广告

原创 CMOS逻辑门电路

2008-9-10 20:52 3496 0 分类: 模拟
CMOS逻辑门电路


  CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后
,所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件,从发展趋势来看,由于制造工艺的改进,CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件
。CMOS电路的工作速度可与TTL相比较,而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。此外,几乎所有的超大规模存储器件
,以及PLD器件都采用CMOS艺制造,且费用较低。

  早期生产的CMOS门电路为4000系列 ,随后发展为4000B系列。当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。下面首先讨论CMOS反相器,然后介绍其他CMO逻辑门电路。


image076.gif

MOS管结构图


MOS管主要参数:


1.开启电压VT

  ·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;

  ·标准的N沟道MOS管,VT约为3~6V;

  ·通过工艺上的改进,可以使MOS管的VT值降到2~3V。


2. 直流输入电阻RGS

  ·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比

  ·这一特性有时以流过栅极的栅流表示

  ·MOS管的RGS可以很容易地超过1010Ω。


3. 漏源击穿电压BVDS

  ·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

  ·ID剧增的原因有下列两个方面:

  (1)漏极附近耗尽层的雪崩击穿

  (2)漏源极间的穿通击穿

  ·有些MOS管中,其沟道长度较短,不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区,使沟道长度为零,即产生漏源间的穿通,穿通后

,源区中的多数载流子,将直接受耗尽层电场的吸引,到达漏区,产生大的ID


4. 栅源击穿电压BVGS

  ·在增加栅源电压过程中,使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS,称为栅源击穿电压BVGS


5. 低频跨导gm

  ·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

  ·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力

  ·是表征MOS管放大能力的一个重要参数

  ·一般在十分之几至几mA/V的范围内


6. 导通电阻RON

  ·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

  ·在饱和区,ID几乎不随VDS改变,RON的数值很大 ,一般在几十千欧到几百千欧之间

  ·由于在数字电路中 ,MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下,所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似

  ·对一般的MOS管而言,RON的数值在几百欧以内


7. 极间电容

  ·三个电极之间都存在着极间电容:栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS

  ·CGS和CGD约为1~3pF

  ·CDS约在0.1~1pF之间


8. 低频噪声系数NF

  ·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的

  ·由于它的存在,就使一个放大器即便在没有信号输人时,在输   出端也出现不规则的电压或电流变化

  ·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示,它的单位为分贝(dB)

  ·这个数值越小,代表管子所产生的噪声越小

  ·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数

  ·场效应管的噪声系数约为几个分贝,它比双极性三极管的要小


一、CMOS反相器


  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。

  下图表示CMOS反相器电路,由两只增强型MOSFET组成,其中一个为N沟道结构,另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作,要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和,即

VDD>(VTN+|VTP|) 。


image077.gif


1.工作原理


  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。

  下图分析了当vI=VDD时的工作情况。在TN的输出特性iD—vDS(vGSN=VDD)(注意vDSN=vO)上 ,叠加一条负载线,它是负载管TP在 vSGP=0V时的输出特性iD-vSD。由于vSGP<VT(VTN=|VTP|=VT),负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即工作点。显然,这时的输出电压vOL≈0V(典型值<10mV ,而通过两管的电流接近于零。这就是说,电路的功耗很小(微瓦量级)


image078.gif


  下图分析了另一种极限情况,此时对应于vI=0V。此时工作管TN在vGSN=0的情况下运用,其输出特性iD-vDS几乎与横轴重合 ,负载曲线是负载管TP在vsGP=VDD时的输出特性iD-vDS。由图可知,工作点决定了VO=VOH≈VDD;通过两器件的电流接近零值 。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。


image079.gif


  由此可知,基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元,其输出电压接近于零或+VDD,而功耗几乎为零。


2.传输特性


  下图为CMOS反相器的传输特性图。图中VDD=10V,VTN=|VTP|=VT=

2V。由于 VDD>(VTN+|VTP|),因此,当VDD-|VTP|>vI>VTN 时,TN和TP两管同时导通。考虑到电路是互补对称的,一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到,器件在放大区(饱和区)呈现恒流特性,两器件之一可当作高阻值的负载。因此,在过渡区域,传输特性变化比较急剧。两管在VI=VDD/2处转换状态。


image080.gif


3.工作速度


  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。


image081.gif


二、CMOS门电路


1.与非门电路


  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。


image082.gif


  因此,这种电路具有与非的逻辑功能,即image083.gif

  n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。


2.或非门电路


  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。


image084.gif


  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。

  因此,这种电路具有或非的逻辑功能,其逻辑表达式为image085.gif



  显然,n个输入端的或非门必须有n个NMOS管并联和n个PMOS管并联。

  比较CMOS与非门和或非门可知,与非门的工作管是彼此串联的,其输出电压随管子个数的增加而增加;或非门则相反,工作管彼此并联,对输出电压不致有明显的影响。因而或非门用得较多。


3.异或门电路


image086.gif


  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image087.gif。而与或非门的输出L即为输入A、B的异或


image088.gif


  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image089.gif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。


image090.gif


三、BiCMOS门电路


  双极型CMOS或BiCMOS的特点在于,利用了双极型器件的速度快和MOSFET的功耗低两方面的优势,因而这种逻辑门电路受到用户的重视




1.BiCMOS反相器


image091.gif


  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。

  上述电路中T1和T2的基区存储电荷亦可通过M1和M2释放,以加快

电路的开关速度。当vI为高电压时M1导通,T1基区的存储电荷迅速消散。这种作用与TTL门电路的输入级中T1类似。同理 ,当vI为低电压时,电源电压VDD通过MP以激励M2使M2导通,显然T2基区的存储电荷通过M2而消散。可见,门电路的开关速度可得到改善。


2.BiCMOS门电路


  根据前述的CMOS门电路的结构和工作原理,同样可以用BiCMOS技术实现或非门和与非门。如果要实现或非逻辑关系,输入信号用来驱动并联的N沟道MOSFET,而P沟道MOSFET则彼此串联。正如下图所示的

2输入端或非门。


image092.gif


  当A和B均为低电平时,则两个MOSFET MPA和MPB均导通,T1导通而MNA和MNB均截止,输出L为高电平。与此同时,M1通过MPA和MpB被VDD所激励,从而为T2的基区存储电荷提供一条释放通路。

  另一方面,当两输入端A和B中之一为高电平时 ,则MpA和MpB的通路被断开,并且MNA或MNB导通,将使输出端为低电平。同时,M1A或M1B为T1的基极存储电荷提供一条释放道路。因此 ,只要有一个输入端接高电平,输出即为低电平。


四、CMOS传输门


  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。


image093.gif


  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image094.gif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。

广告

文章评论 0条评论)

登录后参与讨论
相关推荐阅读
diablo77521_574237640 2010-07-03 12:12
关于伺服控制板模块检查及其他
1.粗略检查SPM的好坏IGBT的C/E脚有二极管保护,万用表打在二极管档位,检查压降是否为0.5V左右。2.再不上主电路时,为不使编码器报警,可以从开关电源取5V,经过2K左右电阻接电压采样点...
diablo77521_574237640 2010-06-30 22:39
关于200W修理和老化测试心得
1.EMC实验室的电流百分比和制动百分比:300V直流电可以直接利用,每个相电压平均有效值/电机额定值=85% ;Fb-00置3000转,Fb-05置0.1s ,若能在MOTOR displays中r...
diablo77521_574237640 2010-06-22 21:41
关于伺服系统调试卡一些心得
1.今天管老师看了下我的PCBA,感觉像蜘蛛网。确实,前两年没有多少机会锻炼画板子,拿杨工的板子对比下看看,对美观太矫情了,导致线路比较混乱,飞线和通孔到处都是。2."N”和"L"铺地靠得太近了,3m...
diablo77521_574237640 2010-06-13 19:14
关于FCT测试卡的一些积累
1.假负载,开关电源有解释说,存储的能量不能迅速地转换到次级(参看电源原理),从而在开关变压器初级的电流会越来越大(电感流过电流存储磁能过渡过程中的电流原理),就引起在电流大到一定值时,在开关管截止的...
diablo77521_574237640 2010-04-20 21:22
4月20日-关于熟悉2楼产线的10个产品的心得和想法
今天基本把手上的7个产品的组装流程都熟知了一下,感觉没有王总说的进度那么紧张,有些案子的电路还是相通的,不是很复杂。我想关键是下个月的程序报告吧。1.有几个案子的电路以前的原理图,还是有些许需要讨论的...
diablo77521_574237640 2010-04-19 22:00
细心的工作态度和揣测领导的风格
报警器的焊接有几处比较马虎的地方,一眼就被看出来了。1.不能只做到100%,必须做到150%让领导满意,态度严谨些才能出人头地。2.有错误就承认,不要含混过去,这样会更令人讨厌。领导突然有多加了几个案...
我要评论
0
0
广告