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CMOS逻辑门电路

作者:dolphin时间:2012-08-14浏览次数:8140

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VGS=0(增强型)的条件下 ,在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS

4. 栅源击穿电压BVGS  ·在VDS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RON说明了VDS对ID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vI处于逻辑0时 ,相应的电压近似为0V;而当vI处于逻辑1时,相应的电压近似为VDD。假设在两种情况下N沟道管 TN为工作管P沟道管TP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VDD=10V,VTN=|VTP|=VT=

  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,两管的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。类似地,亦可分析电容CL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Mp、MN、M1、M2所组成的输入级与基本的CMOS反相器很相似。输入信号vI同时作用于MP和MN的栅极。当vI为高电压时MN导通而MP截止;而当vI为低电压时,情况则相反,Mp导通,MN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。TP和TN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|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和表示。
  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范围内的任意值时,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的棚压为-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时,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。


关键词: 电子电路图 逻辑

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