集成门电路和触发器

1. 电路
C g
VP
+5V
vI
VN g
S
D
vO
由两个对称的MOS管组成。传输模
C C
-5V
拟信号的模拟开关：
VO≈VI 栅极（g）：控制端 源极（S）：输入 漏极（D）：输出 符号：
vI
TG
vO
C
⒉工作原理 设: VI＝－5V ～＋5V ⑴ C=－5V , C= +5V:
VP : VGSP ≤VTP=－2V 导通条件 VN : VGSN ≥ VTN =2V
VDD VIL=0 T1 VOH IOH RL
0
VOH
VDD 15V 10V VDD=5V
IOH
（三）动态特性
• 1.传输延迟时间
(1) MOS管在开关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间； (2) MOS管的导通电阻比TTL电路大的多，所以其内部电容 和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受VDD 影响，所以，VDD也影响传输延迟时间； (3)C MOS门的输入电容比TTL电路大的多，因此负载个数 越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数就是受传输延迟时 间和下面要介绍的动态功耗等动态特性限制的。
VgsP=0 V
VDD
截止
VP
A A=1
VN VgsN=10 V
F
V０=0V 即F＝0 导通
⒉工作原理（续）
VgsP=－10 V
VDD
设VDD＝10V，A＝1时，VA＝10V A＝0时，VA＝0 V
导通
VP
A A=0
VN VgsN=0 V
A VP
F
V０=10V 即F＝1
截止
VN Y 1 0
结论：
0 1
CMOS电路的特点
⑴静态功耗小。（约10μW） ⑵允许电源电压范围宽。（318V） ⑶扇出系数大。（带同类负载N≥50） ⑷抗噪容限大。（Vth=1/2VDD） (5)输入阻抗高。 (6)速度较低。（tpd=40 nS）
CMOS电路导通时阻抗较大（>1KΩ），由于分布 电容Co的存在，电平高低变化时充放电较慢，影
VDD A
0
VP1 B
1
VP2
F
0
VN1
VN2
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝B＝1时，VA＝VB＝10V A＝B＝0时，VA＝VB＝0 V
A=0,B=0: F=1 VN1、VN2：截止 VP1、VP2：导通 A=0,B=1: F=0 VN1、VP2：截止 VP1、VN2：导通
VDD A
1
VP1 B
VDD A
1
VP1 B
1
A=1,B=0:
F=0 VP1、VN2：截止 VN1、VP2：导通 A=1,B=1: F=0
VP1、 VP2 ：截止 VN1、 VN2 ：导通
VP2
F
0
VN1
VN2
⒉工作原理（续） A B VP1 VP2 VN1 VN2 F
0
0 1 1
0
1 0 1
导通
导通 截止 截止
导通
截止 导通 截止
反相器1
输入A、B相同 A=B=0 ： TG 断 开 ， 结构：由三个 则C=B=1，F=C=0。 CMOS反相器 A=B=1：TG接通， 和一个CMOS C=B=1，反相器2的 传输门组成。 两只MOS管都截止， 输出F=0。
反相器2
反相器3
0
1
1
0
输入A、B不同 A=1，B=0：TG通，F=1； 0 传输门的控制信号和反 A=0，B=1：TG断，F=1。 相器2的供电信号A、A 结论：电路实现异或逻辑功能。 F A B AB AB
VgsN 5 (5～＋5) 10V～0V
VN 导通
VI＝－5V ～＋3V VN 截止 VI＝＋3V ～＋5V －5V C +5V
10V～2V 2V～0V
VP
g
VgsP 5 (5～＋5) 0V～ 10V
vI
s
vO
VN 5V g
0V～ 2V 2V～10V
VP 截止
0
VP1 B
0
VgsP1= VgsP2 = －10 V VgsN1= VgsN2 = 0 V VN1 VN2
VP2
F
1
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝B＝1时，VA＝VB＝10V A＝B＝0时，VA＝VB＝0 V
A=0,B=0: F=1 VN1、VN2：截止 VP1、VP2：导通 A=0,B=1: F=0 VN1、VP2：截止 VP1、VN2：导通
VI＝－5V ～ － 3V
VP 导通
VI＝ － 3V ～＋5V
C
-5V
⒉工作原理（续2） VN管 － 5V 导通 截止 0 导通 ＋3V ＋5V 截止
vI
－5V －3V
＋5V
VP管 结论：C=＋5V , C= －5V时，在vI＝ －5V ～＋5V范围内， VN和VP 总有一个管子导通，所以 VO≈VI 。
CMOS双向模拟开关
⑴由CMOS反相器和 CMOS传输门组成 ⑵MOS管结构对称，漏极 和源极可以互换,CMOS具有 双向传输特性。 C 1
vI/vO
TG
vO/vI
⑶功能： C＝1时，传输门导通， 内阻 R＝1KΩ。 C＝0时，传输门截止， 内阻 R＝109Ω。
C
vI/vO
SW
vO/vI
CMOS异或门
电平。电路具有与非的逻辑
功能，即Y=A· B。
CMOS或非门
VDD
⒈电路
负载管串联 驱动管并联
A
VP1
B
VP2 F
VN1
VN2
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝B＝1时，VA＝VB＝10V A＝B＝0时，VA＝VB＝0 V
A=0,B=0: F=1 VN1、VN2：截止 VP1、VP2：导通
VDD A
VP2 A 1
VP1 F1
VN2
B0 VN1
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝B＝1时，VA＝VB＝10V A＝B＝0时，VA＝VB＝0 V
VDD
A=0,B=0: F=1 VN1、VN2：截止 VP1、VP2：导通 A=0,B=1: F=1 VN1、VP2：截止 VP1、VN2：导通 A=1,B=0: F=1 VP1、VN2：截止 VN1、VP2：导通
0
负载管
逻辑关系:
驱动管
Y AB
____
驱动管V2、V4是N沟道增强
型MOS管，负载管V1、V3是 P沟道增强型MOS管。驱动
管串联，负载管并联。当输
入端A、B中有一个为低电平 时，该输入端对应的PMOS 管导通，NMOS管截止，输 出为高电平；只有当输入端 A、B都是高电平时，两个 NMOS管都导通，两个 PMOS管都截止，输出为低 CMOS与非门
最大提供 电流1.5mA
响其工作速度。
CMOS与非门和或非门
与非门
⒈电路
VDD
负载管并联 驱动管串联
VP2 A
VP1
F VN2
B VN1
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝B＝1时，VA＝VB＝10V A＝B＝0时，VA＝VB＝0 V
VgsP1= VgsP2 = －10 V
A=0,B=0: F=1
VN1、VN2：截止 VP1、VP2：导通
第五章 集成门电路和触发器
5.1 5.2 5.3 5.4 CMOS门电路 TTL门电路
基本触发器和同步触发器 主从触发器和边沿触发器
5.1 CMOS门电路
• TTL电路是以三极管为基础属于双极型电路。 • MOS电路是以MOS管为基础属于单极型电路。 • CMOS电路的工作速度可与TTL电路相比较， 而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。几乎 所有的超大规模存储器件，以及PLD器件都采 用CMOS工艺制造，且费用较低。
VDD
VP2 A 0
VP1 F1
VgsN1= VgsN2 = 0 V B0
VN2
VN1
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝B＝1时，VA＝VB＝10V A＝B＝0时，VA＝VB＝0 V
VDD
A=0,B=0: F=1 VN1、VN2：截止 VP1、VP2：导通 A=0,B=1: F=1 VN1、VP2：导通 VP1、VN2：截止
0
A=1,Leabharlann Baidu=0:
F=0 VP1、VN2：截止 VN1、VP2：导通
VP2
F
0
VN1
VN2
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝B＝1时，VA＝VB＝10V A＝B＝0时，VA＝VB＝0 V
A=0,B=0: F=1 VN1、VN2：截止 VP1、VP2：导通 A=0,B=1: F=0 VN1、VP2：截止 VP1、VN2：导通
2. 交流噪声容限 传输延迟时间与电 源电压和负载电容有 与TTL电路类似，当噪声电压作用时 关，因此VDD和CL都对 间tW小于电路的传输延迟时间时，输入 输入噪声容限有影响。 噪声容限VNA将随tW缩小而明显增大。 •3.动态功耗 动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加 功耗，其值随输入信号频率增加而增加。 负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。 定量估算可得动态功耗PC的公式： PC=CLfV2DD
VgsN 5 (5～＋5) 0V～ 10V VTN VgsP 5 (5～＋5) 10V～0V VTP
5V
C
g
+5V
VP
vI
s
vO
所以：VP，VN都截止。即： VN VI无论如何变化，VI, VO g 之间呈现高阻状态，传输门断开。 －5V C
-5V
⒉工作原理（续1） 设: VI＝－5V ～＋5V ⑵ C=＋5V , C= －5V: VP : VGSP ≤VTP=－2V 导通条件 VN : VGSN ≥ VTN =2V
VDD RL IOL T2 VIH=VDD iD2 VOL V0L
VDD=5V 10V 15V I0L
（2）高电平输出特 性
当VI=VIL=0时，VO=VOH，T1导通，T2截止，IOH与负载电流IL 方向相反，VOH随IOH增加而下降，VOH=VDD–IOHROH。 同样的IOH时，VDD越大，VGS1越负，RON越小，VOH 下降越少。
VP2 A 1
VP1 F0
VN2
B1 VN1
A=1,B=1: F=0 VP1、VP2：截止 VN1、VN2：导通
⒉工作原理（续） A 0 0 1 B 0 1 0 VP1 导通 导通 截止 VP2 导通 截止 导通 VN1 截止 截止 导通 VN2 截止 导通 截止 F 1 1 1
1
1
截止
截止
导通
导通
VP2 A 0
VP1 F1
VN2
B1 VN1
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝B＝1时，VA＝VB＝10V A＝B＝0时，VA＝VB＝0 V
VDD
A=0,B=0: F=1 VN1、VN2：截止 VP1、VP2：导通 A=0,B=1: F=1 VN1、VP2：截止 VP1、VN2：导通 A=1,B=0: F=1 VP1、VN2：导通 VN1、VP2：截止
iI
A
I
由曲线可看出，输 入电压在0－VDD间变 化时，输入电流为0； 二极管D 和 2 当输入电压大于VDD时， 电阻RS串联 二极管D1导通；当输 电路的特性 入电压小于0V时，二 极管D2导通。
二极管 D1的特 性
4 ．输出特性 （1）低电平输出特性 当VI=VIH时，VO=VOL，T1截止，T2导通，VOL=IOLRON， VOL随IOL增加而增加，与导通内阻有关。 相同的IOL， VDD越大，VGS越大，RON越小，VOL就越 低
CMOS反相器
⒈电路
VDD
SP
GP
PMOS管的衬底总是接到 源极S，流出P沟道
VP
DP
DN
A
GN 柵极相连 做输入端 SN
F
PMOS管 负载管 漏极相连
做输出端
VN
NMOS管 驱动管
NMOS管的衬底总是接到 源极S，流进N沟道
⒉工作原理
设VDD＝10V，A＝1时，VA＝10V A＝0时，VA＝0 V
2.电流传输特性
A
当T1,T2都导通时， iD不为0；输入 电压为VDD/2时， iD较大，因此不 应使其长期工作 在BC段。
在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0； 而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出 系数的主要因素。
3.输入特性 由于MOS管栅极绝 缘，输入电流恒为0， 但CMOS门输入端接有 保护电路，从而输入电 流不为0。
（四）漏极开路门电路（OD）和三态门
截止
截止 导通 导通
截止
导通 截止 导通
1
0 0 0
负载管 逻辑关系:
驱动管
Y A B
_______
并联的NMOS驱动管, 实现或非逻辑
与门和或门
在集成的与非门和或非门的输出级中在增加一级
反相器就得到与门和或门。
CMOS传输门（TG门）
CMOS传输门也是CMOS 电路的基本单元，是一种传输 信号的可控开关，它由一个P沟 道和一个N沟道增强型MOS管 并联而成。
导通 截止 截止 导通
（二）静态特性
1.电压传输特性
T1，T2都导通
T2截止， T1导通
特点： 转折区变化率 大，特性更接 近理想开关。
V V
阈值电压
T1截止，T2导通
阈值电压为VDD 的一半，特性对称， 因而输入端噪声容限较大。CC4000系 列CMOS电路的噪声容限为：（允许 输出电压变化百分之十） VNH=VNL=30%VDD