數(shù)電第三章第二部分new

場效應(yīng)三極管（FET、FieldEffectTransistor)利用電場效應(yīng)來控制電流的三極管，稱為場效應(yīng)管，也稱單極型三極管。場效應(yīng)管特點(diǎn)只有一種載流子參與導(dǎo)電；

輸入電阻高、噪聲低、熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)；工藝簡單、易集成、功耗小、體積小、成本低。CMOS門電路

絕緣柵型場效應(yīng)管

由金屬、氧化物和半導(dǎo)體制成。稱為金屬-氧化物-半導(dǎo)體(Metal-Oxide-Semiconductor)場效應(yīng)管，或簡稱MOS場效應(yīng)管。特點(diǎn)：輸入電阻可達(dá)109以上。類型N

溝道P溝道增強(qiáng)型耗盡型增強(qiáng)型耗盡型耗盡型場效應(yīng)管:VGS

=0時漏源間存在導(dǎo)電溝道的MOS管

增強(qiáng)型場效應(yīng)管:VGS=0時漏源間不存在導(dǎo)電溝道的MOS管N

溝道增強(qiáng)型

MOS

場效應(yīng)管1.結(jié)構(gòu)P型襯底N+N+GSDSiO2源極Source漏極Drain柵極Gate1.MOS管的工作原理導(dǎo)電溝道(反型層)當(dāng)大于VGS(th)時，將出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。VGS(th)稱為開啟電壓，與管子構(gòu)造有關(guān)。SDB導(dǎo)電溝道將源區(qū)和漏區(qū)連成一體。此時在D,S間加電壓，將形成漏極電流iD。稱為N溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管

顯然，導(dǎo)電溝道的厚度與柵源電壓大小有關(guān)。而溝道越厚，管子的導(dǎo)通電阻RON越小。因而，若不變，就可控制漏極電流iD。因此把MOS管稱為電壓控制器件。3.特性曲線(N

溝道增強(qiáng)型

MOS管)GD

S3V4V5VvGS

=6ViD

/mA43210246810vDS

/V可變電阻區(qū)（恒流區(qū)）iD+-VGS+-

VDS輸出特性截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω截止區(qū)恒流區(qū)：iD

基本上由VGS決定，與VDS關(guān)系不大可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS

較低,VGS

一定時， 這個電阻受VGS

控制、可變。3.特性曲線(N

溝道增強(qiáng)型

MOS管)GD

S3V4V5VvGS

=6ViD

/mA42643210vGS

/ViD

/mA43210246810vDS

/V可變電阻區(qū)（恒流區(qū)）VGS(th)iD開啟電壓+-VGS+-

VDS輸出特性轉(zhuǎn)移特性截止區(qū)VGS<VGS(th)

MOS管截止VGS>VGS(th)

MOS管導(dǎo)通N

溝道增強(qiáng)型

MOS管:VGS>04.MOS管的開關(guān)作用開啟電壓VGS(th)

>0DDOHOVVv==V0OLO?=VvIv>VGS(th)

+VDDRDBGDSOvIvSGDCIRONIvOvSGDCIIvOv<VGS(th)

Iv導(dǎo)通截止N溝道增強(qiáng)型

MOS管：N型襯底P+P+GSDSiO2源極漏極柵極P

溝道增強(qiáng)型MOS

場效應(yīng)管P

溝道增強(qiáng)型MOS管-VDDRDBGDSvIvO開啟電壓

VGS(th)

<0SGDCIOvvIsGDCIRONOvvI導(dǎo)通截止CMOS

反相器1、工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0V0V-10V截止導(dǎo)通10V10V10V0V導(dǎo)通截止0VVGS(th)N

=2VVGS(th)P

=-2V邏輯圖邏輯表達(dá)式vi(A)0vO(L)1邏輯真值表10Complementary-SymmetryMOS.互補(bǔ)對稱式MOS電路。要求兩管特性完全一樣MOS管的四種類型增強(qiáng)型耗盡型大量正離子導(dǎo)電溝道2.CMOS反相器的傳輸特性iD+VDD+vI-vOTNTPABCDEFVTNVDDAB段：vI<VTN

，vO=VDD、iD

0，功耗極小。0vO

/VvI

/VTN截止、TP導(dǎo)通，BC段：TN導(dǎo)通vO

略下降。CD段：TN、TP均工作在恒流區(qū)DE、EF段：iD+VDD+vI-vOTNTPABCDEF0iD

/mAvI

/VVTHABCDEFVDDVTH0vO

/VvI

/V電壓傳輸特性電流傳輸特性AB、EF

段：

TN、TP總有一個為截止?fàn)顟B(tài)，故iD

0。CD段：

TN、Tp

均導(dǎo)通，流過兩管的漏極電流達(dá)到最大值

iD=iD（max)

。動態(tài)功耗

在動態(tài)情況下，電路的狀態(tài)會通過BC段，使動態(tài)功耗不為0；而且輸入信號頻率越高，動態(tài)功耗也越大；若有負(fù)載電容，動態(tài)功耗也會增加，這也成為限制電路扇出系數(shù)的主要因素。動態(tài)功耗

輸入端保護(hù)電路:(1)-

vDF<vA

<VDD+vDF(2)vA

>

VDD+vDF

二極管導(dǎo)通電壓：vDF

=0.5~0.7V(3)vA

<

-

vDF

當(dāng)輸入電壓不在正常電壓范圍時,二極管導(dǎo)通，限制了電容兩端電壓的增加,保護(hù)了輸入電路。+VDDvOvATPD1C1C2RSTND2D3D1、D2、D3截止(保護(hù)電路不起作用）D2、D3

導(dǎo)通vG

=

VDD+vDFD1導(dǎo)通vG

=

-

vDFCMOS反相器輸入特性由于UGS越大，TN管的導(dǎo)通電阻RON就越小，1.低電平輸出特性U0=U0L時:所以：在同樣的IOL值下，VDD越高，使TN管導(dǎo)通時的UGS就越大，其RON就越小，UOL也就越低。+VDDTNTPUIHUOLIOLRLIOL從負(fù)載電路注入TN管。TN管導(dǎo)通，TP管截止，VDD=5V10V15VUOLOIOL

輸出特性2.高電平輸出特性由于UGS越負(fù)，TP管的導(dǎo)通電阻RON就越小，U0=U0H時：所以：在同樣的IOH值下，VDD越高，使TP管導(dǎo)通時的UGS就越負(fù)，其RON就越小，VOH也就越高。TNTP+VDDUILUOHIOHRLIOH從TP管流向負(fù)載電路。TP管導(dǎo)通，TN管截止，UOHOIOHVDDVDD=5V10V15V輸入噪聲容限結(jié)論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限驅(qū)動門負(fù)載門傳輸延遲時間(1)MOS管的導(dǎo)通電阻比TTL電路大的多，導(dǎo)通電阻受VDD影響，所以，VDD也影響傳輸延遲時間；(2)CMOS門的輸入電容比TTL電路大得多，因此負(fù)載個數(shù)越多，延遲時間越大；CMOS門的扇出系數(shù)就是受傳輸延遲時間和動態(tài)功耗等動態(tài)特性限制的。CMOS門電路A

BTN1TP1

TN2TP2L00011011截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通11101、CMOS與非門vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&00100111Y=(a)電路結(jié)構(gòu)(b)工作原理2.CMOS與門+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABY+VDDG1D1S1TNTPD2S2G2VSSAB&L1AB&L3、CMOS或非門+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA

BTN1TP1TN2TP2L00011011截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通1000AB≥100100111vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvL+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABL小結(jié)與非門為例：也更高越高，輸入端越多，端數(shù)目的影響輸出的高低電平受輸入則則則則受輸入狀態(tài)影響輸出電阻存在的缺點(diǎn)：OHOLONONOONONOONONONOONONONOOVV)(RRRB,ARRRB,ARR//RRB,ARRRRB,AR:)(3131422011021002111=============+===帶緩沖極的CMOS門的提出解決方法采用緩沖電路能統(tǒng)一參數(shù)。1.CMOS漏極開路門1.）CMOS漏極開路門的提出輸出短接，會產(chǎn)生低阻通路，大電流有可能導(dǎo)致器件的損毀，并且無法確定輸出是高電平還是低電平。CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路（2）漏極開路門的結(jié)構(gòu)與邏輯符號(c)可以實(shí)現(xiàn)線與功能;(d)可實(shí)現(xiàn)邏輯電平變換：(a)工作時必須外接電源和電阻;+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABL電路邏輯符號(b)可并聯(lián)LRp的值愈小，負(fù)載電容的充電時間常數(shù)亦愈小，因而開關(guān)速度愈快。但功耗大,且可能使輸出電流超過允許的最大值IOL(max）

。電路帶電容負(fù)載10CLRp的值愈大，可保證輸出電流不能超過允許的最大值IOL(max）、功耗小。但負(fù)載電容的充電時間常數(shù)亦愈大，開關(guān)速度因而愈慢。上拉電阻應(yīng)如何選擇?它取值的大小對OD門的開關(guān)時間和電路工作的安全性有何影響?VDD1和VDD2可取不同值；

允許灌入電流較大。如：CC40107在VOL<0.5V的條件下，允許灌入的最大電流可達(dá)50mA。2、用于直接驅(qū)動大電流負(fù)載。74HC/HCT系列CMOS門電路的最大灌電流或拉電流為4mA指示燈(12V,20mA)10011截止導(dǎo)通111高阻

×0

輸出L輸入A使能EN001100截止導(dǎo)通010截止截止X1邏輯功能：高電平同相邏輯門01三態(tài)輸出門電路CMOS傳輸門(雙向模擬開關(guān))

數(shù)據(jù)采集電路ADCCH1CH2CHN方案2計算機(jī)ADCCH1CH2CHN方案1ADCADC計算機(jī)CMOS傳輸門υI/υO(shè)υo/υIC等效電路VGS(th)PVGS(th)NVDD0VN溝道管導(dǎo)通P溝道管導(dǎo)通分析原理。先分析只有一個管時的情況：單管工作的缺點(diǎn)是：1.有死區(qū)；2.導(dǎo)通電阻隨輸入電壓變化很大。采用雙管可克服這些缺點(diǎn)。υI/υO(shè)υo/υIC等效電路||當(dāng)模擬開關(guān)將電壓傳輸系數(shù)定義如下：KTG==

采用改進(jìn)電路的四雙向模擬開關(guān)74HC4066在VDD=6V時，RTG值只有30?。而且在變化時，RTG基本保持不變。

目前，某些精密CMOS模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻已降低到20?以下。0傳輸門組成的數(shù)據(jù)選擇器C=0TG1導(dǎo)通,TG2斷開

L=XTG2導(dǎo)通,TG1斷開

L=YC=101XX斷開導(dǎo)通0101斷開X導(dǎo)通YCH1CH2

CMOS集成電路的主要特點(diǎn)(1)功耗極低。(2)電源電壓范圍寬。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干擾能力強(qiáng)。輸入端噪聲容限=0.3VDD

~0.45VDD(4)邏輯擺幅大。(5)輸入阻抗極高。(6)扇出能力強(qiáng)。(7)集成度很高，溫度穩(wěn)定性好。(8)抗輻射能力強(qiáng)。CC4000系列：≥50個≥CMOS電路使用中應(yīng)注意的幾個問題注意輸入端的靜電防護(hù)(導(dǎo)電材料包裝,安裝場地接地)。4.1注意電源電壓極性。(保護(hù)電路中的保護(hù)二極管)多余的輸入端不應(yīng)懸空。與門、與非門：接電源或與其他輸入端并聯(lián)或門、或非門：接地或與其他輸入端并聯(lián)3.輸出端不能和電源、地短接。(保護(hù)輸出級MOS管)4.輸入電路的過流保護(hù)4.2保護(hù)二極管只能承受1mA電流，因此下列三種情況下輸入端要串入保護(hù)電阻。(1)輸入端接低內(nèi)阻信號源；(2)輸入端接有大電容；(3)輸入端接長線（伴生有分布電容和分布電感）。CMOS電路鎖定效應(yīng)的防護(hù)（閱讀P102）

產(chǎn)生鎖定效應(yīng)將造成CMOS電路永久失效?？稍谳斎?、輸出端接入鉗位保護(hù)電路，在電源輸入端加去偶電路。

應(yīng)確保CMOS電路先通電、后斷電。1)驅(qū)動器件的輸出電壓必須處在負(fù)載器件所要求的輸入電壓范圍（屬于電壓兼容性的問題）。在數(shù)字電路或系統(tǒng)的設(shè)計中，往往將TTL和CMOS兩種器件混合使用，以滿足工作速度或者功耗指標(biāo)的要求。由于每種器件的電壓和電流參數(shù)各不相同，因而在這兩種器件連接時，要滿足驅(qū)動器件和負(fù)載器件以下兩個條件：2)驅(qū)動器件必須對負(fù)載器件提供足夠大的拉電流和灌電流（屬于門電路的扇出數(shù)問題）.TTL電路和CMOS電路的接口灌電流IILIOLIIL拉電流IIHIOHIIHvOvI驅(qū)動門

負(fù)載門1

1

VOH(min)vO

VOL(max)

vI

VIH(min)VIL(max)

10111…1n個01110…1n個負(fù)載器件所要求的輸入電壓對負(fù)載器件提供足夠大的拉電流和灌電流VOH(min)≥VIH(min)VOL(max)