數(shù)字電子技術(shù)課件 第三章第二節(jié) CMOS門電路

1、第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路1第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路2一、MOS管的開關(guān)特性 1. MOS管的結(jié)構(gòu)和工作原理管的結(jié)構(gòu)和工作原理GSvDSviD當(dāng)當(dāng)vGS= 0 時(shí)，時(shí)，D-S間不導(dǎo)通，間不導(dǎo)通， iD= 0 。當(dāng)當(dāng)vGS vGS(th) (MOS管的管的開啟電壓開啟電壓）時(shí)，柵極下）時(shí)，柵極下面的襯底表面形成一個(gè)面的襯底表面形成一個(gè)N型反型層。這個(gè)反型層型反型層。這個(gè)反型層構(gòu)成了構(gòu)成了D-S間的導(dǎo)電溝道，有間的導(dǎo)電溝道，有 iD流通。流通。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路3共源接法共源接法輸出特性曲線輸出特性曲線GS(th)V轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線

2、第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路4輸出特性曲線輸出特性曲線GSGS(th)VV截止區(qū)截止區(qū)漏極和源極之間漏極和源極之間沒有導(dǎo)電溝道，沒有導(dǎo)電溝道，iD0。漏極特性曲線分為三漏極特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)。個(gè)工作區(qū)。可變電阻區(qū)可變電阻區(qū)當(dāng)當(dāng)vGS一定時(shí)，一定時(shí)，iD與與vDS之比之比近似等于一個(gè)常數(shù)，具有類近似等于一個(gè)常數(shù)，具有類似于線性電阻的性質(zhì)。似于線性電阻的性質(zhì)。恒流區(qū)恒流區(qū)iD的大小基本上由的大小基本上由vGS決定，決定，vDS的變化對(duì)的變化對(duì)iD的影響很小。的影響很小。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路5當(dāng)當(dāng) = 并繼續(xù)升高，并繼續(xù)升高， ，D-S間相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。

3、間相當(dāng)于一個(gè)閉合的開關(guān)。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路6CIGDSCIGDSRON第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路7二、CMOSCMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理DDV1T2TIvOvSSVDiCMOS反相器的電路圖反相器的電路圖當(dāng)當(dāng)vI = VIL= 0時(shí)，時(shí)，輸出為高電平輸出為高電平VOH VDD 。當(dāng)當(dāng)vI = VIH= VDD 時(shí)，時(shí)，輸出為低電平輸出為低電平VOL 0。 輸入與輸出之間為邏輯非的關(guān)系。輸入與輸出之間為邏輯非的關(guān)系。CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小反相器的靜態(tài)功耗極小第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路82. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性12DDVV

4、DDVDDO12DDVvIvOVGH(th)NVGH(th)PA BCDCMOSCMOS反相器的電壓傳輸特性反相器的電壓傳輸特性第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路9CBAD12DDVDDVGS(th)NVGS(th)PVIvDiO第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路100IvON LVN LV N HV N HV4. 4. 輸入噪聲容限輸入噪聲容限第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路11反相器的靜態(tài)輸入、輸出特性因?yàn)橐驗(yàn)镸OS管的柵極和襯底之間存在輸入電容，管的柵極和襯底之間存在輸入電容，絕緣介質(zhì)又非常薄，極易被擊穿，絕緣介質(zhì)又非常薄，極易被擊穿，所以必須采取保護(hù)措施。所以

5、必須采取保護(hù)措施。DDV1T2TIvOvCC400系列的輸入保護(hù)電路系列的輸入保護(hù)電路C1RSC2輸入保護(hù)電路輸入保護(hù)電路DDV1T2TIvOvC1RSC274HC系列的輸入保護(hù)電路系列的輸入保護(hù)電路輸入保護(hù)電路輸入保護(hù)電路第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路1274HC系列的系列的OCC400系列的系列的O第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路132. 2. 輸出特性輸出特性低電平輸出特性低電平輸出特性當(dāng)輸出為低電平時(shí)，工作狀態(tài)如下圖所示。當(dāng)輸出為低電平時(shí)，工作狀態(tài)如下圖所示。VDD=5V 10V15VIOLVOLOCMOSCMOS反相器的低電平輸出特性反相器的低電平輸出特性DDV

6、2TIHDDVVOLVD2iLROLI第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路14高電平輸出特性高電平輸出特性當(dāng)輸出為高電平時(shí)，工作狀態(tài)如下圖所示。當(dāng)輸出為高電平時(shí)，工作狀態(tài)如下圖所示。VDD=5V15VIOHVOHOCMOSCMOS反相器的高電平輸出特性反相器的高電平輸出特性10VVDD1T0ILVDDVOHVLROHI第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路15四、 CMOSCMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性tPHLtPLHOtOtvovIDDV1T2TIvOvLC一般情況下，一般情況下，tPHL、 tPLH主要是由于負(fù)載電容的充放主要是由于負(fù)載電容的充放電所產(chǎn)生的，為了縮短傳輸延遲時(shí)間，必須減

7、小負(fù)電所產(chǎn)生的，為了縮短傳輸延遲時(shí)間，必須減小負(fù)載電容和載電容和MOS管的導(dǎo)通電阻。管的導(dǎo)通電阻。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路16第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路17第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路18五、其他類型的門電路在在門電路的系列產(chǎn)品中，門電路的系列產(chǎn)品中，除反相器外常用的還有：除反相器外常用的還有：與非門、或非門、與門、與非門、或非門、與門、或門、與或非門、異或門等幾種?；蜷T、與或非門、異或門等幾種。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路19當(dāng)當(dāng)A，B兩個(gè)輸入端全為兩個(gè)輸入端全為“1”時(shí)，時(shí)，T1和和T2都導(dǎo)通，都導(dǎo)通，T3和和T4都截止，都截止

8、，輸出端為輸出端為“0”。 當(dāng)輸入端有一個(gè)或全為當(dāng)輸入端有一個(gè)或全為“0”時(shí)，時(shí)，T1或或T2（或都）截止，（或都）截止，T3或或T4 （或（或都）導(dǎo)通都）導(dǎo)通 ，輸出端輸出端Y為為“1” 。（1）CMOS與非門電路與非門電路 ()YAB CMOS與非門與非門ABT3T4T2T1YVDD缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1. 輸入端的工作狀態(tài)不同時(shí)影響電壓傳輸特性。輸入端的工作狀態(tài)不同時(shí)影響電壓傳輸特性。 2. 輸出的高、低電平受輸入端數(shù)目的影響。輸出的高、低電平受輸入端數(shù)目的影響。 3. 它的輸出電阻受輸入狀態(tài)的影響。它的輸出電阻受輸入狀態(tài)的影響。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路20當(dāng)當(dāng)A，B兩個(gè)輸入端

9、全為兩個(gè)輸入端全為“1”或或 其中一個(gè)為其中一個(gè)為“1”時(shí)，時(shí)，輸出端為輸出端為“0”。只有當(dāng)輸入端只有當(dāng)輸入端全為全為“0”時(shí)，時(shí)，輸出端才為輸出端才為“1”。 （2）CMOS“或非或非”門電門電路路 ()YAB BAVDDT3T4T2T1YCMOS或非門或非門存在和與非門類似的問題。存在和與非門類似的問題。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路21第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路22用途：用途：輸出緩沖輸出緩沖/驅(qū)動(dòng)器；輸出電平的變換；驅(qū)動(dòng)器；輸出電平的變換；滿足大功率負(fù)載電流的需要；實(shí)現(xiàn)線與邏輯。滿足大功率負(fù)載電流的需要；實(shí)現(xiàn)線與邏輯。()YAB RLVDD2CC40107

10、VDD1ABVSSABY第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路23ABYABRLVDDY2Y1G1G2線與邏輯符號(hào)線與邏輯符號(hào)線與連接方法線與連接方法RLVDDG1ABY2G2CDY1Y12YYY() ()()ABCDABCD()YAB 第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路24CCDDV1T2T/IOvv/OIvvCC/IOvv/OIvvTG時(shí)，傳輸門導(dǎo)通。時(shí)，傳輸門導(dǎo)通。1,0CC0,1CC時(shí)，傳輸門截止。時(shí)，傳輸門截止。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路25AYBTG1TG2AYBYAB第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路26LOILTGRvvRRC/IOvv/OI

11、vvTGCSW/IOvv/OIvvCSWIvOvLRC=0時(shí)開關(guān)截止。時(shí)開關(guān)截止。C=1時(shí)開關(guān)接通。時(shí)開關(guān)接通。模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻為模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻為RTG。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路27時(shí)，輸出呈現(xiàn)高阻態(tài)。時(shí)，輸出呈現(xiàn)高阻態(tài)。1EN 0EN 時(shí)，反相器正常工作。時(shí)，反相器正常工作。ENAYEN1T2TADDVY第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路281EN1A1G2EN2A2GnENnAnG總總線線ENIDYOD/OIDD1G2G總總線線第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路29由于在由于在MOS管中存在著一些寄生電容，管中存在著一些寄生電容，因而降低了因而降低了

12、MOS管的開關(guān)速度。管的開關(guān)速度。為了減小這些寄生電容，為了減小這些寄生電容，在高速在高速M(fèi)OS門電路中從工藝上做了改進(jìn)。門電路中從工藝上做了改進(jìn)。首先盡量減小溝道的長(zhǎng)度，縮小整個(gè)首先盡量減小溝道的長(zhǎng)度，縮小整個(gè)MOS管的尺寸。管的尺寸。其次采用了硅柵自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)減小了柵極和漏極、其次采用了硅柵自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)減小了柵極和漏極、柵極和源極的重疊區(qū)，使柵極和源極的重疊區(qū)，使CGD和和CGS的數(shù)值減小。的數(shù)值減小。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路30用短溝道、硅柵自對(duì)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)的高速用短溝道、硅柵自對(duì)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)的高速CMOS門電路，門電路，其平均傳輸延遲時(shí)間小于其平均傳輸延遲時(shí)間小于10ns。高

13、速高速CMOS門電路的通用系列為門電路的通用系列為54HC/74HC系列。系列。該系列產(chǎn)品使用該系列產(chǎn)品使用+5V電源，電源，輸出的高、低電平與輸出的高、低電平與TTL電路兼容。電路兼容。如如54HC/74HC 與與54LS/74LS ，只要最后只要最后 表示的數(shù)字相同，表示的數(shù)字相同，則兩種器件的邏輯功能、外形尺寸、則兩種器件的邏輯功能、外形尺寸、引腳排列順序也完全相同。引腳排列順序也完全相同。但兩種器件不能簡(jiǎn)單地互換使用。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路31Bi-CMOS是雙極型是雙極型-CMOS(Bipolar-CMOS)電路的簡(jiǎn)稱。電路的簡(jiǎn)稱。這種門電路的特點(diǎn)是邏輯部分采用這

14、種門電路的特點(diǎn)是邏輯部分采用CMOS結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，輸出極采用雙極型三極管。輸出極采用雙極型三極管。因此，它兼有因此，它兼有CMOS電路的低功耗，電路的低功耗， 和雙極型電路低輸出內(nèi)阻的優(yōu)點(diǎn)。和雙極型電路低輸出內(nèi)阻的優(yōu)點(diǎn)。目前目前Bi-CMOS反相器的傳輸延遲時(shí)間可減小到反相器的傳輸延遲時(shí)間可減小到1ns以下。以下。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路32為防止靜電電壓造成的損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：為防止靜電電壓造成的損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）在存儲(chǔ)和運(yùn)輸）在存儲(chǔ)和運(yùn)輸CMOS器件時(shí)，器件時(shí)，不要使用易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝，不要使用易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝，最好采

15、用金屬屏蔽層作包裝材料。最好采用金屬屏蔽層作包裝材料。2）組裝、調(diào)試時(shí)，應(yīng)使電烙鐵和其他工具、儀表、）組裝、調(diào)試時(shí)，應(yīng)使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺(tái)臺(tái)面等良好接地。工作臺(tái)臺(tái)面等良好接地。操作人員的服裝和手套等應(yīng)選用無靜電的原料制作。操作人員的服裝和手套等應(yīng)選用無靜電的原料制作。3 3）不用的輸入端不應(yīng)懸空。）不用的輸入端不應(yīng)懸空。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路33由于輸入保護(hù)電路中的鉗位二極管電流容量有限，由于輸入保護(hù)電路中的鉗位二極管電流容量有限，所以在可能出現(xiàn)較大輸入電流的場(chǎng)合，所以在可能出現(xiàn)較大輸入電流的場(chǎng)合，必須采取以下保護(hù)措施：必須采取以下保護(hù)措施：1）輸入端接低內(nèi)阻信

16、號(hào)源時(shí)，輸入端接低內(nèi)阻信號(hào)源時(shí)，應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間串進(jìn)保護(hù)電阻，應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間串進(jìn)保護(hù)電阻，保證輸入保護(hù)電路中的二極管導(dǎo)通時(shí)電流不超過保證輸入保護(hù)電路中的二極管導(dǎo)通時(shí)電流不超過1mA。2）輸入端接有大電容時(shí)，輸入端接有大電容時(shí)，應(yīng)在輸入端和電容之間接入保護(hù)電阻。應(yīng)在輸入端和電容之間接入保護(hù)電阻。3 3）輸入端接長(zhǎng)線時(shí)，應(yīng)在門電路的輸入端接入保護(hù)電阻。輸入端接長(zhǎng)線時(shí)，應(yīng)在門電路的輸入端接入保護(hù)電阻。第二節(jié)第二節(jié) CMOSCMOS門電路門電路343. CMOS電路鎖定效應(yīng)的防護(hù)電路鎖定效應(yīng)的防護(hù)鎖定效應(yīng)或稱為可控硅效應(yīng)，鎖定效應(yīng)或稱為可控硅效應(yīng)，是是CMOS電路中的一個(gè)特有問題。電路中的一個(gè)特有問題。發(fā)生鎖定效應(yīng)以后往往