第2章邏輯門電路1

1、2.4 MOS邏輯門邏輯門單極型單極型MOS(Metal Oxide Semiconductor)集成電路分集成電路分PMOS、NMOS和和CMOS三種。三種。NMOS電氣性能較好，工藝較簡(jiǎn)單，適合電氣性能較好，工藝較簡(jiǎn)單，適合制作高性能的存儲(chǔ)器、微處理器等大規(guī)模制作高性能的存儲(chǔ)器、微處理器等大規(guī)模集成電路。集成電路。而由而由NMOS和和PMOS構(gòu)成的互補(bǔ)型構(gòu)成的互補(bǔ)型CMOS電路以其性能好、功耗低等顯著特點(diǎn)，得電路以其性能好、功耗低等顯著特點(diǎn)，得到愈來愈廣泛的應(yīng)用。到愈來愈廣泛的應(yīng)用。主要介紹主要介紹NMOS和和CMOS門電路。門電路。NMOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性MOS管和晶體管一樣可以

2、當(dāng)開關(guān)用。管和晶體管一樣可以當(dāng)開關(guān)用。如圖所示，如圖所示，RD為負(fù)載電阻，為負(fù)載電阻，T為負(fù)載。為負(fù)載。NMOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性當(dāng)用增強(qiáng)型當(dāng)用增強(qiáng)型NMOS做工作管時(shí)，如輸入電壓做工作管時(shí)，如輸入電壓vI為為高電平高電平（大于開啟電壓（大于開啟電壓VT）則）則NMOS管導(dǎo)通，開管導(dǎo)通，開關(guān)閉合，輸出電壓關(guān)閉合，輸出電壓vO為低電平。為低電平。NMOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性輸入電壓輸入電壓vI為為低電平低電平時(shí)則時(shí)則NMOS管截止，開管截止，開關(guān)斷開，輸出電壓關(guān)斷開，輸出電壓vO為高電平。為高電平。PMOS管的開關(guān)特性管的開關(guān)特性A=1，開關(guān)斷開，開關(guān)斷開，F(xiàn)=0A=0，開關(guān)閉合，開關(guān)

3、閉合，F(xiàn)=1 NMOS 門電路門電路NMOS 反相器反相器NMOS 與非門與非門 NMOS 或非門或非門 NMOS 與或非門與或非門 NMOS 異或門異或門 NMOS 三態(tài)門三態(tài)門NMOS反相器反相器T1管為工作管管為工作管(驅(qū)動(dòng)管、控制管驅(qū)動(dòng)管、控制管)，T2管為負(fù)載管，管為負(fù)載管，故此電路稱為有源負(fù)載反相器。故此電路稱為有源負(fù)載反相器。T2管：管： VGD=VGS-VDS=0VT，故，故T2管管工作在飽和區(qū)，工作在飽和區(qū)，T2管稱飽和型負(fù)載管，管稱飽和型負(fù)載管，總是處于導(dǎo)通狀態(tài)。總是處于導(dǎo)通狀態(tài)。vI為高電平且為高電平且vIVT1時(shí)，時(shí)，T1、T2管同管同時(shí)導(dǎo)通，輸出電壓時(shí)導(dǎo)通，輸出電壓v

4、O為兩個(gè)管子的導(dǎo)通電為兩個(gè)管子的導(dǎo)通電阻對(duì)阻對(duì)VDD的分壓，即的分壓，即vo=VDDRDS1/(RDS1+RDS2)。vI為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，vO為低電平。為低電平。當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓vI為低為低電平時(shí)電平時(shí)(vIVT1)，T1管截止，輸出為高電管截止，輸出為高電平平(vO=VOH=VDD-VT2)。 為了保證在為了保證在T1和和T2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)滿足同時(shí)導(dǎo)通時(shí)滿足RDS1RDS2，制造時(shí)使，制造時(shí)使T1、T2在結(jié)構(gòu)上有不在結(jié)構(gòu)上有不同的寬長(zhǎng)比，即同的寬長(zhǎng)比，即W1/L1W2/L2。NMOS反相器反相器飽和型負(fù)載反相器有兩個(gè)缺點(diǎn)：飽和型負(fù)載反相器有兩個(gè)缺點(diǎn)：輸出高電平低。輸出高電平低。由于負(fù)

5、載管由于負(fù)載管T2導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)，柵源間至少導(dǎo)通時(shí)，柵源間至少要保持等于開啟電壓要保持等于開啟電壓VT2的電壓，所以輸出的電壓，所以輸出高電平較電源電壓低高電平較電源電壓低一個(gè)開啟電壓值。為一個(gè)開啟電壓值。為了保證有足夠高的輸了保證有足夠高的輸出高電平，必須增大出高電平，必須增大電源電壓。電源電壓。為了保證輸出為了保證輸出低電平足夠低，要低電平足夠低，要求求RDS2相應(yīng)的增大，相應(yīng)的增大，造成工作管關(guān)閉時(shí)，造成工作管關(guān)閉時(shí)，輸出端雜散電容或輸出端雜散電容或負(fù)載電容負(fù)載電容CO的充電的充電時(shí)間較長(zhǎng)，使輸出時(shí)間較長(zhǎng)，使輸出電壓上升沿拖長(zhǎng)，電壓上升沿拖長(zhǎng)，降低了工作速度。降低了工作速度。對(duì)同一個(gè)

6、對(duì)同一個(gè)MOS負(fù)載負(fù)載管，若要提高電路的管，若要提高電路的速度，就必須減小其速度，就必須減小其導(dǎo)通電阻，讓它工作導(dǎo)通電阻，讓它工作在非飽和區(qū)，即工作在非飽和區(qū)，即工作在可變電阻區(qū)。這樣，在可變電阻區(qū)。這樣，可以提高電路的工作可以提高電路的工作速度，降低電路的功速度，降低電路的功率損耗。率損耗。NMOS反相器反相器非飽和型有源負(fù)載反相器如圖非飽和型有源負(fù)載反相器如圖2-26所示。所示。 該反相器負(fù)載管該反相器負(fù)載管的柵極采用獨(dú)立電的柵極采用獨(dú)立電源源VGG，當(dāng)，當(dāng)VGG-VDDVT2時(shí)，負(fù)載管時(shí)，負(fù)載管T2工作在非飽和區(qū)。工作在非飽和區(qū)。輸 出 電 平 可 接 近輸 出 電 平 可 接 近VDD

7、值，電路的工值，電路的工作速度提高，功率作速度提高，功率損耗降低。損耗降低。缺點(diǎn)是增加了一缺點(diǎn)是增加了一個(gè)電源。個(gè)電源。NMOS與非門與非門具有兩個(gè)輸入端的具有兩個(gè)輸入端的NMOS 與非門電路如圖與非門電路如圖2-27所所示。示。當(dāng)輸入當(dāng)輸入A、B都為都為高電平時(shí)，串聯(lián)高電平時(shí)，串聯(lián)的兩個(gè)工作管的兩個(gè)工作管T1、T2都導(dǎo)通，電路都導(dǎo)通，電路的輸出即為低電的輸出即為低電平；平；NMOS與非門與非門具有兩個(gè)輸入端的具有兩個(gè)輸入端的NMOS 與非門電路如圖與非門電路如圖2-27所所示。示。當(dāng)輸入當(dāng)輸入A、B中中有一個(gè)為低電平時(shí)，有一個(gè)為低電平時(shí)，則串聯(lián)的兩個(gè)工作則串聯(lián)的兩個(gè)工作管管T1、T2中必有一

8、中必有一個(gè)截止，則使電路個(gè)截止，則使電路輸出為高電平。輸出為高電平。電路的輸出與電路的輸出與輸入之間為與非輸入之間為與非邏輯關(guān)系，即邏輯關(guān)系，即ABF NMOS或非門或非門NMOS 或非門電路如圖或非門電路如圖2-28所示。所示。 NMOS或非門或非門因?yàn)閮蓚€(gè)工作管因?yàn)閮蓚€(gè)工作管T1、T2相并聯(lián)，所以只要相并聯(lián)，所以只要輸入輸入A、B中有一個(gè)中有一個(gè)為高電平時(shí)，則相應(yīng)為高電平時(shí)，則相應(yīng)的工作管必導(dǎo)通，使的工作管必導(dǎo)通，使電路的輸出為低電平；電路的輸出為低電平；工作原理工作原理NMOS或非門或非門工作原理工作原理BAF只有輸入只有輸入A、B中都中都為低電平時(shí)，則并為低電平時(shí)，則并聯(lián)的兩個(gè)工作管聯(lián)

9、的兩個(gè)工作管T1、T2都截止，則使電都截止，則使電路輸出為高電平。路輸出為高電平。電路的輸出與輸入電路的輸出與輸入之間為或非邏輯關(guān)之間為或非邏輯關(guān)系，即系，即NMOS 與或非門與或非門NMOS 與或非門電路如圖與或非門電路如圖2-29所示。所示。 工作原理：工作原理：A=B=1F=0NMOS 與或非門與或非門NMOS 與或非門電路如圖與或非門電路如圖2-29所示。所示。 工作原理：工作原理：A=B=1C=D=1F=0NMOS 與或非門與或非門CDABF工作原理：工作原理：當(dāng)兩組輸入當(dāng)兩組輸入(A、B和和C、D)中都有低電平時(shí)，中都有低電平時(shí)，則每組串聯(lián)的工作管則每組串聯(lián)的工作管中必有相應(yīng)的工作

10、管中必有相應(yīng)的工作管截止，則截止，則F=1。電路的輸出與輸入之電路的輸出與輸入之間為與或非邏輯關(guān)系，間為與或非邏輯關(guān)系，即即 NMOS異或門異或門圖圖2-30是是NMOS異或門。異或門。 同或門同或門非門非門NMOS異或門異或門圖圖2-30是是NMOS異或門。異或門。 BABABAF當(dāng)當(dāng)A、B都為都為高電平高電平或都為或都為低電平低電平時(shí)，時(shí)，T1、T2都截止，都截止，F(xiàn)1為高電平，為高電平，F(xiàn)為低電為低電平；平；當(dāng)當(dāng)A、B中有一個(gè)為中有一個(gè)為高電平而另一個(gè)為高電平而另一個(gè)為低電平時(shí)，低電平時(shí)，T1和和T2中必有一個(gè)管導(dǎo)通，中必有一個(gè)管導(dǎo)通，致使致使F1為低電平，為低電平，F(xiàn)為高電平。為高電平

11、。電路的輸出與輸入電路的輸出與輸入之間為異或邏輯關(guān)之間為異或邏輯關(guān)系，即系，即NMOS三態(tài)門三態(tài)門圖圖2-31所示電路為所示電路為NMOS三態(tài)門。三態(tài)門。數(shù)據(jù)輸入端數(shù)據(jù)輸入端控制端控制端輸出端輸出端當(dāng)當(dāng)E為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，兩個(gè)或非門兩個(gè)或非門G1、G2輸出均為低輸出均為低電平，致使電平，致使T1、T2管都截止，管都截止，電路輸出電路輸出F呈現(xiàn)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)；高阻狀態(tài)；若若E為低電平時(shí)，兩為低電平時(shí)，兩個(gè)或非門個(gè)或非門G1、G2都都起非門作用，若起非門作用，若A為為低電平時(shí)，或非門低電平時(shí)，或非門G1輸出為高電平，輸出為高電平，使使T1管導(dǎo)通，同時(shí)管導(dǎo)通，同時(shí)使使G2輸出為低電平，輸出為低電

12、平，使使T2管截止，電路管截止，電路輸 出 為 低 電 平 ，輸 出 為 低 電 平 ，F(xiàn)=A。電路具有三態(tài)輸出電路具有三態(tài)輸出功能。功能。 CMOS門電路門電路CMOS: Complementary-Symmetry Metal-Oxide SemiconductorCMOS反相器反相器CMOS與非門與非門CMOS或非門或非門CMOS三態(tài)門三態(tài)門CMOS傳輸門傳輸門 CMOS反相器反相器CMOS反相器是構(gòu)成反相器是構(gòu)成CMOS集成電路的基本集成電路的基本單元。單元。如圖如圖2-32為為CMOS反相反相器電路，是由互補(bǔ)的增器電路，是由互補(bǔ)的增強(qiáng)型強(qiáng)型NMOS管管T1和和PMOS管管T2串聯(lián)組成

13、的。串聯(lián)組成的。CMOS反相器反相器兩管的柵極連在一起，兩管的柵極連在一起，作為反相器的輸入端，作為反相器的輸入端，兩個(gè)管子的漏極連在一兩個(gè)管子的漏極連在一起作為反相器的輸出端。起作為反相器的輸出端。電源電壓條件：電源電壓條件：CMOS反相器要求電源電壓大反相器要求電源電壓大于兩個(gè)管子開啟電壓的于兩個(gè)管子開啟電壓的絕對(duì)值之和，即絕對(duì)值之和，即VDD|VT1|+|VT2|。CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：vI輸入低電平時(shí)：輸入低電平時(shí)：vI=VIL|VT2|，因此因此T2充分導(dǎo)通。充分導(dǎo)通。CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：由于由于T1的截止電阻遠(yuǎn)比的截止電阻遠(yuǎn)比T2的導(dǎo)通電阻大得

14、多，的導(dǎo)通電阻大得多，所以電源電壓差不多所以電源電壓差不多全部降落在工作管全部降落在工作管T1的的漏源之間，使反相器漏源之間，使反相器輸出高電平輸出高電平VOHVDD。 CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：當(dāng)當(dāng)vI=VIHVT1時(shí)，時(shí)，T1管管導(dǎo)通。導(dǎo)通。但對(duì)于但對(duì)于PMOS負(fù)載管：負(fù)載管：VG2較高，使較高，使|VGS|VT2|，因此因此T2管截止。管截止。CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：由于由于T2的截止時(shí)相當(dāng)?shù)慕刂箷r(shí)相當(dāng)于一個(gè)大電阻，于一個(gè)大電阻，T1的的導(dǎo)通電阻相當(dāng)于一個(gè)導(dǎo)通電阻相當(dāng)于一個(gè)較小的電阻，所以電較小的電阻，所以電源電壓幾乎全部降落源電壓幾乎全部降落在負(fù)載管在負(fù)載

15、管T2上，使反上，使反相器輸出低電平且很相器輸出低電平且很低，低，VOL0V。特點(diǎn)（特點(diǎn)（1）CMOS反相器的靜態(tài)功耗非常小。反相器的靜態(tài)功耗非常小。原因：由于原因：由于CMOS反相器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，反相器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，無論是輸出高電平還是輸出低電平，其無論是輸出高電平還是輸出低電平，其工作管和負(fù)載管必有一個(gè)截止而另一個(gè)工作管和負(fù)載管必有一個(gè)截止而另一個(gè)導(dǎo)通，因此電源向反相器提供的僅為納導(dǎo)通，因此電源向反相器提供的僅為納安級(jí)的漏電流，所以安級(jí)的漏電流，所以CMOS反相器的靜反相器的靜態(tài)功耗非常小。態(tài)功耗非常小。特點(diǎn)（特點(diǎn)（2）CMOS反相器輸出電壓的上升時(shí)間和下降時(shí)反相器輸出電壓的上升時(shí)間和下降時(shí)間

16、都比較小，電路的工作速度大為提高。間都比較小，電路的工作速度大為提高。原因：由于原因：由于CMOS反相器的工作管和負(fù)載管不反相器的工作管和負(fù)載管不同時(shí)導(dǎo)通，因此其輸出電壓不取決于兩管的導(dǎo)同時(shí)導(dǎo)通，因此其輸出電壓不取決于兩管的導(dǎo)通電阻之比。這樣，通?？墒雇娮柚取＿@樣，通?？墒筆MOS負(fù)載管和負(fù)載管和NMOS工作管的導(dǎo)通電阻都較小。所以，工作管的導(dǎo)通電阻都較小。所以，CMOS反相器輸出電壓的上升時(shí)間和下降時(shí)間反相器輸出電壓的上升時(shí)間和下降時(shí)間都比較小，電路的工作速度大為提高。都比較小，電路的工作速度大為提高。CMOS與非門與非門工作原理：工作原理：圖圖2-33所示電路為兩個(gè)輸入端的所示電路為兩

17、個(gè)輸入端的CMOS與非與非門。門。當(dāng)輸入當(dāng)輸入A、B都為高都為高電平時(shí)，串聯(lián)的電平時(shí)，串聯(lián)的NMOS管管 T1、T2管都管都導(dǎo)通，并聯(lián)的導(dǎo)通，并聯(lián)的PMOS管管T3、T4都截止，因都截止，因此輸出為低電平；此輸出為低電平；工作管工作管負(fù)載管負(fù)載管CMOS與非門與非門工作原理：工作原理：圖圖2-33所示電路為兩個(gè)輸入端的所示電路為兩個(gè)輸入端的CMOS與非與非門。門。ABF 當(dāng)輸入當(dāng)輸入A、B中有一中有一個(gè)為低電平時(shí)，兩個(gè)個(gè)為低電平時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)的串聯(lián)的NMOS管中必管中必有一個(gè)截止，于是電有一個(gè)截止，于是電路輸出為高電平。路輸出為高電平。電路的輸入和輸出之電路的輸入和輸出之間是與非邏輯關(guān)系。間是與

18、非邏輯關(guān)系。 CMOS或非門或非門 圖圖2-34所示電路為兩個(gè)輸入端的所示電路為兩個(gè)輸入端的CMOS或或非門。非門。當(dāng)輸入當(dāng)輸入A、B至少有一至少有一個(gè)高電平時(shí)，并聯(lián)的個(gè)高電平時(shí)，并聯(lián)的NMOS管管T1和和T2中至少中至少有一個(gè)導(dǎo)通，串聯(lián)的有一個(gè)導(dǎo)通，串聯(lián)的PMOS管管T3、T4至少有至少有一個(gè)截止，因此輸出為一個(gè)截止，因此輸出為低電平；低電平；CMOS或非門或非門 圖圖2-34所示電路為兩個(gè)輸入端的所示電路為兩個(gè)輸入端的CMOS或或非門。非門。BAF當(dāng)輸入當(dāng)輸入A、B都為低電都為低電平時(shí)，并聯(lián)平時(shí)，并聯(lián)NMOS管管T1和和 T2都 截 止 ， 串 聯(lián)都 截 止 ， 串 聯(lián)PMOS管管T3和和

19、T4都導(dǎo)通，都導(dǎo)通，于是電路輸出為高電平。于是電路輸出為高電平。電路的輸入和輸出之間電路的輸入和輸出之間是或非邏輯關(guān)系。是或非邏輯關(guān)系。CMOS三態(tài)門三態(tài)門 圖圖2-35所示為三態(tài)輸出門電路。所示為三態(tài)輸出門電路。當(dāng)控制端當(dāng)控制端E為高電平為高電平時(shí)，時(shí)，NMOS管管 T1和和PMOS管管T4均截止，均截止，電路輸出端電路輸出端F呈現(xiàn)高阻呈現(xiàn)高阻態(tài)；態(tài)；輸出端輸出端控制端控制端輸入端輸入端CMOS三態(tài)門三態(tài)門 圖圖2-35所示為三態(tài)輸出門電路。所示為三態(tài)輸出門電路。當(dāng)控制端當(dāng)控制端E為低電平為低電平時(shí)，時(shí)，T1和和T4管同時(shí)導(dǎo)管同時(shí)導(dǎo)通，通，T2和和T3管構(gòu)成的管構(gòu)成的CMOS 反相器正常工反

20、相器正常工作。作。AF CMOS傳輸門傳輸門 CMOS傳輸門是邏輯電路的一種基本單元電路，傳輸門是邏輯電路的一種基本單元電路，其功能是一種傳輸信號(hào)可控開關(guān)電路。其功能是一種傳輸信號(hào)可控開關(guān)電路。CMOS傳輸門電路如圖傳輸門電路如圖2-36所示。所示。 它是利用結(jié)它是利用結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱構(gòu)上完全對(duì)稱的的NMOS管和管和PMOS管，按管，按閉環(huán)互補(bǔ)形式閉環(huán)互補(bǔ)形式連接而成的一連接而成的一種雙向傳輸開種雙向傳輸開關(guān)。關(guān)。因?yàn)橐驗(yàn)镸OS管管的漏極和源極的漏極和源極在結(jié)構(gòu)上完全在結(jié)構(gòu)上完全對(duì)稱，可以互對(duì)稱，可以互換，所以傳輸換，所以傳輸門的輸入端和門的輸入端和輸出端也可以輸出端也可以互換?；Q。傳輸門的導(dǎo)傳輸門的導(dǎo)通電阻很低，通電阻很低，約幾百歐姆，約幾百歐姆，相當(dāng)于開關(guān)接相當(dāng)于開關(guān)接通，其截止電通，其截止電阻很高，可大阻很高，可大于于109歐姆，相歐姆，相當(dāng)于開關(guān)斷開。當(dāng)于開關(guān)斷開。接近于理想開接近于理想開關(guān)。關(guān)。 工作條件工作條件:設(shè)設(shè)TN和和TP的的|VT|=3V，vI=0V10V。CC( C=10V， =0V或或C=0V， =10V)。CMOS傳輸門傳輸門 工作原理：工作原理：C若若C=0V， =10V時(shí)，時(shí)，TN和和TP同時(shí)截止，故傳輸門截止，同時(shí)截止，故傳輸門截止，則輸入和輸出之間呈現(xiàn)高阻則輸入和輸出之間呈現(xiàn)高