數(shù)字電子技術(shù)經(jīng)典教程_CMOS門電路

1、第第2章章 邏輯門電路邏輯門電路與非門與非門的邏輯功能：的邏輯功能： 輸入有輸入有“0”，輸出為，輸出為“1” 輸入全為輸入全為“1”，輸出才為，輸出才為“0”F1=AB或非門或非門的邏輯功能：的邏輯功能： 輸入有輸入有“1”，輸出為，輸出為“0” 輸入全為輸入全為“0”，輸出才為，輸出才為“1”F2=A+B問題的提出問題的提出內(nèi)部電路是什么樣的，如何實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能？內(nèi)部電路是什么樣的，如何實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能？內(nèi)部電路不同，邏輯功能相同，如何正確使用？內(nèi)部電路不同，邏輯功能相同，如何正確使用？異或門異或門的邏輯功能：的邏輯功能： 輸入相同，輸出為輸入相同，輸出為“0” 輸入不同，輸出為輸入

2、不同，輸出為“1”ABF=1F=A B問題的提出問題的提出本章的教學(xué)目標(biāo)本章的教學(xué)目標(biāo) 理解理解CMOS門電路結(jié)構(gòu)與工作原理門電路結(jié)構(gòu)與工作原理 掌握掌握CMOSCMOS門電路外特性，正確使用門電路外特性，正確使用CMOSCMOS門電路門電路 理解理解TTL門電路結(jié)構(gòu)與工作原理門電路結(jié)構(gòu)與工作原理 掌握掌握TTLTTL門電路外特性，正確使用門電路外特性，正確使用TTLTTL門電路門電路門電路的分類門電路的分類集集成成邏邏輯輯門門雙極型集成邏輯門雙極型集成邏輯門MOS集成邏輯門集成邏輯門按制造工藝分按制造工藝分PMOSNMOSCMOS按集成度分按集成度分SSI（ 10個等效門）個等效門）MSI（

3、100100個等效門）個等效門）LSI （10104 4個等效門）個等效門）VLSI（10104 4個以上等效門）個以上等效門）TTL、ECLI2L、HTL2.1 CMOS2.1 CMOS門電路門電路MOSMOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性CMOSCMOS反相器反相器CMOSCMOS與非門和或非門與非門和或非門CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性CMOSCMOS傳輸門傳輸門改進(jìn)型改進(jìn)型CMOSCMOS門電門電路路MOSMOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性 MOS管又稱為絕緣柵型場效應(yīng)三極管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisteor

4、, MOSFET） MOS管分為N溝道MOS管（NMOS）和P溝道MOS管（PMOS），它們的工作原理基本相同。P型襯底BSiO2N+N+SDG 取一塊取一塊P型半導(dǎo)體作為襯底，型半導(dǎo)體作為襯底，用用B表示。表示。 用氧化工藝生成一層用氧化工藝生成一層SiO2 薄膜絕緣層。薄膜絕緣層。 用光刻工藝腐蝕出兩個孔。用光刻工藝腐蝕出兩個孔。 擴(kuò)散兩個高摻雜的擴(kuò)散兩個高摻雜的N型區(qū)。型區(qū)。從而形成兩個從而形成兩個PN結(jié)。（綠色部結(jié)。（綠色部分）分） 從從N型區(qū)引出電極，一個是型區(qū)引出電極，一個是漏極漏極D，一個是源極，一個是源極S。 在源極和漏極之間的絕緣層在源極和漏極之間的絕緣層上鍍一層金屬鋁作為柵

5、極上鍍一層金屬鋁作為柵極G。DGSBDGSBNMOS管的結(jié)構(gòu)和符號管的結(jié)構(gòu)和符號 1 1 vDS=0，vGS0SDGPN+N+SiO型襯底DSUGSU2=0空穴正離子電子負(fù)離子 vGS0將在絕緣層產(chǎn)生電場，將在絕緣層產(chǎn)生電場， 該電場將該電場將SiO2絕緣層下方的絕緣層下方的空穴推走，同時將襯底的電子吸引到下方，形成導(dǎo)電溝道?？昭ㄍ谱?，同時將襯底的電子吸引到下方，形成導(dǎo)電溝道。反型層 產(chǎn)生有漏極電流產(chǎn)生有漏極電流ID。這說這說明明vGS對對ID的控制作用。的控制作用。0DSUMOS管的工作原理管的工作原理 2 2 vDS0，vGS0 思考：思考：何謂反型層？何謂開啟何謂反型層？何謂開啟電壓？電

6、壓？NMOS管和管和PMOS管的通斷條件管的通斷條件NMOS當(dāng)當(dāng)vGSVTN時導(dǎo)通時導(dǎo)通當(dāng)當(dāng)vGSVTN時截止時截止PMOS當(dāng)當(dāng) vGS VTP時導(dǎo)通時導(dǎo)通 當(dāng)當(dāng) vGS VTP時截止時截止 （1）當(dāng)）當(dāng)vGS=0時，時，rds可達(dá)到可達(dá)到106。當(dāng)。當(dāng)vGS增加時，增加時，rds減小減小，最小可達(dá)到，最小可達(dá)到10左右，因此，左右，因此，MOS管可看成由電壓控制管可看成由電壓控制的電阻。的電阻。（2）MOS管的門極有非常高的輸入阻抗。管的門極有非常高的輸入阻抗。MOS管的電路模型管的電路模型 CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)反相器的電路結(jié)構(gòu)CMOSCMOS反相器反相器漏極相連漏極相連做輸出端做輸出端

7、PMOSNMOS柵極相連柵極相連做輸入端做輸入端 CMOS非門的工作原理非門的工作原理CMOSCMOS反相器反相器 如果將如果將0V定義為定義為0，邏輯，邏輯VDD定義為邏輯定義為邏輯1，將實(shí)現(xiàn)邏輯將實(shí)現(xiàn)邏輯“非非”功能功能 。AF 1.1.當(dāng)當(dāng)vI=0V時，時，vGSN=0V，VTN截止，截止， vGSP =VDD ，VTP導(dǎo)通，導(dǎo)通，vOVDD，門電路輸出輸出高電平；門電路輸出輸出高電平；2.當(dāng)當(dāng)vI=VDD時，時，VGSN=VDD ，VTN導(dǎo)通，導(dǎo)通， VGSP =0V，VTP截止，截止，vO0V，門電路輸出低電平，門電路輸出低電平。 CMOS與非門與非門CMOSCMOS或非門和與非門或

8、非門和與非門00通通通通止止止止1ABY CMOSCMOS或非門和與非門或非門和與非門止止止止100通通通通 CMOS二輸入或非門二輸入或非門BAY思思 考考 題題 CMOS門電路結(jié)構(gòu)上有什么特點(diǎn)？門電路結(jié)構(gòu)上有什么特點(diǎn)？ 如何分析如何分析CMOS門電路的邏輯功能？門電路的邏輯功能？1 1電壓傳輸特性電壓傳輸特性 用來描述輸入電壓和輸出電壓關(guān)系的曲線，就稱為門電用來描述輸入電壓和輸出電壓關(guān)系的曲線，就稱為門電路的路的電壓傳輸特性電壓傳輸特性。 V2vIvOV11CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性測量電路測量電路vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/VAB段段：vI1.5

9、V， VTN截止，截止， VTP導(dǎo)通，輸出電壓導(dǎo)通，輸出電壓vOVDD CD段段：vI3.5V， VTN導(dǎo)通，導(dǎo)通， VTP截止，輸出電壓截止，輸出電壓vO0V BC段段：1.5VvI3.5V ，VTP、VTN均導(dǎo)通。當(dāng)均導(dǎo)通。當(dāng)vI =VDD2時，時， VTP和和VTN 導(dǎo)通程度相當(dāng)。導(dǎo)通程度相當(dāng)。CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/VAB段段：VTN管截止，電阻非常大，所以流過管截止，電阻非常大，所以流過VTN和和VTP管的管的漏極電流幾乎為漏極電流幾乎為0。 CD段段：VTP管截止，電阻非常大，所以流過管截止，電阻非常大，所以流

10、過VTN和和VTP管的管的漏極電流也幾乎為漏極電流也幾乎為0。 BC段段：兩個管均導(dǎo)通，電阻很小，所以流過：兩個管均導(dǎo)通，電阻很小，所以流過VTN和和VTP管的管的漏極電流也很大。漏極電流也很大。 CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性動態(tài)尖峰電流動態(tài)尖峰電流 CD4000 系列門電路的系列門電路的極限參數(shù)（極限參數(shù)（ VDD=5V）輸出高電平電壓輸出高電平電壓VOH ，VOH（min）= VDD-0.1V輸出低電平電壓輸出低電平電壓VOL ，VOL（max）= 0.1V輸入高電平電壓輸入高電平電壓VIH ，VIH（min）= 70%VDD輸入低電平電壓輸入低電平電壓VIL，VIL（

11、max）= 30%VDD 閾值電壓閾值電壓VTH=1/2VDDCMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性噪聲容限噪聲容限 低電平噪聲容限低電平噪聲容限高電平噪聲容限高電平噪聲容限CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性VNL=VIL（max）VOL（max）VNH= VOH（min） VIH（min）G111G2VOL（max）VIH（min）VOH（min）VIL（max）VNL=VIL（max）VOL（max）=1.5V0.1V=1.4V CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性例：某集成電路芯片，查手冊知其最大輸出低電平例：某集成電路芯片，查手冊知其最大輸出低電平V

12、OL（max）=0.1V，最大輸入低電平，最大輸入低電平VIL（max）=1.5V，最小輸出高電平，最小輸出高電平 VOH（max）=4.9V，最小輸入高電平，最小輸入高電平VIH（max）=3.5V，則其低電平，則其低電平噪聲容限噪聲容限VNL= 。（1）2.0V （2）1.4V （3）1.6V （4）1.2V 2. 2. 靜態(tài)輸入特性靜態(tài)輸入特性 CMOS門電路的輸入阻抗非常大。門電路的輸入阻抗非常大。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：幾乎不吸收電流。：幾乎不吸收電流。一般來說，高電平輸入電一般來說，高電平輸入電流流IIH1A，低電平輸入電，低電平輸入電流流IIL1A。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：容易接收干擾甚至損壞門電路。：

13、容易接收干擾甚至損壞門電路。 措施措施：輸入級一般都加了保護(hù)電路。：輸入級一般都加了保護(hù)電路。 CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性3. 3. 靜態(tài)輸出特性靜態(tài)輸出特性 當(dāng)門電路輸出低電平時當(dāng)門電路輸出低電平時 結(jié)論：灌電流（結(jié)論：灌電流（sinking current）負(fù)載提高了低電平輸出）負(fù)載提高了低電平輸出電壓電壓VOL。 IOL：參數(shù)由廠商提供，對于：參數(shù)由廠商提供，對于CD4011，當(dāng)，當(dāng)VDD=5V，VO=0.4V時，時，IOL（min） =0.44mACMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性 當(dāng)門電路輸出高電平時當(dāng)門電路輸出高電平時 結(jié)論：拉電流（結(jié)論：拉電流

14、（sourcing current）負(fù)載降低了高電平輸）負(fù)載降低了高電平輸出電壓出電壓VOH。 CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性IOH：參數(shù)由廠商提供，對于：參數(shù)由廠商提供，對于CD4011，當(dāng)，當(dāng)VDD=5V，VO=4.6V時，時，IOHmin =0.44mA 扇出系數(shù)扇出系數(shù) CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性低電平時扇出系數(shù)：低電平時扇出系數(shù)：）（）（maxILmaxOLLIIN高電平時扇出系數(shù)：高電平時扇出系數(shù)：）（）（maxIHmaxOHHIIN 傳輸傳輸延遲時間（延遲時間（Popagation Delay） 平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間 P PL

15、LH HP PH HL LP PD D2 21 1tttCMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性tPHLtPLHvIvO4. 4. 動態(tài)特性動態(tài)特性 動態(tài)功耗動態(tài)功耗 CMOS門電路的靜態(tài)功耗非常低。門電路的靜態(tài)功耗非常低。 CMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性fVCP2DDLC（1）由負(fù)載電容產(chǎn)生的動態(tài)功耗）由負(fù)載電容產(chǎn)生的動態(tài)功耗 動態(tài)功耗動態(tài)功耗 fVCP2 2DDDDPDPDT TCMOSCMOS門電路的電氣特性門電路的電氣特性（2）由動態(tài)尖峰電流產(chǎn)生的瞬時動態(tài)功耗）由動態(tài)尖峰電流產(chǎn)生的瞬時動態(tài)功耗 （3）總的動態(tài)功耗）總的動態(tài)功耗 fVCCPPP2DDPDLTCD

16、）（CMOSCMOS電路的特點(diǎn)電路的特點(diǎn)1. 功耗小功耗?。篊MOS門工作時，總是一管導(dǎo)通另一管門工作時，總是一管導(dǎo)通另一管截止，因而幾乎不由電源吸取電流其功耗極小；截止，因而幾乎不由電源吸取電流其功耗極小；2. 2. CMOS集成電路功耗低內(nèi)部發(fā)熱量小，集成電路功耗低內(nèi)部發(fā)熱量小，集成度可集成度可大大提高；大大提高； 3. 3. 抗幅射能力強(qiáng)抗幅射能力強(qiáng)，MOS管是多數(shù)載流子工作，射線管是多數(shù)載流子工作，射線輻輻 射對多數(shù)載流子濃度影響不大；射對多數(shù)載流子濃度影響不大；4. 4. 電壓范圍寬電壓范圍寬：CMOS門電路輸出高電平門電路輸出高電平VOH VDD，低電平，低電平VOL 0V；5.

17、5. 輸出驅(qū)動電流比較大輸出驅(qū)動電流比較大：扇出能力較大，一般可：扇出能力較大，一般可以大于以大于5050；6. 6. 在使用和存放時應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時電烙在使用和存放時應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時電烙鐵應(yīng)接地良好。鐵應(yīng)接地良好。電路結(jié)構(gòu)和工作原理：電路結(jié)構(gòu)和工作原理：當(dāng)當(dāng)C為低電平時，為低電平時， VTN、VTP截止，傳輸門斷開；截止，傳輸門斷開； 當(dāng)當(dāng)C為高電平時，為高電平時， VTN、VTP中至少有一只管子導(dǎo)通，中至少有一只管子導(dǎo)通，使使vO=vI，傳輸門接通。，傳輸門接通。 傳輸門相當(dāng)于一個理想的開關(guān)，且是一個雙向開關(guān)。傳輸門相當(dāng)于一個理想的開關(guān)，且是一個雙向開關(guān)。CMOSCMOS傳輸門

18、傳輸門（1）構(gòu)成組合邏輯電路構(gòu)成組合邏輯電路CMOSCMOS傳輸門傳輸門當(dāng)當(dāng)S=0時，時，Z=X；當(dāng)；當(dāng)S=1時，時，Z=Y。為。為2選選1數(shù)據(jù)選擇器。數(shù)據(jù)選擇器。 傳輸門的應(yīng)用：傳輸門的應(yīng)用：（2）構(gòu)成構(gòu)成模擬開關(guān)模擬開關(guān)CMOSCMOS傳輸門傳輸門 控制模擬信號傳輸?shù)囊环N電子開關(guān)，通與斷是由數(shù)控制模擬信號傳輸?shù)囊环N電子開關(guān)，通與斷是由數(shù)字信號控制的。字信號控制的。改進(jìn)型改進(jìn)型CMOSCMOS門電路門電路CMOS門電路幾種常見系列：門電路幾種常見系列：（1）CD4000系列：基本系列，速度較慢系列：基本系列，速度較慢（2）74HC系列：速度比系列：速度比CD4000系列提高近系列提高近10倍

19、倍（3）74HCT系列：與系列：與LSTTL門電路兼容門電路兼容（4）LVC系列：低電壓系列系列：低電壓系列（5）BiCMOS系列系列改進(jìn)型改進(jìn)型CMOSCMOS門電路門電路BiCMOS反相器反相器 當(dāng)vI輸入高電平時，VTN1、VTN2和VT2導(dǎo)通，VTP、VTN3和VT1截止，vO輸出低電平。 當(dāng)vI輸入低電平時，VTP1、VTN3和VT1導(dǎo)通，VTN1、VTN2和VT2截止，vO輸出高電平。輸入和輸出實(shí)現(xiàn)非邏輯。 改進(jìn)型改進(jìn)型CMOSCMOS門電路門電路BiCMOS門電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)門電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（1）BiCMOS門的輸出電路總是由兩個門的輸出電路總是由兩個NPN晶體管組成推晶體管組成推拉式結(jié)構(gòu)。拉式結(jié)構(gòu)。（2）連接上方（射隨輸出）晶體管基極的內(nèi)部電路總是該）連接上方（射隨輸出）晶體管基極的內(nèi)部電路總是該門電路的基本功能電路部分。門電路的基本功能電路部分。（3）下方（反相輸出）晶體管基極