CMOS门电路（电子信息）
CMOS CMOS CMOS CMOS门电路门电路门电路门电路数字电路逻辑设计数字电路逻辑设计逻辑关系：逻辑关系：（设（设VDD（VTN+|+|VTP|），且），且VTN=|=|VTP|）（1 1）当）当Vi=0=0V时，时，TN截止，截止，TP导通。输出导通。输出VOVDD。（2 2）当）当Vi=VDD时，时，TN导通，导通，TP截止，输出截止，输出VO00V。CMOS门电路 1.1 CMOS反相器的工作原理 1.电路结构CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。（1 1）当）当Vi2 2V，TN截止，截止，TP导通，输出导通，输出VoVDD=10=10V。（2 2）当）当2 2VVi5 5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作在可工作在可 变电阻区。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，TN导通，输出导通，输出Vo=0=0V。可见：可见：CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压 Vth=VDD/2/22电压传输特性：（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）3工作速度 由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。1.2 CMOS反相器的外部特性1输入特性从电路结构上看，由于CMOS反相器的两个MOS管的栅极和衬底之间均存在着一层很薄的SiO2绝缘介质（约1000），形成一种分布式电容，极易被击穿（耐压约100V），所以实际产品中都采用了保护电路，如图3.34(a)所示。图 3.34 CMOS反相器的输入保护电路及输入特性 (a)带输入保护电路的CMOS反相器 (b)输入特性2输出特性（1）低电平输出特性图 3.35 CMOS反相器输出低电平(a)输出低电平的等效电路 (b)低电平输出特性（2）高电平输出特性图 3.36 CMOS反相器输出高电平(a)输出高电平的等效电路 (b)高电平输出特性（2）或非门）或非门1.3 其他类型的CMOS门电路1 1其它逻辑功能的其它逻辑功能的CMOSCMOS门电路门电路（1）与非门）与非门（3）带缓冲级的门电路）带缓冲级的门电路 为为了了稳稳定定输输出出高高低低电电平平，可可在在输输入入输输出出端端分分别别加加反反相相器器作作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。L L=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：(4)CMOS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2漏极开路的门电路(OD门)CMOS门的输出级电路结构也可做成漏极开路的形式，如图3.39所示。其输出级是一个N沟道增强型MOS管。当输出为低电平VOL 0.5V时，它能吸收的最大负载电流达50mA，故这种电路常作为缓冲/驱动器使用。此外，若输入信号的高电平 VI H=VDD1，而输出端外接电源为VDD2，则输出高电平为VOH VDD2，这样可将输入端的0-VDD1的信号电平转换为0-VDD2的输出信号电平，即它还可以实现电平的转换。图 3.39 漏极开路的与非门 3 CMOS传输门和双向模拟开关传输门和双向模拟开关工作原理：（设两管的开启电压工作原理：（设两管的开启电压VTN=|=|VTP|）（1 1）当当C接接高高电电平平VDD时时，若若Vi在在0 0VVDD的的范范围围变变化化，至至少少有有一一管管导导通通，相当于一闭合开关相当于一闭合开关，将输入传到输出，即，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2 2）当当C接接低低电电平平0 0V时时，Vi在在0 0VVDD的的范范围围变变化化时时，TN和和TP都都截截止止，输出呈高阻状态，输出呈高阻状态，相当于开关断开相当于开关断开。传输门的一个重要用途是作模拟开关，用于传输数值连续变化的模拟信号，其电路结构及逻辑符号如图3.41所示，显然它也是一个双向器件。图 3.41 CMOS双向模拟开关的电路结构和符号假设接在CMOS双向模拟开关输出端的负载为电阻RL，如图3.42所示。双向模拟开关的导通内阻为RTG。当C=0时开关截止，输出与输入之间为高阻状态，vo=0V。当C=1时，开关接通，输出电压为 vo=图 3.42 CMOS 双向模拟开关接负载电阻当当EN=1=1时，时，TP2 2和和TN2 2同时截止，输出为同时截止，输出为高阻状态高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。所以，这是一个低电平有效的三态门。4 三态输出的CMOS门电路工作原理：当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出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。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。四、四、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1.4 CMOS 门电路应用中需注意的问题1输入电路的抗静电保护由于CMOS电路输入保护二极管和限流电阻的容量较小，它们能够承受的静电电压和脉冲功率都有一定限度。为了防止静电电压造成的损坏，可采取以下措施：（1）存储、运输CMOS器件时要用有金属屏蔽层的包装材料来包装。（2）组装、调试时应使电烙铁、工具、仪表、工作台等良好接地，操作人员的服装和手套等应采用无静电材料制作。（3）不用的输入端不应悬空。2输入电路的过流保护（1）输入电流限制在1mA以内（2）当输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接入保护电阻（3）输入端接有长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻RP 谢谢观看！谢谢观看！谢谢观看！谢谢观看！数字电路逻辑设计数字电路逻辑设计
