第2章逻辑门电路CMOS

2.3CMOS门电路单极型MOS(MetalOxideSemiconductor)集成电路分PMOS、NMOS和CMOS三种。NMOS电气性能较好，工艺较简单，适合制作高性能的存储器、微处理器等大规模集成电路。而由NMOS和PMOS构成的互补型CMOS电路以其性能好、功耗低等显著特点，得到愈来愈广泛的应用。主要介绍CMOS门电路。⒉CMOS门电路CMOS:Complementary-SymmetryMetal-OxideSemiconductorCMOS反相器（非门）CMOS与非门CMOS或非门CMOS三态门CMOS传输门CMOS集成电路的各种系列低电压CMOS系列2.3.1CMOS反相器CMOS反相器是构成CMOS集成电路的基本单元。如图2-32为CMOS反相器电路，是由互补的增强型NMOS管T1和PMOS管T2串联组成的。VDDT2(P)T1(N)vOFvIASSGGDD图2-32CMOS反相器⑴CMOS反相器VDDT2(P)T1(N)vOFvIASSGGDD图2-32CMOS反相器两管的栅极连在一起，作为反相器的输入端，两个管子的漏极连在一起作为反相器的输出端。电源电压条件：CMOS反相器要求电源电压大于两个管子开启电压的绝对值之和，即VDD＞|VT1|+|VT2|。⑴CMOS反相器VDDT2(P)T1(N)vOFvIASSGGDD图2-32CMOS反相器工作原理：vI输入低电平时：vI=VILVT1时，T1管截止。但对于PMOS负载管:VG2较低，使|VGS||VT2|，因此T2充分导通。⑴CMOS反相器VDDT2(P)T1(N)vOFvIASSGGDD图2-32CMOS反相器工作原理：由于T1的截止电阻远比T2的导通电阻大得多，所以电源电压差不多全部降落在工作管T1的漏源之间，使反相器输出高电平VOH≈VDD。⑴CMOS反相器VDDT2(P)T1(N)vOFvIASSGGDD图2-32CMOS反相器工作原理：当vI=VIHVT1时，T1管导通。但对于PMOS负载管：VG2较高，使|VGS||VT2|，因此T2管截止。⑴CMOS反相器VDDT2(P)T1(N)vOFvIASSGGDD图2-32CMOS反相器工作原理：由于T2的截止时相当于一个大电阻，T1的导通电阻相当于一个较小的电阻，所以电源电压几乎全部降落在负载管T2上，使反相器输出低电平且很低，VOL≈0V。特点：⒈CMOS反相器的静态功耗非常小。原因：由于CMOS反相器处于稳态时，无论是输出高电平还是输出低电平，其工作管和负载管必有一个截止而另一个导通，因此电源向反相器提供的仅为纳安级的漏电流，所以CMOS反相器的静态功耗非常小。特点：⒉CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小，电路的工作速度大为提高。原因：由于CMOS反相器的工作管和负载管不同时导通，因此其输出电压不取决于两管的导通电阻之比。这样，通常可使PMOS负载管和NMOS工作管的导通电阻都较小。所以，CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小，电路的工作速度大为提高。2.3.2CMOS与非门工作原理：图2-33所示电路为两个输入端的CMOS与非门。当输入A、B都为高电平时，串联的NMOS管T1、T2管都导通，并联的PMOS管T3、T4都截止，因此输出为低电平；VDDT4(P)T2(N)FBA图2-33CMOS与非门T1(N)T3(P)工作管负载管2.3.2CMOS与非门工作原理：图2-33所示电路为两个输入端的CMOS与非门。VDDT4(P)T2(N)FBA图2-33CMOS与非门T1(N)T3(P)当输入A、B中有一个为低电平时，两个串联的NMOS管中必有一个截止，于是电路输出为高电平。电路的输入和输出之间是与非逻辑关系。F=(AB)’2.3.3CMOS或非门图2-34所示电路为两个输入端的CMOS或非门。当输入A、B至少有一个高电平时，并联的NMOS管T1和T2中至少有一个导通，串联的PMOS管T3、T4至少有一个截止，因此输出为低电平；VDDT2(N)F图2-34CMOS或非门T1(N)T4(P)BAT3(P)2.3.3CMOS或非门当输入A、B都为低电平时，并联NMOS管T1和T2都截止，串联PMOS管T3和T4都导通，于是电路输出为高电平。电路的输入和输出之间是或非逻辑关系。F=(A+B)’VDDT2(N)F图2-34CMOS或非门T1(N)T4(P)BAT3(P)2.3.4CMOS三态门图2-35所示为三态输出门电路。A是输入端，E是控制端，F是输出端。图2-35CMOS三态门T2(N)EAVDDFT1(N)T4(P)T3(P)AFE2.3.4CMOS三态门当控制端E为高电平时，NMOS管T1和PMOS管T4均截止，电路输出端F呈现高阻态；当控制端E为低电平时，T1和T4管同时导通，T2和T3管构成的CMOS反相器正常工作。图2-35CMOS三态门T2(N)EAVDDFT1(N)T4(P)T3(P)F=A’2.3.5CMOS传输门CMOS传输门(也称模拟开关)是逻辑电路的一种基本单元电路，其功能是一种传输信号可控开关电路。.In/OutOut/InC....2.3.5CMOS传输门.In/OutOut/InC....当C=1时，模拟开关导通，模拟和数字信号可以在双向输入端间通过；当C=0时，模拟开关截止，输入和输出之间断开。2.3.6CMOS集成电路的各种系列在小规模和中规模集成电路中，CMOS系列集成电路性能越来越好，并逐渐取代TTL集成电路。CMOS集成电路不但能提供所有TTL中用到的逻辑功能，而且还提供TTL不具备的一些特殊逻辑功能。各种CMOS系列在不断发展，并且在不断改善器件性能。2.3.6CMOS集成电路的各种系列最早投放到市场的CMOS集成电路是4000系列，4000系列中的器件有非常低的功耗，并有较宽的工作电压范围(3~15V)，但传输延迟时间很长，带负载能力较弱。不具有与TTL系列的管脚兼容性（当两种IC管脚结构相同时，则这两个IC管脚兼容）和电气兼容性（当两种IC能相互连接而不需要采取任何特殊措施来保证正常工作时，这两种IC是电气兼容的）。2.3.6CMOS集成电路的各种系列74C系列与相同编号的TTL器件是管脚兼容和逻辑功能等效的。例如，7430和74C30都是8输入与非门，且管脚排列完全相同。74C系列的性能与4000系列的性能基本上相同。74HC/HCT(High-speedCMOS/High-speedCMOS,TTLcompatible)系列是高速CMOS，与74LS器件相比，它的开关速度提高了10倍，比74C系列具有更高的输出电流。74HC/HCT与相同编号的TTL器件是管脚兼容和逻辑功能等效的，74HCT器件与TTL器件具有电气兼容性，但74HC器件没有。2.3.6CMOS集成电路的各种系列74AC/ACT(AdvancedCMOSLogic,亦称ACL)系列是先进CMOS逻辑系列,它与各种TTL系列是逻辑功能等效的。由于74AC和74ACT芯片管脚布局的选择是为了改善抗噪性能，使器件的输入对芯片其他管脚上信号变化不敏感。因此74AC器件与TTL不具有电气兼容性，74ACT能直接与TTL相连接。该系列器件的编号采用5位数字编号，开头是11，例如：74AC11004与74HC04逻辑功能等效，74ACT11293与74HC293逻辑功能等效。2.3.6CMOS集成电路的各种系列74AHC/AHCT系列是改进的高速CMOS系列，它的器件速度比HC系列的快3倍，同时带负载能力也提高了近一倍，可以直接用来替换HC系列器件。因此，74AHC/AHCT系列是目前比较受欢迎的、应用最广的CMOS器件。2.3.6CMOS集成电路的各种系列BiCMOS逻辑电路是具有双极型和CMOS逻辑优点的逻辑系列，把CMOS的低功耗性能和双极型电路的快速性能结合起来产生一种功耗更低、速度更快的逻辑系列。BiCMOS集成电路还没有SSI和MSI集成电路，只局限在微处理器和总线接口功能应用，如锁存器、缓冲器、驱动器和收发器。74BCT(BiCMOS总线接口技术)系列功耗比74F系列减少了75%，同时又保持相同的速度和驱动性能。表2-6给出了各种CMOS系列电路的输入输出电压电平。特性参数4000B74HC74HCT74AC74ACT74AHC74AHCT输入高电平最小值VIH(min)3.53.52.03.52.03.852.0输入低电平最大值VIl(max)1.51.00.81.50.81.650.8输出高电平最小值VOH(min)4.954.94.94.94.94.43.15输出低电平最大值VOL(max)0.050.10.10.10.10.440.12.3.7低电压CMOS系列集成电路制造厂家一直寻找把芯片上半导体器件在一起的方法，即增加芯片的密度。这种高密度芯片的优点是：允许更多的电路集成在芯片上，由于电路靠近在一起信号从一个电路传输到另一个电路的时间会减少。高密度芯片的缺点是：当电路靠近在一起时，用来隔离各电路之间的绝缘材料很窄，这样就会减小电介质破损前器件所承受的电压；增加芯片密度将会增加整个芯片的功耗，使芯片的温度上升超过可靠工作所允许的最大值。让芯片工作在较低电压就能克服上述弊端，并减小功耗。低电压CMOS(简称LVC)系列的标准工作电压是3.3V。74LVC是低电压CMOS系列，它含有5V系列的SSI门和MSI逻辑功能，以及许多总线接口器件，如锁存器、缓冲器、驱动器。该系列能在输入端处理5V电平，因此能从5V系统转换到3V系统中。74ALVC是先进的低电压CMOS系列，它的工作性能最高，主要用在3.3V逻辑总线接口应用中。74LV是低电压系列，提供了CMOS工艺和许多通用的SSI门和MSI逻辑功能，还有一些常用的8位缓冲器、锁存器和触发器，它通常与其他3.3V器件一起工作。74AVC是先进的超低电压CMOS系列，工作电压是2.5V，但能在1.2~3.3V电压下工作。74AUC是先进的极低电压CMOS系列，工作电压是1.8V。74LVT是低电压BiCMOS工艺系列，工作电压为3.0~3.6V，主要用于8位和16位总线接口。74ALVT是先进的低电压BiCMOS工艺系列，工作电压是3.3V或2.5V，与74ABT和74LVT系列管脚兼容，主要用于总线接口。74ALB是先进的低电压BiCMOS系列，它是为3.3V总线接口应用设计的，提供25mA输出驱动电流，2.2ns的传输延迟时间。表2-7低电压CMOS系列特性参数特性参数74LV74ALVC74AVC74ALVT74ALB电源电压(V)2.7~3.62.3~3.61.65~3.62.3~2.73~3.6输入高电平VIH(V)2~VCC+0.52.0~4.61.2~4.62~72.2~4.6输入低电平VIl(V)0.80.80.70.80.6高电平输出电流IOH(mA)61283225低电平输出电流IOL(mA)612832252.4TTL电路与CMOS电路的接口在数字电路中，常有不同类型的集成电路混合使用的情况，由于输入、输出电平，负载能力等参数不同，不同类型的集成电路相互连接时，需要合适的接口电路。2.4.1TTL电路驱动CMOS电路如果CMOS电路的电源电压为+5V，那么TTL与CMOS之间的电平配合就比较容易。因为TTL的输出高电平VOH约为3V左右，此时，在TTL输出端接一个上拉电阻至电源+5V，便可抬高输出电压，以满足后级CMOS电路高电平输入的需要，这时的CMOS电路就相当于一个同类的TTL负载。ABRP+5V+5V+5VTTLCMOS....如果CMOS电路的电源电压和TTL电路不同，TTL的输出端仍可接一上拉电阻，但这时需要使用TTL的OC门。上拉电阻上端接CMOS电路的电源，可将TTL电路输出的高电平VOH调整到CMOS电路电源的水平，以