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1、数字电路逻辑设计管第1页，本讲稿共35页 MOS管除分管除分N沟道、沟道、P沟道外，还分增强型和耗尽型。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第2页，本讲稿共35页 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，无沟道无沟道形形成，漏极电
2、流成，漏极电流ID为为0。VDS爱多大多大！（爱多大多大！（截止截止区）区）栅极电压栅极电压VGS大于等于开启电压大于等于开启电压VGS（th）时，沟道形成，有时，沟道形成，有ID形成，分形成，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的大小密的大小密切相关。切相关。或者也可以这样说：对某一或者也可以这样说：对某
3、一VGS，ID随随VDS线性增加线性增加，且，且VGS越大，越大，斜率越大，等效电阻越小。斜率越大，等效电阻越小。（非饱和区（非饱和区 or 可调电阻区）可调电阻区）第3页，本讲稿共35页 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。第4页，本讲稿共35页4、MOS 管的输入电阻和输入电容管的输入电阻和
4、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
5、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第5页，本讲稿共35页（二）、（二）、MOS 反相器反相器 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，一个作为管组成，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。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：VVVTo2T
6、i1DD1 1、E/EMOSE/EMOS管反相器结构：管反相器结构：第6页，本讲稿共35页当输入当输入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 Vth1T1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。Vth11.5V2 2、E/EMOSE/EMOS管反相器工作原理：管反相器工作原理：负载管特性负载管特性FA+VDDT2T1第7页，本讲稿共35页 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，
7、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101止导110导止111导导0电路组成：电路组成：工作原理：工作原理：3.NMOS3.NMOS逻辑门逻辑门N:0N:0止止1 1导通导通FAT2T1T3B第8页，本讲稿共35页T 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，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101止导010导止011导导0同理：是
8、与或非门电路组成：电路组成：工作原理：工作原理：FT2T1T3AB-VDDFT5T1AT3C-VDDT2BT4D第9页，本讲稿共35页E/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，电阻大，影响工作速度。电阻大，影响工作速度。第10页，本讲稿共35页NMOS,PMOSNMOS,PMOS电路存在电路存在三个问题：三个问题：负载管一直导通，当驱
9、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 管串连组成，管串连组成，CMOSCMOS电路能有效解决上述问题。电路能有效解决上述问题。二、二、CMOSCMOS逻辑电路。逻辑电路。第11页，本讲稿共35页TPTNVDDVI IVO O 电路结构：电路结构：PMOS作负载管，开启电压为负V t h。NMOS作输入管，开启电压为正 V t h。两个栅极
10、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 N1 1、CMOSCMOS倒相器倒相器SS第12页，本讲稿共35页 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 CMOSCMOS倒相器倒相器TPT
11、NVDDVI IVO O第13页，本讲稿共35页当当 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倒相器的重要特点。倒
12、相器的重要特点。CMOSCMOS倒相器倒相器TPTNVDDVI IVO O第14页，本讲稿共35页（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
13、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，导通，Vo=0=0V。TPTNVDDVI IVO O第15页，本讲稿共35页 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。3 3、电流传输特性、电流传输特性第16页，本讲稿共35页、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。
14、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。所以抗干扰能力增强。CMOSCMOSCMOSCMOS倒相器特点：倒相器特点：倒相器特点：倒相器特点：第17页，本讲稿共35页、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
15、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。第18页，本讲稿共35页 D1、D2是保护二极管，正向压降是保护二极管，正向压降1V，反向击穿，反向击穿电压电压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布二极管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。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
16、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 V 0 VVDDDD+V+VD D时：时：保护二极管保护二极管D D1 1导通，输入电流导通，输入电流 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 D。保证加。保证加在在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。2 2、CMOSCMOS传输门（双向开关，模拟开关
17、）传输门（双向开关，模拟开关）N:0N:0止止1 1导通导通P:0P:0导导1 1截止截止TP衬底接VDD，TN衬底接地。V0 0/V VI ITNTPVI I/V VO OVDD第22页，本讲稿共35页逻辑符号：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。CMOSCMOS传输门（双向开关，模拟开关）传输门（双向开关，模拟开关）TG第23页，本讲稿共35页 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止止1 1导通。导通。工
18、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。3 3、静态、静态CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F第24页，本讲稿共35页电路组成：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
19、平。因此该电路具有或非逻辑功能。TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F第25页，本讲稿共35页 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。N:0 N:0 止止 1 1 导通。导通。P:0
20、 P:0 导导 1 1 截止。截止。TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F第26页，本讲稿共35页 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，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。2 2 2 2、输出低电平受输入端数多少的影响、输出低电平受输入端数多少的影响、输出低电平受输入端数多少的影响、输出低电平受输入端数多少的影响TPTNVDDABTPTNT
21、1T2T3T4F第27页，本讲稿共35页用逻辑符号表示：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第28页，本讲稿共35页 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：VDDA1FTPTNTPTN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
22、增加底特点：由增加底TP和和 TNMOS 管及管及反相器组成。反相器组成。P:0 P:0 导导 1 1 截止。截止。N:0 N:0 止止 1 1 导通。导通。三态输出三态输出CMOSCMOS门门第29页，本讲稿共35页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。P:0 P:0 导导 1 1 截止。截止。N:0 N:0 止止 1 1 导通。导通。或门输出三态输出三态输出CMO
23、SCMOS门门第30页，本讲稿共35页&VDDTPTNFTNAEN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。N:0 N:0 止止 1 1 导通。导通。P:0 P:0 导导 1 1 截止。截止。EN=1:EN=0:AVDDTG1F第31页，本讲稿共35页后级为与或非门，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
24、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，输出为第32页，本讲稿共35页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
25、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。因因此此，其其高、低电平噪声容限均达高、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第33页，本讲稿共35页 （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
26、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有用用的的输输入入端端并联使用。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，多）对于与非门及与门，多余输入端应接余输入端应接高电平高电平。如直接。如直接接电源正端，在前级驱动能力接电源正端，在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入允许时，也可以与有用的输入端并联使用。端并联使用。第34页，本讲稿共35页 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门电电路路的的基基础。础。2 2目目前前普普遍遍使使用用的
27、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成，简简称称TTLTTL集集成成电路；另一类由电路；另一类由MOSFETMOSFET构成，简称构成，简称MOSMOS集成电路。集成电路。3 3TTLTTL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，还还有有集集电电极极开开路门和三态门。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大，开开关关速速度度与与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。第35页，本讲稿共35页