CMOS邏輯門電路

1、CMOS邏輯門電路 +UDD +UDD P溝道 TP TP uo ui uoui TN TN N溝道 CL (a) 電路 (b) 簡化電路圖11-36 CMOS反相器 CMOS是互補對稱MOS電路的簡稱（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），其電路結(jié)構(gòu)都采用增強型PMOS管和增強型NMOS管按互補對稱形式連接而成，由于CMOS集成電路具有功耗低、工作電流電壓范圍寬、抗干擾能力強、輸入阻抗高、扇出系數(shù)大、集成度高，成本低等一系列優(yōu)點，其應用領(lǐng)域十分廣泛，尤其在大規(guī)模集成電路中更顯示出它的優(yōu)越性，是目前得到廣泛應用的器件。 一、CMOS反相器 CMOS反

2、相器是CMOS集成電路最基本的邏輯元件之一，其電路如圖11-36所示，它是由一個增強型NMOS管TN和一個PMOS管TP按互補對稱形式連接而成。 兩管的柵極相連作為反相器的輸入端，漏極相連作為輸出端，TP管的襯底和源極相連接電源UDD，TN管的襯底與源極相連后接地，一般地UDD>(UTN+|UTP|)，(UTN和|UTP|是TN和TP的開啟電壓)。 當輸入電壓ui=“0”（低電平）時，NMOS管TN截止，而PMOS管TP導通，這時TN管的阻抗比TP管的阻抗高的多，（兩阻抗比值可高達106以上），電源電壓主要降在TN上，輸出電壓為“1”（約為UDD）。 當輸入電壓ui=“1”（高電平）時，

3、TN導通，TP截止，電源電壓主要降在TP上，輸出uo=“0”，可見此電路實現(xiàn)了邏輯“非”功能。 通過CMOS反相器電路原理分析，可發(fā)現(xiàn)CMOS門電路相比NMOS、PMOS門電路具有如下優(yōu)點： 無論輸入是高電平還是低電平，TN和TP兩管中總是一個管子截止，另一個導通，流過電源的電流僅是截止管的溝道泄漏電流，因此，靜態(tài)功耗很小。 兩管總是一個管子充分導通，這使得輸出端的等效電容CL能通過低阻抗充放電，改善了輸出波形，同時提高了工作速度。 由于輸出低電平約為0V，輸出高電平為UDD，因此，輸出的邏輯幅度大。 CMOS反相器的電壓傳輸特性如圖11-37所示。特性區(qū)大致分成五個區(qū)域：uo(V) TN截止

4、 TN在飽和區(qū)10 TP在可變電阻區(qū) 8 TN和TP均在飽和區(qū) 6 TP在飽和區(qū) 4 TN在可變電阻區(qū) 2 TP截止 0 2 4 6 8 10 ui(V) UTN UTR |UTP|圖11-37 CMOS反相器電壓傳輸特性 第區(qū)域：ui<UTN，這時TN截止，TP導通（工作在可變電阻區(qū)），流過兩管的電流近似為0，uDS20，uo=uDS1UDD。 第區(qū)域：ui>UTN，TN開始導通，但工作在飽和區(qū)，TP仍工作在可變電阻區(qū)的導通狀態(tài)。這時有一個較小的電流流過兩管，uDS2已不為0，所以uo開始下降。 第區(qū)域：輸入電壓ui增大到UTR時，TN和TP都工作在飽和區(qū)，有較大電流流過兩管，這

5、時只要ui有一個很小的變化，就會引起uo有一個很大的變化，所以這一段內(nèi)曲線最陡，稱為特性轉(zhuǎn)換區(qū)，UTR稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移電壓。 第區(qū)域：ui繼續(xù)增大，TN進入非飽和區(qū)，uDS1(即uo）迅速減少，流過兩管的電流開始下降。 第區(qū)域：TN導通（工作在可變電阻區(qū)），TP截止，uo=uDS10V。 從傳輸特性曲線可以看出：區(qū)域很陡，且UTRUDD/2，所以，CMOS反相器的電壓傳輸特性接近于理想開關(guān)特性。由于電壓傳輸特性曲線的轉(zhuǎn)折點大約為UDD/2，干擾信號必須大于或等于UDD/2才能導致狀態(tài)改變，所以說CMOS門電路具有極強的抗干擾能力。 二、CMOS“與非”門電路 電路如圖11-38所示，設CMOS管的

6、輸出高電平為“1”，低電平為“0”，圖中T1、T2為兩個串聯(lián)的NMOS管，T3、T4為兩個并聯(lián)的PMOS管，每個輸入端（A或B）都直接連到配對的NMOS管（驅(qū)動管）和PMOS（負載管）的柵極。當兩個輸入中有一個或一個以上為低電平“0”時，與低電平相連接的NMOS管仍截止，而PMOS管導通，使輸出F為高電平，只有當兩個輸入端同時為高電平“1”時，T1、T2管均導通，T3、T4管都截止，輸出F為低電平。 由以上分析可知，該電路實現(xiàn)了邏輯與非功能，即 +UDD +UDD T3 T4 A T4 F B T3A T2 FB T1 T1 T2圖11-38 CMOS“與非”門 圖11-39 CMOS“或非”

7、門 三、CMOS“或非”門電路 圖11-39所示電路為兩輸入CMOS“或非”門電路，其連接形式正好和“與非”門電路相反，T1、T2兩NMOS管是并聯(lián)的，作為驅(qū)動管，T3、T4兩個PMOS管是串聯(lián)的，作為負載管，兩個輸入端A、B仍接至NMOS管和PMOS管的柵極。 其工作原理是：當輸入A、B中只要有一個或一個以上為高電平“1”時，與高電平直接連接的NMOS管T1或T2就會導通，PMOS管T3或T4就會截止，因而輸出F為低電平。只有當兩個輸入均為低電平“0”時，T1、T2管才截止，T3、T4管都導通，故輸出F為高電平“1”，因而實現(xiàn)了或非邏輯關(guān)系，即： 四、CMOS傳輸門電路 CMOS傳輸門也是C

8、MOS集成電路的基本單元，其功能是對所要傳送的信號電平起允許通過或者禁止通過的作用。 TP ui +5V uo -5V ui uo 高電平：+5V TNc 低電平：-5V c c (a)電路 (b)邏輯符號圖11-40 CMOS傳輸門TG CMOS傳輸門的基本電路及邏輯符號如圖11-40(a)、(b)所示，它是由一只增強型NMOS管TN和一只增強型PMOS管TP按閉環(huán)互補形式連接而成的，設輸入模擬信號的變化范圍為-5V到+5V。為使襯底與漏極之間的PN結(jié)任何時刻都不致正偏，故TP的襯底接+5V的電壓，TN的襯底接-5V的電壓，兩管的柵極由互補信號電壓（+5V和-5V）來控制，分別用c和表示。

9、傳輸門的工作原理如下： 當c端接低電平（-5V）時，TN的柵壓為-5V(c端），ui為-5V到+5V范圍內(nèi)的任意值，TN不導通。同時，TP的柵壓為+5V（），ui在-5V到+5V范圍內(nèi)任意取值，TP也不導通。所以，當c端接低電平時，開關(guān)是斷開的。cui uo圖11-41 CMOS模擬開關(guān)TG 當c端接高電平（+5V）時，此時TN的柵壓為+5V(c端），ui為-5V到+5V范圍內(nèi)的任意值，TN導通。同時，TP的柵壓為-5V（），ui在-5V到+5V范圍內(nèi)任意取值，TP也導通。所以，當c端接高電平時，開關(guān)導通的。 由此可知，當ui<-5V時，僅有TN導通，當ui>+5V時，僅有TP導通

10、。當ui在-5V到+5V的范圍內(nèi)，TN和TP兩管均導通。進一步分析還可看到，一管導通的程度越深，另一管的導通將相應減少。換句話說，當一管的導通電阻減少，則另一管的導通電阻就增大。由于兩管并聯(lián)運行，可近似認為開關(guān)的導通電阻為一常數(shù)。這是CMOS傳輸門的優(yōu)點。 由CMOS倒相器和CMOS傳輸門可構(gòu)成模擬開關(guān)。這種模擬開關(guān)常用于CMOS觸發(fā)器和A/D轉(zhuǎn)換器中，電路如圖11-41所示。 五、CMOS三態(tài)門電路 CMOS三態(tài)門實現(xiàn)的方法很多，現(xiàn)舉兩例說明。 +UDD +UDD T4 TPui uo T2 TN ui uo T1 c c T3圖11-42 用CMOS傳輸門 圖11-43 附加MOS構(gòu)成三態(tài)

11、門 構(gòu)成三態(tài)門TG11 1利用CMOS傳輸門構(gòu)成三態(tài)門電路，如圖11-42所示。其工作原理是：當c=“1”時，傳輸門導通，輸出；當c=“0”時，傳輸門斷開，輸出為高阻狀態(tài)。2利用CMOS倒相器（由T1、T2構(gòu)成）附加一個PMOS管和一個NMOS管構(gòu)成三態(tài)門電路，如圖11-43所示。其工作原理是，當禁止端c=“1”時，T3、T4截止，輸出高阻狀態(tài)；當c=“0”時，則處于信息傳輸狀態(tài)，uo=ui。如何理解CMOS反相器的電壓傳輸特性? 【相關(guān)知識】：MOS管的伏安特性曲線、CMOS反相器的結(jié)構(gòu)，工作原理、靜態(tài)特性。 【解題方法】：通過逐點分析CMOS反相器的輸入、輸出關(guān)系，可以看出它有良好的開關(guān)特

12、性?！窘獯疬^程】：CMOS反相器電路如圖1（a）所示，圖1（b）為其電壓傳輸特性曲線。        設CMOS非門的電源電壓=10V，兩管的開啟電壓為=|=2V。        (1) 當<2V，截止，導通，輸出=10V；        (2) 當2V<<5V，和都導通，但的柵源電壓<的柵源電壓絕對值，即工作在飽和區(qū)，工作在可變電阻

13、區(qū)，的導通電阻>的導通電阻，所以，這時開始下降,但下降不多，輸出仍為高電平；        (3) 當=5V，的柵源電壓=柵源電壓絕對值，兩管都工作在飽和區(qū)，且導通電阻相等,所以，=(/2)=5V；        (4) 當5V<<8V，情況與（2）相反，工作在飽和區(qū)，工作在可變電阻區(qū)，的導通電阻>的導通電阻，所以變?yōu)榈碗娖剑?#160;       (5) 當>8V，截止，導通，輸出=0V。        可見兩管在=/2處轉(zhuǎn)換狀態(tài),所以CMO