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§2.6 CMOS 门电路

§2.6 CMOS 门电路. P 沟道 增强型. 一、 CMOS 反相器的工作原理. S 1. G 1. G 2. S 2. N 沟道 增强型. v I = V IL =0 时， T 1 通 T 2 止 v O = V OH ≈ V DD. v I = V IH = V DD 时， T 1 止 T 2 通 v O = V OL ≈ 0. 一、 CMOS 反相器的工作原理. T 1 、 T 2 状态互补，故称为互补对称式金属－氧化物－半导体电路（ CMOS 电路） 静态时 i D = V DD /( R ON + R OFF ) 很小，故功耗极小。.

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§2.6 CMOS 门电路

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Presentation Transcript

  1. §2.6 CMOS门电路 P沟道 增强型 • 一、CMOS反相器的工作原理 S1 G1 G2 S2 N沟道 增强型 vI=VIL=0时， T1通 T2止 vO=VOH≈VDD vI=VIH=VDD时， T1止 T2通 vO=VOL≈0

  2. 一、CMOS反相器的工作原理 • T1、T2状态互补，故称为互补对称式金属－氧化物－半导体电路（CMOS电路） • 静态时iD=VDD/(RON+ROFF)很小，故功耗极小。

  3. 一、CMOS反相器的工作原理 • 电压传输特性 BC段： vI>VGS(th)N T2通 vI<VDD-|VGS(th)P| T1通 阈值电压VTH≈VDD/2 无线性区，接近理想开关特性。

  4. 一、CMOS反相器的工作原理 • 电流传输特性 iD=f(vI) AB段：T1止，T2通 CD段：T1通，T2止 BC段：T1、T2同时通

  5. 一、CMOS反相器的工作原理 • 输入端噪声容限 同一VDD下，VNH=VNLVNH、VNL随VDD增大而增大

  6. 二、CMOS反相器的静态输入输出特性 分布式 二极管 • 输入保护电路 若VDF=0.7V，则vI>VDD+0.7V时，vG=VDD+0.7V vI<-0.7V时，vG=-0.7V。使vC1、vC2均不超过VDD+0.7V。

  7. 二、CMOS反相器的静态输入输出特性 • 输入特性 输入端的绝缘层使电路输入阻抗极高，若有静电感应则会在悬空端产生不定电位，故CMOS门电路输入端不允许悬空。 D1通 D2通

  8. 二、CMOS反相器的静态输入输出特性 • 低电平输出特性 IOL：低电平时向内灌入的电流。 随VDD升高，IOL允许值上升。

  9. 二、CMOS反相器的静态输入输出特性 • 高电平输出特性 IOH：高电平时向外拉的电流。 随VDD升高，IOH允许值上升。

  10. 三、CMOS反相器的动态特性 • 传输延迟时间

  11. 三、CMOS反相器的动态特性 • 交流噪声容限 噪声持续时间越短，噪声容限越大。

  12. 三、CMOS反相器的动态特性 • 动态功耗－瞬时导通功耗PT PT=VDDITAV T1、T2 同时通

  13. 三、CMOS反相器的动态特性 • 动态功耗－负载电容充放电功率PC

  14. 四、其它类型的CMOS门电路 • 其它逻辑功能的CMOS门电路 与非门、或非门、与门、或门、与或非门等 • 带缓冲级的CMOS门电路 • 漏极开路的门电路（OD门） • CMOS传输门和双向模拟开关 • 三态输出的CMOS门电路

  15. 四、其它类型的CMOS门电路 A=1、B=0时，T3通、T4止。Y=1。 A=0、B=1时，T1通、T2止。Y=1。 A=B=1时，T1、T3止，T2、T4通。Y=0。 A=B=0时，T1、T3通，T2、T4通。Y=1。 • CMOS与非门 返回

  16. 四、其它类型的CMOS门电路 • CMOS或非门 返回

  17. 四、其它类型的CMOS门电路 CMOS门电路存在的问题： ①输出电阻RO随输入状态不同而不同 ②输出高、低电平受输入端数目影响。 带缓冲级的CMOS门电路可解决以上问题。 返回

  18. 四、其它类型的CMOS门电路 • 带缓冲级的CMOS与非门电路 缓冲器 返回

  19. 四、其它类型的CMOS门电路 • 漏极开路的门电路（OD门） • 用途： • 电平转换 • 输出缓冲/驱动器 • 实现线与逻辑 • 符号和OC门相同 返回

  20. 四、其它类型的CMOS门电路 • CMOS传输门 ①C=1、 =0时，TG接通；C=0、 =1时，TG关闭，输入、输出阻断。 ②当C的高低电平为VDD和0时，TG可传输0~VDD的信号 ③vO和vI可以互换。 P沟道增强型 N沟道增强型

  21. 四、其它类型的CMOS门电路 • CMOS传输门和CMOS反相器构成的双向模拟开关 C=0，开关关闭；C=1时，开关接通。 一种常用的典型电路。 SW：Switch 返回

  22. 四、其它类型的CMOS门电路 • CMOS模拟开关接负载 希望vI变化时，RTG(KTG)不变。

  23. 四、其它类型的CMOS门电路 • 三态输出的CMOS门电路(1) =1时，Y输出高阻态。 =0时，

  24. 四、其它类型的CMOS门电路 • 三态输出的CMOS门电路(2)

  25. 四、其它类型的CMOS门电路 • 三态输出的CMOS门电路(3)

  26. CMOS门电路输入特性习题（P123 （四）） CMOS门电路输入端接电阻时，相当于接低电平。 输入特性

  27. TTL、CMOS门电路输出特性习题 • 例2.3 试判断图中的电路能否按各图所要求的逻辑关系正常工作？若不能，请作相应的改动。若电路解法有错，改电路；若电路正确但给定的逻辑关系不正确，则写出正确的逻辑表达式。已知TTL门的IOH/IOL=0.4mA/10mA，VOH/VOL=3.6V/0.3V，CMOS门的VDD=5V，VOH/VOL=5V/0V，IOH/IOL=0.51mA/0.51mA。 • 分析： (1) 对一般TTL、CMOS门电路的输出端来说，不能直接相连实现逻辑与的关系（线与），同时输出端也不能直接接地或接电源。带负载时输出高电平的拉电流和输出低电平的灌电流均受到一定限制。 (2) 对于TTL OC电路和CMOS OD电路来说，则可将输出端并接在一起实现线与，但必须外接电阻和电源。 (3) TS门电路也可将输出端并联在一起，通过使能端的状态来选择其中的某个门工作。但并不是逻辑与的关系，而是通过对使能端的控制，将不同门的输入、输出关系逐个反应在输出端。

  28. 解： (1) Y1处于高电平时向外拉的负载电流IL应小于IOH，现 IL=VOH/RL=3.6/15=0.24(mA)<IOH，因此 成立。 (2) Y2为低电平时，考虑灌电流的影响，现 IL=VDD/RL=5/5=1(mA)>IOL，因此负载过大，应加大RL的阻值， 即RL≥VDD/IOL=5/0.51=9.8(kΩ)，将RL改为10kΩ即可。 (3) Y3不允许这种连接方法，两个门输出状态不一致时，过大的电流 将使门烧毁。 (4) 对于Y4，由于两个门的输出状态总是相同的，因而不会产生象Y3 那样的大电流。两个门并联提高了Y4的驱动能力，比单个门是提 高了一倍。 (5) OC门线与必须外接电阻和电源。 (6) 输入、输出逻辑关系应为

  29. CMOS门电路系列 • (1) 基本的CMOS——4000系列 早期的CMOS集成逻辑门产品，工作电源电压范围为3～18V，由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。缺点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十ns，最高工作频率小于5MHz。 • (2) 高速的CMOS——HC（HCT）系列 该系列电路主要从制造工艺上作了改进，使其大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于10ns，最高工作频率可达50MHz。HC系列的电源电压范围为2～6V。HCT系列的主要特点是与TTL器件电压兼容，它的电源电压范围为4.5～5.5V。它的输入电压参数为VIH（min）=2.0V；VIL（max）=0.8V，与TTL完全相同。另外，74HC/HCT系列与74LS系列的产品，只要最后3位数字相同，则两种器件的逻辑功能、外形尺寸，引脚排列顺序也完全相同，这样就为以CMOS产品代替TTL产品提供了方便。 • (3) 先进的CMOS——AC（ACT）系列 该系列的工作频率得到了进一步的提高，同时保持了CMOS超低功耗的特点。其中ACT系列与TTL器件电压兼容，电源电压范围为4.5～5.5V。AC系列的电源电压范围为1.5～5.5V。AC（ACT）系列的逻辑功能、引脚排列顺序等都与同型号的HC（HCT）系列完全相同。

  30. 五、改进的CMOS电路 • 高速CMOS电路 ①减小器件尺寸 ②减小G和S、G和D间的重叠区 通用系列：54HC/74HC，可与54LS/74LS互换。

  31. 五、改进的CMOS电路 • Bi-CMOS电路 输出级采用双极型三极管。低功耗、低RO。 √ 下拉电阻 有源下拉

  32. 六、CMOS电路的正确使用 • 输入电路的静电防护 • 不要使用易产生静电高压的化工材料化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。 • 组装、调试时，应使电烙铁和其它工具、仪表、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。 • 不用的输入端不应悬空。 (1) 对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端；或通过一个上拉电阻接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。 (2) 对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。

  33. 六、CMOS电路的正确使用 • 输入电路的静电防护 措施：加保护电阻RP • 输入端接低内阻信号源时。 • 输入端接大电容时。 • 输入端接长线时。

  34. 六、CMOS电路的正确使用 • 锁定效应（可控硅效应）的防护 • 双极型寄生三极管效应

  35. 六、CMOS电路的正确使用 • 寄生三极管电路中的正反馈 iB1↑→iC1↑→iB2↑→iC2↑，类似于可控硅的触发原理。

  36. 六、CMOS电路的正确使用 • 防止锁定效应的方法： • vI、vO、VDD数值符合规定 • 采取防护措施：①输入、输出端设置钳位电路②输入端加去耦电路③电源开关顺序合理 • 在工艺上改进

  37. §2.8 TTL电路与CMOS电路的接口 • 用TTL电路驱动CMOS电路 1. 用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路

  38. 解决方法 (1) 在TTL电路的输出端与电源之间接入上拉电阻 (2) 在CMOS电路的电源电压较高时，应采用OC门作为驱动门 (3) 使用带电平偏移的CMOS门电路实现电平转换 2. 用TTL电路驱动74HCT系列CMOS门电路 可直接驱动

  39. 用CMOS电路驱动TTL电路 用4000系列驱动74系列TTL电路 (1) 同一封装内的门电路并联使用 (2) CMOS电路的输出端增加一级CMOS驱动器 (3) 使用分立元件的电流放大器实现电流扩展

  40. 9月20日作业 P128 16 P129 17,18

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