数字电子技术经典教程CMOS门电路课件.ppt

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1、与非门的逻辑功能：输入有“0”，输出为“1”输入全为“1”，输出才为“0”,或非门的逻辑功能：输入有“1”，输出为“0”输入全为“0”，输出才为“1”,问题的提出,？,内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？,内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？,？,异或门的逻辑功能：输入相同，输出为“0”输入不同，输出为“1”,F=AB,问题的提出,本章的教学目标,理解CMOS门电路结构与工作原理 掌握CMOS门电路外特性，正确使用CMOS门电路,理解TTL门电路结构与工作原理 掌握TTL门电路外特性，正确使用TTL门电路,门电路的分类,双极型集成逻辑门,MOS集成逻辑门,按制造工艺分,按集成度分

2、,SSI（10个等效门）,MSI（100个等效门）,LSI（104个等效门）,VLSI（104个以上等效门）,2.1 CMOS门电路,MOS管的开关特性,CMOS反相器,CMOS与非门和或非门,CMOS门电路的电气特性,CMOS传输门,改进型CMOS门电路,MOS管的开关特性,MOS管又称为绝缘栅型场效应三极管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisteor,MOSFET）,MOS管分为N沟道MOS管（NMOS）和P沟道MOS管（PMOS），它们的工作原理基本相同。,取一块P型半导体作为衬底，用B表示。,用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘

3、层。,用光刻工艺腐蚀出两个孔。,扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）,从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。,在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。,NMOS管的结构和符号,1 vDS=0，vGS0,vGS0将在绝缘层产生电场，该电场将SiO2绝缘层下方的空穴推走，同时将衬底的电子吸引到下方，形成导电沟道。,反型层,产生有漏极电流ID。这说明vGS对ID的控制作用。,MOS管的工作原理,2 vDS0，vGS0,思考：何谓反型层？何谓开启电压？,NMOS管和PMOS管的通断条件,NMOS,当vGSVTN时导通,当vGSVTN时截止,PMOS,当vGSVTP

4、时导通,当vGSVTP时截止,（1）当vGS=0时，rds可达到106。当vGS增加时，rds减小，最小可达到10左右，因此，MOS管可看成由电压控制的电阻。,（2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。,MOS管的电路模型,CMOS反相器的电路结构,CMOS反相器,PMOS,NMOS,CMOS非门的工作原理,CMOS反相器,如果将0V定义为0，逻辑VDD定义为逻辑1，将实现逻辑“非”功能。,1.当vI=0V时，vGSN=0V，VTN截止，vGSP=VDD，VTP导通，vOVDD，门电路输出输出高电平；,2.当vI=VDD时，VGSN=VDD，VTN导通，VGSP=0V，VTP截止，vO0V，门电

5、路输出低电平。,CMOS与非门,CMOS或非门和与非门,0,0,1,CMOS或非门和与非门,1,0,0,CMOS二输入或非门,思 考 题,CMOS门电路结构上有什么特点？,如何分析CMOS门电路的逻辑功能？,1电压传输特性,用来描述输入电压和输出电压关系的曲线，就称为门电路的电压传输特性。,CMOS门电路的电气特性,测量电路,AB段：vI1.5V，VTN截止，VTP导通，输出电压vOVDD,CD段：vI3.5V，VTN导通，VTP截止，输出电压vO0V,BC段：1.5VvI3.5V，VTP、VTN均导通。当vI=VDD2时，VTP和VTN 导通程度相当。,CMOS门电路的电气特性,AB段：VT

6、N管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流几乎为0。,CD段：VTP管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也几乎为0。,BC段：两个管均导通，电阻很小，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也很大。,CMOS门电路的电气特性,动态尖峰电流,CD4000 系列门电路的极限参数（VDD=5V）,输出高电平电压VOH，VOH（min）=VDD-0.1V,输出低电平电压VOL，VOL（max）=0.1V,输入高电平电压VIH，VIH（min）=70%VDD,输入低电平电压VIL，VIL（max）=30%VDD,阈值电压VTH=1/2VDD,CMOS门电路的电气特性,噪声容限,

7、低电平噪声容限,高电平噪声容限,CMOS门电路的电气特性,VNL=VIL（max）VOL（max）,VNH=VOH（min）VIH（min）,VNL=VIL（max）VOL（max）,=1.5V0.1V=1.4V,CMOS门电路的电气特性,例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOL（max）=0.1V，最大输入低电平VIL（max）=1.5V，最小输出高电平 VOH（max）=4.9V，最小输入高电平VIH（max）=3.5V，则其低电平噪声容限VNL=。（1）2.0V（2）1.4V（3）1.6V（4）1.2V,2.静态输入特性,CMOS门电路的输入阻抗非常大。,优点：几乎不吸收电流。

8、一般来说，高电平输入电流IIH1A，低电平输入电流IIL1A。,缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。,措施：输入级一般都加了保护电路。,CMOS门电路的电气特性,3.静态输出特性,当门电路输出低电平时,结论：灌电流（sinking current）负载提高了低电平输出电压VOL。,IOL：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V，VO=0.4V时，IOL（min）=0.44mA,CMOS门电路的电气特性,当门电路输出高电平时,结论：拉电流（sourcing current）负载降低了高电平输出电压VOH。,CMOS门电路的电气特性,IOH：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V

9、，VO=4.6V时，IOHmin=0.44mA,扇出系数,CMOS门电路的电气特性,低电平时扇出系数：,高电平时扇出系数：,传输延迟时间（Popagation Delay）,平均传输延迟时间,CMOS门电路的电气特性,4.动态特性,动态功耗,CMOS门电路的静态功耗非常低。,CMOS门电路的电气特性,（1）由负载电容产生的动态功耗,动态功耗,CMOS门电路的电气特性,（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗,（3）总的动态功耗,CMOS电路的特点,1.功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；,2.CMOS集成电路功耗低内部发热量小，集成度可大大提高；

10、,3.抗幅射能力强，MOS管是多数载流子工作，射线辐 射对多数载流子浓度影响不大；,4.电压范围宽：CMOS门电路输出高电平VOH VDD，低电平VOL 0V；,5.输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可以大于50；,6.在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。,电路结构和工作原理：,当C为低电平时，VTN、VTP截止，传输门断开；,当C为高电平时，VTN、VTP中至少有一只管子导通，使vO=vI，传输门接通。,传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。,CMOS传输门,（1）构成组合逻辑电路,CMOS传输门,当S=0时，Z=X；当S=1时，Z=Y。为2选1数据选择器。,传

11、输门的应用：,（2）构成模拟开关,CMOS传输门,控制模拟信号传输的一种电子开关，通与断是由数字信号控制的。,改进型CMOS门电路,CMOS门电路几种常见系列：,（1）CD4000系列：基本系列，速度较慢,（2）74HC系列：速度比CD4000系列提高近10倍,（3）74HCT系列：与LSTTL门电路兼容,（4）LVC系列：低电压系列,（5）BiCMOS系列,改进型CMOS门电路,BiCMOS反相器,当vI输入高电平时，VTN1、VTN2和VT2导通，VTP、VTN3和VT1截止，vO输出低电平。,当vI输入低电平时，VTP1、VTN3和VT1导通，VTN1、VTN2和VT2截止，vO输出高电

12、平。输入和输出实现非逻辑。,改进型CMOS门电路,BiCMOS门电路的结构特点,（1）BiCMOS门的输出电路总是由两个NPN晶体管组成推拉式结构。,（2）连接上方（射随输出）晶体管基极的内部电路总是该门电路的基本功能电路部分。,（3）下方（反相输出）晶体管基极上的信号总是上方晶体管基极信号的反。,BiCMOS是继CMOS后的新一代高性能VLSI工艺。CMOS以低功耗、高密度成为80年VLSI的主流工艺。随着尺寸的逐步缩小，电路性能不断得到提高，但是当尺寸降到1um以下时，由于载流子速度饱和等原因，它的潜力受到很大的限制。把CMOS和Bipolar集成在同一芯片上，发挥各自的优势，克服缺点，可以使电路达到高速度、低功耗。BiCMOS工艺一般以CMOS工艺为基础，增加少量的工艺步骤而成。BiCMOS（Bipolar CMOS）是CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。,