CMOS邏輯門電路

1、CMOS邏輯門電路 +UDD +UDD P溝道 TP TP uo ui uoui TN TN N溝道 CL (a) 電路 (b) 簡(jiǎn)化電路圖11-36 CMOS反相器 CMOS是互補(bǔ)對(duì)稱MOS電路的簡(jiǎn)稱（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），其電路結(jié)構(gòu)都采用增強(qiáng)型PMOS管和增強(qiáng)型NMOS管按互補(bǔ)對(duì)稱形式連接而成，由于CMOS集成電路具有功耗低、工作電流電壓范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、輸入阻抗高、扇出系數(shù)大、集成度高，成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，尤其在大規(guī)模集成電路中更顯示出它的優(yōu)越性，是目前得到廣泛應(yīng)用的器件。 一、CMOS反相器 CMOS反

2、相器是CMOS集成電路最基本的邏輯元件之一，其電路如圖11-36所示，它是由一個(gè)增強(qiáng)型NMOS管TN和一個(gè)PMOS管TP按互補(bǔ)對(duì)稱形式連接而成。 兩管的柵極相連作為反相器的輸入端，漏極相連作為輸出端，TP管的襯底和源極相連接電源UDD，TN管的襯底與源極相連后接地，一般地UDD>(UTN+|UTP|)，(UTN和|UTP|是TN和TP的開啟電壓)。 當(dāng)輸入電壓ui=“0”（低電平）時(shí)，NMOS管TN截止，而PMOS管TP導(dǎo)通，這時(shí)TN管的阻抗比TP管的阻抗高的多，（兩阻抗比值可高達(dá)106以上），電源電壓主要降在TN上，輸出電壓為“1”（約為UDD）。 當(dāng)輸入電壓ui=“1”（高電平）時(shí)，

3、TN導(dǎo)通，TP截止，電源電壓主要降在TP上，輸出uo=“0”，可見此電路實(shí)現(xiàn)了邏輯“非”功能。 通過(guò)CMOS反相器電路原理分析，可發(fā)現(xiàn)CMOS門電路相比NMOS、PMOS門電路具有如下優(yōu)點(diǎn)： 無(wú)論輸入是高電平還是低電平，TN和TP兩管中總是一個(gè)管子截止，另一個(gè)導(dǎo)通，流過(guò)電源的電流僅是截止管的溝道泄漏電流，因此，靜態(tài)功耗很小。 兩管總是一個(gè)管子充分導(dǎo)通，這使得輸出端的等效電容CL能通過(guò)低阻抗充放電，改善了輸出波形，同時(shí)提高了工作速度。 由于輸出低電平約為0V，輸出高電平為UDD，因此，輸出的邏輯幅度大。 CMOS反相器的電壓傳輸特性如圖11-37所示。特性區(qū)大致分成五個(gè)區(qū)域：uo(V) TN截止

4、 TN在飽和區(qū)10 TP在可變電阻區(qū) 8 TN和TP均在飽和區(qū) 6 TP在飽和區(qū) 4 TN在可變電阻區(qū) 2 TP截止 0 2 4 6 8 10 ui(V) UTN UTR |UTP|圖11-37 CMOS反相器電壓傳輸特性 第區(qū)域：ui<UTN，這時(shí)TN截止，TP導(dǎo)通（工作在可變電阻區(qū)），流過(guò)兩管的電流近似為0，uDS20，uo=uDS1UDD。 第區(qū)域：ui>UTN，TN開始導(dǎo)通，但工作在飽和區(qū)，TP仍工作在可變電阻區(qū)的導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)有一個(gè)較小的電流流過(guò)兩管，uDS2已不為0，所以u(píng)o開始下降。 第區(qū)域：輸入電壓ui增大到UTR時(shí)，TN和TP都工作在飽和區(qū)，有較大電流流過(guò)兩管，這

5、時(shí)只要ui有一個(gè)很小的變化，就會(huì)引起uo有一個(gè)很大的變化，所以這一段內(nèi)曲線最陡，稱為特性轉(zhuǎn)換區(qū)，UTR稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移電壓。 第區(qū)域：ui繼續(xù)增大，TN進(jìn)入非飽和區(qū)，uDS1(即uo）迅速減少，流過(guò)兩管的電流開始下降。 第區(qū)域：TN導(dǎo)通（工作在可變電阻區(qū)），TP截止，uo=uDS10V。 從傳輸特性曲線可以看出：區(qū)域很陡，且UTRUDD/2，所以，CMOS反相器的電壓傳輸特性接近于理想開關(guān)特性。由于電壓傳輸特性曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約為UDD/2，干擾信號(hào)必須大于或等于UDD/2才能導(dǎo)致狀態(tài)改變，所以說(shuō)CMOS門電路具有極強(qiáng)的抗干擾能力。 二、CMOS“與非”門電路 電路如圖11-38所示，設(shè)CMOS管的

6、輸出高電平為“1”，低電平為“0”，圖中T1、T2為兩個(gè)串聯(lián)的NMOS管，T3、T4為兩個(gè)并聯(lián)的PMOS管，每個(gè)輸入端（A或B）都直接連到配對(duì)的NMOS管（驅(qū)動(dòng)管）和PMOS（負(fù)載管）的柵極。當(dāng)兩個(gè)輸入中有一個(gè)或一個(gè)以上為低電平“0”時(shí)，與低電平相連接的NMOS管仍截止，而PMOS管導(dǎo)通，使輸出F為高電平，只有當(dāng)兩個(gè)輸入端同時(shí)為高電平“1”時(shí)，T1、T2管均導(dǎo)通，T3、T4管都截止，輸出F為低電平。 由以上分析可知，該電路實(shí)現(xiàn)了邏輯與非功能，即 +UDD +UDD T3 T4 A T4 F B T3A T2 FB T1 T1 T2圖11-38 CMOS“與非”門 圖11-39 CMOS“或非”

7、門 三、CMOS“或非”門電路 圖11-39所示電路為兩輸入CMOS“或非”門電路，其連接形式正好和“與非”門電路相反，T1、T2兩NMOS管是并聯(lián)的，作為驅(qū)動(dòng)管，T3、T4兩個(gè)PMOS管是串聯(lián)的，作為負(fù)載管，兩個(gè)輸入端A、B仍接至NMOS管和PMOS管的柵極。 其工作原理是：當(dāng)輸入A、B中只要有一個(gè)或一個(gè)以上為高電平“1”時(shí)，與高電平直接連接的NMOS管T1或T2就會(huì)導(dǎo)通，PMOS管T3或T4就會(huì)截止，因而輸出F為低電平。只有當(dāng)兩個(gè)輸入均為低電平“0”時(shí)，T1、T2管才截止，T3、T4管都導(dǎo)通，故輸出F為高電平“1”，因而實(shí)現(xiàn)了或非邏輯關(guān)系，即： 四、CMOS傳輸門電路 CMOS傳輸門也是C

8、MOS集成電路的基本單元，其功能是對(duì)所要傳送的信號(hào)電平起允許通過(guò)或者禁止通過(guò)的作用。 TP ui +5V uo -5V ui uo 高電平：+5V TNc 低電平：-5V c c (a)電路 (b)邏輯符號(hào)圖11-40 CMOS傳輸門TG CMOS傳輸門的基本電路及邏輯符號(hào)如圖11-40(a)、(b)所示，它是由一只增強(qiáng)型NMOS管TN和一只增強(qiáng)型PMOS管TP按閉環(huán)互補(bǔ)形式連接而成的，設(shè)輸入模擬信號(hào)的變化范圍為-5V到+5V。為使襯底與漏極之間的PN結(jié)任何時(shí)刻都不致正偏，故TP的襯底接+5V的電壓，TN的襯底接-5V的電壓，兩管的柵極由互補(bǔ)信號(hào)電壓（+5V和-5V）來(lái)控制，分別用c和表示。

9、傳輸門的工作原理如下： 當(dāng)c端接低電平（-5V）時(shí)，TN的柵壓為-5V(c端），ui為-5V到+5V范圍內(nèi)的任意值，TN不導(dǎo)通。同時(shí)，TP的柵壓為+5V（），ui在-5V到+5V范圍內(nèi)任意取值，TP也不導(dǎo)通。所以，當(dāng)c端接低電平時(shí)，開關(guān)是斷開的。cui uo圖11-41 CMOS模擬開關(guān)TG 當(dāng)c端接高電平（+5V）時(shí)，此時(shí)TN的柵壓為+5V(c端），ui為-5V到+5V范圍內(nèi)的任意值，TN導(dǎo)通。同時(shí)，TP的柵壓為-5V（），ui在-5V到+5V范圍內(nèi)任意取值，TP也導(dǎo)通。所以，當(dāng)c端接高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通的。 由此可知，當(dāng)ui<-5V時(shí)，僅有TN導(dǎo)通，當(dāng)ui>+5V時(shí)，僅有TP導(dǎo)通

10、。當(dāng)ui在-5V到+5V的范圍內(nèi)，TN和TP兩管均導(dǎo)通。進(jìn)一步分析還可看到，一管導(dǎo)通的程度越深，另一管的導(dǎo)通將相應(yīng)減少。換句話說(shuō)，當(dāng)一管的導(dǎo)通電阻減少，則另一管的導(dǎo)通電阻就增大。由于兩管并聯(lián)運(yùn)行，可近似認(rèn)為開關(guān)的導(dǎo)通電阻為一常數(shù)。這是CMOS傳輸門的優(yōu)點(diǎn)。 由CMOS倒相器和CMOS傳輸門可構(gòu)成模擬開關(guān)。這種模擬開關(guān)常用于CMOS觸發(fā)器和A/D轉(zhuǎn)換器中，電路如圖11-41所示。 五、CMOS三態(tài)門電路 CMOS三態(tài)門實(shí)現(xiàn)的方法很多，現(xiàn)舉兩例說(shuō)明。 +UDD +UDD T4 TPui uo T2 TN ui uo T1 c c T3圖11-42 用CMOS傳輸門 圖11-43 附加MOS構(gòu)成三態(tài)

11、門 構(gòu)成三態(tài)門TG11 1利用CMOS傳輸門構(gòu)成三態(tài)門電路，如圖11-42所示。其工作原理是：當(dāng)c=“1”時(shí)，傳輸門導(dǎo)通，輸出；當(dāng)c=“0”時(shí)，傳輸門斷開，輸出為高阻狀態(tài)。2利用CMOS倒相器（由T1、T2構(gòu)成）附加一個(gè)PMOS管和一個(gè)NMOS管構(gòu)成三態(tài)門電路，如圖11-43所示。其工作原理是，當(dāng)禁止端c=“1”時(shí)，T3、T4截止，輸出高阻狀態(tài)；當(dāng)c=“0”時(shí)，則處于信息傳輸狀態(tài)，uo=ui。如何理解CMOS反相器的電壓傳輸特性? 【相關(guān)知識(shí)】：MOS管的伏安特性曲線、CMOS反相器的結(jié)構(gòu)，工作原理、靜態(tài)特性。 【解題方法】：通過(guò)逐點(diǎn)分析CMOS反相器的輸入、輸出關(guān)系，可以看出它有良好的開關(guān)特

12、性。【解答過(guò)程】：CMOS反相器電路如圖1（a）所示，圖1（b）為其電壓傳輸特性曲線。        設(shè)CMOS非門的電源電壓=10V，兩管的開啟電壓為=|=2V。        (1) 當(dāng)<2V，截止，導(dǎo)通，輸出=10V；        (2) 當(dāng)2V<<5V，和都導(dǎo)通，但的柵源電壓<的柵源電壓絕對(duì)值，即工作在飽和區(qū)，工作在可變電阻

13、區(qū)，的導(dǎo)通電阻>的導(dǎo)通電阻，所以，這時(shí)開始下降,但下降不多，輸出仍為高電平；        (3) 當(dāng)=5V，的柵源電壓=柵源電壓絕對(duì)值，兩管都工作在飽和區(qū)，且導(dǎo)通電阻相等,所以，=(/2)=5V；        (4) 當(dāng)5V<<8V，情況與（2）相反，工作在飽和區(qū)，工作在可變電阻區(qū)，的導(dǎo)通電阻>的導(dǎo)通電阻，所以變?yōu)榈碗娖剑?#160;       (5) 當(dāng)>8V，截止，導(dǎo)通，輸出=0V。        可見兩管在=/2處轉(zhuǎn)換狀態(tài),所以CMO