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CMOS电路.ppt
* * 3.5 CMOS电路 3.5.1 CMOS反相器工作原理 3.5.2 CMOS反相器的主要特性 3.5.3 CMOS传输门 3.5.4 CMOS逻辑门电路 3.5.5 CMOS电路的锁定效应及 正确使用方法 图3-5-1 CMOS反相器 D G S S G D vO VDD TL T0 vI 3.5.1 CMOS反相器工作原理 CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管,N沟道管作为输入管。 两个MOS管的开启电压VGS(th)P0, VGS(th)N 0,通常为了保证正常工作,要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。 若输入vI为低电平(如0V),则负载管导通,输入管截止,输出电压接近VDD。 若输入vI为高电平(如VDD),则输入管导通,负载管截止,输出电压接近0V。 图3-5-2 CMOS反相器电压传输特性 vI vO O VDD VDD VDD+VGS(th)P VGS(th)N Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 3.5.2 CMOS反相器的主要特性 1.电压传输特性和电流传输特性 CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。 工作区Ⅰ:由于输入管截止,故vO=VDD,处于稳定关态。 工作区Ⅲ:PMOS和NMOS均处于饱和状态,特性曲线急剧变化,vI值等于阈值电压Vth。 工作区Ⅴ:负载管截止,输入管处于非饱和状态,所以vO≈0V,处于稳定的开态。 vO≈0 非饱和 截止 VDD+ VGS(th)P ≤ vI ≤VDD Ⅴ 非饱和 饱和 vO+ VGS(th)N ≤ vI< VDD+ VGS(th)P Ⅳ 饱和 饱和 vO+ VGS(th)P ≤ vI< vO+ VGS(th)N Ⅲ 饱和 非饱和 VGS(th)N ≤ vI< vO+ VGS(th)P Ⅱ vO= VDD 截止 非饱和 0≤ vI< VGS(th)N Ⅰ 输出 NMOS管 PMOS管 输入电压vI范围 工作区 表3-5-1 CMOS电路MOS管的工作状态表 图3-5-3 CMOS反相器电流传输特性 vI O VDD iDS VDD+VGS(th)P VGS(th)N Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ V th CMOS反相器的电流传输特性曲线,只在工作区Ⅲ时,由于负载管和输入管都处于饱和导通状态,会产生一个较大的电流。其余情况下,电流都极小。 CMOS反相器具有如下特点: (1) 静态功耗极低。在稳定时,CMOS反相器工作在工作区Ⅰ和工作区Ⅴ,总有一个MOS管处于截止状态,流过的电流为极小的漏电流。 (2) 抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD,输入信号变化时,过渡变化陡峭,所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等,且随电源电压升高,抗干扰能力增强。 (3) 电源利用率高。VOH=VDD,同时由于阈值电压随VDD变化而变化,所以允许VDD有较宽的变化范围,一般为+3~+18V。 (4) 输入阻抗高,带负载能力强。 图3-5-4 CMOS输入保护电路 vO VDD TP TN vI C1 D2 N - D1 ··· D1′ C2 P- P+ P+ N+ R ● 2.输入特性和输出特性 (1) 输入特性 为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿,CMOS输入端都加有保护电路。 由于二极管的钳位作用,使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。 图3-5-5 CMOS反相器输入特性 vI O VDD iI -1V 考虑输入保护电路后,CMOS反相器的输入特性如图3-5-5所示。 vO=VOL VDD TN RL vI=VDD TP IOL 图3-5-6 输出低电平等效电路 图3-5-7 输出低电平时输出特性 VOL(vDSN) O IOL (iDSN) vI(vGSN) (2) 输出特性 a. 低电平输出特性 当输入vI为高电平时,负载管截止,输入管导通,负载电流IOL灌入输入管,如图3-5-6 所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS,输出特性曲线如图3-5-7 所示。 输出电阻的大小与vGSN(vI)有关,vI越大,输出电阻越小,反相器带负载能力越强。 VOH VDD TN RL vI=0 TP IOH 图3-5-8 输出高电平等效电路 图3-5-9 输出高电平时输出特性 vSDP O IOH (iSDP) vGSP VDD b. 高电平输出特性 当输入vI为低电平时,负载管导通,输入管截止,负载电流是拉电流,如图3-5-8所示。输出电压VOH=VDD-vSDP,拉电流IOH即为iSDP,输出特性曲线如图3-5-9所示。 由曲线可见,|vGSP|越大,负载
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