数字电路逻辑设计第3章2MOS管.ppt

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1、MOS型电路是另一种常用电路，MOS意为金属氧化物半导体（Metal-Oxide Semiconductor）,（一）、MOS晶体管 晶体三极管有：E发射极 B基极 C集电极 机理是：基极电流IB 控制集电极电流IC。结构有：NPN PNP MOS三极管有：S源极 G栅极 D漏极 机理是：栅极电压VGS控制漏极电流ID 结构有：N沟道 P沟道,3.4 MOS逻辑门,MOS管除分N沟道、P沟道外，还分增强型和耗尽型。增强型栅压VGS为0无沟道，耗尽型栅压VGS为0有沟道。,1、MOS管的基本结构 以N沟道增强型为例 源、漏极结构对称，可以互换使用 P衬 P型衬底，N型沟道,2、N沟道增强型MOS

2、管的工作特点：,栅极电压VGS小于开启电压VGS（th）时，无沟道形成，漏极电流ID为0。VDS爱多大多大！（截止区）,栅极电压VGS大于等于开启电压VGS（th）时，沟道形成，有ID形成，分两种情况：a、VDS较大，大于 VGS VGS（th），ID随VGS的增加而增加。但很快VDS 已使 ID 饱和，没什么影响了。（饱和区）,b、VDS较小，小于VGS VGS（th），ID随VGS的增加也增加，但与VDS的大小密切相关。或者也可以这样说：对某一VGS，ID随VDS线性增加，且VGS越大，斜率越大，等效电阻越小。（非饱和区 or 可调电阻区）,3、转移特性和跨导gm,VGS 和 IDS的关系

3、通常用跨导表示：I DS gm=VGS VDS=常数它代表VGS对 IDS的控制能力。gm与沟道宽度和长度有关。沟道宽度越宽、长度越短，g m越大，控制能力越强。,4、MOS 管的输入电阻和输入电容,MOS管的输入阻抗指栅极到源极（或漏极）的电阻，由于有SiO2绝缘层的阻隔，电阻极大，通常在1012欧姆以上。作为静态负载对前级几乎没有什么影响。MOS管的栅极、源极之间有很小的寄生电容，称为输入电容，虽然很小（几P或更小），但由于输入阻抗极高，漏电流很小，所以可用来暂时存储信息（如动态RAM）。,5、直流导通电阻RON,直流导通电阻是指MOS管导通时，漏源电压和漏源电流的比值：RON=VDS/I

4、DS,（二）、MOS 反相器 MOS反相器有四种形式，我们只讲E/E型、CMOS反相器。E/E MOS 反相器有两个增强型MOS 管组成，一个作为输入管，一个作为负载管，两个管子的特性（如跨导）完全不同。由N沟道管构成的反相器叫NMOS反相器。见图：,1、E/EMOS管反相器结构：,当输入A=0V时：,T1截止，T2导通。T1只有 n A 级漏电流。工作在负载 线A点。,A,B,输出电压:F=VDD-Vth2=5 2=3 V,设：Vth2=2 V,VGS1 Vth1,当输入A=3V时:,VGS1 Vth1,T1导通:工作在负载 线B点。,输出电压:,由此可知：rd2 rd1 就能很好实现倒相器

5、逻辑功能。,Vth11.5V,2、E/EMOS管反相器工作原理：,负载管特性,与非门,T3:负载管,T1，T2 两个串连驱动管,当A,B中有一个低电平时，相应的驱动管截止，输出F为高电平。,当A,B全为高电平时，T1，T2均导通，输出 F 为低电平。,电路组成：,工作原理：,3.NMOS逻辑门,N:0止1导通,T3:负载管,T1、T2 两个并连驱作动管,当A，B中只要有一个高电平时，T1，T2总有一个导通，输出F为低电平。,只有A,B全为低电平，T1,T2均截止，输出 F 才是高电平。,输出和输入的逻辑关系是：,同理：,是与或非门,电路组成：,或非门,工作原理：,E/E MOS 反相器的特点：

6、,单一电源，结构简单。负载管TL始终饱和，速度慢，功耗大。高电平不为VDD，有所损失。输出高低电平，取决于两管跨导之比。负载管跨导小，电阻大，影响工作速度。,NMOS,PMOS电路存在三个问题：,负载管一直导通，当驱动管导通时，电源与地之间有静态电流，所以功耗大。,要保证输出低电平，要求 rd2rd1不利于大规模集成。,当驱动管截止时，由于负载管导通电阻rd2很大，对容性负载充电时间很长，使电路工作速度缓慢。,CMOS集成电路由 P 沟道和 N 沟道增强型 MOS 管串连组成，CMOS电路能有效解决上述问题。,二、CMOS逻辑电路。,电路结构：,PMOS作负载管，开启电压为负V t h。NMO

7、S作输入管，开启电压为正 V t h。,两个栅极G并联作输入端。,G,两个漏极D串连作输出端。,D,D,两个衬底都和源极S接在一起，PMOS管源极接电源VDD，NMOS管源极接地。,正常工作条件：,电源电压大于两管开启电压绝对值之和。VDD|V t h P|+V t h N,1、CMOS倒相器,S,S,工作原理,假设：,PMOS管 V t h P 2.5V,NMOS管 V t h N=2 V,VDD=5 V,当 VI=0 V 时：,NMOS管 VGSN=0 V t h N，TN管截止，其截止电阻 R off=1091012。,PMOS管 VGSP=0-V DD=5 V，|VGSP|V t h

8、P|，TP管导通，其导通电阻R on=103,CMOS倒相器,TP,TN,VDD,VI,VO,当 VI=5 V 时：,NMOS管VGSN=5V V t h N TN管导通，其导通电阻 R on=103。,PMOS管 VGSP=5V-V DD=0 V|VGSP|V t h P|TP管截止，其导通电阻R off=1091012,F=0。,以上分析：,输入是0,输出是1,实现倒相关系，,PMOS 管，启为负，0导1截止。,NMOS 管，启为正，0止1导通。,倒相器工作过程中，两管轮流导通，导通电阻小，截止电阻大，所以静态电流只有 n A 级。低功耗是CMOS倒相器的重要特点。,CMOS倒相器,TP,

9、TN,VDD,VI,VO,（1）当Vi2V，TN截止，TP导通，VoVDD=10V。,2电压传输特性：,CMOS门电路的阈值电压Vth=VDD/2,（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）,（2）当2VVi5V，TN工作在饱和区，TP工作 在可变电阻区。,（3）当Vi=5V，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2）=5V。,（4）当5VVi8V，TP工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。,（5）当Vi8V，TP截止，TN导通，Vo=0V。,电流传输特性：i o=f(v I),VI=VDD TP、TN 都饱和导通，这一瞬间有大电流通过，在其它区域总有一个导通，另一个截止。所以 i D 电流

10、较小。,3、电流传输特性,、静态功耗极低，仅几十纳瓦,CMOS倒相器工作在1和5工作区，总有一个MOS管处于截止状态，有极小漏电流流过。只有在急剧翻转的第3区才有较大的电流，因此动态功耗会增大。,CMOS倒相器在低频工作时，功耗极小，低功耗时CMOS的最大优点。,、抗干扰能力较强,由于阈值电平近似等于 VDD，输入高、低电平的噪声容限随电源的升高而提高。所以抗干扰能力增强。,CMOS倒相器特点：,、电源利用率高,VOH=VDD,同时 V t h 随 VDD 变化而变化。允许VDD的变化范围为3V18V。,、输入阻抗高，带负载能力强,扇出系数NO=50,下一级是绝缘栅几乎不取电流，所以可带50个

11、同类门电路。CMOS门的输出端在静态时，一个导通，另一个截止。动态时，两管均导通，所以输出端不可以并联。,4、输入特性和输出特性,、输入特性,CMOS电路的栅极和衬底之间是绝缘栅，其直流电阻高达1012,只要有少量电量便可感生出足可以击穿氧化层，造成永久损坏。因此，在CMOS输入端都加有保护电路。,D1、D2是保护二极管，正向压降1V，反向击穿电压30V。,D1是P型扩散区和N型衬底间自然形成的分布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。,C1、C2是TP、TN管栅极等效电容。,R是限流电阻，阻值13K。,加保护电路的输入特性:,当输入 0 VI VDD：输入电流 i I=0,在正常工作范围内

12、，保护二极管不起作用。,当输入VIVDD+VD时：保护二极管D1导通，输入电流 i I 迅速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于VDD+VD。保证加在C2上的电压，不超过其耐压极限。,当输入VIVD时：保护二极管D2导通，|i I|随|VI|增加而增大。其变化斜率由R决定。,CMOS输入端保护电路。,TP,TN,VDD,VI=0V,V0=VOH,RL,、输出特性,低电平输出特性是灌流负载。,高电平输出特性是拉流负载,不管是灌流负载还是拉流负载，负载电流的增加，都会是输出电阻Ron减小，带负载能力增加。,当输入VI为高电平时，负载管截止，输入管导通。因此负载电流灌入输入端。,当输入VI为低电平

13、时，负载管导通，输入管截止。因此负载电流是拉电流。,TP,VDD,VI=VDD,V0=VOL,、电源特性,CMOS正常工作时有静态功耗和动态功耗，静态功耗主要是保护二极管功耗，电流很小，不超过1A。动态功耗,主要发生在两管同时导通时的瞬时功耗PT和对负载电容充、放电所消耗的功耗。,CMOS传输门是由p沟道和n沟道增强型MOS管并联互补组成。,电路组成：,两管漏级相连作 Vi/VO。（由于D、S对称可以双向传输。）,两个栅极受一对控制信号控制。,工作原理：,TN、TP均截止，输入和输出之间电阻109。传输门截止。输入信号不能通过。,TN、TP均导通，输入和输出之间电阻 103。传输门导通。输入、

14、输出信号接通。,2、CMOS传输门（双向开关，模拟开关）,N:0止1导通,P:0导1截止,TP衬底接VDD，TN衬底接地。,逻辑符号：,用途：,作模拟开关，传输连续变化的模拟信号。如音频，视频等信号。还可以作多路开关。,CMOS传输门（双向开关，模拟开关）,与非门,利用CMOS倒相器构成与非门。,电路组成：,两P并，作负载，0导1截止。,两N串，作驱动，0止1导通。,工作原理：,当A,B中只要有一个0,TN总有一个截止，TP总有一个导通，输出为高电平。,只要A,B都为1,TN都导通，TP都截止，输出为低电平。,因此该电路具有与非逻辑功能。,3、静态CMOS逻辑门电路,电路组成：,两P串，作负载

15、，0 导 1 截止。,两N并，作驱动，0 止 1 导通。,工作原理：,当A,B中只要有一个1,TN总有一个导通，TP总有一个截止，输出为底电平。,只要A,B全为0,TN都截止，TP都导通，输出为高电平。,因此该电路具有或非逻辑功能。,或非门,用CMOS倒相器构成的与非门电路简单，但存在一些缺点。,1、输出电阻 RON 随输入信号变化而变化。,输入信号不同，引起输出电阻不同。相差四倍之多。,N:0 止 1 导通。,P:0 导 1 截止。,带缓冲级的与非门,当输入端数目增加时：串联驱动管、并联的负载管随输入变量的增加而增加。,串联驱动管越多，导通输出低电平等于各驱动管压降之和。所以输入端数目增加使

16、输出低电平升高，输入低电平噪声容限下降。,解决上述缺点的方法：,采用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点，在或非门的输入、输出端加具有标准参数的倒相器构成。,2、输出低电平受输入端数多少的影响,用逻辑符号表示：,如果将电路改为：倒相器与非门倒相器？,带缓冲级的门电路，输出电阻，输出低电平不受输入信号和输入端数的影响。,倒相器,倒相器,或非门,带缓冲级的与非门,三态输出CMOS门是在普通倒相器的基础上增加控制端和控制电路构成。三态门有三种形式：,反相器控制电路,工作原理：,TP和 TN均导通，上接电源下接地，是一个反相器。,TP和 TN均截止，上、下都不通。悬空，是高阻态。,是低有效。控制端为0,电

17、路正常工作，控制端为1是高阻态。,特点：由增加底TP和 TNMOS 管及反相器组成。,P:0 导 1 截止。,N:0 止 1 导通。,三态输出CMOS门,反相器控制门,特点：增加TP和 或非门,工作原理：,TP导通，电源接通，就是一个反相器。,TP 截止，电源断开，,TN 也截止，上、下都不通。悬空，是高阻态。,控制端为0,电路正常工作，控制端为1是高阻态。是低有效。,P:0 导 1 截止。,N:0 止 1 导通。,或门输出,三态输出CMOS门,反相器控制门的另一种形式,特点：增加TN和 与非门,TN截止，与非门输出为1,TP也截止。上、下都不通。悬空，是高阻态。,TN导通，与非门开放，F=A

18、。,反相器传输门,EN是高有效。,TG导通,TG截止，F为高阻。,C,是低有效。,N:0 止 1 导通。,P:0 导 1 截止。,EN=1:,EN=0:,后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：,CMOS异或门电路,由两级组成，前级为或非门，输出为,1CMOS逻辑门电路的系列（1）基本的CMOS4000系列。（2）高速的CMOSHC系列。（3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。2CMOS逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（min）=0.9VDD；VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2）阈值电压Vth约为VDD/2。（3）CMOS非门的关门电

19、平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；（5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。,CMOS逻辑门电路的系列及主要参数,（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,多余输入端的处理,（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平。如直接接电源正端，在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。,本章小结,1最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。2目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型三极管组成，简称TTL集成电路；另一类由MOSFET构成，简称MOS集成电路。3TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在TTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。4MOS集成电路常用的是两种结构。一种是NMOS门电路，另一类是CMOS门电路。与TTL门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与TTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。,