第3章2数字电路.ppt
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1、MOS型电路是另一种常用电路,MOS意为金属氧 化物半导体(Metal-Oxide Semiconductor),(一)、MOS晶体管 晶体三极管有: E发射极 B基极 C集电极 机理是:基极电流IB 控制集电极电流IC。 结构有: NPN PNP MOS三极管有: S源极 G栅极 D漏极 机理是: 栅极电压VGS控制漏极电流ID 结构有: N沟道 P沟道,3.4 MOS逻辑门,MOS管除分N沟道、P沟道外,还分增强型和耗尽型。 增强型栅压VGS为0无沟道,耗尽型栅压VGS为0有沟道。,1、MOS管的基本结构 以N沟道增强型为例 源、漏极结构对称,可以互换使用 P衬 P型衬底,N型沟道,2、
2、N沟道增强型MOS管的工作特点:,栅极电压VGS小于开启电压VGS(th)时,无沟道形成,漏极电流ID为0。VDS爱多大多大!(截止区),栅极电压VGS大于等于开启电压VGS(th)时,沟道形成,有ID形成,分两种情况: a、VDS较大,大于 VGS VGS(th),ID随VGS的增加而增加。但很快VDS 已使 ID 饱和,没什么影响了。 (饱和区),b、VDS较小,小于VGS VGS(th),ID随VGS的增加也增加,但与VDS的大小密切相关。 或者也可以这样说:对某一VGS,ID随VDS线性增加,且VGS越大,斜率越大,等效电阻越小。 (非饱和区 or 可调电阻区),3、转移特性和跨导gm
3、,VGS 和 IDS的关系 通常用跨导表示: I DS gm= VGS VDS=常数 它代表VGS对 IDS的 控制能力。gm与沟道宽 度和长度有关。 沟道宽 度越宽、长度越短,g m 越大,控制能力越强。,4、MOS 管的输入电阻和输入电容,MOS管的输入阻抗指栅极到源极(或漏极)的电阻, 由于有SiO2绝缘层的阻隔,电阻极大,通常在1012欧姆以 上。作为静态负载对前级几乎没有什么影响。 MOS管的栅极、源极之间有很小的寄生电容,称为 输入电容,虽然很小(几P或更小),但由于输入阻抗 极高,漏电流很小,所以可用来暂时存储信息(如动态 RAM)。,5、直流导通电阻RON,直流导通电阻是指MO
4、S管导通时,漏源电压和漏源 电流的比值: RON= VDS / IDS,(二)、MOS 反相器 MOS反相器有四种形式,我们只讲E/E型、CMOS反相器。 E/E MOS 反相器有两个增强型MOS 管组成,一个作为输入管,一个作为负载管,两个管子的特性(如跨导)完全不同。 由N沟道管构成的反相器叫NMOS反相器。 见图:,1、E/EMOS管反相器结构:,当输入A=0V时:,T1截止,T2导通。T1只有 n A 级漏电流。工作在负载 线A点。,A,B,输出电压: F = VDD - Vth2 = 5 2 = 3 V,设: Vth2 = 2 V,VGS1 Vth1,当输入A=3V时:,VGS1 V
5、th1,T1导通:工作在负载 线B点。,输出电压:,由此可知:rd2 rd1 就能很好实现倒相器逻辑功能。,Vth11.5V,2、E/EMOS管反相器工作原理:,负载管特性, 与非门,T3:负载管,T1,T2 两个串连驱动管,当A,B中有一个低电平时,相应的驱动管截止,输出F为高电平。,当A,B全为高电平时,T1,T2均导通,输出 F 为低电平。,电路组成:,工作原理:,3.NMOS逻辑门,N:0止1导通,T3:负载管,T1、T2 两个并连驱作动管,当A,B中只要有一个高电平时,T1,T2总有一个导通,输出F为低电平。,只有A,B全为低电平,T1,T2均截止,输出 F 才是高电平。,输出和输入
6、的逻辑关系是:,同理:,是与或非门,电路组成:, 或非门,工作原理:,E/E MOS 反相器的特点:,单一电源,结构简单。 负载管TL始终饱和,速度慢,功耗大。 高电平不为VDD,有所损失。 输出高低电平,取决于两管跨导之比。负载管跨导小, 电阻大,影响工作速度。,NMOS,PMOS电路存在三个问题:, 负载管一直导通,当驱动管导通时,电源与地之间有静态电流,所以功耗大。, 要保证输出低电平,要求 rd2rd1不利于大规模集成。, 当驱动管截止时,由于负载管导通电阻rd2很大,对容性负载充电时间很长,使电路工作速度缓慢。,CMOS集成电路由 P 沟道和 N 沟道增强型 MOS 管串连组成,CM
7、OS电路能有效解决上述问题。,二、CMOS逻辑电路。, 电路结构:,PMOS作负载管,开启电压为负V t h 。NMOS作输入管,开启电压为正 V t h 。,两个栅极G并联作输入端。,G,两个漏极D串连作输出端。,D,D,两个衬底都和源极S接在一起,PMOS管源极接电源VDD,NMOS管源极接地。, 正常工作条件:,电源电压大于两管开启电压绝对值之和。VDD | V t h P |+ V t h N,1、CMOS倒相器,S,S, 工作原理,假设:,PMOS管 V t h P 2.5V,NMOS管 V t h N = 2 V,VDD = 5 V,当 VI = 0 V 时:,NMOS管 VGSN
8、 = 0 V t h N , TN管截止,其截止电阻 R off = 1091012。,PMOS管 VGSP = 0 - V DD= 5 V, |VGSP| |V t h P| ,TP管导通,其导通电阻R on = 103,CMOS倒相器,TP,TN,VDD,VI,VO,当 VI= 5 V 时:,NMOS管VGSN = 5V V t h N TN管导通,其导通电阻 R on = 103 。,PMOS管 VGSP = 5V - V DD= 0 V | VGSP | | V t h P | TP管截止,其导通电阻R off = 1091012, F = 0。,以上分析:,输入是0,输出是1,实现倒
9、相关系,,PMOS 管,启为负,0导1截止。,NMOS 管,启为正,0止1导通。,倒相器工作过程中,两管轮流导通,导通电阻小,截止电阻大,所以静态电流只有 n A 级。低功耗是CMOS倒相器的重要特点。,CMOS倒相器,TP,TN,VDD,VI,VO,(1)当Vi2V,TN截止,TP导通,VoVDD=10V。,2电压传输特性:,CMOS门电路的阈值电压 Vth=VDD/2,(设: VDD=10V, VTN=|VTP|=2V),(2)当2VVi5V,TN工作在饱和区,TP工作 在可变电阻区。,(3)当Vi=5V,两管都工作在饱和区, Vo=(VDD/2)=5V。,(4)当5VVi8V, TP工作
10、在饱和区, TN工作在可变电阻区。,(5)当Vi8V,TP截止, TN导通,Vo=0V。,电流传输特性: i o = f ( v I ),VI = VDD TP、TN 都饱和导通,这一瞬间有大电流通过,在其它区域总有一个导通,另一个截止。所以 i D 电流较小。,3、电流传输特性,、静态功耗极低,仅几十纳瓦,CMOS倒相器工作在1和5工作区,总有一个MOS管处于截止状态,有极小漏电流流过。只有在急剧翻转的第3区才有较大的电流,因此动态功耗会增大。,CMOS倒相器在低频工作时,功耗极小,低功耗时CMOS的最大优点。,、抗干扰能力较强,由于阈值电平近似等于 VDD,输入高、低电平的噪声容限随电源的
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