第四节M0S逻辑门 余器路命得命除解象段命 双极型三极管 半导体三极管分为: 汤效应三极管 双极型三极管:电流控制元件,载流子有空穴、电子 两种。 场效应三极管:电压控制元件,仅用一种载流子参与 导电。电子作为载流子称为N沟道器件,空穴作为载流子的 称为P沟道器件。每一类又分为增强型和耗尽型两种。 增强型:vGs=0,无导电沟道,L=0 耗尽型:Vs=0,有导电沟道,Lb≠0 MOS逻辑门分为三类:NMOS、PMOS、和CMOS 回回阿呵回阿回呵回回呵呵回回呵回回呵阿回呵呵回回阿呵同回呵回回呵4≯國
半导体三极管分为： 双极型三极管 场效应三极管 双极型三极管：电流控制元件，载流子有空穴、电子 两种。 场效应三极管：电压控制元件，仅用一种载流子参与 导电。电子作为载流子称为N沟道器件，空穴作为载流子的 称为P沟道器件。每一类又分为增强型和耗尽型两种。 增强型：VGS = 0, 无导电沟道，ID = 0 耗尽型：VGS = 0, 有导电沟道，ID ≠ 0 MOS逻辑门分为三类：NMOS、PMOS、和CMOS
NMSi8们 紧命得电命斜除解命段你 1、电阻负载倒相器〔非门) 电路组成: 假设th=15°+Vn0 T:N沟道增强型MoS管 G:栅极D:漏级S:源极 AF VD:电源5-10V 01 OF Vth:开启电压0.5-2V 10 Rp:漏级负载电阻25KΩ 导通条件: Ves>VthT导通 VesVthT饱和。 集成电路中非常不希望有大电阻, F 个大电阻相当20多个管子。因此采 Rtr h=0 用Mos管做负载管。 回回阿呵回阿回回回呵回阿呵回回呵回阿回回阿回阿呵回回呵4≯疇
1、电阻负载倒相器（非门） G:栅极 D:漏级 S:源极 VDD:电源 5~10V V t h:开启电压 0.5~2V RD:漏级负载电阻 25KΩ T: N沟道增强型MOS管 VGS > V t h T 导通 VGS V t h T饱和。 = 0 + = d D d DD r R r V F 集成电路中非常不希望有大电阻， 一个大电阻相当20多个管子。因此采 用MOS 管做负载管。 A F 电路组成： 导通条件： 工作原理： 0 1 1 0 G D S A F RD +VDD
2、MS管负载例相 余器路命得命除解象段命 T2:负载管 栅、漏极连在一起得的MOS管 代替负载电阻R。 1:驱动管,起倒相作用。 T2负载管伏安特性曲线 i/mA GS2 th2 D2 =0 GS 2 GS2 th2 lD2随es2增加而非线性 增加,T2管起到了非线性电阻 234 GS2 的作用。 回回阿呵回回回回呵回阿呵回回呵回阿回回阿回阿呵回回呵4≯疇
T2 :负载管 栅、漏极连在一起得的MOS管 代替负载电阻RD。 T1：驱动管，起倒相作用。 T2负载管伏安特性曲线： VGS2 Vth2 i D2随VGS2增加而非线性 增加，T2管起到了非线性电阻 的作用。 0 1 2 3 4 2 / V V GS 2 / D i mA D2 i VGS 2 F A +VDD T2 T1
MS管负载倒相器工作原理: 紧命得电命斜除解命段你 设:Vh2=2∨Vm=1.5V 当输入A=0V时:Ve<Vh T1截止,T2导通。T只有nA级漏电 流。工作在负载线A点。 输出电压:F 三VDD th2 5-2=3V in,/mA 当输入A=3V时:Ves1Vh 3 T导通工作在负载线B点。 Va v 输出电压:F=m 1;≈O 234 d2 负载管特性 由此可知:rd》「s就能很好实现倒相器逻辑功能。F=A 回回阿呵回阿回呵回回呵呵回回呵回回呵阿回呵呵回回阿呵同回呵回回呵4≯國
当输入A=0V时： T1截止，T2导通。T1只有 n A 级漏电 流。工作在负载 线A点。 A B 输出电压: F = VDD - Vth2 = 5 – 2 = 3 V 设： Vth2 = 2 V VGS1 Vth1 T1导通:工作在负载 线B点。 输出电压: r oV r r V F d d d DD + = 1 1 2 由此可知：rd2 » rd1 就能很好实现倒相器逻辑功能。 F = A Vth1＝1.5V 负载管特性 30V F A +VDD T2 T1 0 1 2 3 4 1 / V V DS 1 / D i mA 0V 2V 3V 4V
3NM相器性能 紧命得电命斜除解命段你 ①、抗干扰能力 从NMoS倒相器的电压传输特性图中 可以看出 输入低电平噪声容限接近于T的开启电压V1 VNL=1.5V V/v 0|1234 输入高电平噪声容限:VMH=1V 电压传输特性 提高电源电压,加大开启电压,就可以提高抗干扰能力。 般MOs管电源电压为:3~18V。 ②、负载能力 负载管导通电阻『p-般为:几十KQ2因而在输出高电平时 其输出阻抗比较高。但由于下一级的输入是MoS管的栅极,其输 入阻抗为101,几乎不取负载电流。因此Mos管的负载能力是 很强的。 回回阿呵回回回回呵回阿呵回回呵回阿回回阿回阿呵回回呵4≯疇
①、抗干扰能力 从NMOS倒相器的电压传输特性图中 可以看出： 输入低电平噪声容限接近于T1的开启电压Vth1。 VNL=1.5V 输入高电平噪声容限: VNH=1V 提高电源电压，加大开启电压，就可以提高抗干扰能力。 一般MOS管电源电压为：3~18V。 ②、负载能力 负载管导通电阻rD2一般为：几十KΩ,因而在输出高电平时， 其输出阻抗比较高。但由于下一级的输入是MOS管的栅极，其输 入阻抗为1010Ω，几乎不取负载电流。因此MOS管的负载能力是 很强的。 电压传输特性 VNL VNH 0 1 2 3 4 / V V I / V V O 1 2 3
MOS倒相器性能 紧命得电命斜除解命段你 ③、功耗 当输入低电平时: T管截止,T2管导通,电源电流几乎 为0,因此静态功耗为0 当输入高电平时: NMoS倒相器的2的导通电阻r 速度比TTL的速为:100200A所 ④、工作速度 度要低一至两个 MOs管的延迟时间由数量级。 达小决定 +v 当输入由高电平变为低电平时 T{管截止,T2管导通。充电时常数τ=r2CL 充电电流几百微安 2 F 当输入由低电平变为高电平时: A 放电时常数τ=1CL放电电流几毫安 当CL=100时:平均延迟时间tpd=550ns 回回阿呵回回回回呵回阿呵回回呵回阿回回阿回阿呵回回呵4≯疇
F A +VDD T2 T1 ③、功耗 当输入低电平时： T1管截止，T2管导通，电源电流几乎 为0，因此静态功耗为0。 当输入高电平时： T1 ,T2 均导通，但T2的导通电阻 rd2= 几十KΩ,电源电流一般为：100~200µA,所 ④、工作速度 以静态功耗在1mW以下。 MOS 管的延迟时间由负载电容及充、放电的电流大小决定。 当输入由高电平变为低电平时： T1管截止，T2管导通。充电时常数 τ = rd2 CL 当输入由低电平变为高电平时： 放电时常数 τ = rd1 CL 充电电流几百微安 放电电流几毫安 当CL＝100pF时：平均延迟时间 t p d = 550 ns NMOS倒相器的 速度比TTL的速 度要低一至两个 数量级
2NM0S逻辑门 余得解除鲁解舞命 ①与门 电路组成:T3:负载管 T1,T2两个串连驱动管A。2 工作原理 Bop N0止1导通 当A,B中有一个低电平时, 相应的驱动管截止,输出F为 电平。 ABT T2F 当A,B全为高电平时, 00止止1 T1,T2均导通,输出F为低01导1 电平 10导止1 所以:F=AB 11导导0 回回阿呵回回回回呵回阿呵回回呵回阿回回阿回阿呵回回呵4≯疇
① 与非门 T3 :负载管 T1，T2 两个串连驱动管 当A,B中有一个低电平时， 相应的驱动管截止，输出F为 高电平。 当A,B全为高电平时， T1，T2均导通，输出 F 为低 电平。 A B T1 T2 F 0 0 止 止 1 0 1 止 导 1 1 0 导 止 1 所以：F = AB 1 1 导 导 0 电路组成： 工作原理： F A T2 T1 T3 B
或#门 除冷命命除解 电路组成:T3负载管 T2两个并连驱作动管 3 工作原理: 当A,B中只要有一个高电平时,T1,Ao中,T24B 2总有一个导通,输出F为低电平 只有AB全为低电平,T1,T2均截 止,输出F才是高电平。 输出和输入的逻辑关系是:F=A+B 1。 ABT T F 同理 00止止1 Ao七rT3oc 01止导0F=AB+CDB。T2,T°D 10导止0 1导导0 是与或非门 回回阿呵同回阿呵同回回呵呵回回阿回阿回回回回呵阿回回回回呵回呵4≯國
T 3 :负载管 T 1 、 T2 两个并连驱作动管 当 A ， B中只要有一个高电平时， T 1 ， T 2总有一个导通，输出 F为低电平。 只有A,B全为低电平， T 1 ,T 2均截 止，输出 F 才是高电平。 输出和输入的逻辑关系是： F = A + B A B T 1 T 2 F 0 0 止 止 1 0 1 止 导 0 1 0 导 止 0 1 1 导 导 0 同理： F = AB +CD 是与或非门 电路组成： 工作原理： F T 1 T 2 T 3 A B - VDD F T 5 A T 1 T 3 C - VDD B T 2 T 4 D
二、MOS门 紧命得电命斜除解命段你 PMOS集成电路采用负电源,一般用负逻辑分析。 PMOS倒相器,与非门,或非门电路结构形式与 NMOS完全相同,不同之处PMOS电源电压为-VD,驱动 管和负载管均是增强型PMOS管。开启电压为负-2V。 1、PMoS倒相器PMOS采用负电源,用负逻辑分析: V输入信号高电平为0V用逻辑“0”表 输入信号低电平为-5V用逻辑“1”表示 HET 当A=0V时:Ve10V -5 lvGs1|<丨Vth|T1截止,F=1 百A=-5V时:Vs1-5V N导通1M:导通,F0 回回阿呵回阿回呵回回呵呵回回呵回回呵阿回呵呵回回阿呵同回呵回回呵4≯國
PMOS集成电路采用负电源，一般用负逻辑分析。 PMOS倒相器，与非门，或非门电路结构形式与 NMOS完全相同，不同之处PMOS电源电压为－VDD,驱动 管和负载管均是增强型PMOS管。开启电压为负－2V。 1、PMOS倒相器 PMOS采用负电源，用负逻辑分析： 输入信号高电平为 0 V 输入信号低电平为－5 V 用逻辑“0”表 示用逻辑“1”表示 当 A = 0 V 时：VGS1= 0 V | VGS1 | | V t h | T1导通，F=0 所以： F = A 区别 −05VV F A -VDD T2 T1
2、负逻辑与非门 紧命得电命斜命除解命段你 DD A B PMos管 电压真值电压真值T,T2电压真值 F 5 5 1导「导00 AoE T2 -5100导止-51 051止导 5 BOET 0 0 0止止 5 有0为1全1为0是负逻辑与非门。F=AB 用负逻辑分析: A B PMos管 F 用正逻辑分析: 电压真值电压真值T1T2电压真值 有1为0,全0为1。 5 0 5 0导导 0 1导止 0 是正逻辑或非门 0 0止导 0 f=A+B 0 0 1止止 5 回回阿回阿阿呵同回回阿回呵回回阿回阿呵回回阿回呵回回回呵回呵呵“≯◆
A B PMOS管 F 电压 真值 电压 真值 T1 T2 电压 真值 -5 1 -5 1 导 导 0 0 -5 1 0 0 导 止 -5 1 0 0 -5 1 止 导 -5 1 0 0 0 0 止 止 -5 1 A B PMOS管 F 电压 真值 电压 真值 T1 T2 电压 真值 -5 0 -5 0 导 导 0 1 -5 0 0 1 导 止 -5 0 0 1 -5 0 止 导 -5 0 0 1 0 1 止 止 -5 0 有0为1,全1为0。是负逻辑与非门。 F = AB 用负逻辑分析： F = A+ B 用正逻辑分析： 有1为0,全0为1。 是正逻辑或非门 F A T2 T1 T3 B -VDD