XH202 門電路2012

1、半導(dǎo)體三極管分為：半導(dǎo)體三極管分為：雙極型三極管雙極型三極管場效應(yīng)三極管場效應(yīng)三極管 雙極型三極管：雙極型三極管：電流控制元件，載流子有空穴、電子兩種。 場效應(yīng)三極管：場效應(yīng)三極管：電壓控制元件，僅用一種載流子參與導(dǎo)電。電子作為載流子稱為N溝道器件，空穴作為載流子的稱為P溝道器件。每一類又分為增強型和耗盡型兩種。增強型：增強型：V VGS GS = 0, = 0, 無導(dǎo)電溝道，無導(dǎo)電溝道，I ID D = 0= 0耗盡型：耗盡型：V VGS GS = 0, = 0, 有導(dǎo)電溝道，有導(dǎo)電溝道，I ID D 0 0MOS邏輯門分為三類：NMOS、PMOS、和CMOS基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)上一頁上一頁下一

2、頁下一頁返返 回回下一節(jié)下一節(jié)上一節(jié)上一節(jié)工作原理工作原理增強型增強型 MOS MOS 場效管場效管上一頁上一頁下一頁下一頁返返 回回下一節(jié)下一節(jié)上一節(jié)上一節(jié) 導(dǎo)電溝道的形成導(dǎo)電溝道的形成C1SDGSDGRO NC1SDGSDGRO N(a) (a) 截止狀態(tài)截止狀態(tài)(b) (b) 導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)MOSMOS電路的特點：電路的特點：2. 2. 是電壓控制元件，靜態(tài)功耗小。是電壓控制元件，靜態(tài)功耗小。3. 3. 允許電源電壓范圍寬（允許電源電壓范圍寬（3 3 18V18V）。）。4. 4. 扇出系數(shù)大，抗噪聲容限大。扇出系數(shù)大，抗噪聲容限大。優(yōu)點優(yōu)點1. 1. 工藝簡單，集成度高。工藝簡單，集

3、成度高。缺點：缺點：工作速度比工作速度比TTLTTL低低 。1 1、電阻負載倒相器（非門）、電阻負載倒相器（非門）G:柵極柵極D:漏級漏級S:源極源極VDD:電源電源 510VV t h:開啟電壓開啟電壓 0.52VRD:漏級負載電阻漏級負載電阻 25KT: N溝道增強型溝道增強型MOS管管VGS V t h T 導(dǎo)通導(dǎo)通VGS V t h T 截止截止假設(shè)假設(shè)V t h1.5V當(dāng)：當(dāng)：A=0時：時：VGS = 0 V t hT飽和。飽和。0ddDDDrrRVF 集成電路中非常不希望有大電阻，集成電路中非常不希望有大電阻，一個大電阻相當(dāng)一個大電阻相當(dāng)20多個管子。因此采多個管子。因此采用用MO

4、S 管做負載管。管做負載管。AF電路組成：電路組成：導(dǎo)通條件：導(dǎo)通條件：工作原理：工作原理：0 11 0GDSAFRD+VDDT T2 2: :負載管負載管 柵、漏極連在一起得的MOS管代替負載電阻RD。T T1 1：驅(qū)動管：驅(qū)動管，起倒相作用。T2負載管伏安特性曲線：VGS2 Vth2 i D2隨VGS2增加而非線性增加，T2管起到了非線性電阻的作用。01 2 3 42/GSVV2/DimA2Di2GSVFA+VDDT2T1當(dāng)輸入當(dāng)輸入A=0VA=0V時時： T1截止，T2導(dǎo)通。T1只有 n A 級漏電流。工作在負載 線A點。AB輸出電壓: F = VDD - Vth2 = 5 2 = 3

5、V設(shè)： Vth2 = 2 VVGS1 Vth1T1導(dǎo)通:工作在負載 線B點。輸出電壓:oVrrrVFdddDD121由此可知：rd2 rd1 就能很好實現(xiàn)倒相器邏輯功能。AF Vth11.5V負載管特性負載管特性V0V3FA+VDDT2T1012341/DSVV1/DimA0V2V3V4V、抗干擾能力、抗干擾能力 從從NMOS倒相器的電壓傳輸特性圖中倒相器的電壓傳輸特性圖中可以看出：可以看出：輸入低電平噪聲容限輸入低電平噪聲容限接近于接近于T1的開啟電壓的開啟電壓Vth1。VNL=1.5V輸入高電平噪聲容限輸入高電平噪聲容限:VNH=1V 提高電源電壓，加大開啟電壓，就可以提高抗干擾能力。提高

6、電源電壓，加大開啟電壓，就可以提高抗干擾能力。一般一般MOS管電源電壓為：管電源電壓為：318V。、負載能力、負載能力 負載管導(dǎo)通電阻負載管導(dǎo)通電阻rD2一般為：幾十一般為：幾十K,因而在輸出高電平時，因而在輸出高電平時，其輸出阻抗比較高。但由于下一級的輸入是其輸出阻抗比較高。但由于下一級的輸入是MOS管的柵極，其輸管的柵極，其輸入阻抗為入阻抗為1010，幾乎不取負載電流。因此，幾乎不取負載電流。因此MOS管的負載能力是很管的負載能力是很強的。強的。電壓傳輸特性電壓傳輸特性NLVNHV01234/IVV/OVV123FA+VDDT2T1、功耗、功耗當(dāng)輸入低電平時：當(dāng)輸入低電平時： T1管截止，

7、管截止，T2管導(dǎo)通，電源電流幾乎管導(dǎo)通，電源電流幾乎為為0，因此靜態(tài)功耗為，因此靜態(tài)功耗為0。當(dāng)輸入高電平時：當(dāng)輸入高電平時： T1,T2 均導(dǎo)通，但均導(dǎo)通，但T2的導(dǎo)通電阻的導(dǎo)通電阻 rd2=幾十幾十K,電源電流一般為：電源電流一般為：100200A,A,所所以靜態(tài)功耗在以靜態(tài)功耗在1mW1mW以下。以下。、工作速度、工作速度 MOS 管的延遲時間由負載電容及充、放電的電流大小決定。管的延遲時間由負載電容及充、放電的電流大小決定。當(dāng)輸入由高電平變?yōu)榈碗娖綍r：當(dāng)輸入由高電平變?yōu)榈碗娖綍r：T1管截止，管截止，T2管導(dǎo)通。充電時常數(shù)管導(dǎo)通。充電時常數(shù) = r = rd2 d2 C CL L當(dāng)輸入由

8、低電平變?yōu)楦唠娖綍r：當(dāng)輸入由低電平變?yōu)楦唠娖綍r：放電時常數(shù)放電時常數(shù) = r = rd1 d1 C CL L充電電流幾百微安充電電流幾百微安放電電流幾毫安放電電流幾毫安當(dāng)當(dāng)C CL L100pF100pF時：平均延遲時間平均延遲時間 t t p d p d = 550 ns= 550 nsNMOSNMOS倒相器的速倒相器的速度比度比TTLTTL的速度要的速度要低一至兩個數(shù)量低一至兩個數(shù)量級。級。 與非門與非門T3:負載管T1，T2 兩個串連驅(qū)動管 當(dāng)A,B中有一個低電平時，相應(yīng)的驅(qū)動管截止，輸出F為高電平。 當(dāng)A,B全為高電平時，T1，T2均導(dǎo)通，輸出 F 為低電平。ABT1T2F00止止止止

9、101止止導(dǎo)導(dǎo)110導(dǎo)導(dǎo)止止111導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)0ABF ：所以所以電路組成：電路組成：工作原理：工作原理：FAT2T1T3BT T3 3: :負載管負載管T T1 1、T T2 2 兩個并連驅(qū)作動管兩個并連驅(qū)作動管 當(dāng)A，B中只要有一個高電平時，T1，T2總有一個導(dǎo)通，輸出F為低電平。 只有A,B全為低電平，T1,T2均截止，輸出 F 才是高電平。輸出和輸入的邏輯關(guān)系是：BAFABT1T2F00止止止止101止止導(dǎo)導(dǎo)010導(dǎo)導(dǎo)止止011導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)0同理：CDABF是與或非門電路組成：電路組成：工作原理：工作原理：FT2T1T3AB-VDDFT5T1AT3C-VDDT2BT4DPMOS集成電路采用負電

10、源負電源，一般用負邏輯分析。 PMOS倒相器，與非門，或非門電路結(jié)構(gòu)形式與NMOS完全相同，不同之處PMOS電源電壓為VDD,驅(qū)動管和負載管均是增強型PMOS管。開啟電壓為負2V。1 1、PMOSPMOS倒相器倒相器PMOS采用負電源，用負邏輯分析：輸入信號高電平為 0 V輸入信號低電平為5 V用邏輯用邏輯“0”0”表表示示用邏輯用邏輯“1”1”表示表示當(dāng) A = 0 V 時：VGS1= 0 V| VGS1 | | V t h | T1導(dǎo)通，F(xiàn)=0所以：AF 區(qū)別區(qū)別V0 V5FA-VDDT2T1 A BPMOS管管 F電壓電壓真值真值電壓電壓真值真值T1T2電壓電壓真值真值-5 1-5 1導(dǎo)

11、導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo) 00-5 1 0 0導(dǎo)導(dǎo)止止-51 0 0-5 1止止導(dǎo)導(dǎo)-51 0 0 0 0止止止止-51 A BPMOS管管 F電壓電壓真值真值電壓電壓真值真值T1T2電壓電壓真值真值-5 0-5 0導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo)導(dǎo) 01-5 0 0 1導(dǎo)導(dǎo)止止-50 0 1-5 0止止導(dǎo)導(dǎo)-50 0 1 0 1止止止止-50有有0為為1,全全1為為0。是負邏輯與非門。是負邏輯與非門。ABF 用負邏輯分析：BAF用正邏輯分析：有1為0,全0為1。是正邏輯或非門FAT2T1T3B-VDD 用和與非門同樣的分析方法，得出是負邏輯的或非門，也是正邏輯的與非門。NMOS管用正電源。正邏輯分析。0止止1導(dǎo)通。導(dǎo)通。PMOS管用負

12、電源。負邏輯分析。也是也是 0止止1導(dǎo)通。導(dǎo)通。PMOS管優(yōu)點：成品率高，價格便宜，曾廣泛使用。 PMOS管優(yōu)點：導(dǎo)通功耗大，工作速度低，負載管導(dǎo)通電阻要求大，不利于大規(guī)模集成，現(xiàn)在用的比較少。FT2T1T3AB-VDDNMOS,PMOSNMOS,PMOS電路存電路存在三個問題：在三個問題： 負載管一直導(dǎo)通，當(dāng)驅(qū)動管導(dǎo)通時，電源與地之間有靜態(tài)電流，所以功耗大。 要保證輸出低電平，要求 rd2rd1不利于大規(guī)模集成。 當(dāng)驅(qū)動管截止時，由于負載管導(dǎo)通電阻rd2很大，對容性負載充電時間很長，使電路工作速度緩慢。 CMOS(CMOS(Complementary -Symmetry MOS互補對稱式互補

13、對稱式MOS)MOS)集成電路由集成電路由 P P 溝道和溝道和 N N 溝道增強型溝道增強型 MOS MOS 管串連組成，管串連組成，CMOSCMOS電路能有效解決上述問題。電路能有效解決上述問題。TPTNVDDVI IVO O 電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：PMOS作負載管，開啟電壓為負V t h 。NMOS作輸入管，開啟電壓為正 V t h 。兩個柵極兩個柵極G G并聯(lián)作輸入端。并聯(lián)作輸入端。G兩個漏極兩個漏極D D串連作輸出端。串連作輸出端。DD 兩個襯底都和源極S接在一起，PMOS管源極接電源VDD，NMOS管源極接地。 正常工作條件：正常工作條件： 電源電壓大于兩管開啟電壓絕對值之和。VDD

14、 | V t h P |+ V t h NSS 工作原理工作原理假設(shè)：PMOS管 V t h P 2.5VNMOS管 V t h N = 2 VVDD = 5 V當(dāng)當(dāng) VI = 0 V 時：時： NMOS管 VGSN = 0 |V t h P| ，TP管導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻R on = 103 1DDoffoffonDDVRRRVFV0TPTNVDDVI IVO OoffRonRDDV當(dāng)當(dāng) VI= 5 V 時：時： NMOS管VGSN = 5V V t h N TN管導(dǎo)通，其導(dǎo)通電阻 R on = 103 。 PMOS管 VGSP = 5V - V DD= 0 V | VGSP | | V t h

15、 P | TP管截止，其導(dǎo)通電阻R off = 1091012, F = 0。 以上分析：以上分析：輸入是0,輸出是1,實現(xiàn)倒相關(guān)系，AF PMOS 管，啟為負，啟為負，0 0導(dǎo)導(dǎo)1 1截止。截止。NMOS 管，啟為正，啟為正，0 0止止1 1導(dǎo)通。導(dǎo)通。 倒相器工作過程中，兩管輪流導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻小，截止電阻大，所以靜態(tài)電流只有 n A 級。低功耗是低功耗是CMOSCMOS倒相器的倒相器的重要特點。重要特點。TPTNVDDVI IVO O電壓傳輸特性：v o = f ( vi ) 電流傳輸特性： i o = f ( v I )從電壓傳輸特性曲線可以看出： CMOS閾值電平 V t h = VD

16、D， 并以閾值電平為分界線。VI VDD 輸出 VO = “0” VI = VDD TP、TN 都飽和導(dǎo)通，這一瞬間有大電流通過，在其它區(qū)域總有一個導(dǎo)通，另一個截止。所以 i D 電流較小。thVOViVthNVDDV21DDVthPDDVVDDV123450DiiVthNVDDVthPDDVV123450thV、靜態(tài)功耗極低，僅幾十納瓦、靜態(tài)功耗極低，僅幾十納瓦 CMOS倒相器工作在1和5工作區(qū)，總有一個MOS管處于截止狀態(tài)，有極小漏電流流過。只有在急劇翻轉(zhuǎn)的第3區(qū)才有較大的電流，因此動態(tài)功耗會增大。 CMOS倒相器在低頻工作時，功耗極小，低功耗時CMOS的最大優(yōu)點。、抗干擾能力較強、抗干擾

17、能力較強 由于閾值電平近似等于 VDD，輸入高、低電平的噪聲容限隨電源的升高而提高。所以抗干擾能力增強。DiiVthNVDDVthPDDVV123450thVOViVthNVDDV21DDVthPDDVVDDV123450、電源利用率高、電源利用率高 VOH = VDD , 同時 V t h 隨 VDD 變化而變化。允許VDD的變化范圍為3V18V。、輸入阻抗高，帶負載能力強、輸入阻抗高，帶負載能力強 扇出系數(shù)NO = 50 ,下一級是絕緣柵幾乎不取電流，所以可帶50個同類門電路。CMOS門的輸出端在靜態(tài)時，一個導(dǎo)通，另一個截止。動態(tài)時，兩管均導(dǎo)通，所以輸出端不可以并聯(lián)。4 4、輸入特性和輸出

18、特性、輸入特性和輸出特性、輸入特性、輸入特性 CMOS電路的柵極和襯底之間是絕緣柵，其直流電阻高達1012,只要有少量電量便可感生出足可以擊穿氧化層，造成永久損壞。因此，在CMOS輸入端都加有保護電路。IiiVDDV0V1 D1、D2是保護二極管，正向壓降是保護二極管，正向壓降1V，反向，反向擊穿電壓擊穿電壓30V。 D1是是P型擴散區(qū)和型擴散區(qū)和N型襯底間自然形成的分型襯底間自然形成的分布二極管結(jié)構(gòu)，用一條虛線和兩個二極管表示。布二極管結(jié)構(gòu)，用一條虛線和兩個二極管表示。C1、C2是是TP、TN管柵極等效電容。管柵極等效電容。R是限流電阻，阻值是限流電阻，阻值13K。加保護電路的輸入特性加保護

19、電路的輸入特性: : 當(dāng)輸入當(dāng)輸入 0 V0 VVDDDD+V+VD D時：時：保護二極管保護二極管D D1 1導(dǎo)通，輸入電導(dǎo)通，輸入電流流 i i I I 迅速增加，同時將迅速增加，同時將TP、TN管柵極電壓鉗位于管柵極電壓鉗位于V VDDDD+V+VD D。保證加在。保證加在C C2 2上的電壓，不超過其耐壓極限。上的電壓，不超過其耐壓極限。 當(dāng)輸入當(dāng)輸入V VI I 109。傳輸門截止。輸入信號不能通過。0CVCDD TN、TP均導(dǎo)通，輸入和輸出之間電阻 U UT T導(dǎo)通導(dǎo)通有源有源負載負載( (非線性電阻非線性電阻) )實際結(jié)構(gòu)實際結(jié)構(gòu)UCCuiuo33 MHzgm2gm1T2的導(dǎo)通電

20、阻的導(dǎo)通電阻 T1的導(dǎo)通電阻的導(dǎo)通電阻“1”“0”“0”“1”即：即：T2的導(dǎo)通管壓降的導(dǎo)通管壓降 T1的導(dǎo)通管壓降的導(dǎo)通管壓降+UDDAYT2T133 MHz“1”“0”有有“0”全全“1”有有“1”“0”全全“0”“1”Y=A BY=A+B+UDDBYT2T3AT1Y+UDDT3AT1BT233 MHzComplementary -Symmetry MOS( (互補對稱式互補對稱式MOS)MOS)33 MHz2. CMOS2. CMOS與非門與非門&ABF工作原理工作原理+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 FBAF33 MHzA B T1 T2 T3 T4 F ABF工作原理工作原理+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 0 3. CMOS3. CMOS或非門或非門BAF33 MHzi3VT Viii33 MHziii3VT V33 MHzTGuiuOCCTGuiuiCC1“1”TGuiuiCC1“0”33 MHz33 MHz想一想：想一想：如何構(gòu)造如何構(gòu)造C