第8章動(dòng)態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)電路

第八章動(dòng)態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)MOS電路

內(nèi)容提要?jiǎng)討B(tài)電路的基本概念動(dòng)態(tài)MOS倒相器動(dòng)態(tài)MOS電路前面我們所分析的各種MOS電路都屬于靜態(tài)電路。其特點(diǎn)是：1：可在低頻及直流下工作，邏輯結(jié)果可長(zhǎng)期穩(wěn)定地保持；2：電路形式與雙極型電路類似；3：各種復(fù)雜電路可分解為以倒相器為基礎(chǔ)的單元電路。

靜態(tài)MOS電路的弱點(diǎn)是：1：不工作時(shí)，靜態(tài)功耗不為零；2：對(duì)E/EMOS電路來說，由于是有比電路，集成度不高，速度較低；3：電路形式復(fù)雜?；陟o態(tài)電路的這些缺點(diǎn)，立足于MOS管的柵電容電荷存貯效應(yīng)，派生了MOS邏輯電路的一大分支，動(dòng)態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)電路。其顯著優(yōu)點(diǎn)是：電路形式可以大大簡(jiǎn)化，有利于集成度及速度的提高§8-1柵電容的電荷存貯效應(yīng)

MOS管的輸入柵極具有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：a：具有較小的柵電容CGS，一般為零點(diǎn)幾pfb：具有極高的輸入阻抗RGS，一般大于1010。當(dāng)外加一電平于柵極時(shí)，由于CGS很小，可以很快使VGS上升到外加電平；當(dāng)外加電平撤除時(shí)，CGS通過極大的RGS放電，放電時(shí)間常數(shù)很長(zhǎng)，~ms數(shù)量級(jí)，也就是說柵電容能夠?qū)㈦姾蓵簳r(shí)存貯一段時(shí)間，這就是柵電容的電荷存貯效應(yīng)。這就是動(dòng)態(tài)MOS電路的基礎(chǔ)。

如圖所示：起始狀態(tài)：VGS=0V0=1當(dāng)t=t0時(shí)，K閉合當(dāng)t=t1時(shí)，K斷開VGS通過RGS放電。只要開關(guān)閉合一個(gè)很短的時(shí)間，由于柵電容的電荷存貯效應(yīng)，就能使輸入管較長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)通，從而使輸出在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持低電平輸出。通常τ=RGSCGS~ms，而信號(hào)頻率一般為μs至ns量級(jí)，因此可認(rèn)為柵電容存貯的電荷是沒有衰減。以電子開關(guān)代替圖中的開關(guān)S，則構(gòu)成了動(dòng)態(tài)MOS倒相器?！?-2動(dòng)態(tài)MOS倒相器根據(jù)輸出低電平與的關(guān)系，動(dòng)態(tài)MOS倒相器也分為有比電路與無比電路兩類。一．動(dòng)態(tài)有比MOS倒相器1：結(jié)構(gòu)：在靜態(tài)有比MOS倒相器的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)由cp控制的門控管，起電子開關(guān)的作用。

2：原理CP為時(shí)鐘，可認(rèn)為在CP間隔內(nèi)，VCGS無變化。起始狀態(tài)：Vi=0CP

=0VGS=0V0=1當(dāng)t=t0時(shí)：Vi=1

由于CP

=0傳輸門截止，狀態(tài)不變當(dāng)t=t1時(shí)，Vi=1CP

=1傳輸門導(dǎo)通狀態(tài)翻轉(zhuǎn)VGS=1V0=0當(dāng)t=t2時(shí)，Vi=1CP

=0T3

截止柵電容存貯效應(yīng)：VGS=1V0=0維持當(dāng)t=t3時(shí)：Vi=0CP=0

柵電容存貯效應(yīng)：VGS=1V0=0維持當(dāng)t=t4時(shí)：Vi=0CP=1T3導(dǎo)通狀態(tài)翻轉(zhuǎn)VGS=0V0=1

3：特點(diǎn)：a：由于V0=VOL時(shí)：TI，TL均導(dǎo)通，VOL的大小

βR由決定，故稱動(dòng)態(tài)有比MOS倒相器；b：輸出具有延時(shí)功能。4：改進(jìn)：當(dāng)CP同時(shí)控制門控管及負(fù)載管的柵極時(shí)，構(gòu)成低功耗型動(dòng)態(tài)有比MOS倒相器起始：CP，Vi，VD，V0均為零t=t0Vi=0

CP

“0”→“1”T1截止，T2、T3導(dǎo)通

VD“0”→“1”V0“0”→“1”t=t1Vi=“0”→“1”CP=0T1導(dǎo)通，T3截止

VD=“1”→“0”V0=“1”t=t2Vi=“1”CP“0”→“1”T1，T2，T3均導(dǎo)通

VD=0V0=“0”t=t3Vi=“1”→“0”VCP=0VD=0V0=“0”t=t4Vi=0VCP=“0”→“1”VD=“0”→“1”V0“0”→“1”

由于只有CP=“1”時(shí)，倒相器才有負(fù)載電流流過，而CP時(shí)間很短，故功耗低。二．動(dòng)態(tài)無比MOS倒相器1：結(jié)構(gòu)：動(dòng)態(tài)無比MOS倒相器是一種用兩相具有相位差的時(shí)鐘控制的電路。

2：原理：起始狀態(tài)：

Vi=0，VCP1，VCP2，VD，V0均為零t=t0CP1=“0”→“1”Vi=0，CP2=0T1、T3

截止，T2導(dǎo)通，ID對(duì)C1充電

VD=“0”→“1”V0=0t=t1Vi=“0”，CP1=“0”，CP2=“0”→“1”T1、T2截止，T3導(dǎo)通，C1的電荷傳輸?shù)?/p>

C2，當(dāng)C1>>C2時(shí)，可認(rèn)為無壓降變化

VD=“1”，V0=“0”→“1”t=t2，Vi，CP1均“0”→“1”，CP2=0T1、T2導(dǎo)通，T3截止

C1通過T1部分放電，使VD下降

V0=“1”

倒相器中有導(dǎo)通電流流過t=t3Vi=“1”CP1=“0”→“1”CP2=0C1通過導(dǎo)通的T1放電，T3截止

VD=“0”，V0=“1”t=t4Vi=“1”CP1=“0”CP2=“0”→“1”T1、T3導(dǎo)通，T2截止，

C2通過T3、T1放電

VD=“0”，V0=“1”→“0”3：特點(diǎn)：a：輸出低電平與βR無關(guān)（電容放電獲得），故為無比電路，對(duì)集成度有利；b：具有延時(shí)功能；c：CP控制負(fù)載管柵極，而VCP>VDD，故速度較高，功耗較小。4：改進(jìn)：低功耗動(dòng)態(tài)無比MOS倒相器

CP1=“1”，預(yù)置“1”電平，同時(shí)對(duì)Vi采樣；

CP1=“0”，賦予邏輯電平；

CP2=“1”，輸出；只有CP1=“1”時(shí)，才有功耗§8-3動(dòng)態(tài)MOS電路

與靜態(tài)MOS倒相器一樣，靜態(tài)MOS電路加上一只門控管，則構(gòu)成動(dòng)態(tài)MOS電路。當(dāng)門控管與負(fù)載管同由CP控制時(shí)，為有比動(dòng)態(tài)MOS電路。當(dāng)門控管與負(fù)載管分別由具有一定相位差的兩相時(shí)鐘控制時(shí)，是動(dòng)態(tài)無比MOS電路，兩者的邏輯關(guān)系是一致的。

一．動(dòng)態(tài)MOS門電路1：與非門電路

（b）為動(dòng)態(tài)無比電路；當(dāng)V0=“1”→“0”，對(duì)應(yīng)CP2→“1”，CP1=“0”TA、TB導(dǎo)通，TL截止故VOL與βR無關(guān)。（a）為動(dòng)態(tài)有比電路；當(dāng)V0=“1”→“0”，對(duì)應(yīng)CP=“0”→“1”，TA、TB導(dǎo)通，TL導(dǎo)通故VOL與βR有關(guān)。2：或非門電路動(dòng)態(tài)MOS觸發(fā)器1：結(jié)構(gòu)：在靜態(tài)MOS觸發(fā)器的兩根反饋線上各加一只門控管，并以cp1

、cp2

控制，則構(gòu)成動(dòng)態(tài)MOS觸發(fā)器。其中，一相時(shí)鐘稱轉(zhuǎn)移時(shí)鐘cp1

；另一相稱延時(shí)轉(zhuǎn)移時(shí)鐘cp2

，cp3

稱取樣時(shí)鐘。

2：原理：起始狀態(tài)：D=1，Q=0，VA=“1”，

cp1、cp2、cp3=0，

VC1=“0”，VC2=“1”t=t0：cp1，cp2=0，D=1，cp3=“0”→“1”，

VC1=“0”→“1”，VA=“1”→“0”t=t1：cp1=“0”→“1”，cp2、cp3=0

VC1=1，VA=0，

VC2=“1”→“0”

Q=“0”→“1”t=t2：cp1，cp3=0，cp2=“0”→“1”VC2=“0”

VDD通過門控管對(duì)C1維持性充電

VC1=“1”t=t3：cp1，cp2，cp3=0，VA=“0”

Q=1

可接受下一個(gè)輸入信號(hào)。

3：特點(diǎn)：不能長(zhǎng)期穩(wěn)定保存邏輯結(jié)果。三．動(dòng)態(tài)MOS移位寄存器1：結(jié)構(gòu)：

利用動(dòng)態(tài)MOS倒相器的“倒相”，“延時(shí)”兩種功能，將其串聯(lián)起來使用，便實(shí)現(xiàn)了移位寄存器功能。

下面介紹一個(gè)六管動(dòng)態(tài)MOS移位寄存器單元電路，由兩個(gè)低功耗型動(dòng)態(tài)無比MOS倒相器構(gòu)成。Φ1，Φ2為雙向非重疊時(shí)鐘信號(hào)

2：原理：設(shè)起始狀態(tài)：V1=0t11期間：

Φ1=1，Φ2=0，預(yù)充電期；

不管Vi狀態(tài)如何，總有T11飽和導(dǎo)通，T21

截止，Φ1通過T11對(duì)預(yù)充電；t12期間，Φ1=0，Φ2=0，賦值期；

此時(shí)總有T11截止，狀態(tài)由決定，當(dāng)

Vi=1時(shí)，V2=0，即由Vi對(duì)V2賦值。t13期間，Φ1=0，Φ2=1，取樣期；

V2保持，T31導(dǎo)通，V2傳輸?shù)絍3，相當(dāng)

于第二個(gè)倒相器對(duì)前級(jí)邏輯狀態(tài)取樣；與

此同時(shí)，Φ2通過飽和導(dǎo)通的向預(yù)充電，進(jìn)入第二個(gè)倒相器的預(yù)充電期。同理：T14期間為第二個(gè)倒相器的賦值期，T21為第二個(gè)倒相器的取樣期。波形分析如圖示。

可見，1、2各來一個(gè)脈沖后，輸入端信號(hào)Vi向輸出端V5位移一次。

若將Vi視為D端，V5視為Q端，則有：Qn+1=Dn，故具有動(dòng)態(tài)D觸發(fā)器功能。3：特點(diǎn)：1、不能長(zhǎng)期穩(wěn)定地保持信號(hào)輸出；2、功耗低；3、無比電路適于集成化；4、比靜態(tài)電路簡(jiǎn)單；四．動(dòng)態(tài)電路的工作頻率

動(dòng)態(tài)MOS電路的共同特點(diǎn)是必須在動(dòng)態(tài)條件下工作，即要求時(shí)鐘脈沖不停的作用，當(dāng)時(shí)鐘停止或頻率過低時(shí)，存貯在柵電容上的信號(hào)因放電消失，電路將失去原有的功能而失效。

因此，動(dòng)態(tài)電路具有一個(gè)最低工作頻率。以動(dòng)態(tài)移位寄存器為例，要求：

V1=Vci1在賦值期間t12不變[Φ1后沿到Φ2前沿]

V3=VCB在賦值期間t14不變[Φ2后沿到Φ1前沿]

即t12≤Vci1上的電荷存貯時(shí)間τci1

t14≤Vci2上的電荷存貯時(shí)間τci2

欲正常工作，時(shí)鐘脈沖最大周期應(yīng)小于

TMAX=T11+T12+T13+T14T12+T14

設(shè)在放電時(shí)間常數(shù)內(nèi)，電位視作不變：

一般脈沖的高電平期比低電平期短得多，按最壞情況處理（忽略脈沖寬度）：

對(duì)柵電容賦值時(shí)，實(shí)際上也存在一個(gè)柵電容的充放電時(shí)間，這個(gè)時(shí)間決定了時(shí)鐘頻率的上限。對(duì)“1”電平：

最低時(shí)鐘頻率主要由版圖，工藝定，且與溫度有關(guān)，一般為KHZ數(shù)量級(jí)，200～300HZ；最高時(shí)鐘頻率則主要由電路形式?jīng)Q定，取決于對(duì)節(jié)點(diǎn)電容充放電回路的等效阻抗，差別很大。

§8-4準(zhǔn)靜態(tài)MOS觸發(fā)器動(dòng)態(tài)電路利用柵電容存貯效應(yīng)：優(yōu)點(diǎn)：元件少，功耗低，速度高，易于集成化；缺點(diǎn)：對(duì)時(shí)鐘頻率有要求，不能長(zhǎng)期保存信號(hào)。

靜態(tài)電路恰恰具有能長(zhǎng)期保存信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，由此，利用靜態(tài)電路的直流存貯性能和動(dòng)態(tài)電路的柵電容存貯效應(yīng)，發(fā)展了一種介于兩者之間