CMOS逻辑门的电压传输特性曲线与TTL逻辑门比较

CMOS逻辑门的电压传输特性曲线与TTL逻辑门比較CMOS 逻辑门的电压传输特性曲线的外形与 TTL 逻辑门的外形相似，如图 18.36 所示，两者相比也有较大不同。CMOS 逻辑门的输出高电平的数值基本上等于电源供电电压值，也就是 说为了获得一个相同的高电平值，对于 CMOS 集成电路所需要的供电电压值要 更小一些，或称之为CMOS集成电路对电源电压的利用率高。在5V供电电压条 件下，CMOS逻辑门的高电平值要比TTL逻辑门高出大约一伏多。CMOS逻辑门的输出低电平的数值基本上等于零，一般小于0.1V, CMOS 逻辑门的低电平值要比TTL逻辑门更低，所以CMOS逻辑门的逻辑摆幅比TTL 逻辑门要大许多。一般条件下,CMOS的高电平比VDD小0.1V，低电平约为0.1V。 不同供电电压条件下,TTL和CMOS逻辑门的逻辑电平的范围如图18-4-4所示。TTL 集成电路的供电电压是 5V， CMOS 集成电路可以有更宽阔的供电 电压范围，可以从一点几伏到二十几伏。低的供电电压和微功耗，有利于便携式 电子仪器。CMOS 逻辑门的阈值电平大约等于电源电压的 50%，一般在电源电压的 45%55%之间。在5V供电电压条件下，CMOS逻辑门的阈值要比TTL逻辑门 的阈值高出大约1V,因此CMOS逻辑门的抗干扰能力要比TTL逻辑门高，特 别是在低电平这一侧。图 18-4-3 CMOS 电压传输特性曲线CMOS逻辑门的缺点是比较容易受到静电的损伤，由于场效应管的栅极源极之间 几乎是绝缘的，电阻十分大，而栅源之间的电容又较小。所以一旦受到静电的影 响，栅源之间会有较高的电压产生，这个电压很可能击穿栅极，使场效应管损坏。 不过现在制造的 MOS 集成电路都有输入保护回路，用以防止静电损伤，但仍应 注意静电的危害。以下两个问题，虽不一定是缺点，需要注意。CMOS 电路的功耗很小是指它的静态功耗很小，动态功耗不一定小。由于静 态功耗极小，所以在 MOS 管的开关过程中，会有 NMOS 管从开到关， PMOS 管从关到开，或 NMOS 管从关到开， PMOS 管从开到关的暂短同时导通的时间， 这样就形成了动态功耗oCMOS电路的动态功耗基本上随工作频率的增加而线性 增加，在静态时，CMOS电路的静态功耗在微瓦数量级，在工作频率达到1MHz 时，可能达到毫瓦数量级。TTL逻辑门和CMOS逻辑门的速度功耗曲线见图 18-4-5。103每门功耗.(mW)3 i i 1 102101.010-110-210-3ECL-510 Q TO-5.2V/TO-2YL<、ECl】t5q3STTLlsTTL、CMpS(15V)-CMpS(10V) “CMQS (fV)|cl*5pFU= 0.2V 0.1VNL(HC) DD图 18-4-4 CMOS 和 TTL 逻辑门的逻辑电平10-4102 103 104 105 106 107 108输入频率(Hz)图 18-4-5 速度功耗曲线CMOS 电路既然没有输入电流，那么它的扇出系数是否很大？答案是否定 的。因为从电流的角度，CMOS门是可以带很多很多的门，但从动态的情况看, 带的门越多，输出端的分布电容也越大，相当CL很大，时间常数加大。这就使 输出电压从低电平向高电平变化时，上升沿变慢，限制了该逻辑门的工作速度。 所以 CMOS 电路的扇出也不是十分的大，扇出主要受制于逻辑门的工作速度。 低速时，可以带较多的门，高速工作时，就带不了那么多了。CMOS 逻辑电路CMOS是单词的首字母缩写，代表互补的金属氧化物半导体(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor),它指的是一种特殊类型的电子集成电路(IC)。集成电路是一块微小的硅片， 它包含有几百万个电子元件。术语IC隐含的含义是将多个单独的集成电路集成到一个电路中，产生一个十 分紧凑的器件。在通常的术语中，集成电路通常称为芯片，而为计算机应用设计的IC称为计算机芯片。 虽然制造集成电路的方法有多种，但对于数字逻辑电路而言CMOS是主要的方法。桌面个人计算机、工作 站、视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于CMOS集成电路来完成所需的功能。当我们注意到所 有的个人计算机都使用专门的CMOS芯片，如众所周知的微处理器，来获得计算性能时，CMOS IC的重 要性就不言而喻了。CMOS之所以流行的一些原因为：逻辑函数很容易用 CMOS 电路来实现。CMOS 允许极高的逻辑集成密度。其含义就是逻辑电路可以做得非常小，可以制造在极小的面积上。用于制造硅片CMOS芯片的工艺已经是众所周知，并且CMOS芯片的制造和销售价格十分合理。 这些特征及其它特征都为CMOS成为制造IC的主要工艺提供了基础。CMOS可以作为学习在电子网络中如何实现逻辑功能的工具。CMOS它允许我们用简单的概念和模型来构 造逻辑电路。而理解这些概念只需要基本的电子学概念。CMOS逻辑门电路的系列及主要参数：1. CMOS逻辑门电路的系列CMOS集成电路诞生于20世纪60年代末，经过制造工艺的不断改进，在应用的广度上已与TTL平分秋 色，它的技术参数从总体上说，已经达到或接近TTL的水平，其中功耗、噪声容限、扇出系数等参数优于 TTL。CMOS集成电路主要有以下几个系列。(1) 基本的 CMOS4000 系列。这是早期的CMOS集成逻辑门产品，工作电源电压范围为3一18V,由于具有功耗低、噪声容限大、扇出 系数大等优点，已得到普遍使用。缺点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十ns,最高工作频率小于 5MHz。(2) 高速的 CMOS一HC (HCT)系列。该系列电路主要从制造工艺上作了改进，使其大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于10ns，最高工 作频率可达50MHz。HC系列的电源电压范围为2一6V。HCT系列的主要特点是与TTL器件电压兼容， 它的电源电压范围为4.5一5.5V。它的输入电压参数为VIH (min) =2.0V； VIL (max) =0.8V，与TTL完 全相同。另外，74HC/HCT系列与74LS系列的产品，只要最后3位数字相同，则两种器件的逻辑功能、 外形尺寸，引脚排列顺序也完全相同，这样就为以CMOS产品代替TTL产品提供了方便。(3) 先进的CMOSAC (ACT)系列该系列的工作频率得到了进一步的提高，同时保持了 CMOS超低功耗的特点。其中ACT系列与TTL器件 电压兼容，电源电压范围为4.5一5.5V。AC系列的电源电压范围为1.5一5.5V。AC (ACT)系列的逻辑功 能、引脚排列顺序等都与同型号的HC (HCT)系列完全相同。2. CMOS逻辑门电路的主要参数CMOS门电路主要参数的定义同TTL电路，下面主要说明CMOS电路主要参数的特点。(1) 输出高电平VOH与输出低电平VOL。CMOS门电路VOH的理论值为电源电压VDD, VOH (min) =0.9VDD； VOL的理论值为0V，VOL (max) =0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅(即高低电平 之差)较大，接近电源电压 VDD 值。(2) 阈值电压Vth。从CMOS非门电压传输特性曲线中看出，输出高低电平的过渡区很陡，阈值电压Vth 约为 VDD/2。(3) 抗干扰容限。CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。因此，其高、 低电平噪声容限均达0.45VDD。其他CMOS门电路的噪声容限一般也大于0.3VDD，电源电压VDD越大， 其抗干扰能力越强。(4) 传输延迟与功耗。CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门，但传输延迟较大，一般为几十ns/ 门，且与电源电压有关，电源电压越高，CMOS电路的传输延迟越小，功耗越大。前面提到74HC高速 CMOS系列的工作速度己与TTL系列相当。(5) 扇出系数。因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般额定扇出系数可达50。但必 须指出的是，扇出系数是指驱动CMOS电路的个数，若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言，CMOS 电路远远低于TTL电路。CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后，所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来 看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件。CMOS电 路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。此外，几乎所有的超大规模存储 器件，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。 早期生产的CMOS门电路为4000系列， 随后发展为4000B系列。当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。MOS管主要参数：1开启电压VT开启电压(又称阈值电压)：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；标准的N沟道MOS管，VT约为3一6V; 通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2一3V。2. 直流输入电阻 RGS 即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比这一特性有时以流过栅极的栅流表示MOS管的RGS可以很容易地超过1010Q。3. 漏源击穿电压 BVDS在 VGS=O(增强型)的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS ID 剧增的原因有下列两个方面：(1 )漏极附近耗尽层的雪崩击穿(2)漏源极间的穿通击穿有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零, 即产生漏源间的穿通，穿通后源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID4. 栅源击穿电压 BVGS在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS,称为栅源击穿电压BVGS。5. 低频跨导 gm在VDS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导 gm 反映了栅源电压对漏极电流的控制能力是表征MOS管放大能力的一个重要参数般在十分之几至几mA/V的范围内6. 导通电阻 RON导通电阻RON说明了 VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间由于在数字电路中，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点 的 RON 来近似对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内7. 极间电容三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDSCGS 和 CGD 约为 13pFCDS约在0.1一1pF之间8. 低频噪声系数 NF噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的 由于它的存在，就使个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝(dB) 这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数 场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小