数字电路逻辑设计 第3章2 MOS管(精品).ppt

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1、 MOS型电路是另一种常用电路，型电路是另一种常用电路，MOS意为意为金属金属氧氧化物半导体化物半导体（Metal-Oxide Semiconductor）（一）、一）、MOS晶体管晶体管 晶体三极管有：晶体三极管有：E发射极发射极 B基极基极 C集电极集电极 机理是：基极电流机理是：基极电流IB 控制控制集电极电流集电极电流IC。结构有：结构有：NPN PNP MOS三极管有：三极管有：S源极源极 G栅极栅极 D漏极漏极 机理是：机理是：栅极电压栅极电压VGS控制控制漏极电流漏极电流ID 结构有：结构有：N沟道沟道 P沟道沟道 GDS MOS管除分管除分N沟道、沟道、P沟道外，还分增强型和耗

2、尽型。沟道外，还分增强型和耗尽型。增强型栅压增强型栅压VGS为为0无沟道，耗尽型栅压无沟道，耗尽型栅压VGS为为0有沟道。有沟道。1、MOS管的基本结构管的基本结构 以以N沟道增强型为例沟道增强型为例 源、漏极结构对称，可以互换使用源、漏极结构对称，可以互换使用 P衬衬 P型衬底，型衬底，N型沟道型沟道 DGS 2、N沟道增强型沟道增强型MOS管的工作特点：管的工作特点：n DGS 栅极电压栅极电压VGS小于开启电压小于开启电压VGS（th）时，时，无无沟道沟道形成，漏极电流形成，漏极电流ID为为0。VDS爱多大多爱多大多大！（大！（截止区）截止区）栅极电压栅极电压VGS大于等于开启电压大于等

3、于开启电压VGS（th）时，沟道形成，有时，沟道形成，有ID形形成，分成，分两种情况两种情况：a、VDS较大较大，大于，大于 VGS VGS（th），ID随随VGS的增加而增加的增加而增加。但很快但很快VDS 已使已使 ID 饱和，没什么影响了。饱和，没什么影响了。（饱和区）（饱和区）b、VDS较小较小，小于，小于VGS VGS（th），），ID随随VGS的增加也增加，但与的增加也增加，但与VDS的的大小密切相关。大小密切相关。或者也可以这样或者也可以这样说：对某一说：对某一VGS，ID随随VDS线性增加线性增加，且且VGS越大，斜率越大，等效电阻越大，斜率越大，等效电阻越小。越小。（非饱和区

4、（非饱和区 or 可调电阻区）可调电阻区）3、转移特性和跨导、转移特性和跨导gm VGS 和和 IDS的关系的关系通常用跨导表示：通常用跨导表示：I DS gm=VGS VDS=常数常数它代表它代表VGS对对 IDS的的控制能力。控制能力。gm与沟道宽与沟道宽度和长度有关。度和长度有关。沟道宽沟道宽度越宽、长度越短，度越宽、长度越短，g m越大，控制能力越强。越大，控制能力越强。4、MOS 管的输入电阻和输入电容管的输入电阻和输入电容 MOS管的管的输入阻抗输入阻抗指栅极到源极（或漏极）的电阻，指栅极到源极（或漏极）的电阻，由于有由于有SiO2绝缘层的阻隔，电阻绝缘层的阻隔，电阻极大极大，通常

5、在，通常在1012欧姆以欧姆以上。作为静态负载对前级几乎没有什么影响。上。作为静态负载对前级几乎没有什么影响。MOS管的栅极、源极之间有很小的寄生电容，称为管的栅极、源极之间有很小的寄生电容，称为输入电容输入电容，虽然很小（几，虽然很小（几P或更小），但由于输入阻抗或更小），但由于输入阻抗极高，漏电流很小，所以极高，漏电流很小，所以可用来暂时存储信息可用来暂时存储信息（如动态（如动态RAM）。）。5、直流导通电阻、直流导通电阻RON 直流导通电阻是指直流导通电阻是指MOS管导通时，漏源电压和漏源管导通时，漏源电压和漏源电流的比值：电流的比值：RON=VDS/IDS（二）、（二）、MOS 反相器

6、反相器 MOS反相器有四种形式，我们只讲反相器有四种形式，我们只讲E/E型、型、CMOS反相器。反相器。E/E MOS 反相器有两个增强型反相器有两个增强型MOS 管组成，一个作为输入管组成，一个作为输入管，一个作为负载管，两个管子的特性（如跨导）完全不同。管，一个作为负载管，两个管子的特性（如跨导）完全不同。由由N沟道管构成的反相器叫沟道管构成的反相器叫NMOS反相器。反相器。见图：见图：VVVTo2Ti1DD当输入当输入A=0VA=0V时时：T1截止，T2导通。T1只有 n A 级漏电流。工作在负载 线A点。AB输出电压:F=VDD-Vth2=5 2=3 V设：Vth2=2 VVGS1 V

7、th1T1导通:工作在负载 线B点。输出电压:由此可知：rd2 rd1 就能很好实现倒相器逻辑功能。Vth11.5V负载管特性负载管特性FA+VDDT2T1 与非门与非门T3:负载管T1，T2 两个串连驱动管 当A,B中有一个低电平时，相应的驱动管截止，输出F为高电平。当A,B全为高电平时，T1，T2均导通，输出 F 为低电平。ABT1T2F00止止止止101止止导导110导导止止111导导导导0电路组成：电路组成：工作原理：工作原理：FAT2T1T3BT T3 3:负载管负载管T T1 1、T T2 2 两个并连驱作动管两个并连驱作动管 当A，B中只要有一个高电平时，T1，T2总有一个导通，

8、输出F为低电平。只有A,B全为低电平，T1,T2均截止，输出 F 才是高电平。输出和输入的逻辑关系是：ABT1T2F00止止止止101止止导导010导导止止011导导导导0同理：是与或非门电路组成：电路组成：工作原理：工作原理：FT2T1T3AB-VDDFT5T1AT3C-VDDT2BT4DE/E MOS 反相器的特点：反相器的特点：n单一电源，结构简单。单一电源，结构简单。n负载管负载管TL始终饱和，速度慢，功耗大。始终饱和，速度慢，功耗大。n高电平不为高电平不为VDD，有所损失。有所损失。n输出高低电平，取决于两管跨导之比。负载管跨导小，输出高低电平，取决于两管跨导之比。负载管跨导小，电阻

9、大，影响工作速度。电阻大，影响工作速度。NMOS,PMOSNMOS,PMOS电路存电路存在三个问题：在三个问题：负载管一直导通，当驱动管导通时，电源与地之间有静态电流，所以功耗大。要保证输出低电平，要求 rd2rd1不利于大规模集成。当驱动管截止时，由于负载管导通电阻rd2很大，对容性负载充电时间很长，使电路工作速度缓慢。CMOSCMOS集成电路由集成电路由 P P 沟道和沟道和 N N 沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 管串连管串连组成，组成，CMOSCMOS电路能有效解决上述问题。电路能有效解决上述问题。TPTNVDDVI IVO O 电路结构：电路结构：PMOS作负载管，开启电压为负

10、V t h。NMOS作输入管，开启电压为正 V t h。两个栅极两个栅极G G并联作输入端。并联作输入端。G两个漏极两个漏极D D串连作输出端。串连作输出端。DD 两个衬底都和源极S接在一起，PMOS管源极接电源VDD，NMOS管源极接地。正常工作条件：正常工作条件：电源电压大于两管开启电压绝对值之和。VDD|V t h P|+V t h NSS 工作原理工作原理假设：PMOS管 V t h P 2.5VNMOS管 V t h N =2 VVDD=5 V当当 VI=0 V 时：时：NMOS管 VGSN=0|V t h P|，TP管导通，其导通电阻R on=103 TPTNVDDVI IVO O

11、当当 VI=5 V 时：时：NMOS管VGSN=5V V t h N TN管导通，其导通电阻 R on=103。PMOS管 VGSP=5V -V DD=0 V|VGSP|V t h P|TP管截止，其导通电阻R off=1091012,F=0。以上分析：以上分析：输入是0,输出是1,实现倒相关系，PMOS 管，启为负，启为负，0 0导导1 1截止。截止。NMOS 管，启为正，启为正，0 0止止1 1导通。导通。倒相器工作过程中，两管轮流导通，导通电阻小，截止电阻大，所以静态电流只有 n A 级。低功耗是低功耗是CMOSCMOS倒相器的倒相器的重要特点。重要特点。TPTNVDDVI IVO O（

12、1 1）当）当Vi2 2V，TN截止，截止，TP导通，导通，VoVDD=10=10V。2电压传输特性：电压传输特性：CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压Vth=VDD/2/2（设（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）（2 2）当当2 2VVi5 5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作工作 在可变电阻区。在可变电阻区。（3 3）当）当Vi=5=5V，两管都工作在饱和区，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2/2）=5=5V。（4 4）当当5 5VVi8 8V，TP工作在饱和区，工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。（5 5）当）当Vi8 8V，TP截止，截止

13、，TN导通，导通，Vo=0=0V。TPTNVDDVI IVO O 电流传输特性：i o=f(v I)VI=VDD TP、TN 都饱和导通，这一瞬间有大电流通过，在其它区域总有一个导通，另一个截止。所以 i D 电流较小。、静态功耗极低，仅几十纳瓦、静态功耗极低，仅几十纳瓦 CMOS倒相器工作在1和5工作区，总有一个MOS管处于截止状态，有极小漏电流流过。只有在急剧翻转的第3区才有较大的电流，因此动态功耗会增大。CMOS倒相器在低频工作时，功耗极小，低功耗时CMOS的最大优点。、抗干扰能力较强、抗干扰能力较强 由于阈值电平近似等于 VDD，输入高、低电平的噪声容限随电源的升高而提高。所以抗干扰能

14、力增强。、电源利用率高、电源利用率高 VOH=VDD,同时 V t h 随 VDD 变化而变化。允许VDD的变化范围为3V18V。、输入阻抗高，带负载能力强、输入阻抗高，带负载能力强 扇出系数NO=50,下一级是绝缘栅几乎不取电流，所以可带50个同类门电路。CMOS门的输出端在静态时，一个导通，另一个截止。动态时，两管均导通，所以输出端不可以并联。4 4、输入特性和输出特性、输入特性和输出特性、输入特性、输入特性 CMOS电路的栅极和衬底之间是绝缘栅，其直流电阻高达1012,只要有少量电量便可感生出足可以击穿氧化层，造成永久损坏。因此，在CMOS输入端都加有保护电路。D1、D2是保护二极管，正

15、向压降是保护二极管，正向压降1V，反向，反向击穿电压击穿电压30V。D1是是P型扩散区和型扩散区和N型衬底间自然形成的分型衬底间自然形成的分布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。C1、C2是是TP、TN管栅极等效电容。管栅极等效电容。R是限流电阻，阻值是限流电阻，阻值13K。加保护电路的输入特性加保护电路的输入特性:当输入当输入 0 V0 VVDDDD+V+VD D时：时：保护二极管保护二极管D D1 1导通，输入电导通，输入电流流 i i I I 迅速增加，同时将迅速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于管栅极电压钳位于V VDDDD+V+VD

16、D。保证加在。保证加在C C2 2上的电压，不超过其耐压极限。上的电压，不超过其耐压极限。当输入当输入V VI I 109。传输门截止。输入信号不能通过。TN、TP均导通，输入和输出之间电阻 103。传输门导通。输入、输出信号接通。TP衬底接VDD，TN衬底接地。V0 0/V VI ITNTPVI I/V VO OVDD逻辑符号：逻辑符号：用途：用途：作模拟开关，传输连续变化的模拟信号。如音频，视频等信号。还可以作多路开关。TG 与非门与非门利用CMOS倒相器构成与非门。电路组成：电路组成：两两P P并，作负载，并，作负载，0 0导导1 1截止。截止。两两N N串，作驱动，串，作驱动，0 0止

17、止1 1导通。导通。工作原理：工作原理：当A,B中只要有一个0,TN总有一个截止，TP总有一个导通，输出为高电平。只要A,B都为1,TN都导通，TP都截止，输出为低电平。因此该电路具有与非逻辑功能。TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F电路组成：电路组成：两两P P串，作负载，串，作负载，0 0 导导 1 1 截止。截止。两两N N并，作驱动，并，作驱动，0 0 止止 1 1 导通。导通。工作原理：工作原理：当A,B中只要有一个1,TN总有一个导通，TP总有一个截止，输出为底电平。只要A,B全为0,TN都截止，TP都导通，输出为高电平。因此该电路具有或非逻辑功能。TPTNVDDABTPT

18、NT1T2T3T4F 用CMOS倒相器构成的与非门电路简单，但存在一些缺点。1 1、输出电阻、输出电阻 RON 随输入信号变化而变化。随输入信号变化而变化。A BT1 T2 T3 T4 RO0 0止 止 导 导RO=RON3/RON4=RON0 1导 止 止 导RO=RON4=RON1 0止 导 止 导R0=RON3=RON1 1导 导 止 止RO=RON1+RON2=2RON输入信号不同，引起输出电阻不同。相差四倍之多。输入信号不同，引起输出电阻不同。相差四倍之多。TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F 当输入端数目增加时：串联驱动管、并联的负载管随输入变量的增加而增加。串联驱动管越多

19、，导通输出低电平等于各驱动管压降之和。所以输入端数目增加使输出低电平升高，输入低电平噪声容限下降。解决上述缺点的方法：解决上述缺点的方法：采用带缓冲级的门电路带缓冲级的门电路可以克服上述缺点，在或非门的输入、输出端加具有标准参数的倒相器构成。TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F用逻辑符号表示：如果将电路改为：倒相器与非门倒相器？带缓冲级的门电路，带缓冲级的门电路，输出电阻，输出低电平不受输入信号和输入端数的影响。FTPTNVDDABTPTNT1T2T3T41111ABF11&1ABF 三态输出CMOS门是在普通倒相器的基础上增加控制端和控制电路构成。三态门有三种形式：VDDA1FTPT

20、NTPTN反相器控制电路反相器控制电路工作原理：工作原理：TP和 TN均导通，上接电源下接地，是一个反相器。TP和 TN均截止，上、下都不通。悬空，是高阻态。是低有效。控制端为0,电路正常工作，控制端为1是高阻态。特点：由增加底特点：由增加底TP和和 TNMOS 管及反相器组成。管及反相器组成。反相器控制门反相器控制门特点：增加特点：增加TP和和 或非门或非门VDDA1FTPTNTP工作原理：工作原理：TP导通，电源接通，就是一个反相器。TP 截止，电源断开，TN 也截止，上、下都不通。悬空，是高阻态。控制端为0,电路正常工作，控制端为1是高阻态。是低有效。或门输出&VDDTPTNFTNAEN

21、反相器控制门的另一种形式反相器控制门的另一种形式特点：增加特点：增加T TN N和和 与非门与非门 TN截止，与非门输出为1,TP也截止。上、下都不通。悬空，是高阻态。TN导通，与非门开放，F=A。反相器传输门反相器传输门ENEN是高有效。是高有效。TG导通TG截止，F为高阻。C是低有效。是低有效。EN=1:EN=0:AVDDTG1F后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：CMOS异或门电路异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为由两级组成，前级为或非门，输出为1 1CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1 1）基本的）基本的CMOS40004000系列。

22、系列。（2 2）高速的高速的CMOSHC系列。系列。（3 3）与）与TTL兼容的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点逻辑门电路主要参数的特点（1 1）VOH（min）=0.9=0.9VDD；VOL（max）=0.01=0.01VDD。所以所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2 2）阈值电压）阈值电压Vth约为约为VDD/2/2。（3 3）CMOS非非门门的的关关门门电电平平VOFF为为0.450.45VDD，开开门门电电平平VON为为0.550.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达因此，其

23、高、低电平噪声容限均达0.450.45VDD。（4 4）CMOS电路的功耗很小，一般小于电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；门；（5 5）因）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达5050。CMOS逻辑门电路的系列及主要参数逻辑门电路的系列及主要参数 （2 2）对对于于或或非非门门及及或或门门，多多余余输输入入端端应应接接低低电电平平，比比如如直直接接接接地地；也也可可以以与与有用的输入端并联使用。有用的输入端并联使用。多余输入端的处理多余输入端的处理 （1 1）对于与非门及与门，）对于与非门及与门，多余输入端应接多余输入端应接高电

24、平高电平。如。如直接接电源正端，在前级驱直接接电源正端，在前级驱动能力允许时，也可以与有动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。用的输入端并联使用。本章小结本章小结 1 1最最简简单单的的门门电电路路是是二二极极管管与与门门、或或门门和和三三极极管管非非门门。它它们们是是集集成成逻逻辑辑门电路的基础。门电路的基础。2 2目目前前普普遍遍使使用用的的数数字字集集成成电电路路主主要要有有两两大大类类，一一类类由由NPNNPN型型三三极极管管组组成，简称成，简称TTLTTL集成电路；另一类由集成电路；另一类由MOSFETMOSFET构成，简称构成，简称MOSMOS集成电路。集成电路。3 3TTL

25、TTL集集成成逻逻辑辑门门电电路路的的输输入入级级采采用用多多发发射射极极三三级级管管、输输出出级级采采用用达达林林顿顿结结构构，这这不不仅仅提提高高了了门门电电路路的的开开关关速速度度，也也使使电电路路有有较较强强的的驱驱动动负负载载的的能能力力。在在TTLTTL系系列列中中，除除了了有有实实现现各各种种基基本本逻逻辑辑功功能能的的门门电电路路以以外外，还有集电极开路门和三态门。还有集电极开路门和三态门。4 4MOSMOS集集成成电电路路常常用用的的是是两两种种结结构构。一一种种是是NMOSNMOS门门电电路路，另另一一类类是是CMOSCMOS门门电电路路。与与TTLTTL门门电电路路相相比比，它它的的优优点点是是功功耗耗低低，扇扇出出数数大大，噪噪声声容容限限大，开关速度与大，开关速度与TTLTTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。接近，已成为数字集成电路的发展方向。