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1、3.5CMOS电路电路3.5.13.5.1CMOSCMOS反相器任务原理反相器任务原理3.5.23.5.2CMOSCMOS反相器的主要特性反相器的主要特性3.5.33.5.3CMOSCMOS传输门传输门3.5.43.5.4CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路3.5.53.5.5CMOSCMOS电路的锁定效应及电路的锁定效应及 正确运用方法正确运用方法图3-5-1 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.5.13.5.1CMOSCMOS反相器任务原理反相器任务原理CMOS反反相相器器由由一一个个P沟沟道道加加强强型型MOS管管和和一一个个N沟沟道道加加强强型型MOS管管串串联联组组成
2、成。通通常常P沟沟道道管管作作为为负负载载管管，N沟沟道道管管作作为为输输入管。入管。两两个个MOS管管的的开开启启电电压压VGS(th)P0，通通常常为为了了保保证证正正常常任任务，要求务，要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。假假设设输输入入vI为为低低电电平平(如如0V)，那那么么负负载载管管导导通通，输输入入管管截截止止，输输出出电电压压接接近近VDD。假假设设输输入入vI为为高高电电平平(如如VDD)，那那么么输输入入管管导导通通，负负载载管管截止，输出电压接近截止，输出电压接近0V。图3-5-2 CMOS反相器电压传输特性vIvOOVDDVDDVDD+VGS(th)PV
3、GS(th)N 3.5.23.5.2CMOSCMOS反相器的主要特性反相器的主要特性电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性CMOS反反相相器器的的电压传输特特性曲性曲线可分可分为五个任五个任务区。区。任任务区区：由由于于输入入管管截截止止，故故vO=VDD，处于于稳定关定关态。任任务区区：PMOS和和NMOS均均处于于饱和和形形状状，特特性性曲曲线急急剧变化，化，vI值等于等于阈值电压Vth。任任务区区：负载管管截截止止，输入入管管处于于非非饱和和形形状状，所所以以vO0V，处于于稳定的开定的开态。工作区工作区工作区工作区输入电压输入电压输入电压输入电压v vI I范围范围范围范
4、围PMOSPMOS管管管管NMOSNMOS管管管管输出输出输出输出0 0 v vI I V VGS(th)NGS(th)N非饱和非饱和非饱和非饱和截止截止截止截止v vOO V VDDDDV VGS(th)NGS(th)N v vI I v vOO+ + V VGS(th)PGS(th)P非饱和非饱和非饱和非饱和饱和饱和饱和饱和v vOO+ + V VGS(th)PGS(th)P v vI I v vOO+ + V VGS(th)NGS(th)N饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和饱和v vOO+ + V VGS(th)NGS(th)N v vI I V VDDDD+ + V VGS(th)PGS(t
5、h)P饱和饱和饱和饱和非饱和非饱和非饱和非饱和V VDDDD+ + V VGS(th)PGS(th)P v vI I V VDDDD截止截止截止截止非饱和非饱和非饱和非饱和v vOO00表3-5-1 CMOS电路MOS管的任务形状表图3-5-3 CMOS反相器电流传输特性vIOVDDiDSVDD+VGS(th)PVGS(th)N V thCMOS反反相相器器的的电流流传输特特性性曲曲线，只只在在任任务区区时，由由于于负载管管和和输入入管管都都处于于饱和和导通通形形状状，会会产生生一一个个较大大的的电流流。其其他他情情况况下下，电流流都都极小。极小。CMOS反相器具有如下特点：反相器具有如下特点
6、：(1) 静静态功功耗耗极极低低。在在稳定定时，CMOS反反相相器器任任务在在任任务区区和和任任务区区，总有有一一个个MOS管管处于于截截止止形形状状，流流过的的电流流为极极小的漏小的漏电流。流。(2) 抗抗干干扰才才干干较强。由由于于其其阈值电平平近近似似为0.5VDD，输入入信信号号变化化时，过渡渡变化化峻峻峭峭，所所以以低低电平平噪噪声声容容限限和和高高电平平噪声容限近似相等，且随噪声容限近似相等，且随电源源电压升高，抗干升高，抗干扰才干加才干加强。(3) 电源源利利用用率率高高。VOH=VDD，同同时由由于于阈值电压随随VDD变化化而而变化化，所所以以允允许VDD有有较宽的的变化化范范
7、围，普普通通为+3+18V。(4) 输入阻抗高，入阻抗高，带负载才干才干强。图3-5-4 CMOS输入维护电路vOVDDTPTNvIC1D2N D1 D1C2PPPNR输入特性和输出特性输入特性和输出特性(1) 输入特性输入特性为为了了维维护护栅栅极极和和衬衬底底之之间间的的栅栅氧氧化化层层不不被被击击穿穿，CMOS输入端都加有维护电路。输入端都加有维护电路。由由于于二二极极管管的的钳钳位位作作用用，使使得得MOS管管在在正正或或负负尖尖峰峰脉脉冲作用下不易发生损坏。冲作用下不易发生损坏。图3-5-5 CMOS反相器输入特性vIOVDDiI1V思思索索输入入维护电路路后后，CMOS反反相相器器
8、的的输入入特特性性如如图3-5-5所示。所示。vO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOL图3-5-6 输出低电平等效电路图3-5-7 输出低电平常输出特性VOL(vDSN)OIOL(iDSN)vI(vGSN)(2) 输出特性输出特性a. 低电平输出特性低电平输出特性当当输输入入vI为为高高电电平平常常，负负载载管管截截止止，输输入入管管导导通通，负负载载电电流流IOL灌灌入入输输入入管管，如如图图3-5-6 所所示示。灌灌入入的的电电流流就就是是N沟沟道道管管的的iDS，输输出出特特性性曲曲线线如如图图3-5-7 所示。所示。输输 出出 电电 阻阻 的的 大大 小小 与与vGSN(vI)
9、有有关关，vI越越大大，输输出出电电阻阻越越小小，反反相相器器带带负负载载才才干干越强。越强。VOHVDDTNRLvI=0TPIOH图3-5-8 输出高电平等效电路图3-5-9 输出高电平常输出特性vSDPOIOH (iSDP)vGSPVDDb. 高电平输出特性高电平输出特性当当输输入入vI为为低低电电平平常常，负负载载管管导导通通，输输入入管管截截止止，负负载载电电流流是是拉拉电电流流，如如图图3-5-8所所示示。输输出出电电压压VOH=VDD-vSDP，拉拉电电流流IOH即即为为iSDP，输输出出特特性曲线如图性曲线如图3-5-9所示。所示。由由曲曲线线可可见见，|vGSP|越越大大，负负
10、载载电电流流的的添添加加使使VOH下下降降越越小，带拉电流负载才干就越强。小，带拉电流负载才干就越强。电源特性电源特性CMOS反反相相器器的的电源源特特性性包包含含任任务时的的静静态功功耗耗和和动态功功耗。静耗。静态功耗非常小，通常可忽略不功耗非常小，通常可忽略不计。CMOS反反相相器器的的功功耗耗主主要要取取决决于于动态功功耗耗，尤尤其其是是在在任任务频率率较高高时，动态功功耗耗比比静静态功功耗耗大大得得多多。当当CMOS反反相相器器任任务在在第第任任务区区时，将将产生生瞬瞬时大大电流流，从从而而产生生瞬瞬时导通通功功耗耗PT。此此外外，动态功功耗耗还包包括括在在形形状状发生生变化化时，对负
11、载电容容充、放充、放电所耗所耗费的功耗。的功耗。TP图3-5-10 CMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTN3.5.33.5.3CMOSCMOS传输门传输门CMOS传传输输门门是是由由P沟沟道道和和N沟沟道道加加强强型型MOS管管并并联联互互补补组组成。成。当当C=0V，C=VDD时时，两两个个MOS管管都都截截止止。输输出出和和输输入入之之间间呈呈现现高高阻阻抗抗，传传输输门门截截止止。当当C=VDD，C=0V时时，总总有有一一个个MOS管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输
12、门导通。TP图3-5-11 传输门高、低电平传输情况VDDC=0C=VDDvOvI=VDDTNDSSDCLTPVDDC=0C=VDDvOvITNSDDSCL(a) 高电平传输高电平传输(b) 低电平传输低电平传输传输门传输高高电平平信信号号时，假假设控控制制信信号号C为有有效效电平平，那那么么传输门导通通，电流流从从输入入端端经沟沟道道流流向向输出出端端，向向负载电容容CL充充电，直至，直至输出出电平与平与输入入电平一平一样，完成高，完成高电平的平的传输。假假设传输低低电平平信信号号，电流流从从输出出端端流流向向输入入端端，负载电容容CL经传输门向向输入入端端放放电，输出出端端从从高高电平平降
13、降为与与输入入端端一一样的低的低电平，完成低平，完成低电平平传输。YVDDT1BTP图3-5-12 CMOS与非门TPATNTNT4T3T2YVDDT1B图3-5-13 CMOS或非门AT4T3T23.5.43.5.4CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路CMOS与非门、或非门与非门、或非门当当输输入入信信号号为为0时时，与与之之相相连连的的N沟沟道道MOS管管截截止止，P沟沟道道MOS管导通；反之那么管导通；反之那么N沟道沟道MOS管导通，管导通，P沟道沟道MOS管截止。管截止。YVDDB图3-5-14 带缓冲级的与非门A上述电路虽然简单，但存在一些严重缺陷：上述电路虽然简单，但存在一些严重缺
14、陷：(1) 输出电阻受输入端形状的影响；输出电阻受输入端形状的影响；(2) 当当输输入入端端数数目目增增多多时时，输输出出低低电电平平也也随随着着相相应应提提高高，使低电平噪声容限降低。使低电平噪声容限降低。处理理方方法法：在在各各输入入端端、输出出端端添添加加一一级反反相相器器，构构成成带缓冲冲级的的门电路。路。带缓冲冲级的的与与非非门是是在在或或非非门的的输入入端端、输出出端端接接入入反反相相器器构成的。构成的。VDDEN图3-5-15 三态输出CMOS门 构造之一AYVDD1TNTNTPTP三态输出三态输出CMOS门门三三态态输输出出CMOS门门是是在在普普通通门门电电路路上上，添添加加
15、了了控控制制端端和和控控制电路构成，普通有三种构造方式。制电路构成，普通有三种构造方式。第一种方式：第一种方式：在在反反相相器器根根底底上上添添加加一一对对P沟沟道道TP和和N沟沟道道TN MOS管管。当当控控制制端端为为1时时，TP和和TN同同时时截截止止，输输出出呈呈高高阻阻态态；当当控控制制端端为为0时时，TP和和TN同同时时导导通通，反反相相器器正正常常任任务务。该该电电路路为低电平有效的三态输出门。为低电平有效的三态输出门。EN图3-5-16 三态输出CMOS门构造之二AYVDD1TNTPAY&TNTPVDDENTNTP第二种方式和第三种方式：第二种方式和第三种方式：EN图3-5-1
16、7 三态输出CMOS 门构造之三AYVDD1TGA图3-5-18 漏极开路输出门VDD11&BVDD2RL漏漏极极开开路路输输出出门门如如图图3-5-18所所示示，其原理与其原理与TTL开路输出门一样。开路输出门一样。CMOS电路路以以其其低低功功耗耗、高高抗抗干干扰才才干干等等优点点得得到到广广泛泛的的运运用用。其其任任务速速度度已已与与TTL电路路不不相相上上下下，而而在在低功耗方面低功耗方面远远优于于TTL电路。路。目目前前国国产产CMOS逻逻辑辑门门有有CC 4000系系列列和和高高速速54HC/74HC系列，主要性能比较如下：系列，主要性能比较如下：25253 3最高任务频率最高任务
17、频率最高任务频率最高任务频率/MHz/MHz6 69 9262654HC/74HC54HC/74HC系列系列系列系列80809090318318CC4000CC4000系列系列系列系列边沿时间边沿时间边沿时间边沿时间/ns/ns传输延迟传输延迟传输延迟传输延迟/ns/ns电源电压电源电压电源电压电源电压/V/V系系系系 列列列列表3-5-2 CMOS门性能比较P+N+N+N+P+P+N+P+RRWT2T4T6T3T1T5RSP阱阱N衬底衬底VSSS2G2D2D1G1S1vOvIVDD图3-5-19 CMOS反相器构造表示图3.5.53.5.5CMOSCMOS电路的锁定效应及正确运用方法电路的锁
18、定效应及正确运用方法CMOS电路的锁定效应电路的锁定效应图中的图中的T1T6均为寄生三极管，是产生锁定效应的缘由。均为寄生三极管，是产生锁定效应的缘由。RvIvOVDDVSST5T6RWT1T2RST3T4P阱阱(N衬底衬底)图3-5-20 CMOS锁定效应等效电路寄寄生生三三极极管管等等效效电电路路中中，T1和和T2构构成成了了一一个个正正反反响响电电路路。在在CMOS电电路路中中假假设设发发生生了了T1、T2寄寄生生三三极极管管正正反反响响导导电电情情况况，称称为为锁锁定定效效应应，或或称称为可控硅效应。为可控硅效应。为保证为保证CMOS电路不产生锁定效应，电路不产生锁定效应，vI和和vO
19、必需满足：必需满足：CMOS器件运用时应留意的问题器件运用时应留意的问题(1) 输入入电路的静路的静电防防护措措施施：运运输时最最好好运运用用金金属属屏屏蔽蔽层作作为包包装装资料料；组装装、调试时，仪器器仪表表、任任务台台面面及及烙烙铁等等均均应有有良良好好接接地地；不不运运用的多余用的多余输入端不能入端不能悬空，以免拾取脉冲干空，以免拾取脉冲干扰。(2) 输入端加入端加过流流维护措措施施：在在能能够出出现大大输入入电流流的的场所所必必需需加加过流流维护措措施施。如如在在输入入端端接接有有低低电阻阻信信号号源源时、在在长线接接到到输入入端端时、在在输入端接有大入端接有大电容容时等，均等，均应在
20、在输入端接入入端接入维护电阻阻RP。(3) 防止防止CMOS器件器件产生生锁定效定效应措措施施：在在输入入端端和和输出出端端设置置钳位位电路路；在在电源源输入入端端加加去去耦耦电路路，在在VDD输入入端端与与电源源之之间加加限限流流电路路，防防止止VDD端端出出现瞬瞬态高高压；在在vI输入入端端与与电源源之之间加加限限流流电阻阻，使使得得即即使使发生生了了锁定定效效应，也也能能使使T1、T2电源源限限制制在在一一定定范范围内内，不不致致于于损坏器件。坏器件。假假设一一个个系系统中中由由几几个个电源源分分别供供电时，各各电源源开开关关顺序序必必需需合合理理，启启动时应先先接接通通CMOS电路路的
21、的电源源，再再接接入入信信号号源源或或负载电路路；封封锁时，应先先切切断断信信号号源源和和负载电路路，再再切切断断CMOS电源。源。电路类型电路类型电源电电源电压压/V传输延传输延迟时间迟时间/ns静态功耗静态功耗/mW功耗延迟积功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限直流噪声容限 输出逻输出逻辑摆幅辑摆幅/VVNL/V VNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速高速CMOS5811038 1031.01.55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各类数字集成电路主要性能参数的比较
