CMOS逻辑门电路

按照制造门电路的三极管不同,分为MOS型、双极性和混合型。MOS型集成逻辑门有CMOS、NMOS、PMOS;双极型逻辑门有TTL;混合型有BiCMOS。

CMOS门电路是目前使用最为广泛、占主导地位的集成电路。早期CMOS电路速度慢、功耗低,后来随着制造工艺的不断改进,CMOS门电路的集成度、工作速度、功耗和抗干扰能力远优于TTL。


MOS管开关电路

MOS管开关电路如上所示,此电路以NMOS管为例。对于NMOS,Vgs大于一定的值就会导通,适合用于源极接地时的情况(低端驱动)。对于PMOS,Vgs小于一定的值就会导通,适合用于源极接VCC时的情况(高端驱动)。

当输入为低电平时,MOS管截止,其截止的等效电阻Roff约为1MΩ以上,远大于Rd。故分压大,输出为高电平。

 当输入为高电平时,MOS管处于可变电阻区,其等效电阻Ron约在1KΩ以内,有的可以达到10Ω甚至更低,远小于Rd。故分压小,相当于导线直接接地,输出为低电平。

对于Rd,为限流电阻,通常为KΩ级,但此时其上的功耗很大。为了克服这个缺点,通常用一个PMOS管代替Rd,构成CMOS反相器。

动态特性

对MOS管开关电路的输入端加一个理性脉冲矩形,由于MOS管内部寄生电容的存在,使其在导通和闭合两种状态之间转换时,不可避免地受到电容充放电过程的影响。使上升沿下降沿的变化都变得缓慢,并且Vo的变换滞后于输入Vi的变换。

t_{pHL}称为输出Vo由高电平跳变为低电平的传输延迟时间;t_{pLH}称为输出Vo由低电平跳变为高电平的传输延迟时间。


CMOS反相器

即:互补对称式金属-氧化物-半导体电路。如上所示,由N沟道和P沟道增强型MOS管组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。为了让电路正常工作,要求电源电压Vdd大于这两个MOS管阈值电压的绝对值之和,即V_{DD}>\left ( \left | V_{TN} \right | +\left | V_{TP} \right |\right )

当输入为低电平时,上面的T1属于导通的状态,下面的T2属于截止的状态。因为导通电阻小。而截止电阻非常大,由于分压输出高电平;

当输入为高电平时正好相反,输出低电平。输入与输出之间为逻辑非的关系,因此称为非门反相器

对于CMOS反相器而言,可分为三个状态:T1导通、T2截止;T1截止、T2导通;T1、T2均导通。对于T1、T2一导通一截止是正常的工作状态,但对于T1、T2同时导通在互补开关电路中稳定情况下不允许出现。


CMOS反相器传输特性

分为电压传输特性和电流传输特性。电压传输特性是指其输出电压Vo随输入电压Vi变化关系的曲线;电流传输特性是指漏极电流id随输入电压Vi变化的曲线。

在B到\frac{1}{2}V_{DD}区间,NMOS管在恒流区,PMOS管在可变电阻区;在\frac{1}{2}V_{DD}到C区间,NMOS管在可变电阻区,PMOS管在恒流区;在\frac{1}{2}V_{DD}处,NMOS管和PMOS管均在恒流区。

在B到C之间,有较大的电流,从而导致有较大的功耗,使用时应避免使两管长时间工作在此区域,防止功耗过大而损坏。


输入端噪声容限

门电路输入端和输出端电平信号都有一个正常的取值范围。通常指门电路串联时的一个情况:门电路串联时,前一级输出为后一级输入,这时输出与输入之间电平范围要匹配,保证门电路能正常工作。

通常输入信号与输出信号之间有一定的差值,这个差值就是输入信号允许的波动范围。波动范围的最大值为噪声容限

当噪声干扰在噪声容限范围内时,对应的输出即使有偏差,也不会超过下一级输入正常识别范围。

 根据测试结果表明:当允许输入信号变化量为30%Vdd时,输出信号的变化不大于10%Vdd。由此得到下图:

 

可以直观的看出,提高电源电压Vdd,可以提高CMOS电路的直流噪声容限。

 

 

 

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