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1、3.5 CMOS电路,3.5.1 CMOS反相器工作原理,3.5.2 CMOS反相器的主要特性,3.5.3 CMOS传输门,3.5.4 CMOS逻辑门电路,3.5.5 CMOS电路的锁定效应及 正确使用方法,图3-5-1 CMOS反相器,D,G,S,S,G,D,vO,VDD,TL,T0,vI,3.5.1 CMOS反相器工作原理,CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。,两个MOS管的开启电压VGS(th)P0，通常为了保证正常工作，要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。,若输入vI为低电平(如0V)，则
2、负载管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。,若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。,图3-5-2 CMOS反相器电压传输特性,vI,vO,O,VDD,VDD,VDD+VGS(th)P,VGS(th)N,3.5.2 CMOS反相器的主要特性,电压传输特性和电流传输特性,CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。工作区：由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。工作区：PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，vI值等于阈值电压Vth。,工作区：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO0V，处于稳定的开态。,表3-5-1 CMOS电路
3、MOS管的工作状态表,CMOS反相器的电流传输特性曲线，只在工作区时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。,CMOS反相器具有如下特点：,(1) 静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器工作在工作区和工作区，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。(2) 抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。(3) 电源利用率高。VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为+3+18V
4、。(4) 输入阻抗高，带负载能力强。,图3-5-4 CMOS输入保护电路,vO,VDD,TP,TN,vI,C1,D2,N ,D1 D1,C2,P,P,P,N,R,输入特性和输出特性(1) 输入特性,为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。,考虑输入保护电路后，CMOS反相器的输入特性如图3-5-5所示。,vO=VOL,VDD,TN,RL,vI=VDD,TP,IOL,图3-5-6 输出低电平等效电路,图3-5-7 输出低电平时输出特性,VOL(vDSN),O,IOL,(iDSN),vI(vGSN
5、),(2) 输出特性a. 低电平输出特性,当输入vI为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流IOL灌入输入管，如图3-5-6 所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS，输出特性曲线如图3-5-7 所示。输出电阻的大小与vGSN(vI)有关，vI越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。,VOH,VDD,TN,RL,vI=0,TP,IOH,图3-5-8 输出高电平等效电路,图3-5-9 输出高电平时输出特性,vSDP,O,IOH (iSDP),vGSP,VDD,b. 高电平输出特性,当输入vI为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图3-5-8所示。输出电压VOH=VDD-vSD
6、P，拉电流IOH即为iSDP，输出特性曲线如图3-5-9所示。由曲线可见，|vGSP|越大，负载电流的增加使VOH下降越小，带拉电流负载能力就越强。,电源特性,CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工作在第工作区时，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。,TP,图3-5-10 CMOS传输门及其逻辑符号,VDD,C,C,vO/vI,vI/vO,vO/vI,vI/vO
7、,C,C,TG,C,vO/vI,vI/vO,C,TN,3.5.3 CMOS传输门,CMOS传输门是由P沟道和N沟道增强型MOS管并联互补组成。,TP,图3-5-11 传输门高、低电平传输情况,VDD,C=0,C=VDD,vO,vI=VDD,TN,D,S,S,D,CL,TP,VDD,C=0,C=VDD,vO,vI,TN,S,D,D,S,CL,(a) 高电平传输,(b) 低电平传输,传输门传输高电平信号时，若控制信号C为有效电平，则传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电容CL充电，直至输出电平与输入电平相同，完成高电平的传输。,若传输低电平信号，电流从输出端流向输入端，负载电容CL经传
8、输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端相同的低电平，完成低电平传输。,Y,VDD,T1,B,TP,图3-5-12 CMOS与非门,TP,A,TN,TN,T4,T3,T2,Y,VDD,T1,B,图3-5-13 CMOS或非门,A,T4,T3,T2,3.5.4 CMOS逻辑门电路,CMOS与非门、或非门,当输入信号为0时，与之相连的N沟道MOS管截止，P沟道MOS管导通；反之则N沟道MOS管导通，P沟道MOS管截止。,上述电路虽然简单，但存在一些严重缺点：(1) 输出电阻受输入端状态的影响；(2) 当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，使低电平噪声容限降低。,解决方法：在各输入端、输
9、出端增加一级反相器，构成带缓冲级的门电路。,带缓冲级的与非门是在或非门的输入端、输出端接入反相器构成的。,VDD,EN,图3-5-15 三态输出CMOS门 结构之一,A,Y,VDD,TN,TN,TP,TP,三态输出CMOS门,三态输出CMOS门是在普通门电路上，增加了控制端和控制电路构成，一般有三种结构形式。,第一种形式：在反相器基础上增加一对P沟道TP和N沟道TN MOS管。当控制端为1时，TP和TN同时截止，输出呈高阻态；当控制端为0时，TP和TN同时导通，反相器正常工作。该电路为低电平有效的三态输出门。,EN,图3-5-16 三态输出CMOS门结构之二,A,Y,VDD,1,TN,TP,A
10、,Y,&,TN,TP,VDD,EN,TN,TP,第二种形式和第三种形式：,EN,图3-5-17 三态输出CMOS 门结构之三,A,Y,VDD,TG,A,图3-5-18 漏极开路输出门,VDD1,B,VDD2,RL,漏极开路输出门如图3-5-18所示，其原理与TTL开路输出门相同。,CMOS电路以其低功耗、高抗干扰能力等优点得到广泛的应用。其工作速度已与TTL电路不相上下，而在低功耗方面远远优于TTL电路。,P+,N+,N+,N+,P+,P+,N+,P+,R,RW,T2,T4,T6,T3,T1,T5,RS,P阱,N衬底,VSS,S2,G2,D2,D1,G1,S1,vO,vI,VDD,图3-5-1
11、9 CMOS反相器结构示意图,3.5.5 CMOS电路的锁定效应及正确使用方法,CMOS电路的锁定效应,图中的T1T6均为寄生三极管，是产生锁定效应的原因。,R,vI,vO,VDD,VSS,T5,T6,RW,T1,T2,RS,T3,T4,P阱,(N衬底),图3-5-20 CMOS锁定效应等效电路,寄生三极管等效电路中，T1和T2构成了一个正反馈电路。在CMOS电路中如果发生了T1、T2寄生三极管正反馈导电情况，称为锁定效应，或称为可控硅效应。,CMOS器件使用时应注意的问题,(1) 输入电路的静电防护措施：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好
12、接地；不使用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。,(2) 输入端加过流保护措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻RP。,(3) 防止CMOS器件产生锁定效应措施：在输入端和输出端设置钳位电路；在电源输入端加去耦电路，在VDD输入端与电源之间加限流电路，防止VDD端出现瞬态高压；在vI输入端与电源之间加限流电阻，使得即使发生了锁定效应，也能使T1、T2电源限制在一定范围内，不致于损坏器件。如果一个系统中由几个电源分别供电时，各电源开关顺序必须合理，启动时应先接通CMOS电路的电源，再接入信号源或负载电路；关闭时，应先切断信号源和负载电路，再切断CMOS电源。,表3-5-3 各类数字集成电路主要性能参数比较表,各类数字集成电路主要性能参数的比较,
