第3章2数字电路.ppt

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1、 MOS型电路是另一种常用电路，型电路是另一种常用电路，MOS意为意为金属金属氧氧化物半导体化物半导体（Metal-Oxide Semiconductor）（一）、一）、MOS晶体管晶体管 晶体三极管有：晶体三极管有：E发射极发射极 B基极基极 C集电极集电极 机理是：基极电流机理是：基极电流IB 控制控制集电极电流集电极电流IC。结构有：结构有：NPN PNP MOS三极管有：三极管有：S源极源极 G栅极栅极 D漏极漏极 机理是：机理是：栅极电压栅极电压VGS控制控制漏极电流漏极电流ID 结构有：结构有：N沟道沟道 P沟道沟道 GDS MOS管除分管除分N沟道、沟道、P沟道外，还分增强型和耗

2、尽型。沟道外，还分增强型和耗尽型。增强型栅压增强型栅压VGS为为0无沟道，耗尽型栅压无沟道，耗尽型栅压VGS为为0有沟道。有沟道。1、MOS管的基本结构管的基本结构 以以N沟道增强型为例沟道增强型为例 源、漏极结构对称，可以互换使用源、漏极结构对称，可以互换使用 P衬衬 P型衬底，型衬底，N型沟道型沟道 DGS 2、N沟道增强型沟道增强型MOS管的工作特点：管的工作特点：n DGS 栅极电压栅极电压VGS小于开启电压小于开启电压VGS（th）时，时，无无沟道沟道形成，漏极电流形成，漏极电流ID为为0。VDS爱多大多爱多大多大！（大！（截止区）截止区）栅极电压栅极电压VGS大于等于开启电压大于等

3、于开启电压VGS（th）时，沟道形成，有时，沟道形成，有ID形形成，分成，分两种情况两种情况：a、VDS较大较大，大于，大于 VGS VGS（th），ID随随VGS的增加而增加的增加而增加。但很快但很快VDS 已使已使 ID 饱和，没什么影响了。饱和，没什么影响了。（饱和区）（饱和区）b、VDS较小较小，小于，小于VGS VGS（th），），ID随随VGS的增加也增加，但与的增加也增加，但与VDS的大小密切相关。的大小密切相关。或者也可以这或者也可以这样说：对某一样说：对某一VGS，ID随随VDS线性线性增加增加，且，且VGS越大，斜率越大，等越大，斜率越大，等效电阻越小。效电阻越小。（非饱和

4、区（非饱和区 or 可调电阻区）可调电阻区）3、转移特性和跨导、转移特性和跨导gm VGS 和和 IDS的关系的关系通常用跨导表示：通常用跨导表示：I DS gm=VGS VDS=常数常数它代表它代表VGS对对 IDS的的控制能力。控制能力。gm与沟道宽与沟道宽度和长度有关。度和长度有关。沟道宽沟道宽度越宽、长度越短，度越宽、长度越短，g m越大，控制能力越强。越大，控制能力越强。4、MOS 管的输入电阻和输入电容管的输入电阻和输入电容 MOS管的管的输入阻抗输入阻抗指栅极到源极（或漏极）的电阻，指栅极到源极（或漏极）的电阻，由于有由于有SiO2绝缘层的阻隔，电阻绝缘层的阻隔，电阻极大极大，通

5、常在，通常在1012欧姆以欧姆以上。作为静态负载对前级几乎没有什么影响。上。作为静态负载对前级几乎没有什么影响。MOS管的栅极、源极之间有很小的寄生电容，称为管的栅极、源极之间有很小的寄生电容，称为输入电容输入电容，虽然很小（几，虽然很小（几P或更小），但由于输入阻抗或更小），但由于输入阻抗极高，漏电流很小，所以极高，漏电流很小，所以可用来暂时存储信息可用来暂时存储信息（如动态（如动态RAM）。）。5、直流导通电阻、直流导通电阻RON 直流导通电阻是指直流导通电阻是指MOS管导通时，漏源电压和漏源管导通时，漏源电压和漏源电流的比值：电流的比值：RON=VDS/IDS（二）、（二）、MOS 反相

6、器反相器 MOS反相器有四种形式，我们只讲反相器有四种形式，我们只讲E/E型、型、CMOS反相器。反相器。E/E MOS 反相器有两个增强型反相器有两个增强型MOS 管组成，一个作为输入管组成，一个作为输入管，一个作为负载管，两个管子的特性（如跨导）完全不同。管，一个作为负载管，两个管子的特性（如跨导）完全不同。由由N沟道管构成的反相器叫沟道管构成的反相器叫NMOS反相器。反相器。见图：见图：VVVTo2Ti1DD当输入当输入A=0VA=0V时时：T1截止，T2导通。T1只有 n A 级漏电流。工作在负载 线A点。AB输出电压:F=VDD-Vth2=5 2=3 V设：Vth2=2 VVGS1

7、Vth1T1导通:工作在负载 线B点。输出电压:oVrrrVFdddDD121由此可知：rd2 rd1 就能很好实现倒相器逻辑功能。AF Vth11.5V负载管特性负载管特性V0V3FA+VDDT2T1012341/DSVV1/DimA0V2V3V4V 与非门与非门T3:负载管T1，T2 两个串连驱动管 当A,B中有一个低电平时，相应的驱动管截止，输出F为高电平。当A,B全为高电平时，T1，T2均导通，输出 F 为低电平。ABT1T2F00止止止止101止止导导110导导止止111导导导导0ABF：所以所以电路组成：电路组成：工作原理：工作原理：FAT2T1T3BT T3 3:负载管负载管T

8、T1 1、T T2 2 两个并连驱作动管两个并连驱作动管 当A，B中只要有一个高电平时，T1，T2总有一个导通，输出F为低电平。只有A,B全为低电平，T1,T2均截止，输出 F 才是高电平。输出和输入的逻辑关系是：BAFABT1T2F00止止止止101止止导导010导导止止011导导导导0同理：CDABF是与或非门电路组成：电路组成：工作原理：工作原理：FT2T1T3AB-VDDFT5T1AT3C-VDDT2BT4DE/E MOS 反相器的特点：反相器的特点：n单一电源，结构简单。单一电源，结构简单。n负载管负载管TL始终饱和，速度慢，功耗大。始终饱和，速度慢，功耗大。n高电平不为高电平不为V

9、DD，有所损失。，有所损失。n输出高低电平，取决于两管跨导之比。负载管跨导小，输出高低电平，取决于两管跨导之比。负载管跨导小，电阻大，影响工作速度。电阻大，影响工作速度。NMOS,PMOSNMOS,PMOS电路存电路存在三个问题：在三个问题：负载管一直导通，当驱动管导通时，电源与地之间有静态电流，所以功耗大。要保证输出低电平，要求 rd2rd1不利于大规模集成。当驱动管截止时，由于负载管导通电阻rd2很大，对容性负载充电时间很长，使电路工作速度缓慢。CMOSCMOS集成电路由集成电路由 P P 沟道和沟道和 N N 沟道增强型沟道增强型 MOS MOS 管串连管串连组成，组成，CMOSCMOS

10、电路能有效解决上述问题。电路能有效解决上述问题。TPTNVDDVI IVO O 电路结构：电路结构：PMOS作负载管，开启电压为负V t h。NMOS作输入管，开启电压为正 V t h。两个栅极两个栅极G G并联作输入端。并联作输入端。G两个漏极两个漏极D D串连作输出端。串连作输出端。DD 两个衬底都和源极S接在一起，PMOS管源极接电源VDD，NMOS管源极接地。正常工作条件：正常工作条件：电源电压大于两管开启电压绝对值之和。VDD|V t h P|+V t h NSS 工作原理工作原理假设：PMOS管 V t h P 2.5VNMOS管 V t h N =2 VVDD=5 V当当 VI=

11、0 V 时：时：NMOS管 VGSN=0|V t h P|，TP管导通，其导通电阻R on=103 1DDoffoffonDDVRRRVFV0TPTNVDDVI IVO OoffRonRDDV当当 VI=5 V 时：时：NMOS管VGSN=5V V t h N TN管导通，其导通电阻 R on=103。PMOS管 VGSP=5V -V DD=0 V|VGSP|V t h P|TP管截止，其导通电阻R off=1091012,F=0。以上分析：以上分析：输入是0,输出是1,实现倒相关系，AF PMOS 管，启为负，启为负，0 0导导1 1截止。截止。NMOS 管，启为正，启为正，0 0止止1 1

12、导通。导通。倒相器工作过程中，两管轮流导通，导通电阻小，截止电阻大，所以静态电流只有 n A 级。低功耗是低功耗是CMOSCMOS倒相器的倒相器的重要特点。重要特点。TPTNVDDVI IVO O（1 1）当）当Vi2 2V，TN截止，截止，TP导通，导通，VoVDD=10=10V。2电压传输特性：电压传输特性：CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压Vth=VDD/2/2（设（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）P2VT2OHPP(V)和在可变电阻区TTN0NNP截止TT(V)iT在可变电阻区N6106TT在饱和区在饱和区8均在饱和区截止84Vo4100LVV（2 2）当）当2 2

13、VVi5 5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作工作 在可变电阻区。在可变电阻区。（3 3）当）当Vi=5=5V，两管都工作在饱和区，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2/2）=5=5V。（4 4）当）当5 5VVi8 8V，TP工作在饱和区，工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。（5 5）当）当Vi8 8V，TP截止，截止，TN导通，导通，Vo=0=0V。TPTNVDDVI IVO O 电流传输特性：i o=f(v I)VI=VDD TP、TN 都饱和导通，这一瞬间有大电流通过，在其它区域总有一个导通，另一个截止。所以 i D 电流较小。DiiVthNVDDVthP

14、DDVV123450thV、静态功耗极低，仅几十纳瓦、静态功耗极低，仅几十纳瓦 CMOS倒相器工作在1和5工作区，总有一个MOS管处于截止状态，有极小漏电流流过。只有在急剧翻转的第3区才有较大的电流，因此动态功耗会增大。CMOS倒相器在低频工作时，功耗极小，低功耗时CMOS的最大优点。、抗干扰能力较强、抗干扰能力较强 由于阈值电平近似等于 VDD，输入高、低电平的噪声容限随电源的升高而提高。所以抗干扰能力增强。DiiVthNVDDVthPDDVV123450thVOViVthNVDDV21DDVthPDDVVDDV123450、电源利用率高、电源利用率高 VOH=VDD,同时 V t h 随

15、VDD 变化而变化。允许VDD的变化范围为3V18V。、输入阻抗高，带负载能力强、输入阻抗高，带负载能力强 扇出系数NO=50,下一级是绝缘栅几乎不取电流，所以可带50个同类门电路。CMOS门的输出端在静态时，一个导通，另一个截止。动态时，两管均导通，所以输出端不可以并联。4 4、输入特性和输出特性、输入特性和输出特性、输入特性、输入特性 CMOS电路的栅极和衬底之间是绝缘栅，其直流电阻高达1012,只要有少量电量便可感生出足可以击穿氧化层，造成永久损坏。因此，在CMOS输入端都加有保护电路。IiiVDDV0V1 D1、D2是保护二极管，正向压降是保护二极管，正向压降1V，反向，反向击穿电压击

16、穿电压30V。D1是是P型扩散区和型扩散区和N型衬底间自然形成的分型衬底间自然形成的分布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。C1、C2是是TP、TN管栅极等效电容。管栅极等效电容。R是限流电阻，阻值是限流电阻，阻值13K。加保护电路的输入特性加保护电路的输入特性:当输入当输入 0 V0 VVDDDD+V+VD D时：时：保护二极管保护二极管D D1 1导通，输入电导通，输入电流流 i i I I 迅速增加，同时将迅速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于管栅极电压钳位于V VDDDD+V+VD D。保证加在。保证加在C C2 2上的电压，不超过其耐压极限。上的电压，不超过其耐压极限。当输入当输入V VI I 109。传输门截止。输入信号不能通过。0CVCDD TN、TP均导通，输入和输出之间电阻 103。传输门导通。输入、输出信号接通。TP衬底接VDD，TN衬底接地。V0 0/V VI ITNTPVI I/V VO OVDDCC逻辑符号：逻辑符号：C用途：用途：作模拟开关，传输连续变化的模拟信号。如音频，视频等信号。还可以作多路开关。iOV