最新反相器工作原理幻灯片.ppt

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1、图3- -5- -1 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.5.13.5.1CMOS反相器工作原理反相器工作原理CMOS反相器由一个反相器由一个P沟道增强型沟道增强型MOS管和一个管和一个N沟道增强沟道增强型型MOS管串联组成。通常管串联组成。通常P沟道管作为负载管，沟道管作为负载管，N沟道管作为输沟道管作为输入管。入管。两个两个MOS管的开启电压管的开启电压VGS(th)P0，通常为了保证正常工作，要，通常为了保证正常工作，要求求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。若输入若输入vI为低电平为低电平(如如0V)，则负载，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近管导通，输入

2、管截止，输出电压接近VDD。若输入若输入vI为高电平为高电平(如如VDD)，则输入管导通，负载管截止，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近输出电压接近0V。电源特性电源特性CMOS反相器的电源特性包含工作时的反相器的电源特性包含工作时的静态功耗静态功耗和和动态功动态功耗耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。静态功耗非常小，通常可忽略不计。CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工反相器工作在第作在第工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生工作区时，将

3、产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功瞬时导通功耗耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。充、放电所消耗的功耗。TP图3- -5- -10 CMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTN3.5.33.5.3CMOS传输门传输门CMOS传输门是由传输门是由P沟道和沟道和N沟道增强型沟道增强型MOS管并联互补组管并联互补组成。成。当当C=0V，C=VDD时，两个时，两个MOS管都截止。输出和输入之间管都截止。输出和输入之间呈现高阻抗，传输门截止。当呈

4、现高阻抗，传输门截止。当C=VDD，C=0V时，总有一个时，总有一个MOS管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。TP图3- -5- -11 传输门高、低电平传输情况VDDC=0C=VDDvOvI=VDDTNDSSDCLTPVDDC=0C=VDDvOvITNSDDSCL(a) 高电平传输高电平传输(b) 低电平传输低电平传输传输门传输门传输高电平信号传输高电平信号时，若控制信号时，若控制信号C为有效电平，则为有效电平，则传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电容传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电容CL充电，直至输出电

5、平与输入电平相同，完成高电平的传输。充电，直至输出电平与输入电平相同，完成高电平的传输。若若传输低电平信号传输低电平信号，电流从输出端流向输入端，负载电容，电流从输出端流向输入端，负载电容CL经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端相同经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端相同的低电平，完成低电平传输。的低电平，完成低电平传输。YVDDT1BTP图3- -5- -12 CMOS与非门TPATNTNT4T3T2YVDDT1B图3- -5- -13 CMOS或非门AT4T3T23.5.43.5.4CMOS逻辑门电路逻辑门电路CMOS与非与非门、门、或非或非门门当输入信号为当输入信

6、号为0时，与之相连的时，与之相连的N沟道沟道MOS管截止，管截止，P沟道沟道MOS管导通；反之则管导通；反之则N沟道沟道MOS管导通，管导通，P沟道沟道MOS管截止。管截止。YVDDB图3- -5- -14 带缓冲级的与非门A上述电路虽然简单，但存在一些严重缺点：上述电路虽然简单，但存在一些严重缺点：(1) 输出电阻受输入端状态的影响；输出电阻受输入端状态的影响；(2) 当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，使低电平噪声容限降低。使低电平噪声容限降低。解决方法：解决方法：在各输入端、输出端增加一级反相器，构成带在各输入端、输出端增加一级反相

7、器，构成带缓冲级的门电路。缓冲级的门电路。带 缓 冲 级 的带 缓 冲 级 的与非与非门是在门是在或非或非门的输入端、输门的输入端、输出端接入反相器出端接入反相器构成的。构成的。VDDEN图3- -5- -15 三态输出CMOS门 结构之一AYVDD1TNTNTPTP三态输出三态输出CMOS门门三态输出三态输出CMOS门是在普通门电路上，增加了控制端和控门是在普通门电路上，增加了控制端和控制电路构成，一般有三种结构形式。制电路构成，一般有三种结构形式。第一种形式：第一种形式：在反相器基础上增加一对在反相器基础上增加一对P沟道沟道TP和和N沟道沟道TN MOS管。管。当控制端为当控制端为1时，时

8、，TP和和TN同时同时截止，输出呈高阻态；当控制截止，输出呈高阻态；当控制端为端为0时，时，TP和和TN同时导通，同时导通，反相器正常工作。该电路为低反相器正常工作。该电路为低电平有效的三态输出门。电平有效的三态输出门。EN图3- -5- -16 三态输出CMOS门结构之二AYVDD1TNTPAY&TNTPVDDENTNTP第二种形式和第三种形式：第二种形式和第三种形式：EN图3- -5- -17 三态输出CMOS 门结构之三AYVDD1TGA图3- -5- -18 漏极开路输出门VDD11&BVDD2RL漏极开路输出门漏极开路输出门如图如图3- -5- -18所示，所示，其原理与其原理与TT

9、L开路输出门相同。开路输出门相同。CMOS电路以其低功耗、高抗干电路以其低功耗、高抗干扰能力等优点得到广泛的应用。其工扰能力等优点得到广泛的应用。其工作速度已与作速度已与TTL电路不相上下，而在电路不相上下，而在低功耗方面远远优于低功耗方面远远优于TTL电路。电路。目前国产目前国产CMOS逻辑门有逻辑门有CC 4000系列和高速系列和高速54HC/74HC系列，主要性能比较如下：系列，主要性能比较如下：表3- -5- -2 CMOS门性能比较P+N+N+N+P+P+N+P+RRWT2T4T6T3T1T5RSP阱阱N衬底衬底VSSS2G2D2D1G1S1vOvIVDD图3- -5- -19 CM

10、OS反相器结构示意图3.5.53.5.5CMOS电路的锁定效应及正确使用方法电路的锁定效应及正确使用方法CMOS电路的锁定效应电路的锁定效应图中的图中的T1T6均为寄生三极管，是产生锁定效应的原因。均为寄生三极管，是产生锁定效应的原因。RvIvOVDDVSST5T6RWT1T2RST3T4P阱阱(N衬底衬底)图3- -5- -20 CMOS锁定效应等效电路寄生三极管等效寄生三极管等效电路中，电路中，T1和和T2构成构成了一个正反馈电路。了一个正反馈电路。在在CMOS电路中如果电路中如果发生了发生了T1、T2寄生三寄生三极管正反馈导电情况，极管正反馈导电情况，称为称为锁定效应锁定效应，或称，或称

11、为为可控硅效应可控硅效应。为保证为保证CMOS电路不产生锁定效应，电路不产生锁定效应，vI和和vO必须满足：必须满足：)(DDDD(BR)DDDDDODDDDID端击穿电压端击穿电压VVVVVvVVVvV CMOS器件使用时应注意的问题器件使用时应注意的问题(1) 输入电路的静电防护输入电路的静电防护措施措施：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。(2)

12、 输入端加过流保护输入端加过流保护措施措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻RP。(3) 防止防止CMOS器件产生锁定效应器件产生锁定效应措施措施：在输入端和输出端设置钳位电路；在电源输入端加：在输入端和输出端设置钳位电路；在电源输入端加去耦电路，在去耦电路，在VDD输入端与电源之间加限流电路，防止输入端与电源之间加限流电路，防止VDD端出

13、端出现瞬态高压；在现瞬态高压；在vI输入端与电源之间加限流电阻，使得即使发输入端与电源之间加限流电阻，使得即使发生了锁定效应，也能使生了锁定效应，也能使T1、T2电源限制在一定范围内，不致于电源限制在一定范围内，不致于损坏器件。损坏器件。如果一个系统中由几个电源分别供电时，各电源开关顺序如果一个系统中由几个电源分别供电时，各电源开关顺序必须合理，启动时应先接通必须合理，启动时应先接通CMOS电路的电源，再接入信号源电路的电源，再接入信号源或负载电路；关闭时，应先切断信号源和负载电路，再切断或负载电路；关闭时，应先切断信号源和负载电路，再切断CMOS电源。电源。表3- -5- -3 各类数字集成电路主要性能参数比较表各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较22 结束语结束语