第1講CMOS數字電路

1、第1講CMOS數字電路第1講CMOS數字電路2繼電器邏輯電路 20世紀30年代，貝爾實驗室第一部二進制加法器(1937)和后來的復數運算器(1940)，采用繼電器邏輯（Relay Logic）輸入A輸入B輸出高高高高低低低低低低高低第1講CMOS數字電路3簡單的回顧按照使用器件技術的不同，數字邏輯電路可以分為：繼電器邏輯電路：RL邏輯電路雙極型晶體管電路：TTL邏輯電路，ECL電路單極型MOS電路：NMOS，PMOS和CMOS等常用的是TTL和CMOS電路本世紀80年代開始，CMOS逐漸取代TTL，成為集成電路的主導技術第1講CMOS數字電路4內容提要半導體和半導體和PN結結MOS晶體管CMO

2、S門電路雙極型邏輯和TTL電路第1講CMOS數字電路5半導體材料硅(Si)硅的晶格結構硅的晶格結構（平面圖）第1講CMOS數字電路6半導體材料硅(Si)VCC電子移動方向電流方向硅的晶格結構硅的晶格結構（平面圖）第1講CMOS數字電路7半導體的摻雜 半導體中參與導電的實體載流子(Carrier) 電子 空穴 通過改變載流子的數量，可以改變半導體的導電特性 P型摻雜 P：Positive 加入三價元素雜質，例如硼或者銦 增加空穴的數量 N型摻雜 N：Negative 加入五價元素雜質，例如磷、砷或銻 增加自由電子的數量第1講CMOS數字電路8P型半導體B多余的空穴摻雜以后的半導體依舊是電中性（不

3、帶電）的第1講CMOS數字電路9N型半導體P多余的電子摻雜以后的半導體依舊是電中性（不帶電）的第1講CMOS數字電路10P-N結(P-N Junction)耗盡層第1講CMOS數字電路11P-N結的導電特性VCC當PN結兩端加上正向偏置電壓時，PN結表現(xiàn)出很小的電阻，處于導通狀態(tài)第1講CMOS數字電路12P-N結的導電特性VCC當PN結兩端加上反向偏置電壓時，PN結表現(xiàn)出很大的電阻，處于截至狀態(tài)PN結具有單向導電特性。第1講CMOS數字電路13二極管和三極管N類型半導體P類型半導體二極管三極管雙極型晶體管命名的由來兩種載流子參與導電。ecbNPNPNP第1講CMOS數字電路14NPN BJT導

4、通示意圖第1講CMOS數字電路15部分小結本征半導體半導體摻雜(P型摻雜、N型摻雜)P-N結雙極型器件(二極管/三極管)第1講CMOS數字電路16內容提要半導體和PN結MOS晶體管晶體管CMOS門電路雙極型邏輯和TTL電路第1講CMOS數字電路17MOS晶體管結構PMOS晶體管n+n+p類型基底p+p+n類型基底NMOS晶體管Source:源極Gate:柵極Drain:漏極第1講CMOS數字電路18MOS晶體管工作原理以NMOS晶體管為例 Vgs 0源極 (S)柵極(G)漏極(D)VgsVdsp類型基底19MOS晶體管符號柵極源極漏極柵極(gate)源極(source)漏極 (drain)Vg

5、sVgsN溝道MOS管P溝道MOS管+-+-Tips：柵極和另外兩個極之間沒有什么聯(lián)系。但是柵極和源、漏極之間有電容耦合，在高速電路中會產生功耗。第1講CMOS數字電路20由其他材料構成的場效應管(FET)Amorphous silicon (無定形硅)Polycrystalline silicon (多晶硅)Organic semiconductors (有機半導體)H. Sirringhaus, Materials and Applications for Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors, Proc. IEEE, pp

6、. 1570-1579, 2009H. Sirringhaus, Device Physics of Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors, Adv. Mater. 2005, 17, 24112425第1講CMOS數字電路21內容提要半導體和PN結MOS晶體管CMOS門電路門電路雙極型邏輯和TTL電路第1講CMOS數字電路22CMOS電路CMOS: Complementary MOS，互補MOS用NMOS和PMOS用互補的方式共用，就形成CMOS。NMOS晶體管和PMOS晶體管總是成對出現(xiàn)，狀態(tài)互補。常用CMOS門電路反相器/

7、與非門/或非門/與或非門/或與非門第1講CMOS數字電路23CMOS反相器第1講CMOS數字電路24CMOS反相器的開關模型第1講CMOS數字電路25CMOS反相器的另一種表示法第1講CMOS數字電路26CMOS與非門第1講CMOS數字電路27CMOS與非門的開關模型第1講CMOS數字電路28CMOS與門第1講CMOS數字電路29CMOS或非門CMOS的或門如何得到？第1講CMOS數字電路30CMOS非反相器第1講CMOS數字電路31CMOS與或非門 （AOI門）用一級的延遲實現(xiàn)二級邏輯（與-或，或-與），在設計中比較有用。第1講CMOS數字電路32其它的門漏極開路門(Open Drain G

8、ates) - CMOS集電極開路門(Open Collector gates) TTLWire-AND（線與）Tri-state gates（三態(tài)門）第1講CMOS數字電路33漏極開路門 (OD gate)CMOS反相器（非門）CMOS漏極開路反向器（非門）上拉電阻第1講CMOS數字電路34OD門的邏輯符號漏極開路與非門第1講CMOS數字電路35漏極開路門（集電極開路門）的功能1. 電路接口驅動一個電壓要求更高的器件（或設備）。例如用CMOS的邏輯門驅動一個工作電壓為12V的繼電器高態(tài)輸出只能為5V第1講CMOS數字電路36漏極開路門（集電極開路門）的功能2. 線與 (Wired AND)考

9、慮右圖的輸出E=?EE=(AB)(CD)第1講CMOS數字電路集電極開路(OC) 門第1講CMOS數字電路38三態(tài)門(Tri-state gates)三態(tài)門實例：CMOS的三態(tài)緩沖器39CMOS邏輯系列標識一類CMOS器件（一個CMOS邏輯系列）- mmFAMnn，其中mm: 74/54，表示民用或軍用FAM：系列助記符，例如HCT，AHC等nn：功能描述代碼74HC30/74HCT30/74AHC30等均表示8輸入與非門HC/HCTHigh Speed CMOSHigh Speed CMOS, TTL compatibleVHC/VHCT (80s-90s)Very High Speed C

10、MOSVery High Speed CMOS，TTL compatible第1講CMOS數字電路40內容提要半導體和PN結MOS晶體管CMOS門電路雙極型邏輯和雙極型邏輯和TTL電路電路第1講CMOS數字電路41TTL反相器42其它的TTL門電路TTL與非門電路TTL或非門電路TTL與或非門電路TTL異或門電路43TTL邏輯系列 74S系列 74LS系列 74AS系列 74ALS系列 74F系列第1講CMOS數字電路44IC classificationIC technologiesbipolarMOSTTLECLLTTLSTTLLSTTLCMOSPMOSNMOSBiCMOS74HC,74A

11、C,74AHC74LV,74LVC,74ALV74BCT,74ABT,74LVT7474H74LS74AS74ALS45TTL和CMOS電路的接口 需要考慮的因素 噪聲容限 扇出 電容負載高態(tài)直流高態(tài)直流噪聲容限噪聲容限低態(tài)直流低態(tài)直流噪聲容限噪聲容限46DC Supply Voltage TTL : 5V CMOS: 5V 3.3V 第1講CMOS數字電路47Input and Output Logic levelVIHVOHVILVOLTTL第1講CMOS數字電路48CMOS:5V第1講CMOS數字電路49第1講CMOS數字電路50Noise Immunity Noise Immunity: ability to tolerate a certain amount of unwanted voltage noise on its inputs without changing its output state.第1講CMOS數字電路51VIHVIH(min)第1講CMOS數字電路Noise MarginsVNH=VOH(min)-VIH(min)VNL=VOL(max)-VIL(max)第1講CMOS數字電路53Example第1講CMOS數字電路54ExerciseAssumin