、异或门电路,3.1.3其他CMOS门电路,CMOS门电路分析,3.1.3其他CMOS门电路,1.CMOS漏极开路门,1.）CMOS漏极开路门的提出,输出短接，会产生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。,3.1.6CMOS漏极开

9、路（OD）门和三态输出门电路,0,1,0,1,L,1,0,线与,线与能实现吗?,（2）漏极开路门的结构与逻辑符号,逻辑符号,漏极开路门输出连接,(a)工作时必须外接电源和电阻;,(b)与非逻辑不变,0,0,1,1,1,1,0,3.1.6CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路,(c)可以实现线与功能;,3.1.6CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路,1,1,1,0,0,1、实现多个逻辑门输出端的线与,集电极开路门的应用,3.1.6CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路,2.三态(TSL)输出门电路,1,0,0,1,1,截止,导通,1,0,0,截止,导通,0,1,0,截止,截止,1,

10、逻辑功能：高电平有效的同相三态门,0,1,高阻,3.1.6CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路,三态输出门电路逻辑符号,其他三态与非门：,低电平有效,高电平有效,3.1.6CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路,(1)构成总线转输结构,EN,1,G1,G2,Gn,D0A,D0B,D0N,数据总线,任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。,RAM,ROM,I/O,D0,3.1.6CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路,分析下图所示逻辑门电路，根据输入波形对应画出输出波形,3.1.6CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路,1.CMOS传输门电路,电路,等效电路,3.1.7C

11、MOS传输门(双向模拟开关),(TG门TransmissionGate),2.工作原理：,TN、TP均导通，,TN、TP均截止，,导通电阻小(几百欧姆),关断电阻大(109),0,传输门组成的数据选择器,C=0,TG1导通,TG2断开L=X,TG2导通,TG1断开L=Y,C=1,0,1,X,X,断开,导通,0,1,0,1,断开,X,导通,Y,传输门组成的应用,3.1.7CMOS传输门,三、CMOS集成电路的主要特点,(1)功耗极低。,LSI：几个W，MSI：100W,(2)电源电压范围宽。,CC4000系列：VDD=318V,(3)抗干扰能力强。,输入端噪声容限=0.3VDD0.45VDD,(4)逻辑摆幅大。,(5)输入