教案MOS构成基本逻辑门电路
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此处解释：根据动态功耗分析解释为什么CMOS推出了低压门电路，为什么超大规模逻辑电路采用低电压。
4.小结MOS构成基本逻辑门电路内容
1）MOS分立元件构成反相器的逻辑非门；
2）由PCMOS和NCMOS组成的CMOS反相器工作原理以及电路特性：电压传输特性和电流传输特性、输入端噪声容限、静态输入输出特性、动态特性；
3.4.2.1讲解CMOS反相器电路电压传输特性和电流传输特性
3.4.2.2讲解CMOS反相器输入端噪声容限特性
3.4.2.3讲解CMOS反相器静态输入输出特性
3.4.2.4讲解CMOS反相器动态特性
1.MOS管的工作原理及开关特性
一. N沟道增强性MOS管的结构和工作原理
①N沟道增强性MOS管的结构
②输出特性
输出低电平VOL时
输出高电平VOH时
考虑到芯片功耗发热等因素74HC系列CMOS门最大输出电流±4mA。
CMOS反相器的动态特性
①传输延迟时间
②交流噪声容限
噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。
③动态功耗
反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。
第五讲MOS构成基本逻辑门电路
本讲重点
1.分立元件MOS逻辑门电路工作原理；
2.CMOS逻辑非门电路工作原理。
本讲难点
1.MOS管的开关特性；
2.CMOS反相器工作原理及电路的电压、电流静态和动态特性。
教学手段
本讲宜教师讲授，安排练习与学生互动，用多媒体演示为主、板书为辅。
教学步骤
教学内容
设计意图
表达方式
在正常的输入信号范围内，即–0.7V<vI<(VDD+0.7)V，输入电流iI≈0。
在–0.7V~(VDD+0.7)V以外的区域，保护电路中的二极管已进入导通状态。
二极管导通时也限制了电容两端电压的增加，这非常利于提高工作速度。
注意：由于门电路输入端的的输入阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故CMOS门电路的输入端不允许悬空。
此处解释：P沟道增强性MOS管的开关特性。
此处说明：采用模拟电子中的负载线方法讲解，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：逻辑门电路的输入信号取值为：0V或者VDD，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的含义为互补意思。
此处注意：讲解时需要详细分析电路工作原理。
PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT
负载电容充放电所消耗的功率PC
结论：为减小功耗需要减小CL、VDD和f，特别是需要减小VDD。与动态功耗相比，静态时总有一个管子处于夹断状态，故功耗极小，可忽略不计。
此处解释：N沟道增强性MOS管的开关特性。
为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。
②工作原理
③输出特性
二. P沟道增强性MOS管的结构和工作原理
2.MOS分立元件构成非门（反相器）
→
3.分立元件二极管和MOS管构成与非及或非门
4.CMOS集成逻辑门电路
一．CMOS反相器工作原理
当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管。
基本电路组成与工作原理
电压传输特性和电流传输特性
用问题激发学生听课的兴趣。
3．对上述问题的逐一讲解、解答。
3.1复习MOS管结构及工作原理
3.2讲解MOS分立元件构成逻辑非门工作原理
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
输入端噪声容限
在保证电路输出高或低电平为规定值的条件下，前一个门的输出作为后一个门的输入，其电平的允许波动的最大范围称为输入端噪声容限。
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着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。
以74HC输入端保护电路输入特性为例介绍
AB段：uI<Uth(N)，TN截止、TP导通，uO=VDD、iD?0，功耗极小。
BC段：uI>Uth(N)，TN开始导通，uO略下降。
CD段：uI=0.5VDD，TN、TP均导通，uO↓→iD↑=iD(max)。
DE、EF段：与BC、AB段对应，且TN、TP的状态与之相反，TN截止→导通；TP导通→截止。
此处提醒：CMOS反相器CD段两个MOS管处于恒流区且沟道相同，此时电流达到最大值。
此处强调：噪声容限在实际应用中的意义，特别是带动负载较重的情况下对电路可靠性的影响。
此处解释：CMOS静态输入特性主要是由保护电路产生的。
此处强调：输出特性不仅与带动负载能力相关，而且还要顾及芯片的功耗和噪声容限，负载太重影响电路使用寿命和降低了噪声容限，最终电路可靠性和耐用性均被降低。
3）CMOS特点：静态功耗极低、抗干扰能力强、电源利用率高，且有较大的噪声容限、输入阻抗高，扇出能力强、电压传输特性接近理想开关；
4）CMOS动态功耗主要与CL、VDD和f成正比，为了降低动态功耗，应尽量减小CL和VDD，但是减小VDD噪声容限受到不利影响，设计时应综合考虑问题；
通过课堂总结，使学生加深对本节课MOS构成基本逻辑门电路内容的印象。
5.课后讨论与思考
思考题：
电路如图，CMOS反相器输出和输入通过一个电阻连接，电路可以当作反相放大器使用，根据传输特性曲线讨论其原理。
让学生思考，利于对该节课内容的掌握。
为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。
2．提出问题，导入MOS构成逻辑门电路问题的讨论。
1）既然用分立元件三极管可以构成非门，那么用MOS管是否也可以构成非门，如何构成，是怎样工作的；
2）既然用分立元件二极管和三极管构成与非门及或非门，用分立元件二极管和MOS管是否可以构成与非门及或非门；
3）只用MOS管是否可以构成逻辑门电路，如果可以其工作原理如何分析，电路特性是什么样的？
1．回顾上一讲由分立全器件二极管构成逻辑与门和或门电路，由NPN三极管构成非门，以及二极管和三极管构成与非及或非门为本次课做准备。
Biblioteka Baidu上一讲内容回顾：
二极管与门及或门
二极管与门
二极管或门
NPN型三极管反相器电路（非门）及工作原理
二极管和三极管构成与非门及或非门
为了与前次课内容衔接，需要进行简单地复习与回顾。之后，引入新教学内容，如此处理教学效果会更好。
4.小结MOS构成基本逻辑门电路内容
1）MOS分立元件构成反相器的逻辑非门；
2）由PCMOS和NCMOS组成的CMOS反相器工作原理以及电路特性：电压传输特性和电流传输特性、输入端噪声容限、静态输入输出特性、动态特性；
3.4.2.1讲解CMOS反相器电路电压传输特性和电流传输特性
3.4.2.2讲解CMOS反相器输入端噪声容限特性
3.4.2.3讲解CMOS反相器静态输入输出特性
3.4.2.4讲解CMOS反相器动态特性
1.MOS管的工作原理及开关特性
一. N沟道增强性MOS管的结构和工作原理
①N沟道增强性MOS管的结构
②输出特性
输出低电平VOL时
输出高电平VOH时
考虑到芯片功耗发热等因素74HC系列CMOS门最大输出电流±4mA。
CMOS反相器的动态特性
①传输延迟时间
②交流噪声容限
噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。
③动态功耗
反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。
第五讲MOS构成基本逻辑门电路
本讲重点
1.分立元件MOS逻辑门电路工作原理；
2.CMOS逻辑非门电路工作原理。
本讲难点
1.MOS管的开关特性；
2.CMOS反相器工作原理及电路的电压、电流静态和动态特性。
教学手段
本讲宜教师讲授，安排练习与学生互动，用多媒体演示为主、板书为辅。
教学步骤
教学内容
设计意图
表达方式
在正常的输入信号范围内，即–0.7V<vI<(VDD+0.7)V，输入电流iI≈0。
在–0.7V~(VDD+0.7)V以外的区域，保护电路中的二极管已进入导通状态。
二极管导通时也限制了电容两端电压的增加，这非常利于提高工作速度。
注意：由于门电路输入端的的输入阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故CMOS门电路的输入端不允许悬空。
此处解释：P沟道增强性MOS管的开关特性。
此处说明：采用模拟电子中的负载线方法讲解，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：逻辑门电路的输入信号取值为：0V或者VDD，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的含义为互补意思。
此处注意：讲解时需要详细分析电路工作原理。
PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT
负载电容充放电所消耗的功率PC
结论：为减小功耗需要减小CL、VDD和f，特别是需要减小VDD。与动态功耗相比，静态时总有一个管子处于夹断状态，故功耗极小，可忽略不计。
此处解释：N沟道增强性MOS管的开关特性。
为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。
②工作原理
③输出特性
二. P沟道增强性MOS管的结构和工作原理
2.MOS分立元件构成非门（反相器）
→
3.分立元件二极管和MOS管构成与非及或非门
4.CMOS集成逻辑门电路
一．CMOS反相器工作原理
当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管。
基本电路组成与工作原理
电压传输特性和电流传输特性
用问题激发学生听课的兴趣。
3．对上述问题的逐一讲解、解答。
3.1复习MOS管结构及工作原理
3.2讲解MOS分立元件构成逻辑非门工作原理
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
输入端噪声容限
在保证电路输出高或低电平为规定值的条件下，前一个门的输出作为后一个门的输入，其电平的允许波动的最大范围称为输入端噪声容限。
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着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。
以74HC输入端保护电路输入特性为例介绍
AB段：uI<Uth(N)，TN截止、TP导通，uO=VDD、iD?0，功耗极小。
BC段：uI>Uth(N)，TN开始导通，uO略下降。
CD段：uI=0.5VDD，TN、TP均导通，uO↓→iD↑=iD(max)。
DE、EF段：与BC、AB段对应，且TN、TP的状态与之相反，TN截止→导通；TP导通→截止。
此处提醒：CMOS反相器CD段两个MOS管处于恒流区且沟道相同，此时电流达到最大值。
此处强调：噪声容限在实际应用中的意义，特别是带动负载较重的情况下对电路可靠性的影响。
此处解释：CMOS静态输入特性主要是由保护电路产生的。
此处强调：输出特性不仅与带动负载能力相关，而且还要顾及芯片的功耗和噪声容限，负载太重影响电路使用寿命和降低了噪声容限，最终电路可靠性和耐用性均被降低。
3）CMOS特点：静态功耗极低、抗干扰能力强、电源利用率高，且有较大的噪声容限、输入阻抗高，扇出能力强、电压传输特性接近理想开关；
4）CMOS动态功耗主要与CL、VDD和f成正比，为了降低动态功耗，应尽量减小CL和VDD，但是减小VDD噪声容限受到不利影响，设计时应综合考虑问题；
通过课堂总结，使学生加深对本节课MOS构成基本逻辑门电路内容的印象。
5.课后讨论与思考
思考题：
电路如图，CMOS反相器输出和输入通过一个电阻连接，电路可以当作反相放大器使用，根据传输特性曲线讨论其原理。
让学生思考，利于对该节课内容的掌握。
为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。
2．提出问题，导入MOS构成逻辑门电路问题的讨论。
1）既然用分立元件三极管可以构成非门，那么用MOS管是否也可以构成非门，如何构成，是怎样工作的；
2）既然用分立元件二极管和三极管构成与非门及或非门，用分立元件二极管和MOS管是否可以构成与非门及或非门；
3）只用MOS管是否可以构成逻辑门电路，如果可以其工作原理如何分析，电路特性是什么样的？
1．回顾上一讲由分立全器件二极管构成逻辑与门和或门电路，由NPN三极管构成非门，以及二极管和三极管构成与非及或非门为本次课做准备。
Biblioteka Baidu上一讲内容回顾：
二极管与门及或门
二极管与门
二极管或门
NPN型三极管反相器电路（非门）及工作原理
二极管和三极管构成与非门及或非门
为了与前次课内容衔接，需要进行简单地复习与回顾。之后，引入新教学内容，如此处理教学效果会更好。