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数字电子技术Lecture 7：门电路（2）1内容提要内容提要MOS管基础CMOS反相器CMOS与非门/或非门带缓冲级CMOS门电路MOS管管简介简介MOS管（金属-氧化物-半导体场效应晶体管，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）MOS管管三极管三极管栅极（g）基极（b）源极（s）发射极（e）漏极（d）集电极（c）截止区截止区恒流区放大区可变电阻区饱和区MOS管管简介简介增强型NMOS管 uGS增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。增大，反型层（导电沟道）将变厚变长。当反型层将两个当反型层将两个N区相接时，形成导电沟道。区相接时，形成导电沟道。衬底衬底导电沟道导电沟道MOS管管简介简介NMOS管共源接法及其输出特性曲线(1)截止区：当 v vGSGS 109。(2)恒流区：当vGS VGS(th)时,管子导通，漏极和源极间出现导电沟道，且 iD V 2GS。(3)可变电阻区：当vGS VGS(th)且 vDS 0时,管子导通，导通电阻的大小近似地与vGS成反比。MOS管管简介简介NMOS管共源接法及其转移特性曲线(1)当vGS 109(2)当vGS VGS(th)时,管子导通，iD V 2GS，RONVGS(th)，管子截止，iD=0。(2)当vGS 0，PMOS管的开启电压VGS(th)|VGS(th)P|+VGS(th)N(1)当vIVIL0为低电平时，T2截止，T1管导通，输出电压为高电平。CMOS反相器反相器CMOS反相器的工作原理：设T1和T2的开启电压分别为 VGS(th)P、VGS(th)N，且|VGS(th)P|VGS(th)N，并设VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N(2)当vIVIHVDD为高电平时，T1截止，T2管导通，输出电压为低电平。CMOS反相器反相器CMOS反相器的特点：1.无论 vI 是高电平还是低电平，T1和T2管总是工作在一个导通另一个截止的状态，故称为CMOS电路。(C：互补)2.由于无论输入为低电平还是高电平，T1和T2总是有一个截止的，其截止电阻很高，流过T1和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。CMOS反相器反相器CMOS反相器的电压传输特性（输出电压vo和输入电压vI之间的关系）：CMOS反相器反相器CMOS反相器的电压传输特性（输出电压vo和输入电压vI之间的关系）：ABAB段段段段：输入低电平，T1管导通，T2截止，输出电压为高电平，即：CMOS反相器反相器CMOS反相器的电压传输特性（输出电压vo和输入电压vI之间的关系）：CDCD段段段段：输入高电平，T1管截止，T2导通，输出电压为低电平，即：CMOS反相器反相器CMOS反相器的电压传输特性（输出电压vo和输入电压vI之间的关系）：BCBC段段段段：T1、T2同时导通，若T1、T2参数完全相同，则：CMOS反相器反相器CMOS反相器的输入端噪声容限：在输入电压vI偏离正常低电平或高电平时，输出电压vo并不随之马上改变，允许输入电压有一定的变化范围。输入端噪声容限指在保证输出高、低电平基本不变（不超过规定范围）时，允许输入信号高、低电平的波动范围。CMOS反相器反相器CMOS反相器的输入端噪声容限：VOH（min）输出高电平最小值VOL（max）输出低电平最大值VIH（min）输入高电平最小值VIL（max）输入低电平最大值输入高输入高输入高输入高/低电平低电平低电平低电平噪声容限分别为：噪声容限分别为：噪声容限分别为：噪声容限分别为：CMOS反相器反相器CMOS反相器的输入端噪声容限：输入噪声容限和电源电压VDD有关，当VDD增加时，电压传输特性右移，因此可以通过提高VDD来提高噪声容限。CMOS反相器反相器CMOS反相器的电流传输特性（反相器的漏极电流随输入电压变化曲线）：ABAB段段段段：输入低电平，T1管导通，T2截止，输出漏极电流近似为零。CMOS反相器反相器CMOS反相器的电流传输特性（反相器的漏极电流随输入电压变化曲线）：CDCD段段段段：输入高电平，T1管截止，T2导通，输出漏极电流近似为零。CMOS反相器反相器CMOS反相器的电流传输特性（反相器的漏极电流随输入电压变化曲线）：BCBC段段段段：T1、T2同时导通，有电流 iD 通过，且在 vIVDD/2 附近处，漏极电流最大。故在使用时，输入电压不应长时间工作在这段，以防由于功耗过大而损坏。CMOS反相器反相器CMOS反相器的静态输入特性(输入电压与电流的关系)：保护电路的工作原理：(1)当输入信号在正常工作范围内，即0vI VDD，输入端保护电路不起作用。(2)当vI VDD+VDF时，D1导通，将栅极电位vG钳位在VDD+VDF。(3)而当vI VDD+VDF时，D1导通，将栅极电位vG钳位在VDD+VF。(3)而当vI -VDF时，D2导通，将栅极电位vG钳位在VDF。这样使得C1、C2两端电压不会超过允许值。CMOS反相器反相器CMOS反相器的静态输出特性(输出电压与电流的关系)：1.1.低电平输出特性：低电平输出特性：在输入为高电平，即 vIVIHVDD时，此时T1截止，T2导通，输出为低电平，即voVOL。电流从负载注入T2，输出电压VOL随电流增加而提高。且VDD越高，VOL 越低。CMOS反相器反相器CMOS反相器的静态输出特性(输出电压与电流的关系)：2.2.高电平输出特性：高电平输出特性：在输入为低电平，即 vIVIL0 时，此时T2截止，T1导通，输出为高电平，即voVOH。电流从负载注入T1，输出电压VOH随电流增加而下降。且VDD越高，VOH 越高。CMOS反相器反相器CMOS反相器的传输延迟时间：由于MOS管的寄生电容和负载电容的存在，使得输出电压的变化滞后输入电压的变化，将输出电压变化滞后输入电压变化的时间称为传输延迟时间。CMOS反相器反相器CMOS反相器的动态功耗：当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定状态过程中，将产生附加的功耗，称为动态功耗。它包括对负载电容充放电的功耗和在两个管子同时导通时的功耗。CMOS与非门与非门CMOS与非门的电路结构：T1、T3为两个并联的PMOS管；T2、T4为两个串联的NMOS管。CMOS与非门与非门CMOS与非门的工作原理：(1)A、B有一个为“0”时，T2、T4至少有一个截止，T1、T3至少有一个导通，使输出为高电平，Y1(2)A、B同时为“1”时，T2、T4同时导通，T1、T3同时截止，使输出为低电平，Y0CMOS或非门或非门CMOS或非门的电路结构：T1、T3为两个串联的PMOS管；T2、T4为两个并联的NMOS管。CMOS或非门或非门CMOS或非门的工作原理：(1)A、B有一个为“1”时，T2、T4至少有一个导通，T1、T3至少有一个截止，使输出为低电平，Y0(2)A、B同时为“0”时，T2、T4同时截止，T1、T3同时导通，使输出为高电平，Y1带缓冲级 CMOS门门电路电路无缓冲级CMOS门电路的不足：(1)输出电阻RO受输入状态的影响；带缓冲级 CMOS门门电路电路无缓冲级CMOS门电路的不足：(2)输出的高低电平受输入端数目的影响。输入端数目愈多，输出为低电平时串联的导通电阻越多，低电平VOL越高；输出为高电平时，并联电阻越多，输出高电平VOH也越高。带缓冲级 CMOS门门电路电路带缓冲级CMOS门电路结构：在门电路的每个输入端和输出端各增设一级标准参数的反相器。带缓冲器的门电路其输出电阻、输出的高、低电平及电压传输特性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，更接近理想开关特性。带缓冲级 CMOS门门电路电路带缓冲级CMOS与非门：带缓冲级 CMOS门门电路电路带缓冲级CMOS与非门：输入端缓冲（反相器）输出端缓冲（反相器）或非门加缓冲器后，电路的逻辑功能也有所改变。带缓冲级 CMOS门门电路电路带缓冲级CMOS或非门：带缓冲级 CMOS门门电路电路带缓冲级CMOS或非门：输入端缓冲（反相器）输出端缓冲（反相器）与非门带缓冲级 CMOS门门电路电路例：分析图中电路的逻辑功能，写出逻辑函数式。带缓冲级 CMOS门门电路电路例：分析图中电路的逻辑功能，写出逻辑函数式。内容回顾内容回顾MOS管基础增强型NMOS管、增强型PMOS管注意其开启电压CMOS反相器电路结构、工作原理、电压传输特性、电流传输特性、输入特性、输出特性、传输延迟、动态功耗CMOS与非门/或非门电路结构、工作原理带缓冲级CMOS门电路电路结构、工作原理、注意逻辑功能的变化
