第三章 门电路

(VDD VOL ) / RL m' I IL IOL(max)
RL (VDD VOL ) / (IOL(max) m' I IL ) RL(min)
RL(max) RL RL(min)
三、CMOS传输门
1、CMOS传输门
控制信号
T1、T2的源极和漏极在结构上是完全对称的
引，使衬底中的少数载流子（电子）聚集到栅极下面的衬底 表面，形成N型的反型层，构成了D-S间的导电沟道，有电流 产生。随着VGS增加，iD增大。 注：在VGS =0时不存在导电沟道，必须加足够高的栅极电压才 有导电沟道形成，称为N沟道增强型MOS管。
二、输入特性和输出特性 ①输入特性：栅极电流为0。 ②输出特性：iD = f(VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线。
SSI, MSI, LSI, VLSI 片上系统（SOC)
由分立元器件（如电阻、电容）
3.2 半导体二极管门电路
3.2.1 半导体二极管的开关特性

二极管开关电路 二极管具有单向导电性
VI=VIH
二极管非理想元件，受 PN结表面漏电阻和半导 体体电阻的影响。
D截止，VO=VOH=VCC
VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V
令V DD VGS (th ) N VGS (th ) P
vI VIL 0V
vI VIH VDD
静态功耗极小
二、电压、电流传输特性
设 VGS ( th) N VGS ( th) P
V V V DD GS (th) N GS (th) P AB段：v I V GS (th) N T1通，T2 止 v V V o OH DD CD段：v I V V DD GS (th) P T 2 通，T1截止 vO V 0 OL BC 段：V vI V V GS (th) N DD GS (th) P T1 , T2 都通 1 1 若T1 , T2 完全相同，v I V vO V 2 DD 2 DD
3.3.6 CMOS电路的正确使用

输入电路的过流防护； 原因： 保护电路中的钳位二极管电流容量有限，一般为1mA。 措施： ①输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源间串进 保护电阻； ②输入端接有大电容时，亦应在输入端与电容间介入保护 电阻； ③输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。
三、动态功耗 ₪CMOS反相器从一个稳定状态转变到另一个稳定状态时所产 生的功耗称为动态功耗。 ₪动态功耗PD=PC（CL充放电的功耗）+PT（T1、T2短时间内同 时导通所消耗的瞬时导通功耗）
1.负载电容充放电功耗 C P 当VI ,VDD 经T 1向CL充电，有iP 当VI , CL经T 2放电，有iN 可得平均功耗
加，iD增加，而vO=VDD-VR随之下降。由于iD与vI变化量之比非 正比关系，⊿vO与⊿vI之比非常数。电路工作在放大状态。
vI继续升高，RON很小(在1KΩ以内)。只要RD» ON，vO=VOL≈0. R
只要选择合理的电路参数，可使MOS管成为一个可控的开关。 当输入低电平时，MOS管截至，输出为高电平； 当输入高电平时，MOS管导通，输出为低电平。

当传输门的一端接VI(+)，另一端接RL时，
设控制信号C和C'的高电平和低电平分别为VDD和0V，
①若C=0、C’=1，只要输入信号的变化范围不超过0～VDD，
T1、T2同时截止，输入与输出之间呈现高阻态（>109Ω）， 传输门截止；
设控制信号C和C'的高电平和低电平分别为VDD和0V，
②若C=1、C’=0，当 0 vI VDD VGS (th) N 时，T1导通；
Y ( AB)' (CD)' ( AB CD)'
两个OD输出与非门可以结成一个与或非门电路
3.计算上拉电阻RL 在线与输出端接有其他门电路作为负载的情况下 ①当所有OD门全截至、输出为高电平时，OD门输出 端MOS管截止时的漏电流（IOH）和负载门的高电 平输入电流（IIH）全部流过RL并产生压降。
1.MOS管栅极与衬底间的SiO2层可等效为电容，绝缘层非常 薄，易被击穿（耐压100V），应采取保护措施。
2. 保护电路---74HC系列和4000系列
分布式二 极管结构
二、输出特性
等 效
1. 低电平输出特性 当 vO VOL 时,T1截止、T2管导通。 输出电平随IOL增加而提高。
2.高电平输出特性 当 vO VOH 时，T2截止、T1导通。 IOH方向与规定负载电流方向相 反。VOH随IOH增加而下降。 反相器输出的高、低电平与 负载电流的大小有关
三、输入噪声容限
在VI 偏离VIH 和VIL的一定范围内，VO基本不变； 在保证输出电平不变的情况下，允许输入的变化范围称为输入噪声容限
V NH VOH (min) VIH (min) V NL VIL (max) VOL (max)
可以通过提高VDD，提高噪声容限。
3.3.3 CMOS反相器的静态输入和输出特性 一、输入特性（输入电压与输入电流间的关系）
共源接法 输出回路
输入回路
IDS
转移特性曲线
漏极特性曲线（分三个区域）①截止区②可变电阻区③恒流区
三、MOS管的基本开关电路
当
vI vGS VGS (th) 时，
MOS管工作在截止区。 只要 RD ROFF , vO VOH VDD
当vI>VGS(th)且vDS较高时，MOS管工作在恒流区。随着vI的增
VOH VDD (nIOH mI IH )RL VOH (min)
RL (VDD VOH ) / (nIOH mI IH ) RL(max)
3.计算RL ②当输出为低电平、且OD门中只有一个门的输出 MOS管导通时，负载电流将全部流入这个导通管。 为保证电路正常工作，负载电流大小不能超过 MOS管允许的最大电流IOL(max)。
Y＝0；
③当A=1、B=0时，T3导通、T4截止，Y＝1； ③当A=1、B=0，T2,3导通、T1,4截止，Y＝0；
④当A=1、B=1时，T1和T3同时截止，
T2和T4同时导通，Y＝0。
④当A=1、B=1，T1,3截止，T2,4导通，Y＝0。
3、与非门电路存在的缺点

输出电阻受输入状态的影响；
当A=B=1时， RO RON 2 RON 4 2RON 当A＝B＝0时，RO RON 1 // RON 3
2 PC CL fVDD
2. 瞬时导通功耗PT
2 P CPD fVDD T
功耗电 容
1.导通功耗 PT VDD I TAV , 其中 I TAV
t4 1 t2 ( iT dt iT dt) t3 T t1
3. 总的功耗PTOT=动态功耗PT+静态功耗PS，
2 P P P (CL CPD ) fVDD TOT C T
规定2.3V以上为1 0V以下为0
3.3 CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性
一、MOS管的结构和工作原理
栅极 源极 漏极 （Source） （Gate） （Drain） N沟 道
工作原理
P
当加+VDS时，令VGS=0，
D-S间是两个背向PN结串联，iD=0。
开启电压
加上+VGS，且足够大至VGS >VGS(th)，栅极与衬底间电场的吸
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
一、传输延迟时间 1、定义：由于CI和CL的存在，当输入信号发生跳变时，输出 电压的变化必然滞后于输入电压的变化。（tPHL,tPLH） 2、tPHL、tPLH受CL、MOS管的导通内阻（与vGS有关）影响。 3、tPHL≈tPLH=tpd
二、交流噪声容限 由于负载电容和MOS管寄生电容的存在，输入信号状态变 化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出改变 状态。 当输入信号为窄脉冲且脉宽接近于门电路的tpd时，脉冲 信号幅度将远大于直流输入信号的幅度，才能使输出改 变状态。 反相器对这类窄脉冲的交流噪声容限 » 直流噪声容限。 tpd（受电源电压和负载电容的影响）↑， 交流噪声容限↑。
CMOS门电路的静态功耗极小，与动态 功耗相比可忽略。
3.3.5 其他类型的CMOS门电路
一、其他逻辑功能的门电路 1、与非门
2、或非门
①当A＝0、B＝0时，T1和T3导通，Y＝1； ②当A=0、B＝1时，T1和T4导通，Y＝1；
①当A＝0、B＝0，T1、T3导通，
Y＝1；
②当A=0、B＝1， T4导通，
或非门 缓冲器 与非门
带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、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。
二、漏极开路输出门电路（Open-Drain Output: OD门）
OD输出结构
OD输出与非门74HC03
可吸收大负载电流
1、满足输出电平的变换；
2、可将几个OD门的输出端相连，实现线与逻辑。 注：OD门工作时，输出端必须通过上拉电阻RL接到电源上。
当 VGS ( th) P vI VDD 时，T2导通； 则当 vI 在0～VDD内变化时，T1和T2至少有一个导通，输出呈现 低阻态（<1kΩ），传输门导通，vo≈vI。
2、CMOS传输门的应用 CMOS传输门和CMOS反相器可组合成各种复杂的逻辑电路。 作为双向模拟开关*——用来传输连续变化的模拟电压信号。
பைடு நூலகம்
二极管的开关等效电路

二极管的动态电流波形
反向恢复时间tre
瞬间反向电流，其大小和持续时间取决于正向导通时的电流大小、 反向电压、外电路电阻的阻值，还与本身特性有关。