CMOS逻辑门电路

　　CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后 ，所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件 。CMOS电路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。此外，几乎所有的超大规模存储器件 ，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。
　　早期生产的CMOS门电路为4000系列 ，随后发展为4000B系列。当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。下面首先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMO逻辑门电路。

MOS管结构图

MOS管主要参数：

1.开启电压V_T
　　·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；
　　·标准的N沟道MOS管，V_T约为3～6V；
　　·通过工艺上的改进，可以使MOS管的V_T值降到2～3V。

2. 直流输入电阻R_GS
　　·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比
　　·这一特性有时以流过栅极的栅流表示
　　·MOS管的R_GS可以很容易地超过1010Ω。

3. 漏源击穿电压BV_DS
　　·在V_GS=0（增强型）的条件下 ，在增加漏源电压过程中使I_D开始剧增时的V_DS称为漏源击穿电压BV_DS
　　·I_D剧增的原因有下列两个方面：
　　（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿
　　（2）漏源极间的穿通击穿
　　·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加V_DS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后
，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的I_D

4. 栅源击穿电压BV_GS
　　·在增加栅源电压过程中，使栅极电流I_G由零开始剧增时的V_GS，称为栅源击穿电压BV_GS。

5. 低频跨导g_m
　　·在V_DS为某一固定数值的条件下 ，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导
　　·g_m反映了栅源电压对漏极电流的控制能力
　　·是表征MOS管放大能力的一个重要参数
　　·一般在十分之几至几mA/V的范围内

6. 导通电阻R_ON
　　·导通电阻R_ON说明了V_DS对I_D的影响 ，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数
　　·在饱和区，I_D几乎不随V_DS改变，R_ON的数值很大 ，一般在几十千欧到几百千欧之间
　　·由于在数字电路中 ，MOS管导通时经常工作在V_DS=0的状态下，所以这时的导通电阻R_ON可用原点的R_ON来近似
　　·对一般的MOS管而言，R_ON的数值在几百欧以内

7. 极间电容
　　·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容C_GS 、栅漏电容C_GD和漏源电容CDS
　　·C_GS和C_GD约为1～3pF
　　·C_DS约在0.1～1pF之间

8. 低频噪声系数NF
　　·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的
　　·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输　　　出端也出现不规则的电压或电流变化
　　·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）
　　·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小
　　·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数
　　·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小

一、CMOS反相器

　　由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。
　　下图表示CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作，要求电源电压V_DD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即
V_DD＞(V_TN＋|V_TP|) 。

1.工作原理

　　首先考虑两种极限情况：当v_I处于逻辑0时 ，相应的电压近似为0V；而当v_I处于逻辑1时，相应的电压近似为V_DD。假设在两种情况下N沟道管 T_N为工作管P沟道管T_P为负载管。但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。
　　下图分析了当v_I=V_DD时的工作情况。在TN的输出特性i_D—v_DS（v_GSN＝V_DD）(注意v_DSN=v_O)上 ，叠加一条负载线，它是负载管T_P在 v_SGP=0V时的输出特性i_D－v_SD。由于v_SGP＜V_T（V_TN=|V_TP|=V_T），负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即工作点。显然，这时的输出电压v_OL≈0V（典型值＜10mV ，而通过两管的电流接近于零。这就是说，电路的功耗很小（微瓦量级）

　　下图分析了另一种极限情况，此时对应于v_I＝0V。此时工作管T_N在v_GSN＝0的情况下运用，其输出特性i_D－v_DS几乎与横轴重合 ，负载曲线是负载管T_P在v_sGP＝V_DD时的输出特性i_D－v_DS。由图可知，工作点决定了V_O＝V_OH≈V_DD；通过两器件的电流接近零值 。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。

　　由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+V_DD，而功耗几乎为零。

2.传输特性

　　下图为CMOS反相器的传输特性图。图中V_DD=10V，V_TN=|V_TP|=V_T=
2V。由于 V_DD＞（V_TN＋|V_TP|），因此，当V_DD-|V_TP|>vI>V_TN 时,T_N和T_P两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到，器件在放大区（饱和区）呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在V_I=V_DD/2处转换状态。

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