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1、与非门的逻辑功能：输入有“0”，输出为“1”输入全为“1”，输出才为“0”F1=AB或非门的逻辑功能：输入有“1”，输出为“0”输入全为“0”，输出才为“1”F2=A+B问题的提出内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？异或门的逻辑功能：输入相同，输出为“0”输入不同，输出为“1”ABF=1F=A B问题的提出本章的教学目标 理解CMOS门电路结构与工作原理 掌握CMOS门电路外特性，正确使用CMOS门电路 理解TTL门电路结构与工作原理 掌握TTL门电路外特性，正确使用TTL门电路门电路的分类集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门按制造工艺分
2、PMOSNMOSCMOS按集成度分SSI（10个等效门）MSI（100个等效门）LSI（104个等效门）VLSI（104个以上等效门）TTL、ECLI2L、HTLMOS管的开关特性CMOS反相器CMOS与非门和或非门CMOS门电路的电气特性CMOS传输门改进型CMOS门电路MOS管的开关特性 MOS 管又称为绝缘栅型场效应三极管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisteor,MOSFET）MOS 管 分 为N 沟 道MOS 管（NMOS）和P 沟 道MOS 管（PMOS），它 们 的 工 作原理基本相同。取一块P型半导体作为衬底，用B表示
3、。用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。用光刻工艺腐蚀出两个孔。扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。NMOS管的结构和符号 1 vDS=0，vGS0 vGS0将在绝缘层产生电场，该电场将SiO2绝缘层下方的空穴推走，同时将衬底的电子吸引到下方，形成导电沟道。反型层 产生有漏极电流ID。这说明vGS对ID的控制作用。MOS管的工作原理 2 vDS0，vGS0 思考：何谓反型层？何谓开启电压？NMOS管和PMOS管的通断条件NMOS当vGSVTN时导通当vGSVTN时截止PMOS当
4、vGSVTP时导通 当vGSVTP时截止 （1）当 vGS=0时，rds可达到106。当 vGS增加时，rds减小，最小可达到10左右，因此，MOS管可看成由电压控制的电阻。（2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。MOS管的电路模型 CMOS反相器的电路结构CMOS反相器漏极相连做输出端PMOSNMOS柵极相连做输入端 CMOS非门的工作原理CMOS反相器 如果将0V定义为0，逻辑VDD定义为逻辑1，将实现逻辑“非”功能。1.当 vI=0V时，vGSN=0V，VTN截止，vGSP=VDD，VTP导通，vOVDD，门电路输出输出高电平；2.当 vI=VDD时，VGSN=VDD，VTN导通，VGS
5、P=0V，VTP截止，vO0V，门电路输出低电平。CMOS与非门00通通止止1止止100通通 CMOS二输入或非门 CMOS门电路结构上有什么特点？如何分析CMOS门电路的逻辑功能？1电压传输特性 用来描述输入电压和输出电压关系的曲线，就称为门电路的电压传输特性。V2vIvOV11CMOS门电路的电气特性测量电路vI/V5.03.5 1.5AB5.00C DvO/VAB段：vI1.5V，VTN截止，VTP导通，输出电压vOVDD CD段：vI3.5V，VTN导通，VTP截止，输出电压vO0V BC段：1.5V vI3.5V，VTP、VTN均导通。当 vI=VDD2时，VTP和VTN 导通程度相
6、当。CMOS门电路的电气特性vI/V5.03.5 1.5AB5.00C DvO/VAB段：VTN管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流几乎为0。CD段：VTP管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也几乎为0。BC段：两个管均导通，电阻很小，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也很大。CMOS门电路的电气特性动态尖峰电流 CD4000 系列门电路的极限参数（VDD=5V）输出高电平电压VOH，VOH（min）=VDD-0.1V输出低电平电压VOL，VOL（max）=0.1V输入高电平电压VIH，VIH（min）=70%VDD输入低电平电压VIL，VIL（max）=3
7、0%VDD 阈值电压VTH=1/2VDD噪声容限 低电平噪声容限高电平噪声容限CMOS门电路的电气特性VNL=VIL（max）VOL（max）VNH=VOH（min）VIH（min）G111G2VOL（max）VIH（min）VOH（min）VIL（max）VNL=VIL（max）VOL（max）=1.5V0.1V=1.4V 例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOL（max）=0.1V，最大输入低电平 VIL（max）=1.5V，最小输出高电平 VOH（max）=4.9V，最小输入高电平 VIH（max）=3.5V，则其低电平噪声容限VNL=。（1）2.0V（2）1.4V（3）1.6
8、V（4）1.2V 2.静态输入特性 CMOS门电路的输入阻抗非常大。优点：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电流IIH1A，低电平输入电流IIL1A。缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。措施：输入级一般都加了保护电路。CMOS门电路的电气特性3.静态输出特性 当门电路输出低电平时 结论：灌电流（sinking current）负载提高了低电平输出电压VOL。IOL：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V，VO=0.4V时，IOL（min）=0.44mACMOS门电路的电气特性 当门电路输出高电平时 结论：拉电流（sourcing current）负载降低了高电平输出电压VOH。CMO
9、S门电路的电气特性IOH：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V，VO=4.6V时，IOHmin=0.44mA 扇出系数 CMOS门电路的电气特性低电平时扇出系数：高电平时扇出系数：传输延迟时间（Popagation Delay）平均传输延迟时间 CMOS门电路的电气特性tPHL tPLHvIvO4.动态特性 动态功耗 CMOS门电路的静态功耗非常低。CMOS门电路的电气特性（1）由负载电容产生的动态功耗 动态功耗 CMOS门电路的电气特性（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗（3）总的动态功耗 1.功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小
10、；2.CMOS集成电路功耗低内部发热量小，集成度可大大提高；3.抗幅射能力强，MOS管是多数载流子工作，射线辐 射对多数载流子浓度影响不大；4.电压范围宽：CMOS门电路输出高电平VOH VDD，低电平VOL 0V；5.输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可以大于50；6.在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。电路结构和工作原理：当C为低电平时，VTN、VTP截止，传输门断开；当 C为高电平时，VTN、VTP中至少有一只管子导通，使vO=vI，传输门接通。传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。（1）构成组合逻辑电路当S=0时，Z=X；当S=1时，Z=Y。为2选1数据选
11、择器。传输门的应用：（2）构成模拟开关 控制模拟信号传输的一种电子开关，通与断是由数字信号控制的。CMOS门电路几种常见系列：（1）CD4000系列：基本系列，速度较慢（2）74HC系列：速度比CD4000系列提高近10倍（3）74HCT系列：与LSTTL门电路兼容（4）LVC系列：低电压系列（5）BiCMOS系列BiCMOS反相器 当vI输入高电平时，VTN1、VTN2和VT2导通，VTP、VTN3和VT1截止，vO输出低电平。当vI输入低电平时，VTP1、VTN3和VT1导通，VTN1、VTN2和VT2截止，vO输出高电平。输入和输出实现非逻辑。BiCMOS门电路的结构特点（1）BiCMO
12、S门的输出电路总是由两个NPN晶体管组成推拉式结构。（2）连接上方（射随输出）晶体管基极的内部电路总是该门电路的基本功能电路部分。（3）下方（反相输出）晶体管基极上的信号总是上方晶体管基极信号的反。BiCMOS是继CMOS后的新一代高性能VLSI工艺。CMOS以低功耗、高密度成为80年VLSI的主流工艺。随着尺寸的逐步缩小，电路性能不断得到提高，但是当尺寸降到1um以下时，由于载流子速度饱和等原因，它的潜力受到很大的限制。把CMOS和Bipolar集成在同一芯片上，发挥各自的优势，克服缺点，可以使电路达到高速度、低功耗。BiCMOS工艺一般以CMOS工艺为基础，增加少量的工艺步骤而成。BiCMOS（Bipolar CMOS）是CMOS和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。