第五節 cmos邏輯閘電路
cmos邏輯閘電路是在ttl電路問世之後 ，所開發出的第二種廣泛應用的數字整合器件，從發展趨勢來看，由於製造工藝的改進，cmos電路的效能有可能超越ttl而成為佔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儲存器件 ，以及pld器件都採用cmos藝製造，且費用較低。
早期生產的cmos閘電路為4000系列 ，隨後發展為4000b系列。當前與ttl相容的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邏輯閘電路。
mos管結構圖
mos管主要引數：
1.開啟電壓vt
·開啟電壓（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充套件到源區，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 ，漏極電流的微變數和引起這個變化的柵源電壓微變數之比稱為跨導
·gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力
·是表徵mos管放大能力的乙個重要引數
·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說明了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
·由於在數位電路中 ，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著極間電容：柵源電容cgs 、柵漏電容cgd和漏源電容cds
·cgs和cgd約為1～**f
·cds約在0.1～1pf之間
8. 低頻雜訊係數nf
·雜訊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，就使乙個放大器即便在沒有訊號輸人時，在輸出端也出現不規則的電壓或電流變化
·雜訊效能的大小通常用雜訊係數nf來表示，它的單位為分貝（db）
·這個數值越小，代表管子所產生的雜訊越小
·低頻雜訊係數是在低頻範圍內測出的雜訊係數
·場效電晶體的雜訊係數約為幾個分貝，它比雙極性三極體的要小
一、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，其中乙個為n溝道結構，另乙個為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。由於vsgp＜vt（vtn=|vtp|=vt），負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於零。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。
二、cmos閘電路
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管和兩個併聯的p溝道增強型mos管。每個輸入端連到乙個n溝道和乙個p溝道mos管的柵極。當輸入端a、b中只要有乙個為低電平時，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，使兩個併聯的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，即
n個輸入端的與非門必須有n個nmos管串聯和n個pmos管併聯。
2.或非門電路
下圖是2輸入端cmos或非門電路。其中包括兩個併聯的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中只要有乙個為高電平時，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，兩個併聯nmos管都截止，兩個串聯的pmos管都導通，輸出為高電平。
因此，這種電路具有或非的邏輯功能，其邏輯表示式為
顯然，n個輸入端的或非門必須有n個nmos管併聯和n個pmos管併聯。
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，工作管彼此併聯，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。或非門的輸出。而與或非門的輸出l即為輸入a、b的異或
如在異或門的後面增加一級反相器就構成異或非門，由於具有的功能，因而稱為同或門。異成門和同或門的邏輯符號如下圖所示。
三、bicmos閘電路
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，因而這種邏輯閘電路受到使用者的重視
。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。
輸入訊號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閘電路時，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的基區儲存電荷亦可通過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基區的儲存電荷迅速消散。這種作用與ttl閘電路的輸入級中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基區的儲存電荷通過m2而消散。可見，閘電路的開關速度可得到改善。
2.bicmos閘電路
根據前述的cmos閘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，輸入訊號用來驅動併聯的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的基區儲存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的基極儲存電荷提供一條釋放道路。因此 ，只要有乙個輸入端接高電平，輸出即為低電平。
四、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。下面著重介紹cmos傳輸門。
所謂傳輸門（tg）就是一種傳輸模擬訊號的模擬開關。cmos傳輸門由乙個p溝道和乙個n溝道增強型mosfet併聯而成，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。
設它們的開啟電壓|vt|=2v且輸入模擬訊號的變化範圍為-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 。兩管的柵極由互補的訊號電壓（+5v和-5v）來控制，分別用ｃ和表示。
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。換句話說，當一管的導通電阻減小，則另一管的導通電阻就增加。由於兩管系併聯執行，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訊號的開關之外，也可作為各種邏輯電路的基本單元電路。
CPU詳細介紹
cpu是central processing unit 微處理器 的縮寫，它是計算機中最重要的乙個部分，由運算器和控制器組成。如果把計算機比作人，那麼cpu就是人的大腦。cpu的發展非常迅速，個人電腦從8088 xt 發展到現在的pentium 4時代，只經過了不到二十年的時間。從生產技術來說，最初...
比賽詳細介紹
未來教室創意大賽 為進一步增強校園藝術實踐的氛圍，反映當代大學生創新思想，強化當代大學生創新意識，活躍校園文化，豐富大學生生活，現開展 未來教室創意徵集大賽 活動。一 活動主題 會飛的教室，會飛的創意 二 背景介紹 由楊宗凱校長提出的 未來教室 未來教師 未來教育 理念在華中師範大學掀起了一股關於未...
DWDM詳細介紹
課程 tc000003 wdm 原理issue1.0 華為技術 版權所有侵權必究 修訂記錄 關鍵詞 wdm dwdm 光纖光源光放大復用和解復用光監控通道 摘要 本課程主要介紹了波分復用技術的基礎知識，並對dwdm的主要關鍵技術 dwdm光傳輸技術規範進行了講解。通過本課程，您可以對wdm知識以及光...