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1、 2、N沟道增强型MOS管的工作特点：DGS 栅极电压VGS小于开启电压VGS（th）时，无沟道形成，漏极电流ID为0。VDS爱多大多大！（截止区）栅极电压VGS大于等于开启电压VGS（th）时，沟道形成，有ID形成，分两种情况：a、VDS较大，大于 VGS VGS（th），ID随VGS的增加而增加。但很快VDS 已使 ID 饱和，没什么影响了。（饱和区）b、VDS较小，小于VGS VGS（th），ID随VGS的增加也增加，但与VDS的大小密切相关。或者也可以这样说：对某一VGS，ID随VDS线性增加，且VGS越大，斜率越大，等效电阻越小。（非饱和区 or 可调电阻区）第1页/共34页 3、转
2、移特性和跨导gm VGS 和 IDS的关系通常用跨导表示：I DS gm=VGS VDS=常数它代表VGS对 IDS的控制能力。gm与沟道宽度和长度有关。沟道宽度越宽、长度越短，g m越大，控制能力越强。第2页/共34页4、MOS 管的输入电阻和输入电容 MOS管的输入阻抗指栅极到源极（或漏极）的电阻，由于有SiO2绝缘层的阻隔，电阻极大，通常在1012欧姆以上。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，称为输入电容，虽然很小（几P或更小），但由于输入阻抗极高，漏电流很小，所以可用来暂时存储信息（如动态RAM）。5、直流导通电阻RON 直流导通电阻是指MOS
3、管导通时，漏源电压和漏源电流的比值：RON=VDS/IDS第3页/共34页（二）、MOS 反相器 MOS反相器有四种形式，我们只讲E/E型、CMOS反相器。E/E MOS 反相器有两个增强型MOS 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。由N沟道管构成的反相器叫NMOS反相器。见图：VVVTo2Ti1DD第4页/共34页当输入A=0V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
4、很好实现倒相器逻辑功能。Vth11.5V负载管特性FA+VDDT2T1第5页/共34页 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：工作原理：FAT2T1T3B第6页/共34页T3:负载管T1、T2 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止止止
5、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：工作原理：FT2T1T3AB-VDDFT5T1AT3C-VDDT2BT4D第7页/共34页E/E MOS 反相器的特点：单一电源，结构简单。负载管TL始终饱和，速度慢，功耗大。高电平不为VDD，有所损失。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。第8页/共34页NMOS,PMOS电路存在三个问题：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
6、速度缓慢。CMOS集成电路由 P 沟道和 N 沟道增强型 MOS 管串连组成，CMOS电路能有效解决上述问题。第9页/共34页TPTNVDDVIVO 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G并联作输入端。G两个漏极D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：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第10页/共34页 工作原理假设：PMOS管 V t h P 2.5VNMOS管 V t h N =2 VVDD=5 V当 VI
7、=0 V 时：NMOS管 VGSN=0|V t h P|，TP管导通，其导通电阻R on=103 TPTNVDDVIVO第11页/共34页当 VI=5 V 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：输入是0,输出是1,实现倒相关系，PMOS 管，启为负，0导1截止。NMOS 管，启为正，0止1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CMOS倒相器的重
8、要特点。TPTNVDDVIVO第12页/共34页（1 1）当Vi2 2V，TN截止，TP导通，VoVDD=10=10V。2电压传输特性：CMOS门电路的阈值电压Vth=VDD/2（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）（2）当2VVi5V，TN工作在饱和区，TP工作 在可变电阻区。（3）当Vi=5V，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2）=5V。（4）当5VVi8V，TP工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。（5）当Vi8V，TP截止，TN导通，Vo=0V。TPTNVDDVIVO第13页/共34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
9、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。第14页/共34页、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 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。第15页/共34页、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 扇出系数NO=5
10、0,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、输入特性和输出特性、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16页/共34页 D1、D2是保护二极管，正向压降1V，反向击穿电压30V。D1是P型扩散区和N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。C1、C2是TP、TN管栅极等效电容。R是限流电阻，阻值13K。加保护电路的输入特性:当输入 0 V
11、DD+VD时：保护二极管D1导通，输入电流 i I 迅速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于VDD+VD。保证加在C2上的电压，不超过其耐压极限。当输入VI109。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/VITNTPVI/VOVDD第20页/共34页逻辑符号：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第21页/共34页 与非门利用CMOS倒相器构成与非门。电路组成：两P并，作负载，0导1截止。两N串，作驱动，0止1导通。工作原理：当A,B中只要有
12、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第22页/共34页电路组成：两P串，作负载，0 导 1 截止。两N并，作驱动，0 止 1 导通。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。TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F第23页/共34页 用CMOS倒相器构成的与非门电路简单，但存在一些缺点。1、输出电阻 RON 随输入信号
13、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。TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F第24页/共34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：采用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点，在或非门的输入、
14、输出端加具有标准参数的倒相器构成。TPTNVDDABTPTNT1T2T3T4F第25页/共34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，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26页/共34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。
15、特点：由增加底TP和 TNMOS 管及反相器组成。第27页/共34页反相器控制门特点：增加TP和 或非门VDDA1FTPTNTP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。或门输出第28页/共34页&VDDTPTNFTNAEN反相器控制门的另一种形式特点：增加TN和 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EN是高有效。TG导通TG截止，F为高阻。C是低有效。EN=1:EN=0:AVDDTG1F
16、第29页/共34页后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：CMOS异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为第30页/共34页1 1CMOS逻辑门电路的系列（1 1）基本的CMOS40004000系列。（2 2）高速的CMOSHC系列。（3 3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。2 2CMOS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CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2 2）阈值电压Vth约为VDD/2/2。（3 3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.450.45VDD，开门电平VON为0.550
17、.55VDD。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1 mW/门；（5 5）因CMOS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第31页/共34页 （2 2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。多余输入端的处理 （1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平。如直接接电源正端，在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。第32页/共34页 本章小结本章小结 1最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。2目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型三极管组成，简称TTL集成电路；另一类由MOSFET构成，简称MOS集成电路。3TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在TTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。4MOS集成电路常用的是两种结构。一种是NMOS门电路，另一类是CMOS门电路。与TTL门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与TTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。第33页/共34页感谢您的观看。第34页/共34页