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CMOS集成门电路

TIME:2020-06-15   click: 754 次    编辑:南宁棋牌游戏    当前栏目:行业资讯

Description:░CMOS集成门电路简称CMOS门电路,它由PMOS场效应管和NMOS场效应管以互补对称的形式组成。1.MOS场效应管(1)图形符号MOS场效应管是一种电压控制型器件,简称为MOS管,它是由金属(M)、░,本文发布时间:2020-06-15,关于【CMOS集成门电路】的文章内容即将呈现,预计花费您73秒时间

CMOS集成门电路简称CMOS门电路,它由PMOS场效应管和NMOS场效应管以互补对称的形式组成。

1.MOS场效应管

(1)图形符号

MOS场效应管是一种电压控制型器件,简称为MOS管,它是由金属(M)、氧化物(O)和半导体(S)构成的。MOS管像三极管一样,既可用作放大,也可当作电子开关使用。MOS管可分为耗尽型MOS管和增强型MOS管,每种类型又分为P沟道和N沟道,MOS管的图形符号如图10-35所示,其中采用增强型MOS管构成的门电路更为常见。

图10-35 MOS管的图形符号

(2)增强型MOS管的结构

增强型MOS管有P沟道和N沟道两种,其结构原理基本相似,下面以N沟道增强型MOS管(简称增强型NMOS管)为例进行说明。增强型NMOS管的结构如图10-36所示。

图10-36 增强型NMOS管的结构

增强型NMOS管是以P型硅片作为基片(又称衬底),在基片上制作两个含很多杂质的N型材料,再在上面制作一层很薄的二氧化硅(SiO2 )绝缘层,在两个N型材料上引出两个铝电极,分别称为漏极(D极)和源极(S极),在两极中间的SiO2 绝缘层上制作一层铝制导电层,从该导电层上引出电极(称为G极)。一般情况下,P型衬底常与S极内部连接在一起。

(3)增强型MOS管的工作原理

增强型MOS管需要加合适的电压才能工作。下面以图10-37为例来说明增强型NMOS管的工作原理,其中图10-37(a)为结构图形式,图10-37(b)为电路图形式。

图10-37 增强型NMOS管工作原理说明图

电源E1 通过R1 加到NMOS管D、S极,电源E2 通过开关S加到NMOS管的G、S极。在开关S断开时,NMOS管的G极无电压,D、S极所接的两个N区之间没有导电沟道,所以两个N区之间不能导通,电流ID 为0A;如果将开关S闭合,NMOS管的G极获得正电压,与G极连接的铝电极有正电荷,它产生的电场穿过SiO2 层,将P衬底很多的电子吸引靠近SiO2 层,从而在两个N区之间出现导电沟道,由于此时D、S极之间加上正向电压,就有电流ID 从D极流入,再经导电沟道从S极流出。

如果改变E2 电压的大小,也即是改变G、S极之间的电压UGS ,与G极相连的铝层产生的电场大小就会变化,SiO2 下面的电子数量就会变化,两个N区之间的沟道宽度就会变化,流过的电流ID 大小就会变化。电压UGS 越高,沟道就会越宽,电流ID 就会越大。

增强型MOS管具有的特点是:在G、S极之间未加电压(即UGS =0V)时,D、S极之间没有沟道,ID =0A;当G、S极之间加上合适的电压(大于开启电压UT )时,D、S极之间有沟道形成,电压UGS 变化时,沟道宽窄会发生变化,电流ID 也会变化。

对于增强型NMOS管,G、S极之间的电压UGS >0V(即UG >US )且UGS >UT 时,D、S极之间才会形成沟道而导通。为分析方便,可认为当NMOS管G极为高电平时导通,为低电平时截止。

对于增强型PMOS管,G、S极之间的电压UGS <0V且UGS

2.CMOS非门

(1)结构与原理

CMOS非门的电路结构如图10-38所示,VT1 为PMOS管,VT2 为NMOS管,电路输入端A与两管的G极连接,电路输出端Y与两管的D极连接,PMOS管的S极接电源VDD ,NMOS管的S极接地。

图10-38 CMOS非门的电路结构

CMOS非门电路的工作原理说明如下。

当A端为高电平时,VT1 (PMOS管)截止,VT2 (NMOS管)导通,Y端为低电平,即A=1时,Y=0。

当A端为低电平时,VT2 (NMOS管)截止,VT1 (PMOS管)导通,Y端为高电平,即A=0时,Y=1。

从上面的分析不难看出,CMOS非门的输出端与输入端之间满足

对于CMOS非门电路,不管输入端为高电平还是低电平,VT1、VT2始终有一个处于截止状态,电源与地之间基本无电流通过,因此CMOS非门电路功耗极低(微瓦以下)。

(2)常用CMOS非门芯片

CC4069是一种常用的CMOS非门芯片,其结构如图10-39所示。从图中可以看出,CC4069内部有6个非门,每个非门有1个输入端和1个输出端。

图10-39 CMOS非门芯片CC4069

3.CMOS与非门

(1)结构与原理

CMOS与非门的电路结构如图10-40所示,VT1 、VT2 为PMOS管,VT3 、VT4 为NMOS管。

CMOS与非门电路的工作原理说明如下。

当A、B端均为高电平时,VT1 、VT2 截止,VT3 、VT4 导通, Y端为低电平,即A=1、B=1时,Y=0。

当A、B端均为低电平时,VT1 、VT2 导通,VT3 、VT4 截止, Y端为高电平,即A=0、B=0时,Y=1。

当A端为低电平、B端为高电平时,A端低电平使VT2 导通、VT3 截止,B端高电平使VT1 截止、VT4 导通,由于VT2 导通、VT3 截止,Y端输出高电平,即A=0、B=1时,Y=1。

当A端为高电平、B端为低电平时,A端高电平使VT3 导通、VT2 截止,B端低电平使VT4 截止、VT1 导通,由于VT1 导通、VT4 截止,Y端输出高电平,即A=1、B=0时,Y=1。

从上面的分析不难看出,CMOS与非门的输出端与输入端之间满足

图10-40 CMOS与非门的电路结构

(2)常用CMOS与非门芯片

CC4011是一种常用的CMOS与非门芯片,其结构如图10-41所示。从图中可以看出,CC4011内部有4个与非门,每个与非门有2个输入端和1个输出端。

图10-41 CMOS与非门芯片CC4011

4.CMOS或非门

(1)结构与原理

CMOS或非门的电路结构如图10-42所示,VT1 、VT2 为PMOS管,VT3 、VT4 为NMOS管。

图10-42 CMOS或非门的电路结构

CMOS或非门电路的工作原理说明如下。

当A、B端均为高电平时,VT1 、VT2 截止,VT3 、VT4 导通, Y端为低电平,即A=1、B=1时,Y=0。

当A、B端均为低电平时,VT1 、VT2 导通,VT3 、VT4 截止, Y端为高电平,即A=0、B=0时,Y=1。

当A端为低电平、B端为高电平时,A端低电平使VT1 导通、VT3 截止,B端高电平使VT2 截止、VT4 导通,由于VT2 截止、VT4 导通,Y端输出低电平,即A=0、B=1时,Y=0。

当A端为高电平、B端为低电平时,A端高电平使VT3 导通、VT1 截止,B端低电平使VT4 截止、VT2 导通,由于VT3 导通、VT1 截止,Y端输出低电平,即A=1、B=0时,Y=0。

从上面的分析不难看出,CMOS或非门的输出端与输入端之间满足

(2)常用CMOS或非门芯片

CC4001是一种常用的CMOS或非门芯片,其结构如图10-43所示。从图中可以看出,CC4001内部有4个或非门,每个或非门有2个输入端和1个输出端。

图10-43 CMOS或非门芯片CC4001

5.CMOS传输门

(1)结构与原理

CMOS传输门是一种由控制信号来控制电路通断的门电路。CMOS传输门的电路结构和图形符号如图10-44所示,VT1 为PMOS管,VT2 为NMOS管,两端并联连接在一起,在两个MOS管衬底未与S极连接时,D极与S极具有互换性,如果E端作为输入端,分析时将VT1 、VT2 与E端相连的极作为S极,与F端相连的极作为D极。C、 为一对互补控制端,两者控制电平始终相反,当C端为高电平时, 为低电平。

图10-44 CMOS传输门

CMOS传输门的工作原理说明如下。

当控制信号为高电平(即C=1, =0)时,VT1 (PMOS管)的G极为低电平,VT1 导通,VT2 (NMOS管)的G极为高电平安卓棋牌下载大全,VT2 导通,CMOS传输门开通,E端输入电压Ui 经导通的VT1 、VT2 送到F端输出。

当控制信号为低电平(即C=0, =1)时,VT1 (PMOS管)的G极为高电平,VT1 截止,VT2 (NMOS管)的G极为低电平,VT2 截止,CMOS传输门关断,输入电压Ui 无法通过。

由于两个MOS管的D极与S极具有互换性,故也可将F端作为输入端,E端作为输出端,那么信号电压就可以双向传送,所以CMOS传输门又称双向开关。

为了控制方便,CMOS传输门常和非门组合构成双向模拟开关,其结构如图10-44(c)所示,当C=1时,开关接通,当C=0时,开关断开。

(2)常用CMOS传输门芯片

CC4016是一种常用的CMOS传输门芯片(双向模拟开关),其结构如图10-45所示。从图中可以看出,CC4016内部有4个传输门,每个传输门有1个输入/输出端、1个输出/输入端和安卓棋牌游戏手机版下载1个控制端。

图10-45 CMOS传输门芯片CC4016

6.CMOS器件使用注意事项

CMOS器件在使用时要注意以下事项。

① 电源电压。电源电压不能接反,规定+VDD 接电源正极,VSS 接电源负极(通常为地)。

② 输入端的连接。输入端的信号电压Ui 应为VDD ≥Ui ≥VSS ,超出该范围易损坏CMOS器件内部的保护二极管或G极,可在输入端串接一个10~100kΩ的限流电阻,所有多余的输入端应根据逻辑要求接VDD 或VSS ,对器件工作速度要求不高时输入端允许并联使用。

③ 输出端的连接。输出端禁止直接接电源或接地,除三态门外,其他门电路的输出端禁止并联使用。

④ 测试。在测试 CMOS 器件时,应先加电源 VDD ,然后加输入信号,停止测试时,要先撤去输入信号,再切断电源,另外要求所有测试仪器的外壳必须良好接地。

⑤ 存放与焊接。CMOS器件的输入阻抗很高,易被静电击穿,存放时应尽量让所有引脚短接(如用金属箔包装),焊接时电烙铁要良好接地,也可用烙铁余温焊接。

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