第三章_CMOS門電路

1、1MOS管的開關特性管的開關特性CMOS反向器反向器其它類型的其它類型的CMOS門電路門電路CMOS門電路的正確使用門電路的正確使用2CMOS門電路的基本構成單元是門電路的基本構成單元是MOS門電路。門電路。MOS門電路：以門電路：以MOS管作為開關元件構成的門電路。管作為開關元件構成的門電路。 MOS管有管有NMOS管和管和PMOS管兩種。管兩種。 當當NMOS管和管和PMOS管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補，稱為作中互補，稱為CMOS管（意為互補：管（意為互補：Complementary）。）。 MOS管有增強型和耗盡型兩種。管有增強型和耗盡型兩種。 在

2、數(shù)字電路中，多采用在數(shù)字電路中，多采用增強型增強型。MOS門電路，尤其是門電路，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強、功耗低、價格便宜等優(yōu)點，集成度高、抗干擾能力強、功耗低、價格便宜等優(yōu)點，得到了十分迅速的發(fā)展。得到了十分迅速的發(fā)展。33.3.1 MOS管的開關特性 BJT是一種電流控制元件是一種電流控制元件(iB iC)，工作時，多數(shù)，工作時，多數(shù)載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型載流子和少數(shù)載流子都參與運行，所以被稱為雙極型器件。器件。 MOS管是一種電壓控制器件管是一種電壓控制器件(uGS iD) ，工作時，工作時，只有一種載流

3、子參與導電，因此它是單極型器件。只有一種載流子參與導電，因此它是單極型器件。 MOS管因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，管因其制造工藝簡單，功耗小，溫度特性好，輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應用。輸入電阻極高等優(yōu)點，得到了廣泛應用。MOS管分類管分類 增強型增強型耗盡型耗盡型N溝道溝道P溝道溝道N溝道溝道P溝道溝道4一一. MOS. MOS管的結構和工作原理管的結構和工作原理 金屬金屬-氧化物氧化物-半導體場效應管晶體管半導體場效應管晶體管 ( Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，簡稱，簡稱MOSFET。分為：分為： 增強型

4、增強型 N溝道、溝道、P溝道溝道 耗盡型耗盡型 N溝道、溝道、P溝道溝道 1.1.N溝道增強型溝道增強型MOS管管 （1 1）結構結構 4個電極：個電極：漏極漏極D，源極，源極S，柵極柵極G，襯底，襯底B。符號：符號：-N+NP型半導體襯底型半導體襯底源極源極S柵極柵極G漏極漏極D襯底襯底BSiO2-GSDB5 當當uGS0V時時縱向電場縱向電場將靠近柵極下方的空穴將靠近柵極下方的空穴向下排斥向下排斥耗盡層。耗盡層。（2 2）工作原理）工作原理 當當uGS=0V時，漏源之間相當兩個背靠背的時，漏源之間相當兩個背靠背的 二極管，在二極管，在D、S之間加上電壓也不會形成電流，即管子截止。之間加上電

5、壓也不會形成電流，即管子截止。 再增加再增加uGS縱向電場縱向電場將將P區(qū)少子電子聚集到區(qū)少子電子聚集到P區(qū)區(qū)表面表面形成導電溝道形成導電溝道,如果如果此時加有漏源電壓，就可此時加有漏源電壓，就可以形成漏極電流以形成漏極電流iD。柵源電壓柵源電壓uGS的控制作用的控制作用-P襯底襯底SGN+BDVDS二氧化硅+N-S二氧化硅P襯底襯底GDSV+ND+BNVGSiD6 定義：定義： 開啟電壓（開啟電壓（ UT）溝道剛開始形成時的柵源溝道剛開始形成時的柵源電壓電壓UGS。（一般。（一般2 3V）N溝道增強型溝道增強型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止，iD= 0；

6、 uGS UT，管子導通，有，管子導通，有iD。 uGS 越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓越大，溝道越寬，在相同的漏源電壓uDS作用下，漏極作用下，漏極電流電流iD 越大。越大。 可通過改變可通過改變 uGS 改變改變 iD 的大小，因此是電壓控制元件。的大小，因此是電壓控制元件。-S二氧化硅P襯底襯底GDSV+ND+BNVGSiD 說明：說明： 開關指的是開關指的是D-S之間的開關。之間的開關。開關狀態(tài)由開關狀態(tài)由 uGS 控制，改變控制，改變 uGS 控制控制 iD 的大小，的大小，因此是電壓控制元件。因此是電壓控制元件。-S二氧化硅P襯底襯底GDSV+ND+BNVGSiDuDSDGSuG

7、S+-+-iDDmGSigu89二、二、MOS管的輸入特性和輸出特性管的輸入特性和輸出特性uDSuGSDGS+-+-iD共源接法共源接法i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4VuGSu=3VGSuDS(V)1234輸出特性曲線輸出特性曲線輸入特性：輸入回路柵極電流為零輸入特性：輸入回路柵極電流為零輸出特性：截止區(qū)、可變電阻區(qū)、恒流區(qū)輸出特性：截止區(qū)、可變電阻區(qū)、恒流區(qū)可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)截止區(qū)10 可根據(jù)輸出特性曲線作出可根據(jù)輸出特性曲線作出轉移特性曲線轉移特性曲線。如：作如：作uDS=10V的一條的一條轉移特性曲線：轉移特性曲線：i(mA)DGS=6Vuu=5VGS=4V

8、uGSu=3VGSuDS(V)Di(mA)10V12341432(V)uGS246UT111、MOS管的基本開關電路管的基本開關電路 （ N溝道增強型溝道增強型 MOS 管為例）管為例）VGS(TH)vGSID0 當當vIVGS（TH）時：時： 當當vIVGS（TH）時：時：vGSVGS(TH)vDSID0三、三、MOS管的基本開關電路及開關等效電路管的基本開關電路及開關等效電路DGSuiuOVDDRDMOS管工作在截止區(qū)，管工作在截止區(qū)，vO=VOHVDD在可變電阻區(qū)，溝道電阻很小，在可變電阻區(qū)，溝道電阻很小， vO=VOL0V122、MOS管的開關等效電路管的開關等效電路 截止時漏源間的內

9、阻ROFF很大，D-S可視為開路C表示柵極的輸入電容。數(shù)值約為幾個皮法這個電阻一般情況不能忽略不計。導通時漏源間的內阻RON約在幾百1K以內，且與VGS有關（ VGS RON ）開關電路的輸出端不可避免地會帶有一定的負載電容，所以在動態(tài)工作時，漏極電流ID和輸出電壓UO=UDS的變化會滯后于輸入電壓的變化，這一點和雙極型三極管是相似的。 DGSCDGSCRON導通時截止時VDSID0UGSVGS1VGS1RON2RON1ROFFSDGIDUDSUGS特性曲線越陡，表示RON越小RON2RON113四、四、MOS管的四種類型管的四種類型 2、P溝道增強型溝道增強型MOSFET-GSDB-P+PN

10、型半導體襯底型半導體襯底源極源極S柵極柵極G漏極漏極D襯底襯底BSiO2-+-+uDSuGS工作時使用負電源，工作時使用負電源，開啟電壓為負值。開啟電壓為負值。iD0實際電流方實際電流方向：向：SD143. N溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET特點：特點： 當當uGS=0時，就有溝道，時，就有溝道，加入加入uDS，就有就有iD。 當當uGS0時，溝道增寬，時，溝道增寬，iD進一步增加。進一步增加。 當當uGS0時，溝道變窄，時，溝道變窄，iD減小。減小。 在柵極下方的在柵極下方的SiO2層中摻入了大量的金屬正離子。所以當層中摻入了大量的金屬正離子。所以當uGS=0時，這些正離子已經感應出反型層，

11、形成了溝道。時，這些正離子已經感應出反型層，形成了溝道。 定義：定義： 夾斷電壓（夾斷電壓（ UP） 溝道剛剛消失所需的柵源電壓溝道剛剛消失所需的柵源電壓uGS。-g漏極s+N襯底P襯底源極d柵極bN+ +-SBGD15 4、P溝道耗盡型溝道耗盡型MOSFET P溝道溝道MOSFET的工作原理與的工作原理與N溝道溝道 MOSFET完全相完全相同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。同，只不過導電的載流子不同，供電電壓極性不同而已。這如同雙極型三極管有這如同雙極型三極管有NPN型和型和PNP型一樣。型一樣。-SBGD-S二氧化硅N襯底襯底GDSV+PD+BPVGSiD3.3.2 CMO

12、S反相器的電路結構和工作原理反相器的電路結構和工作原理T1VDDuIuoT2T1為增強型為增強型PMOS，開啟電壓，開啟電壓 UGS(th)P 0 uI=0V時時: uI=VDD時時:T1 導通，導通，T2 截止，截止， uO=UOH VDD T1 截止，截止，T2 導通，導通，uO=UOL0靜態(tài)時靜態(tài)時T1、T2總是有一個導通而另一個截止，且兩管開啟電壓總是有一個導通而另一個截止，且兩管開啟電壓絕對值相等絕對值相等稱互補對稱管，把這種電路結構形式稱為互補稱互補對稱管，把這種電路結構形式稱為互補MOS（Complementary-Symmetery MOS，簡稱，簡稱CMOS）。GDSGDS工

13、作在互補狀態(tài)，流過工作在互補狀態(tài)，流過T1、T2 的靜態(tài)電流極小，的靜態(tài)電流極小，靜態(tài)功耗小靜態(tài)功耗小, 導通損耗小，效率高，這是導通損耗小，效率高，這是CMOS電路最突出的一大優(yōu)點。電路最突出的一大優(yōu)點。 非非運運算算一、電路結構一、電路結構17二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性1、反映、反映CMOS反相器的抗干擾能力反相器的抗干擾能力 過渡過程很陡，更近似于理想開關；過渡過程很陡，更近似于理想開關； 可確定噪聲容限；可確定噪聲容限； 曲線對稱，曲線對稱，UNL=UNH2、UNL、UNH和和UDD有關有關若若VDD變化，傳輸曲線比例變化。變化，傳輸曲線比例變化。可見：可見：VDD越大，越大，U

14、NL、UNH越越大，抗干擾能力越強。大，抗干擾能力越強。一般估算一般估算UNL=UNH =30%VDD，若現(xiàn)場干擾較大，應選若現(xiàn)場干擾較大，應選CMOS電路，且可取電源電壓稍大。電路，且可取電源電壓稍大。183.3.3 CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性一、輸入特性（反映門電路作為負載時對信號源驅動能力的要求反映門電路作為負載時對信號源驅動能力的要求）電流近似為零，是由于輸入接到電流近似為零，是由于輸入接到MOS管柵管柵極，而柵極絕緣，電阻達到極，而柵極絕緣，電阻達到M級級(106)。MOS管作負載時，對信號源的要求很低，不需要管作負載時，對信號源

15、的要求很低，不需要信號源提供電流。信號源提供電流。T1VDDuIuoT2GDSGDSiIuIiI0TTL輸入特性輸入特性-1mAIIH1.4V40uA1920二、輸出特性（反映二、輸出特性（反映CMOS帶負載能力）帶負載能力）1、低電平輸出特性、低電平輸出特性即即T2管的輸出管的輸出特性曲線特性曲線VIH=VDD越大，越大，VGS越大，越大，則導通內阻越小，則導通內阻越小， IOL相相同，因此同，因此VOL越小。越小。IOL越大，越大，UOL越大越大IOLIOLmax16mA212、高電平輸出特性、高電平輸出特性IOH5mA內內變化很小變化很小實際只有實際只有0.4mATTL帶負載能力較帶負載

16、能力較CMOS強。強。原因：原因：TTL的輸出電阻小。的輸出電阻小。22tPLH：輸出由低電平變?yōu)楦唠娖降膫鬏斞舆t時間tPHL：輸出由高電平變?yōu)榈碗娖降膫鬏斞舆t時間3.3.4 CMOS反相器的動態(tài)特性（門電路狀態(tài)切換時反相器的動態(tài)特性（門電路狀態(tài)切換時所呈現(xiàn)的特性）所呈現(xiàn)的特性）23放電放電充電充電寄生電容寄生電容管子切換需要時間管子切換需要時間輸出端的負載電容充、放電需要時間輸出端的負載電容充、放電需要時間主要原因主要原因CMOS反相器傳輸延遲的原因：反相器傳輸延遲的原因：UO：UOH到到UOL，CL需要有放電的時間需要有放電的時間UO：UOL到到UOH，CL需要有充電的時間需要有充電的時間

17、由于由于CMOS的輸出電阻大，所以其充放電時間也比的輸出電阻大，所以其充放電時間也比TTL長長（=RC）。這是造成）。這是造成CMOS動態(tài)特性下傳輸延遲的主要原因。動態(tài)特性下傳輸延遲的主要原因。243.3.3 其它類型的其它類型的CMOS門電路門電路 1. 其他邏輯功能的其他邏輯功能的CMOS門電路（門電路（P9193） 在CMOS門電路的系列產品中，除了反相器外常用的還有與門、或門、與非門、或非門、與或非門、異或門等 。2. 漏極開路的門電路（漏極開路的門電路（OD門）門） 如同TTL電路中的OC門那樣，CMOS門的輸出電路結構也可做成漏極開路（OD）的形式。其使用方法與TTL的OC門類似。

18、25與與OC門類似，能實現(xiàn)線與連接、電平轉換，提高驅動能力。門類似，能實現(xiàn)線與連接、電平轉換，提高驅動能力。電平轉換：電平轉換：vI：0VDD1 vO：0VDD2漏極開路的門電路（漏極開路的門電路（OD門）（門）（Open-Drain）Y=(AB)74HC03電路結構TNAB內部邏輯內部邏輯VDD1VDD2RLvOOD與非門邏輯符號與非門邏輯符號ABYGDS使用時必須外接上拉電阻使用時必須外接上拉電阻263. CMOS傳輸門（傳輸門（TG門）門）Transistor Gate CMOS傳輸門：控制信號傳輸?shù)拈T傳輸門：控制信號傳輸?shù)拈T 利用利用P溝道溝道MOS管和管和N溝道溝道MOS管管的互補性

19、構成。的互補性構成。 C和和C是一對互補的控制信號。是一對互補的控制信號。TPCVDDuo/uiui/uoCTN電路結構如何判斷如何判斷MOS管的源極和漏極？管的源極和漏極？根據(jù)根據(jù)MOS管工作時的電流方向：管工作時的電流方向： PMOS管從管從S端流向端流向D端；端； NMOS管由管由D端流向端流向S端。端。分別按輸入分別按輸入/輸出信號端的位置判斷。輸出信號端的位置判斷。TP : VTP 0可實現(xiàn)雙向傳輸可實現(xiàn)雙向傳輸VTN=VTPUGS（TP） VTP UGS（TN） VTNCMOS傳輸門的工作原理傳輸門的工作原理 若若C=0（0V），），C1（VDD）時：）時：TP的的G極電路中最高電

20、位，故無論極電路中最高電位，故無論vI為何值，為何值，UGS（TP）都都不會為負值，不會為負值，TP截止截止；TN管的管的G極電路中最低電位，極電路中最低電位， UGS（TN）都不會為正值，故都不會為正值，故TN截止截止。輸入與輸出之間輸入與輸出之間呈高阻態(tài)呈高阻態(tài)（ROFF109），），傳輸門截止傳輸門截止。C=VDD TPTNVDDC=0RLvovISDSDGG 若若C=1（VDD），），C0（0V）時：）時： TN、TP的工作狀態(tài)與的工作狀態(tài)與vI的大小有關，的大小有關，故將故將vI的變化范圍分成三段：的變化范圍分成三段：l 對對TN管，討論管，討論vI 在在0VDD-|VTP|段和段和

21、VDD-|VTP|VDD段的工作狀態(tài)：段的工作狀態(tài)： vI = 0VDD-|VTP|段：假設段：假設TN導通，則導通，則vI 傳到傳到vO后，有后，有UGS（TN）VTNTN導通，假設成立。故此段導通，假設成立。故此段TN導通。導通。VTNVDDVDD-|VTP|0TNTPvITN通通VTN = |VTP| vI = VDD-|VTP|VDD段：仍假設段：仍假設TN導通，則導通，則vI傳到傳到vO后，有后，有UGS（TN）VTN TN截止，與假設相矛盾。故此段截止，與假設相矛盾。故此段TN截止。截止。TN止止C=0 TPTNVDDC=VDDRLvovISDSDGGl 對對TP管，討論管，討論v

22、I 在在0VTN段和段和VTNVDD段的工作狀態(tài)：段的工作狀態(tài)： vI =0VTN段：段：|UGS（TP）|VTP|TP導通。導通。綜上，因此：在綜上，因此：在 vI=0VDD范圍內，范圍內，TP、TN至少有一管導通，至少有一管導通，所以所以vI總總能從左往右傳到能從左往右傳到vO端。端。VTNVDDVDD-|VTP|0TN通通TNTPvITN止止TP止止TP通通C=0 TPTNVDDC=VDDRLvovISDSDGG30若將若將vI加在右端，加在右端，RL加在左端，同理可分析，通過加在左端，同理可分析，通過C和和C 能控制能控制 vI 從右向左傳輸，實現(xiàn)信號的從右向左傳輸，實現(xiàn)信號的雙向傳輸

23、雙向傳輸。由于由于TN和和TP的源極的源極S和漏極和漏極D在結構上完全對稱，故源極和在結構上完全對稱，故源極和漏極可以互換使用，所以傳輸門能夠實現(xiàn)漏極可以互換使用，所以傳輸門能夠實現(xiàn)雙向傳輸雙向傳輸。C TPTNVDDCRLvivoDSDSGG31傳輸門可作為傳輸門可作為模擬開關模擬開關，傳輸連續(xù)變化的，傳輸連續(xù)變化的模擬信號模擬信號。這是一般的邏輯門無法實現(xiàn)的，模擬開關由傳輸門和反相這是一般的邏輯門無法實現(xiàn)的，模擬開關由傳輸門和反相器組成。它也是雙向器件。器組成。它也是雙向器件。 CMOS傳輸門的邏輯符號及應用傳輸門的邏輯符號及應用uiuoTGuo/uiui/uoCC模擬開關模擬開關TGuo/uiui/uoCC邏輯符號邏輯符號SWuo/uiui/uoC邏輯符號邏輯符號324. 三態(tài)輸出的三態(tài)輸出的 CMOS門電路門電路EN=1時，時，CMOS呈高阻態(tài)呈高阻態(tài)EN=0時，實現(xiàn)反相器的邏輯功能時，實現(xiàn)反相器的邏輯功能三態(tài)輸出的三態(tài)輸出的CMOS門電路也可以實現(xiàn)總線結構和雙向數(shù)門電路也可以實現(xiàn)總線結構和雙向數(shù)據(jù)傳輸據(jù)傳輸YAEN三態(tài)反相器邏輯符號三態(tài)反相器邏輯符號33一、輸入電路的靜電保