教案.第五講MOS構(gòu)成基本邏輯門電路

1、第五講MOS構(gòu)成基本邏輯門電路1 1分立元件 MOSMOS 邏輯門電路工作原理; 邏輯非門電路工作原理。管的開關(guān)特性；反相器工作原理及電路的電壓、電流靜態(tài)和動態(tài)特性。教學(xué)手段 本講宜教師講授，安排練習(xí)與學(xué)生互動，用多媒體演示為主、板書為輔。上一講內(nèi)容回顧:二極管與門及或門二極管與門本講重點教學(xué)步驟教學(xué)內(nèi)容設(shè)計意圖表達方式邏輯符號：B 丫邏輯式：FAB1 1.回顧上一講由分立全器件二極管構(gòu)成邏輯與門和或門電路，由NPNNPN 三極管構(gòu)成非門，以及二極管和三極管構(gòu)成與非及或非門為本次課做準備。二極管或門A YY=A + B（非門）及工作原理為了與前 次課內(nèi)容 銜接，需要 進行簡單 地復(fù)習(xí)與回顧。之

2、 后，引入新 教學(xué)內(nèi)容， 如此處理教學(xué)效果uI/VUo/V0.35.05.00.3會更好。為了節(jié)約二極管和三極管構(gòu)成與非門及或非門課時采用課件 PPTPPT演示方式 組織教學(xué)。(5V)ABY Y=ABNPNNPN 型三極管反相器電路+U。A電壓關(guān)系表真值表-三極管非門 二極管與門-此處解釋：N N 溝道增 強性MOSMOS為了節(jié)約 課時采用 課件 PPTPPT演示方式 組織教學(xué)。2.2. 提出問題，導(dǎo)入MOSMOS 構(gòu)成邏輯門電 路問題的 討論。3.3. 對上述 問題的逐 一講解、 解答。復(fù)習(xí) MOSMOS 管結(jié)構(gòu)及 工作原理1 1） 既然用分立元件三極管可以構(gòu)成非門，那么用MOSMOS 管是

3、否也可 以構(gòu)成非門，如何構(gòu)成，是怎樣工作的；2 2） 既然用分立元件二極管和三極管構(gòu)成與非門及或非門，用分立 元件二極管和 MOMOS S管是否可以構(gòu)成與非門及或非門；3 3） 只用 MOSMOS 管是否可以構(gòu)成邏輯門電路，如果可以其工作原理如何分析，電路特性是什么樣的1.1. MOSMOS 管的工作原理及開關(guān)特性.N.N 溝道增強性 MOSMOS 管的結(jié)構(gòu)和工作原理N N 溝道增強性 MOSMOS 管的結(jié)構(gòu)漏極源極用問題激 發(fā)學(xué)生聽課的興趣。輸出特性管的開關(guān)特性。工作原理（D、S 間相當于兩個背靠背的 PN結(jié)。不論 D、 S 間有無電壓， 均無法導(dǎo)通， 不能導(dǎo)電。PVGS（th）稱為閾當 U

4、GS足夠大時（UGSVGS（th），在GTB 間形成電 場，把襯底中的電 子吸引到上表面， 除復(fù)合外，剩余的 電子在上表面形成 了 N 型層（反型層）為 D、S 間的導(dǎo)通提 供了通道。講解 MOSMOS分立元件 構(gòu)成邏輯 非門工作 原理講解 MOSMOS 分立元件 構(gòu)成邏輯 與非及或 非門工作原理DS/V二. .P P 溝道增強性 MOSMOS 管的結(jié)構(gòu)和工作原理RDVDSVGS“昭S*D?VGS|VGS(th)p|.時，形成導(dǎo)電P溝道。 才- - -I. P P j2.2. MOSMOS 分立元件構(gòu)成非門（反相器）源極與襯底接在一起嚴0科邏輯“丄_RDA-uoU U|/V/VUO/VA AY

5、 Y|ui YY A0 0VDD0 01 1VDD0 00 0VDD電壓關(guān)系表真值表3.3.分立元件二極管和 MOSMOS 管構(gòu)成與非及或非門此處解釋：P P 溝道增 強性MOSMOS 管的開關(guān)特性。此處說明： 采用模擬 電子中的 負載線方 法講解，使學(xué)生容易理解。為了節(jié)約 課時采用 課件 PPTPPT演示方式 組織教學(xué)。此處強調(diào)： 邏輯門電 路的輸入 信號取值為：0V0V 或 者VDD，電 路中器件 均以開關(guān) 方式工作。1講 解CMOSCMOS 集 成邏輯門電路341341 講 解CMOSCMOS 反相器電 路組成及工作原理4.4. CMOSCMOS 集成邏輯門電路一. CMOSCMOS 反

6、相器工作原理當 NMOSNMOS 管和 PMOSPMOS 管成對出現(xiàn)在電路中， 且二者在工作中互補，稱為 CMOSCMOS 管?；倦娐方M成與工作原理fi+ VDDSUASSPBDD-些些+VDD+uGSP I_IT+|-JS；TPI_PMOS管CMOS電路NMOS管342342 講 解CMOSCMOS 反相器電 路各種特性3.4.2.13.4.2.1 講解 CMOSCMOS反相器電 路電壓傳 輸特性和 電流傳輸 特性+VDD02|0V1UAGiUGSN導(dǎo)通TPUA=0V 時TN截止B2DiUYHBSiTNVSS+VDDRONPUAUGSN|UGSP|TNTPUY0V|Uth（p）|截止 導(dǎo)通

7、VDDVDDUth （N）|Uth（p）|導(dǎo)通 截止OV設(shè)Uth（N）=2V=2V , U Uth（p）=-2V=-2V ,VDD=5V。+VDD截止TPUYVDDUA=VDD時TN導(dǎo)通電壓傳輸特性和電流傳輸特性RONNUY0V此處解釋：CMOSCMOS 中第 一個字母C C 的含義 為互補意 思。此處注意： 講解時需 要詳細分 析電路工 作原理。此處提醒：CMOSCMOS 反相 器C CD D 段兩 個 MOMOS S管 處于恒流區(qū)且溝道 相同，此時 電流達到 最大值。342.2342.2 講 解CMOSCMOS反相器輸入端噪聲容限特性ABAB 段：u uiUUUth（N）,TN開始導(dǎo)通，U

8、 UO略下降。CDCD 段：u u = = ,TN、TP均導(dǎo)通，UOi iDf=i=iD（max）。DEDE、EFEF 段：與 BCBC ABAB 段對應(yīng)，且TN、TP的狀態(tài)與之 相反，TN截止T導(dǎo)通；TP導(dǎo)通T截止。輸入端噪聲容限在保證電路輸出高或低電平為規(guī)定值的條件下，前一個門的輸出作為后一個門的輸入， 其電平的允許波動的最大范圍稱為輸入端3.4.2.33.4.2.3 講解 CMOSCMOS反相器靜 態(tài)輸入輸 出特性噪聲容限。G1G?UoH1UOH minUIH驅(qū) 動 門UNHUIH minbUIL max負 載 門UNLUILUOLUoLmaxUTNUTPUNL:輸入為低電平時的噪聲容限

9、。UNH:輸入為高電平時的噪聲容限。=VDDX 30% %CMOSCMOS 反相器的靜態(tài)輸入輸出特性輸入特性因為 MOSMOS 管的柵極和襯底之間存在著以SiO2SiO2 為介質(zhì)的輸入電容，而絕緣介質(zhì)非常薄，極易被擊穿，所以應(yīng)采取保護措施。此處強調(diào)： 噪聲容限 在實際應(yīng) 用中的意 義，特別是帶動負載 較重的情 況下對電 路可靠性 的影響。此處解釋：CMOSCMOS 靜態(tài) 輸入特性 主要是由 保護電路 產(chǎn)生的。Ci和 C2為柵極等效輸入電容+VDDD加加D2加靑加靑j r 丨丨 ID3|ZEI0 +VDDUARTPUYNVSSciLir寸寸C2 ” VSS74HC 系列保護電路UADi?匸匸D2

10、2RS4000 系列保護電路以 74HC74HC 輸入端保護電路輸入特性為例介紹TPUYTND3UADi在正常的輸入信號范圍內(nèi)，即YVIV（VDD+V,輸入電流在一（VDD+V以外的區(qū)域，保護電路中的二極管已進入導(dǎo)通狀 態(tài)。二極管導(dǎo)通時也限制了電容兩端電壓的增加， 工作速度。注意：由于門電路輸入端的的輸入阻抗極高，D2RS此處強調(diào)： 輸出特性 不僅與帶 動負載 CICI力相關(guān)，而 且還要顧 及芯片的 功耗和噪74HC聲容限，負系列保載太重護電路響這非常利于提高若有靜電感應(yīng)會342.4342.4 講 解CMOSCMOS反相器動 態(tài)特性故 CMOSCMOS 門電路的輸入端不允許（影電路使 用壽命和

11、 降低了噪 聲容限，最終電路可 靠性和耐 用性均被降低。+VDDTPUYTNVSS考慮到芯片功耗發(fā)熱等因素74HC74HC 系列 CMOSCMOS 門最大輸出電流在懸空的輸入端產(chǎn)生不定的電位, 懸空。輸出特性輸出低電平VOL時 4mA4mA。CMOSCMOS 反相器的動態(tài)特性t tpHL和 t tPLH主要是負載電容充放電所產(chǎn)生的。1平均傳輸時間為：tpd(tpLHtpHL)交流噪聲容限VAN(V)45101520tw(ns)噪聲電壓作用時間越短、電源電壓越高，交流噪聲容限越大。動態(tài)功耗反相器從一種穩(wěn)定狀態(tài)突然變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中， 產(chǎn)生附加的功耗，即為動態(tài)功耗。PMOSPMOS、NMO

12、SNMOS 同時導(dǎo)通所消耗的瞬時導(dǎo)通功耗PT傳輸延遲時U U|此處解釋： 根據(jù)動態(tài) 功耗分析 解釋為什 么CMOSCMOS 推出了低壓門電路， 為什么超 大規(guī)模邏 輯電路采 用低電壓。1325V3VtpLHtpHL負載電容充放電所消耗的功率TmaxiN結(jié)論：為減小功耗需要減小CL、V VDD和 f f，特別是需要減小 V VDD。 與動態(tài)功耗相比，靜態(tài)時總有一個管子處于夾斷狀態(tài)，故功耗極小，可忽略不計。4.小結(jié) MOSMOS 構(gòu)成 基本邏輯 門電路內(nèi) 容1)1)MOSMOS 分立兀件構(gòu)成反相器的邏輯非門；2)2)由 PCMOSPCMOS 和 NCMOSNCMOS 組成的 CMOSCMOS 反相器工作原理以及電路特 性：電壓傳輸特性和電流傳輸特性、輸入端噪聲容限、靜態(tài)輸入輸 出特性、動態(tài)特性；3)3)CMOSCMOS 特點：靜態(tài)功耗極低、抗干擾能力強、電源利用率高， 且有較大的噪聲容限、輸入阻抗高，扇出能力強、電壓傳輸特性接 近理想開關(guān)；4)4) CMOSCMOS 動態(tài)功耗主要與CL、VDD和 f f 成正比，為了降低動態(tài)功耗， 應(yīng)盡量減小CL和VD