CMOS反相器精课件

CMOS反相器(精)2020/10/112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？2020/10/113MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。2.5CMOS门电路2020/10/1142.5.1CMOS反相器1．MOS管的开关特性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。2020/10/115图2-24NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小（1）NMOS管的开关特性2020/10/116图2-25PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接负电源（2）PMOS管的开关特性导通导通电阻相当小截止2020/10/117图2-26CMOS反相器PMOS管负载管NMOS管驱动管开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。2．CMOS反相器的工作原理（1）基本电路结构2020/10/118（2）工作原理图2-26CMOS反相器UIL=0V截止导通UOH≈VDD当uI=UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，uO=UOH≈VDD2020/10/119图2-26CMOS反相器UIH=VDD截止UOL≈0V当uI=UIH=VDD，VTN导通，VTP截止，uO=UOL≈0V导通2020/10/1110（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。2020/10/1111图2-27CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性3．电压传输特性和电流传输特性AB段：截止区iD为0BC段：转折区阈值电压UTH≈VDD/2转折区中点：电流最大CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。CD段：导通区2020/10/11124.CMOS电路的优点（1）微功耗。CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。（2）抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。（3）电源电压范围宽。多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常工作。（4）输入阻抗高。（5）负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD）2020/10/11132.5.2其它类型的CMOS门电路负载管串联（串联开关）1．CMOS或非门驱动管并联（并联开关）图2-28CMOS或非门A、B有高电平，则驱动管导通、负载管截止，输出为低电平。10截止导通2020/10/1114该电路具有或非逻辑功能,即Y=A+B当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。00截止导通12020/10/1115图2-29CMOS与非门该电路具有与非逻辑功能，即Y=AB2．CMOS与非门负载管并联（并联开关）驱动管串联（串联开关）2020/10/1116（1）电路结构C和C是一对互补的控制信号。由于VTP和VTN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。3．CMOS传输门图2-30CMOS传输门（a）电路（b）逻辑符号2020/10/1117若C=1（接VDD)、C=0（接地），当0＜uI＜(VDD－|UT|)时，VTN导通；当|UT|＜uI＜VDD时，VTP导通；uI在0~VDD之间变化时，VTP和VTN至少有一管导通，使传输门TG导通。（2）工作原理（了解）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。2020/10/1118（3）应用举例图2-31CMOS模拟开关①CMOS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。2020/10/1119图2-32CMOS三态门(a)电路(b)逻辑符号当EN=0时，TG导通，F=A；当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。②CMOS三态门2020/10/11202.6.1CMOS门电路的使用知识1．输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，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：2.6CMOS门电路和TTL门电路的使用知识及相互连接2020/10/1121（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。2．多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。2020/10/11222.6.2TTL门电路的使用知识1．多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：（1）与其它输入端并联使用。（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。2020/10/1123(1)在每一块插板的电源线上，并接几十μF的低频去耦电容和0.01~0.047μF的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。(2)整机装置应有良好的接地系统。2．电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。2020/10/11242.6.3TTL门电路和CMOS门电路的相互连接TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。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。2020/10/11251.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。（2）电流匹配CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。2020/10/1126（3）解决电平匹配问题图2-33TTL门驱动CMOS门①外接上拉电阻RP在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH≈5V。（当电源电压相同时）2020/10/1127②选用电平转换电路(如CC40109)若电源电压不一致时可选用电平转换电路。CMOS电路的电源电压可选3~18V；而TTL电路的电源电压只能为5V。③采用TTL的OC门实现电平转换。若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。2020/10/11282.CMOS门驱动TTL门（1）电平匹配CMOS门电路作为驱动门，UOH≈5V，UOL≈0V；TTL门电路作为负载门，UIH≥2.0V，UIL≤0.8V。电平匹配是符合要求的。（2）电流不匹配CMOS门电路4000系列最大允许灌电流为0.4mA，TTL门电路的IIS≈1.4mA，CMOS4000系列驱动电流不足。2020/10/1129（3）解决电流匹配问题CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。①选用CMOS缓冲器比如，CC4009的驱动电流可达4mA。②选用高速CMOS系列产品选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。2020/10/1130表2-7各种系列门电路的主要参数2020/10/1131表2-8常用集成门电路(TTL系列）型号名称主要功能74LS00四2输入与非门74LS02四2输入或非门74LS04六反相器74LS05六反相器OC门74LS08四2输入与门74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门74LS32四2输入或门74LS644-2-3-2输入与或非门74LS13313输入与非门74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控制74LS368六总线驱动器反相、三态、两组控制2020/10/1132表2-8常用集成门电路(CMOS系列）型号名称主要功能CC4001四2输入或非门CC4011四2输入与非门CC4030四异或门CC4049六反相器CC4066四双向开关CC4071四2输入或门CC4073三3输入与门CC4077四异或非门CC40788输入或/或非门CC40862-2-2-2输入与或非门可扩展CC4097双8选1模拟开关CC4502六反相器/缓冲器三态、有选通端2020/10/1133本章小结门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。