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1、肖合九肖合九 教授教授数字电子技术基础数字电子技术基础简明教程简明教程 1第第2 2章章 门电路门电路 2第第2 2章章 门电路门电路概述概述2.1 2.1 半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOSMOS管的开关特性管的开关特性2.2 2.2 分立元器件门电路分立元器件门电路2.3 CMOS2.3 CMOS集成门电路集成门电路2.4 TTL2.4 TTL集成门电路集成门电路3 1 1、什么是门电路：、什么是门电路：实现基本和常用逻辑运算的电子实现基本和常用逻辑运算的电子电路，称为逻辑门电路。它是数字电路中最基本的单电路，称为逻辑门电路。它是数字电路中最基本的单元。元。2 2、门电路的
2、主要类型：、门电路的主要类型：门电路的主要类型有与门、门电路的主要类型有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。概述概述一、门电路的概念一、门电路的概念二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关 在二值逻辑中，在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是逻辑变量的取值不是0就是就是1，是一，是一种种二值量。二值量。在数字电路中，与之对应的是电子开关的在数字电路中，与之对应的是电子开关的两种状态。两种状态。半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOS管是构成这管是构成这种种电子开关的基本开关元件。电子开关的基本开关元件。4 1 1、高电
3、平和低电平：高电平和、高电平和低电平：高电平和低电平是两种状态，是两个不同低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。的可以截然区别开来的电压范围。右图右图2.45V范围内的电压，都范围内的电压，都称为称为高电平高电平，用，用UH表示。表示。00.8V范围内的电压，都称为范围内的电压，都称为低电平低电平，用，用UL表示。表示。2 2、正逻辑和负逻辑：、正逻辑和负逻辑：用用1表示表示高电平，用高电平，用0表示低电平，称为表示低电平，称为正正逻辑赋值，简称正逻辑。逻辑赋值，简称正逻辑。用用1表示表示低电平，用低电平，用0表示高电平，称为表示高电平，称为负负逻辑赋值，简称负逻辑。逻辑赋
4、值，简称负逻辑。三、高、低电平与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑5四、分立元件门电路和集成门电路四、分立元件门电路和集成门电路 1 1、用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，、用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称为分立元件门电路称为分立元件门电路。2、把构成、把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。2 2、数字集成电路按照集成度分类、数字集成电路按照集成度分类小规模集成电路小规模集成电路(SSI)：100100个元器件个元器件/片片中规模集成电路中规模集成电
5、路(MSI)：100100999999个个元器件元器件/片片大规模集成电路大规模集成电路(LSI)：100010009999999999个个元器件元器件/片片超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI)：100000100000个个元器件元器件/片片五、数字集成电路的集成度五、数字集成电路的集成度 1 1、集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门、集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门的个数或元器件的个数，定义为集成度。的个数或元器件的个数，定义为集成度。62.1 2.1 半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOSMOS管的开关特性管的开关特性2.1.1 2.1.1 理想开关的开关特
6、性理想开关的开关特性 一、静态特性一、静态特性 1 1、断开时，其等效电阻、断开时，其等效电阻ROFF，通过其中的电流，通过其中的电流IOFF0 0。2 2、闭合时，其等效电阻、闭合时，其等效电阻RON0 0，其两端电压，其两端电压UAK0 0。二、动态特性二、动态特性 1 1、开通时间、开通时间ton0 0，即开关由断开状态转换到闭合状，即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。态不需要时间，可以瞬间完成。2 2、关断时间、关断时间toff0 0，即开关由闭合状态转换到断开状，即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。态不需要时间，可以瞬间完成。AKS理想开关理想
7、开关7半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。2.1.2 2.1.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性R导通导通截止截止相当于相当于相当于相当于开关断开开关断开开关断开开关断开相当于相当于相当于相当于开关闭合开关闭合开关闭合开关闭合S3V0VSRRD3V0V8 一、静态特性一、静态特性 1 1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性 半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。所示。9 2 2、半导体二极管的开关作用、半导体二极管的开关作
8、用 开关应用举例开关应用举例 下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为uI,其低其低电平电平UIL2V,高电平为高电平为UIH3V。uI UIL时，时，半导体二极管反偏，半导体二极管反偏，D处于反向截止区，如同处于反向截止区，如同一个一个断开了的开关，直流等效电路如图断开了的开关，直流等效电路如图(b)。uI UIH时，时，半导体二极管正偏，半导体二极管正偏，D工作在正向导通区，如工作在正向导通区，如同一个具有同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图压降、闭合了的开关，直流等效电路如图(c)。10 、静态开关特性、静态开关特性
9、硅半导体二极管具有下列静态开关特性：硅半导体二极管具有下列静态开关特性：导通条件及导通时的特点：导通条件及导通时的特点：当外加正向电压当外加正向电压UD0.7V时，二极管导通，时，二极管导通，硅半导硅半导体二极管体二极管如同一个具有如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关。压降、闭合了的开关。截止条件及截止时的特点：截止条件及截止时的特点：当外加正向电压当外加正向电压UD0.5V时，二极管截止，硅半导时，二极管截止，硅半导体二极管体二极管如同一个断开了的开关。如同一个断开了的开关。11 二、动态特性二、动态特性 1 1、二极管的电容效应、二极管的电容效应 二极管存在结电容二极管存在结电容Cj和扩
10、散电容和扩散电容CD，Cj和和CD的存在的存在极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，伴随着伴随着Cj、CD的充、放电过程，都要经过一段延迟时间的充、放电过程，都要经过一段延迟时间才能完成。才能完成。2 2、二极管的开关时间、二极管的开关时间 下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的uI和和iD的波形。的波形。12 开通时间开通时间 当输入电压当输入电压uI由由UIL跳变到跳变到UIH时，二极管时，二极管D要经过延迟时间要经过延迟时间td、上升时间上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状
11、态。半导体二极管之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为：的开通时间为：ton=tdtr 关断时间关断时间 当输入电压当输入电压uI由由UIH 跳变到跳变到UIL时，二极管时，二极管D要经过存储时间要经过存储时间ts、下降时间（也称为渡越时间）下降时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截止之后，才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为：状态。半导体二极管的关断时间为：toff=tstf 132.1.3 2.1.3 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性饱和饱和截止截止截止截止3V0VuO 0相当于相当于相当于相当于开关断开开关断开开关断开开
12、关断开相当于相当于相当于相当于开关闭合开关闭合开关闭合开关闭合uO UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V14 一、静态特性一、静态特性 1 1、结构示意图、符号和输入、输出特性、结构示意图、符号和输入、输出特性 半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。15 半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。输入特性指的是基极电流输入特性指的是基极电流iB和基极和基极-发射极间电压发射极间电压uBE之间的关系曲线。之间的关系曲线。输出特性指的是基极电流输出特性指的是基极电流iC和
13、集电极和集电极-发射极间电压发射极间电压uCE之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。是一种瞬间即逝的工作状态。16 2 2、半导体三极管的静态开关特性、半导体三极管的静态开关特性 饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件及饱和时的特点 饱和导通条件：三极管基极电流饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和时大于其临界饱和时的数值的数值IBS时，饱和导通。时，饱和导通。饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后饱和导通时的特点：
14、对于硅三极管，饱和导通后 uBE0.7V，uCEUCES0.3V如同闭合的开关。如同闭合的开关。17 截止条件及截止时的特点截止条件及截止时的特点 截止条件：截止条件：uBEUo0.5V 式中，式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。是硅三极管发射结的死区电压。截止时的特点：截止时的特点：iB0，iC0如同断开的开关。如同断开的开关。18 二、动态特性二、动态特性 半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。需要一定时间。右图所示是三极管开
15、关电路中右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时，相为矩形脉冲时，相应应iC和和uO的波形。的波形。19 开通时间开通时间 当输入电压当输入电压uI由由UIL2V跳变到跳变到UIH3V时，三极时，三极管管需需要经过延迟时间要经过延迟时间td和上升时间和上升时间tr之后，才能由截止之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为状态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=tdtr 关断时间关断时间 当输入电压当输入电压uI由由UIH3V 跳变到跳变到UIL2V时，三极时，三极管管需需要经过存储时间要经过存储时间ts、下降时间、下降时间tf之后，才能由饱和导之后，才能由饱和导通状态转换到截止状
16、态。半导体三极管的关断时间为通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为 toff=tstf 半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。由于作速度。由于toffton，所以减少饱和，所以减少饱和时基区存储电荷的时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其数量，尽可能地加速其消散过程，即缩短存储时间消散过程，即缩短存储时间 tS，是提高是提高半导体三极管开关速度的关键。半导体三极管开关速度的关键。20 MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压是通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有
17、控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压放大特性的由电压uGS控制的开关元件。控制的开关元件。一、静态特性一、静态特性 1 1、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性 N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构示意图、符号如下图所示。管的结构示意图、符号如下图所示。2.1.4 MOS2.1.4 MOS管的开关特性管的开关特性N+N+SGD二氧化硅二氧化硅P-Si(a)结构示意图金属铝金属铝(b)符号SGD21 N沟道增强沟道增强MOS管的漏极特性和转移特性如下图所示。管的漏极特性和转移特性如下图所示。反映漏极电流反映漏极电流iD和漏极和漏极-源极电压源极电压u
18、DS之间的关系曲线之间的关系曲线族称为漏极特性。族称为漏极特性。反映漏极电流反映漏极电流iD和栅极和栅极-源极电压源极电压uGS之间的关系曲线之间的关系曲线称为转移特性。称为转移特性。22 2、MOS管的静态开关特性管的静态开关特性 截止条件和截止时的特点截止条件和截止时的特点 截止条件：当截止条件：当MOS管栅源电压管栅源电压uGS小于其开启电压小于其开启电压UTN时，将处于截止状态。时，将处于截止状态。截止时的特点：截止时的特点：iD0，MOS管如同一个断开了的开管如同一个断开了的开关。关。23 导通条件和导通时的特点导通条件和导通时的特点 导通条件：当导通条件：当uGS大于大于UTN时，
19、时，MOS管管将处于导通状将处于导通状态。态。导通时的特点：导通时的特点：MOS管导通之后，如同一个具有一管导通之后，如同一个具有一定导通电阻定导通电阻RON闭合了的开关。闭合了的开关。24 二、动态特性二、动态特性 1 1、MOS管极间电容管极间电容 MOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容栅源电容CGS、栅漏电容、栅漏电容CGD和漏源电容和漏源电容CDS。在数字电。在数字电路中，路中，MOS管的动态特性，即开关速度是受这些电容管的动态特性，即开关速度是受这些电容充、放电过程制约的。充、放电过程制约的。2 2、开关时间、开关时间 右图所示
20、右图所示MOS管开关管开关电路中，当电路中，当uI为矩形波时，为矩形波时，相应相应iD和和uO的波形。的波形。25 开通时间开通时间 当输入电压当输入电压uI由由UIL0V跳变到跳变到UIHVDD时，时，MOS管管需需要经过导通延迟时间要经过导通延迟时间td1和上升时间和上升时间tr之后，才能由截之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为止状态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=td1tr 关断时间关断时间 当输入电压当输入电压uI由由UIHVDD跳变到跳变到UIL0V时，时，MOS管管需需要经过关断延迟要经过关断延迟td2、下降时间、下降时间tf之后，才能由导通状之后，才能由导通
21、状态转换到截止状态。关断时间为态转换到截止状态。关断时间为 toff=td2tf MOS MOS管电容上电压不能突变是造成管电容上电压不能突变是造成iD(uO)滞后滞后uI变化变化的主要原因。而且，由于的主要原因。而且，由于MOS管的导通电阻比三极管管的导通电阻比三极管的饱和导通电阻要大得多，的饱和导通电阻要大得多，RD也比也比RC大，所以它的开大，所以它的开通和关断时间也比三极管长，即其动态特性较差通和关断时间也比三极管长，即其动态特性较差。262.2 2.2 分立元器件门电路分立元器件门电路 2.2.1 2.2.1 二极管与门和或门二极管与门和或门一、二极管与门一、二极管与门 1 1、电路
22、与符号、电路与符号 2 2、工作原理、工作原理 电压关系表电压关系表 uA=uB=0时，时，D1、D2均导通均导通 uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7V=0.7V uA=0、uB=3V时，由于时，由于uA、uB电平不电平不同，当同，当D1导通后，使导通后，使 uY=uA+uD1=0+0.7V=0.7V导致导致 uD2=uYuB=0.732.3V，故，故D2截截止。止。D1导通后，导通后，uY被钳位在被钳位在0.7V。uA=3V、uB=0V时，与时，与类似，类似，D2导导通，通，D1截止，截止，D2导通后，导通后，uY被钳位在被钳位在0.7V。uA=3V、uB=3V时，时，D1、D2都
23、都导通。导通。uY被钳位在被钳位在3.7V。27 整理上述估算结果，可得左下表所示电压关系表。整理上述估算结果，可得左下表所示电压关系表。0.70.70.73.70 00 33 03 3uY/VuA/V uB/V电压关系表电压关系表00010 00 11 01 1YA B与门逻辑真值表与门逻辑真值表 设定变量、状态赋值、列真值表设定变量、状态赋值、列真值表 设定变量：用设定变量：用A、B、Y分别表示分别表示uA、uB、uY。状态赋值：用状态赋值：用0表示低电平，用表示低电平，用1表示高电平。表示高电平。列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系
24、表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了与的逻辑功能综上所述，该电路确实实现了与的逻辑功能Y=AB，所以是一个二极管与门。所以是一个二极管与门。28二、二极管或门二、二极管或门 1 1、电路与符号、电路与符号 2 2、工作原理、工作原理 电压关系表电压关系表 uA=uB=0时，时，D1、D2均导通均导通 uY=00.7V=0.7V。uA=0V、uB=3V时，时，D2导通，导通，D1截止，截止，uY=30.7V=2.3V。uA=3V、uB=0V时，时，D1导通，导通，D2截止，截止，uY=30.7V=2.3V。uA=3V、uB
25、=3V时，时，D1、D2均导均导通。通。uY=30.7V=2.3V。整理分析估算结果，即可得到电压整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。关系表如右表所示。0.72.32.32.30 00 33 03 3uY/VuA/V uB/V电压关系表电压关系表2901110 00 11 01 1YA B或门逻辑真值表或门逻辑真值表 设定变量、状态赋值、列真值表设定变量、状态赋值、列真值表 设定变量：用设定变量：用A、B、Y分别表示分别表示uA、uB、uY。状态赋值：用状态赋值：用0表示低电平，用表示低电平，用1表示高电平。表示高电平。列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由列真值表：根据设定的
26、变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能Y=A+B，所以是一个二极管或门。所以是一个二极管或门。30 对于图（对于图（a a）所示电路的电压关系表（如下），在状）所示电路的电压关系表（如下），在状态赋值时若采用正逻辑，即用态赋值时若采用正逻辑，即用1 1表示高电平、用表示高电平、用0 0表示低表示低电平，就得到前面所讲的正与门逻辑真值表。电平，就得到前面所讲的正与门逻辑真值表。0.70.70.73.70 00 33 03 3uY/VuA/V uB
27、/V电压关系表电压关系表00010 00 11 01 1YA B正与门逻辑真值表正与门逻辑真值表01110 00 11 01 1YA B负或门逻辑真值表负或门逻辑真值表 若在状态赋值时若采用负逻辑，若在状态赋值时若采用负逻辑，即用即用0 0表示高电平、用表示高电平、用1 1表示低电平，表示低电平，就得到下面的负或门逻辑真值表。就得到下面的负或门逻辑真值表。所以说图所以说图（a a）二极）二极管电路，既管电路，既是正与门又是正与门又是负或门。是负或门。312.2.2 2.2.2 三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）一、半导体三极管非门一、半导体三极管非门 1 1、电路与符号、电路与符号 2
28、2、工作原理、工作原理 uI=uIL=0V时，时，三极管三极管T截止，截止，iB=0=0、iC=0，uO=UOHVCC=5V。uI=uIH=5V时，时，由于由于iBIBS，T饱和导通，饱和导通，有有uO=UOL UCES 0.3V。整理分析估算结果，即可得整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。到电压关系表如下表所示。50.305uO/VuI/V32图图2.2.3（a）若用若用A、Y分别表示分别表示uI、uO，用用0表示低电平，用表示低电平，用1表示表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所示的真值表。由右下表可知，图（示的真值
29、表。由右下表可知，图（a a）所示电路实现了）所示电路实现了非逻辑功能非逻辑功能，是一个三极管组成的非门。，是一个三极管组成的非门。50.305uO/VuI/V非门电压关系表非门电压关系表1001YA非门真值表非门真值表 半导体半导体三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发射极高射极高0.3V的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，那么它的发射极电位就被固定在比集电极低那么它的发射极电位就被固定在比集电极低0.3V的电位
30、的电位上。上。33二、二、MOS三极管非门三极管非门 1 1、电路与符号、电路与符号 2 2、工作原理、工作原理 uI=uIL=0V时，时，uGS=uIL=0V，小，小于开启电压于开启电压UTN2V，所以，所以MOS管管是截止的，故是截止的，故 uO=UOHVDD=10V uI=uIH=10V时，时，uGS=uIH=10 V，大于开启电压，大于开启电压UTN2V，MOS管管导通且工作在可变电阻区，导通电阻导通且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧，故很小，只有几百欧，故 整理分析估算结果，即整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下可得到电压关系表如下表所示。表所示。100010uO/Vu
31、I/V34 若用若用A、Y分别表示分别表示uI、uY且采且采用用正逻辑正逻辑后得到的逻辑后得到的逻辑真值表如右下表真值表如右下表。100010uO/VuI/VMOS管非门电压关系表管非门电压关系表1001YA非门真值表非门真值表 由右上表可知，图（由右上表可知，图（a a）所示电所示电路确实是路确实是MOS三极管非门。三极管非门。图图2.2.4（a）35作业题作业题P135 题题2.2P136 题题2.3(a)36一、填空题一、填空题 1 1、三极管截止时的特点是、三极管截止时的特点是()()；三极管饱；三极管饱和导通时的特点是和导通时的特点是()()。uBE0.7V，uCE=UCES0.3V
32、iB0，iC0 2 2、MOSMOS管截止时，管截止时，iD0，MOS管如同一个管如同一个()()了了的开关。的开关。MOS管导通后，如同一个具有一定导通电阻管导通后，如同一个具有一定导通电阻RON()()了的开关。了的开关。断开断开 闭合闭合 3 3、正逻辑的与门是负逻辑的、正逻辑的与门是负逻辑的()()；正逻辑的或门；正逻辑的或门是负逻辑的是负逻辑的()()。或门或门与门与门二、单项选择题二、单项选择题 1 1、如果晶体三极管的（、如果晶体三极管的（），则该管工作于饱和区。），则该管工作于饱和区。A A、发射结正偏，集电结反偏、发射结正偏，集电结反偏 B B、发射结正偏，集电结正偏、发射结
33、正偏，集电结正偏 C C、发射结反偏，集电结正偏、发射结反偏，集电结正偏 D D、发射结反偏，集电结反偏。、发射结反偏，集电结反偏。B B372.3 2.3 CMOS集成门电路集成门电路 MOS管有管有N沟道和沟道和P沟道之分，每种又有增强型和耗沟道之分，每种又有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。CMOS集成电路的许多最基本的逻辑单元都是用集成电路的许多最基本的逻辑单元都是用P沟沟道增强型道增强型MOS管（称为管（称为PMOS管管)和和N沟道增强型沟道增强型MOS管（称为管（称为NMOS管管)按照互补对称形式连接起来构成的。按照互补对称形式连
34、接起来构成的。当当NMOS管和管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为作中互补，称为CMOS管管(Complementary Metal Oxide Semiconductor互补互补金属氧化物半导体金属氧化物半导体)。这种电路具有电压控制、功耗极小、连接方便等一系列这种电路具有电压控制、功耗极小、连接方便等一系列优点，是目前应用最广泛的集成电路之一。优点，是目前应用最广泛的集成电路之一。38NMOS管的电路符号及转移特性 (a)电路符号 （b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小 NMOS管的开关特性 2.3.1 2.3.1 CMOS反相器反
35、相器39PMOS管的电路符号及转移特性 (a)电路符号 （b）转移特性D接负电源 PMOS管的开关特性 导通导通电阻相当小截止40一、电路组成及其工作原理一、电路组成及其工作原理 1 1、电路组成、电路组成 TP是是P沟道增强型沟道增强型MOS管，管，TN是是N沟道增强型沟道增强型MOS管，两者按照互补管，两者按照互补对称形式连接起来便构成对称形式连接起来便构成了了CMOS反相器。它们的反相器。它们的栅极栅极G1、G2连接起来做连接起来做为信号的输入端，漏极为信号的输入端，漏极D1、D2连接起来做为信连接起来做为信号的输出端，号的输出端，TN的源极的源极S1接地，接地，TP的源极的源极S2接电
36、源接电源VDD。开启电压开启电压|UTP|=UTN，且小于，且小于VDD+VDDTPTN(a)电路图B1uAuYG2G1D1D2SS1B2+10V0V10V0V10V412 2、工作原理、工作原理 （1）uA0V时时，TN截截止止，TP导导通通。输输出出电电压压uY=VDD=10V。简简化等效电路如图化等效电路如图(b)所示。所示。（2）uAVDD=10V时时，TN导导通通，TP截截止止。输输出出电电压压uY=0V。简简化等效电路如图化等效电路如图(c)所示。所示。实现了非逻辑运算实现了非逻辑运算SRONP(b)TN截止、TP导通uY+VDD+10V+10VSRONN0V(c)TN导通、TP截
37、止uY+VDD+10V+VDDTPTN(a)电路图B1uAuYG2G1D1D2SS1B2+10V0V10V0V10V423 3、输入端保护电路、输入端保护电路 为为了了保保护护栅栅极极和和沟沟道道之之间间的的二二氧氧化化硅硅绝绝缘缘层层不不被被击击穿穿，CMOS输输入入端都加有保护电路。端都加有保护电路。右右 图图 是是 带带 输输 入入 端端 保保 护护 网网 络络 的的CMOS反反相相器器。图图中中D1、D2、D3和和RS组组成成二二极极管管保保护护网网络络。D1、D2、D3的的正正向向导导通通压压降降uDF=0.50.7V，反反向向 击击 穿穿 电电 压压 在在 30V左左 右右，RS1
38、.52.5k,C1、C2是是栅栅极极等等效效输输入入电电容。容。由于二极管的钳位作用，使得由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。在正常工作时，下不易发生损坏。在正常工作时，uA在在0V和和VDD之间变化，保护之间变化，保护二极管均处在截止状态，不影响电路功能。当二极管均处在截止状态，不影响电路功能。当uA高于高于VDD uDF或低于或低于uDF时，相应时，相应保护二极管就会导通，从而把保护二极管就会导通，从而把TN、TP栅栅极电位限制在极电位限制在 uDF(VDD uDF)范围内，因此不会发生范围内，因此不会发生SiO2介介质被击穿的现象。
39、质被击穿的现象。+VDDTPTNuAuYC2C1D2D3D1RSVSS43二、静态特性二、静态特性 1 1、输入特性、输入特性 反映反映iI=f(uI)的曲线称为输入的曲线称为输入伏安特性曲线简称输入特性。伏安特性曲线简称输入特性。当当uI在在uDF和和VDDuDF之间之间变化时，变化时，iI0；当当uIVDDuDF时，时，D3导通，导通，iI从输入端经从输入端经D3流入流入VDD，iI将随着将随着uI的增加而的增加而急剧增加，反映了急剧增加，反映了D3正向导通正向导通的情况；的情况；当当uIuDF时，时，D1导导通，通，iI经经D1、RS从输入端流出，从输入端流出，输入特性中相应曲线部分的斜
40、输入特性中相应曲线部分的斜率为率为1/RS。CMOS反相器反相器输入特性所反输入特性所反映的，实际是输入保护网络的映的，实际是输入保护网络的特性。特性。+VDDTPTNiIuOC2C1D2D3D1RSVSS+_(a)uI+VDDiIuO(b)+_uI1442 2、输出特性、输出特性 反映反映uO=f(iO)的曲线称为输出伏安特性，简称输出特性。的曲线称为输出伏安特性，简称输出特性。当当uI为低电平，即为低电平，即uI=UIL=0V时，时，TN截止、截止、TP导通，导通，uO为高电为高电平，即平，即uO=UOH，带拉电流负载。电流，带拉电流负载。电流iO从从VDD经经TP流出，供给负流出，供给负
41、载载RL，由于这时负载，由于这时负载RL是向反相器索取电流，所以形象地称为拉是向反相器索取电流，所以形象地称为拉电流负载，并把反相器能够输出的最大电流电流负载，并把反相器能够输出的最大电流IOH，称为带拉电流，称为带拉电流负载的能力。特性曲线如图负载的能力。特性曲线如图(c)左边部分所示。左边部分所示。45当当uI为高电平，即为高电平，即uI=UIH=VDD时，时，TN导通、导通、TP截止，截止，uO为低电为低电平，即平，即uO=UOL，带灌电流负载。电流，带灌电流负载。电流iO从从VDD经负载经负载RL 流入反相流入反相器。由于这时负载电流器。由于这时负载电流iO是流入反相器的，所以形象地称
42、为灌电是流入反相器的，所以形象地称为灌电流负载，并把反相器能吸收即允许灌入的最大电流流负载，并把反相器能吸收即允许灌入的最大电流IOL，称为带灌，称为带灌电流负载的能力。特性曲线如图电流负载的能力。特性曲线如图(c)右边部分所示。右边部分所示。463 3、传输特性、传输特性 反映反映uO=f(uI)的曲线的曲线形象具体地描述了输出电压形象具体地描述了输出电压uO与与输入电压输入电压uI 的关系的关系,称为电压传输特性称为电压传输特性。反映反映iD=f(uI)的曲线的曲线形象具体地描述了漏极电流形象具体地描述了漏极电流iD与输与输入电压入电压uI 的关系的关系,称为电流传输特性称为电流传输特性。
43、47 AB段：段：uIUTN，TN截止，截止，TP导通。导通。uO=VDD、iD=0，功耗，功耗极小。极小。BC段：段：uIUTN，TN导通，但导通电阻较大，故导通，但导通电阻较大，故uO略有下略有下降，降，iD开始出现，并逐渐增加，开始出现，并逐渐增加，功耗也随之增加。功耗也随之增加。CD段：段：uI在在0.5VDD附近，附近，TN、TP均导通，且导通电阻都较均导通，且导通电阻都较小，是小，是uO随随uI改变而急剧变化的区域，改变而急剧变化的区域，iD也最大，功耗也最大。也最大，功耗也最大。相应地，把输入电压相应地，把输入电压uI=0.5VDD称为反相器的转折电压或阈值电压，称为反相器的转折
44、电压或阈值电压，用用UTH表示。表示。DE、EF段与段与BC、AB段是对应的，只不过段是对应的，只不过TN、TP的工作状的工作状态，态，DE和和BC段段、EF和和AB段时的情况正好相反。段时的情况正好相反。输入端噪声容限是指输入端噪声容限是指uO为规定值时，允许为规定值时，允许uI波动波动的最大范围。的最大范围。UNL：输入为低电平时：输入为低电平时的噪声容限；的噪声容限；UNH：输入为高电平时：输入为高电平时的噪声容限。的噪声容限。48三、动态特性三、动态特性 1 1、传输延迟时间、传输延迟时间 下图所示是下图所示是CMOS反相器带电容性负载时的电路和输入、输出反相器带电容性负载时的电路和输
45、入、输出电压波形。电压波形。当当uI改变取值时改变取值时CMOS反相器的状态转换总是伴随着输入、输反相器的状态转换总是伴随着输入、输出电容的充、放电过程。电容上电压是不能突变的，所以反相器出电容的充、放电过程。电容上电压是不能突变的，所以反相器输出电压输出电压uO的变化总是滞后于输入电压的变化总是滞后于输入电压uI的，尤其是在输出端接的，尤其是在输出端接有负载电容有负载电容CL时，滞后时间会更长。时，滞后时间会更长。tPHL:输出电输出电压由高电平变压由高电平变为低电平的延为低电平的延迟时间。迟时间。tPLH:输出电输出电压由低电平变压由低电平变为高电平的延为高电平的延迟时间。迟时间。50%5
46、0%tPHLtPLHuIuO492 2、输出端状态转换时间、输出端状态转换时间 当输入电压当输入电压uI改变取值时，输出端状态将产生相应变化，相伴改变取值时，输出端状态将产生相应变化，相伴随的是随的是CL的充、放电过程，状态转换时间基本上就是的充、放电过程，状态转换时间基本上就是CL的充、放的充、放电时间。电时间。tTHL:当当uI改变取值时，输出电压改变取值时，输出电压uO从从90下降到下降到10所经历所经历的时间。的时间。tTLH:当当uI改变取值时，输出电压改变取值时，输出电压uO从从10上升到上升到90所经历所经历的时间。的时间。tTHLtTLHuIuO10%90%503 3、交流噪声
47、容限、交流噪声容限 一般地说，干扰噪声都是一些无规则的脉冲信号，用交流噪声一般地说，干扰噪声都是一些无规则的脉冲信号，用交流噪声容限可以表示反相器对这些脉冲信号的抗干扰能力。反相器对输容限可以表示反相器对这些脉冲信号的抗干扰能力。反相器对输人信号的响应总是有一定的延时，如果干扰脉冲持续的时间很短，人信号的响应总是有一定的延时，如果干扰脉冲持续的时间很短，以至于输出端状态还没有任何变化，干扰脉冲就消失了显然这样以至于输出端状态还没有任何变化，干扰脉冲就消失了显然这样的脉冲信号对电路不会起作用。所以，反相器对窄脉冲的噪声容的脉冲信号对电路不会起作用。所以，反相器对窄脉冲的噪声容限要高于其直流噪声容
48、限。限要高于其直流噪声容限。下图是干扰脉冲宽度不同时交流下图是干扰脉冲宽度不同时交流噪噪声容限的曲线。图中声容限的曲线。图中tNW表示表示干扰脉冲宽度，干扰脉冲宽度，UNA表示干扰脉冲幅度。表示干扰脉冲幅度。51 4 4、动态功耗、动态功耗 在在状态转换过程中，状态转换过程中，CMOS反相器瞬态电流很大，反相器瞬态电流很大，因此会产生所谓动态功耗。动态功耗的大小，与电源因此会产生所谓动态功耗。动态功耗的大小，与电源电压电压VDD、uI变化的重复频率，负载电容的容量等因素变化的重复频率，负载电容的容量等因素有关，它们的数值越大，动态功耗也越大。有关，它们的数值越大，动态功耗也越大。CMOS反反相
49、器的静态功耗很小，在相器的静态功耗很小，在常温下只有几个微瓦，常可常温下只有几个微瓦，常可忽略不计。忽略不计。522.3.2 2.3.2 CMOS与非门、或非门、与门和或门与非门、或非门、与门和或门一、一、CMOS与非门与非门1 1、电路组成及符号、电路组成及符号 右图是与非门的电路图，两右图是与非门的电路图，两个个P沟道增强型沟道增强型MOS管管TP1、TP2 并联并联，两个，两个N沟道增强型沟道增强型MOS管管TN1、TN2串联串联 ，TP2、TN2的栅极连接起来成为输入的栅极连接起来成为输入端端A，TP1、TN1的栅极连接的栅极连接起来成为输入端起来成为输入端B。下。下图是与图是与非门的
50、逻辑符号。非门的逻辑符号。B+VDDATP1TN1TN2TP2uAuBuYYYAB&53A、B当中有一个或当中有一个或全为低电平时，全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全中有一个或全部导通，输出部导通，输出Y为高电为高电平。平。只有当输入只有当输入A、B全为全为高电平时，高电平时，TN1和和TN2才会才会都导通，都导通，TP1和和TP2才会都才会都截止，输出截止，输出Y才会为低电才会为低电平。平。2 2、工作原理、工作原理 B+VDDATP1TN1TN2TP2uAuBuYY54二、二、CMOS或非门或非门1 1、电路组成及符号、电路组成及