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[導讀]為增進大家對CMOS的瞭解程度,本文將對CMOS邏輯門電路予以詳細介紹。

CMOS在生活中具備眾多應用,諸多電子設備中都具有CMOS的身影。在上篇文章中,小編對CMOS和BIOS的區別、CMOS電平轉換方案有所介紹。為增進大家對CMOS的瞭解程度,本文將對CMOS邏輯門電路予以詳細介紹。如果你對CMOS相關內容具有興趣,不妨繼續往下閲讀哦。

一、CMOS邏輯門電路

CMOS邏輯門電路是在TTL電路問世之後 ,所開發出的第二種廣泛應用的數字集成器件,從發展趨勢來看,由於製造工藝的改進,CMOS電路的性能有可能超越TTL而成為占主導地位的邏輯器件 。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優於TTL。此外,幾乎所有的超大規模存儲器件 ,以及PLD器件都採用CMOS藝製造,且費用較低。

早期生產的CMOS門電路為4000系列 ,隨後發展為4000B系列。當前與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,然後介紹其他CMO邏輯門電路。

MOS管結構圖

MOS管主要參數:

1.開啓電壓VT

·開啓電壓(又稱閾值電壓):使得源極S和漏極D之間開始形成導電溝道所需的柵極電壓;

·標準的N溝道MOS管,VT約為3~6V;

·通過工藝上的改進,可以使MOS管的VT值降到2~3V。

2. 直流輸入電阻RGS

·即在柵源極之間加的電壓與柵極電流之比

·這一特性有時以流過柵極的柵流表示

·MOS管的RGS可以很容易地超過1010Ω。

3. 漏源擊穿電壓BVDS

·在VGS=0(增強型)的條件下 ,在增加漏源電壓過程中使ID開始劇增時的VDS稱為漏源擊穿電壓BVDS

·ID劇增的原因有下列兩個方面:

(1)漏極附近耗盡層的雪崩擊穿

(2)漏源極間的穿通擊穿

·有些MOS管中,其溝道長度較短,不斷增加VDS會使漏區的耗盡層一直擴展到源區,使溝道長度為零,即產生漏源間的穿通,穿通後

,源區中的多數載流子,將直接受耗盡層電場的吸引,到達漏區,產生大的ID

4. 柵源擊穿電壓BVGS

·在增加柵源電壓過程中,使柵極電流IG由零開始劇增時的VGS,稱為柵源擊穿電壓BVGS。

5. 低頻跨導gm

·在VDS為某一固定數值的條件下 ,漏極電流的微變量和引起這個變化的柵源電壓微變量之比稱為跨導

·gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力

·是表徵MOS管放大能力的一個重要參數

·一般在十分之幾至幾mA/V的範圍內

6. 導通電阻RON

·導通電阻RON説明了VDS對ID的影響 ,是漏極特性某一點切線的斜率的倒數

·在飽和區,ID幾乎不隨VDS改變,RON的數值很大 ,一般在幾十千歐到幾百千歐之間。

·由於在數字電路中 ,MOS管導通時經常工作在VDS=0的狀態下,所以這時的導通電阻RON可用原點的RON來近似

·對一般的MOS管而言,RON的數值在幾百歐以內

7. 極間電容

·三個電極之間都存在着極間電容:柵源電容CGS 、柵漏電容CGD和漏源電容CDS

·CGS和CGD約為1~3pF

·CDS約在0.1~1pF之間

8. 低頻噪聲係數NF

·噪聲是由管子內部載流子運動的不規則性所引起的

·由於它的存在,就使一個放大器即便在沒有信號輸人時,在輸   出端也出現不規則的電壓或電流變化

·噪聲性能的大小通常用噪聲係數NF來表示,它的單位為分貝(dB)

·這個數值越小,代表管子所產生的噪聲越小

·低頻噪聲係數是在低頻範圍內測出的噪聲係數

·場效應管的噪聲係數約為幾個分貝,它比雙極性三極管的要小

二、CMOS反相器

由本書模擬部分已知,MOSFET有P溝道和N溝道兩種,每種中又有耗盡型和增強型兩類。由N溝道和P溝道兩種MOSFET組成的電路稱為互補MOS或CMOS電路。

下圖表示CMOS反相器電路,由兩隻增強型MOSFET組成,其中一個為N溝道結構,另一個為P溝道結構。為了電路能正常工作,要求電源電壓VDD大於兩個管子的開啓電壓的絕對值之和,即VDD>(VTN+|VTP|) 。

1.工作原理

首先考慮兩種極限情況:當vI處於邏輯0時 ,相應的電壓近似為0V;而當vI處於邏輯1時,相應的電壓近似為VDD。假設在兩種情況下N溝道管 TN為工作管P溝道管TP為負載管。但是,由於電路是互補對稱的,這種假設可以是任意的,相反的情況亦將導致相同的結果。

下圖分析了當vI=VDD時的工作情況。在TN的輸出特性iD—vDS(vGSN=VDD)(注意vDSN=vO)上,疊加一條負載線,它是負載管TP在 vSGP=0V時的輸出特性iD-vSD。

下圖分析了另一種極限情況,此時對應於vI=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 ,負載曲線是負載管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。

由此可知,基本CMOS反相器近似於一理想的邏輯單元,其輸出電壓接近於零或+VDD,而功耗幾乎為零。

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。由於 VDD>(VTN+|VTP|),因此,當VDD-|VTP|>vI>VTN 時,TN和TP兩管同時導通。考慮到電路是互補對稱的,一器件可將另一器件視為它的漏極負載。還應注意到,器件在放大區(飽和區)呈現恆流特性,兩器件之一可當作高阻值的負載。因此,在過渡區域,傳輸特性變化比較急劇。兩管在VI=VDD/2處轉換狀態。

3.工作速度

CMOS反相器在電容負載情況下,它的開通時間與關閉時間是相等的,這是因為電路具有互補對稱的性質。下圖表示當vI=0V時 ,TN截止,TP導通,由VDD通過TP向負載電容CL充電的情況。由於CMOS反相器中,兩管的gm值均設計得較大,其導通電阻較小,充電迴路的時間常數較小。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。

三、CMOS門電路

1.與非門電路

下圖是2輸入端CMOS與非門電路,其中包括兩個串聯的N溝道增強型MOS管和兩個並聯的P溝道增強型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管導通,輸出為高電平;僅當A、B全為高電平時,才會使兩個串聯的NMOS管都導通,使兩個並聯的PMOS管都截止,輸出為低電平。

因此,這種電路具有與非的邏輯功能,n個輸入端的與非門必須有n個NMOS管串聯和n個PMOS管並聯。

2.或非門電路

下圖是2輸入端CMOS或非門電路。其中包括兩個並聯的N溝道增強型MOS管和兩個串聯的P溝道增強型MOS管。

當輸入端A、B中只要有一個為高電平時,就會使與它相連的NMOS管導通,與它相連的PMOS管截止,輸出為低電平;僅當A、B全為低電平時,兩個並聯NMOS管都截止,兩個串聯的PMOS管都導通,輸出為高電平。

顯然,n個輸入端的或非門必須有n個NMOS管並聯和n個PMOS管並聯。

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

3.異或門電路

上圖為CMOS異或門電路。它由一級或非門和一級與或非門組成。

異成門和同或門的邏輯符號如下圖所示。

四、BiCMOS門電路

雙極型CMOS或BiCMOS的特點在於,利用了雙極型器件的速度快和MOSFET的功耗低兩方面的優勢,因而這種邏輯門電路受到用户的重視。

1.BiCMOS反相器

上圖表示基本的BiCMOS反相器電路,為了清楚起見,MOSFET用符號M表示BJT用T表示。T1和T2構成推拉式輸出級。而Mp、MN、M1、M2所組成的輸入級與基本的CMOS反相器很相似。輸入信號vI同時作用於MP和MN的柵極。當vI為高電壓時MN導通而MP截止;而當vI為低電壓時,情況則相反,Mp導通,MN截止。當輸出端接有同類BiCMOS門電路時,輸出級能提供足夠大的電流為電容性負載充電。同理,已充電的電容負載也能迅速地通過T2放電。

上述電路中T1和T2的基區存儲電荷亦可通過M1和M2釋放,以加快

電路的開關速度。當vI為高電壓時M1導通,T1基區的存儲電荷迅速消散。這種作用與TTL門電路的輸入級中T1類似。同理 ,當vI為低電壓時,電源電壓VDD通過MP以激勵M2使M2導通,顯然T2基區的存儲電荷通過M2而消散。可見,門電路的開關速度可得到改善。

2.BiCMOS門電路

根據前述的CMOS門電路的結構和工作原理,同樣可以用BiCMOS技術實現或非門和與非門。如果要實現或非邏輯關係,輸入信號用來驅動並聯的N溝道MOSFET,而P溝道MOSFET則彼此串聯。正如下圖所示的

2輸入端或非門

當A和B均為低電平時,則兩個MOSFET MPA和MPB均導通,T1導通而MNA和MNB均截止,輸出L為高電平。與此同時,M1通過MPA和MpB被VDD所激勵,從而為T2的基區存儲電荷提供一條釋放通路。

另一方面,當兩輸入端A和B中之一為高電平時 ,則MpA和MpB的通路被斷開,並且MNA或MNB導通,將使輸出端為低電平。同時,M1A或M1B為T1的基極存儲電荷提供一條釋放道路。因此 ,只要有一個輸入端接高電平,輸出即為低電平。

五、CMOS傳輸門

MOSFET的輸出特性在原點附近呈線性對稱關係,因而它們常用作模擬開關。模擬開關廣泛地用於取樣——保持電路、斬波電路、模數和數模轉換電路等。下面着重介紹CMOS傳輸門。

所謂傳輸門(TG)就是一種傳輸模擬信號的模擬開關。CMOS傳輸門由一個P溝道和一個N溝道增強型MOSFET並聯而成,如上圖所示。TP和TN是結構對稱的器件,它們的漏極和源極是可互換的。設它們的開啓電壓|VT|=2V且輸入模擬信號的變化範圍為-5V到+5V 。為使襯底與漏源極之間的PN結任何時刻都不致正偏 ,故TP的襯底接+5V電壓,而TN的襯底接-5V電壓 。

傳輸門的工作情況如下:當C端接低電壓-5V時TN的柵壓即為-5V,vI取-5V到+5V範圍內的任意值時,TN均不導通。同時,TP的柵壓為+5V,TP亦不導通。可見,當C端接低電壓時,開關是斷開的。

為使開關接通,可將C端接高電壓+5V。此時TN的柵壓為+5V ,vI在-5V到+3V的範圍內,TN導通。同時TP的棚壓為-5V ,vI在-3V到+5V的範圍內TP將導通。

由上分析可知,當vI<-3V時,僅有TN導通,而當vI>+3V時,僅有TP導通當vI在-3V到+3V的範圍內,TN和TP兩管均導通。進一步分析

還可看到,一管導通的程度愈深,另一管的導通程度則相應地減小。換句話説,當一管的導通電阻減小,則另一管的導通電阻就增加。由於兩管系並聯運行,可近似地認為開關的導通電阻近似為一常數。這是CMOS傳輸出門的優點。

在正常工作時,模擬開關的導通電阻值約為數百歐,當它與輸入阻抗為兆歐級的運放串接時,可以忽略不計。

CMOS傳輸門除了作為傳輸模擬信號的開關之外,也可作為各種邏輯電路的基本單元電路。

以上便是此次小編帶來的“CMOS”相關內容,通過本文,希望大家對CMOS邏輯門電路具備一定的瞭解。如果你喜歡本文,不妨持續關注我們網站哦,小編將於後期帶來更多精彩內容。最後,十分感謝大家的閲讀,have a nice day!

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