数字电子技术经典教程CMOS门电路

C
1
C
vI/vO
TG
vO/vI
vI/vO
SW
vO/vI
vI/vO
RON
vO/vI
C 模拟开关逻辑电路 模拟开关逻辑符号 模拟开关等效电路
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
集 成 逻 辑 门
按制造工艺分
MOS集成逻辑门
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）
按集成度分
§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
CMOS门电路的电气特性
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
tP D
1 t P H L t P L H 2
CMOS门电路的电气特性
动态功耗
CMOS门电路的静态功耗非常低。
（1）由负载电容产生的动态功耗
VDD VTP iP vI iN VTN CL
2 PC C LVDD f
CMOS门电路的电气特性
动态功耗
（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗
CMOS门电路的电气特性
扇出系数
低电平时扇出系数：
NL I OL （max） I IL（max）
高电平时扇出系数：
NH
I OH （max） I IH（max）
CMOS门电路的电气特性
4. 动态特性 传输延迟时间（Popagation Delay）
vI
vO
tPHL
tPLH
平均传输延迟时间
CMOS门电路的电气特性
当门电路输出高电平时
VDD VTP
VOH IOH RL
VTN CMOS反相器
结论：拉电流（sourcing current）负载降低了高电平输 出电压VOH。 IOH：参数由厂商提供，对于 CD4011，当 VDD=5V， VO=4.6V 时，IOHmin =0.44mA
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。
CMOS传输门
传输门的应用：
（1）构成组合逻辑电路
X
TG1
X Z
1
Z Y
Y S
ห้องสมุดไป่ตู้
TG2
S
当S=0时，Z=X；当S=1时，Z=Y。为2选1数据选择器。
CMOS传输门
（2）构成模拟开关
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
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。
on on off off
on off on off
Y H H H L
Y AB
CMOS或非门和与非门
CMOS二输入或非门
VDD
通
VTP1 VTP2
0A 0B 止
VTN1
通
Y
VTN2
1 止
A L L H H
B L H L H
VTN1 VTN2 VTP1 VTP2
off off on on
off on off on
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。
NMOS管的结构和符号
内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？
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
TTL、ECL I2L、HTL PMOS 双极型集成逻辑门 NMOS CMOS
on on off off
on off on off
Y H L L L
Y A B
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？
CMOS门电路的电气特性
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。 vO/V A B
VTP vO VTN
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
VDD VDD RL
VTP V OL VTN CMOS反相器 IOL
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
VDD VTP iD vI vO vO
0 iD
t
VTN
0
t
PT CP DVD2D f
（3）总的动态功耗
2 PD PC PT （C L CPD）VDD f
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； 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；
（1）2.0V （2）1.4V （3）1.6V （4）1.2V
VNL=VIL（max）－VOL（max） =1.5V－0.1V=1.4V
CMOS门电路的电气特性
2. 静态输入特性
CMOS门电路的输入阻抗非常大。
输入保护电路 D1 vI RS D2 VDD
优点：几乎不吸收电流。 一般来说，高电平输入电 流 IIH≤1µA ，低电平输入电 流IIL≤1µ A。
问题的提出
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” F1=AB
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” F2=A+B
问题的提出
异或门的逻辑功能：
A B =1 F
输入相同，输出为“0”
输入不同，输出为“1”
F=AB
内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？
VDD VTP vI VTN vO
PMOS
漏极相连 做输出端 NMOS
柵极相连 做输入端
CMOS反相器
CMOS非门的工作原理
1.当vI=0V时，vGSN=0V，VTN截止， ∣ vGSP∣=VDD ， VTP 导通， vO≈VDD ，门电路输出输出高电平；
VDD VTP vI VTN vO
2. 当 vI=VDD 时， VGSN=VDD ， VTN 导通，∣VGSP∣=0V ， VTP截止， vO≈0V，门电路输出低电平。
5.0 1
vI
vO
V2
V1
测量电路
0
1.5
C 3.5
D 5.0
vI/V
CMOS门电路的电气特性
VDD VTP vI VTN vO
vO/V
5.0
A
B
0
1.5
C 3.5
D 5.0
vI/V
AB段：vI≤1.5V， VTN截止， VTP导通，输出电压vO≈VDD CD段：vI≥3.5V， VTN导通， VTP截止，输出电压vO≈0V
P 型衬底
产生有漏极电流ID。这说 明vGS对ID的控制作用。
空穴 电子 正离子 负离子
NMOS管和PMOS管的通断条件
NMOS
D B
-
当vGS＞VTN时导通 当vGS＜VTN时截止
G + vGS
PMOS
vGS G
+
S S B D