逻辑门电路tangPPT课件

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1、2.1.1 二极管的开关特性1二极管的开关作用当 ，二极管截止，等效为开关断开0iVvVthBR时，当 ，二极管导通，等效为开关闭合0iVvth时，第2页/共58页第1页/共58页2 二极管的开关时间 由于二极管的PN结具有等效电容，二极管的通断就伴随着电容的充放电，所以，二极管的通断转换需要一定时间。二极管通断转换的时间既是二极管的开关时间。1 1）开通时间t tonon：二极管从截止转为导通所需的时间。2 2）反向恢复时间t trere：二极管从导通转为截止所需的时间，它由2 2段时间组成，即存储时间t ts s和渡越时间t tt t，t trere=t=ts s+t+tt t。第3页/共

2、58页第2页/共58页3PN结的存储电荷 PNPN结的正向导通过程：正向电压削弱PNPN结的势垒电场，N N区的电子向P P区扩散并建立电子浓度分布，P P区的空穴向N N区扩散并建立空穴浓度分布。由于浓度不同，穿越PN结的电荷继续扩散，形成连续的正向电流。 从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间ton 。存储电荷：距PN结越远，电荷浓度越低；正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。 PN 结的存储电荷 + - IF P区 N区 n-存储电荷浓度 nN电子浓度 nP空穴浓度 x距离 o LN LP 第4页/共58页第3页/共58页 + - iR P 区 N区 PN结存储电荷

3、的驱散 PN结截止过程：在反向电压的作用下，N区的空穴存储电荷被电场赶回到P区，P区的电子存储电荷被电场赶回到N区，形成反向电流，驱散存储电荷。驱散存储电荷的时间就是存储时间ts 。在存储电荷驱散后，PN结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到PN结通过反向饱和电流IS，这段时间就是渡越时间tt。 通常，开通时间ton和反向恢复时间tre为纳秒级，tre= ts+ttton , tstt。二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间ts。end第5页/共58页第4页/共58页2.1.2 三极管的开关作用特性 1. 三极管的开关作用电路输入特性输出特性( a ) ( b ) ( c )Vth BEv

4、Bi O VCES CEv Ci O VCC cCCRV 0= =Bi IB4 IB3=IBS IB2 IB1 A B Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 当输入电压为低电平，使 三极管处于截止状态，ce之间等效为开关断开。时，thBEVv 当输入电压为高电平，使 ，使三极管工作在输出特性的B点，处于临界饱和状态。ce之间等效为开关闭合。时BSBIi =第6页/共58页第5页/共58页 在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态，称为开关状态。CSBSBBIIii=饱和条件：截止条件：0cCCcCESCCCSRVRVVI= Iv CEv Ci Bi CCV

5、BEv Rb RcC 第7页/共58页第6页/共58页第8页/共58页第7页/共58页2 三极管的开关时间 三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间。Iv CEvCi Bi CCV BEv Rb RcO Iv VIH VIL ICS 0.9ICS t t ts tf td O tr 0.1ICS Ci 设输入电压的高电平VIH和低电平VIL满足下述条件：截止饱和thILBEbBSIHVVVRIV第9页/共58页第8页/共58页O Iv VIH VIL ICS 0

6、.9ICS t t ts tf td O r 0.1ICS Ci 根据集电极电流波形，三极管的开关时间用下述参数描述：1)1)延迟时间t td d：从正跳变开始到从 0 0上升至0.1I0.1ICSCS所需的时间；2)2)上升时间t tr r：从0.1I0.1ICSCS上升至 0.9I0.9ICSCS所需的时间；3)3)存储时间t ts s：从负跳变开始到从 I ICSCS下降至0.9I0.9ICSCS所需的时间； 三极管的开关时间一般为ns数量级，并且toffton、tstf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。4）下降时间t tf f：从0.9I0.9ICSCS下降至0.1I0.1

7、ICSCS所需的时间；5）开通时间t tonon：从截止转换到饱和所需的时间，t tonon=t=td d+t+tr r；6）关闭时间toff：从饱和转换为截止所需的时间，toff=ts+tf。t第10页/共58页第9页/共58页 三极管的开关时间一般为ns数量级，并且toffton、tstf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。 提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷。end第11页/共58页第10页/共58页2.2 TTL门电路2.2.1 TTL非门的工作原理2.2.2 TTL非门的特性2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门2.2.4 TTL 集电

8、极开路门和三态门TTL-Transistor Transistor LogicTTLTTL有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或非等逻辑门，它们的工作原理相似。 第12页/共58页第11页/共58页2.2.1 TTL非门的工作原理 TTL非门 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1.电路组成 TTL门一般由3级组成：输入级输入级：信号缓冲输入中间级：输出两个相位相反的倒相信号 中间级输出级输出级：推拉式输出电路，无论输出高电平或低电平，输出级的输出电阻都很低，带负载能力

9、强。第13页/共58页第12页/共58页2.2.1 TTL非门的工作原理 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1 1）输入低电平（V VILIL=0.3 V=0.3 V）输入低电平时，输出为高电平。2.工作原理=0110YAYAAYVIL=0.3 V1 V0.4V5 V4.3 3.6VT T1 1深饱和，T T2 2、T T5 5截止T T3 3 临界饱和，T T4 4放大，形成射极输出器，输出电阻小。第14页/共58页第13页/共58页A VVCC5= = R1 3k R4

10、 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 输入高电平（VIH=3.6 V）mARVVIBCC131 . 25111=输入高电平，输出为低电平。 VIH=3.6 V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.3T T2 2、T T5 5饱和，T T1 1处于倒置状态T T3 3放大状态，T T4 4截止 综上所述，输入低电平时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低电平。实现了逻辑非AY = 无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强。而且T4和T5总是一个导通、另一个就截止。 第15页/共

11、58页第14页/共58页 A VVCC5= =R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 3工作速度的提高输入输入T1T2、T5T3T4输出低电平低电平深饱和深饱和截止截止临界饱和临界饱和放大(射极)高电平高电平倒置放大饱和放大截止低电平VIH=3.6 V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.31） vI: VIHVIL ， T1放大 T1吸取T2管饱和时的超量存储电荷，使T2管快速脱离饱和，转换到截止状态。 2） TTL门具有推拉输出级，其输出电阻很小，与分布电容形成的时间常数小，故输出状态转换快。

12、 end第16页/共58页第15页/共58页2.2.2 TTL非门的特性1.电压传输特性截止区ab段：vI0.5 V。T1饱和，VC1=+VCES10.6V ,T2、T5截止，T3和T4组成复合管射极输出器，vo=3.6V。A VVCC5= = R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii OiOv第17页/共58页第16页/共58页线性区bc段:0.5 V vI 1.1 V。T1饱和，0.6VVC1=+VCES11.2V , T2处于放大状态，T5仍然截止，T3和T4仍然是射极输出器，vo随vI线性减少，斜率为T2级

13、的放大倍数： 1 . 232=RRdvdvIOA VVCC5= = R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii OiOv第18页/共58页第17页/共58页转折区cdcd段：1.2 V1.2 VvI1.3 V1.3 V。T T1 1饱和，1.3VV1.3VVC1C1= = vI +V+VCES1CES11.4V, T1.4V, T5 5由截止进入放大状态,T,T2 2、T T3 3和T T4 4的状态同前。由于T T5 5集电极的等效电阻减小快，vo急剧减少。转折区中点输入电压定义为门坎电压V Vthth，约为1.3

14、V1.3V。饱和区dede段： vI 1.4 V1.4 V。T T1 1处于倒置状态，T T2 2、T T5 5饱和，T T3 3放大状态，T T4 4截止。vo=0.3V=0.3V。A VVCC5= = R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii OiOv第19页/共58页第18页/共58页设 输出高电平值域：VVOHminOHmin，3.6V3.6V，V VOHminOHmin2V2V 输出低电平值域：0.1V0.1V，V VOLmaxOLmax ，V VOLmaxOLmax 0.4V 0.4V 则由传输特性确定

15、输入高、低电平的值域为： 输入低电平值域：0,V0,VILmaxILmax 输入高电平值域：【V VIHminIHmin,5V,5V】 VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）。 VIHmin是对应于输出电平为VOLmax的输入电平，亦称为开门电平（T5饱和）。第20页/共58页第19页/共58页2.输入噪声容限定义:对于TTLTTL反相器， 在保证输出高电平在其值域内的条件下，输入低电平允许的干扰脉冲最大幅度称为低电平噪声容限VNL 。 同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为VNH。G G2

16、2门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为：VNL = VILmax - VOLmax G G2 2门输入高电平允许的干扰脉冲幅度为：VNH = VOHmin - VIHmin 第21页/共58页第20页/共58页 根据传输特性，选择适当的VOLmax、VILmax、VIHmin 、VOHmin，获得最佳的噪声容限。 以74H系列的TTL门为例，标准参数为：VOLmax=0.4VVILmax=0.8VVIHmin=2.0VVOHmin =2.4V 则VNL = VILmax - VOLmax=0.8-0.4=0.4VVNH = VOHmin - VIHmin=2.4-2.0=0.4V 虽然噪声容限是以

17、非门为例说明的，但相同系列的TTL门的噪声容限是一致的。第22页/共58页第21页/共58页3.输入特性 输入特性有输入伏安特性和输入负载特性。 1)输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线 。当 （即vI=VIL）时，T1发射结导通，T2、T5截止， max0ILIVv ISILccIImARVVi=6 . 13051输入短路电流Ii1 Ii 2 Iv(V) 4 IIH= 40 A -IIS 0 VIL max Iv -1.0mA-2.0mA VIH min A VVCC5= =R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P

18、 Iv Ii OiOv第23页/共58页第22页/共58页VvVIIH5min当 （即vI=VIH）时， T T1 1发射结截止，T T2 2、T T5 5饱和，其反向电流即为高电平输入电流I IIH IH , ,约为40A40A。当 随v vI I增加，即从-1.6mA-1.6mA增加至40A40A。IIHIILiVvV时，minmaxIi1 Ii 2 Iv(V) 4 IIH= 40 A -IIS 0 VIL max Iv -1.0mA-2.0mA VIH min A VVCC5= =R1 3k R4 100 YR2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P

19、 Iv Ii OiOv第24页/共58页第23页/共58页2)输入负载特性 TTL门的输入端与参考电位之间接电阻R，输入电压与电阻之间的关系曲线称为输入负载特性。 当电阻R很小，使 时，maxILIVv A VVCC5= =R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RT1发射结导通，T2、T5截止。kRRRRRVVvBECCI33 . 4)(11=1 R R() ) Iv(V) 0 Roff Ron 1.4 VILmax 对应于vI=VIL=0.8V的电阻称为关门（T5截止）电阻Roff。kRRoff

20、68. 03 . 4/8 . 013 . 4/8 . 01= 当 RRon=2.0k时T5饱和导通(0)，故称Ron为开门电阻。 综上所述，当RRon时（包括R，即输入端悬空），等效输入为高电平1。A VVCC5= =R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RI1 R R() ) Iv(V) 0 Roff Ron 1.4 VILmax 当RRon=2.0k时，T1集电结导通，T2、T5饱和，限制VvI4 . 1VkRRvI72. 133 . 4=第26页/共58页第25页/共58页4.输出特性：带上

21、负载后，负载电流与输出电压的关系曲线 。有低电平输出特性和高电平输出特性 。1）低电平输出特性A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 当输入为高电平（即vI=VIH）时，输出为低电平。此时，T4截止，T2、T5饱和导通，T5可以吸入负载电流，称为灌电流。CCV R3 T5 RL Li VOL 非门 T5饱和时，其集射极之间的等效电阻小（大约20），且基本不变，故输出电压随负载电流线性增加。第27页/共58页第26页/共58页2）高电平输出特性A VVCC5= = R1 3k R

22、4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 输入低电平（即vI=VIL）时，输出高电平。此时，T2、T5截止，T3、T4组成射极输出器。T4向负载输出电流，称为拉电流。CCV RL Li VOH 非门 T3 T4 R4 100 当负载电流较小（负载电阻大）时，由于射极输出器输出电阻小，输出电压基本不变。 当负载电流较大（负载电阻小）时，R4上的电压较大，使T3、T4饱和，故输出电压基本上随负载电流线性下降。R4是限流电阻。第28页/共58页第27页/共58页 5.扇出系数驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数,记为

23、N。 当驱动门G G1 1输出低电平时，负载门的输入电流近似等于输入短路电流I IISIS。 1 Ii 2 Iv(V) 4 IIH= 40 A -IIS 0 VILmax Iv Ii -1.0mA -2.0mA 非门的输入伏安特性VIHmin 低电平输出特性VOL(V) Li(mA) 0 20 10 0.2 0.6 ILLmax VOLmax ISLLLIINmax= 如果G G1 1吸入的最大低电平电流为I ILLmaxLLmax，则驱动负载门的最大个数为：第29页/共58页第28页/共58页 当驱动门G1输出高电平时，负载门的输入电流近似等于高电平输入电流IIH。 如果G1输出的最大高电平

24、电流为ILHmax，则驱动负载门的最大个数为：IHLHHIINmax=1 Ii 2 Iv(V) 4 IIH= 40 A -IIS 0 VILmax Iv Ii -1.0mA -2.0mA 非门的输入伏安特性VIHmin G1输出的最大高电平电流为ILHmax，由输出特性和允许的最大高电平功耗确定。第30页/共58页第29页/共58页扇出系数为： 例如，74H系列门电路的参数：IIS=1.6mA, IIH=0.04mA, ILLmax=16mA, ILHmax=0.4mA,则 =ISLLIHLHLHIIIINNNmaxmax,min,min106 . 116,04. 04 . 0min,minm

25、axmax=ISLLIHLHIIIIN第31页/共58页第30页/共58页6.传输延迟时间1 A Y A Y tPHL tPLH 50% 50% (1)输出高电平转换为低电平的传输延迟时间tPHL：从输入上升沿幅值的50%对应的时刻起，到输出下降沿幅值的50% 对应的时刻止所需的时间。在tPHL期间，T5管由截止转换到饱和，主要对应于T5管的开通时间。2PLHPHLpdttt=(2)输出低电平转换为高电平的传输延迟时间tPLH：从输入下降沿幅值的50%对应的时刻起，到输出上升沿幅值的50% 对应的时刻止所需的时间。在tPLH期间，T5管由饱和转换到截止，主要对应于T5管的关断时间。所以，tPL

26、H大于tPHL。(3)平均传输延迟时间tpd：end第32页/共58页第31页/共58页2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门1TTL与非门 A B T1 b1 c1 c1 b1 A B VVCC5= =R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 b1 T2 T3 T4 T5 c1 X A B c1 VVCC5= = R1 3k X 当A A、B B都是高电平时，T T1 1的个发射结都截止，T T2 2、T T5 5饱和，输出低电平； 当A A、B B中任何一个为低电平时，T T1 1中与低电平相连的发射结导通，T T2 2、T T5 5截止，输出高电平；

27、电路实现与非逻辑。ABY =X=AB 第33页/共58页第32页/共58页2TTL或非门A R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 B T2 R1 3k VVCC5= = (3)当A为高电平时，T1的发射结截止，T2、T5饱和，输出低电平；(1) 当A、B都是低电平时，T1和T1的发射结都导通，T2 、T2和T5截止，输出高电平；(2) 当B为高电平时，T1的发射结截止，T2、T5饱和，输出低电平；(4)当A和B都为高电平时，T1和T1的发射结都截止，T2、T2、T5饱和，输出低电平。电路实现或非逻辑BAY=第34页/共58页第

28、33页/共58页3TTL与或非门 TTL或非门 A R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 B T2 R1 3k VVCC5= = TTL 与或非门 A B R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 C D T2 R1 3k VVCC5= = X Z BAY=T1和T1改为多发射极三极管，分别实现X=AB、Z=CD。CDABZXY=end第35页/共58页第34页/共58页2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门 TTL 与非门并联 - 电路烧坏！ A B VVCC

29、5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 C D VVCC5= = R1 3k R4 100 X R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 G1 G2 AB=0CD=1普通TTL门输出端不能并联！ 实际中希望并联。因为通过并联可以扩展或增强的路的功能。TTL 集电极开路门和三态门的输出端可以并联。第36页/共58页第35页/共58页 符号“”表示集电极开路, OC门正常使用时，必须外接电阻R，与T5形成反相器。 只有Y Y1 1和Y Y2 2同时为高电平时，Y Y才为高电平，即Y= YY= Y1 1

30、Y Y2 2，OCOC门的并联线实现逻辑与，简称为线与。1.集电极开路门（OC门）CDABCDABYYY=21ABY =第37页/共58页第36页/共58页)(IoCCRCCOminiRVRiVv= (1)当输出高电平时，OC 门的输出电流为IOH（等于T5管的穿透电流）,负载门输入电流为IIH, min)(OHIHOHCCOVmInIRVv=maxminRmInIVVRIHOHOHCC=上拉电阻R的计算& & CCV A B C D 1Oi R G1 . . . 1 1 . . . Gn G1 Gm Oni 1Ii Imi Ri Ov minmaxmaxRmIIVVRISOLOLCC= (2

31、)当输出低电平时，灌入一个OC 门的电流不超过其最大允许值IOLmax。此时负载门的输入电流近似为输入短路电流-IIS,maxmax)(OLISOLCCOVmIIRVv=maxminRRR第38页/共58页第37页/共58页2.三态TTL门& EN & EN A B VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 EN R6 3k R7 T6 T7 T8 TSL钳位电路 三态门,简称为TSL门（Tristate Logic）。它的输出除了常规的高电平、低电平外，还有高阻抗状态。当使能输入端 EN=1(EN=1(高电平) )时

32、，T T7 7饱和，T T8 8截止：ABABENABY=1 当EN=0(低电平)时，T7截止，T8饱和，导致T3、T4、T2和T5截止，输出电阻大，即为高阻态，记为X。“”表示3态输出第39页/共58页第38页/共58页TSL门的应用 X1XnijXXjji=EN=0，G1工作，输入EN=1， G2工作，输出end第40页/共58页第39页/共58页2.3 CMOS门电路2.3.1 MOS管的开关特性2.3.2 CMOS反相器的工作原理2.3.3 CMOS反相器的特性2.3.4 CMOS与非门/或非门2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门 同时包含NMOS管和PMOS管的门电路称为互补

33、对称MOS门电路，即CMOS门电路。第41页/共58页第40页/共58页2.3.1 MOS管的开关特性1NMOS管的开关特性 为了使P型衬底和源区及漏区间的PN结截止，P型衬底必须接电位最低的节点（通常是NMOS管的源极）。 在很多情况下，P型衬底直接接电位最低的节点，而不与源极相连，这时漏极与源极可以互换使用。 N+ P 型衬底 S G D -GSv+ N+ - DSv + Di B SiO2 D G S B Di D G S Di 标准符号 简化符号 VTN GSv Di(mA) O DSv Di(mA) O TNV3 TNV5 . 2 TNV2 TNV 1 4 IDN 截止区可变电阻区

34、恒流区第42页/共58页第41页/共58页 当 时,无导电沟道，源漏之间2个背靠背的PN结总有一个截止 (nA级)，DS之间的截止电阻可达108量级，等效为开关断开。 TNGSVvTNGSVvDSv0Di 当 时, P型衬底中的电子受栅极上正电荷的吸引在栅极下形成导电层，连接个2个N+岛形成N型导电沟道，在 的作用下形成电流， (mA),工作在可变电阻区，等效为开关闭合。TNDSTNGSTNGSONVvVvVvKR=,)(21K是常数，与沟道的宽长比和半导体材料有关。Ron约为1k。可变电阻区导通电阻与成反比N+ P 型衬底 S G D -GSv+ N+ - DSv + Di B SiO2 D

35、 G S B Di D G S Di 标准符号 简化符号 VTN GSv Di(mA) O DSv Di(mA) O TNV3 TNV5 . 2 TNV2 TNV 1 4 IDN 截止区可变电阻区 恒流区第43页/共58页第42页/共58页 D G S R Iv VDD=5V Ov CL 电容放电 电容充电 Iv Ov 因为Ron约为1k。为确保输出电压小于0.3V（低电平），电阻R必须大于20k，NMOS等效为开关闭合。 当 时，NMOS管导通，电容放电，时间常数达nS级。TNIHIVVv= 当 时，NMOS管截止，电容充电，充电时间常数大于放电时间常数，达100nS左右,故输出的上升沿比下

36、降沿慢。TNILIVVv=NMOS管的开关特性第44页/共58页第43页/共58页2PMOS管的开关特性 PMOSPMOS管的特性亦与NMOSNMOS管相似。区别是，开启电压V VTPTP为负值，即栅极电位低于源极电位|V|VTPTP|,PMOS|,PMOS管导通, ,否则截止。源极电位高于漏极电位，形成流出漏极的导通电流。N N型衬底必须接电位最高的节点（通常是PMOSPMOS管的源极）。 PMOS 管的电路符号、转移特性和输出特性 D G B D G S |VTP| -GSv -Di(mA) O -DSv -Di(mA) O TPGSVv3= TPV5 . 2 TPV2 TPV 1 4 S

37、 Di Di IDP 标准符号 简化符号 end第45页/共58页第44页/共58页2.3.2 CMOS反相器的工作原理 当 时， ， NMOS管截止，PMOS导通（可变电阻区）。即 ， ，输出高电平0=IvDDGSPGSNVvv= ，0810NR310PR 当 时， ，NMOSNMOS管导通（可变电阻区），PMOSPMOS截止。即 ， ，输出低电平DDIVv =0=GSPDDGSNvVv，310NR810PR综上所述，电路实现逻辑非AY =DDDDPNNOVVRRRv=0=DDPNNOVRRRvTNTPTNDDVVVV2=IGSNvv=DDIGSPVvv=DDPNNOVRRRv=电源电压：由

38、电路，得end第46页/共58页第45页/共58页1电压传输特性 ab段： ,TNIVv TPGSPTNGSNVvVv，,TN截止,TP导通 , DDOVv de段： |,|TPDDIVVvTPGSPTNGSNVvVv，,TN导通,TP截止, 0Ovbcd段： TPGSPTNGSNVvVv，,TN和TP都导通,|,|TPDDITNVVvV=DDPNNOVRRRv2.3.3 CMOS反相器的特性=PDDIGSPNIGSNRVvvRvv)()(Iv第47页/共58页第46页/共58页当 DDIVv21=时，DDGSPGSNVvv21|=PNRR =DDOVv21=传输特性的中点c ，阈值电压为VD

39、D/2。CMOS门的输入噪声容限大，近似为：DDNLNHVVV%30= 在中点，电源到地的等效电阻最小，电源电流最大，这正是产生动态尖峰电流的原因。转折区电压变化率大，可以作为放大器。第48页/共58页第47页/共58页2输入伏安特性 增加输入保护电路，构成实际的CMOS门电路。 当 时，D1导通，输入电流等于其导通电流，MOS管栅极电位近似等于VF+VDD； FDDIVVv 设VF是二极管的正向导通电压，则当 时 ，FDDIFVVvV二极管截止，输入电流近似等于零，MOS管栅极电位等于输入电压 当 时，D2导通，输入电流等于其导通电流，MOS管栅极电位近似等于-VF。 FIVv因此，MOS管

40、栅极电位被限制在-VF，VDD+VF第49页/共58页第48页/共58页3输出特性（1）低电平输出特性DSOLvV=DLii = 当电源电压改变时，TN的栅源电压变化，所以，绘出了多只曲线。 输入高电平（vI= VDD）时，输出为低电平。此时，TP截止，TN导通。低电平输出特性是TN的输出特性旋转第50页/共58页第49页/共58页（2）高电平输出特性 输入低电平（即vI= 0V）时，输出为高电平。此时，TP导通，TN截止。DDDSOHVvV=DLii =高电平输出特性是TP 的输出特性 当电源电压改变时，输出高电平向上平移，所以，绘出了多只曲线。CMOS门的其他特性与TTL门类似（只是参数不

41、同），不再赘述。旋转vDS取-，平移end第51页/共58页第50页/共58页2.3.4 CMOS与非门/或非门 CMOS逻辑同样可以实现各种逻辑功能的门(与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、漏极开路门等) 当A=B=1时，TN1和TN2导通，TP1和TP2截止，输出低电平，Y=0。 当输入有一个为低电平时，栅极接低电平的NMOS管截止、PMOS管导通，输出高电平，Y=1。ABY =1CMOS与非门第52页/共58页第51页/共58页2. CMOS或非门 当输入全为低电平，即（A=B=0）时，TN1和TN2截止，TP1和TP2导通，输出高电平，Y=1。 当输入有高电平时，栅极

42、接高电平的NMOS管导通、PMOS管截止，输出低电平，Y=0。BAY=第53页/共58页第52页/共58页3. 带缓冲级的CMOS与非门 在与非门中，由于PMOS管并联，NMOS管串联，致使输出电阻在高低电平时输出电阻不同，并且抬高了低电平电位。 为了克服这些缺点，在每个输入端、输出端各增设一级反相器组成带缓冲级的CMOS与非门 。ABBAXY=Y VDD=5V B A 输入缓冲级 输出缓冲级 或非门 A Y 1 1 1 1 B X Y VDD=5V A TP1 TN1 TN2 TP2 B end第54页/共58页第53页/共58页2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门1. CMOS 传

43、输门 门电路只能将数字信号从输入端传递到输出端，而传输门则可进行双向传递。 当控制信号C=0时， 。NMOS和PMOS管均截止，输入端与输出端断开。1=C当C=1时， ，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合。0=CTG IOvv / VDD=5V TN C OIvv / VSS=-5V or 0V C TP 在数字电路中，通常VSS=0 (不用负电源)。传输门和门电路组合可实现复杂的逻辑电路，例如，触发器、数据选择器等。第55页/共58页第54页/共58页1. CMOS 传输门当C=1时， ，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合。0=

44、C具体导通情况是：传输门的导通电阻小于1k。DDITPSSVvVV|，则PMOS管导通；如果TNDDISSVVvV，则NMOS管导通；如果TNDDITPSSVVvVV|，则两管同时导通。如果TG IOvv / VDD=5V TN C OIvv / VSS=-5V or 0V C TP 第56页/共58页第55页/共58页ITGITGLLOvKvRRRv= 当C=1时，传输门导通。设RTG是传输门的导通电阻(CC4066: RTG240)，则输出电压为：在模拟电路中，反相器和传输门组合成模拟开关。KTG定义为电压传输系数。当EN=0时，传输门导通， AY = 当EN=1时，传输门截止，输出为高阻态。 VDD=5V Y A TG EN 1 2. CMOS三态门第57页/共58页第56页/共58页3. CMOS异或门当B=0时，传输门TG导通，TP2和TN1截止，AY = 当B=1时，TG截止，TP2导通，将TP1的源极接电源VDD，而TN1的源极等效接地，使TP1和TN1组成反相器AY =BABABAY=因此，TG 1 1 VDD=5V A B Y TN1 TP1 TP2 1 end第58页/共58页第57页/共58页感谢您的观看！第58页/共58页