CMOS门电路工作原理介绍ppt课件

C
C
C1,C0 时，传输门导通。 C0,C1 时，传输门截止。
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第三节 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
Y
B
Y
TG2
YAB
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第三节 CMOS门电路
第三节 CMOS门电路
第三节 CMOS门电路
❖ MOS管的开关特性 ❖ CMOS反相器的工作原理 ❖ CMOS反相器的静态输入、输出特性 ❖ CMOS反相器的动态特性 ❖ 其他类型的CMOS门电路 ❖CMOS电路的正确使用
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1
一、MOS管的开关特性
1. MOS管的结构和工作原理
-
S
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第三节 CMOS门电路
三、CMOS反相器的静态输入、输出特性
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
V DD
ຫໍສະໝຸດ Baidu
C1 T1
vI
RS
vO
C2
T2
输入保护电路
C1 RS
vI
C2
V DD
T1
vO
T2
CC400系列的输入保护电路
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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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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第三节 CMOS门电路
3. CMOS电路锁定效应的防护 锁定效应或称为可控硅效应，
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。
CMOS反相器的电路图
输入与输出之间为逻辑非的关系。
CMOS反相器的静态功耗极小
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第三节 CMOS门电路
2. 电压传输特性
vO
VDD A B
T1的开 启电压
1 2
V
D
D
VGH(th)N
VGH(th)P
T2的开 O 启电压
CD
1 2 V DD
VDD vI
CMOS反相器的电压传输特性
阈值电 压VTH
（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
Y (AB)
缺点：1. 输入端的工作状态不同时影响电压传输特性。
Y
EN
总
DO
G1
DO / DI
D I
G2
线
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第三节 CMOS门电路
五、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，
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、
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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第三节 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。
V DD
T2
VIH VDD
IOL
RL
V OL
iD 2
VOL
VDD=5V 10V 15V
O
IOL
CMOS反相器的低电平输出特性
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第三节 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
V DD T1
V OH
IOH
RL
15V10V VDD=5V
VOH VDD
Y (AB)
存在和与非门类似的问题。
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2.带缓冲级的CMOS门电路
第三节 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。
三态输出的 CMOS反相器
V DD
EN
T1
A
Y
T2
第三节 CMOS门电路 动画
EN
A
Y
EN1时，输出呈现高阻态。
EN0时，反相器正常工作。
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第三节 CMOS门电路
用三态输出反相器接成 总线结构
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
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2
第三节 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 V G S ( 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。
4
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
第三节 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，
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74HC系列的输入保护电路 上页 下页 返回
输入特性曲线
iI
第三节 CMOS门电路 iI
-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
第三节 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。
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第三节 CMOS门电路
二、CMOS反相器的电路结构和工作原理
1. 电路结构
V DD
T1
iD
当vI = VIL= 0时，T1导通，T2截 止，输出为高电平VOH ≈ VDD 。
vI
v O 当vI = VIH= VDD 时， T2导通，
T 2 V SS
T1截止，输出为低电平VOL ≈ 0。
AB段： T1导通， T2截止， VO = VOH ≈ VDD。
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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8
3. 电流传输特性
iD
V G S(th)N
VGS(th)P
AB
CD
O
1 2
V
D
D
v V D D
I
第三节 CMOS门电路
O IOH CMOS反相器的高电平输出特性
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第三节 CMOS门电路
四、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。
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第三节 CMOS门电路
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)
(A B )(C D ) (A B C D )
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第三节 CMOS门电路
4. CMOS传输门和双向模拟开关
C
C
V DD
T2
vI / vO T 1
v O / v I v I / v O TG v O / v I
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
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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9
4. 输入噪声容限
vO
V NL V N L V N H
0
第三节 CMOS门电路
VDD=15V VDD=10V
V NH
I
适当提高VDD，可提高CMOS反相器的输入噪声容限。
vGS
vDS +
G
+ iD
D
N+
N+
G
P型衬底(B)
第三节 CMOS门电路
D B
S
当vDS> 0，但 vGS= 0 时，D-S间不导通， iD= 0 。
当vDS> 0， 且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。
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
第三节 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。
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3
iD/mA 可变
电阻区
恒流区
O 截止区
输出特性曲线
vGS=UT vDS/V
第三节 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。
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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第三节 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”。
Y
T1
T2 只有当输入端全为“0”时，
输出端才为“1”。
CMOS或非门
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 v O / v I
C
vI / vO
SW v O / v I
C
vI
SW v O
RL
模拟开关的导通内阻为RTG。 C=0时开关截止。
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C=1时开关接通。
vO
RL
RL RTG
vI
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5. 三态输出的 CMOS门电路
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第三节 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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第三节 CMOS门电路
G1
A B
G2
C D
Y Y1 Y2