第二章門(mén)電路

1、第二章第二章 門(mén)電路門(mén)電路2.1 概述概述2.2 半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性2.3 最簡(jiǎn)單的與、或、非門(mén)電路最簡(jiǎn)單的與、或、非門(mén)電路2.4 TTL門(mén)電路門(mén)電路2.6 CMOS門(mén)電路門(mén)電路2.1 概概 述述一、門(mén)電路一、門(mén)電路 實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和常用復(fù)合邏輯運(yùn)算的電子電路。實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和常用復(fù)合邏輯運(yùn)算的電子電路。與與 或或 非非 與與 非非 或或 非非 異或異或與或非與或非與與 門(mén)門(mén)或或 門(mén)門(mén)非非 門(mén)門(mén)與與 非非 門(mén)門(mén)或或 非非 門(mén)門(mén)異或門(mén)異或門(mén)與或非門(mén)與或非門(mén)二、兩狀態(tài)開(kāi)關(guān)二、兩狀態(tài)開(kāi)關(guān) S 由由二極管二極管或或三極管三極管組成，通過(guò)輸入信號(hào)控制二組成，

2、通過(guò)輸入信號(hào)控制二極管或三極管的工作狀態(tài)，起開(kāi)關(guān)作用。極管或三極管的工作狀態(tài)，起開(kāi)關(guān)作用。斷開(kāi)斷開(kāi)閉合閉合高電平高電平低電平低電平1001SOv邏輯狀態(tài)邏輯狀態(tài)VccIvSOv輸輸入入信信號(hào)號(hào)輸輸出出信信號(hào)號(hào)S三、高、低電平與正、負(fù)邏輯三、高、低電平與正、負(fù)邏輯負(fù)邏輯負(fù)邏輯正邏輯正邏輯0110 正負(fù)邏輯之間存在著簡(jiǎn)單的正負(fù)邏輯之間存在著簡(jiǎn)單的對(duì)偶對(duì)偶關(guān)系。例如關(guān)系。例如正邏輯與門(mén)正邏輯與門(mén)等同于負(fù)邏輯或門(mén)等同于負(fù)邏輯或門(mén)。高電平用邏輯高電平用邏輯1表示，表示，低電平用邏輯低電平用邏輯0表示。表示。高電平用邏輯高電平用邏輯0表示，表示，低電平用邏輯低電平用邏輯1表示。表示。四、分立元件門(mén)電路和集

3、成門(mén)電路四、分立元件門(mén)電路和集成門(mén)電路1. 分立元件門(mén)電路分立元件門(mén)電路用分立的元器件和導(dǎo)線連接起來(lái)構(gòu)成的門(mén)電路。用分立的元器件和導(dǎo)線連接起來(lái)構(gòu)成的門(mén)電路。2. 集成門(mén)電路集成門(mén)電路 把構(gòu)成門(mén)電路的元器件和連線，都制作在一塊半導(dǎo)體把構(gòu)成門(mén)電路的元器件和連線，都制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起來(lái)。芯片上，再封裝起來(lái)。常用門(mén)電路常用門(mén)電路：CMOS 和和 TTL 集成門(mén)電路。集成門(mén)電路。注意：各種門(mén)電路的工作原理，只要求注意：各種門(mén)電路的工作原理，只要求一般掌握一般掌握； 而各種門(mén)電路的而各種門(mén)電路的外部特性外部特性和和應(yīng)用應(yīng)用是要求是要求重點(diǎn)重點(diǎn)。2.2 半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體二極

4、管和三極管的開(kāi)關(guān)特性一、一、 靜態(tài)特性靜態(tài)特性1.斷開(kāi)斷開(kāi)2.閉合閉合二、動(dòng)態(tài)特性二、動(dòng)態(tài)特性1.開(kāi)通時(shí)間開(kāi)通時(shí)間(斷開(kāi)斷開(kāi)閉合閉合)：2.關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間(閉合閉合斷開(kāi)斷開(kāi))：理想開(kāi)關(guān)理想開(kāi)關(guān)SAK+-VAKROFF= IOFF=0 0RON=0 0 VAK=0 0ton=0 0toff=0 0普通開(kāi)關(guān)：靜態(tài)特性好，動(dòng)態(tài)特性差。普通開(kāi)關(guān)：靜態(tài)特性好，動(dòng)態(tài)特性差。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)：靜態(tài)特性較差，動(dòng)態(tài)特性好。半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)：靜態(tài)特性較差，動(dòng)態(tài)特性好。幾百萬(wàn)幾百萬(wàn)/ /秒秒幾千萬(wàn)幾千萬(wàn)/ /秒秒2.2.1 半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性一、靜態(tài)特性一、靜態(tài)特性- -AK+ +vi硅二極管伏安特

5、性硅二極管伏安特性iv0等效伏安特性等效伏安特性VONiv0理想情況理想情況 VON=0 iv0VON=0.7V1.伏安特性伏安特性(1)外加正向電壓外加正向電壓v0.7V時(shí)時(shí)二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通( (相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合) )(2)外加電壓外加電壓v iC ， VCE(sat) 0.3V 。-特性曲線進(jìn)于水平的區(qū)域特性曲線進(jìn)于水平的區(qū)域3.基本開(kāi)關(guān)電路基本開(kāi)關(guān)電路(1) vI0 vGS =0 時(shí)時(shí)2. MOS管工作原理管工作原理（NMOS） MOS管是電壓控制器件，用管是電壓控制器件，用vGS控制漏極電流控制漏極電流iD。D-S 間不導(dǎo)通間不導(dǎo)通 iD=0+ +P型襯底型襯底( (B

6、) )N+N+S DGB- -+ +- -vGSvDSiD 柵源極間存在一個(gè)開(kāi)啟電壓柵源極間存在一個(gè)開(kāi)啟電壓 VGS(th) ，與管子構(gòu)造有關(guān)，與管子構(gòu)造有關(guān)， VGS(th)=13V。b.當(dāng)當(dāng)vGS VGS(th)時(shí)時(shí)(2) vDS 0 vGS 0 時(shí)時(shí)a.當(dāng)當(dāng)vGS VGS(th)時(shí)時(shí) 無(wú)論無(wú)論vDS多大多大，MOS管都截止，管都截止，iD=0。+ +P型襯底型襯底( (B) )N+N+S DGB- -+ +- -vGSvDSiD+ +P型襯底型襯底( (B) )N+N+S DGB- -+ +- -vGSvDSiD導(dǎo)電溝道導(dǎo)電溝道(反型層反型層)導(dǎo)電溝道的厚度與柵源導(dǎo)電溝道的厚度與柵源電壓

7、電壓vGS大小有關(guān)，而溝大小有關(guān)，而溝道越厚，管子的道越厚，管子的導(dǎo)通電導(dǎo)通電阻阻RON越小。因此，可通越小。因此，可通過(guò)過(guò)vGS控制漏極電流控制漏極電流iD 。 3.漏極特性漏極特性 -反映反映vDS與與iD關(guān)系的曲線關(guān)系的曲線()|DDSGSvif v常數(shù)SGDBiDvDSvGS+-+-2V3V4VvGS = 5ViD /mA43210246810vDS /V可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)截止區(qū)4.轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 ()|DGSDSvif v常數(shù)vGSVGS(th)時(shí)形成時(shí)形成iD 。iD /mA42643210vGS /VVGS(th)vDS =常數(shù)常數(shù)5.基本開(kāi)關(guān)電路基本開(kāi)關(guān)電

8、路SGDBiDvOvI+-+-RD+VDD(2)vI=VDD(1)vI=0MOS 管截止管截止若若RDRON，vO0=VLD-S間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合CISDGSDGRONCI6.開(kāi)關(guān)等效電路開(kāi)關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)DCI-柵極的輸入電容柵極的輸入電容(約為幾皮法約為幾皮法)7.動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性-延遲作用延遲作用iD /mAiD /mA-2-40-1-2-3-40-10 -8 -6 -4 -2- 2V- 3V- 4VvGS = - 5V-1-2-3-4-6vGS /VvDS /V可可變變電電阻阻區(qū)區(qū)恒流區(qū)恒流區(qū) 漏極特性漏極特性 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性VGS(th)vD

9、S = - 6V8.MOS管的類(lèi)型管的類(lèi)型P溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型N型襯底型襯底( (B) )P+P+S DGB柵極柵極 G漏極漏極 D源極源極 SP溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管管與與N溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型MOS管是對(duì)偶關(guān)系。管是對(duì)偶關(guān)系。柵極柵極 G漏極漏極 D源極源極 S耗耗盡盡型型增增強(qiáng)強(qiáng)型型柵極柵極 G漏極漏極 D源極源極 SNMOSPMOSB柵極柵極 G漏極漏極 D源極源極 SB柵極柵極 G漏極漏極 D源極源極 S GDS GDS統(tǒng)一統(tǒng)一統(tǒng)一統(tǒng)一2.3 最簡(jiǎn)單的與、或、非門(mén)電路最簡(jiǎn)單的與、或、非門(mén)電路2.3.1二極管與門(mén)二極管與門(mén)一、電路一、電路和符號(hào)和符號(hào)電路電路符號(hào)符號(hào)ABY&am

10、p;二、工作原理二、工作原理1.VA=VB =0V(低電平低電平)時(shí)時(shí)D1 、D2都導(dǎo)通都導(dǎo)通VY=0+0.7=0.7V (低電平低電平)YABRD2D1+VCC+5V3V0V2. VA=0V，VB =3V或或VA=3V，VB =0V時(shí)時(shí)VY=0+0.7=0.7V (低電平低電平) 由于二極管是共陽(yáng)極接法，所以由于二極管是共陽(yáng)極接法，所以二極管陰極電位二極管陰極電位誰(shuí)低誰(shuí)導(dǎo)通誰(shuí)低誰(shuí)導(dǎo)通。3. VA=VB =3V(高電平高電平)時(shí)時(shí)二極管二極管D1 、D2 都導(dǎo)通都導(dǎo)通VY=3+0.7=3.7V(高電平高電平)YABRD2D1+VCC+5V3V0V電壓關(guān)系表電壓關(guān)系表VY/V0.7VA/V VB

11、/VD1 D20 00 33 03 3導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止0.7截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通0.7導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通3.7A BY0 00 11 01 10001真值表真值表Y =ABYABRD2D13V0V符號(hào)符號(hào)ABY10 V0 V0 V3 V3 V0 V3 V3 V電壓關(guān)系表電壓關(guān)系表0 00 33 03 3截止截止截止截止0 0截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通2.3導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止2.3導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通2.3VY/VVA/V VB/VD1 D22.3.2 二極管或門(mén)二極管或門(mén)一、電路及符號(hào)一、電路及符號(hào)電路電路二、工作原理二、工作原理 A BY0 00 11 01 10111真值表真值表Y =A

12、+B正與門(mén)真值表正與門(mén)真值表正邏輯和負(fù)邏輯的對(duì)應(yīng)關(guān)系正邏輯和負(fù)邏輯的對(duì)應(yīng)關(guān)系A(chǔ) BY0 00 11 01 10001ABY = AB&負(fù)或門(mén)真值表負(fù)或門(mén)真值表A BY1 11 00 10 01110AB1BAY 同理：同理： 正或門(mén)正或門(mén)負(fù)與門(mén)負(fù)與門(mén)10 012.3.3 三極管非門(mén)（反相器）三極管非門(mén)（反相器）加負(fù)電源為加負(fù)電源為了可靠截止了可靠截止+VCCRCR1TA(vI)(vO)Y-VEER2AY1真值表真值表 A Y 0 1 1 0符號(hào)符號(hào)YAVCC=5V,VEE=8V, RC=1K , R1=3.3K, R2=10K,=20VCE(sat) =0.1V, VIH=5V , V

13、IL=0V具體分析：具體分析：VIR1R2VEE+-bevBRB+-be+VCCRCR1TA(vI)(vO)Y-VEER2利用戴維南定理將基極回路進(jìn)行等效利用戴維南定理將基極回路進(jìn)行等效1I1283.3( )13.3IEEIBIvVvvvRvVRR12123.3 102.53.3 10BR RRKRRT 截止截止OCC5VvVIIL1. 0VvV0803.3213.3BvV IIH2. 5VvVT導(dǎo)通導(dǎo)通BEBB1.8 0.7mA 0.44mA2.5BvViRCC()BSC5 0.1mA 0.25mA 20 1CE satVVIRBSBIi OCE(sat)0.1 V0vVT 飽和飽和5853

14、.31.813.3BvV反相器反相器+VCCRCRBTYvB+-1.體積大、工作不可靠；體積大、工作不可靠；2.需要不同電源；需要不同電源；3.各種門(mén)的輸入、輸出電平不匹配。各種門(mén)的輸入、輸出電平不匹配。分立元件門(mén)電路的缺點(diǎn)：分立元件門(mén)電路的缺點(diǎn)：2. 4 TTL 門(mén)電路門(mén)電路（TransistorTransistor Logic） 1961年美國(guó)德克薩斯儀器公司首先制成集成電路年美國(guó)德克薩斯儀器公司首先制成集成電路(Integrated Circuit，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)IC )。按制造工藝分類(lèi)：按制造工藝分類(lèi)：雙極型集成電路雙極型集成電路(TTL電路電路) 單極型集成電路單極型集成電路(MOS電路

15、電路)概述概述集成電路的優(yōu)點(diǎn)：集成電路的優(yōu)點(diǎn)： 體積小、重量輕、可靠性高、體積小、重量輕、可靠性高、速度快速度快，功耗低；并且，功耗低；并且輸輸入、輸出的高低電平值一樣，沒(méi)有電位偏移問(wèn)題。入、輸出的高低電平值一樣，沒(méi)有電位偏移問(wèn)題。按集成度分類(lèi)按集成度分類(lèi)一塊芯片中含有等效邏輯門(mén)或元器件的個(gè)數(shù)一塊芯片中含有等效邏輯門(mén)或元器件的個(gè)數(shù)小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路 SSI(Small Scale Integration) 10 門(mén)門(mén)/ /片片或或 10 000 門(mén)門(mén)/ /片片或或 100 000 元器件元器件/ /片片集成度：集成度： 目前單個(gè)集成電路上已能作出數(shù)千萬(wàn)個(gè)三極管，而其面積目前單個(gè)集成電

16、路上已能作出數(shù)千萬(wàn)個(gè)三極管，而其面積只有數(shù)十平方毫米。只有數(shù)十平方毫米。一、電路結(jié)構(gòu)一、電路結(jié)構(gòu)輸入級(jí)輸入級(jí)倒相級(jí)倒相級(jí)( (中間級(jí)中間級(jí)) )輸出級(jí)輸出級(jí)2.4.1 TTL 反相器的反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)和工作原理 +VCC ( 5V) R1vIvo4k AD1T1T2T4T5D2R21.6k R31k R4130 YD1 ：保護(hù)二極管，防止輸入電壓過(guò)低，不參加邏輯判斷。：保護(hù)二極管，防止輸入電壓過(guò)低，不參加邏輯判斷。推拉式推拉式(push-pull)、圖騰柱、圖騰柱(totem-pole)輸出電路輸出電路設(shè)設(shè)VON=0.7V,VIH=3.4V,VIL=0.2V二、工作原理二、工

17、作原理0.9V1.vI=VIL=0.2V0.2VT2、T5截止截止輸出端電位：輸出端電位： VY= VCC vR2- vBE4 vD2電位接近電源電電位接近電源電壓使壓使T4、D2導(dǎo)通導(dǎo)通不足以讓不足以讓T2、T5導(dǎo)通導(dǎo)通三個(gè)三個(gè)PN結(jié)結(jié)導(dǎo)通需導(dǎo)通需2.1V +VCC ( 5V) R1vIvo4k AD1T1T2T4T5D2R21.6k R31k R4130 YNPNR2上的壓降很小上的壓降很小 3.4 V 輸出輸出高電平高電平2.vI=VIH=3.4V3.4V +VCC ( 5V) R1vIvo4k AD1T1T2T4T5D2R21.6k R31k R4130 YNPN全導(dǎo)通全導(dǎo)通0.9Ve

18、bci0.01iii =i ibc e 若無(wú)若無(wú) D2，此時(shí)，此時(shí) T4可以導(dǎo)通，電可以導(dǎo)通，電路將不能實(shí)現(xiàn)正路將不能實(shí)現(xiàn)正常的邏輯運(yùn)算。常的邏輯運(yùn)算。T2、T5 深度飽和深度飽和截止截止思考：思考：D2 的作用？的作用？VY 0.2V鉗位鉗位AY 反相器反相器4.1V4.1V?2.1VT1倒置放大：倒置放大：發(fā)射結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏。集電結(jié)正偏。輸出低電平輸出低電平輸出端電位：輸出端電位：三、電壓傳輸特性三、電壓傳輸特性O(shè)I( )vf v1+VCC+5VvI+ +- -vO+ +- -ABAB 段：段：vI 0.6V ，vB1 1.4 V ， T2 、T5 飽和飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通，T4

19、 、D2 截止。截止。vO = vOL 0.2V BC 段：段：IB10.6 V vvT2 開(kāi)始導(dǎo)通開(kāi)始導(dǎo)通(放大區(qū)放大區(qū))，T5 仍截止。仍截止。IO vv 線 性( () )AB截止區(qū)截止區(qū)CDE3.602.01.0v0/VvI /V1.02.03.00.51.5線性區(qū)線性區(qū)閾值電壓閾值電壓vIvO1G1G21四、輸入端噪聲容限四、輸入端噪聲容限IH minVIL maxVNHVNLVOH minVOL maxV輸出高電平輸出高電平OH min2.4 VV典型值典型值 = 3.6 V 輸出低電平輸出低電平OL max0.4 VV典型值典型值 = 0.3 V 輸入高電平輸入高電平IH min

20、2.0 VV典型值典型值 = 3.6 V 輸入低電平輸入低電平IL max0.8 VV典型值典型值 = 0.3 V 噪聲容限噪聲容限：在保證輸出高、低電平基本不變（或變化的大?。涸诒ＷC輸出高、低電平基本不變（或變化的大小不超過(guò)允許限度）的條件下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍。不超過(guò)允許限度）的條件下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍。VNH G2 輸入高電平時(shí)的噪聲容限：輸入高電平時(shí)的噪聲容限：NHOH minIHmin0.4 VVVVOHVOLV1G2GIHVILVVNL G2 輸入低電平時(shí)的噪聲容限：輸入低電平時(shí)的噪聲容限：NLILmaxOL max0.4 VVVV輸入短路電流輸入短路電流 IIS2.4.

21、2 TTL TTL反相器的靜態(tài)特性反相器的靜態(tài)特性一、輸入特性一、輸入特性T1iIvI+ +- -be2be5+VCC+5 VR14k IV/vImA/i012-1IIL0VvVCCBE1IS11.05mAVvIR ISIILIVILVIHIHIIIL0.2Vv V輸入低電平電流輸入低電平電流 IIL CCBE1ILIL11 mAVvVIRIIH3.4VvV輸入高電平電流輸入高電平電流IIHiCCIH1(2.1V)32.5 AVIR-反映輸入電流反映輸入電流iI 和輸入電壓和輸入電壓vI 的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線二、二、 輸出特性輸出特性vOH / ViL /mA0 5 10 15-5-10-15

22、123-反映輸出電流反映輸出電流iL和輸出電壓和輸出電壓vo的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線1.高電平輸出特性高電平輸出特性 +VCC ( 5V) voT4D21.6k R4130 R2RLiL參考方向參考方向拉拉電電流流等效電路等效電路 T4飽和前，飽和前，VOH基本不隨基本不隨iL變，變，T4飽和后，飽和后，VOH將隨負(fù)載電流增加線將隨負(fù)載電流增加線性下降，其斜率基本由性下降，其斜率基本由R4決定。決定。2.低電平輸出特性低電平輸出特性vOL / ViL /mA0 5 10 15-5-10-15123 +VCCRLvoT5R3iL 由于由于T5深度飽和，輸出電阻很深度飽和，輸出電阻很小小(c-e間等效

23、電阻不超過(guò)間等效電阻不超過(guò)10 )，所以，所以負(fù)載電流負(fù)載電流iL增加時(shí)增加時(shí)VOL上升緩慢。上升緩慢。等效電路等效電路灌電流灌電流 扇出系數(shù)扇出系數(shù)扇出系數(shù)：扇出系數(shù)：TTL門(mén)電路的輸出端允許接入同類(lèi)門(mén)的最大個(gè)門(mén)電路的輸出端允許接入同類(lèi)門(mén)的最大個(gè)數(shù)，它表示帶負(fù)載能力。數(shù)，它表示帶負(fù)載能力。&vO1111G1G2G3G4N74系列反相器扇出系數(shù)系列反相器扇出系數(shù)N=103.輸入端負(fù)載特性輸入端負(fù)載特性RP/ K 026412vI / VRP= Ron 開(kāi)門(mén)電阻開(kāi)門(mén)電阻（2.5 k）Ron1.4 VT1iB1vI+ +- -be2be4+VCC+5 VR14k RP 接在反相器輸入端電阻

24、接在反相器輸入端電阻RP兩端的電壓兩端的電壓vI和電阻阻值和電阻阻值RP之間關(guān)系的曲線。之間關(guān)系的曲線。 即：當(dāng)即：當(dāng) RP 為為 2.5 k 以上電阻時(shí)，輸入由以上電阻時(shí)，輸入由低電平低電平變?yōu)樽優(yōu)楦唠娖?。高電平?) RP 2.5k 時(shí)時(shí)vI1.41.4V， T2、T5飽和導(dǎo)通，飽和導(dǎo)通，vO=VOLRoff0.7 VRP/ K 026412vI / VRon1.4 V結(jié)論：結(jié)論：TTL門(mén)輸入端懸空時(shí)相當(dāng)于接高電平。門(mén)輸入端懸空時(shí)相當(dāng)于接高電平。RP= Roff 關(guān)門(mén)電阻關(guān)門(mén)電阻（ 0.7 k ）所以，當(dāng)所以，當(dāng) RP 為為 0 .7 k 以下電阻時(shí)以下電阻時(shí) , 輸入端相當(dāng)于低電平。輸入

25、端相當(dāng)于低電平。2) RP 0.7k 時(shí)時(shí)vI VGS(th)N + |VGS(th)P| 二、工作原理二、工作原理1. vI=VIL =0時(shí)時(shí)+ +- -vGSN+ +- -vGSP0| vGSP |=VDD |VGS(th) P |TP導(dǎo)通導(dǎo)通(MOS管的導(dǎo)通電阻管的導(dǎo)通電阻RON較小較小 103) vGSN =0 VGS(th) NTN截止截止(MOS管的截止電阻管的截止電阻ROFF很大很大 108109) vO = VOH VDD AY AY1+VDD+10VB2G2D2S2vIvOTNTPB1D1S1G1+ +- -vGSN+ +- -vGSP2. vI=VOH = VDD時(shí)時(shí)| v

26、GSP |=0 VGS(th) NTN導(dǎo)通導(dǎo)通vO = VOL 0VDD反相器反相器 在在CMOS非門(mén)電路中，無(wú)論電路處于何種狀態(tài)，非門(mén)電路中，無(wú)論電路處于何種狀態(tài)，NMOS管、管、 PMOS管中總有一個(gè)截止，所以它的靜態(tài)功耗極低，有管中總有一個(gè)截止，所以它的靜態(tài)功耗極低，有微功耗電路之稱(chēng)。微功耗電路之稱(chēng)。 輸入端保護(hù)電路輸入端保護(hù)電路: :C1、C2 柵極等效柵極等效輸入輸入電容電容(1) 0 vI VDD + VDF D 導(dǎo)通電壓：導(dǎo)通電壓：VDF = 0.5 0.7 V(3) vI VDF 二極管導(dǎo)通時(shí)，限制了電容兩二極管導(dǎo)通時(shí)，限制了電容兩端電壓的增加。端電壓的增加。保護(hù)網(wǎng)絡(luò)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)D

27、1、D2、D3 截止截止D2、D3 導(dǎo)通導(dǎo)通vG = VDD + VDFD1 導(dǎo)通導(dǎo)通vG = VDF+VDDvOvITPD1C1C2RSTND2D3vG三、三、靜態(tài)特性靜態(tài)特性1.電壓傳輸特性：電壓傳輸特性：OI( )vf viD+VDDB2G2D2S2+ +vI - -vOTNTPB1D1S1G1ABCDEFVGS(th)NVDDVTHVGS(th)P0vO /VvI /VVTH稱(chēng)為稱(chēng)為閾值電壓閾值電壓若若TNTP 完全對(duì)稱(chēng)，完全對(duì)稱(chēng)，則則VTH = 0.5 VDDAB 段：段：vI VGS(th)N TN 導(dǎo)通導(dǎo)通，vO 略下降。略下降。CD 段：段：ODD(max) vii。vI =0

28、.5 VDD TN、TP 均導(dǎo)通。均導(dǎo)通。DE、EF 段：段：與與 BC、AB 段對(duì)應(yīng)，段對(duì)應(yīng)，TN、TP 的狀態(tài)與之相反。的狀態(tài)與之相反。2.電流傳輸特性：電流傳輸特性：DI( )if viD+VDDB2G2D2S2+ +vI - -vOTNTPB1D1S1G1A BCDEF0 iD / mAVI / VVTH電壓傳輸特性電壓傳輸特性電流傳輸特性電流傳輸特性AB、EF 段：段：TNTP總有一個(gè)截止，故總有一個(gè)截止，故iD 0。CD 段：段：TNTp 均導(dǎo)通，流過(guò)兩管的漏極電流達(dá)到最大值均導(dǎo)通，流過(guò)兩管的漏極電流達(dá)到最大值 iD = iD（max) 。ABCDEFVGS(th)NVDDVTHV

29、GS(th)P0vO /VvI /V2.6.4 其他類(lèi)型的其他類(lèi)型的CMOS 門(mén)電路門(mén)電路A BTN1 TP1 TN2 TP2Y0 00 11 01 1截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止1110與非門(mén)與非門(mén)1.CMOS 與非門(mén)與非門(mén)+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABYAB&YAB一、其他邏輯功能的一、其他邏輯功能的CMOS門(mén)電路門(mén)電路00100111特點(diǎn)：特點(diǎn)：NNOS串聯(lián)、串聯(lián)、PMOS并聯(lián)。并聯(lián)。2.CMOS 或非門(mén)或非門(mén)或非門(mén)或非門(mén)BAY AB10010

30、0111特點(diǎn)：特點(diǎn)：PMOS串聯(lián)、串聯(lián)、NMOS并聯(lián)。并聯(lián)。+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABYA BTN1 TP1 TN2 TP2Y0 00 11 01 1截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止10003.CMOS 與門(mén)和或與門(mén)和或門(mén)門(mén)(1) CMOS 與門(mén)與門(mén)AB&Y1ABABY +VDDTP1TN1TP2TN2ABYABY&AB +VDDB1G2D2S2ATNTPB2D1S1G1AY ABY (2) CMOS 或門(mén)或門(mén)Y1BABAY BA +VDDB

31、1G2D2S2ATNTPB2D1S1G1VSSAY AB1ABY1+VDDVSSTP1TN1TN2TP2ABYBAY 2RON RON/211 RON R0N01 RON RON10 RON/2 2R0N00RO（與非）（與非） RO（或非）（或非）BA二、帶緩沖級(jí)的二、帶緩沖級(jí)的 CMOS 門(mén)電路門(mén)電路1. 基本電路的主要缺點(diǎn)基本電路的主要缺點(diǎn)( (1) )當(dāng)輸入狀態(tài)不同時(shí)，輸出等效電阻不同；當(dāng)輸入狀態(tài)不同時(shí)，輸出等效電阻不同；(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；設(shè)：設(shè)：MOS管的導(dǎo)通電阻為管的導(dǎo)通電阻為RON、門(mén)電路的輸出電阻為、門(mén)電路的輸出電阻為

32、RO。(3)輸入端狀態(tài)還會(huì)影響電壓傳輸特性。輸入端狀態(tài)還會(huì)影響電壓傳輸特性。2. 帶緩沖級(jí)的門(mén)電路帶緩沖級(jí)的門(mén)電路 -在門(mén)電路的輸入端和輸出端加反相器在門(mén)電路的輸入端和輸出端加反相器帶緩沖級(jí)的帶緩沖級(jí)的CMOS與非門(mén)電路與非門(mén)電路YABABA B或非門(mén)或非門(mén)YAB1111或非門(mén)或非門(mén)與非門(mén)與非門(mén)緩沖緩沖與非門(mén)與非門(mén)或非門(mén)或非門(mén)同理同理緩沖緩沖特點(diǎn)特點(diǎn)： (1)輸出電阻恒為輸出電阻恒為RON； (2)輸出電平和電壓傳輸特性都不受輸入狀態(tài)影響。輸出電平和電壓傳輸特性都不受輸入狀態(tài)影響。三、三、CMOS 漏極開(kāi)路漏極開(kāi)路門(mén)門(mén) ( (OD門(mén)門(mén) Open Drain) )1. 電路組成電路組成+VDD2

33、RL外接外接YAB&符號(hào)符號(hào)(1) 漏極開(kāi)路，工作時(shí)必須外接電源和電阻；漏極開(kāi)路，工作時(shí)必須外接電源和電阻；2. 主要特點(diǎn)主要特點(diǎn)YCD&P1P2+VDD2YRL(2) 可以實(shí)現(xiàn)線與功能；可以實(shí)現(xiàn)線與功能；21PPY CDAB CDAB BA&1YBGDSTNVSS+VDD1(3)可實(shí)現(xiàn)邏輯電平變換；可實(shí)現(xiàn)邏輯電平變換；(4) 帶負(fù)載能力強(qiáng)。帶負(fù)載能力強(qiáng)。四、四、CMOS傳輸門(mén)和雙向模擬開(kāi)關(guān)傳輸門(mén)和雙向模擬開(kāi)關(guān)1. 電路組成電路組成 TPCVSS+VDDIO/vvOI/vvCTNCIO/vvOI/vvTGC2. 工作原理工作原理 :0 1 ) 1 ( CC、TN、TP均

34、導(dǎo)通，均導(dǎo)通，OID D (0)vvV:1 0 )2( CC、TN、TP均截止，均截止，OI vv導(dǎo)通電阻小導(dǎo)通電阻小( (幾百歐姆幾百歐姆) )傳輸門(mén)傳輸門(mén)導(dǎo)通導(dǎo)通傳輸門(mén)傳輸門(mén)截止截止VOH=VDD2CMOS傳輸門(mén)屬于雙向器件，它的輸入端和輸出端可互易使用傳輸門(mén)屬于雙向器件，它的輸入端和輸出端可互易使用。關(guān)斷電阻大關(guān)斷電阻大( 109 )3. 雙向模擬開(kāi)關(guān)雙向模擬開(kāi)關(guān)-由由CMOS傳輸門(mén)和反相器構(gòu)成傳輸門(mén)和反相器構(gòu)成CvO /vITG1vI /vOCvO /vISWvI /vO假定輸出端接電阻為假定輸出端接電阻為RL，雙向模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻為，雙向模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻為RTG。當(dāng)當(dāng)C=1時(shí)，開(kāi)

35、關(guān)接通，輸出電壓為：時(shí)，開(kāi)關(guān)接通，輸出電壓為：ITGLLoVRRRV電壓傳輸系數(shù)電壓傳輸系數(shù)TGLLIoTGRRRVVK當(dāng)當(dāng)C=0時(shí)，開(kāi)關(guān)截止，輸出與輸入之間的聯(lián)系被切斷時(shí)，開(kāi)關(guān)截止，輸出與輸入之間的聯(lián)系被切斷Vo=0。RL+VDDTP2TN1TP1AYTN21EN五、五、CMOS 三態(tài)門(mén)三態(tài)門(mén)1. 電路組成電路組成2. 工作原理工作原理1 ) 1 ( ENY 與上、下都斷開(kāi)與上、下都斷開(kāi) TP2、TN2 均截止均截止Y = Z ( (高阻態(tài)高阻態(tài)) )AY TP2、TN2 均導(dǎo)通均導(dǎo)通0110 ) 2 ( EN010控制端低電平有效控制端低電平有效( (1 或或 0) )3. 邏輯符號(hào)邏輯符

36、號(hào)YA1ENEN使能端使能端 EN 1. 高速高速CMOS電路電路MOS管的寄生電容情況管的寄生電容情況 減小寄生電容是提高速度的關(guān)鍵，關(guān)鍵措施是采用減小寄生電容是提高速度的關(guān)鍵，關(guān)鍵措施是采用短短溝道、硅柵自對(duì)準(zhǔn)工藝溝道、硅柵自對(duì)準(zhǔn)工藝。 高速高速CMOS通用系列是通用系列是54HC/74HC系列。該系列產(chǎn)品系列。該系列產(chǎn)品采用采用+5V電源，輸出高、低電平與電源，輸出高、低電平與TTL電路兼容。平均傳輸電路兼容。平均傳輸延遲時(shí)間小于延遲時(shí)間小于10nS，與，與54LS/74LS系列的系列的TTL電路相當(dāng)。電路相當(dāng)。2.6.5 改進(jìn)的改進(jìn)的CMOS門(mén)電路門(mén)電路雙極型雙極型-CMOS (Bipolar-CMOS)電路的簡(jiǎn)稱(chēng)。電路的簡(jiǎn)稱(chēng)。 邏輯部分采用邏輯部分采用CMOS電路，輸出部分采用雙電路，輸出部分采用雙極型三極管。因此，它極型三極管。因此，它兼有兼有CMOS電路低功耗電路低功耗和雙極型電路低輸出內(nèi)和雙極型電路低輸出內(nèi)阻的特點(diǎn)。阻的特點(diǎn)。 目前，目前，Bi-CMOS反相器的傳輸延遲時(shí)間可達(dá)到反相器的傳輸延遲時(shí)間可達(dá)到1nS以下。以下。2.Bi-CMOS電路電路2.6.6 CMOS電路電路的正確的正確使