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1、课程 数字电子技术 章节 第 2 章 教师 陈燕熙 审批课题 2.6 CMOS 逻辑门电路 课时 2授课日期 授课班级教学目的与要求理解 CMOS 门电路的工作原理和逻辑功能。教学重点 CMOS 门电路的工作原理和逻辑功能。教学难点 CMOS 门电路的工作原理。授课类型 专业理论课教学方法 班级授课教 具 多媒体解决重难点的措施通过对场效应管基本知识的复习，进一步学习 CMOS 门电路的结构和工作原理。导入过程设计在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，所以 CMOS 门电路的学习也是很有必要的教学过程一、教学内容：2.6 CMOS 逻辑门电
2、路 2.6.1 CMOS 反相器图 2.6.1(a)表示 CMOS 反相器电路，由两种增强型 MOSFET 组成，其中一个为 N 沟道，另一个为 P 沟道。图 2.6.1(b)为其简化画法。为了电路能正常工作，要求电源电压 VDD( VTN+|VTP|)1. 工作原理首先考虑两种极限情况：当 v1输入逻辑 0 时，相应的电压近似为 0V；而当 v1输入逻辑 1 时，相应的电压近似为 VDD。假设 N 沟道管 TN为工作管，P 沟道管 Tp为负载管。由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，其结果相同 。基本 CMOS 反相器近似于理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或V DD，而功耗几乎为零。
3、2. 传输特性COMS 反相器的传输特性可仿照前述图解步骤来求得，改变 v1的值，可得出相应的 v0值。图4.6.4 表示 CMOS 反相器的典型传输特性。图中 VDD10 V， VTN=|VTP|=VT=2V。由于 VDD( VTN+|VTP|)，因此，当 VDD-|VTP|vI VTN时， TN和 TP两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到，器件在放大区（饱和区），呈现恒流特性，两器件之一可当做高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在 IDD/2 处转换状态。图 2.6.4 CMOS 反相器的传输特性 3. 工作速度CMOS
4、 反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。图 4.6.5 表示当 vI0V 时， TN截止， TP导通，由 VDD通过 TP向负载电容 CL充电的情况。由于 CMOS 反相器中，两管 gm值均设计得较大，其导通电阻较小，充电回路的时间常数较小。电容 CL的放电过程类似。CMOS 反相器的平均传输延迟时间约为 10ns。(a)电路 (b)负载电容充电图 2.6.5 CMOS 反相器在电容负载下的工作情况 2.6.2 CMOS 门电路1. 与非门电路图 2.6.6 是 2 输入端 CMOS 与非门电路，其中包括两个串联的 N 沟道增强型 MOS 管和
5、两个并联的 P 沟道增强型 MOS 管。每个输入端连到一个 N 沟道和一个 P 沟道 MOS 管的栅极。当输入端 A、 B中只要有一个为低电平时， 就会使与它相连的 NMOS 管截止，与它相连的 PMOS 管导通，输出为高电平；仅当 A、 B 全为高电平时，才会使两个串联的 NMOS 管都导通，使两个并联的 PMOS 管都截止，输出为低电平。图 2.6.6 CMOS 与非门因此，这种电路具有与非的逻辑功能，即L=AB n 个输入端的与非门必须有 n 个 NMOS 管串联和 n 个 PMOS 管并联。2. 或非门电路图 2.6.7 是 2 输入端 CMOS 或非门电路。其中包括两个并联的 N 沟
6、道增强型 MOS 管和两个串联的 P 沟道增强型 MOS 管。当输入端 A、 B 中只要有一个为高电平时，就会使与它相连的 NMOS 管导通，与它相连的 PMOS 管截止，输出为低电平；仅当 A、 B 全为低电平时，两个并联 NMOS 管都截止，两个串联的 PMOS 管都导通，输出为高电平。图 2.6.7 CMOS 或非门因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为L=A+B显然， n 个输入端的或非门必须有 n 个 NMOS 管并联和 n 个 PMOS 管串联。比较 CMOS 与非门（图 2.6.6）和或非门（图 2.6.7）可知，与非门的工作管是彼此串联的，其输出电压随管子个数的增加而
7、增加；或非门则相反，工作管彼此并联，对输出电压不致有明显的影响。因而或非门用得较多。如在异或门的后面增加一级反相器就构成同或门, L=AB+AB。异或门和同或门的逻辑符号如图 2.6.9 所示。 (a)异或门 (b)同或门图 2.6.9 异或门和同或门的逻辑符号CMOS 逻辑门电路中，除上述几种外，还有三态门、缓冲器等类型。2.6.4 CMOS 传输门MOSFET 的输出特性在原点附近呈线性对称关系，因而它们常用作模拟开关。模拟开关广泛地用于取样保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。(a)电路 (b)逻辑符号图 6.6.12 CMOS 传输门所谓传输门（ TG）就是一种传输模拟信号的 模拟
8、开关。CMOS 传输门由一个 P 沟道和一个 N 沟道 增强型 MOSFET 并联而成，如图6.6.12(a)所示。图 6.6.12(b)是它的的逻辑符号。 TP和 TN是结构对称 的器件，它们的漏极和源极可以互换。设它们 的开启电压|VT|=2V，且输入模拟信号的变化范 围为5 V 到5 V。为使衬底与漏源极之间的 PN 结 任何时刻都不致正偏，故 TP的衬底接5 V 电压， 而 TN的衬底接5 V 电压。两管的栅极由互补的信 号电压（5 V 和5 V）来控制，分别用 C 和 C 表 示。传输门的工作情况如下：当 C 端接低电压5 V 时，T N的栅压即为5 V， vI取5 V 到5 V 范
9、围的任意值时， TN均不导通。同时， TP的栅压为5 V， TP亦不导通。可见，当 C 端接低电压时，开关是断开的。为使开关接通，可将 C 端接高电压5 V。此时 TN的栅压为5 V， vI在5 V 到3 V 的范围内，TN导通。同时， TP的栅压为5 V， vI在3 V 到5 V 的范围内， TP将导通。由上分析可知，当 vI3 V 时，仅有 TN导通，而当 vI+3 V,仅有 TP导通。当 vI在3 V 到3 V 的范围内， TN和 TP两管均导通。进一步分析还可看到，一管导通的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。换句话说，当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联
10、运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数，这是 CMOS 传输门的优点。在正常工作时，模拟开关的导通电阻值约为数百欧，当它与输入阻抗为兆欧级的运放串接时，可以忽略不计。CMOS 传输门除了作为传输模拟信号的开关之外，也可作为各种逻辑电路的基本单元电路。2.6.5 逻辑门电路使用中的几个实际问题 2.6 .5.1 各种门电路之间的接口问题在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，例如，TTL 和 CMOS 两种器件都要使用。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而需要采用接口电路，一般需要考虑下面三个条件：驱动器件必须能对负载器件提供灌电流
11、最大值。驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流。驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值。其中条件 1 和 2,属于门电路的扇出数问题，已在 4.4.5 节作过详细的分析。条件 3 属于电压兼容性的问题。其余如噪声容限、输入和输出电容以及开关速度等参数在某些设计中也必须予以考虑。 1. CMOS 门驱动 TTL 门在这种情况下，只要两者的电压参数兼容，不需另加接口电路，仅按电流大小计算出扇出数即可。图 2.9.1 表示 CMOS 门驱动 TTL 门的简单电路。当 CMOS 门的输出为高电平时，它为 TTL 负载提供拉电流，反之则提供灌电流。图 2.6.1 CM
12、OS 门驱动 TTL 门2. TTL 门驱动 CMOS 门此时 TTL 为驱动器件，CMOS 为负载器件。由附录查得,当 TTL 输入为低电平时，它的输出电压参数与 CMOS HC 的输入电压参数是不兼容的。例如，LSTTL 的 VOH(min)为 2.7V，而 HC CMOS 的VIH(min)为 3.5V。为了克服这一矛盾，常采用如图 4.9.2 所示的接口措施。由图可知，用上拉电阻RP接到 VDD可将 TTL 的输出高电平电压升到约 5V，上拉电阻的值取决于负载器件的数目以及 TTL和 CMOS 的电流参数。此时 RP可作具体的计算得出。图 4.9.2 TTL 门驱动 CMOS 门当 T
13、TL 驱动 CMOSHCT 时，由于电压参数兼容，不需另加接口电路。2.6.3 抗干扰措施在利用逻辑门电路（TTL 或 CMOS）作具体的设计时，还应当注意下列几个实际问题：1.多余输入端的处理措施2.去耦合滤波器3.接地和安装工艺二 、 课 堂 练 习例 4.9.1 一 74HC00 与非门电路用来驱动一个基本的 TTL 反相器和六个 74LS 门电路。试验算此时的 CMOS 门电路是否过载？解：(1)由附录查得接口参数如下：一个基本的 TTL 反相器， IIL1.6mA，六个 74LS 门的输入电流 。 IIL=60.4mA=2.4mA。总的输入电流 IIL(total)=1.6mA+2.4mA=4mA。(2)因 74HC00 门电路的 IOL=IIL=4mA，所驱动的 TTL 门电路未过载。三、教学小结：MOSFET 有 P 沟道和 N 沟道两种，每种中又可分为耗尽型和增强型两类。由 N 沟道和 P 沟道MOSFET 组成的电路称为互补 MOS 或 CMOS 电路。四、练习题2-8
