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1、第五讲 MOS构成基本逻辑门电路本讲重点1.分立元件MOS逻辑门电路工作原理；2.CMOS逻辑非门电路工作原理。本讲难点1.MOS管的开关特性；2.CMOS反相器工作原理及电路的电压、电流静态和动态特性。教学手段本讲宜教师讲授，安排练习与学生互动，用多媒体演示为主、板书为辅。教学步骤教学内容设计意图表达方式1回顾上一讲由分立全器件二极管构成逻辑与门和或门电路，由NPN三极管构成非门，以及二极管和三极管构成与非及或非门为本次课做准备。上一讲内容回顾： 二极管与门及或门二极管与门 二极管或门 NPN型三极管反相器电路（非门）及工作原理 二极管和三极管构成与非门及或非门为了与前次课内容衔接，需要进行
2、简单地复习与回顾。之后，引入新教学内容，如此处理教学效果会更好。为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。2提出问题，导入MOS构成逻辑门电路问题的讨论。1）既然用分立元件三极管可以构成非门，那么用MOS管是否也可以构成非门，如何构成，是怎样工作的；2）既然用分立元件二极管和三极管构成与非门及或非门，用分立元件二极管和MOS管是否可以构成与非门及或非门；3）只用MOS管是否可以构成逻辑门电路，如果可以其工作原理如何分析，电路特性是什么样的？用问题激发学生听课的兴趣。3对上述问题的逐一讲解、解答。3.1复习MOS管结构及工作原理3.2讲解MOS分立元件构成逻辑非门工作原理3.3讲解MOS分立元
3、件构成逻辑与非及或非门工作原理3.4讲解CMOS集成逻辑门电路3.4.1讲解CMOS反相器电路组成及工作原理3.4.2讲解CMOS反相器电路各种特性3.4.2.1讲解CMOS反相器电路电压传输特性和电流传输特性3.4.2.2讲解CMOS反相器输入端噪声容限特性3.4.2.3讲解CMOS反相器静态输入输出特性3.4.2.4讲解CMOS反相器动态特性1. MOS管的工作原理及开关特性一. N沟道增强性MOS管的结构和工作原理N沟道增强性MOS管的结构工作原理输出特性二. P沟道增强性MOS管的结构和工作原理2. MOS分立元件构成非门（反相器） 3. 分立元件二极管和MOS管构成与非及或非门4.
4、CMOS集成逻辑门电路一CMOS反相器工作原理当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管。 基本电路组成与工作原理 电压传输特性和电流传输特性 AB段：uIUth(N)，TN开始导通，uO略下降。 CD段：uI=0.5VDD，TN、TP均导通，uOiD=iD(max)。 DE、EF段：与BC、AB段对应，且TN、TP的状态与之相反，TN截止导通；TP导通截止。 输入端噪声容限在保证电路输出高或低电平为规定值的条件下，前一个门的输出作为后一个门的输入，其电平的允许波动的最大范围称为输入端噪声容限。 CMOS反相器的静态输入输出特性输入特性因为MOS管的栅极和衬底
5、之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。F 以74HC输入端保护电路输入特性为例介绍在正常的输入信号范围内，即0.7VvI(VDD+0.7)V，输入电流iI0。在0.7V(VDD+0.7)V以外的区域，保护电路中的二极管已进入导通状态。二极管导通时也限制了电容两端电压的增加，这非常利于提高工作速度。注意：由于门电路输入端的的输入阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故CMOS门电路的输入端不允许悬空。输出特性F 输出低电平VOL时F 输出高电平VOH时考虑到芯片功耗发热等因素74HC系列CMOS门最大输出电流4mA。 CMOS反相
6、器的动态特性传输延迟时间交流噪声容限噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。动态功耗反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。F PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PTF 负载电容充放电所消耗的功率PC结论：为减小功耗需要减小CL、VDD和f，特别是需要减小VDD。与动态功耗相比，静态时总有一个管子处于夹断状态，故功耗极小，可忽略不计。此处解释：N沟道增强性MOS管的开关特性。为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。此处解释：P沟道增强性MOS管的开关特性。此处说明：采用模拟电子中的负载线方法讲解，使学生容易理解。为了节约
7、课时采用课件PPT演示方式组织教学。此处强调：逻辑门电路的输入信号取值为：0V或者VDD，电路中器件均以开关方式工作。此处解释：CMOS中第一个字母C的含义为互补意思。此处注意：讲解时需要详细分析电路工作原理。此处提醒：CMOS反相器CD段两个MOS管处于恒流区且沟道相同，此时电流达到最大值。此处强调：噪声容限在实际应用中的意义，特别是带动负载较重的情况下对电路可靠性的影响。此处解释：CMOS静态输入特性主要是由保护电路产生的。此处强调：输出特性不仅与带动负载能力相关，而且还要顾及芯片的功耗和噪声容限，负载太重影响电路使用寿命和降低了噪声容限，最终电路可靠性和耐用性均被降低。此处解释：根据动态
8、功耗分析解释为什么CMOS推出了低压门电路，为什么超大规模逻辑电路采用低电压。4.小结MOS构成基本逻辑门电路内容1）MOS分立元件构成反相器的逻辑非门；2）由PCMOS和NCMOS组成的CMOS反相器工作原理以及电路特性：电压传输特性和电流传输特性、输入端噪声容限、静态输入输出特性、动态特性；3）CMOS特点：静态功耗极低、抗干扰能力强、电源利用率高，且有较大的噪声容限、输入阻抗高，扇出能力强、电压传输特性接近理想开关；4）CMOS动态功耗主要与CL、VDD和f成正比，为了降低动态功耗，应尽量减小CL和VDD，但是减小VDD噪声容限受到不利影响，设计时应综合考虑问题；通过课堂总结，使学生加深对本节课MOS构成基本逻辑门电路内容的印象。5.课后讨论与思考思考题：电路如图，CMOS反相器输出和输入通过一个电阻连接，电路可以当作反相放大器使用，根据传输特性曲线讨论其原理。让学生思考，利于对该节课内容的掌握。
