数字电路逻辑设计课件：3-4.PPT

1、3.4MOS逻辑门3.4.13.4.1MOS晶体管晶体管3.4.23.4.2MOS反相器和门电路反相器和门电路图3-4-1 N沟道增强型MOS管N+N+SGDSiO2P- -Si(a) 结构示意图结构示意图(b) 符号符号SGD3.4.13.4.1MOS晶体管晶体管MOS（Metal Oxide Semiconductor）集成电路的基本元件）集成电路的基本元件是是MOS晶体管。晶体管。MOS管有三个电极：源极管有三个电极：源极S、漏极、漏极D和栅极和栅极G。它是用栅极电压来控制漏源电流。它是用栅极电压来控制漏源电流。MOS管有管有P型沟道和型沟道和N型沟道两种，按其工作特性又分为增型沟道两种

2、，按其工作特性又分为增强型和耗尽型两类。下面以强型和耗尽型两类。下面以N沟道增强型沟道增强型MOS管为例进行讨论。管为例进行讨论。图3-4-2 N沟道增强型MOS管输出特性曲线OiDSvDS()非非饱饱和和区区()非饱和区非饱和区()截止区截止区vDS= vGS- -VGS(th)NvGS0输出特性曲线和阈值电压输出特性曲线和阈值电压输出特性曲线表示在一定栅源电压输出特性曲线表示在一定栅源电压vGS下，漏源电流下，漏源电流iDS和漏和漏源电压源电压vDS之间的关系。之间的关系。非饱和区：非饱和区：vDS很小，很小，当满足当满足vDS(vGS- -VGS(th)N)时，时， iDS基本上随基本上

3、随vDS线性上升。线性上升。vGS越大，曲线越陡，相应越大，曲线越陡，相应等效电阻越小。该区域又等效电阻越小。该区域又称为称为可调电阻区域可调电阻区域。饱和区：饱和区：当当vDS(vGS- -VGS(th)N)以后，漏极附近的沟道被夹断。以后，漏极附近的沟道被夹断。iDS不随不随vDS线性上升，而是达到某一数值，几乎近似不变。线性上升，而是达到某一数值，几乎近似不变。图3-4-3 N沟道MOS 管转移特性OiDSvGSVGS(th)NvDS=常数常数截止区：截止区：vGSVGS(th)N，还没有形成导电沟道，因此，还没有形成导电沟道，因此iDS=0。转移特性和跨导转移特性和跨导MOS管的转移特

4、性是指在漏源电压管的转移特性是指在漏源电压vDS一定时，栅源电压一定时，栅源电压vGS和漏源电流和漏源电流iDS之间的关系。之间的关系。当当vGSVGS(th)N后，在后，在vDS作用下才形成作用下才形成iDS电流。电流。vGS和和iDS之间的关系，通常用跨导之间的关系，通常用跨导gm这个参数表示。即：这个参数表示。即：常数常数 DSGSDSmvvig它表明了它表明了vGS对对iDS的控制能力，数值越大，栅极控制作用越强。的控制能力，数值越大，栅极控制作用越强。输入电阻和输入电容输入电阻和输入电容MOS管的栅、源两极通常作为输入端，输入电阻实质上就管的栅、源两极通常作为输入端，输入电阻实质上就

5、是介质是介质SiO2层的绝缘电阻。若层的绝缘电阻。若SiO2的厚度在的厚度在0.15m左右，绝缘左右，绝缘电阻可达电阻可达1012以上。以上。MOS管的高输入电阻，使得其静态负载能力很强；栅极泄管的高输入电阻，使得其静态负载能力很强；栅极泄漏电流很小，可以将信息在输入端的栅极电容上暂存，为动态漏电流很小，可以将信息在输入端的栅极电容上暂存，为动态MOS电容和大规模存储电路的实现创造了条件。电容和大规模存储电路的实现创造了条件。MOS管的输入电容是指栅、源之间存在很小的寄生电容，管的输入电容是指栅、源之间存在很小的寄生电容，其数值约为百分之几皮法到几皮法。其数值约为百分之几皮法到几皮法。直流导通

6、电阻直流导通电阻MOS管导通时，漏源电压管导通时，漏源电压vDS和漏源电流和漏源电流iDS的比值称为直流的比值称为直流导通电阻导通电阻DSDSonivr 3.4.23.4.2MOS反相器和门电路反相器和门电路在在MOS集成电路中，反相器是基本的单元。按其结构和负集成电路中，反相器是基本的单元。按其结构和负载不同，可大致分为四种类型。载不同，可大致分为四种类型。(1) 电阻负载电阻负载MOS电路电路(2) E/E MOS（Enhancement/Enhancement MOS）反相器）反相器(3) E/D MOS（Enhancement/Depletion MOS）反相器）反相器(4) CMOS

7、（Complementary MOS）反相器）反相器其中电阻负载其中电阻负载MOS电路的输入器件是增强型电路的输入器件是增强型MOS管，负载管，负载是线性电阻，这种反相器在集成电路中很少使用。是线性电阻，这种反相器在集成电路中很少使用。本节主要讨论以本节主要讨论以MOS管作为负载器件的反相器及逻辑门电管作为负载器件的反相器及逻辑门电路。路。图3-4-4 E/E MOS反相器SGDSGDvIvOVDDTLT0E/E MOS反相器及逻辑门电路反相器及逻辑门电路特点：特点：(1) 单一电源，结构简单；单一电源，结构简单；(2) 负载管始终工作于饱和区，工作速度低，功耗大；负载管始终工作于饱和区，工作

8、速度低，功耗大；(3) 最大输出电压为最大输出电压为VDD- -VGS(th)NL，有不必要的电源损耗；，有不必要的电源损耗；(4) 输出高、低电平之比输出高、低电平之比VOH/VOL =2gm0/gmL，又称为，又称为“有比有比电路电路”。图3-4-5 E/E MOS反相器的图解分析OiDSvDSLVGS(th)NLiDS=k(vDSL- VGS(th)NL)2OiDSvDS0VDD-VGS(th)NLVDDABTLT0(a)(b)图3-4-6 E/E MOS与非门、或非门电路AYVDDTLT1BT2YVDDTLAT1BT2(a) E/E MOS与非门与非门(b) E/E MOS或非门或非门

9、E/E MOS与非与非门、门、或非或非门电路门电路只有当输入信号大于只有当输入信号大于VGS(th)NL时，对应的输入管才导通，否时，对应的输入管才导通，否则截止。则截止。图3-4-7 E/E MOS与门、或门电路AVDDT3T2BT1T3AT1BT2(a) E/E MOS与门(b) E/E MOS或门YT5T4VDDYT5T4E/E MOS与与门、门、或或门电路门电路常用常用E/E MOS门电路还有采用门电路还有采用PMOS管的，其电路形式与管的，其电路形式与NMOS相同，不同的是：相同，不同的是：(1) 电源电压为负电压电源电压为负电压(- -VDD)；(2) 输输出高电平为出高电平为0V

10、，输出低电平为，输出低电平为- -VDD-(-(-VGS(th)PL)。图3-4-8 E/D MOS反相器SGDSGDvIvOVDDTLT0E/D MOS反相器及逻辑门电路反相器及逻辑门电路特点：特点：(1) 最大输出电压最大输出电压VOH=VDD,充分利用电源；充分利用电源；(2) 负载管在反相器开态时，具负载管在反相器开态时，具有恒流作用，可提高工作速度；有恒流作用，可提高工作速度；(3) 制造中，尽量使制造中，尽量使|VGS(off)P|减小，减小，使使VOL接近接近0V。图3-4-9 N沟道耗尽型MOS管特性曲线OiDSvDSvGS0vGS0vGS=0图3-4-10 E/D MOS反相器负载线 的图解分析OiDSvDS0VDDABTLT0vI=VDD图3-4-11 E/D MOS逻辑门电路AY=ABVDDTLT1BT2Y =A+BVDDTLAT1BT2(a) E/D MOS或非门或非门(b) E/D MOS与非门与非门E/D MOS与非与非门和门和或非或非门电路门电路以上介绍的以上介绍的MOS门电路都是静态门电路，功耗比较大，不门电路都是静态门电路，功耗比较大，不便于组成大规模集成电路。在大规模集成电路中采用的是动态便于组成大规模集成电路。在大规模集成电路中采用的是动态MOS逻辑电路，以减小功耗。逻辑电路，以减小功耗。