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1、CMOS逻辑电路 CMOS管与MOS管CMOS是互补型MOS管，以PMOS管作为驱动管，以NMOS管作为负载管。它用互补对称的pMOS和nMOS对来实现一个逻辑电路中的“与、“或、“非等功能 ，其主要特点是低功耗、强抗干扰才干、集成密度高 MOS管mos管是金属(metal)氧化物(oxid)半导体(semiconductor)场效应晶体管，或者称是金属绝缘体(insulator)半导体。MOS管的source和drain是可以对调的，他们都是在P型backgate中构成的N型区。在多数情况下，这个两个区是一样的，即使两端对调也不会影响器件的性能。这样的器件被以为是对称的。MOS管MOS集成电
2、路制造工艺比较简单、废品率较高、集成电路制造工艺比较简单、废品率较高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单，集成度高、功耗低、组成的逻辑电路比较简单，集成度高、抗干扰才干强，特别适宜于大规模集成电路。抗干扰才干强，特别适宜于大规模集成电路。MOS集成电路包括集成电路包括:NMOS管组成的管组成的NMOS电路、电路、PMOS管组成的管组成的PMOS电路及由电路及由NMOS和和PMOS两种管子组成的互补两种管子组成的互补MOS电路，即电路，即CMOS电路。电路。PMOS门电路与门电路与NMOS电路的原理完全一样，只电路的原理完全一样，只是电源极性相反而已。是电源极性相反而已。MOS管任务原理MOS管主要
3、参数 1.开启电压VT 开启电压又称阈值电压：使得源极S和漏极D之间开场构成导电沟道所需的栅极电压；规范的N沟道MOS管，VT约为36V；经过工艺上的改良，可以使MOS管的VT值降到23V。 MOS管主要参数2. 直流输入电阻RGS 即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比 这一特性有时以流过栅极的栅流表示 MOS管的RGS可以很容易地超越1010 MOS管主要参数3. 漏源击穿电压BVDS 在VGS=0加强型的条件下 ，在添加漏源电压过程中使ID开场剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS ID剧增的缘由有以下两个方面： 1漏极附近耗尽层的雪崩击穿 2漏源极间的穿通击穿 有些MOS管中，其沟道长度
4、较短，不断添加VDS会使漏区的耗尽层不断扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID 。 MOS管主要参数4. 栅源击穿电压BVGS 在添加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开场剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。 MOS管主要参数5. 低频跨导gm 在VDS为某一固定数值的条件下 ，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导 gm反映了栅源电压对漏极电流的控制才干 ,是表征MOS管放大才干的一个重要参数,普通在非常之几至几mA/V的范围内 。 MOS管主要参数6. 导通电阻RON 导通电阻RO
5、N阐明了VDS对ID的影响 ，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数 在饱和区，ID几乎不随VDS改动，RON的数值很大 ，普通在几十千欧到几百千欧之间 由于在数字电路中 ，MOS管导通时经常任务在VDS=0的形状下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似 对普通的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内 。 MOS管主要参数7. 极间电容 三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS CGS和CGD约为13pF CDS约在0.11pF之间。 MOS管主要参数8. 低频噪声系数NF 噪声是由管子内部载流子运动的不规那么性所引起的 由于它的存在，就使一个放大器即
6、使在没有信号输人时，在输出端也出现不规那么的电压或电流变化 噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝dB 这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小 低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数 场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小 MOS管 CMOS 逻辑电路CMOS逻辑电路CMOS是单词的首字母缩写，代表互补的金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，它指的是一种特殊类型的电子集成电路(IC)。集成电路是一块微小的硅片，它包含有几百万个电子元件。术语IC隐含的含义是将多个单独的集成电路集成到一个电路中，产生一
7、个非常紧凑的器件。在通常的术语中，集成电路通常称为芯片，而为计算机运用设计的IC称为计算机芯片。 CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后 ，所开发出的第二种广泛运用的数字集成器件，从开展趋势来看，由于制造工艺的改良，CMOS电路的性能有能够超越TTL而成为占主导位置的逻辑器件 。CMOS电路的任务速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰才干那么远优于TTL。此外，几乎一切的超大规模存储器件 ，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。早期消费的CMOS门电路为4000系列 ，随后开展为4000B系列。当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换运用。 在CMOS工艺
8、制成的逻辑器件或单片机中，N型管与P型管往往是成对出现的。同时出现的这两个CMOS管，任何时候，只需一只导通，另一只那么不导通即“截止或“关断，所以称为“互补型CMOS管。C M O S逻辑电路运用的是陈列成互补对的 n F E T和p F E T晶体管。这就是首字母缩写词C M O S中“C的由来。互补对由一个n F E T和一个 p F E T组成，它们的栅极衔接在一同构成一个信号端，共同的门信号同时控制着这两个晶体管。但是，由于这两个晶体管具有相反的特征，这个互补对可产生一个有用的特征，即一个晶体管的形状为 O N而另一个晶体管的形状为O F F。当G= 0时，p F E T为O N而n
9、 F E T为O F F，如图6 - 1 3 b所示。假设G= 1，那么情形正好相反：p F E T为O F F而n F E T为O N；这可从图6 - 1 3 c中看出。术语“互补就是由于这种行为与门信号G的值无关而被采用。CMOS逻辑电路 制造集成电路的方法有多种，但对于数字逻辑电路而言CMOS是主要的方法。桌面个人计算机、任务站、视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于CMOS集成电路来完成所需的功能。 CMOS的特点逻辑函数很容易用CMOS电路来实现。 CMOS允许极高的逻辑集成密度。其含义就是逻辑电路可以做得非常小，可以制造在极小的面积上。 用于制造硅片CMOS芯片的工艺曾经是众所
10、周知，并且CMOS芯片的制造和销售价钱非常合理。 这些特征及其它特征都为CMOS成为制造IC的主要工艺提供了根底。 CMOS逻辑电平 高速CMOS电路的电源电压VDD通常为+5V；Vss接地，是0V。高电平视为逻辑“1，电平值的范围为：VDD的65%VDD或者VDD-1.5VVDD低电平视作逻辑“0，要求不超越VDD的35%或01.5V。+1.5V+3.5V应看作不确定电平。在硬件设计中要防止出现不确定电平。CMOS逻辑门电路的系列 CMOS集成电路诞生于20世纪60年代末，经过制造工艺的不断改良，在运用的广度上已与TTL平分秋色，它的技术参数从总体上说，曾经到达或接近TTL的程度，其中功耗、
11、噪声容限、扇出系数等参数优于TTL。 根本的CMOS4000系列 这是早期的CMOS集成逻辑门产品，任务电源电压范围为318V，由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍运用。缺陷是任务速度较低，平均传输延迟时间为几十ns，最高任务频率小于5MHz。 高速的CMOSHCHCT系列 该系列电路主要从制造工艺上作了改良，使其大大提高了任务速度，平均传输延迟时间小于10ns，最高任务频率可达50MHz。HC系列的电源电压范围为26V。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4.55.5V。它的输入电压参数为VIHmin=2.0V；VILmax=0.8V，与TTL完
12、全一样。另外，74HC/HCT系列与74LS系列的产品，只需最后3位数字一样，那么两种器件的逻辑功能、外形尺寸，引脚陈列顺序也完全一样，这样就为以CMOS产品替代TTL产品提供了方便。 先进的CMOSACACT系列 该系列的任务频率得到了进一步的提高，同时坚持了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4.55.5V。AC系列的电源电压范围为1.55.5V。ACACT系列的逻辑功能、引脚陈列顺序等都与同型号的HCHCT系列完全一样。 CMOS逻辑门电路的主要参数 CMOS门电路主要参数的定义同TTL电路，主要有以下几种参数输出高电平VOH与输出低电平VOL阈值电
13、压Vth抗干扰容限传输延迟与功耗扇出系数输出高电平VOH与输出低电平VOL CMOS门电路VOH的实际值为电源电压VDD，VOHmin=0.9VDD；VOL的实际值为0V，VOLmax=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅即高低电平之差较大，接近电源电压VDD值。 阈值电压Vth 从CMOS非门电压传输特性曲线中看出，输出高低电平的过渡区很陡，阈值电压Vth约为VDD/2。 抗干扰容限 CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。其他CMOS门电路的噪声容限普通也大于0.3VDD，电源电压VDD越大，其抗
14、干扰才干越强。 传输延迟与功耗 CMOS电路的功耗很小，普通小于1 mW/门，但传输延迟较大，普通为几十ns/门，且与电源电压有关，电源电压越高，CMOS电路的传输延迟越小，功耗越大。前面提到74HC高速CMOS系列的任务速度己与TTL系列相当。 扇出系数 因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，普通额定扇出系数可达50。但必需指出的是，扇出系数是指驱动CMOS电路的个数，假设就灌电流负载才干和拉电流负载才干而言，CMOS电路远远低于TTL电路。 CMOS反相器反相器由两只加强型MOSFET组成，其中一个为N沟道构造，另一个为P沟道构造。为了电路能正常任务，要求电源电压VDD大于两个
15、管子的开启电压的绝对值之和，即VDD(VTN|VTP|) 。根本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+VDD，而功耗几乎为零。CMOS反相器反相器1.与非门电路与非门电路包括两个串联的N沟道加强型MOS管和两个并联的P沟道加强型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中只需有一个为低电平常，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全为高电平常，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。因此，这种电路具有与非的逻辑功能，即 CMOS门电路1.与非门电路与非门电路
16、2.或非门电路或非门电路包括两个并联的N沟道加强型MOS管和两个串联的P沟道加强型MOS管。当输入端A、B中只需有一个为高电平常，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全为低电平常，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。因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为 2.或非门电路或非门电路3.异或门电路异或门电路由一级或非门和一级与或非门组成。或非门的输出 ，而与或非门的输出L即为输入A、B的异或 如在异或门的后面添加一级反相器就构成异或非门，由于具有 的功能，因此称为同或门。 4，CMOS传输门传输门传输门TG是一
17、种传输模拟信号的模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道加强型MOSFET并联而成 。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根本单元电路。 4，CMOS传输门传输门CMOS时序逻辑电路CMOS时序电路 在数字在数字电电路中，凡是任一路中，凡是任一时时辰的辰的稳稳定定输输出出不不仅仅决决议议于于该时该时辰的辰的输输入，而且入，而且还还和和电电路路原来形状有关者都叫原来形状有关者都叫时时序序逻辑电逻辑电路，也称路，也称为为再生再生电电路，具有存路，具有存储储功能。根本再生功能。根本再生电电路包括：双路包括：双稳态电稳态电路、路、单稳态电单稳态电路和非路和非稳稳
18、态电态电路。路。 时序逻辑电路的分类时序逻辑电路可分为同步时序电路和异步时序电路两大类。在同步时序逻辑电路中，存储电路内一切触发器的时钟输入端都接于同一个时钟脉冲源，因此，一切触发器的形状的变化都与所加的时钟脉冲信号同步。在异步时序逻辑电路中，没有一致的时钟脉冲，有些触发器的时钟输入端与时钟脉冲源相连，只需这些触发器的形状变化才与时钟脉冲同步，而其他触发器形状的变化并不与时钟脉冲同步。 CMOS指互补金属氧化物(PMOS管和NMOS管)共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺 。它的特点就是低功耗，这也是他近几十年快速开展的根本缘由。 CMOS时序逻辑电路就是利用这种工艺制成的一种时序电路。双稳
19、态电路是目前运用最广泛和最重要的一种，它有两种稳定形状或任务方式，典型的双稳态电路包括RS、Jk和D锁存器与触发器。简单的时序逻辑电路 触触发发器、器、计计数器、存放器都是数器、存放器都是时时序序电电路路1、触、触发发器器 可以存可以存储储1位二位二值值信号的根本信号的根本单单元元电电路。路。 特点特点:具有两个能自行具有两个能自行坚坚持的持的稳稳定形状，用定形状，用来表来表 示示逻辑逻辑形状的形状的0和和1,或二或二进进制数的制数的0和和1 ;根据不同根据不同 的的输输入信号可以置入信号可以置1或或0。触发器的分类： 触发方式：电平触发器、脉冲触发器和边沿触发器 逻辑功能方式：RS锁存器、J
20、K触发器、D触发器、T触发器、T触发器 构造：根本SR锁存器、同步SR触发器、主从触发器、维持阻塞触发器、边沿触发器等 存储数据的原理：静态触发器和动态触发器。静态触发器是靠电路的自锁来存储数据的；动态触发器是靠电容存储电荷来存储数据的。2、计数器、计数器 计数器的根本功能是累计输入脉冲的个数，计数器的根本功能是累计输入脉冲的个数，可用于定时、分频、时序控制等。可用于定时、分频、时序控制等。 分分分分类类加法加法加法加法计计数器数器数器数器减法减法减法减法计计数器数器数器数器可逆可逆可逆可逆计计数器数器数器数器 ( (按按按按计计计计数功能数功能数功能数功能 ) )异步异步异步异步计计数器数器
21、数器数器 同步同步同步同步计计计计数器数器数器数器( (按按按按计计计计数脉冲引入方式数脉冲引入方式数脉冲引入方式数脉冲引入方式) ) 二二二二进进进进制制制制计计计计数器数器数器数器 十十十十进进进进制制制制计计计计数器数器数器数器 M M 进进进进制制制制计计计计数器数器数器数器( (按按按按计计计计数制数制数制数制) )3、存放器、存放器 存放器的根本功能是暂存信息和数据。存放器的根本功能是暂存信息和数据。其主要组成部分是触发器。其主要组成部分是触发器。 每个触发器可存储每个触发器可存储1位二进制代码。存位二进制代码。存放器存入、输出信息的方式可分为：放器存入、输出信息的方式可分为： (
22、1) 并入并入-并出方式并出方式 (2) 并入并入-串出方式串出方式 (3) 串入串入-并出方式并出方式 (4) 串入串入-串出方式串出方式CMOS时序逻辑电路的分析 简单简单的的时时序序电电路分析路分析 输出方程输出方程:驱动方程驱动方程:形状方程形状方程:时序电路的普通分析步骤：时序电路的普通分析步骤：(1)分析逻辑电路组成：确定输入和输出，区分组合分析逻辑电路组成：确定输入和输出，区分组合 电路部分和存储电路部分，确定是同步电路还是电路部分和存储电路部分，确定是同步电路还是异步电路。异步电路。(2)写出存储电路的驱动方程，时序电路的输出方程，写出存储电路的驱动方程，时序电路的输出方程，对
23、于某些时序电路还应写出时钟方程。对于某些时序电路还应写出时钟方程。(3)求形状方程：把驱动方程代入相应触发器的特性求形状方程：把驱动方程代入相应触发器的特性方程，即可求得形状方程，也就是各个触发器的方程，即可求得形状方程，也就是各个触发器的次态方程。次态方程。 (4)(4)列形状表：列形状表： 把把电电路的路的输输入信号和存入信号和存储电储电路路现态现态的一切能的一切能够够的取的取值组值组合代入形状方程和合代入形状方程和输输出方程出方程进进展展计计算，算，求出相求出相应应的次的次态态和和输输出。列表出。列表时应时应留意，留意，时钟时钟信信号号CPCP只是一个操作信号，不能作只是一个操作信号，不
24、能作为输为输入入变变量。在量。在由形状方程确定次由形状方程确定次态时态时，须须首先判首先判别别触触发发器的器的时时钟钟条件能否条件能否满满足，假足，假设设不不满满足，触足，触发发器形状器形状坚坚持持不不变变。 (5)(5)画形状画形状图图或或时时序序图图。(6)(6)电电路功能描画。路功能描画。波形分析由由T触触发器的形状方程和器的形状方程和 输出方程，可以画出出方程，可以画出电 路的任路的任务波形，如下波形，如下图。 图中中和和是是T 触触发器器 原始形状原始形状为0 时的任的任务波波 形；形；和和是是T触触发器原器原 始形状始形状为1时的任的任务波形。波形。 比比较较波波形形 和和可可见见
25、，虽虽然然输输入入信信号号X 和和CP 完完全全一一样样，但但是是由由于于T触触发发器器的的原原形形状状不不同同，输输出出那那么么不不同同。由由此此可可见见，时时序序电电路路的的输输出出不不仅仅取取决决于于当当时时的的输输入入信信号号X和和CP，而而且且还还取取决决于于电电路路内内部部存存储储电电路路 T 触触发发器器 的原形状。的原形状。(2) 形状表形状表 形状表是反映形状表是反映形状表是反映形状表是反映时时时时序序序序电电电电路路路路输输输输出出出出 、次、次、次、次态态态态 和和和和输输输输入入入入 、现态现态现态现态 间对应间对应间对应间对应取取取取值值值值关系的表格。例如我关系的表
26、格。例如我关系的表格。例如我关系的表格。例如我们们们们列出列出列出列出图图图图11.111.1电电电电路的形状表，如表路的形状表，如表路的形状表，如表路的形状表，如表11.111.1所示：所示：所示：所示：图图11.111.1a aXQnQn+1Z0011010110010001表表表表11.1 11.1 形状表形状表形状表形状表(3) 形状形状图图 形状形状形状形状图图图图是反映是反映是反映是反映时时时时序序序序电电电电路形状路形状路形状路形状转换规转换规转换规转换规律及相律及相律及相律及相应输应输应输应输入、入、入、入、输输输输出取出取出取出取值值值值情况的几何情况的几何情况的几何情况的几
27、何图图图图形。根据形状表，可作出上例的形状形。根据形状表，可作出上例的形状形。根据形状表，可作出上例的形状形。根据形状表，可作出上例的形状图图图图如如如如图图图图11.311.3所示。所示。所示。所示。 XQnQn+1Z0011010110010001表表表表11.1 11.1 形状表形状表形状表形状表(4) 时时序序图图 图图11.111.1b b 时时时时序序序序图图图图也就是任也就是任也就是任也就是任务务务务波形波形波形波形图图图图，它，它，它，它笼统笼统笼统笼统地表达了地表达了地表达了地表达了输输输输入信号、入信号、入信号、入信号、输输输输出出出出信号、信号、信号、信号、电电电电路形状
28、等的取路形状等的取路形状等的取路形状等的取值值值值在在在在时间时间时间时间上的上的上的上的对应对应对应对应关系。上例的关系。上例的关系。上例的关系。上例的时时时时序序序序图图图图如如如如图图图图11.111.1 b b 所示。所示。所示。所示。这这四四四四种种种种表表表表示示示示方方方方法法法法从从从从不不不不同同同同侧侧面面面面突突突突出出出出了了了了时时序序序序电电路路路路逻逻辑辑功功功功能能能能的的的的特特特特点点点点，它它它它们们本本本本质质上上上上是是是是相相相相通通通通的的的的，可可可可以以以以相相相相互互互互转转换换。在在在在实实践践践践任任任任务务中中中中，可可可可根根根根据据
29、据据详详细细情情情情况况况况选选用用用用。应应该该指指指指出出出出，用用用用卡卡卡卡诺诺图图也也也也可可可可以以以以方方方方便便便便地地地地表表表表示示示示时时序序序序电电路路路路的的的的逻逻辑辑功能。功能。功能。功能。提提 示示 时时序序电电路路按按形形状状转转换换情情况况分分为为同同步步时时序序电电路路和和异异步步时时序序电电路路两两大大类类。对对于于同同步步时时序序电电路路，存存储储电电路路中中一一切切存存储储单单元元形形状状的的改改动动都都在在同同一一时时钟钟的的上上升升沿沿或或者者下下降降沿沿，即即采采用用一一致致时时钟钟。而而异异步步时时序序电电路路不不用用一一致致的的时时钟钟，或
30、者没有，或者没有时钟时钟。 时序逻辑电路的设计方法时序逻辑电路的设计方法设计：根据：根据给定的定的逻辑要求，要求，选择适当的适当的逻辑器件，器件，组成符合要求的成符合要求的时序序逻辑电路。路。 时时序序逻辑电逻辑电路分析的普通步路分析的普通步骤骤根据根据设计标题画原始画原始形状形状图画出形画出形状状图及及列出形列出形状表状表确确定定触触发器器求求电路路输出方程及出方程及各触各触发器器驱动方程方程形形状状化化简画画逻辑电路路图并并检查自启自启动才干才干 触触发发器个数器个数n n须满须满足：足：2n-1M2n,2n-1M2n, 其中其中M M是是电电路路包含的形状个数。包含的形状个数。 CMOS
31、逻辑电路的运用虽然制造集成电路的方法有多种，但对于数字逻辑电路而言CMOS是主要的方法。相对于其他逻辑系列，CMOS逻辑电路具有以下优点： 1、允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计 2、逻辑摆幅大，使电路抗干扰才干强 3、静态功耗低 4、隔离栅构造使CMOS器件的输入电阻极大，从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的才干比其他系列强得多CMOS之所以流行的一些缘由为: 逻辑函数很容易用CMOS电路来实现。 CMOS允许极高的逻辑集成密度。其含义就是逻辑电路可以做得非常小，可以制造在极小的面积上。 用于制造硅片CMOS芯片的工艺曾经是众所周知，并且CMOS芯片的制造和销售价钱非常合理。 CMOS制造工艺被运用于制造数码影像器材的感光元件常见的有TTL和CMOS，尤其是片幅规格较大的单反数码相机。运用范围：桌面个人计算机、任务站、视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于CMOS集成电路来完成所需的功能。计算机领域的CMOS是微机主板上的一块可读写的RAM芯 片，用来保管当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。CMOS可由主板的电池供电，即使系统掉电，信息也不会丧失。
