CMOS反相器詳解實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1CMOS反相器詳解實(shí)用2023/1/172復(fù)習(xí)為什么要用OC門(mén)？OC門(mén)的工作條件？OC門(mén)有何應(yīng)用？三態(tài)門(mén)有哪三態(tài)？三態(tài)門(mén)有何應(yīng)用？第1頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/173

MOS門(mén)電路：以MOS管作為開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的門(mén)電路。

MOS門(mén)電路，尤其是CMOS門(mén)電路具有制造工藝簡(jiǎn)單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得到了十分迅速的發(fā)展。2.5CMOS門(mén)電路第2頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1742.5.1CMOS反相器1．MOS管的開(kāi)關(guān)特性MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。當(dāng)NMOS管和PMOS管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱(chēng)為CMOS管(意為互補(bǔ))。

MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。返回第3頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/175圖2-24NMOS管的電路符號(hào)及轉(zhuǎn)移特性

(a)電路符號(hào)（b）轉(zhuǎn)移特性D接正電源截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小

（1）NMOS管的開(kāi)關(guān)特性

第4頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/176圖2-25PMOS管的電路符號(hào)及轉(zhuǎn)移特性

(a)電路符號(hào)（b）轉(zhuǎn)移特性D接負(fù)電源

（2）PMOS管的開(kāi)關(guān)特性

導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小截止第5頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/177圖2-26CMOS反相器PMOS管負(fù)載管NMOS管驅(qū)動(dòng)管

開(kāi)啟電壓|UTP|=UTN，且小于VDD。2．CMOS反相器的工作原理

（1）基本電路結(jié)構(gòu)第6頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/178

（2）工作原理圖2-26CMOS反相器UIL=0V截止導(dǎo)通UOH≈VDD當(dāng)uI=UIL=0V時(shí)，VTN截止，VTP導(dǎo)通，

uO=UOH≈VDD

第7頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/179圖2-26CMOS反相器UIH=VDD截止UOL≈0V當(dāng)uI=UIH=VDD

，VTN導(dǎo)通，VTP截止，uO=UOL≈0V導(dǎo)通第8頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1710

（3）邏輯功能實(shí)現(xiàn)反相器功能（非邏輯）。（4）工作特點(diǎn)

VTP和VTN總是一管導(dǎo)通而另一管截止，流過(guò)VTP和VTN的靜態(tài)電流極?。{安數(shù)量級(jí)），因而CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小。這是CMOS電路最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。第9頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1711圖2-27CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性

3．電壓傳輸特性和電流傳輸特性AB段：截止區(qū)iD為0BC段：轉(zhuǎn)折區(qū)閾值電壓UTH≈VDD/2轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)：電流最大CMOS反相器在使用時(shí)應(yīng)盡量避免長(zhǎng)期工作在BC段。CD段：導(dǎo)通區(qū)第10頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/17124.CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)

（1）微功耗。

CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級(jí)。（2）抗干擾能力很強(qiáng)。輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。（3）電源電壓范圍寬。多數(shù)CMOS電路可在3～18V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作。

（4）輸入阻抗高。（5）負(fù)載能力強(qiáng)。

CMOS電路可以帶50個(gè)同類(lèi)門(mén)以上。（6）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平VDD）第11頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/17132.5.2其它類(lèi)型的CMOS門(mén)電路

負(fù)載管串聯(lián)（串聯(lián)開(kāi)關(guān)）1．CMOS或非門(mén)

驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)（并聯(lián)開(kāi)關(guān)）圖2-28CMOS或非門(mén)

A、B有高電平，則驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，輸出為低電平。10截止導(dǎo)通返回第12頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1714

該電路具有或非邏輯功能,即Y=A+B

當(dāng)輸入全為低電平，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管均截止，兩個(gè)負(fù)載管均導(dǎo)通，輸出為高電平。00截止導(dǎo)通1第13頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1715圖2-29CMOS與非門(mén)

該電路具有與非邏輯功能，即Y=AB2．CMOS與非門(mén)

負(fù)載管并聯(lián)（并聯(lián)開(kāi)關(guān)）

驅(qū)動(dòng)管串聯(lián)（串聯(lián)開(kāi)關(guān)）第14頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1716

（1）電路結(jié)構(gòu)

C和C是一對(duì)互補(bǔ)的控制信號(hào)。由于VTP和VTN在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)，所以圖中的輸入和輸出端可以互換，又稱(chēng)雙向開(kāi)關(guān)。3．CMOS傳輸門(mén)

圖2-30CMOS傳輸門(mén)（a）電路（b）邏輯符號(hào)第15頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1717若C=1（接VDD)、C=0（接地），當(dāng)0＜uI＜(VDD－|UT|)時(shí)，VTN導(dǎo)通；當(dāng)|UT|＜uI＜VDD

時(shí)，VTP導(dǎo)通；

uI在0~VDD之間變化時(shí)，VTP和VTN至少有一管導(dǎo)通，使傳輸門(mén)TG導(dǎo)通。（2）工作原理（了解）若C=0（接地)、C=1（接VDD

），

uI在0~VDD

之間變化時(shí)，VTP和VTN均截止，即傳輸門(mén)TG截止。第16頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1718

（3）應(yīng)用舉例圖2-31CMOS模擬開(kāi)關(guān)

①CMOS模擬開(kāi)關(guān)：實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開(kāi)關(guān)的功能。

C=0時(shí)，TG1導(dǎo)通、TG2截止，uO=uI1；

C=1時(shí)，TG1截止、TG2導(dǎo)通，uO=uI2。第17頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1719圖2-32CMOS三態(tài)門(mén)(a)電路(b)邏輯符號(hào)

當(dāng)EN=0時(shí)，TG導(dǎo)通，F(xiàn)=A；當(dāng)EN=1時(shí)，TG截止，F(xiàn)為高阻輸出。②CMOS三態(tài)門(mén)第18頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/17202.6.1CMOS門(mén)電路的使用知識(shí)

1．輸入電路的靜電保護(hù)

CMOS電路的輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，給使用者帶來(lái)很大方便。但是，這種保護(hù)還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：2.6CMOS門(mén)電路和TTL門(mén)電路的使用知識(shí)及相互連接返回第19頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1721

（1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。（2）存儲(chǔ)和運(yùn)輸CMOS電路，最好采用金屬屏蔽層做包裝材料。2．多余的輸入端不能懸空。輸入端懸空極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對(duì)多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)使用。第20頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/17222.6.2TTL門(mén)電路的使用知識(shí)

1．多余或暫時(shí)不用的輸入端不能懸空，可按以下方法處理：（1）與其它輸入端并聯(lián)使用。（2）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接地。比如將與門(mén)、與非門(mén)的多余輸入端接電源，將或門(mén)、或非門(mén)的多余輸入端接地。返回第21頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1723

(1)在每一塊插板的電源線上，并接幾十μF的低頻去耦電容和0.01~0.047μF的高頻去耦電容，以防止TTL電路的動(dòng)態(tài)尖峰電流產(chǎn)生的干擾。

(2)整機(jī)裝置應(yīng)有良好的接地系統(tǒng)。2．電路的安裝應(yīng)盡量避免干擾信號(hào)的侵入，保證電路穩(wěn)定工作。第22頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/17242.6.3TTL門(mén)電路和CMOS門(mén)電路

的相互連接

TTL和CMOS電路的電壓和電流參數(shù)各不相同，需要采用接口電路。一般要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是要求電平匹配，即驅(qū)動(dòng)門(mén)要為負(fù)載門(mén)提供符合標(biāo)準(zhǔn)的輸出高電平和低電平；二是要求電流匹配，即驅(qū)動(dòng)門(mén)要為負(fù)載門(mén)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。返回第23頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/17251.

TTL門(mén)驅(qū)動(dòng)CMOS門(mén)（1）電平不匹配

TTL門(mén)作為驅(qū)動(dòng)門(mén)，它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；CMOS門(mén)作為負(fù)載門(mén)，它的UIH≥3.5V，UIL≤1V?？梢?jiàn)，TTL門(mén)的UOH不符合要求。（2）電流匹配

CMOS電路輸入電流幾乎為零，所以不存在問(wèn)題。第24頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1726

（3）解決電平匹配問(wèn)題圖2-33TTL門(mén)驅(qū)動(dòng)CMOS門(mén)①外接上拉電阻RP在TTL門(mén)電路的輸出端外接一個(gè)上拉電阻RP，使TTL門(mén)電路的UOH≈5V。（當(dāng)電源電壓相同時(shí)）

第25頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1727②選用電平轉(zhuǎn)換電路(如CC40109)若電源電壓不一致時(shí)可選用電平轉(zhuǎn)換電路。

CMOS電路的電源電壓可選3~18V；而TTL電路的電源電壓只能為5V。③采用TTL的OC門(mén)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。若電源電壓不一致時(shí)也可選用OC門(mén)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。第26頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/17282.CMOS門(mén)驅(qū)動(dòng)TTL門(mén)（1）電平匹配

CMOS門(mén)電路作為驅(qū)動(dòng)門(mén)，UOH≈5V，UOL≈0V；

TTL門(mén)電路作為負(fù)載門(mén)，UIH≥2.0V，UIL≤0.8V。電平匹配是符合要求的。（2）電流不匹配

CMOS門(mén)電路4000系列最大允許灌電流為0.4mA，

TTL門(mén)電路的IIS≈1.4mA，

CMOS4000系列驅(qū)動(dòng)電流不足。第27頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1729

（3）解決電流匹配問(wèn)題

CMOS電路常用的是4000系列和54HC/74HC系列產(chǎn)品，后幾位的序號(hào)不同，邏輯功能也不同。①選用CMOS緩沖器比如，CC4009的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)4mA。②選用高速CMOS系列產(chǎn)品選用CMOS的54HC/74HC系列產(chǎn)品可以直接驅(qū)動(dòng)TTL電路。第28頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1730表2-7各種系列門(mén)電路的主要參數(shù)第29頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1731表2-8常用集成門(mén)電路(TTL系列）

型號(hào)名稱(chēng)主要功能74LS00四2輸入與非門(mén)

74LS02四2輸入或非門(mén)

74LS04六反相器

74LS05六反相器OC門(mén)74LS08四2輸入與門(mén)

74LS13雙4輸入與非門(mén)施密特觸發(fā)74LS308輸入與非門(mén)

74LS32四2輸入或門(mén)

74LS644-2-3-2輸入與或非門(mén)

74LS13313輸入與非門(mén)

74LS136四異或門(mén)OC輸出74LS365六總線驅(qū)動(dòng)器同相、三態(tài)、公共控制74LS368六總線驅(qū)動(dòng)器反相、三態(tài)、兩組控制第30頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1732表2-8常用集成門(mén)電路(CMOS系列）

型號(hào)名稱(chēng)主要功能CC4001四2輸入或非門(mén)

CC4011四2輸入與非門(mén)

CC4030四異或門(mén)

CC4049六反相器

CC4066四雙向開(kāi)關(guān)

CC4071四2輸入或門(mén)

CC4073三3輸入與門(mén)

CC4077四異或非門(mén)

CC40788輸入或/或非門(mén)

CC40862-2-2-2輸入與或非門(mén)可擴(kuò)展CC4097雙8選1模擬開(kāi)關(guān)

CC4502六反相器/緩沖器三態(tài)、有選通端第31頁(yè)/共34頁(yè)2023/1/1733本章小結(jié)門(mén)電