三态输出的CMOS反相器

CD段： T2导通， T1截止， VO = VOL ≈ 0。
BC段： T1 、T2同时导通， 为转折区。
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7
3. 电流传输特性
iD
VGS(th)N
VG S(th)P
AB
CD
O
1 2 VDD
v VDD
I
第二节 CMOS门电路
AB段：T2截止 漏极电流几乎为0
CD段：T1截止 漏极电流几乎为0
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第二节 CMOS门电路
用短沟道、硅栅自对准工艺生产的高速CMOS门电路，
其平均传输延迟时间小于10ns。
高速CMOS门电路的通用系列为54HC/74HC系列。
该系列产品使用+5V电源，
输出的高、低电平与TTL电路兼容。
如54HC/74HC× × ×与54LS/74LS × × × ，
动态功耗 PD = PT + PC 其中PT ： T1和T2在短时间内同时导通所产生的瞬时导通功耗。
PC ：对负载电容充、放电所消耗的功率。
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第二节 CMOS门电路
五、其他类型的CMOS门电路
1.其他逻辑功能的CMOS门电路
在CMOS门电路的系列产品中， 除反相器外常用的还有： 与非门、或非门、与门、 或门、与或非门、异或门等几种。
1. 输入特性 因为MOS管的栅极和衬底之间存在输入电容，
绝缘介质又非常薄，极易被击穿，
所以必须采取保护措施。
输入保护电路
VDD
C1
T1
RS
vI
vO
C2
T2
输入保护电路
C1 RS
vI
C2
VDD
T1
vO
T2
CC400系列的输入保护电路
10
74HC系列的输入保护电路 上页 下页 返回
输入特性曲线
iI
第二节 CMOS门电路 iI
四、 CMOS反相器的动态特性
1. 传输延迟时间
vI
VDD T1
O
vo
vI
vO
CL
50%VIH
t
50%VOH
T2
O
t
tPHL
tPLH
一般情况下，tPHL、 tPLH主要是由于负载电容的充放 电所产生的，为了缩短传输延迟时间，必须减小负载
电容和MOS管的导通电阻。
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2.交流噪声容限
EN1
A1
G1
总
EN 2
A2 G2
… …
…
线
EN n
An
Gn
用三态输出反相器实现 数据双向传输
Y
EN
总
DO
G1
DO / DI
DI
G2
线
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第二节 CMOS门电路
6.改进的 CMOS门电路 (1) 高速 CMOS门电路 由于在MOS管中存在着一些寄生电容， 因而降低了MOS管的开关速度。 为了减小这些寄生电容， 在高速MOS门电路中从工艺上做了改进。 首先尽量减小沟道的长度，缩小整个MOS管的尺寸。 其次采用了硅栅自对准技术减小了栅极和漏极、 栅极和源极的重叠区，使CGD和CGS的数值减小。
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第二节 CMOS门电路
3. 漏极开路的门电路（OD门）
VDD1
VDD2
RL
CC40107
A B
Y
A
B
Y (AB)
VSS
用途：输出缓冲/驱动器；输出电平的变换； 满足大功率负载电流的需要；实现线与逻辑。
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第二节 CMOS门电路
G1
A B
G2
C D
Y Y1 Y2
Y (AB)
缺点：1. 输入端的工作状态不同时影响电压传输特性。
2. 输出的高、低电平受输入端数目的影响。
3. 它的输出电阻受输入状态的影响。 上页 下页 返回
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第二节 CMOS门电路
（2）CMOS“或非”门电
路
VDD
B
T4 当A，B两个输入端全为“1”
A
或 其中一个为“1”时，
T3
输出端为“0”。
vI -
- D-S间相当于一个闭合的开关。
若参数选择合理
输入低电平时MOS管截止，输出高电平。
输入高电平时MOS管导通，输出低电平。
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4
第二节 CMOS门电路
4. MOS管的开关等效电路
D
D
G CI
G CI
RON
S
S
截止状态
导通状态
CI代表栅极的输入电容， CI的数值约为几皮法。
RON为MOS管导通状态下的内阻，约在1kΩ以内。
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1
第二节 CMOS门电路
2. MOS管的输入特性和输出特性
iD/mA
iD/mA
iD
+
+
vDS
vGS -
-
共源接法
O
输出特性曲线
vGS=UT
vDS/V
O VGS(th) vGS/V
转移特性曲线
共源接法下的输出特性曲线又称为MOS管的漏极特 性曲线。
表示iD与vGS关系的曲线称为MOS管的转移特性曲线。
一、MOS管的开关特性
1. MOS管的结构和工作原理
-
S
vGS
vDS +
G
+ iD
D
N+
N+
G
P型衬底(B)
第二节 CMOS门电路
D B
S
当vGS= 0 时，D-S间不导通， iD= 0 。
当vGS> vGS(th) (MOS管的开启电压）时，栅极下 面的衬底表面形成一个N型反型层。这个反型层 构成了D-S间的导电沟道，有 iD流通。
和双极型电路低输出内阻的优点。 目前Bi-CMOS反相器的传输延迟时间可减小到1ns以下。
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第二节 CMOS门电路
六、CMOS电路的正确使用
1. 输入电路的静电防护 为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：
1）在存储和运输CMOS器件时，
不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，

RL
RL RTG
vI
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5. 三态输出的 CMOS门电路
三态输出的 CMOS反相器
VDD
EN
T1
A
Y
T2
第二节 CMOS门电路 动画
EN
A
Y
EN 1 时，输出呈现高阻态。 EN 0 时，反相器正常工作。
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26
第二节 CMOS门电路
用三态输出反相器接成 总线结构
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2
iD/mA 可变
电阻区
恒流区
O 截止区
输出特性曲线
vGS=UT vDS/V
第二节 CMOS门电路
漏极特性曲线分为三 个工作区。
截止区 VGS VGS(th) 漏极和源极之间 没有导电沟道， iD≈0。
可变电阻区 当vGS一定时，iD与vDS之比 近似等于一个常数，具有类 似于线性电阻的性质。
线与连接方法
Y1 VDD
RL
Y
A B
Y2
A
B
VDD
G1 Y1 G2 Y2
RL Y
线与逻辑符号
Y (AB)
( AB)(CD) (AB CD)
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第二节 CMOS门电路
4. CMOS传输门和双向模拟开关
C
C
T2
VDD
vI / vO T1
vO / vI vI / vO TG
只要最后× × ×表示的数字相同，
则两种器件的逻辑功能、外形尺寸、
引脚排列顺序也完全相同。 但两种器件不能简单地互换使用。
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第二节 CMOS门电路
(2) Bi- CMOS电路
Bi-CMOS是双极型-CMOS(Bipolar-CMOS)电路的简称。 这种门电路的特点是逻辑部分采用CMOS结构， 输出极采用双极型三极管。 因此，它兼有CMOS电路的低功耗，
Y
T1
T2 只有当输入端全为“0”时，
输出端才为“1”。
CMOS或非门
Y (A B)
存在和与非门类似的问题。
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第二节 CMOS门电路
2.带缓冲级的CMOS门电路
电路构成： 在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器， 加进的这些反相器具有标准参数，所以称为缓冲器。 优点： 这些带缓冲级的门电路，其输出电阻和输出的高、 低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响， 电压传输特性的转折区也变得更陡。
CMOS反相器的静态功耗极小
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6
第二节 CMOS门电路
2. 电压传输特性
vO
VDD A B
T1的开 启电压
1
2 VDD VGH(th)N
VGH(th)P
T2的开 O 启电压
CD
1 2
VDD
VDD vI
CMOS反相器的电压传输特性
阈值电 压VTH
AB段： T1导通， T2截止， VO = VOH ≈ VDD。
O
IOL
CMOS反相器的低电平输出特性
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第二节 CMOS门电路
高电平输出特性 当输出为高电平时，工作状态如下图所示。
VIL 0
VDD T1
VOH
IOH
RL
15V10V VDD=5V
VOH VDD
O IOH CMOS反相器的高电平输出特性
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13
第二节 CMOS门电路
Y
B
Y
TG2
Y AB
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第二节 CMOS门电路
传输门的另一个用途是作模拟开关，用来传输连续 变化的模拟电压信号。
C
vI / vO
TG vO / vI
C
vI / vO SW vO / vI
C
vI
SW
vO
RL
模拟开关的导通内阻为RTG。 C=0时开关截止。
25
C=1时开关接通。
vO
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第二节 CMOS门电路
（1）CMOS与非门电路
VDD 当A，B两个输入端全为“1”时，
T3
T4
T1和T2都导通，T3和T4都截止，
Y 输出端为“0”。
T2
当输入端有一个或全为“0”时，
A
T1或T2（或都）截止，T3或T4 （或
都）导通 ，
B
T1
输出端Y为“1” 。
CMOS与非门
C
C
vO / vI
C 1,C 0 时，传输门导通。 C 0,C 1 时，传输门截止。
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第二节 CMOS门电路
利用 CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种 复杂的逻辑电路， 如异或门、数据选择器、寄存器、计数器等。
用反相器和传输门构成异或门电路
A
B
TG1
A
3）输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。
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3. CMOS电路锁定效应的防护 锁定效应或称为可控硅效应，
第二节 CMOS门电路
是CMOS电路中的一个特有问题。
发生锁定效应以后往往会造成器件的永久失效，
为防止发生锁定效应，可以采取以下防护措施：
1）在输入端和输出端设置钳位电路。
最好采用金属屏蔽层作包装材料。
2）组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、
工作台台面等良好接地。
操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。
3）不用的输入端不应悬空。
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2. 输入电路的过流保护
第二节 CMOS门电路
由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限， 所以在可能出现较大输入电流的场合， 必须采取以下保护措施： 1）输入端接低内阻信号源时， 应在输入端与信号源之间串进保护电阻， 保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。 2）输入端接有大电容时， 应在输入端和电容之间接入保护电阻。
3
恒流区 iD的大小基本上由vGS 决定，vDS的变化对iD 的影响很小。
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3. MOS管的基本开关电路
第二节 CMOS门电路
VDD RD +
当vI =vGS <vGS(th) 时， VOH ≈VDD ， D-S间相当于一个断开的开关。
+
iD vO 当vI >vGS(th) 并继续升高， VOL ≈0，
第二节 CMOS门电路
当噪声电压的作用时间小于或接近于 CMOS电路的传输延迟时间时， 输入噪声容限将明显提高。 传输延迟时间越长，交流噪声容限也越大。
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3. 动态功耗 定义：
第二节 CMOS门电路
当CMOS反相器从一种稳定工作状态, 突然转变到另一种稳定状态的过程中，
将产生附加的功耗，称之为动态功耗。
-0.7V O
VDD+0.7V vI
-0.7V O
VDD+0.7V vI
CC400系列的输入特性
74HC系列的输入特性
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2. 输出特性
第二节 CMOS门电路
低电平输出特性 当输出为低电平时，工作状态如下图所示。
VDD
T2
VIH VDD
IOL
RL
VOL
iD2
VOL
VDD=5V 10V 15V
2）在VDD可能出现瞬时高电压时, 在CMOS电路的电源输入端加去耦电路。
3）当系统由几个电源分别供电时，
各电源的开关顺序必须合理。
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第二节 CMOS门电路
课堂练习
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5
第二节 CMOS门电路
二、CMOS反相器的电路结构和工作原理
1. 电路结构
VDD T1
iD
vI
vO
T2 VSS
CMOS反相器的电路图
当vI = VIL= 0时， 输出为高电平VOH ≈ VDD 。
当vI = VIH= VDD 时， 输出为低电平VOL ≈ 0。
输入与输出之间为逻辑非的关系。
BC段： 阈值电压附近 电流很大
CMOS电路不应长时间工作在BC段。
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8
第二节 CMOS门电路
4. 输入噪声容限
vO VNL
VNL VNH
0
VDD=15V VDD=10V
VNH
I
适当提高VDD，可提高CMOS反相器的输入噪声容限。
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9
第二节 CMOS门电路
三、CMOS反相器的静态输入、输出特性