《数字逻辑》第3章门电路.ppt

从构成MOS集成电路的基本开关元件MOS管开始学习，进而学习MOS反相器、MOS门，最后了解CMOS门的外部特性。 MOS管是构成MOS集成电路的基本开关元件 由MOS管组成了MOS反相器 各种MOS门基本都是由反相器组合而成。 MOS管分为NMOS管和PMOS管两种类型。 NMOS管是在P型半导体衬底上制作两个高掺杂浓度的N型区，形成源极和漏极；栅极通常用金属铝制作；栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔开，形成金属、氧化物、半导体的结构。 NMOS管又有增强型（当在栅极加上足够大的正电压后，导电沟道逐渐形成）和耗尽型（NMOS管制作时在栅极下方就存在N型沟道，当在栅极加上足够大的负电压后，沟道逐渐消失，MOS管截止）两种类型。 NMOS管类似于NPN型三极管。NPN型三极管由两层N型半导体中间夹一层P型半导体组成。 如果VGS=0 ，则两个N区和P型衬底形成两个背向的PN结，无论VDS为正或负，NMOS管都不能导通——因为总有一只PN结反偏 当VGSVGS(TH)（开启电压，1~3V），源极、漏极以及衬底中的自由电子在正电场的吸引下，趋向于栅极；但这些电子不能穿越栅极下的绝缘层，因而聚集在栅极下的底衬表面，形成N型沟道（channel），把两个N区沟通，在VDS作用下，形成漏极电流ID。 由于导电沟道属于N沟道，而且必须在栅极加上足够高的正电压时，沟道才能形成，所以这种类型的MOS管叫做N沟道增强型MOS管，即增强型NMOS管。 制作时就存在N沟道的MOS管叫做N沟道耗尽型MOS管，即耗尽型NMOS管。 PMOS管类似于PNP型三极管。PNP型三极管由两层P型半导体中间夹一层N型半导体组成。 在数字电路中， MOS管主要作为开关元件来使用。 MOS管相当于一个受控开关——受控开关的控制信号是VGS。这里以增强型NMOS管为例分析MOS管的开关特性。 这种结构也称为共源接法电路。输出特性也称漏极特性，分为3个区：截止区、非饱和区、饱和区。 假定这里VGS(TH)=2V，VGS=5V。当VDS=3V时，VDS=VGS－VGS（TH） =5-2=3V，曲线处于非饱和区与饱和区的临界点；当VDS=4V时，VDSVGS－VGS（TH） =5-2=3V，导电沟道开始被夹断，则进入饱和区；随着VDS增加（变为5V），被夹断的沟道距离加大，导通电阻也增大，但ID基本不变 转移特性、输入电阻与电容不讲 RD是负载电阻。 当Vi=ViL=0V时，满足条件：VGS VGS(TH)（开启电压） ，故MOS管工作在截止区，Vo?VDD=10V； 当Vi=ViH=10V时，满足条件： VGS ?VGS(TH)，VDSVGS－VGS（TH） ，故MOS管工作在非饱和区 由于在MOS集成电路中制作MOS晶体管比制作电阻容易，而且只要控制MOS管的跨导，就可以得到不同阻值的电阻，所以MOS反相器都采用MOS管代替电阻作为负载。 负载管T2总是处于导通状态——因为负载管的栅极与漏极并接于电源VDD（10V）上，VGS肯定VGS(TH) 由于NMOS反相器中的负载管始终导通，所以在制作NMOS反相器时，需要综合考虑负载管导通电阻的大小 两个MOS管的栅极并联在一起作输入Vi，两个漏极并联在一起作输出Vo；负载管的源级接正电源VDD，驱动管的源级接负电源VSS（一般接地）。 CMOS反相器中，两只晶体管总有一只处于截止状态，使得驱动管和负载管的导通电阻都可以做得很小——使电路驱动负载能力增强（因为负载管导通电阻小，则流过的电流大，当驱动管截止、负载管导通时，电路提供的拉电流负载大，驱动能力强），同时也使静态功耗极低（因为总有一只晶体管截止，所以导通电流肯定比两只晶体管都导通时电流要小）。 各种MOS门基本都由反相器组合而成。这里主要介绍MOS与非门、或非门。 对于NMOS与非门，负载管总是导通的，两只NMOS管串联后作为驱动管。 扇入系数越大，门电路同时能接入的的输入信号越多 扇出系数体现了门电路的负载能力——扇出系数越大，门电路的带负载能力越强 在驱动门输入端为低电平时，其输出端为高电平，驱动门提供高电平电流IoH给负载门，假定负载门所需的输入电流为IiH，这时驱动门处于“拉电流”工作状态。则扇出系数等于IoH/IiH 而在低电平输出状态下，驱动门处于“灌电流”工作状态。 扇出系数应等于驱动门的输出电流除以一个负载门所需的输入电流的总和，要注意负载门的输入端数及IiH的含义（一般表示一个输入端所需输入电流，若负载门是反相器，则