基本CMOS逻辑门电路课件.ppt

1、3.2 基本基本CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.2.1 MOS管及其开关特性管及其开关特性3.2.2 CMOS反相器反相器3.2.3 其他基本其他基本CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.2.4 CMOS传输门传输门CMOS门电路是以门电路是以MOS管为开关器件。管为开关器件。MOS管的分类：管的分类：N沟道沟道P沟道沟道P P沟道沟道N沟道沟道MOS增强型增强型耗尽型耗尽型3.2.1 MOS管及其开关特性管及其开关特性1.N沟道沟道增强型增强型MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理MOS管的分类：管的分类：G D S P N N SiO2 B 源极源极栅极栅极漏极漏极p-型半导体型半导体n-型

2、半导体型半导体 G D S B G D S 符号符号1.N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理 G D S P N N B VGS n-沟道 VDS(1)VGS 控制沟道的导电性控制沟道的导电性o vGS=0,vDS 0,等效背靠背连接的两个二极管等效背靠背连接的两个二极管,iD 0。o vGS0,建立电场建立电场 反型层反型层 vDS0,iD 0。o 沟道建立的最小沟道建立的最小 vGS 值称为值称为开启电压开启电压 VT.1.N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理(2)VGS 和和VDS共同作用共同作用 G D S P N N B VGS

3、 n-沟道 VDS o vGS VT,vDS0,靠近漏极的电压减小。靠近漏极的电压减小。o当当VGS VT,iD 随随VDS增加几乎成线性增加增加几乎成线性增加。o 当当vDS vGD=(vGS vDS)VT,漏极漏极处出现处出现夹断夹断。o 继续增加继续增加VDS 夹断区域变夹断区域变大，大，iD 饱和。饱和。2.N沟道增强型沟道增强型MOS管的输出特性和转移特性管的输出特性和转移特性TGSDSTGS ,VvvVv输出特性分为输出特性分为o 截止区：截止区：o 可变电阻区：沟道产生可变电阻区：沟道产生，iD 随随vDS线性增加，线性增加，rds为为受受vGS控制控制可变电阻。可变电阻。)(2

4、1ddTGSncostDDSdsGSVvKivrvo 饱和区：饱和区：0 ,DTGSiVv iD O vGS VT(a)输出特性曲线（b）转移特性曲线3.其他类型的其他类型的MOS管管(1)P沟道增强型沟道增强型MOS管管o 结构与结构与NMOS管相反。管相反。o vGS、vDS 电压极性与电压极性与NMOS管相反。管相反。o 开启电压开启电压vT为负值为负值iD d g s B(a a)标标准准符符号号 d g s(b b)简简化化符符号号 (2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 G D S P N N B+o 绝缘层掺入正离子，使衬底表面形绝缘层掺入正离子，使衬底表面形成成N沟道。沟道。o

5、 vGS电压可以是正值、零或负值。电压可以是正值、零或负值。o vGS达到某一负值达到某一负值vP，沟道被夹断，沟道被夹断，iD=0。(2)N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管符号如图。管符号如图。(3)P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 d g s B d g s(a a)标标准准符符号号 (b b)简简化化符符号号 d g s B d g s(a a)标标准准符符号号 (b b)简简化化符符号号 结构与结构与N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管相反。管相反。符号如图所示。符号如图所示。4.MOS管开关电路管开关电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区

6、，输出低电平:MOS管截止，管截止，输出高电平输出高电平当当I VTd vO Rd VDD vI s g iD/mA O vDS/V VGS1 VGS2 VGS3 VGS4 VDSVGS VT 饱和区 VDSVGS VT 可变电阻区 VDS=VGS VT VGSVT 截止区 pMOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的无触点开关。控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相当于开关管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止，相当于开关管截止，相当于开关“断断开开”，输出为高电平。，输出为高电平。p当当I 为低电平时：为低电平时：p当当I为高电平时

7、：为高电平时：p由于由于MOS管栅极、漏极与衬底间电容，栅极与漏极之间管栅极、漏极与衬底间电容，栅极与漏极之间的电容存在，电路在状态转换之间有电容充、放电过程。的电容存在，电路在状态转换之间有电容充、放电过程。p输出波形上升沿、下降沿变得缓慢。输出波形上升沿、下降沿变得缓慢。5.MOS管开关电路的动态特性管开关电路的动态特性3.2.2 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理+VDD+5VD1S1vivOTNTPD2S20V+5VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V 5V截止截止导通导通 5V5 V5V 0V导通导通截止截止0 VVTN=2 VVTP=2 V逻辑图逻辑图AL 逻辑

8、表达式逻辑表达式vi(A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10)VVVTPTNDD(AL 第一，第一，vI是高电平还是低电平是高电平还是低电平，TN和和TP中总是一个导通而中总是一个导通而另一个截止。另一个截止。CMOS反相器的静态功耗几乎为零。反相器的静态功耗几乎为零。第二，第二，MOS管导通电阻低，截止电阻高。使充、放电时间管导通电阻低，截止电阻高。使充、放电时间常数小，开关速度更快，具有更强的带负载能力。常数小，开关速度更快，具有更强的带负载能力。第三，第三，MOS管的，管的，IG0，输入电阻高。，输入电阻高。理论上可以带任意理论上可以带任意同类门，但负载门输入杂散电容会影响开关速度。

9、同类门，但负载门输入杂散电容会影响开关速度。CMOS反相器的重要特点：反相器的重要特点：2.电压电压传输特性和电流传输特性传输特性和电流传输特性)v(fvIO 电压传输特性电压传输特性)(IDvfi 电流传输特性电流传输特性(Transfer characteristic)3.输入逻辑电平和输出逻辑电平输入逻辑电平和输出逻辑电平05VIN/VVOUT/V5VIHminVILmax输入高电输入高电平平输入低输入低电平电平无定义无定义输出高电平输出高电平05VIN/VVOUT/V5VIHminVILmaxVOHminVOLmax输出低电输出低电平平无定义无定义输出高电平的下限值输出高电平的下限值

10、VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIL(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOH(max)4.CMOS反相器反相器的工作速度的工作速度在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间小于闭时间是相等的。平均延迟时间小于10 ns。带电容负载带电容负载A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通

11、导通导通1110与非门与非门1.CMOS 与与非门非门vA+VDD+5VTP1TN1TP2TN2ABLvBvL(a)(a)电路结构电路结构(b)(b)工作原理工作原理VTN=2 VVTP=2 V0V5VN输入的与非门的电路输入的与非门的电路?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?3.2.3 其他基本其他基本CMOS 逻辑门电路逻辑门电路ABABL 或非门或非门BAL 2.2.CMOS 或或非门非门+VDD+5VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截

12、止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通10000V5VVTN=2 VVTP=2 VN输入的或非门的电路的结构输入的或非门的电路的结构?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?AB例：分析例：分析CMOS电路，说明其逻辑功能。电路，说明其逻辑功能。BA BABAXBAL BABA BA =A B 异或门电路异或门电路3.2.4 CMOS传输门传输门(双向模拟开关双向模拟开关)1 1.传输门的结构及工作原理传输门的结构及工作原理TP vI/vO TN vO/vI C C+5V 0V 电路电路vI/vO vO/vI C C T G 逻辑符号逻辑符号I/Oo/IC等效电路等效电路TP vI/vO

13、 TN vO/vI C C+5V 0V 1、传输门的结构及工作原理传输门的结构及工作原理 设设TP:|VTP|=2V，TN:VTN=2V，I的变化范围为的变化范围为0到到+5V。0V+5V0V到到+5V GSN0,TP截止截止1）当）当c=0，c=1时时c=0=0V，c c=1=+5VC TP vO/vI vI/vO+5V 0V TN C+5V0V GSP=0V (2V+5V)=2V 5V GSN=5V (0V+3V)=(52)V b、I=2V5V GSNVTN,TN导通导通a、I=0V3VTN导通，导通，TP导通导通 GSP|VT|,TP导通导通C、I=2V3VIOvv 2）当）当c=1，c=0时时(1)传输门组成的异或门传输门组成的异或门B=0TG1断开断开,TG2导通导通 L=AB=12.传输门的应用传输门的应用TG1导通导通,TG2断开断开 L=A(2)传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器C=0TG1导通导通,TG2断开断开 L=XTG2导通导通,TG1断开断开 L=YC=12.传输门的应用传输门的应用X VDD Y C L TG2 TG1