反相器工作原理課件

1、3.5CMOS電路3.5.1CMOS反相器工作原理3.5.2CMOS反相器的主要特性3.5.3CMOS傳輸門3.5.4CMOS邏輯門電路3.5.5CMOS電路的鎖定效應(yīng)及 正確使用方法圖3-5-1 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.5.1CMOS反相器工作原理CMOS反相器由一個P溝道增強型MOS管和一個N溝道增強型MOS管串聯(lián)組成。通常P溝道管作為負(fù)載管，N溝道管作為輸入管。兩個MOS管的開啟電壓VGS(th)P0，通常為了保證正常工作，要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。若輸入vI為低電平(如0V)，則負(fù)載管導(dǎo)通，輸入管截止，輸出電壓接近VDD。若輸入vI為

2、高電平(如VDD)，則輸入管導(dǎo)通，負(fù)載管截止，輸出電壓接近0V。圖3-5-2 CMOS反相器電壓傳輸特性vIvOOVDDVDDVDD+VGS(th)PVGS(th)N3.5.2CMOS反相器的主要特性電壓傳輸特性和電流傳輸特性CMOS反相器的電壓傳輸特性曲線可分為五個工作區(qū)。工作區(qū)：由于輸入管截止，故vO=VDD，處于穩(wěn)定關(guān)態(tài)。工作區(qū)：PMOS和NMOS均處于飽和狀態(tài)，特性曲線急劇變化，vI值等于閾值電壓Vth。工作區(qū)：負(fù)載管截止，輸入管處于非飽和狀態(tài)，所以vO0V，處于穩(wěn)定的開態(tài)。工作區(qū)輸入電壓vI范圍PMOS管NMOS管輸出0 vI VGS(th)N非飽和截止vO VDDVGS(th)N

3、vI vO+ VGS(th)P非飽和飽和vO+ VGS(th)P vI vO+ VGS(th)N飽和飽和vO+ VGS(th)N vI VDD+ VGS(th)P飽和非飽和VDD+ VGS(th)P vI VDD截止非飽和vO0表3-5-1 CMOS電路MOS管的工作狀態(tài)表圖3-5-3 CMOS反相器電流傳輸特性vIOVDDiDSVDD+VGS(th)PVGS(th)NV thCMOS反相器的電流傳輸特性曲線，只在工作區(qū)時，由于負(fù)載管和輸入管都處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，會產(chǎn)生一個較大的電流。其余情況下，電流都極小。圖3-5-4 CMOS輸入保護(hù)電路vOVDDTPTNvIC1D2N D1 D1C2PPP

4、NR輸入特性和輸出特性(1) 輸入特性為了保護(hù)柵極和襯底之間的柵氧化層不被擊穿，CMOS輸入端都加有保護(hù)電路。由于二極管的鉗位作用，使得MOS管在正或負(fù)尖峰脈沖作用下不易發(fā)生損壞。圖3-5-5 CMOS反相器輸入特性vIOVDDiI1V考慮輸入保護(hù)電路后，CMOS反相器的輸入特性如圖3-5-5所示。vO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOL圖3-5-6 輸出低電平等效電路圖3-5-7 輸出低電平時輸出特性VOL(vDSN)OIOL(iDSN)vI(vGSN)(2) 輸出特性a. 低電平輸出特性當(dāng)輸入vI為高電平時，負(fù)載管截止，輸入管導(dǎo)通，負(fù)載電流IOL灌入輸入管，如圖3-5-6 所示。灌

5、入的電流就是N溝道管的iDS，輸出特性曲線如圖3-5-7 所示。輸出電阻的大小與vGSN(vI)有關(guān)，vI越大，輸出電阻越小，反相器帶負(fù)載能力越強。電源特性CMOS反相器的電源特性包含工作時的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。靜態(tài)功耗非常小，通?？珊雎圆挥?。CMOS反相器的功耗主要取決于動態(tài)功耗，尤其是在工作頻率較高時，動態(tài)功耗比靜態(tài)功耗大得多。當(dāng)CMOS反相器工作在第工作區(qū)時，將產(chǎn)生瞬時大電流，從而產(chǎn)生瞬時導(dǎo)通功耗PT。此外，動態(tài)功耗還包括在狀態(tài)發(fā)生變化時，對負(fù)載電容充、放電所消耗的功耗。TP圖3-5-10 CMOS傳輸門及其邏輯符號VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIv

6、I/vOCTN3.5.3CMOS傳輸門CMOS傳輸門是由P溝道和N溝道增強型MOS管并聯(lián)互補組成。當(dāng)C=0V，C=VDD時，兩個MOS管都截止。輸出和輸入之間呈現(xiàn)高阻抗，傳輸門截止。當(dāng)C=VDD，C=0V時，總有一個MOS管導(dǎo)通，使輸出和輸入之間呈低阻抗，傳輸門導(dǎo)通。TP圖3-5-11 傳輸門高、低電平傳輸情況VDDC=0C=VDDvOvI=VDDTNDSSDCLTPVDDC=0C=VDDvOvITNSDDSCL(a) 高電平傳輸(b) 低電平傳輸傳輸門傳輸高電平信號時，若控制信號C為有效電平，則傳輸門導(dǎo)通，電流從輸入端經(jīng)溝道流向輸出端，向負(fù)載電容CL充電，直至輸出電平與輸入電平相同，完成高電

7、平的傳輸。若傳輸?shù)碗娖叫盘?，電流從輸出端流向輸入端，?fù)載電容CL經(jīng)傳輸門向輸入端放電，輸出端從高電平降為與輸入端相同的低電平，完成低電平傳輸。YVDDT1BTP圖3-5-12 CMOS與非門TPATNTNT4T3T2YVDDT1B圖3-5-13 CMOS或非門AT4T3T23.5.4CMOS邏輯門電路CMOS與非門、或非門當(dāng)輸入信號為0時，與之相連的N溝道MOS管截止，P溝道MOS管導(dǎo)通；反之則N溝道MOS管導(dǎo)通，P溝道MOS管截止。YVDDB圖3-5-14 帶緩沖級的與非門A上述電路雖然簡單，但存在一些嚴(yán)重缺點：(1) 輸出電阻受輸入端狀態(tài)的影響；(2) 當(dāng)輸入端數(shù)目增多時，輸出低電平也隨著

8、相應(yīng)提高，使低電平噪聲容限降低。解決方法：在各輸入端、輸出端增加一級反相器，構(gòu)成帶緩沖級的門電路。帶緩沖級的與非門是在或非門的輸入端、輸出端接入反相器構(gòu)成的。VDDEN圖3-5-15 三態(tài)輸出CMOS門 結(jié)構(gòu)之一AYVDD1TNTNTPTP三態(tài)輸出CMOS門三態(tài)輸出CMOS門是在普通門電路上，增加了控制端和控制電路構(gòu)成，一般有三種結(jié)構(gòu)形式。第一種形式：在反相器基礎(chǔ)上增加一對P溝道TP和N溝道TN MOS管。當(dāng)控制端為1時，TP和TN同時截止，輸出呈高阻態(tài)；當(dāng)控制端為0時，TP和TN同時導(dǎo)通，反相器正常工作。該電路為低電平有效的三態(tài)輸出門。A圖3-5-18 漏極開路輸出門VDD11&BVDD2R

9、L漏極開路輸出門如圖3-5-18所示，其原理與TTL開路輸出門相同。CMOS電路以其低功耗、高抗干擾能力等優(yōu)點得到廣泛的應(yīng)用。其工作速度已與TTL電路不相上下，而在低功耗方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于TTL電路。目前國產(chǎn)CMOS邏輯門有CC 4000系列和高速54HC/74HC系列，主要性能比較如下：253最高工作頻率/MHz692654HC/74HC系列8090318CC4000系列邊沿時間/ns傳輸延遲/ns電源電壓/V系 列表3-5-2 CMOS門性能比較P+N+N+N+P+P+N+P+RRWT2T4T6T3T1T5RSP阱N襯底VSSS2G2D2D1G1S1vOvIVDD圖3-5-19 CMOS反相器結(jié)

10、構(gòu)示意圖3.5.5CMOS電路的鎖定效應(yīng)及正確使用方法CMOS電路的鎖定效應(yīng)圖中的T1T6均為寄生三極管，是產(chǎn)生鎖定效應(yīng)的原因。CMOS器件使用時應(yīng)注意的問題(1) 輸入電路的靜電防護(hù)措施：運輸時最好使用金屬屏蔽層作為包裝材料；組裝、調(diào)試時，儀器儀表、工作臺面及烙鐵等均應(yīng)有良好接地；不使用的多余輸入端不能懸空，以免拾取脈沖干擾。(2) 輸入端加過流保護(hù)措施：在可能出現(xiàn)大輸入電流的場合必須加過流保護(hù)措施。如在輸入端接有低電阻信號源時、在長線接到輸入端時、在輸入端接有大電容時等，均應(yīng)在輸入端接入保護(hù)電阻RP。(3) 防止CMOS器件產(chǎn)生鎖定效應(yīng)措施：在輸入端和輸出端設(shè)置鉗位電路；在電源輸入端加去耦

11、電路，在VDD輸入端與電源之間加限流電路，防止VDD端出現(xiàn)瞬態(tài)高壓；在vI輸入端與電源之間加限流電阻，使得即使發(fā)生了鎖定效應(yīng)，也能使T1、T2電源限制在一定范圍內(nèi)，不致于損壞器件。如果一個系統(tǒng)中由幾個電源分別供電時，各電源開關(guān)順序必須合理，啟動時應(yīng)先接通CMOS電路的電源，再接入信號源或負(fù)載電路；關(guān)閉時，應(yīng)先切斷信號源和負(fù)載電路，再切斷CMOS電源。電路類型電源電壓/V傳輸延遲時間/ns靜態(tài)功耗/mW功耗延遲積/mW-ns直流噪聲容限輸出邏輯擺幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列5.222