第五章 MOS组合逻辑单元电路
MOS管及简单CMOS逻辑门电路原理图
MOS管及简单CMOS逻辑门电路原理图现代单片机主要是采用C MOS工艺制成的。
1、MOS管 MOS管又分为两种类型：N型和P型。
如下图所示：以N型管为例，2端为控制端，称为“栅极”；3端通常接地，称为“源极”；源极电压记作Vss，1端接正电压，称为“漏极”，漏极电压记作VDD。
要使1端与3端导通，栅极2上要加高电平。
对P型管，栅极、源极、漏极分别为5端、4端、6端。
要使4端与6端导通，栅极5要加低电平。
在CMOS工艺制成的逻辑器件或单片机中，N型管与P型管往往是成对出现的。
同时出现的这两个CMO S2、CMOS逻辑电平高速CMOS电路的电源电压VDD通常为+5V；Vss接地，是0V。
高电平视为逻辑“1”，电平值的范围为：VDD的65%～VDD（或者VDD-1.5V～VDD）低电平视作逻辑“0”，要求不超过V DD的35%或0～1.5V。
+1.5V～+3.5V应看作不确定电平。
在硬件设计中要避免出现不确定电平。
近年来，随着亚微米技术的发展，单片机的电源呈下降趋势。
低电源电压有助于降低功耗。
VDD为3.3V的CMO S器件已大量使用。
在便携式应用中，VDD为2.7V，甚至1.8V的单片机也已经出现。
将来电源电压还会继续下降，降到0.9V，但低于VDD的35%的电平视为逻辑“0”，高于VDD的65%的电平视为逻辑“1”的规律仍然是适用的。
3、非门非门（反向器）是最简单的门电路，由一对CMO S管组成。
其工作原理如下：A端为高电平时，P型管截止，N型管导通，输出端C的电平与Vss保持一致，输出低电平；A端为低电平时，P型管导通，N型管截止，输出端C的电平与VDD一致，输出高电平。
4、与非门与非门工作原理：①、A、B输入均为低电平时，1、2管导通，3、4管截止，C端电压与V DD 一致，输出高电平。
mos和三极管构成的开关电路
mos和三极管构成的开关电路1. 引言开关电路，这个听起来似乎有点高大上的名词，其实在我们的生活中可谓无处不在。
咱们的手机、电视，甚至冰箱，背后都有这些小玩意儿在默默工作。
而在这其中，MOS（金属氧化物半导体）和三极管可是绝对的“主角”，它们就像是电路里的开关，随时准备好开关“门”，让电流在这里进进出出。
今天，就让我们一起“delve”进这个话题，看看这对小伙伴如何合作，让我们的生活变得更加便利。
1.1 MOS和三极管的角色先来聊聊三极管吧。
三极管就像是一个超级小的电流控制员，能够用微小的电流去控制大的电流，听起来是不是有点像魔术？它有三个端口，分别是发射极、基极和集电极。
简单来说，就是你轻轻一按（基极），就能让大电流流动（集电极）。
而MOS则是另一种角色，它是场效应管，主要通过电场来控制电流，简单来说就像是用“磁铁”来吸引或排斥电流。
1.2 这对“搭档”的配合这俩小家伙有时候会一起工作，就像老黄牛和小马驹的组合。
比如在一个开关电路中，三极管可以用来放大信号，而MOS则负责开关的功能。
想象一下，如果你要把一个小声音放大，让整个房间都能听到，三极管就来帮忙，而MOS则可以控制这个声音的开关，真是一拍即合！这让整个电路的效率提升，不得不说，真是个“天作之合”。
2. 开关电路的实际应用开关电路的应用场景可多了去了，家里的电灯、风扇都离不开它。
我们可以把三极管和MOS的组合看成是电路中的“保安”，负责“开门”和“关门”。
你在家里想开灯，只需按一下开关，电流就通过这两位“保安”，顺利地流向灯泡，让它发光。
真的是“开灯如开门”，一点儿都不麻烦。
2.1 生活中的例子拿手机来说吧，里面就有很多这种开关电路。
你想给朋友发信息，手机里的电流就会通过三极管和MOS的配合，迅速把信息传送出去。
可以想象，如果没有这俩的合作，你的消息就像“石沉大海”，永远也发不出去，简直是让人心焦。
2.2 变幻莫测的电路不过，开关电路的世界并不总是风平浪静。
(完整版)第五章 CMOS组合逻辑电路设计II
第五章CMOS组合逻辑电路设计II －动态CMOS电路第一节动态逻辑门电路的基本结构、原理、特点第二节多米诺（Domino）CMOS电路第三节改进的Domino CMOS电路第四节时钟CMOS （C2MOS）第一节动态逻辑门电路的基本结构、原理、特点一、预充－求值动态CMOS的基本结构和工作原理二、动态CMOS的特点三、动态CMOS的问题四、动态CMOS的级联静态电路：靠管子稳定的导通、截止来保持输出状态除状态反转外，输出始终与VDD和GND保持通路。
动态电路：靠电容来保存信息一、预充－求值动态CMOS 的基本结构和工作原理In 1In 2PDN In 3M e M p Clk Clk Out C L 预充－求值动态CMOS 电路的基本结构工作过程：➢预充阶段：Clk ＝0，Out 被Mp 预充到VDD ，Me 截止，无论输入何值，均不存在直流通路。
此时的输出无效。
➢求值阶段：Clk ＝1，Mp 截止，Me 导通，Out和GND 之间形成一条有条件的路径。
具体由PDN 决定。
若PDN 存在该路径，则Out 被放电，Out 为低电平，“0”。
如果不存在，则预充电位保存在CL 上，Out 为高电平“1”。
➢求值阶段，只能有与GND 间的通路，无与VDD 间的，一旦放电，不可能再充电，只能等下次。
预充FET 求值FET预充－求值动态CMOS 电路的工作原理预充预充求值输出只在此时有效),2,1(Xn X X F Y ⋅⋅⋅=当Clk ＝1时Clk OutClk ＝0时，输出为1，与输入无关OutClk Clk ABCM p M e on off 1off on((AB)+C)例PUNPUN 构成的动态CMOS 电路),2,1(Xn X X F Y ⋅⋅⋅=Clk ＝1时，输出为0，与输入无关当Clk ＝0时一般不用PUN 网络二、动态CMOS的特点•逻辑功能由下拉网络PDN实现。
其结构和设计与互补CMOS 和类NMOS的一样。
mos管正逻辑电路
mos管正逻辑电路mos管，全名金属氧化物半导体场效应管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），是一种常见的正逻辑电路元器件。
它是一种三端器件，由源极、栅极和漏极组成。
mos管通过控制栅极电压来改变漏极与源极之间的电流，从而实现电路的开关功能。
mos管的工作原理是基于场效应的。
当栅极和源极之间施加一个正电压时，栅极下方的介质中产生一个电场，这个电场会引起漏极和源极之间的电子流动。
当栅极电压增大，电场强度也随之增大，电子流动的速度也增加。
当栅极电压足够大时，mos管就处于导通状态，电流可以从漏极流向源极。
当栅极电压为零或负电压时，mos 管处于截止状态，电流无法从漏极流向源极。
mos管可以用作开关和放大器。
在开关电路中，mos管可以控制电路的通断，实现数字信号的处理。
在放大电路中，mos管可以放大电压和电流，实现信号的增强。
mos管的性能优势包括体积小、功耗低、响应速度快、可靠性高等。
因此，在现代电子设备中，mos 管得到了广泛的应用。
mos管的类型有很多，常见的有n沟道mos管和p沟道mos管。
n沟道mos管的导电载流子是负载流子电子，p沟道mos管的导电载流子是正载流子空穴。
n沟道mos管的栅极和源极之间施加正电压时，mos管导通；p沟道mos管的栅极和源极之间施加负电压时，mos管导通。
n沟道mos管和p沟道mos管在电路设计中具有互补性，可以实现更加灵活多样的电路功能。
mos管在数字电路中的应用非常广泛。
它可以用来实现与门、或门、非门等逻辑门电路。
通过组合不同类型的mos管，可以实现更复杂的逻辑功能，如与非门、或非门、异或门等。
mos管还可以用来构建存储器单元，如静态随机存取存储器（SRAM）。
此外，mos管还可以用来构建计数器、移位寄存器等数字电路。
mos管在模拟电路中也有重要的应用。
它可以用来构建放大器电路，如共源放大器、共栅放大器、共漏放大器等。
第5章 门电路与组合逻辑电路
二极管或门
（2-18）
5.3.2 二极管或门电路
共有22个逻辑状态
A B D1 D2 Y
Y AB
A B
≥1
Y
-12V
二极管或门
“或”门图形符号
（2-19）
5.3.3 三极管非门电路
共有2个逻辑状态
+12V +3V 嵌位二极管 D
YA
R1
A
R2
Y
A 1 0
Y 0 1
晶体管非门
（2-20）
5.3.3 三极管非门电路
+UCC S 围，而不是某个 特定的电压值。
R
+
0
+
0
_
ui
_
uo 低电 平 “ 0 ”
当 ui = 0 时，二极管导通，开关S闭合，uo=0，输出“0”；
（2-6）
5.2.2 半导体三极管的开关特性
+UCC IC RC 4 IC(mA ) 100A 80A 60A Q 3 6 9
IB
RB EB
＋
T UCE
UC C 3 RC
2
1
－
40A
20A IB=0 12 UCE(V)
1、放大状态 发射结正偏，集电结反偏。
UCC
I C βI B
（2-7）
5.2.2 半导体三极管的开关特性
+UCC IC RC 4 IC(mA ) 100A 80A 60A Q 3 6 9
IB
RB EB
＋
T UCE
（2-10）
5.2.2 半导体三极管的开关特性
+UCC IC RC 4 IC(mA ) 100A 80A 60A Q 3 6
半导体集成电路复习题及答案
第8章动态逻辑电路填空题对于一般的动态逻辑电路，逻辑部分由输出低电平的网组成，输出信号与电源之间插入了栅控制1、极为时钟信号的 ,逻辑网与地之间插入了栅控制极为时钟信号的。
【答案：NMOS, PMOS, NOMS】对于一个级联的多米诺逻辑电路，在评估阶段：对PDN网只允许有跳变，对 PUN网只允许有跳变，2、PDN与PDN相连或PUN与PUN相连时中间应接入。
【答案：】解答题从逻辑功能，电路规模，速度3方面分析下面2电路的相同点和不同点。
从而说明CMOS动态组合逻辑1、电路的特点。
【答案：】图A是CMOS静态逻辑电路。
图B是CMOS动态逻辑电路。
2电路完成的均是NAND的逻辑功能。
图B的逻辑部分电路使用了2个MOS管，图A使用了4个MOS管，由此可以看出动态组合逻辑电路的规模为静态电路的一半。
图B的逻辑功能部分全部使用NMOS管，图A即使用NMOS也使用PMOS，由于NMOS的速度高于PMOS，说明动态组合逻辑电路的速度高于静态电路。
2、分析下面的电路，指出它完成的逻辑功能，说明它和一般动态组合逻辑电路的不同,说明其特点。
【答案：】该电路可以完成OUT=AB的与逻辑。
与一般动态组合逻辑电路相比，它增加了一个MOS管M kp,这个MOS 管起到了电荷保持电路的作用，解决了一般动态组合逻辑电路存在的电荷泄漏的问题。
3、分析下列电路的工作原理，画出输出端OUT的波形。
【答案：】答案：4、结合下面电路，说明动态组合逻辑电路的工作原理。
【答案：】动态组合逻辑电路由输出信号与电源之间插入的时钟信号PMOS,NMOS逻辑网和逻辑网与地之间插入的时钟信号NMOS组成。
当时钟信号为低电平时，PMOS导通，OUT被拉置高电平。
此时电路处于预充电阶段。
当时钟信号为低电平时，PMOS截至，电路与V DD的直接通路被切断。
这时NOMS导通，当逻辑网处于特定逻辑时，电路输出OUT被接到地，输出低电平。
否则，输出OUT仍保持原状态高电平不变。
第五章 MOS基本逻辑单元电路
KI KL
=
(W/L)I (W/L)L
有比电路
27
5.2.4自举负载NMOS反相器 1. 结构和自举原理(续)
VDD
自举过程：
Vi 变为VOL ,MI截止,Vo上升，
MB
VGL随Vo上升(电容自举)，
VGL ML
MB截止,ML逐渐由饱和进入
CB Vo 非饱和导通，上升速度加快。
自举结果：
Vi
MI
tr缩短，VOH可达到VDD。
18
思考题
1. 各种MOS反相器的结构有何不同？各 自的优缺点是什么？ 2.各种MOS反相器的输出高低电平是多少？ 分别受什么因素影响？ 3.什么叫有比电路？什么叫无比电路？ 4.各种MOS反相器的速度、功耗、噪声容 限分别受哪些因素影响？
19
5.2.1 电阻负载NMOS反相器
1. 结构和工作原理
VDD MD
(1)VOH比可达到电源电压VDD (2)VOL与R有关，但是VTD是 关键的因素，近似于无比电路，
面积小。
Vi
Vo ME
(3)上升过程由于负载管由饱和
逐渐进入非饱和， tr缩短，速
度快。
33
5.2.6 CMOS反相器
1. 结构和工作原理 MP 为PMOS,VTP <0, MN 为NMOS,VTN >0
28
5.2.4自举负载NMOS反相器 2. 寄生电容与自举率
VDD
MB
VGL
ML
CO CB Vo
Vi
MI
由于寄生电容CO的存在：
VGL CO = VGSL CB
VGL = VGSL + Vo
自举率定义：
=
VGL Vo
教案MOS构成基本逻辑门电路
教案MOS构成基本逻辑门电路一、教学目标1.理解MOS管的基本工作原理；2.掌握MOS管构成基本逻辑门电路的方法；3.能够设计和组装MOS管构成的基本逻辑门电路；4.掌握基本逻辑门电路的真值表和运算规律。
二、教学重点1.MOS管的基本工作原理；2.MOS管构成基本逻辑门电路的方法；3.基本逻辑门电路的真值表和运算规律。
三、教学难点1.MOS管的基本工作原理；2.基本逻辑门电路的真值表和运算规律的理解。
四、教学准备1.已学习过MOS管的基本知识；2.准备好教材、实验器材和实验电路板。
五、教学步骤1.复习MOS管的基本工作原理。
2.引导学生了解MOS管构成基本逻辑门电路的方法。
-构成与门电路：将N沟道MOS管的漏极连接到电源VDD，源极接地，输入信号经过电阻连接到栅极，输出信号从漏极输出。
-构成或门电路：将P沟道MOS管的漏极连接到电源VDD，源极接地，输入信号经过电阻连接到栅极，输出信号从漏极输出。
-构成非门电路：将N沟道MOS管的漏极连接到电源VDD，源极接地，输入信号经过电阻连接到栅极，输出信号从漏极输出。
-构成与非门电路：将P沟道MOS管的漏极连接到电源VDD，源极接地，输入信号经过电阻连接到栅极，输出信号从漏极输出。
3.演示MOS管构成基本逻辑门电路的过程。
-将N沟道MOS管和P沟道MOS管按照逻辑门的要求连接到电源和地，输入信号连接到栅极，输出信号从漏极输出。
4.学生自己动手制作MOS管构成的基本逻辑门电路。
5.分组进行实验。
-组员分别负责制作不同的基本逻辑门电路。
-测试各组制作的电路是否正常工作。
6.总结基本逻辑门电路的真值表和运算规律。
-给学生阐述并总结与门电路、或门电路、非门电路和与非门电路的真值表和运算规律。
七、教学效果反馈1.学生完成实验报告。
2.学生进行课堂讨论。
-学生分享自己制作基本逻辑门电路的经验和心得。
八、教学延伸1.完成扩展实验设计。
-学生自行设计并制作其他逻辑门电路。
nmos管pmos组成的电路
nmos管pmos组成的电路
由NMOS管和PMOS管组成的电路有多种形式，它们可以用来实现各种逻辑功能。
在CMOS电路中，PMOS和NMOS晶体管通常会以串联或并联的方式配置来实现各种不同的逻辑功能。
在串联配置中，PMOS和NMOS晶体管被连接在一起，以形成逻辑门电路。
根据其连接方式不同，CMOS逻辑电路主要包括非逻辑门、与逻辑门、或逻辑门、异或逻辑门等。
这些逻辑门可以通过正确的布置和连接，组合成可靠的电路，用于实现计算机中的各种功能和任务。
在单片机电路中，经常使用一个增强型NMOS管和一个增强型PMOS管组成的MOS管组合控制电路。
这个电路的IO_CON接到单片机（单片机供电3.3V）的IO口上。
单片机电平控制有两种情况：
当IO_CON为高电平时，增强型NMOS管AO3400的Ugs>0，所以此时NMOS管导通，那么此时增强型PMOS管AO3401的G脚为低电平，此时AO3401的Ugs<0，此时PMOS管导通，这样一来VCC_IN的电就直接到了VCC_OUT。
当IO_CON为低电平时，增强型NMOS管AO3400的Ugs<0，所以此时NMOS管截止，那么此时增强型PMOS管AO3401的G脚的电压就是VCC_IN的电压，此时AO3401的Ugs=0，此时PMOS管截止（不导通），这样一来VCC_IN和VCC_OUT就被隔离开了。
最经典MOS管电路工作原理及详解没有之一
最经典MOS管电路工作原理及详解没有之一最经典MOS管电路工作原理及详解第一章引言MOS管（金属氧化物半导体场效应管）是一种重要的主动元件，广泛应用于各种电路中。
本文将详细介绍MOS管的工作原理及其相关知识。
第二章 MOS管的基本结构MOS管由金属氧化物半导体（MOS）结构构成，主要由金属电极（Gate）、绝缘层（Oxide）和半导体材料（Semiconductor）组成。
其中，绝缘层通常采用氧化硅（SiO2）第三章 MOS管的工作原理1.导通状态当Gate电极施加正向偏置电压时，会在绝缘层下形成一个电荷压积区，使半导体材料导电区域（Channel）形成N型导电层。
此时，MOS管处于导通状态。
2.截止状态当Gate电极施加负向偏置电压时，电荷压积区减小，导电区域几乎消失，MOS管处于截止状态。
第四章 MOS管的基本参数1.阈值电压（Vth）：________在Gate电极施加一定电压时，MOS管刚刚处于导通状态和截止状态之间的电压。
2.转导：________当MOS管导通时，Gate与Source电压之间的变化引起Drn电流的变化。
3.输出电阻：________反映MOS管输入和输出特性之间的关系。
输出电阻越小，MOS管的放大能力越强。
第五章常见MOS管电路1.CMOS电路：________由N型MOS管和P型MOS管组成的互补结构，广泛应用于数字电路中。
2.放大电路：________利用MOS管的放大特性，设计各种放大电路，如共源极放大电路、共漏极放大电路等。
3.开关电路：________利用MOS管的导通截止特性，设计开关电路，如开关电源、交流开关等。
第六章附件本文档涉及的附件包括MOS管的示意图、工作曲线图等，可在附件文件中查看详细内容。
第七章法律名词及注释1.MOS管：________金属氧化物半导体场效应管，是一种主动元件。
2.Gate：________MOS管的控制电极，用于控制MOS管的导通截止状态。
《第五章MOS器件》PPT课件
• 对于MOSFET来说，最令人关注的是反型的 表面状态。当栅偏压VG 0时，P型半导 体表面的电子浓度将大于空穴浓度，形成 与原来半导体导电类型相反的N型导电层， 它不是因掺杂而形成的，而是由于外加电 压产生电场而在原P型半导体表面感应出来 的，故称为感应反型层。这一反型层与P型 衬底之间被耗尽层隔开，它是MOSFET的导 电沟道，是器件是否正常工作的关键。反 型层与衬底间的P－N结常称为感应结。
电荷。单位为C/cm2。 QGQS 0
• 由于Q0是不变的，因此
2021/4/27
实用文档
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中国科学技术大学物理系微电子专业
6、半导体表面状态
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实用文档
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积累:
电荷分布 QS
中国科学技术大学物理系微电子专业
积累情况下能带图及电荷分布
-d
x
Qm
EiEF
PP nie
kT
E(X) 电场分布 靠近氧化层的半导体表面
形成空穴积累
x
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实用文档
17
耗尽:
Vg>0
EF
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中国科学技术大学物理系微电子专业
Ec
Ei EF E
v
(x) Qm
电荷分布
wx -d
电场分布
QscqNAW
E(X)
实用文档
x
18
强反型:
中国科学技术大学物理系微电子专业
2021/4/27
np nieEFEik T
实用文档
氧化物陷阱电荷Qot：和SiO2的缺陷有关，分布在SiO2 层内，和工艺过程有关的Qot可以通过低温退火除掉 大部分。
可动离子电荷Qm：如Na＋等碱金属离子，在高温和高 压下工作时，它们可以在氧化层内移动。因此，在
集成电路设计ppt
第四章 半导体集成电路基本加工工艺与设计规则 4.1 引言 4.2 集成电路基本加工工艺 4.3 CMOS工艺流程 4.4 设计规则 4.5 CMOS反相器的闩锁效应 4.6 版图设计
第五章 MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计 5.1 NMOS管逻辑电路 5.2 静态CMOS逻辑电路 5.3 MOS管改进型逻辑电路 5.4 MOS管传输逻辑电路 5.5 触发器 5.6 移位寄存器 5.7 输入输出（I/O）单元
[3] 陈中建主译. CMOS电路设计、布局与仿真.北京：机械工 业出版社，2006.
[4]（美）Wayne Wolf. Modern VLSI Design System on Silicon. 北京：科学出版社，2002.
[5] 朱正涌. 半导体集成电路. 北京：清华大学出版社，2001. [6] 王志功，沈永朝.《集成电路设计基础》电子工业出版
第六章 MOS管数字集成电路子系统设计 6.1 引言 6.2 加法器 6.3 乘法器 6.4 存储器
6.5 PLA 第七章 MOS管模拟集成电路设计基础
7.1 引言 7.2 MOS管模拟集成电路中的基本元器件 7.3 MOS模拟集成电路基本单元电路 7.4 MOS管集成运算放大器和比较器 7. 5 MOS管模拟集成电路版图设计 第八章 集成电路的测试与可测性设计
1.2 集成电路的发展
1、描述集成电路工艺技术水平的五个技术指标 （1）集成度（Integration Level）
集成度是以一个IC芯片所包含的元件（晶体管或门/数）来 衡量（包括有源和无源元件）。随着集成度的提高，使IC及使用 IC的电子设备的功能增强、速度和可靠性提高、功耗降低、体积 和重量减小、产品成本下降，从而提高了性能/价格比，不断扩 大其应用领域，因此集成度是IC技术进步的标志。为了提高集成 度采取了增大芯片面积、缩小器件特征尺寸、改进电路及结构设 计等措施。为节省芯片面积普遍采用了多层布线结构。硅晶片集 成（Wafer Scale Integration -WSI)和三维集成技术也正在研 究开发。从电子系统的角度来看，集成度的提高使IC进入系统集 成或片上系统（SoC）的时代。
mos管逻辑门电路
mos管逻辑门电路逻辑门是数字电子电路中的一种基本组件，常用于数字电路的逻辑分析和控制。
其中，mos管逻辑门电路是一种常见且重要的逻辑门电路。
本文将详细介绍mos管逻辑门电路的原理及应用。
1. 什么是mos管逻辑门电路？mos管逻辑门电路是由金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）构成的逻辑门电路。
通过不同组合的mos管，可以实现不同的逻辑操作，例如与门、或门、非门等。
mos管逻辑门电路具有高集成度、低功耗、快速响应等特点，广泛应用于数字电路领域。
2. mos管逻辑门电路的构成与原理mos管逻辑门电路主要由P型MOS管和N型MOS管组成。
当输入信号施加在mos管的栅极上时，栅极与源极之间的电压会控制mos管内部形成的电场，从而改变导通特性。
根据mos管导通与否的不同组合方式，可以实现各种逻辑门的功能。
mos管逻辑门电路广泛应用于数字电路中的逻辑操作。
通过将多个mos管逻辑门电路串联或并联，可以构建复杂的数字逻辑电路，实现数字系统的逻辑功能。
同时，mos管逻辑门电路还可以用于时序电路的设计、数据处理、微处理器等领域。
mos管逻辑门电路具有以下特点：（1）高集成度：mos管逻辑门电路性能稳定，体积小，便于集成化设计；（2）低功耗：由于mos管的导通特性和控制方式，mos管逻辑门电路功耗较低；（3）快速响应：mos管逻辑门电路响应速度快，能够满足高速数字系统的要求。
mos管逻辑门电路是一种常见且重要的逻辑门电路，在数字电路领域起着关键作用。
本文介绍了mos管逻辑门电路的构成与原理，以及其在逻辑操作、数字系统设计和高速数字系统等方面的应用。
通过了解mos管逻辑门电路的特点，我们可以更好地理解其在数字电路中的作用与价值，为相关领域的研究与应用提供参考。
不断研究和应用mos 管逻辑门电路将推动数字电路技术的发展，为电子信息领域的进一步创新打下坚实基础。
第五章 MOS管数字集成电路基本逻辑单元设计
图5.2.3 CMOS逻辑电路结构
2、例子 例1、设计静态CMOS逻辑电路，其功能为 F A B C 设计步骤如下，
__________ __
（1）设计NMOS下拉管结构，根据串联实现“与”
关系，并联实现“或”关系的结构特点，如图5.2.4所
示，可得到图5.2.5所示的NMOS下拉管电路；
和M4串联，然后它们再并联，实现与或非的逻辑功能，
而在图5.1.3（b），NMOS工作管M1和M2并联，M3
和M4并联，然后它们再串联，实现或与非的逻辑功能。
__________ ___
__________ __________ _
（a） F AB CD
（b） F ( A B )( C D )
5.1.1 NMOS管与非门
（a）电路
（b）逻辑功能 号 图5.1.1 二输入与非门
（ c）逻辑符
二输入与非门的电路结构如图5.1.1（a）所示，
工作管是两只串联的增强型NMOS晶体管M1和M2，
而负载管是耗尽型NMOS晶体管M3。输入信号分别 从两只NMOS晶体管M1和M2的栅极上引入，而输出 从NMOS晶体管M1的漏极上引出。只要有一个输入 端为低电平，输出将为高电平，如图5.1.1（b）所示，
图5.5.2 基于二输入NMOS与非门的RS触发器
图5.5.3 基于二输入CMOS与非门的RS锁存器
（2）基于二输入或非门的RS锁存器
图5.5.4 基于二输入或非门的RS触发器
图5.5.5 基于二输入NMOS或非门的RS触发器
图5.5.6 基于二输入CMOS或非门的RS触发器
2、钟控锁存器
（2）设计NMOS下拉管电路，如图5. 2.9所示；
mos管串联开关电源电路结构及工作原理
1. 概述MOS管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是一种常用的半导体开关元件，其工作原理基于场效应。
MOS管串联开关电源电路是一种常见的电路结构，用于控制电路的开关和稳压。
本文将介绍MOS管串联开关电源电路的结构和工作原理。
2. MOS管的基本结构和工作原理MOS管由金属栅极、氧化层和半导体衬底构成。
当栅极上加上一定的电压时，在氧化层与半导体衬底之间会形成一个电场，从而控制半导体中的电荷运动，实现对电流的控制。
在开关状态下，MOS管的电阻非常小，可以认为是导通状态；在关断状态下，MOS管的电阻非常大，可以认为是断路状态。
通过控制栅极上的电压，可以有效地控制MOS 管的导通和关断。
3. MOS管串联开关电源电路的结构MOS管串联开关电源电路由输入电源、负载、MOS管和控制电路四个部分组成。
其中，MOS管连接在输入电源和负载之间，通过控制电路控制MOS管的开关状态，从而实现对电路的开关和稳压控制。
4. MOS串联开关电源电路的工作原理当控制电路给MOS管的栅极施加一定的电压时，MOS管会处于导通状态，使得输入电源能够通过MOS管传递给负载，从而实现电路的通电。
当控制电路停止施加电压或者施加负电压时，MOS管将进入关断状态，切断输入电源与负载之间的连接，实现电路的断电。
通过合理控制MOS管的开关状态，可以实现电路的稳压控制，保护负载不受过压或过流的影响。
5. MOS串联开关电源电路的特点MOS串联开关电源电路具有以下特点：- 高效率：MOS管在导通状态下的电阻非常小，能够减小电路损耗，提高电路的工作效率；- 快速响应：MOS管具有快速的开关速度和响应时间，能够快速实现电路的开关控制；- 稳定性：通过控制电路合理设计控制MOS管的开关状态，可以实现对电路的稳定供电和稳压控制。
6. MOS串联开关电源电路在应用中的意义MOS串联开关电源电路在电子设备中有着广泛的应用，特别适用于对电路稳压、快速开关和高效能要求较高的场景。
第五章 MOS组合逻辑单元电路
1
思考题
1. NMOS门电路中，输入端数对特性有何 影响（静态和瞬态）？设计时如何考虑？
2. CMOS门电路中，输入端数对特性有何 影响（静态和瞬态）？设计时如何考虑？
2
6.1 NMOS门电路 6.1 .1. 或非门（nor?）输入管等效
VDD
VDD
F
A B C
A B C
作业：
•
§5.6 MOS其它单元电路
36
Байду номын сангаас
5.5.4 斯密特触发器 1. NMOS斯密特触发器 VDD Vo Vi VIH VIL 0 Vo
VO VOH VOL 0
VIL
VIH Vi
Vi
t
0
37
t
5.5.4 斯密特触发器 2. CMOS斯密特触发器
VDD Vi VIH VIL Vo 0 Vo
VNL
VNH CL f VTN VTP tox µn µp L
3
3 PF MHz V V Å cm2/ V.s cm2/ V.s µm 1.0 -3.5 1500 280 160 10 15 1 1.5 -3.0 1700 290 180
52
一，根据最高工作频率分配时间
为了保证1MHZ工作频率 取上升和下降时间为300ns。
f max 1MHz T 1 f max 1 6 10 1000 ns 6 1 10
53
tr t f 300ns
影响最高频率的因素：
• 按最坏条件设计 取参 数：
VTP p VDD VTn n VDD
CL KVDD
p 0.1 1 0 . 1 tr p arcth1 2 (1 ) ( 1 ) ( 1 ) p p p n 0.1 1 0.1 tf n arcth 1 2 (1 n ) (1 n ) (1 n )
教案.第五讲 MOS构成基本逻辑门电路
门工作原理3、3讲解MOS分立元件构成逻辑与非及或非门工作原理3、4讲解CMOS集成逻辑门电路3、4、1讲解CMOS反相器电路组成及工作原理3、4、2讲解CMOS反相器电路各种特性3、4、2、1讲解CMOS反相器电路电压传输PN NGS DV DSu GSRDBV GS(th)称为阈值电压(开启电压）源极与衬底接在一起当uGS足够大时(uGS>VGS(th))，在G→B间形成电场，把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余的电子在上表面形成了N型层(反型层)为D、S间的导通提供了通道。
u GS>0时N沟道③输出特性二、P沟道增强性MOS管得结构与工作原理GSDNP PGD SV DSV GSR D源极与衬底接在一起V GS<0且|V GS|>|V GS(th)P|时，形成导电P沟道。
2、MOS分立元件构成非门(反相器)V DDu iu oR D→电压关系表uI/V u O/V0VDDVDD真值表11A Y3、分立元件二极管与MOS管构成与非及或非门电子中得负载线方法讲解,使学生容易理解。
为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。
此处强调:逻辑门电路得输入信号取值为:0V或者V DD,电路中器件均以开关方式工作。
此处解释:CMOS中第一个字母C得含义为互u ONN导通导通截止时电压传输特性与电流传输特性+V DDT Pu YT NV SS。
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F
A
同相
A 反相
12
6.2 CMOS门电路 6.2 .1. 或非门（nor?） (1)电路结构示 例 VDD VDD
Aห้องสมุดไป่ตู้C VDD D
C
B F
B
B
F A
A
F
nor2
nor3
nor4
13
6.2 . CMOS门电路
6.2 .1. 或非门（nor?） (2)性能分析示 PMOS管 导通时等 VDD 例 A 效PMOS B 管的宽长 F 比减小
54
按最坏条件设计 取参数：
t r t f VDD C L K p Kn K
0 ox
2tox
• • • • •
tox n p VTN VTP
电源电压 Vdd 9.5v 负载电容 CL 15pF N管阈电压 VTN 1.5v P管阈电压 VTP -3.5v 栅氧化层厚度 toxmax 1700u • 迁移率
p min 160cm / v.s
2
n min 280cm / v.s55
2
选上升和下降时间都是300ns.
56
57
58
59
60
63
VO VDD Vi
0 VIL VIH VDD
Vi
t
VDD
0
38
t
5.6.1 振荡器及分频电路 RST 容 和 VRST 的驱 可 0 方 动 以 振荡器 式 能 通 Va 来力 过 a 改以 改 0 变 及 变 Vb 整形 振 增 反 cp b CP Q 荡加 相 0 二分频 频 电 器Vcp D Q R 率阻 级 。电 数 0
f max 1MHz T 1 f max 1 6 10 1000 ns 6 1 10
53
tr t f 300ns
影响最高频率的因素：
• 按最坏条件设计 取参 数：
VTP p VDD VTn n VDD
CL KVDD
p 0.1 1 0 . 1 tr p arcth1 2 (1 ) ( 1 ) ( 1 ) p p p n 0.1 1 0.1 tf n arcth 1 2 (1 n ) (1 n ) (1 n )
可以 A 通过改变 VA 反相延迟 0 时间的长 VB 短来改变 0 输出脉冲 VF 的宽度。 0 B
F
t t
t
41
5.6.3 沿判断电路（沿提取电路） 2.判断下降沿 地址译码控制 B A F VA VB VF 0 0 t t
0
t
42
5.6.4 开关逻辑电路（传输门逻辑） 1. NMOS多路开关 F= P1· A· B+P2· A· B+P3· A· B+P4· A· B A A B B
VNL
VNH CL f VTN VTP tox µn µp L
3
3 PF MHz V V Å cm2/ V.s cm2/ V.s µm 1.0 -3.5 1500 280 160 10 15 1 1.5 -3.0 1700 290 180
52
一，根据最高工作频率分配时间
为了保证1MHZ工作频率 取上升和下降时间为300ns。
F
A
A
B
B
7
6.1 . NMOS门电路 6.1 . 6. 异或非门（nxor） F = A· B + A· B =AB · (A+ B)
VDD VDD VDD F VDD
F
A
A
B
B
8
6.1 . NMOS门电路 6.1 . 6. 异或非门（ nxor）续
VDD
F
A
B
F = A· B + A· B
电路结构简单，但是与其它单元级联时会 有电流灌入前级，影响输出低电平。
A B
46
5.6.5 加法器电路 2.组合逻辑全加器单元
Ci=AB+BC+AC=AB+C(A+B) Si=ABC+ABC+ABC+ABC=ABC+(A+B+C)Ci
A B C
VDD
A B C Ci
B
C
VDD
VDD
Ci Ci
A
B
A
A B C
Si
Si
A
C B
A BA B C
C B A
47
VDD
Ci
5.6.5 加法器电路 3.传输门结构全加器单元
VDD A C B
VDD
VDD
A C C F B A 钟控与非门
F
C C
F
C
钟控反相器
钟控或非门
30
6.2 .CMOS门电路 6.2 .9.伪NMOS逻辑门 VDD F N逻辑块 B2 B1
VDD F
N逻辑块 D A2 A1 B1 C B2
A1
A2
A3
用一个常通PMOS代替CMOS逻辑中的P型 逻辑块，简化了电路，减小了输入电容。但是， 增加了静态功耗，抬高了VOL(有比电路)。 31
可以通过
增加上拉和驱
P4
VCC E
P3
P2 P1
43
动电路来提高
速度。 F
5.6.4 开关逻辑电路（传输门逻辑） 2. CMOS多路开关 P4 P3 A
A
A
B
B
A A B B
P2
P1
B B
B
F P4 P3 P2 P1 便于布局布线
44
F
A
A
5.6.5 加法器电路 1.组合逻辑半加器单元 S=AB+AB =(A+B)AB S C C=AB =AB
nor2
输入端数过多将 严重影响tr(速度) 和噪声容限
NMOS管
随着导通 NMOS管 个数的增 加等效宽 长比加大 14
6.2 . CMOS门电路 6.2 .1. 或非门（nor?） (3)单元版图示 例
15
6.2 .CMOS门电路
VDD 6.2 .2. 与非门（nand?） (1)电路结构示 V DD 例 VDD F F A B
t
t
t
39
t
5.6.2 上电复位电路
a
VDD a CP 应用 c
RST
CP Q CP Q D RQ
Q0
b c
0
t t t
0
b
CP Q D RQ
Q1
CP
0 0 0 0 0
Q2
Q0
Q1 Q2
40
t
t t t
D RQ 可以通过 改变电容和 MOS管尺寸来改变复位时间
5.6.3 沿判断电路（沿提取电路） 1.判断上升沿
6组合逻辑
f tr , t f p , n k p .kn W , L VNM Pd f
50
CMOS电路设计举例
• 两输入端与非门的设计 电路如图： VDD
F
A B nand2
51
设计指标
参数 Vdd 单位 V 最小值 9.5 典型值 10 最大值 10.5
F
等效为反相器进行性能分析，按最坏条件 满足性能要求进行设计。
3
6.1 . NMOS门电路 6.1 . 2. 与非门（nand?） 输入管等效
VDD VDD
F A B
A
F
B
等效为反相器时，等效输入管宽长比减小， 严重影响VOL和tf ，因此输入端数不宜过多。
4
6.1 NMOS门电路 6.1 . 3. 与或非门（aoi?…?）
作业：
•
§5.6 MOS其它单元电路
36
5.5.4 斯密特触发器 1. NMOS斯密特触发器 VDD Vo Vi VIH VIL 0 Vo
VO VOH VOL 0
VIL
VIH Vi
Vi
t
0
37
t
5.5.4 斯密特触发器 2. CMOS斯密特触发器
VDD Vi VIH VIL Vo 0 Vo
Ci= (AB)C + (AB)A Si= (AB)C + (AB)C
C
VDD VDD
Si
VDD
VDD
B A
AB
AB
Ci
48
5.6.5 加法器电路 4.串行进位加法器 S5 S4 C4 C3 S3 S2 S1 S0 C0 A 1 B1 C-1 A0 B0
C5
C2
C1
A5 B5 A4 B4 A3 B3 A2 B2
最终进位信号产生速度慢，因此适用 于位数不多、速度要求不高的加法运算。 在高速加法器中，往往采用先行进 位技术。
49
CMOS门电路设计举例
• • • • 设计一个双输入端与非门 设计考虑四个方面： 1，高低电平不用考虑； 2，以工作频率为依据，根据速度和工艺水 平选W/L； • 3，根据W，L校验VNL和VNH； • 4，整个设计均从最坏情况入手。 设计过程是：
9
6.1 . NMOS门电路 6.1 . 7. 同相推挽输出驱动门
VDD
F A A
VDD
F A
VDD
F
输出高电平低 上拉结构输出
E/D结构输出
10
6.1 . NMOS门电路 6.1 . 8. 反相推挽输出驱动门
VDD
F A A
VDD
F A
VDD
F
输出高电平低 上拉结构输出
E/D结构输出
11
6.1 . NMOS门电路 6.1 . 9. 三态驱动门 VDD En F VDD En