CMOS门电路工作原理介绍.ppt

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1、第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路第三节第三节 CMOS门电路门电路v CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理v CMOS反相器的静态输入、输出特性反相器的静态输入、输出特性v CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性v 其他类型的其他类型的CMOS门电路门电路v MOS管的开关特性管的开关特性vCMOS电路的正确使用电路的正确使用下页下页 总目录总目录推出推出1第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页一、MOS管的开关特性 1.MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理S SGGD DB BP P型衬底型衬底型衬底型衬底(B B)N N+N N+S S

2、GGD D+-+-iD当当vDS 0，但但 vGS=0 时，时，D-S间不导通，间不导通，iD=0。当当vDS 0，且且vGS vGS(th)(MOS管的管的开启电压开启电压）时，）时，栅极下面的衬底表面形成一个栅极下面的衬底表面形成一个N型反型层。这个型反型层。这个反型层构成了反型层构成了D-S间的导电沟道，有间的导电沟道，有 iD流通。流通。2第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页2.MOS2.MOS管的输入特性和输出特性管的输入特性和输出特性管的输入特性和输出特性管的输入特性和输出特性+-+-v vGSGSv vDSDSi iD D共源接法共源接法v vGS

3、GS=U UT Ti iD D/mAmAv vDSDS/V VO O输出特性曲线输出特性曲线共源接法下的输出特性曲线又称为共源接法下的输出特性曲线又称为共源接法下的输出特性曲线又称为共源接法下的输出特性曲线又称为MOSMOS管的管的管的管的漏极特漏极特漏极特漏极特性曲线性曲线性曲线性曲线。表示表示表示表示i iD D与与与与v vGSGS关系的曲线称为关系的曲线称为关系的曲线称为关系的曲线称为MOSMOS管的管的管的管的转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线转移特性曲线。v vGSGS/V Vi iD D/mAmAO O转移特性曲线转移特性曲线3第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下

4、页返回返回上页上页可变可变可变可变电阻区电阻区电阻区电阻区恒流区恒流区恒流区恒流区v vGSGS=U UT Ti iD D/mAmAv vDSDS/V VO O输出特性曲线输出特性曲线截止区截止区截止区截止区截止区截止区漏极和源极之间漏极和源极之间没有导电沟道，没有导电沟道，iD0。漏极特性曲线分为三漏极特性曲线分为三个工作区。个工作区。可变电阻区可变电阻区当当vGS一定时，一定时，iD与与vDS之比之比近似等于一个常数，具有类近似等于一个常数，具有类似于线性电阻的性质。似于线性电阻的性质。恒流区恒流区iD的大小基本上由的大小基本上由vGS决定，决定，vDS的变化对的变化对iD的影响很小。的影

5、响很小。4第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页3.MOS3.MOS管的基本开关电路管的基本开关电路管的基本开关电路管的基本开关电路若参数选择合理若参数选择合理若参数选择合理若参数选择合理输入低电平时输入低电平时输入低电平时输入低电平时MOSMOS管截止，输出高电平。管截止，输出高电平。管截止，输出高电平。管截止，输出高电平。输入高电平时输入高电平时输入高电平时输入高电平时MOSMOS管导通，输出低电平。管导通，输出低电平。管导通，输出低电平。管导通，输出低电平。+-+-v vI Iv vOOi iD DV VDDDDR RD D当当v vI I=v vGSGS

6、v vGS(th)GS(th)并继续升高，并继续升高，V VOLOL 0 0，D-S间相当于一个闭合的开关。间相当于一个闭合的开关。5第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路返回返回CIGDS截止状态截止状态截止状态截止状态4.MOS4.MOS管的开关等效电路管的开关等效电路管的开关等效电路管的开关等效电路C CI I代表栅极的输入电容，代表栅极的输入电容，代表栅极的输入电容，代表栅极的输入电容，C CI I的数值约为几皮法。的数值约为几皮法。的数值约为几皮法。的数值约为几皮法。R RONON为为为为MOSMOS管导通状态下的内阻，约在管导通状态下的内阻，约在管导通状态下的内阻，约在管导通

7、状态下的内阻，约在1k1k以内。以内。以内。以内。下页下页上页上页CIGDSRON导通状态导通状态导通状态导通状态6第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路返回返回二、CMOSCMOS反相器的电路结构和工作原理CMOS反相器的电路图反相器的电路图当当vI=VIL=0时，时，T1导通，导通，T2截截止，输出为高电平止，输出为高电平VOH VDD。当当vI=VIH=VDD 时，时，T2导通，导通，T1截止，输出为低电平截止，输出为低电平VOL 0。输入与输出之间为逻辑非的关系。输入与输出之间为逻辑非的关系。CMOS反相器的静态功耗极小反相器的静态功耗极小1.1.电路结构电路结构电路结构电路结构

8、下页下页上页上页7第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路T T2 2的开的开的开的开启电压启电压启电压启电压T T1 1的开的开的开的开启电压启电压启电压启电压阈值电阈值电阈值电阈值电压压压压V VTHTHABAB段：段：段：段：T T1 1导通，导通，导通，导通，T T2 2截止，截止，截止，截止，V VOO=V VOHOH V VDDDD。CDCD段：段：段：段：T T2 2导通，导通，导通，导通，T T1 1截止，截止，截止，截止，V VOO=V VOLOL 0 0。BCBC段：段：段：段：T T1 1 、T T2 2同时导通，同时导通，同时导通，同时导通，为转折区。为转折区。为转

9、折区。为转折区。2.电压传输特性电压传输特性下页下页返回返回上页上页VDDVDDOvIvOVGH(th)NVGH(th)PA BCDCMOSCMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性8第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页3.3.电流传输特性电流传输特性电流传输特性电流传输特性ABAB段：段：段：段：T T2 2截止截止截止截止漏极电流几乎为漏极电流几乎为漏极电流几乎为漏极电流几乎为0 0CDCD段：段：段：段：T T1 1截止截止截止截止漏极电流几乎为漏极电流几乎为漏极电流几乎为漏极电流几乎为0 0BCBC段：段：段：段：阈值电压附近阈值电压附近阈值电压附

10、近阈值电压附近电流很大电流很大电流很大电流很大CMOSCMOS电路不应长时间工作在电路不应长时间工作在电路不应长时间工作在电路不应长时间工作在BCBC段。段。段。段。CBADO9第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路0IvOV VDDDD=10V=10VV VDDDD=15V=15V适当提高适当提高适当提高适当提高V VDDDD，可提高，可提高，可提高，可提高CMOSCMOS反相器的输入噪声容限。反相器的输入噪声容限。反相器的输入噪声容限。反相器的输入噪声容限。4.4.输入噪声容限输入噪声容限下页下页返回返回上页上页10第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页

11、三三、CMOSCMOS反相器的静态输入、输出特性1.1.输入特性输入特性输入特性输入特性因为因为MOS管的栅极和衬底之间存在输入电容，管的栅极和衬底之间存在输入电容，绝缘介质又非常薄，极易被击穿，绝缘介质又非常薄，极易被击穿，所以必须采取保护措施。所以必须采取保护措施。CC400系列的输入保护电路系列的输入保护电路C1RSC2输入保护电路输入保护电路C1RSC274HC系列的输入保护电路系列的输入保护电路输入保护电路输入保护电路11第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页74HC系列的系列的输入特性输入特性输入特性输入特性i iI I -0.7V -0.7VOV V

12、DDDD+0.7V+0.7Vv vI I输入特性曲线输入特性曲线输入特性曲线输入特性曲线CC400系列的系列的输入特性输入特性输入特性输入特性i iI I -0.7V -0.7VOV VDDDD+0.7V+0.7Vv vI I12第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页2.2.输出特性输出特性低电平输出特性低电平输出特性当输出为低电平时，工作状态如下图所示。当输出为低电平时，工作状态如下图所示。VDD=5V 10V15VIOLVOLOCMOSCMOS反相器的低电平输出特性反相器的低电平输出特性13第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页高

13、电平输出特性高电平输出特性当输出为高电平时，工作状态如下图所示。当输出为高电平时，工作状态如下图所示。VDD=5V15VIOHVOHOCMOSCMOS反相器的高电平输出特性反相器的高电平输出特性10VVDD14第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页四、其他类型的CMOSCMOS门电路在在CMOSCMOS门电路的系列产品中，门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有：除反相器外常用的还有：与非门、或非门、与门、与非门、或非门、与门、或门、与或非门、异或门等几种。或门、与或非门、异或门等几种。1.1.其他逻辑功能的其他逻辑功能的其他逻辑功能的其他逻辑功能的CMOSCMO

14、S门电路门电路门电路门电路15第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路当当A，B两个输入端全为两个输入端全为“1”时，时，T1和和T2都导通，都导通，T3和和T4都截止，都截止，输出端为输出端为“0”。当输入端有一个或全为当输入端有一个或全为“0”时，时，T1或或T2（或都）截止，（或都）截止，T3或或T4（或（或都）导通都）导通，输出端输出端Y为为“1”。（1）CMOS与非门电路与非门电路 下页下页返回返回上页上页CMOS与非门与非门ABT3T4T2T1YVDD缺点：缺点：1.输入端的工作状态不同时影响电压传输特性。输入端的工作状态不同时影响电压传输特性。2.输出的高、低电平受输入端数目

15、的影响。输出的高、低电平受输入端数目的影响。3.它的输出电阻受输入状态的影响。它的输出电阻受输入状态的影响。16第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路当当A，B两个输入端全为两个输入端全为“1”或或 其中一个为其中一个为“1”时，时，输出端为输出端为“0”。只有当输入端只有当输入端全为全为“0”时，时，输出端才为输出端才为“1”。（2）CMOS“或非或非”门电门电路路 下页下页返回返回上页上页BAVDDT3T4T2T1YCMOS或非门或非门存在和与非门类似的问题。存在和与非门类似的问题。17第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页2.2.带缓冲级的带缓冲级的带

16、缓冲级的带缓冲级的CMOSCMOS门电路门电路门电路门电路电路构成：电路构成：电路构成：电路构成：在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器，在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器，在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器，在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器，加进的这些反相器具有标准参数，所以称为缓冲器。加进的这些反相器具有标准参数，所以称为缓冲器。加进的这些反相器具有标准参数，所以称为缓冲器。加进的这些反相器具有标准参数，所以称为缓冲器。优点：优点：优点：优点：这些带缓冲级的门电路，其输出电阻和输出的高、这些带缓冲级的门电路，其输出电阻和输出的高、这些带缓冲级的门电路，

17、其输出电阻和输出的高、这些带缓冲级的门电路，其输出电阻和输出的高、低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响，低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响，低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响，低电平以及电压传输特性将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。电压传输特性的转折区也变得更陡。电压传输特性的转折区也变得更陡。电压传输特性的转折区也变得更陡。18第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页3.3.漏极开路的门电路（漏极开路的门电路（漏极开路的门电路（漏极开路的门电路（ODOD门）门）门）门）用途：用途：输出缓冲输出缓冲/驱动器；输出电平

18、的变换；驱动器；输出电平的变换；满足大功率负载电流的需要；实现线与逻辑。满足大功率负载电流的需要；实现线与逻辑。RLVDD2CC40107VDD1ABVSSABY19第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页ABYABRLVDDY2Y1G1G2线与逻辑符号线与逻辑符号线与连接方法线与连接方法RLVDDG1ABY2G2CDY1Y20第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页4.CMOS4.CMOS传输门和双向模拟开关传输门和双向模拟开关传输门和双向模拟开关传输门和双向模拟开关TG时，传输门导通。时，传输门导通。时，传输门截止。时，传输门截止。2

19、1第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页利用利用利用利用 CMOS CMOS传输门和传输门和传输门和传输门和CMOSCMOS反相器可以组合成各种反相器可以组合成各种反相器可以组合成各种反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，复杂的逻辑电路，复杂的逻辑电路，复杂的逻辑电路，如如如如异或门异或门异或门异或门、数据选择器数据选择器数据选择器数据选择器、寄存器寄存器寄存器寄存器、计数器计数器计数器计数器等。等。等。等。TG1TG2用反相器和传输门构成异或门电路用反相器和传输门构成异或门电路用反相器和传输门构成异或门电路用反相器和传输门构成异或门电路22第三节第三节 CMOS

20、CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页传输门的另一个用途是作模拟开关，用来传输连续传输门的另一个用途是作模拟开关，用来传输连续传输门的另一个用途是作模拟开关，用来传输连续传输门的另一个用途是作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。变化的模拟电压信号。变化的模拟电压信号。变化的模拟电压信号。TGSWSWC=0时开关截止。时开关截止。C=1时开关接通。时开关接通。模拟开关的导通内阻为模拟开关的导通内阻为RTG。23第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回5.5.三态输出的三态输出的三态输出的三态输出的 CMOS CMOS门电路门电路门电路门电路时，输出呈现高阻态。时，

21、输出呈现高阻态。时，反相器正常工作。时，反相器正常工作。上页上页三态输出的三态输出的三态输出的三态输出的 CMOS CMOS反相器反相器反相器反相器动画动画24第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回上页上页用三态输出反相器接成用三态输出反相器接成用三态输出反相器接成用三态输出反相器接成总线结构总线结构总线结构总线结构总总线线总总线线用三态输出反相器实现用三态输出反相器实现用三态输出反相器实现用三态输出反相器实现数据双向传输数据双向传输数据双向传输数据双向传输25第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回五、CMOS电路的正确使用1.1.输入电路的静电防护

22、输入电路的静电防护输入电路的静电防护输入电路的静电防护为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：1）在存储和运输）在存储和运输CMOS器件时，器件时，不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。最好采用金属屏蔽层作包装材料。2）组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、）组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接地。工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。上页上页3 3）不用的输入

23、端不应悬空。）不用的输入端不应悬空。26第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路下页下页返回返回2.2.输入电路的过流保护输入电路的过流保护输入电路的过流保护输入电路的过流保护由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限，由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限，所以在可能出现较大输入电流的场合，所以在可能出现较大输入电流的场合，必须采取以下保护措施：必须采取以下保护措施：1）输入端接低内阻信号源时，输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻，应在输入端与信号源之间串进保护电阻，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。2）

24、输入端接有大电容时，输入端接有大电容时，应在输入端和电容之间接入保护电阻。应在输入端和电容之间接入保护电阻。上页上页3 3）输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。27第三节第三节 CMOS CMOS门电路门电路返回返回3.CMOS电路锁定效应的防护电路锁定效应的防护锁定效应或称为可控硅效应，锁定效应或称为可控硅效应，是是CMOS电路中的一个特有问题。电路中的一个特有问题。发生锁定效应以后往往会造成器件的永久失效，发生锁定效应以后往往会造成器件的永久失效，为防止发生锁定效应，可以采取以下防护措施：为防止发生锁定效应，可以采取以下防护措施：1）在输入端和输出端设置钳位电路。）在输入端和输出端设置钳位电路。2）在）在VDD可能出现瞬时高电压时可能出现瞬时高电压时,在在CMOS电路的电源输入端加去耦电路。电路的电源输入端加去耦电路。3）当系统由几个电源分别供电时，）当系统由几个电源分别供电时，各电源的开关顺序必须合理。各电源的开关顺序必须合理。下页下页上页上页28