CMOS门电路工作原理介绍.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第三节 CMOS门电路,第三节 CMOS门电路,CMOS,反相器的工作原理,CMOS,反相器的静态输入、输出特性,CMOS,反相器的动态特性,其他类型的,CMOS,门电路,MOS,管的开关特性,CMOS,电路的正确使用,下页,总目录,推出,1,下页,返回,上页,一、MOS管的开关特性,1.MOS管的结构和工作原理,S,G,D,B,P型衬底(,B,),N,+,N,+,S,G,D,+,-,+,-,i,D,当,v,DS,0,，,但,v,GS,=0,时，,D-S,间不导通，,i,D,=0,当,v,DS,0,，,且,v,GS,v,GS(th),(MOS管的,开启电压,）时，栅极下面的衬底表面形成一个N型反型层这个反型层构成了,D-S,间的导电沟道，有,i,D,流通2,下页,返回,上页,2.MOS管的输入特性和输出特性,+,-,+,-,v,GS,v,DS,i,D,共源接法,v,GS,=,U,T,i,D,/,mA,v,DS,/,V,O,输出特性曲线,共源接法下的输出特性曲线又称为MOS管的,漏极特性曲线,表示,i,D,与,v,GS,关系的曲线称为MOS管的,转移特性曲线,。

v,GS,/,V,i,D,/,mA,O,转移特性曲线,3,下页,返回,上页,可变,电阻区,恒流区,v,GS,=,U,T,i,D,/,mA,v,DS,/,V,O,输出特性曲线,截止区,截止区,漏极和源极之间没有导电沟道，,i,D,0漏极特性曲线分为三个工作区可变电阻区,当,v,GS,一定时，,i,D,与,v,DS,之比近似等于一个常数，具有类似于线性电阻的性质恒流区,i,D,的大小基本上由,v,GS,决定，,v,DS,的变化对,i,D,的影响很小4,下页,返回,上页,3.MOS管的基本开关电路,若参数选择合理,输入低电平时MOS管截止，输出高电平输入高电平时MOS管导通，输出低电平v,I,v,O,i,D,V,DD,R,D,当,v,I,=,v,GS,v,GS(th),并继续升高，,V,OL,0,，,D-S间相当于一个闭合的开关5,返回,C,I,G,D,S,截止状态,4.MOS管的开关等效电路,C,I,代表栅极的输入电容，,C,I,的数值约为几皮法R,ON,为MOS管导通状态下的内阻，约在1k,以内下页,上页,C,I,G,D,S,R,ON,导通状态,6,返回,二、,CMOS,反相器的电路结构和工作原理,CMOS反相器的电路图,当,v,I,=,V,IL,=0,时，T,1,导通，T,2,截止，输出为高电平,V,OH,V,DD,。

当,v,I,=,V,IH,=,V,DD,时，T,2,导通，T,1,截止，输出为低电平,V,OL,0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,1.电路结构,下页,上页,7,T,2,的开启电压,T,1,的开启电压,阈值电压,V,TH,AB,段：,T,1,导通，T,2,截止，,V,O,=,V,OH,V,DD,CD,段：,T,2,导通，T,1,截止，,V,O,=,V,OL,0BC,段：,T,1,、T,2,同时导通，,为转折区2.电压传输特性,下页,返回,上页,V,DD,V,DD,O,v,I,v,O,V,GH(th)N,V,GH(th)P,A,B,C,D,CMOS反相器的电压传输特性,8,下页,返回,上页,3.电流传输特性,AB,段：T,2,截止,漏极电流几乎为0,CD,段：T,1,截止,漏极电流几乎为0,BC,段：,阈值电压附近,电流很大,CMOS电路不应长时间工作在,BC,段C,B,A,D,O,9,0,I,v,O,V,DD,=10V,V,DD,=15V,适当提高,V,DD,，可提高CMOS反相器的输入噪声容限4.输入噪声容限,下页,返回,上页,10,下页,返回,上页,三,、,CMOS,反相器的静态输入、输出特性,1.输入特性,因为MOS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，,所以必须采取保护措施。

CC400系列的输入保护电路,C,1,R,S,C,2,输入保护电路,C,1,R,S,C,2,74HC系列的输入保护电路,输入保护电路,11,下页,返回,上页,74HC系列的,输入特性,i,I,-0.7V,O,V,DD,+0.7V,v,I,输入特性曲线,CC400系列的,输入特性,i,I,-0.7V,O,V,DD,+0.7V,v,I,12,下页,返回,上页,2.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V,DD,=5V 10V,15V,I,OL,V,OL,O,CMOS反相器的低电平输出特性,13,下页,返回,上页,高电平输出特性,当输出为高电平时，工作状态如下图所示V,DD,=5V,15V,I,OH,V,OH,O,CMOS反相器的高电平输出特性,10V,V,DD,14,下页,返回,上页,四、其他类型的,CMOS,门电路,在,CMOS,门电路的系列产品中，,除反相器外常用的还有：,与非门、或非门、与门、,或门、与或非门、异或门等几种1.其他逻辑功能的CMOS门电路,15,当,A,，,B,两个输入端全为“1”时，,T,1,和T,2,都导通，T,3,和T,4,都截止，,输出端为“,0,”。

当输入端有一个或全为“0”时，,T,1,或T,2,（或都）截止，T,3,或T,4,（或都）导通，,输出端,Y,为“1”1）CMOS,与非门电路,下页,返回,上页,CMOS与非门,A,B,T,3,T,4,T,2,T,1,Y,V,DD,缺点：,1.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的影响3.它的输出电阻受输入状态的影响16,当,A,，,B,两个输入端全为“1”,或 其中一个为“1”时，,输出端为“0”只有当输入端,全为“,0,”时，,输出端才为“,1,”2）CMOS,“或非”门电路,下页,返回,上页,B,A,V,DD,T,3,T,4,T,2,T,1,Y,CMOS或非门,存在和与非门类似的问题17,下页,返回,上页,2.带缓冲级的CMOS门电路,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，,加进的这些反相器具有标准参数，所以称为缓冲器优点：,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，,电压传输特性的转折区也变得更陡18,下页,返回,上页,3.漏极开路的门电路（OD门）,用途：,输出缓冲/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。

R,L,V,DD2,CC,40107,V,DD1,A,B,V,SS,A,B,Y,19,下页,返回,上页,A,B,Y,A,B,R,L,V,DD,Y,2,Y,1,G,1,G,2,线与逻辑符号,线与连接方法,R,L,V,DD,G,1,A,B,Y,2,G,2,C,D,Y,1,Y,20,下页,返回,上页,4.CMOS传输门和双向模拟开关,TG,时，传输门导通时，传输门截止21,下页,返回,上页,利用 CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如,异或门,、,数据选择器,、,寄存器,、,计数器,等TG,1,TG,2,用反相器和传输门构成异或门电路,22,下页,返回,上页,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TG,SW,SW,C,=0时开关截止C,=1时开关接通模拟开关的导通内阻为,R,TG,23,下页,返回,5.三态输出的 CMOS门电路,时，输出呈现高阻态时，反相器正常工作上页,三态输出的 CMOS反相器,动画,24,下页,返回,上页,用三态输出反相器接成总线结构,总,线,总,线,用三态输出反相器实现数据双向传输,25,下页,返回,五、,CMOS,电路的正确使用,1.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：,1）在存储和运输CMOS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，,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、,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上页,3）不用的输入端不应悬空26,下页,返回,2.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，,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：,1）,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，,保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA2）,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上页,3）,输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻27,返回,3.CMOS电路锁定效应的防护,锁定效应或称为可控硅效应，,是,CMOS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，,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2）在,V,DD,可能出现瞬时高电压时,在CMOS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，,各电源的开关顺序必须合理下页,上页,28,。