数字电路与逻辑设计3-4

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1、3.4MOS逻辑门3.4.1MOS晶体管3.4.2MOS反相器和门电路图3-4-1N沟道增强型MOS管N+N+SGDSiO2P-Si(a)结构示意图(b)符号SGD3.4.1MOS晶体管MOS（MetalOxideSemiconductor）集成电路的基本元件是MOS晶体管。MOS管有三个电极：源极S、漏极D和栅极G。它是用栅极电压来控制漏源电流。MOS管有P型沟道和N型沟道两种，按其工作特性又分为增强型和耗尽型两类。下面以N沟道增强型MOS管为例进行讨论。图3-4-2N沟道增强型MOS管输出特性曲线OiDSvDS(Ⅰ)非饱和区(Ⅱ)非饱和区(Ⅲ)截止区vDS=vGS-

2、VGS(th)NvGS>0１．输出特性曲线和阈值电压输出特性曲线表示在一定栅源电压vGS下，漏源电流iDS和漏源电压vDS之间的关系。非饱和区：vDS很小，当满足vDS<(vGS-VGS(th)N)时，iDS基本上随vDS线性上升。vGS越大，曲线越陡，相应等效电阻越小。该区域又称为可调电阻区域。饱和区：当vDS≥(vGS-VGS(th)N)以后，漏极附近的沟道被夹断。iDS不随vDS线性上升，而是达到某一数值，几乎近似不变。图3-4-3N沟道MOS管转移特性OiDSvGSVGS(th)NvDS=常数截止区：vGS

3、２．转移特性和跨导MOS管的转移特性是指在漏源电压vDS一定时，栅源电压vGS和漏源电流iDS之间的关系。当vGSVGS(th)N后，在vDS作用下才形成iDS电流。vGS和iDS之间的关系，通常用跨导gm这个参数表示。即：它表明了vGS对iDS的控制能力，数值越大，栅极控制作用越强。３．输入电阻和输入电容MOS管的栅、源两极通常作为输入端，输入电阻实质上就是介质SiO2层的绝缘电阻。若SiO2的厚度在0.15μm左右，绝缘电阻可达1012Ω以上。MOS管的高输入电阻，使得其静态负载能力很强；栅极泄漏电流很小，可以将信息在

4、输入端的栅极电容上暂存，为动态MOS电容和大规模存储电路的实现创造了条件。MOS管的输入电容是指栅、源之间存在很小的寄生电容，其数值约为百分之几皮法到几皮法。４．直流导通电阻MOS管导通时，漏源电压vDS和漏源电流iDS的比值称为直流导通电阻3.4.2MOS反相器和门电路在MOS集成电路中，反相器是基本的单元。按其结构和负载不同，可大致分为四种类型。(1)电阻负载MOS电路(2)E/EMOS（Enhancement/EnhancementMOS）反相器(3)E/DMOS（Enhancement/DepletionMOS）反相器(4)CMOS（ComplementaryM

5、OS）反相器其中电阻负载MOS电路的输入器件是增强型MOS管，负载是线性电阻，这种反相器在集成电路中很少使用。本节主要讨论以MOS管作为负载器件的反相器及逻辑门电路。图3-4-4E/EMOS反相器SGDSGDvIvOVDDTLT0１．E/EMOS反相器及逻辑门电路特点：(1)单一电源，结构简单；(2)负载管始终工作于饱和区，工作速度低，功耗大；(3)最大输出电压为VDD-VGS(th)NL，有不必要的电源损耗；(4)输出高、低电平之比VOH/VOL=2gm0/gmL，又称为“有比电路”。图3-4-5E/EMOS反相器的图解分析OiDSvDSLVGS(th)NLiDS=k

6、(vDSL-VGS(th)NL)2OiDSvDS0VDD-VGS(th)NLVDDA●BTLT0(a)(b)图3-4-6E/EMOS与非门、或非门电路AYVDDTLT1BT2YVDDTLAT1BT2(a)E/EMOS与非门(b)E/EMOS或非门E/EMOS与非门、或非门电路只有当输入信号大于VGS(th)NL时，对应的输入管才导通，否则截止。图3-4-7E/EMOS与门、或门电路AVDDT3T2BT1T3AT1BT2(a)E/EMOS与门(b)E/EMOS或门YT5T4VDDYT5T4E/EMOS与门、或门电路常用E/EMOS门电路还有采用PMOS管的，其电路形式与N

7、MOS相同，不同的是：(1)电源电压为负电压(-VDD)；(2)输出高电平为0V，输出低电平为[-VDD-(-VGS(th)PL)]。图3-4-8E/DMOS反相器SGDSGDvIvOVDDTLT0●２．E/DMOS反相器及逻辑门电路特点：(1)最大输出电压VOH=VDD,充分利用电源；(2)负载管在反相器开态时，具有恒流作用，可提高工作速度；(3)制造中，尽量使

8、VGS(off)P

9、减小，使VOL接近0V。图3-4-9N沟道耗尽型MOS管特性曲线OiDSvDSvGS>0vGS<0vGS=0图3-4-10E/DMOS反相器负载线