CMOS逻辑门电路

CMOS逻辑门电路MOS管结构图

MOS管主要参数：　　·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；　　·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比　　·在V_GS=0（增强型）的条件下 ，在增加漏源电压过程中使I_D开始剧增时的V_DS称为漏源击穿电压BV_DS

4. 栅源击穿电压BV_GS　　·在V_DS为某一固定数值的条件下 ，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导　　·导通电阻R_ON说明了V_DS对I_D的影响 ，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数

　　由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。

　　首先考虑两种极限情况：当v_I处于逻辑0时 ，相应的电压近似为0V；而当v_I处于逻辑1时，相应的电压近似为V_DD。假设在两种情况下N沟道管 T_N为工作管P沟道管T_P为负载管。但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。

　　下图为CMOS反相器的传输特性图。图中V_DD=10V，V_TN=|V_TP|=V_T=

　　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。下图表示当v_I=0V时 ，T_N截止，T_P导通，由V_DD通过T_P向负载电容C_L充电的情况。由于CMOS反相器中，两管的g_m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。类似地，亦可分析电容C_L的放电过程。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。

二、CMOS门电路

　　下图是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。

　　因此，这种电路具有与非的逻辑功能，即

　　下图是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。

　　上图为CMOS异或门电路。它由一级或非门和一级与或非门组成。或非门的输出。而与或非门的输出L即为输入A、B的异或

　　如在异或门的后面增加一级反相器就构成异或非门，由于具有的功能，因而称为同或门。异成门和同或门的逻辑符号如下图所示。

三、BiCMOS门电路

　　上图表示基本的BiCMOS反相器电路，为了清楚起见，MOSFET用符号M表示BJT用T表示。T₁和T₂构成推拉式输出级。而M_p、M_N、M₁、M₂所组成的输入级与基本的CMOS反相器很相似。输入信号v_I同时作用于M_P和M_N的栅极。当v_I为高电压时M_N导通而M_P截止；而当v_I为低电压时,情况则相反，M_p导通，M_N截止。当输出端接有同类BiCMOS门电路时，输出级能提供足够大的电流为电容性负载充电。同理，已充电的电容负载也能迅速地通过T₂放电。

　　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。下面着重介绍CMOS传输门。

　　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，如上图所示。T_P和T_N是结构对称的器件，它们的漏极和源极是可互换的。设它们的开启电压|V_T|=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T_P的衬底接+5V电压，而T_N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和表示。
　　传输门的工作情况如下：当C端接低电压-5V时T_N的栅压即为-5V，v_I取-5V到+5V范围内的任意值时，T_N均不导通。同时,T_P的栅压为+5V
，T_P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 ，v_I在-5V到+3V的范围内，T_N导通。同时T_P的棚压为-5V ，v_I在-3V到+5V的范围内T_P将导通。
　　由上分析可知，当v_I＜-3V时，仅有T_N导通，而当v_I＞+3V时，仅有T_P导通当v_I在-3V到+3V的范围内，T_N和T_P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传输出门的优点。
　　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。