第四章数字集成电路设计基础 42 cmos反相器 - read.ppt

第四章 数字集成电路设计基础 4.1 MOS开关及CMOS传输门 4.2 CMOS反相器 4.3 全互补CMOS集成门电路 4.4 改进的CMOS逻辑电路 4.5 移位寄存器、 锁存器、 触发器、 I/O单元 4.1 MOS开关及CMOS传输门 4.1.1 单管MOS开关 1. NMOS单管开关 NMOS单管开关电路如图 4 - 1(a)所示， 图中CL为负载电容， UG为栅电压， 设“1”表示UG=UDD， “0”表示UG=0(接地)。 (1) 当UG=“0”(接地)时， NMOS管截止(开关断开)， 输出Uo=0。 (2) 当UG=“1”(UDD)时， NMOS管导通(开关合上)， 此时视Ui的大小分两种情况： ① UiUG-UTH(UTH为NMOS管阈值电压)， 输入端呈开启状态， 设Uo初始值为零， 则Ui刚加上时， 输出端也呈开启状态， NMOS管导通， 沟道电流对负载电容充电， 直至Uo=Ui。 ② UiUG-UTH， 输入端沟道被夹断， 此时若Uo初始值小于(UG-UTH)， 则输出端沟道存在， NMOS管导通， 沟道电流对CL充电， Uo上升。但随着Uo上升， 沟道电流逐渐减小， 当Uo升至(UG-UTH)时， 输出端沟道也被夹断， 导致NMOS管截止， 从而使输出电压Uo维持在(UG-UTH)不变。 若此时Ui=UG=UDD， 则输出电压Uo为  Uo=UG-UTH=Ui-UTH=UDD-UTH (4 - 1) 2. PMOS单管开关 PMOS单管开关电路如图 4 - 2(a)所示， 其衬底接UDD。 (1) 当UG=“１”(接UDD， 高电平)时， PMOS管截止， 开关断开， Uo=0。 (2) 当UG=“0”(接地， 低电平)时， PMOS管导通， 视Ui的大小不同， 也分两种情况： ① Ui=“1”(UDD)时， 输入端沟道开启导通， 电流给CL充电， Uo上升， 输出端沟道也开启， 开关整个接通， 有Uo=Ui=“1” ② Ui=“0”(低电平)时， 输入端沟道被夹断， 此时要维持沟道导通， 则输出端沟道开启， 输出电压Uo必须比UG高一个PMOS管的阈值电压|UTHP|。 因此， 当传输输入为0的信号时， 输出同样存在所谓的“阈值损失”， 如图4 - 2(b)所示， 即   Uo=|UTHP| (4 - 2) 结论是： 当开关控制电压(UG)使MOS管导通时， NMOS、 PMOS传输信号均存在阈值损失， 只不过NMOS发生在传输高电平时， 而PMOS发生在传输低电平时。 图4 - 3给出了阈值损失的波形示意图。 4.1.2 CMOS传输门 根据NMOS和PMOS单管开关的特性， 将其组合在一起形成一个互补的CMOS传输门， 这是一个没有阈值损失的理想开关。 1. CMOS传输门电路 CMOS传输门电路如图 4 - 4所示， NMOS管和PMOS管的源极、 漏极接在一起， NMOS衬底接地， PMOS衬底接UDD(保证了沟道与衬底之间有反偏的PN结隔离)， 二者的栅极控制电压反相， 即UGP= 。 2. CMOS传输门的直流传输特性 CMOS传输门的直流传输特性如图 4 - 5所示， 它不存在阈值损失问题， 其理由说明如下： (1) 当UGN=“0”， UGP=“1”时， N管、 P管均截止， Uo=0。 (2) 当UGN=“1”, UGP=“0”时， Ui由“0”升高到“1”的过程分为以下三个阶段(分析中， 设“1”为UDD=5Ｖ，　“0”为接地(0 V）， UTHN=|UTHP|=0.9 V): ① Ui较小， 有 ② Ui升高， 有  UGN-UiUTHN N管导通 |UGP-Ui||UTHP| P管导通 ③ Ui再升高， 接近“1”时， 有 UGN-UiUT