電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分

3.3

MOS開關(guān)及其等效電路：MOS管工作在可變電阻區(qū)，輸出低電平:MOS管截止，輸出高電平當υI

<VT當υI

>VTMOS管相當于一個由vGS控制的無觸點開關(guān)。MOS管工作在可變電阻區(qū)，相當于開關(guān)“閉合”，輸出為低電平。MOS管截止，相當于開關(guān)“斷開”輸出為高電平。當輸入為低電平時：當輸入為高電平時：3.3.1

CMOS

反相器1.工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0V0V-10V截止導(dǎo)通10V10V10V0V導(dǎo)通截止0VVTN=2VVTP=-2V邏輯圖邏輯表達式vi(A)0vO(L)1邏輯真值表10P溝道MOS管輸出特性曲線坐標變換輸入高電平時的工作情況輸入低電平時的工作情況作圖分析：2.電壓傳輸特性和電流傳輸特性VTN電壓傳輸特性3.CMOS反相器的工作速度在由于電路具有互補對稱的性質(zhì)，它的開通時間與關(guān)閉時間是相等的。平均延遲時間：10ns。

帶電容負載A

BTN1TP1

TN2TP2L00011011截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通1110與非門1.CMOS與非門vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)電路結(jié)構(gòu)(b)工作原理VTN=2VVTP=-2V0V10VN輸入的與非門的電路?輸入端增加有什么問題?3.3.2CMOS邏輯門或非門2.CMOS或非門+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA

B

TN1TP1TN2TP2L00011011截止導(dǎo)通截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通截止截止截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通1000AB≥10V10VVTN=2VVTP=-2VN輸入的或非門的電路的結(jié)構(gòu)?輸入端增加有什么問題?3.異或門電路=A⊙B4.輸入保護電路和緩沖電路采用緩沖電路能統(tǒng)一參數(shù)，使不同內(nèi)部邏輯集成邏輯門電路具有相同的輸入和輸出特性。（1）輸入端保護電路:(1)0<vI<VDD+vDF(2)vI

>

VDD+vDF

二極管導(dǎo)通電壓：vDF(3)vI

<

-

vDF

當輸入電壓不在正常電壓范圍時,二極管導(dǎo)通，限制了電容兩端電壓的增加,保護了輸入電路。D1、D2截止D1導(dǎo)通,D2截止vG

=

VDD+vDFD2導(dǎo)通,D1截止vG=

-

vDFRS和MOS管的柵極電容組成積分網(wǎng)絡(luò)，使輸入信號的過沖電壓延遲且衰減后到柵極。

D2---分布式二極管(iD大)（2）CMOS邏輯門的緩沖電路輸入、輸出端加了反相器作為緩沖電路，所以電路的邏輯功能也發(fā)生了變化。增加了緩沖器后的邏輯功能為與非功能1.CMOS漏極開路門1.）CMOS漏極開路門的提出輸出短接，在一定情況下會產(chǎn)生低阻通路，大電流有可能導(dǎo)致器件的損毀，并且無法確定輸出是高電平還是低電平。3.3.3CMOS漏極開路（OD）門和三態(tài)輸出門電路+VDDTN1TN2AB+VDDAB01（2）漏極開路門的結(jié)構(gòu)與邏輯符號(c)可以實現(xiàn)線與功能;+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABL電路邏輯符號(b)與非邏輯不變漏極開路門輸出連接(a)工作時必須外接電源和電阻;(3)上拉電阻對OD門動態(tài)性能的影響Rp的值愈小，負載電容的充電時間常數(shù)亦愈小，因而開關(guān)速度愈快。但功耗大,且可能使輸出電流超過允許的最大值IOL(max）

。電路帶電容負載10CLRp的值大，可保證輸出電流不能超過允許的最大值IOL(max）、功耗小。但負載電容的充電時間常數(shù)亦愈大，開關(guān)速度因而愈慢。最不利的情況：只有一個OD門導(dǎo)通，110為保證低電平輸出OD門的輸出電流不能超過允許的最大值IOL(max)且VO=VOL(max），RP不能太小。當VO=VOL+VDDIILRP&&&&n…&m&…kIIL（total)IOL（max)當VO=VOH+VDDRP&&&&n…&m&…111IIH（total)I0H（total)為使得高電平不低于規(guī)定的VIH的最小值，則Rp的選擇不能過大。Rp的最大值Rp(max)

：

2.三態(tài)(TSL)輸出門電路10011截止導(dǎo)通111高阻

×0輸出L輸入A使能EN001100截止導(dǎo)通010截止截止X1邏輯功能：高電平有效的同相邏輯門013.3.4CMOS傳輸門(雙向模擬開關(guān))1.CMOS傳輸門電路電路邏輯符號υI

/υO(shè)υo/υIC等效電路2、CMOS傳輸門電路的工作原理

設(shè)TP:|VTP|=2V，TN:VTN=2VI的變化范圍為－5V到+5V。

5V+5V5V到+5VGSN<VTN,TN截止GSP=5V(-5V到+5V)=(10到0)V開關(guān)斷開，不能轉(zhuǎn)送信號GSN=-5V(－5V到+5V)=(0到-10)VGSP>0,TP截止1）當c=0，c=1時c=0=-5V，c

=1=+5V

C

TP

vO/vI

vI/vO

+5V

–5V

TN

C

+5V5VGSP=5V

(－3V~+5V)=2V~10VGSN=5V(－5V~+3V)=(10~2)Vb、I=3V~5VGSN>VTN,TN導(dǎo)通a、I=5V~3VTN導(dǎo)通，TP導(dǎo)通GSP>|VT|,TP導(dǎo)通C、I=3V~3V2）當c=1，c=0時傳輸門組成的數(shù)據(jù)選擇器C=0上邊的TG導(dǎo)通,

下邊的TG斷開L=X下邊的TG導(dǎo)通,

上邊的TG斷開

L=YC=1傳輸門的應(yīng)用CMOS邏輯集成器件發(fā)展使它的技術(shù)參數(shù)從總體上來說已經(jīng)達到或者超過TTL器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出數(shù)大，噪聲容限大，靜態(tài)功耗小，動態(tài)功耗隨頻率的增加而增加。參數(shù)系列傳輸延遲時間tpd/ns(CL=15pF)功耗(mW)延時功耗積(pJ)4000B751(1MHz)10574HC101.5(1MHz)1574HCT131(1MHz)13BiCMOS2.90.0003~7.50.00087~223.3.5CMOS邏輯門電路的技術(shù)參數(shù)CMOS門電路各系列的性能比較v0/vvI/v簡化的CMOS反相器的傳輸特性VDDVOH1/2VDDVOLCMOS與TTL傳輸特性的異同v0/v213451230.22.483.61.1v1.2v0.4vvI/vABCDE基本的TTL反相器的傳輸特性CMOS門的閾值電壓：VT=1/2VDD,TTL門的VT一般在1.0～1.4V

CMOS門輸出高電平為VDD,即VOH=VDD,輸出低電平VOL=0V.在VO=VOH時，隨向外拉的電流增加，VOH值下降；而在VO=VOL時，隨灌入的電流增加，VOL值上升。所不同的是，VOH的下降和VOL的上升，對TTL電路來講基本是線性，對CMOS門電路而言則為非線性的。特點:功耗低、速度快、驅(qū)動力強3.3.6BiCMOS門電路I為高電平:MN、M1和T2導(dǎo)通，MP、M2和T1截止，輸出O為低電平。工作原理:M1的導(dǎo)通,迅速拉走T1的基區(qū)存儲電荷;M2截止,MN的輸出電流全部作為T2管的驅(qū)動電流,M1、

M2加快輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換I為低電平:MP、M2和T1導(dǎo)通，MN、M1和T2截止，輸出O為高電平。T2基區(qū)的存儲電荷通過M2而消散。

M1、M2加快輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)速度可得到改善M1截止，MP的輸出電流全部作為T1的驅(qū)動電流。BiCMOS門電路(BiCMOSgatecircuit)它兼有CMOS電路的低功耗和雙極型電路低輸出內(nèi)阻的優(yōu)點。圖是Bi-CMOS反相器的兩種電路結(jié)構(gòu)型式。圖(a)中兩個雙極型輸出管的基極接有下拉電阻。當VI=VIH時，MN和T2導(dǎo)通，MP和T1截止，輸出為低電平VOL。當VI=VIL時，MP和T1導(dǎo)通而MN和T2截止，輸出為高電平VOH

。為了加快T1和T2的截止過程，要求R1和R2的阻值盡量小，而為了降低功耗要求R1和R2的阻值應(yīng)盡量大，兩者顯然是矛盾的。為此，目前的Bi-CMOS反相器多半采用圖(b)所示的電路結(jié)構(gòu)，以M1和M2取代圖(a)中的R1和R2，形成有源下拉式結(jié)構(gòu)。當VI=VIH時，M1、MN和T2導(dǎo)通，MP、M2和T1截止，輸出為低電平VOL。當VI=VIL時，MP、M2和T1導(dǎo)通，M1、MN和T2截止，輸出為高電平VOH。由于T1和T2的導(dǎo)通內(nèi)阻很小，所以負載電容CL的充、放電時間很短，從而有效地減小了電路的傳輸延遲時間。VDD(5v)VoVI(b)常見的BiCMOS電路MPM1MNM2T1T2VDD(5v)VoVI(a)最簡單的BiCMOS反相器電路MPR1MNR2T1T2

hw:3.1.4（a.b）、3.1.5、3.1.10、（1.2.3）NMOS邏輯門電路(NMOSLogicgatecircuit)VDDVoVI(a)實際電路T1T2(b)簡化電路VDDVoVIT1T2NMOS邏輯門電路是全部由N溝道MOSFET構(gòu)成。由于這種器件具有較小的幾何尺寸，適合于制造大規(guī)模集成電路。此外，由于NMOS集成電路的結(jié)構(gòu)簡單，易于使用CAD技術(shù)進行設(shè)計。與CMOS電路類似，NMOS電路中不使用難于制造的電阻。NMOS反相器是整個NMOS邏輯門電路的基本構(gòu)件，它的工作管常用增強型器件，而負載管可以是增強型也可以是耗盡型?，F(xiàn)以增強型器件作為負載管的NMOS反相器為例來說明它的工作原理。1.NMOS反相器T1為工作管（開關(guān)管），T2為負載管,T2總處于導(dǎo)通工作原理：當輸入VI為高電壓(超過管子的開啟電壓VT)時，

T1導(dǎo)通，輸出VO為低電壓。輸出低電壓的值，

由T1、T2兩管導(dǎo)通時所呈現(xiàn)的電阻值之比決定。

通?？鐚?dǎo)gm1?gm2，以保證輸出低電壓值在+1V左右。當輸入VI為低電壓(低于管子的開啟電壓VT)時，

T1截止，輸出VO為高電壓。

（因2管總是處于導(dǎo)通狀態(tài),輸出高電壓值約為VDD-VT）。2.NMOS或非門電路電路:在NMOS反相器的基礎(chǔ)上，可以制成圖為NMOS或非門電路。工作原理:輸入A、B中，任一個為高電平，與它對應(yīng)的NMOS導(dǎo)通，輸出為低電平；僅當A、B全為低電平時，所有工作管都截止，輸出才為高電平?？梢婋娐肪哂谢蚍枪δ?，即L=A+B

電路特點：或非門的工作管都是并聯(lián)的，增加管子的個數(shù)，輸出低電平基本穩(wěn)定，在設(shè)計電路設(shè)計中較為方便，因而NMOS門電路是以或非門為基礎(chǔ)的。NMOS或非門電路VDDL=A+BT1T2BACMOS門特點1.優(yōu)點①

功耗低：低靜態(tài)功耗僅為5~10-3mW，動態(tài)功耗因工作時伴有分布電