ppt26 三态输出CMOS门

一直导通
B加上正电 压T2导通
11
3
NMOS或非门
• T1、T2：并联输入管
•
F A B
12
2.6
2.6.1
CMOS逻辑门
① CMOS反相器的电路组成
VDD
CMOS反相器及其工作原理
VDD＞(VTN VTP )
V DD
P 沟道
PMOS
vO
TP vI TN vO
vI
柵极相连 做输入端
N 漏极相连做输 沟道 NMOS
O
vO
CMOS反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）
16
2.6.1
CMOS反相器及其工作原理
④ CMOS反相器的特点（传输特性）
vO V ≈ V
/V 10 8 B
TN 截止
A
OH
DD
T N 在饱和区 P T P 在可变电 TN 在饱和区 T P 在可变电阻区 T P 截止 D
9
2.5.3
1 NMOS反相器
NMOS逻辑门
• 构成NMOS门
的基本单元 • 负载管TL（电阻） • 输入管TO • a)增强型负载 • b)耗尽型负载
• RDSL RDSO
10
2
NMOS与非门
• T1、T2：串联输入管 • TL、T1、T2：增强型NMOS • F AB
A加上正电 压T1导通
VO H
VDD ROFF ≈VDD RON ROFF
14
2.6.1
CMOS反相器及其工作原理
当I =VOH= VDD时
VGSN =VDD ＜ VTN
|VGSP|= 0 ＞ VTP
TN管导通；
TP管截止。

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图2-31 CMOS模拟开关
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② CMOS三态门 当EN= 0时，TG导通，F=A； 当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。
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图2-32 CMOS三态门 (a)电路 (b) 逻辑符号
19
2.6 CMOS门电路和TTL门电路的 使用知识及相互连接
2.6.1 CMOS门电路的使用知识
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3
2.5.1 CMOS反相器
MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二 者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。 MOS管有增强型和耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。
1．MOS管的开关特性
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4
（1）NMOS管的开关特性 D接正电源
若 C = 0（接地)、C = 1（接VDD ），
uI在0~VDD 之间变化时，VTP和VTN均截止， 即传输门TG截止。
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（3） 应用举例
① CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。 C = 0时，TG1导通、TG2截止，uO = uI1； C = 1时，TG1截止、TG2导通，uO = uI2。
8
UIH= VDD
截止
UOL≈ 0V 导通
当uI = UIH = VDD ， VTN导通， VTP截止，
uO
=UOL≈0V
图2-26 CMOS反相器
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9
（3）逻辑功能 实现反相器功能（非逻辑）。
（4）工作特点 VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过
VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而 CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突 出的优点之一。

一、MOS管的开关特性
1. MOS管的结构和工作原理
-
S
vGS
vDS +
G
+ iD
D
N+
N+
G
P型衬底(B)
第三节 CMOS门电路
D B
S
当vDS> 0，但 vGS= 0 时，D-S间2不021/3导/9 通， iD= 0 。 当vDS> 0， 且vGS> vGS(th) (MOS管的开启电压）
时，栅极下面的衬底表面形成一个N型反型层。 这个反型层构成了D-S间的导电沟道，有 iD流通。
2. 电压传输特性
AB段：
vO
VDD A B
T1的开 启电压
T1导通， T2截止， VO = VOH ≈ VDD。
CD段：
1
2 V D D VGH(th)N
VGH(th)P
T2导通， T1截止， VO = VOL ≈ 0。
CD
T2的开 O 启电压
1 2 V DD
VDD
vI
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CMOS反相器的电压传输特性 BC段：
27
放映结束 感谢各位的批评指导！
谢 谢！
让我们共同进步
2021/3/9
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C
C
V DD
T2
vI / vO T 1
v O / v I v I / v O TG
C
C
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C1,C0 时，传输门导通。
C0,C1 时，传输门截止。
vO / vI
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第三节 CMOS门电路
利用 CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种 复杂的逻辑电路， 如异或门、数据选择器、寄存器、计数器等。

Rp的值愈小，负载电容的充电时间常数亦 愈小，因而开关速度愈快。但功耗大,且可能 使输出电流超过允许的最大值IOL(max）。
Rp的值大，可保证输出电流不能超过允许的 最大值IOL(max）、功耗小。但负载电容的充电时 间常数亦愈大，开关速度因而愈慢。
VDD
RP
A
0L 1
B
C
D
CL
电路带电容负载
CMOS漏极开路(OD)门 3.上拉电阻对OD门动态性能的影响
三态门电路的应用
数据总线 D
EN1
10
G1
EN2
D1 01
G2 …
Gn
ENn
D2 …
01 Dn
任何时刻只能有一个门的使能端为有效，其他门输出高阻
小结
CMOS逻辑门的保护和缓冲电路 CMOS逻辑门的不同输出结构 * 漏极开路(OD)门 * 三态输出门
再见！
高电平使能的三态输出缓冲电路
使能EN 1 1
输入A 0 1
输出L 0 1
EN
1
0
A
1
VDD
0
B 导通TP
L1
0 截止TN
C
三态(TSL)输出门电路
高电平使能的三态输出缓冲电路
使能EN 1 1
0
输入A 0 1 ×
输出L 0 1
高阻
EN
0 1
A
×
EN A
VDD
1
B 截止TP
L 高阻
0 截止TN
C
L
三态(TSL)输出门电路
当VO=VOL
最不利的情况：只有一个 OD门导通， 为保证低电平时，OD门的输出电流不能超 过允许的最大值IOL(max)且VO=VOL(max）， RP不能太小。

（ N沟道增强型 MOS 管为例）
VDD
RD
ID
D
uO
G
ui
S•
0
VGS(TH)
ID vGS 0
vGS>VGS(TH)
vGS<VGS(TH) vDS
➢ 当vI<VGS（TH）时：
MOS管工作在截止区，
vO=VOH≈VDD
➢ 当vI>VGS（TH）时：
在可变电阻区，沟道电阻很小，
vO=VOL≈0V
10
✓ vI = VDD-|VTP|~VDD段：仍假设TN导通，则vI传到vO后，有UGS（TN）<VTN→ TN 截止，与假设相矛盾。故此段TN截止。
第27页/共34页
vI 0 VTN
VDD-|VTP| VDD
C’=0 VDD
TP
G
S
D
TN通
TN止 TN
vI
vo
TP止
TP通
TP
TN D
S
RL
G
C=VDD
① CMOS传输门：控制信号传输的门
可实现双向传输
ui/uo
利用P沟道MOS管和N沟道MOS管的互补性构 成。
C和C'是一对互补的控制信号。
C' TP
VDD uo/ui
TN C
电路结构
TP : VTP < 0 TN : VTN > 0
︱UGS（TP）︱ >︱ VTP︱ UGS（TN） > VTN
VTN=︱VTP︱
定义： 开启电压（ UT）—— 沟道刚开始形成时的栅源 电压UGS。（一般2 ~ 3V）
S VDS
-
VGS
-D -G iD

Very High Speed CMOS Very High Speed CMOS，TTL compatible
sunwq@
34
内容提要
半导体和PN结 MOS晶体管 CMOS门电路 双极型逻辑和TTL电路
sunwq@
35
TTL反相器
sunwq@
22
CMOS反相器
sunwq@
23
CMOS反相器的开关模型
sunwq@
24
CMOS反相器的另一种表示法
sunwq@
25
CMOS与非门
sunwq@
26
CMOS与非门的开关模型
mm: 74/54，表示民用或军用 FAM：系列助记符，例如HCT，AHC等 nn：功能描述代码 74HC30/74HCT30/74AHC30等均表示8输入与非门
HC/HCT
High Speed CMOS High Speed CMOS, TTL compatible
VHC/VHCT (80’s-90’s)
sunwq@
4
半导体材料硅(Si)
硅的晶格Байду номын сангаас构（平面图）
硅的晶格结构
sunwq@
5
半导体材料硅(Si)
VCC
硅的晶格结构（平面图）
硅的晶格结构
sunwq@
电子移动方向 电流方向
6
半导体的掺杂
半导体中参与导电的实体—载流子(Carrier) 电子 空穴 通过改变载流子的数量，可以改变半导体的导电特性
sunwq@
27
更多输入的CMOS与非门
sunwq@
1. 它的开关模型？ 2. 门的数量和输入的关系？28

集成电路课程设计前言集成电路在当今社会中发挥着越来越重要的作用。

也越来越成为衡量一个国家高科技技术水平的重要指标。

作为一门重要的课程，集成电路课程设计是电子科学与技术专业要求的实践课程，主要目的是使学生熟悉集成电路制造技术、半导体器件原理和集成电路分析与设计基础。

提高学生综合运用已掌握的知识，利用相关软件，进行集成电路芯片的能力。

集成电路设计主要包括以下几个方面。

系统设计→电路设计及模拟→版图设计→版图验证等正向设计方法。

1.设计需求分析1.1设计内容及其性能指标要求器件名称：CMOS三态门器件要求电路性能指标：（1）输出高电平时，|IOH |≤20μA，VOH，min=5V；（2）输出底电平时，|IOL |≤4mA，VOL，man=0V；（3）输出级充放电时间tr =tf，tpd＜25ns；（4）工作电源5V，常温工作，工作频率fwork =100HZ，最大功耗Pmax＝150mW。

1.2设计指标1.独立完成设计三态门芯片的全过程；2.设计时使用的工艺及设计规则： MOSIS:mhp_n12；3.根据所用的工艺，选取合理的模型库；4.选用以lambda(λ)为单位的设计规则；5.全手工、层次化设计版图；6.达到设计要各项指标要求。

2.设计实现2.1三态门芯片简介所谓三态门（TG）就是一种传输模拟信号的模拟开关。

CMOS三态门门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成，如下图所示。

它的管脚图如图1所示，其逻辑真值表如表1所示：三态门原理图图1 三态门芯片管脚图表1 三态门真值表从图1可以看出三态门芯片是一个反相器与一组互补的增强型场效应管组成，而反相器也可以由一组互补的增强型场效应管构成。

因此，本电路的重点是增强型场效应管的使用。

从真值表我们可以看出EN为使能端。

当其为1时，输出等于输入，当其为0时，输出为高阻态。

2.2电路工作原理TP和TN是结构对称的器件，它们的漏极和源极是可互换的。

实验一 三态门和OC门的研究
一、实验目的
1.熟悉两种特殊的门电路：三态门和OC门； 2.了解“总线”结构的工作原理。
二、预习要求
1.根据实验内容，画出设计的逻辑图，标出管脚； 2.拟出记录测量结果的表格。
三、实验原理
1.集电极开路门(OC门)
R1
R2
+VCC +5V
+EC
A
T1
T2
B
D1 D2
R3
RL Y
T5
外 接A
+EC
RL
&Y
B
AB
符号
OC门必须外接负载电阻 和电源才能正常工作。
2.三态门(TSL门)
(1)符号 ①使能端低电平有效
A
&Y
B
EN
EN
②使能端高电平有效
A
&Y
B
EN
EN
(2)应用举例
①用做多路开关
G1
A1
1
Y
EN
G2
A2
1
EN
EN
1
②用于信号双向传输
A1
G1
1
A2
EN
G2 1
2.根据要求设计得任务应有设计过程和设计逻辑图，记录 实际检测结果，并进行分析。
七、实验仪器与器材
1.电子技术实验箱 2.直流稳压电源 3.示波器 4.函数发生器 5.万用表 6.器件：
74LS01
74LS04 74LS244 电阻1kW
1台 1台 1台 1台 1只
1片 1片 2片 1只
器件引脚图
(2)动态验证：控制输入端加高、低电平，数据输入端加连 续脉冲，用示波器对应地观察数据输入波形和输出波形。

2.5 CMOS 门电路
结束
放映
2.5.1 CMOS反相器
2.5.2 其它类型的CMOS门电路
2.6 CMOS门电路和TTL门电路的 使用知识及相互连接
2.6.1 CMOS门电路的使用知识 2.6.2 TTL门电路的使用知识
2.6.3 TTL门电路和CMOS门电路的相互连接
本章小结
1
.
复习
为什么要用OC门？ OC门的工作条件？OC门有何应用？ 三态门有哪三态？三态门有何应用？
6
.
2．CMOS反相器的工作原理 （1）基本电路结构
PMOS管 负载管
NMOS管 驱动管
图2-26 CMOS反相器
开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。
7
.
（2）工作原理
UIL=0V
导通
UOH≈VDD 截止
当uI= UIL=0V时， VTN截止， VTP导通，
uO =
UOH≈VDD
图2-26 CMOS反相器
一般要考虑两个问题： 一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符 合标准的输出高电平和低电平； 二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足 够大的驱动电流。
24
.
1. TTL门驱动CMOS门
（1）电平不匹配 TTL门作为驱动门，它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；
CMOS门作为负载门，它的UIH≥3.5V，UIL≤1V。 可见，TTL门的UOH不符合要求。
电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件
的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：
20
.
（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表 等必须可靠接地。
（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏 蔽层做包装材料。

四、 CMOS反相器的动态特性
1. 传输延迟时间
vI
VDD T1
O
vo
vI
vO
CL
50%VIH
t
50%VOH
T2
O
t
tPHL
tPLH
一般情况下，tPHL、 tPLH主要是由于负载电容的充放 电所产生的，为了缩短传输延迟时间，必须减小负载
电容和MOS管的导通电阻。
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14
2.交流噪声容限
第二节 CMOS门电路
当噪声电压的作用时间小于或接近于 CMOS电路的传输延迟时间时， 输入噪声容限将明显提高。 传输延迟时间越长，交流噪声容限也越大。
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15
3. 动态功耗 定义：
第二节 CMOS门电路
当CMOS反相器从一种稳定工作状态, 突然转变到另一种稳定状态的过程中，
将产生附加的功耗，称之为动态功耗。
O
IOL
CMOS反相器的低电平输出特性
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12
第二节 CMOS门电路
高电平输出特性 当输出为高电平时，工作状态如下图所示。
VIL 0
VDD T1
VOH
IOH
RL
15V10V VDD=5V
VOH VDD
O IOH CMOS反相器的高电平输出特性
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13
第二节 CMOS门电路
上页 下页 返回
5
第二节 CMOS门电路
二、CMOS反相器的电路结构和工作原理
1. 电路结构
VDD T1
iD
vI
vO
T2 VSS
CMOS反相器的电路图
当vI = VIL= 0时， 输出为高电平VOH ≈ VDD 。

当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场 的作用下，形成较大的反向电流。经过ts后，存储电荷显著 减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。
第6页/共130页
反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，它远大于正向导通所需要的 时间。这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小， 以致可以忽略不计。
iI (mA)
-0.7 0 VDD + 0.7 vI (V)
在–0.7V ～ (VDD+0.7)V以外的 区域， iI从零开始增大，并随 vI增加急剧上升，原因是保护 电路中的二极管已进入导通状 态。
注意：由于门电路输入端的 绝缘层使输入的阻抗极高， 若有静电感应会在悬空的输 入端产生不定的电位，故 CMOS门电路的输入端不允 许悬空。
D
+ +－
+
ui=5V 0.7V RL uo
－
－
ui=5V 时的等效电路
ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源， uo＝4.3V。
第5页/共130页
当外加电压由反向突然变 为正向时，要等到PN结内部 建立起足够的电荷梯度后才开 始有扩散电流形成，因而正向 电流的建立稍微滞后一点。
反向恢复时间 （几纳秒内）
VDD
导通
TP v
O
TN
vo=“１”
截止
第23页/共130页
vI=1
VDD
截止
T1
vI
v
O
vo=“０”
T2
导通
静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有 一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。
第24页/共130页
二、电压传输特性和电流传输特性

一、双极型三极管的结构
管芯 + 三个引出电极 + 外壳发 Nhomakorabea区 高掺杂
基区薄 低掺杂
集电区 低掺杂
以NPN为例说明工作原理：
• 当VCC >>VBB • be 结正偏, bc结反偏
• e区发射大量的电子 • b区薄，只有少量的
空穴 • bc反偏，大量电子
形成IC
二、三极管的输入特性和输出特性
三极管的输入特性曲线（NPN） • VON ：开启电压
ΔiC=βΔiB。 ② 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，ΔiC 随ΔiB增加变
缓，趋于“饱和”。 ③ 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。
iC f (VCE )
CMOS传输门及双向模拟开 关
CMOS传输门及双向模拟开关 1. 传输门
设VI为正，另一端经RL接地
设RL RON ,VIH VDD ,VIL 0 (1)当C 0,C 1 则只要VI 0 ~ VDD ,则T1、T2均截止 相当于断开 (2)当C 1,C 0 VI 0 ~ VDD时 0 VI VDD VGS(th)N ,T1导通
• 硅管， • 锗管，
• 近似认为:
• VBE < VON iB = 0 • VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定
iB
VBB VBE Rb
三极管的输出特性
• 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE 以后，基本为水平直线
iC f (VCE )
• 特性曲线分三个部分 ① 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化，

三态输出门电路及应用史明科所谓三态门，就是具有高电平、低电平和高阻抗三种输出状态的门电路。

我们以前国产发射机控制电路中，尤其逻辑控制电路中，像“或(66‘与”“非”及它们组合的门电路常常使用，但却没有三态门电路的应用。

在固态机互联板电路，“I／O”板电路中，除了以上几种组合门电路，三态门电路也是必不可少的。

一、电路组成三态门电路主要有TIL三态门电路和 CMOS三态门电路，其电路结构及逻辑符号分别如下：不难看出，二种输出三态门电路都是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成。

二、工作原理(1)TTL三态门电路工作原理图1给出了三态门的电路结构图及图形符号。

其中控制端·EN为低电平时(面=口／，P点为高电平，二极管D截止，电路工作状态和普通的与非门没有区别。

这时Y=·A’B，可能是高电子也可能是低电平，视A、B的状态而定。

而当控制端EN为高电平时(EN=1)，P点为低电平，它控制T1发射极，把VBl钳位在1V，使T，、T5载止。

同时二极管D导通，T4的基极电位被钳在1V，使T4载止。

由于T4、T5同时载止，所以输出端呈高阻状态o(2)图2中是将CMOS反相器的输出端同一个模拟开关相串联，即可组成三态门。

图中T，、T2组成反相器，TG和反相器3组成模拟开关，其工作原理是：当控制端电压Ve =1时，由于模拟开关断开，输出端与电源 Vm，输出端与地都相当于开路，故呈现高阻抗状态。

当Ve=OV时，模拟开关闭合，输出电压VY 取决于反相器的输入电压。

若V4= OV，则T1截止，T2导通，VY=VDD，输出高电平；若Va=1，则Tl导通，T2载止，VY=OV，输出低电平。

上述电路中，控制端EN为低电平时与非门处于工作状态，所以该电路为低电平有效同样还有高电平有效控制电路。

三、三态门电路的应用(1)多路信号分时传递在一些复杂的数字系统(象固态机的互联板，U0板等)中，为了减少各个单元电路之间连线的数目，希望能在同一条导线上分时传递若干个门电路的输出信号。

0 UT uGS(V) 0 转移特性曲线
2V uDS(V) 输出特性曲线
2.6.1 CMOS反相器
1. MOS管的开关特性
UCC
R
uo
D
ui
S
负载线
ID
ui=“1”
0 uo=“0”
ui=“0”
UDS
uo=“1”
2.6.1 CMOS反相器
MOS管的漏极D和源极S当作一个受栅源电压控制的开关。 VGS＞ VT时，D，S间形成导电沟道，开关闭合。 VGS＜VT时，D，S间没有导电沟道，开关断开。
④CMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻 抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要 缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进， CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。
{End}
3. CMOS “异或” 门电路
AB L 00 0 01 1
1
0 1
0
1
00
0
2.6.2 CMOS门电路
3. CMOS “异或” 门电路
AB L 00 0 01 1 10 1
0
1
0
1
1 00
0
0
2.6.2 CMOS门电路
3. CMOS “异或” 门电路
AB L 00 0 01 1 10 1 11 0
①利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、 或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门 等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性 两方面都别具特色的三态门、OC门、OD门和传输门。
②随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数 字电路已被集成电路所取代。
③TTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力 较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。