MOS知識分享|CMOS邏輯門電路干貨解析-KIA MOS管

CMOS邏輯門電路

CMOS邏輯門電路是在TTL電路問世之后, 所開發(fā)出的第二種廣泛應(yīng)用的數(shù)字集成器件，從發(fā)展趨勢來看，由于制造工藝的改進(jìn)，CMOS電路的性能有可能超越TTL而成為占主導(dǎo)地位的邏輯器件。

CMOS電路的工作速度可與TTL相比較，而它的功耗和抗干擾能力則遠(yuǎn)優(yōu)于TTL。此外，幾乎所有的超大規(guī)模存儲器件，以及PLD器件都采用CMOS藝制造，且費用較低。

早期生產(chǎn)的CMOS門電路為4000系列，隨后發(fā)展為4000B系列。當(dāng)前與TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可與TTL器件交換使用。下面首先討論CMOS反相器，然后介紹其他CMOS邏輯門電路。

一、CMOS反相器

MOSFET有P溝道和N溝道兩種，每種中又有耗盡型和增強(qiáng)型兩類。由N溝道和P溝道兩種MOSFET組成的電路稱為互補(bǔ)MOS或CMOS電路。

下圖表示CMOS反相器電路,由兩只增強(qiáng)型MOSFET組成,其中一個為N溝道結(jié)構(gòu)，另一個為P溝道結(jié)構(gòu)。為了電路能正常工作，要求電源電壓VDD大于兩個管子的開啟電壓的絕對值之和，即VDD>(VTN+|VTP|)。

1.工作原理

首先考慮兩種極限情況:當(dāng)V1處于邏輯0時，相應(yīng)的電壓近似為0V;而當(dāng)V1處于邏輯1時，相應(yīng)的電壓近似為VDD。假設(shè)在兩種情況下N溝道管TN為工作管P溝道管Tp為負(fù)載管。但是，由于電路是互補(bǔ)對稱的，這種假設(shè)可以是任意的，相反的情況亦將導(dǎo)致相同的結(jié)果。

下圖分析了 當(dāng)V1=VDD時的工作情況。在TN的輸出特性iD-VDS(VGSN=VDD)(注意VDSN=V0)上，疊加一條負(fù)載線，它是負(fù)載管Tp在VSGp=0V時的輸出特性iD-VsD。

由于VsGp，負(fù)載曲線幾乎是一條與橫軸重合的水平線。兩條曲線的交點即工作點。顯然，這時的輸出電壓VOL≈0V (典型值<10mV，而通過兩管的電流接近于零。這就是說，電路的功耗很小(微瓦量級)

下圖分析了另一種極限情況，此時對應(yīng)于V1=0V。此時工作管TN在VGsN=0的情況下運用，其輸出特性iD-VDs幾乎與橫軸重合，負(fù)載曲線是負(fù)載管Tp在VsGP=VDD時的輸出特性iD-VDs。

由圖可知，工作點決定了VO=VOH≈VDD;通過兩器件的電流接近零值。可見上述兩種極限情況下的功耗都很低。

2.傳輸特性

下圖為CMOS反相器的傳輸特性圖。圖中VDD=10V, VTN=|VTP|=VT=2V。由于VDD> (VTN+|VTP|) ，因此，當(dāng)VDD-|VTp|>vl>VTN時,TN和Tp兩管同時導(dǎo)通。考慮到電路是互補(bǔ)對稱的，一器件可將另一器件視為它的漏極負(fù)載。

還應(yīng)注意到，器件在放大區(qū)(飽和區(qū))呈現(xiàn)恒流特性，兩器件之一可當(dāng)作高阻值的負(fù)載。因此，在過渡區(qū)域，傳輸特性變化比較急劇。兩管在V1=VDD/2處轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

3.工作速度

CMOS反相器在電容負(fù)載情況下，它的開通時間與關(guān)閉時間是相等的，這是因為電路具有互補(bǔ)對稱的性質(zhì)。下圖表示當(dāng)V1=0V時，TN截止，Tp導(dǎo)通，由VDD通過Tp向負(fù)載電容CL充電的情況。由于CMOS反相器中，兩管的gm值均設(shè)計得較大，其導(dǎo)通電阻較小，充電回路的時間常數(shù)較小。類似地，亦可分析電容CL的放電過程。CMOS反相器的平均傳輸延遲時間約為10ns。

二、CMOS門電路

1.與非門電路

下圖是2輸入端CMOS與非門電路，其中包括兩個串聯(lián)的N溝道增強(qiáng)型MOS管和兩個并聯(lián)的P溝道增強(qiáng)型MOS管。每個輸入端連到一個N溝道和一個P溝道MOS管的柵極。

當(dāng)輸入端A、B中只要有一個為低電平時，就會使與它相連的NMOS管截止，與它相連的PMOS管導(dǎo)通，輸出為高電平;僅當(dāng)A、B全為高電平時，才會使兩個串聯(lián)的NMOS管都導(dǎo)通，使兩個并聯(lián)的PMOS管都截止，輸出為低電平。

n個輸入端的與非門必須有n個NMOS管串聯(lián)和n個PMOS管并聯(lián)。

2.或非門電路

下圖是2輸入端CMOS或非門電路。其中包括兩個并聯(lián)的N溝道增強(qiáng)型MOS管和兩個串聯(lián)的P溝道增強(qiáng)型MOS管。

當(dāng)輸入端A、B中只要有一個為高電平時，就會使與它相連的NMOS管導(dǎo)通，與它相連的PMOS管截止，輸出為低電平;僅當(dāng)A、B全為低電平時，兩個并聯(lián)NMOS管都截止，兩個串聯(lián)的PMOS管都導(dǎo)通，輸出為高電平。

因此，這種電路具有或非的邏輯功能，其邏輯表達(dá)式為L=A+B顯然,n個輸入端的或非門必須有n個NMOS管并聯(lián)和n個PMOS管并聯(lián)。

比較CMOS與非門和或非門可知，與非門的工作管是彼此串聯(lián)的，其輸出電壓隨管子個數(shù)的增加而增加;或非門則相反，工作管彼此并聯(lián)，對輸出電壓不致有明顯的影響。因而或非門用得較多。

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