数字电路2.4CMOS集成门电路

2.4CMOS门电路一、MOS管反相器以增强型NMOS管基本开关电路为例当uIUGS（TH）时，MOS管工作在截止区，当uIUGS（TH）时，沟道电阻变得很小，我们可以将MOS管看作是一个电压控制的电子开关TuIuOUDDRDDGSUGS(TH)UDSID0UGSID0输出为低电平，uO=UOL≈0V输出即为高电平，uO=UOH≈UDDUGSUGS(TH)UGSUGS(TH)uI=0V时，T1导通，T2截止，输出与输入之间为逻辑非的关系只有当uIUDD时，D1导通；uI0V时D2导通。对电路进行保护CMOS反相器的工作原理uI=UDD时，T1截止，T2导通，T1为增强型PMOS，D1、D2是保护二极管T2为增强型NMOS静态时T1、T2总是有一个导通而另一个截止——谓互补状态，所以把这种电路结构形式称为互补MOS（Complementary-SymmeteryMOS，简称CMOS）。由于总有一个MOS管截止，静态电流极小，静态功耗极小T1T2UDDuIuoD1D2uO≈UDDuO≈0由于总有一个MOS管导通，为负载提供了低阻通路，使充放电时间很短，开关速度比NMOS管大大提高CMOS反相器的特性曲线（一）电压传输特性及噪声容限T1T2UDDuIuoD1D2uiuo0传输特性特性很陡，阈值电压，从而获得了更大的输入噪声容限，DDTH21UUUDD/2UDDUDD增大时的特性曲线（二）输入特性在正常情况下，保护电路不动作，其输入电流不大于1μA。由于保护电路的二极管电流的容量有限，一般为1mA，所以有可能出现大电流的场合，如：输入端接有低内阻的信号源、长线时（存在分布电感和分布电容），应在输入端串入保护电阻，串入保护电阻且随着电源电压（5-15V）提高而增大。阈值电压确保流经保护二极管的电流不超过1mA。二、其它功能的CMOS门电路在CMOS门电路的系列产品中，除了反相器外常用的还有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等V1、V2为两只串联的NMOS管V3、V4为两只并联的PMOS管输入A、B中有低电平时，V1、V2中有截止，V3、V4中有导通，输出UO总为高电平。1.与非门UDDFV4(P)V2(N)V1(N)V3(P)ABBAF只有当A、B均为高电平输入时，V1、V2同时导通，V3、V4中同时截止，UO(F)才为低电平V1、V2为两只并联的NMOS管V3、V4为两只串联的PMOS管输入A、B中只要有高电平时，V1、V2中有导通，V3、V4中有截止，输出UO就为低电平。2.或非门BAFUDDFV4(P)V2(N)V1(N)V3(P)AB只有当A、B均为低电平输入时，V1、V2同时截止，V3、V4中同时导通，UO(F)才为高电平3、CMOS“异或”门由三个CMOS反相器和一个CMOS传输门组成传输门的控制信号A、A当A=B=0时00110TG断开当A=B=1时，11TG接通110F=0输入端A和B相同输入端A和B相同，输出F=0F=0输入端A和B不同当A=1，B=0时10TG导通001输出F=1当A=0，B=1时01TG断开101输出F=1输入端A和B不同，输出F=1输入端A和B不同输出F=1输入端A和B相同输出F=0由此可知：该电路实现的是“异或”的逻辑功能BABABAF4.CMOS与门AB&Y1ABABY+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABYABY&AB+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSSAYABY5.CMOS或门Y1BABAYBA+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSSAYAB≥1ABY≥1+VDDVSSTP1TN1TN2TP2ABYBAY6、CMOS与或非门&&&ABCD&≥1YABCDY1CDABYCDABCDABABCDCDAB三CMOS传输门、三态门和漏极开路门1、CMOS传输门(双向模拟开关)电路组成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuCTNCIO/uuOI/uuTGC工作原理：:01)1(CC、TN、TP均导通，)~0(DDIOVuu:10)2(CC、TN、TP均截止，IOuu导通电阻小(几百欧姆)关断电阻大(≥109)(TG门—TransmissionGate)2、CMOS三态门电路组成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN21EN工作原理1)1(ENY与上、下都断开TP2、TN2均截止Y=Z(高阻态—非1非0)AYTP2、TN2均导通0110)2(EN010控制端低电平有效(1或0)逻辑符号YA1ENEN使能端EN3、CMOS漏极开路门(OD门—OpenDrain)电路组成BA&1+VDDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符号(1)漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。主要特点(2)可以实现线与功能：输出端用导线连接起来实现与运算。YCD&P1P2+VDDYRD21PPYCDABCDAB(3)可实现逻辑电平变换：DDOHVU(4)带负载能力强。四、CMOS电路的主要特点(1)功耗极低。LSI：几个μW，MSI：100μW(2)电源电压范围宽。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干扰能力强。输入端噪声容限=0.45VDD(4)逻辑摆幅大。(5)输入阻抗极高。(6)扇出能力强。(7)集成度很高，温度稳定性好。(8)抗辐射能力强。(9)成本低。DDOHOL,V0VUU对于CMOS电路，一般可以不考虑扇出系数，高频工作时，扇出系数与频率有关Ω108≥五、CMOS电路使用中应注意的几个问题1.注意输入端的静电防护。2.注意输入电路的过流保护。3.注意电源电压极性。5.多余的输入端不应悬空。6.输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。与门、与非门：接电源或与其他输入端并联或门、或非门：接地或与其他输入端并联多余输入端的处理思考原因？4.输出端不能和电源、地短接。因为输入阻抗极高（≥108）故输入电流0，电阻上的压降0。