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1、1,3.3 CMOS 门电路,MOS管的开关特性CMOS反向器其它类型的CMOS门电路CMOS门电路的正确使用,2,CMOS门电路的基本构成单元是MOS门电路。MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。,MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管（意为互补：Complementary）。 MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。,MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。,3,3.3.1 MOS管的开关特性,BJT
2、是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。 MOS管是一种电压控制器件(uGS iD) ，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。 MOS管因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。,MOS管分类,增强型,耗尽型,N沟道,P沟道,N沟道,P沟道,4,一. MOS管的结构和工作原理,金属-氧化物-半导体场效应管晶体管 ( Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)，简称MOSFET。分为： 增强型 N沟道、P沟道 耗尽型 N沟道、P沟道,1
3、.N沟道增强型MOS管 （1）结构 4个电极：漏极D，源极S，栅极G，衬底B。,符号：,5,当uGS0V时纵向电场将靠近栅极下方的空穴向下排斥耗尽层。,（2）工作原理,当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在D、S之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。,再增加uGS纵向电场将P区少子电子聚集到P区表面形成导电沟道,如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流iD。,栅源电压uGS的控制作用,6,定义： 开启电压（ UT）沟道刚开始形成时的栅源电压UGS。（一般2 3V）,N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS UT，管子截止，iD= 0； uGS UT，管子导通，有iD。 uGS
4、 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流iD 越大。 可通过改变 uGS 改变 iD 的大小，因此是电压控制元件。,说明： 开关指的是D-S之间的开关。,开关状态由 uGS 控制，改变 uGS 控制 iD 的大小，因此是电压控制元件。,8,9,二、MOS管的输入特性和输出特性,uDS,uGS,+,-,+,-,iD,共源接法,输入特性：输入回路栅极电流为零,输出特性：截止区、可变电阻区、恒流区,可变电阻区,恒流区,截止区,10,可根据输出特性曲线作出转移特性曲线。如：作uDS=10V的一条转移特性曲线：,UT,11,1、MOS管的基本开关电路,（ N沟道增强型 MOS 管为例）,
5、VGS(TH),当vIVGS（TH）时：,当vIVGS（TH）时：,vGSVGS(TH),vGSVGS(TH),三、MOS管的基本开关电路及开关等效电路,12,2、MOS管的开关等效电路,截止时漏源间的内阻ROFF很大，D-S可视为开路,C表示栅极的输入电容。数值约为几个皮法,这个电阻一般情况不能忽略不计。,导通时漏源间的内阻RON约在几百1K以内，且与VGS有关（ VGS RON ）,开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作时，漏极电流ID和输出电压UO=UDS的变化会滞后于输入电压的变化，这一点和双极型三极管是相似的。,导通时,截止时,UGSUGS(TH),VGS2,
6、VGS2VGS1,VGS1,RON2,RON1,ROFF,特性曲线越陡，表示RON越小,RON2RON1,13,四、MOS管的四种类型,2、P沟道增强型MOSFET,工作时使用负电源，开启电压为负值。,iD0,实际电流方向：SD,14,3. N沟道耗尽型MOSFET,特点： 当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。 当uGS0时，沟道增宽，iD进一步增加。 当uGS0时，沟道变窄，iD减小。,在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。,定义： 夹断电压（ UP） 沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。,15,4、P沟道耗尽型
7、MOSFET,P沟道MOSFET的工作原理与N沟道 MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,T1,VDD,uI,uo,T2,T1为增强型PMOS，开启电压 UGS(th)P 0,T2为增强型NMOS，开启电压 UGS(th)N 0,uI=0V时:,uI=VDD时:,T1 导通，T2 截止， uO=UOH VDD,T1 截止，T2 导通，uO=UOL0,静态时T1、T2总是有一个导通而另一个截止，且两管开启电压绝对值相等称互补对称管，把这种电路结构形式称为互补MOS（Comp
8、lementary-Symmetery MOS，简称CMOS）。,工作在互补状态，流过T1、T2 的静态电流极小，静态功耗小, 导通损耗小，效率高，这是CMOS电路最突出的一大优点。,非运算,一、电路结构,17,二、电压传输特性,1、反映CMOS反相器的抗干扰能力,过渡过程很陡，更近似于理想开关； 可确定噪声容限； 曲线对称，UNL=UNH,2、UNL、UNH和UDD有关,若VDD变化，传输曲线比例变化。,可见：VDD越大，UNL、UNH越大，抗干扰能力越强。,一般估算UNL=UNH =30%VDD，若现场干扰较大，应选CMOS电路，且可取电源电压稍大。,18,3.3.3 CMOS反相器的静态
9、输入特性和输出特性,一、输入特性（反映门电路作为负载时对信号源驱动能力的要求）,电流近似为零，是由于输入接到MOS管栅极，而栅极绝缘，电阻达到M级(106)。,MOS管作负载时，对信号源的要求很低，不需要信号源提供电流。,19,20,二、输出特性（反映CMOS带负载能力）,1、低电平输出特性,即T2管的输出特性曲线,VIH=VDD越大，VGS越大，则导通内阻越小， IOL相同，因此VOL越小。,IOL越大，UOL越大,IOLmax16mA,21,2、高电平输出特性,IOH,5mA内变化很小,实际只有0.4mA,TTL带负载能力较CMOS强。原因：TTL的输出电阻小。,22,tPLH：输出由低电
10、平变为高电平的传输延迟时间,tPHL：输出由高电平变为低电平的传输延迟时间,3.3.4 CMOS反相器的动态特性（门电路状态切换时所呈现的特性）,23,放电,充电,寄生电容,管子切换需要时间输出端的负载电容充、放电需要时间主要原因,CMOS反相器传输延迟的原因：,UO：UOH到UOL，CL需要有放电的时间,UO：UOL到UOH，CL需要有充电的时间,由于CMOS的输出电阻大，所以其充放电时间也比TTL长（=RC）。这是造成CMOS动态特性下传输延迟的主要原因。,24,3.3.3 其它类型的CMOS门电路,1. 其他逻辑功能的CMOS门电路（P9193）,在CMOS门电路的系列产品中，除了反相器
11、外常用的还有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等 。,2. 漏极开路的门电路（OD门）,如同TTL电路中的OC门那样，CMOS门的输出电路结构也可做成漏极开路（OD）的形式。其使用方法与TTL的OC门类似。,25,与OC门类似，能实现线与连接、电平转换，提高驱动能力。电平转换：vI：0VDD1 vO：0VDD2,漏极开路的门电路（OD门）（Open-Drain）,Y=(AB),使用时必须外接上拉电阻,26,3. CMOS传输门（TG门）Transistor Gate,CMOS传输门：控制信号传输的门,利用P沟道MOS管和N沟道MOS管的互补性构成。 C和C是一对互补的控制信号。,TP
12、,TN,电路结构,如何判断MOS管的源极和漏极？根据MOS管工作时的电流方向： PMOS管从S端流向D端； NMOS管由D端流向S端。分别按输入/输出信号端的位置判断。,TP : VTP 0,可实现双向传输,VTN=VTP,UGS（TP） VTP UGS（TN） VTN,CMOS传输门的工作原理,若C=0（0V），C1（VDD）时：,TP的G极电路中最高电位，故无论vI为何值，UGS（TP）都不会为负值，TP截止；,TN管的G极电路中最低电位， UGS（TN）都不会为正值，故TN截止。,输入与输出之间呈高阻态（ROFF109），传输门截止。,若C=1（VDD），C0（0V）时：,TN、TP的工
13、作状态与vI的大小有关，故将vI的变化范围分成三段：,对TN管，讨论vI 在0VDD-|VTP|段和VDD-|VTP|VDD段的工作状态：,vI = 0VDD-|VTP|段：假设TN导通，则vI 传到vO后，有UGS（TN）VTNTN导通，假设成立。故此段TN导通。,TN通,VTN = |VTP|,vI = VDD-|VTP|VDD段：仍假设TN导通，则vI传到vO后，有UGS（TN）VTN TN截止，与假设相矛盾。故此段TN截止。,TN止,对TP管，讨论vI 在0VTN段和VTNVDD段的工作状态：,vI =0VTN段：|UGS（TP）|VTP|TP截止。,vI =VTNVDD段：|UGS（
14、TP）|VTP|TP导通。,综上，因此：在 vI=0VDD范围内，TP、TN至少有一管导通，所以vI总能从左往右传到vO端。,TN止,TP止,TP通,30,若将vI加在右端，RL加在左端，同理可分析，通过C和C 能控制 vI 从右向左传输，实现信号的双向传输。,由于TN和TP的源极S和漏极D在结构上完全对称，故源极和漏极可以互换使用，所以传输门能够实现双向传输。,31,传输门可作为模拟开关，传输连续变化的模拟信号。,这是一般的逻辑门无法实现的，模拟开关由传输门和反相器组成。它也是双向器件。,CMOS传输门的逻辑符号及应用,32,4. 三态输出的 CMOS门电路,EN=1时，CMOS呈高阻态EN
15、=0时，实现反相器的逻辑功能,三态输出的CMOS门电路也可以实现总线结构和双向数据传输,33,一、输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，但是，这种保护是有限的。为避免静电损坏，应注意以下几点：,3.3.4 CMOS门电路的使用知识,（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等应可靠接地。 （2）存储和运输CMOS电路，应采用金属屏蔽层做包装材料。,（3）多余的输入端不能悬空。CMOS电路的输入阻抗高，且栅极电容很小，输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。 对多余的输入端，应按功能要求接电源或接地，或与其它输入端并联使用。,34,本章小结1. 半导体二极管和三极管的开关特性；2. 二极管构成的与、或、非门电路；3. 集成门电路TTL门电路和CMOS门电路 以反相器为例，介绍了两种门的电路结构、工作原理和电气特性以及两种门的其它类型和应用。,本章重点两种门电路的电气特性电压传输特性：UILmax、UOLmax、UIHmin、UOHmin ; 输入特性： IIL、IIH; 输出特性：IOHmax、IOLmax几种特殊门：TTL OC门、TS门、CMOS TG门。,习题讲解: 3.14, 3.15, 3.26,作业：3.11，3.12，3.16，3.23,
