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2.6-2.7 CMOS集成逻辑门

课程

数字电子技术

章节

第2章

教师

陈燕熙

审批

课题

2.6 CMOS逻辑门电路

课时

授课日期

授课班级

教学目的

与要求

理解CMOS门电路的工作原理和逻辑功能。

教学重点

CMOS门电路的工作原理和逻辑功能。

教学难点

CMOS门电路的工作原理。

授课类型

专业理论课

教学方法

班级授课

教具

多媒体

解决重难

点的措施

通过对场效应管基本知识的复习，进一步学习CMOS门电路的结构和工作原理。

导入过程

设计

在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，所以CMOS门电路的学习也是很有必要的

教学过程

一、教学内容：

2.6 CMOS逻辑门电路

2.内孔撑圆涨紧夹具6.1 CMOS反相器
图2.6.1(a)表示CMOS反相器电路，由两种增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道，另一个为P沟道。图2.6.1(b)为其简化画法。为了电路能正常工作，要求电源电压VDD＞(VTN+|VTP|)
1. 工作原理
首先考虑两种极限情况：当v1输入逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当v1输入逻辑1时，相应的电压近似为VDD。假设N沟道管TN为工作管，P沟道管Tp为负载管。由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，其结果相同。
基本CMOS反相器近似于理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或＋VDD，而功耗几乎为零。
2. 传输特性
COMS反相器的传输特性可仿照前述图解步骤来求得，改变v1的值，可得出相应的v0值。图4.6.4表示CMOS反相器的典型传输特性。图中VDD＝10V，VTN=|VTP|=VT=2V。由于VDD＞(VTN+|VTP|)，因此，当VDD-|VTP|>vI＞VTN时，TN和TP两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到，器件在放大区（饱和区），呈现恒流特性，两器件之一可当做高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在IDD/2处转换状态。

图2.6.4 CMOS反相器的传输特性

实时调试3. 工作速度
CMOS反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。图4.6.5表示当vI＝0V时，TN截止，TP导通，由VDD通过TP向负载电容CL充电的情况。由于CMOS反相器中，两管gm值均设计得较大，其导通电阻较小，充电回路的时间常数较小。电容CL的放电过程类似。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。


(a)电路	(b)负载电容充电
图2.6.5 CMOS反相器在电容负载下的工作情况

2.6.2 CMOS门电路
1. 与非门电路
电网监测图2.6.6是2输入端CMOS与非门电路，其中包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型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中只要有一个为低电平时，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全为高电平时，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。

图2.6.6 CMOS与非门

因此，这种电路具有与非的逻辑功能，即

L=A·B

n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。
2. 或非门电路
图2.6.7是2输入端CMOS或非门电路。其中包括两个并联的N沟道增强型MOS管和两个串联的P沟道增强型MOS管。当输入端A、B中只要有一个为高电平时，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全为低电平时，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。

图2.6.7 CMOS或非门

因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为生产企业原材料的订购与运输

L=A+B

显然，n个输入端的或非门必须有n个NMOS管并联和n个PMOS管串联。
比较CMOS与非门（图2.6.6）和或非门（图2.6.7）可知，与非门的工作管是彼此串联的，其输出电压随管子个数的增加而增加；或非门则相反，工作管彼此并联，对输出电压不致有明显的影响。因而或非门用得较多。
如在异或门的后面增加一级反相器就构成同或门,L=A·B+A·B。异或门和同或门的逻辑符号如图2.6.9所示。


(a)异或门	(b)同或门
图2.6.9 异或门和同或门的逻辑符号

CMOS逻辑门电路中，除上述几种外，还有三态门、缓冲器等类型。

2.6.4 CMOS传输门
MOSFET的输出特性在原点附近呈线性对称关系，因而它们常用作模拟开关。模拟开关广泛地用于取样－保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。

		所谓传输门（TG）就是一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沟道增强型 MOSFET并联而成，如图6.6.12(a)所示。图 6.6.12(b)是它的的逻辑符号。TP和TN是结构对称的器件，它们的漏极和源极可以互换。设它们的开启电压\|VT\|=2V，且输入模拟信号的变化范围为－5V到＋5V。为使衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故盖型螺母TP的衬底接＋5V电压，而TN的衬底接－5V电压。两管的栅极由互补的信号电压（＋5V和－5V）来控制，分别用C和C表示。
(a)电路	(b)逻辑符号
图6.6.12 CMOS传输门

传输门的工作情况如下：当C端接低电压－5V时，TN的栅压即为－5V，vI取－5V到＋5V范围的任意值时，TN均不导通。同时，TP的栅压为＋5V，TP亦不导通。可见，当C端接低电压时，开关是断开的。
为使开关接通，可将C端接高电压＋5V。此时TN的栅压为＋5V，vI在－5V到＋3V的范围内，TN导通。同时，TP的栅压为－5V，vI在－3V到＋5V的范围内，TP将导通。
由上分析可知，当vI＜－3V时，仅有TN导通，而当vI＞+3V,仅有TP导通。当vI在－3V到＋3V的范围内，TN和TP两管均导通。进一步分析还可看到，一管导通的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。换句话说，当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数，这是CMOS传输门的优点。
在正常工作时，模拟开关的导通电阻值约为数百欧，当它与输入阻抗为兆欧级的运放串接时，可以忽略不计。
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基本单元电路。

2.6.5 逻辑门电路使用中的几个实际问题

2.6 .5.1 各种门电路之间的接口问题
在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，例如，TTL和CMOS两种器件都要使用。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而需要采用接口电路，一般需要考虑下面三个条件：
·驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值。
·驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流。
·驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值。
其中条件1和2,属于门电路的扇出数问题，已在4.4.5节作过详细的分析。条件3属于电压兼容性的问题。其余如噪声容限、输入和输出电容以及开关速度等参数在某些设计中也必须予以考虑。

1. CMOS门驱动TTL门
在这种情况下，只要两者的电压参数兼容，不需另加接口电路，仅按电流大小计算出扇出数即可。
图2.9.1表示CMOS门驱动TTL门的简单电路。当CMOS门的输出为高电平时，它为TTL负载提供拉电流，反之则提供灌电流。

图2.6.1 CMOS门驱动TTL门

2. TTL门驱动CMOS门
此时TTL为驱动器件，CMOS为负载器件。由附录查得,当TTL输入为低电平时，它的输出电压参数与CMOS HC的输入电压参数是不兼容的。例如，LSTTL的VOH(min)为2.7V，而HC CMOS的VIH(min)为3.5V。为了克服这一矛盾，常采用如图4.9.2所示的接口措施。由图可知，用上拉电阻RP接到VDD可将TTL的输出高电平电压升到约5V，上拉电阻的值取决于负载器件的数目以及TTL和CMOS的电流参数。此时RP可作具体的计算得出。

拖曳臂式悬架

图4.9.2 TTL门驱动CMOS门

当TTL驱动CMOS－HCT时，由于电压参数兼容，不需另加接口电路。
2.6.3 抗干扰措施
在利用逻辑门电路（TTL或CMOS）作具体的设计时，还应当注意下列几个实际问题：
1.多余输入端的处理措施
2.去耦合滤波器
3.接地和安装工艺

二、课堂练习

例4.9.1 一74HC00与非门电路用来驱动一个基本的TTL反相器和六个74LS门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？
解：(1)由附录查得接口参数如下：一个基本的TTL反相器，IIL＝1.6mA，六个74LS门的输入电流。IIL=6×0.4mA=2.4mA。总的输入电流IIL(total)=1.6mA+2.4mA=4mA。
(2)因74HC00门电路的IOL=IIL=4mA，所驱动的TTL门电路未过载。

三、教学小结：

MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又可分为耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。

四、练习题

2-8

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