CMOS门电路

2.1.5 CMOS传输门
1.电路结构和工作原理 传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。
C
VDD
C
VTP vI/vO VTN C vO/vI vI/vO
TG
ຫໍສະໝຸດ BaiduvO/vI
C
当C为低电平时， VTN、VTP截止，传输门断开；
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。
tPLH
平均传输延迟时间
tP D
1 t P H L t P L H 2
2.1.4 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。 动态功耗分为两部分： （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
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
2.1.1 MOS管的开关特性
2. MOS管的工作原理
（1） 当vGS=0V时
当vGS=0V时，漏极D和源极S之间为两个PN结，两端加上电
压总有一个PN结反偏，因此，无电流流过，iD=0。管子处于截 止状态。
S
G
D
N+
N+
SiO2
P 型衬底 B
2.1.1 MOS管的开关特性
2.MOS管的工作原理 （2） 当vGS＞0时
2.1.4 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
门电路的分类
TTL:晶体管-晶体管逻辑（双极型） ECL:发射极耦合逻辑（双极型） CMOS:互补金属氧化物半导体 BICMOS:双极型和CMOS
§2.1 CMOS门电路
2.1.1 MOS管的开关特性
2.1.2 CMOS反相器 2.1.3 CMOS与非门和或非门
2.1.4 CMOS门电路的电气特性 2.1.5 CMOS传输门 2.1.6 改进型CMOS门电路
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。
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
讨论题：CMOS门电路多余引脚的处理。 将2输入的CMOS逻辑门转换成CMOS反相器，其中 的一个引脚多余，请分析以下4种处理方法的合理性。
VDD
X ＆
X
≥1
Z
X
1kΩ ＆ Z 1kΩ (c)
Z X 悬空
D G vGS S S B vGS D rDS
（1）当vGS=0时，rDS可达到106Ω。当vGS增加时，rDS减小 ，最小可达到10Ω左右，因此，MOS管可看成由电压控制 的电阻。 （2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。
2.1.2 CMOS反相器
1. CMOS反相器的电路结构
VDD
VTP vI VTN vO
off on off on
on on off off
on off on off
Y H H H L
Y AB
2.1.3 CMOS与非门和或非门
4. CMOS二输入或非门
VDD
通
VTP1 VTP2
0A 0B 止
VTN1
通
A L L H H B L H L H
VTN1 VTN2 VTP1 VTP2
Y
VTN2
2.1.4 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）
2.1.4 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
5.0 1
vI
vO
V2
V1
测量电路
0
1.5
C 3.5
D 5.0
vI/V
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
VDD
vO/V
5.0
A
B
VTP vI VTN vO
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
1.NMOS管的结构和符号
S
取一块P型半导体作为衬底， 用B表示。
G
D
N+
N+
SiO2
用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。
用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的N型区。 从而形成两个PN结。（绿色部 分） D 从N型区引出电极，一个是 漏极D，一个是源极S。
P 型衬底 B
D G S
B
G
B
在源极和漏极之间的绝缘层 S 上镀一层金属铝作为栅极G。
≥1
Z
(a)
(b)
(d )
结论：CMOS门电路多余引脚不能悬空；输入引脚接 一电阻到地相当于输入低电平。
2.1.4 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 的值一般由厂商提供，如CD4011，当VDD=5V，VO=0.4V 时，至少可以灌入0.44mA的电流。
2 PD PC PT CL CPD）VDD f 841012 52 200103 0.42mW （
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
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； 5. 输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可 以大于50； 6. 在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙 铁应接地良好。
2.1.5 CMOS传输门
2.传输门的应用 （1）构成组合逻辑电路
X
TG1
X Z
1
Z Y
Y S
TG2
S
当S=0时，Z=X；当S=1时，Z=Y。为2选1数据选择器。
2.1.1 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 Transistor , MOSFET）
MOS管分为N沟道增强型、 N沟道耗尽 型、 P沟道增强型、 P沟道耗尽型，它们的 工作原理基本相同。
2.1.1 MOS管的开关特性
第2章 逻辑门电路 2. 1 CMOS门电路
2.2 TTL门电路
2.3 集成门电路的接口
问题的提出
与非门的逻辑功能：
A B & F
输入有“0”，输出为“1”
输入全为“1”，输出才为“0”
F 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”
A B
≥1
F
F A B
（1）2.0V （2）1.4V （3）1.6V （4）1.2V
VNL=VIL（max）－VOL（max） =1.5V－0.1V=1.4V
2.1.4 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 VTP vO VTN 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。
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
当门电路输出高电平时
VDD
VTP
VOH IOH
VTN CMOS反相器
RL
结论：拉电流（sourcing current）负载降低了高电平输 出电压VOH。 IOH 的 值 一 般 由 厂 商 提 供 ， 对 于 CD4011 ， 当 VDD=5V ， VO=4.6V时，至少可以提供0.44mA的拉电流。
UDS＞0 U DS=0
U GS S G D 反型层 S iO 2
N+ N+
vGS＞0将在绝缘层产生电场 ， 该电场将SiO2绝缘层下方的 空穴推走，同时将衬底的电子吸 引到下方，形成导电沟道。 当vDS＞0产生有漏极电流iD。这 说明vGS对iD的控制作用。 思考：何谓反型层？何谓开启 电压？
P 型衬底
BC段：1.5V≤vI≤3.5V ，VTP、VTN均导通。当vI =VDD／2时， VTP和VTN 导通程度相当。
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
电流传输特性
VDD=5V VTP iD vI vO VTN VTN 0 A B C VTP D vI iD
AB段：VTN 管截止，电阻非常大，所以流过VTN 和VTP 管的 漏极电流几乎为0。 CD段：VTP管截止，电阻非常大，所以流过VTN 和VTP管的 漏极电流也几乎为0。 BC段： VTP、VTN同时导通。有电流流过VTN和VTP管，当 vI=1/2VDD时，漏极电流最大。
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
噪声容限
G1
VOH
）
（ min
1
VOL（max）
VIH（min）
G2 1
VIL（max）
低电平噪声容限
高电平噪声容限
VNL=VIL（max）－VOL（max） VNH= VOH（min） － VIH（min）
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOL（ max） =0.1V ， 最 大 输 入 低 电 平 VIL （ max ） =1.5V ， 最 小 输 出 高 电 平 VOH（ max） =4.9V，最小输入高电平VIH（ max） =3.5V，则其低电 平噪声容限VNL= 。
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？
门电路有哪些参数？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
如果将0V定义为逻辑0，VDD定义为逻辑1，将实现逻 辑“非”功能 A 。 F
2.1.3 CMOS与非门和或非门
3.CMOS与非门
通V
VTP2
DD
通
VTP1
Y
1 止 止
0 0
A B
VTN1 VTN2
A L L H H
B L H L H
VTN1 VTN2 VTP1 VTP2
off off on on
空穴 电子 正离子 负离子
2.1.1 MOS管的开关特性
3.NMOS管和PMOS管的通断条件
NMOS
D
当vGS＞VTN时导通
G + vGS B
当vGS＜VTN时截止
-
PMOS
vGS G
+
S S B D
当∣vGS∣＞∣VTP∣时导通
当∣vGS∣＜∣VTP∣时截止
2.1.1 MOS管的开关特性
4.MOS管的电路模型
1 止
off off on on
off on off on
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？
2.1.4 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
（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗
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 C PD）VDD f （
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
例：有一CMOS反相器，已知电源电压VDD=5V，静态电源电 流IDD=1μA，负载电容CL=70pF，功耗电容CPD=14pF。输入信 号加入标准方波信号，频率为200kHz，试计算其空载时的静 态功耗和动态功耗。 解：静态功耗为 PS=IDDVDD=10-6×5W=0.005mW 动态功耗PD可根据式计算得到
PMOS
漏极相连 做输出端 NMOS
柵极相连 做输入端
2.1.2 CMOS反相器
2. CMOS反相器的工作原理
（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。