数字电子技术经典教程CMOS门电路课件.ppt

1、与非门与非门的逻辑功能：的逻辑功能： 输入有输入有“0”，输出为，输出为“1” 输入全为输入全为“1”，输出才为，输出才为“0”F1=AB或非门或非门的逻辑功能：的逻辑功能： 输入有输入有“1”，输出为，输出为“0” 输入全为输入全为“0”，输出才为，输出才为“1”F2=A+B问题的提出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？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？异或门异或门的逻辑功能：的逻辑功能： 输入相同，输出为输入相同，输出为“0” 输入不同，输出为输入不同，输出为“1”ABF=1F=

2、A B问题的提出问题的提出本章的教学目标本章的教学目标 理解理解CMOS门电路结构与工作原理门电路结构与工作原理 掌握掌握CMOSCMOS门电路外特性，正确使用门电路外特性，正确使用CMOSCMOS门电路门电路 理解理解TTL门电路结构与工作原理门电路结构与工作原理 掌握掌握TTLTTL门电路外特性，正确使用门电路外特性，正确使用TTLTTL门电路门电路门电路的分类门电路的分类集集成成逻逻辑辑门门双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门按制造工艺分按制造工艺分PMOSNMOSCMOS按集成度分按集成度分SSI（ 10个等效门）个等效门）MSI（100100个等效门）个等效门）

3、LSI （10104 4个等效门）个等效门）VLSI（10104 4个以上等效门）个以上等效门）TTL、ECLI2L、HTL2.1 CMOS2.1 CMOS门电路门电路MOSMOS管的开关特性管的开关特性CMOSCMOS反相器反相器CMOSCMOS与非门和或非门与非门和或非门CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性CMOSCMOS传输门传输门改进型改进型CMOSCMOS门电门电路路MOSMOS管的开关特性管的开关特性 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

4、N沟道MOS管（NMOS）和P沟道MOS管（PMOS），它们的工作原理基本相同。P型衬底BSiO2N+N+SDG 取一块取一块P型半导体作为衬底，型半导体作为衬底，用用B表示。表示。 用氧化工艺生成一层用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜绝缘层。薄膜绝缘层。 用光刻工艺腐蚀出两个孔。用光刻工艺腐蚀出两个孔。 扩散两个高掺杂的扩散两个高掺杂的N型区。型区。从而形成两个从而形成两个PN结。（绿色部结。（绿色部分）分） 从从N型区引出电极，一个是型区引出电极，一个是漏极漏极D，一个是源极，一个是源极S。 在源极和漏极之间的绝缘层在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极上镀一层金属铝作为栅极G。DG

5、SBDGSBNMOS管的结构和符号管的结构和符号 1 1 vDS=0，vGS0SDGPN+N+SiO型衬底DSUGSU2=0空穴正离子电子负离子 vGS0将在绝缘层产生电场，将在绝缘层产生电场， 该电场将该电场将SiO2绝缘层下方的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。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 产生有漏极电流产生有漏极电流ID。这说这说明明vGS对对ID的控制作用。的控制作用。0DSUMOS管的工作原理管的工作原理 2 2 vDS0，vGS0 思考：思考：何谓反型层？何谓开启何谓反型层？何谓开启电压？电压？NMOS管和管和PMOS管的

6、通断条件管的通断条件NMOS当当vGSVTN时导通时导通当当vGSVTN时截止时截止PMOS当当 vGS VTP时导通时导通 当当 vGS VTP时截止时截止 （1）当）当vGS=0时，时，rds可达到可达到106。当。当vGS增加时，增加时，rds减小减小，最小可达到，最小可达到10左右，因此，左右，因此，MOS管可看成由电压控制管可看成由电压控制的电阻。的电阻。（2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。管的门极有非常高的输入阻抗。MOS管的电路模型管的电路模型 CMOS反相器的电路结构反相器的电路结构CMOSCMOS反相器反相器漏极相连漏极相连做输出端做输出端PMOSNMOS柵极相连柵极相连

7、做输入端做输入端 CMOS非门的工作原理非门的工作原理CMOSCMOS反相器反相器 如果将如果将0V定义为定义为0，逻辑，逻辑VDD定义为逻辑定义为逻辑1，将实现逻辑将实现逻辑“非非”功能功能 。AF 1.1.当当vI=0V时，时，vGSN=0V，VTN截止，截止， vGSP =VDD ，VTP导通，导通，vOVDD，门电路输出输出高电平；门电路输出输出高电平；2.当当vI=VDD时，时，VGSN=VDD ，VTN导通，导通， VGSP =0V，VTP截止，截止，vO0V，门电路输出低电平，门电路输出低电平。 CMOS与非门与非门CMOSCMOS或非门和与非门或非门和与非门00通通通通止止止止

8、1ABY CMOSCMOS或非门和与非门或非门和与非门止止止止100通通通通 CMOS二输入或非门二输入或非门BAY思思 考考 题题 CMOS门电路结构上有什么特点？门电路结构上有什么特点？ 如何分析如何分析CMOS门电路的逻辑功能？门电路的逻辑功能？1 1电压传输特性电压传输特性 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，就称为门电路的路的电压传输特性电压传输特性。 V2vIvOV11CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性测量电路测量电路vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/VAB段段：vI1.5V， VTN截止，截止， VTP

9、导通，输出电压导通，输出电压vOVDD CD段段：vI3.5V， VTN导通，导通， VTP截止，输出电压截止，输出电压vO0V BC段段：1.5VvI3.5V ，VTP、VTN均导通。当均导通。当vI =VDD2时，时， VTP和和VTN 导通程度相当。导通程度相当。CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/VAB段段：VTN管截止，电阻非常大，所以流过管截止，电阻非常大，所以流过VTN和和VTP管的管的漏极电流几乎为漏极电流几乎为0。 CD段段：VTP管截止，电阻非常大，所以流过管截止，电阻非常大，所以流过VTN和和VTP管的管的漏极电

10、流也几乎为漏极电流也几乎为0。 BC段段：两个管均导通，电阻很小，所以流过：两个管均导通，电阻很小，所以流过VTN和和VTP管的管的漏极电流也很大。漏极电流也很大。 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性动态尖峰电流动态尖峰电流 CD4000 系列门电路的系列门电路的极限参数（极限参数（ VDD=5V）输出高电平电压输出高电平电压VOH ，VOH（min）= VDD-0.1V输出低电平电压输出低电平电压VOL ，VOL（max）= 0.1V输入高电平电压输入高电平电压VIH ，VIH（min）= 70%VDD输入低电平电压输入低电平电压VIL，VIL（max）= 30%VDD 阈值电

11、压阈值电压VTH=1/2VDDCMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性噪声容限噪声容限 低电平噪声容限低电平噪声容限高电平噪声容限高电平噪声容限CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性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 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平例：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

12、入低电平，最大输入低电平VIL（max）=1.5V，最小输出高电平，最小输出高电平 VOH（max）=4.9V，最小输入高电平，最小输入高电平VIH（max）=3.5V，则其低电平，则其低电平噪声容限噪声容限VNL= 。（1）2.0V （2）1.4V （3）1.6V （4）1.2V 2. 2. 静态输入特性静态输入特性 CMOS门电路的输入阻抗非常大。门电路的输入阻抗非常大。 优点优点：几乎不吸收电流。：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电一般来说，高电平输入电流流IIH1A，低电平输入电，低电平输入电流流IIL1A。 缺点缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。：容易接收干扰甚至损坏门电路。 措

13、施措施：输入级一般都加了保护电路。：输入级一般都加了保护电路。 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性3. 3. 静态输出特性静态输出特性 当门电路输出低电平时当门电路输出低电平时 结论：灌电流（结论：灌电流（sinking current）负载提高了低电平输出）负载提高了低电平输出电压电压VOL。 IOL：参数由厂商提供，对于：参数由厂商提供，对于CD4011，当，当VDD=5V，VO=0.4V时，时，IOL（min） =0.44mACMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性 当门电路输出高电平时当门电路输出高电平时 结论：拉电流（结论：拉电流（sourcing curren

14、t）负载降低了高电平输）负载降低了高电平输出电压出电压VOH。 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性IOH：参数由厂商提供，对于：参数由厂商提供，对于CD4011，当，当VDD=5V，VO=4.6V时，时，IOHmin =0.44mA 扇出系数扇出系数 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性低电平时扇出系数：低电平时扇出系数：）（）（maxILmaxOLLIIN高电平时扇出系数：高电平时扇出系数：）（）（maxIHmaxOHHIIN 传输传输延迟时间（延迟时间（Popagation Delay） 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 P PL LH HP PH HL LP P

15、D D2 21 1tttCMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性tPHLtPLHvIvO4. 4. 动态特性动态特性 动态功耗动态功耗 CMOS门电路的静态功耗非常低。门电路的静态功耗非常低。 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性fVCP2DDLC（1）由负载电容产生的动态功耗）由负载电容产生的动态功耗 动态功耗动态功耗 fVCP2 2D DD DP PD DT TCMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗 （3）总的动态功耗）总的动态功耗 fVCCPPP2DDPDLTCD）（CMOSCMOS电路

16、的特点电路的特点1. 功耗小功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管门工作时，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；截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；2. 2. CMOS集成电路功耗低内部发热量小，集成电路功耗低内部发热量小，集成度可集成度可大大提高；大大提高； 3. 3. 抗幅射能力强抗幅射能力强，MOS管是多数载流子工作，射线管是多数载流子工作，射线辐辐 射对多数载流子浓度影响不大；射对多数载流子浓度影响不大；4. 4. 电压范围宽电压范围宽：CMOS门电路输出高电平门电路输出高电平VOH VDD，低电平，低电平VOL 0V；5. 5. 输出驱动电流比较大

17、输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可：扇出能力较大，一般可以大于以大于5050；6. 6. 在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙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。铁应接地良好。电路结构和工作原理：电路结构和工作原理：当当C为低电平时，为低电平时， VTN、VTP截止，传输门断开；截止，传输门断开； 当当C为高电平时，为高电平时， VTN、VTP中至少有一只管子导通，中至少有一只管子导通，使使vO=vI，传输门接通。，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。传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。CMOSCMOS传输门传输门（1）构成组合逻辑

18、电路构成组合逻辑电路CMOSCMOS传输门传输门当当S=0时，时，Z=X；当；当S=1时，时，Z=Y。为。为2选选1数据选择器。数据选择器。 传输门的应用：传输门的应用：（2）构成构成模拟开关模拟开关CMOSCMOS传输门传输门 控制模拟信号传输的一种电子开关，通与断是由数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。字信号控制的。改进型改进型CMOSCMOS门电路门电路CMOS门电路几种常见系列：门电路几种常见系列：（1）CD4000系列：基本系列，速度较慢系列：基本系列，速度较慢（2）74HC系列：速度比系列：速度比CD4000系列提高近系列提高近10倍倍（3）74HCT系列：

19、与系列：与LSTTL门电路兼容门电路兼容（4）LVC系列：低电压系列系列：低电压系列（5）BiCMOS系列系列改进型改进型CMOSCMOS门电路门电路BiCMOS反相器反相器 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。 改进型改进型CMOSCMOS门电路门电路BiCMOS门电路的结构特点门电路的结构特点（1）BiCMOS门的输出电路总是由两个门的输出电路总是由两个NPN晶体管组成推晶体管组成推拉式结构。拉式结构。（2

20、）连接上方（射随输出）晶体管基极的内部电路总是该）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。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）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。管基极信号的反。BiCMOS是继是继CMOS后的新一代高性能后的新一代高性能VLSI工艺。工艺。CMOS以低功耗、高密度成为以低功耗、高密度成为80年年VLSI的主流工艺的主流工艺。随着尺寸的逐步缩小，电路性能不断得到提高，。随着尺寸的逐步缩小，电路性能不断得到提高，但是当尺寸降到但是当尺寸降到1um以下时，由于载流子速度饱和以下时，

21、由于载流子速度饱和等原因，它的潜力受到很大的限制。把等原因，它的潜力受到很大的限制。把CMOS和和Bipolar集成在同一芯片上，发挥各自的优势，克服集成在同一芯片上，发挥各自的优势，克服缺点，可以使电路达到高速度、低功耗。缺点，可以使电路达到高速度、低功耗。BiCMOS工艺一般以工艺一般以CMOS工艺为基础，增加少量的工艺步工艺为基础，增加少量的工艺步骤而成。骤而成。 BiCMOS（Bipolar CMOS）是）是CMOS和双极器件同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。因此负载之处加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路电路既具有既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获电路高集成度、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。得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。