CMOS逻辑电路
CMOS逻辑电路设计
CMOS逻辑电路设计CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）逻辑电路是现代集成电路中广泛应用的一种电路结构。
它由N沟道MOS（NMOS）和P沟道MOS（PMOS）互补组成，具有低功耗、高噪声抑制和高速运算等优势。
在本文中，我们将探讨CMOS逻辑电路的设计原理和方法。
一、CMOS逻辑门的基本结构CMOS逻辑门是由一对互补的MOS管组成的。
其中，NMOS管是由N沟道与P+掺杂的互补金属氧化物半导体（CMOS）结构形成，而PMOS管是由P沟道与N+掺杂的CMOS结构形成。
CMOS逻辑电路通过控制这些NMOS管和PMOS管的某些管子通断来实现逻辑运算。
二、CMOS逻辑门的基本原理CMOS逻辑门的基本原理是利用MOS管在开关状态时流过的电流来实现信号的逻辑运算。
当NMOS管的门极接收到高电平信号（逻辑1）时，通常情况下，NMOS管导通，PMOS管截止。
相反，当NMOS 管的门极接收到低电平信号（逻辑0）时，NMOS管截止，PMOS管导通。
通过这种控制逻辑，CMOS逻辑门可以实现与门、或门、非门等基本逻辑运算。
三、CMOS逻辑电路的设计方法在进行CMOS逻辑电路设计时，需要遵循以下步骤：1. 确定逻辑功能：根据所需的逻辑运算，确定需要设计的CMOS逻辑门类型。
2. 绘制逻辑图：根据所需的逻辑功能，用逻辑符号绘制电路的逻辑图。
3. 分析逻辑功能：根据逻辑图，分析逻辑门输入和输出之间的关系，确定每个逻辑门的输入和输出真值表。
4. 选择器件尺寸：根据所需的逻辑门延迟、功耗和面积等要求，选择合适的管子尺寸。
5. 进行布线：根据所选用的管子尺寸，进行电路的布线设计。
6. 进行模拟仿真：使用电路设计软件，进行CMOS逻辑电路的仿真，验证其功能和性能。
7. 进行物理实现：根据设计结果，进行CMOS逻辑电路的物理实现，包括掩膜制作、晶圆制作和封装测试等过程。
四、CMOS逻辑电路的优势与应用CMOS逻辑电路具有以下优势：1. 低功耗：由于CMOS逻辑电路的特殊结构，只有在发生信号变换时才会有较大电流流过。
CMOS 集成逻辑门电路
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a
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3.4.2 其它功能的CMOS门电路
1、 CMOS与非门
（1）A、B全 为高电平， 则驱动管导 通、负载管 截止，输出
为低电平。 1
负载管并联 截止 （并联开关）
0
驱动管串联 导通 （串联开关）
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图3-23 CaMOS与非门
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（2）A、B中 有低电平， 则驱动管导 通、负载管 截止，输出
uO = UOH≈VDD
a
8
UIH= VDD
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截止
UOL≈ 0V
导通
2、当uI =UIH = VDD ， VTN导通，VTP截止，
uO =UOL≈0V
a
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（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。
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。
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图3-26 CMa OS模拟开关
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② CMOS三态门 当EN= 0时，TG导通，F=A； 当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。
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图3-27 CMOS三态门
(a)电路 a (b) 逻辑符号
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3.4.3 CMOS集成门的使用注意事项
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
CMOS逻辑电路
CMOS 逻辑电路CMOS 是单词的首字母缩写,代表互补的金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semicon ductor),它指的是一种特殊类型的电子集成电路(IC).集成电路是一块微小的硅片,它包含有几百万个 电子元件.术语 IC 隐含的含义是将多个单独的集成电路集成到一个电路中,产生一个十分紧凑的器件.在 通常的术语中,集成电路通常称为芯片,而为计算机应用设计的 IC 称为计算机芯片. 虽然制造集成电路的方法有多种,但对于数字逻辑电路而言 CMOS 是主要的方法.桌面个人计算机,工作 站,视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于 CMOS 集成电路来完成所需的功能.当我们注意到所 有的个人计算机都使用专门的 CMOS 芯片,如众所周知的微处理器,来获得计算性能时, CMOS IC 的 重要性就不言而喻了.CMOS 之所以流行的一些原因为: 逻辑函数很容易用 CMOS 电路来实现. CMOS 允许极高的逻辑集成密度.其含义就是逻辑电路可以做得非常小,可以制造在极小的面积上. 用于制造硅片 CMOS 芯片的工艺已经是众所周知,并且 CMOS 芯片的制造和销售价格十分合理. 这些特征及其它特征都为 CMOS 成为制造 IC 的主要工艺提供了基础. CMOS 可以作为学习在电子网络中如何实现逻辑功能的工具. CMOS 它允许我们用简单的概念和模型来构 造逻辑电路.而理解这些概念只需要基本的电子学概念. CMOS 逻辑门电路的系列及主要参数: 1.CMOS 逻辑门电路的系列 CMOS 集成电路诞生于 20 世纪 60 年代末,经过制造工艺的不断改进,在应用的广度上已与 TTL 平分秋 色,它的技术参数从总体上说,已经达到或接近 TTL 的水平,其中功耗,噪声容限,扇出系数等参数优于 TTL.CMOS 集成电路主要有以下几个系列. (1)基本的 CMOS——4000 系列. 这是早期的 CMOS 集成逻辑门产品,工作电源电压范围为 3～18V,由于具有功耗低,噪声容限大,扇出 系数大等优点,已得到普遍使用.缺点是工作速度较低,平均传输延迟时间为几十 ns,最高工作频率小于 5MHz. (2)高速的 CMOS——HC(HCT)系列. 该系列电路主要从制造工艺上作了改进,使其大大提高了工作速度,平均传输延迟时间小于 10ns,最高 工作频率可达 50MHz. 系列的电源电压范围为 2～6V. HC HCT 系列的主要特点是与 TTL 器件电压兼容, 它的电源电压范围为 4.5～5.5V.它的输入电压参数为 VIH(min)=2.0V;VIL(max)=0.8V,与 T TL 完全相同.另外,74HC/HCT 系列与 74LS 系列的产品,只要最后 3 位数字相同,则两种器件的逻辑 功能,外形尺寸,引脚排列顺序也完全相同,这样就为以 CMOS 产品代替 TTL 产品提供了方便.(3)先进的 CMOS——AC(ACT)系列 该系列的工作频率得到了进一步的提高,同时保持了 CMOS 超低功耗的特点.其中 ACT 系列与 TTL 器件 电压兼容,电源电压范围为 4.5～5.5V.AC 系列的电源电压范围为 1.5～5.5V.AC(ACT)系列的逻辑 功能,引脚排列顺序等都与同型号的 HC(HCT)系列完全相同. 2.CMOS 逻辑门电路的主要参数 CMOS 门电路主要参数的定义同 TTL 电路,下面主要说明 CMOS 电路主要参数的特点. (1)输出高电平 VOH 与输出低电平 VOL.CMOS 门电路 VOH 的理论值为电源电压 VDD,VOH(min) =0.9VDD;VOL 的理论值为 0V,VOL(max)=0.01VDD.所以 CMOS 门电路的逻辑摆幅(即高低电 平之差)较大,接近电源电压 VDD 值. (2)阈值电压 Vth.从 CMOS 非门电压传输特性曲线中看出,输出高低电平的过渡区很陡,阈值电压 Vt h 约为 VDD/2. (3)抗干扰容限.CMOS 非门的关门电平 VOFF 为 0.45VDD,开门电平 VON 为 0.55VDD.因此,其 高,低电平噪声容限均达 0.45VDD.其他 CMOS 门电路的噪声容限一般也大于 0.3VDD,电源电压 VD D 越大,其抗干扰能力越强. (4)传输延迟与功耗.CMOS 电路的功耗很小,一般小于 1 mW/门,但传输延迟较大,一般为几十 ns /门,且与电源电压有关,电源电压越高,CMOS 电路的传输延迟越小,功耗越大.前面提到 74HC 高速 CMOS 系列的工作速度己与 TTL 系列相当. (5)扇出系数.因 CMOS 电路有极高的输入阻抗,故其扇出系数很大,一般额定扇出系数可达 50.但 必须指出的是,扇出系数是指驱动 CMOS 电路的个数,若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言,CM OS 电路远远低于 TTL 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.MOS 管主要参数:1.开启电压 VT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,VT 约为 3～6V;通过工艺上的改进,可以使 MOS 管的 VT 值降到 2～3V. 2. 直流输入电阻 RGS 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 RGS 可以很容易地超过 1010. 3. 漏源击穿电压 BVDS 在 VGS=0(增强型)的条件下 ,在增加漏源电压过程中使 ID 开始剧增时的 VDS 称为漏源击穿电压 B VDS ID 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 VDS 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 BVGS 在增加栅源电压过程中,使栅极电流 IG 由零开始剧增时的 VGS,称为栅源击穿电压 BVGS. 5. 低频跨导 gm 在 VDS 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 gm 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 RON 导通电阻 RON 说明了 VDS 对 ID 的影响 ,是漏极特性某一点切线的斜率的倒数 在饱和区,ID 几乎不随 VDS 改变,RON 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 VDS=0 的状态下, 所以这时的导通电阻 RON 可用原点 的 RON 来近似 对一般的 MOS 管而言,RON 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 CGS ,栅漏电容 CGD 和漏源电容 CDS CGS 和 CGD 约为 1～3pF CDS 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TTL 电路发展简史TTL 电路是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写(Transister-Transister-Logic),是数字集成电路的一 大门类.它采用双极型工艺制造,具有高速度低功耗和品种多等特点.从六十年代开发成功第一代产品以 来现有以下几代产品.第一代 TTL 包括 SN54/74 系列,(其中 54 系列工作温度为-55℃～+125℃,7 4 系列工作温度为 0℃～+75℃),低功耗系列简称 lttl,高速系列简称 HTTL.第二代 TTL 包括肖特基箝 位系列(STTL)和低功耗肖特基系列(LSTTL)第三代为采用等平面工艺制造的先进的 STTL(ASTTL)和 先进的低功耗 STTL(ALSTTL)由于 LSTTL 和 ALSTTL 的电路延时功耗积较小,STTL 和 ASTTL 速度很 快,因此获得了广泛的应用.TTL 数字集成电路分类: 数字集成电路分类:电路类型 TTL 数字集成电路约有 400 多个品种,大致可以分为以下几类:门电路,译码器/驱动器,触发器,计数器, 移位寄存器,单稳,双稳电路和多谐振荡器,加法器乘法器,奇偶校验器,码制转换器,线驱动器/线接 收器, 多路开关,存储器特性曲线电压传输特性效应管技术文档1.什么叫场效应管? Fffect Transistor 的缩写,即为场效应晶体管.一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少 数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而 FET 仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型 晶体管.FET 应用范围很广,但不能说现在普及的双极型晶体管都可以用 FET 替代.然而,由于 FET 的特性与 双极型晶体管的特性完全不同,能构成技术性能非常好的电路.2. 场效应管的特征:(a) JFET 的概念图(b) JFET 的符号图 1 JFET 的概念图,符号图 1(b)门极的箭头指向为 p 指向 n 方向,分别表示内向为 n 沟道 JFET,外向为 p 沟道 JFET. 图 1(a)表示 n 沟道 JFET 的特性例.以此图为基础看看 JFET 的电气特性的特点.首先,门极-源极间电压以 0V 时考虑(VGS =0).在此状态下漏极-源极间电压 VDS 从 0V 增加,漏电流 I D 几乎与 VDS 成比例增加,将此区域称为非饱和区.VDS 达到某值以上漏电流 ID 的变化变小,几乎达到一定 值.此时的 ID 称为饱和漏电流(有时也称漏电流用 IDSS 表示.与此 IDSS 对应的 VDS 称为夹断电压 VP , 此区域称为饱和区. 其次在漏极-源极间加一定的电压 VDS (例如 0.8V),VGS 值从 0 开始向负方向增加,ID 的值从 IDSS 开始 慢慢地减少,对某 VGS 值 ID =0.将此时的 VGS 称为门极-源极间遮断电压或者截止电压,用 VGS (off)示. n 沟道 JFET 的情况则 VGS (off) 值带有负的符号,测量实际的 JFET 对应 ID =0 的 VGS 因为很困难,在放大器 使用的小信号 JFET 时,将达到 ID =0.1-10A 的 VGS 定义为 VGS (off) 的情况多些. 关于 JFET 为什么表示 这样的特性,用图作以下简单的说明.缘型 FET(简化为 MOS FET)图 3. FET 的结构各种结构的 FET 均有门极,源极,漏极 3 个端子,将这些与双极性晶体管的各端子对应如表 1 所示.图 4 JFET 的特性例(n 沟道)输入阻抗.输出阻抗, 输入阻抗.输出阻抗,阻抗匹配定义一,输入阻抗输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗.在输入端上加上一个电压源 U,测量输入端的电流 I, 则输入阻抗 Rin 就是 U/I.你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的 阻值,就是输入阻抗.输入阻抗跟一个普通的电抗元件没什么两样, 它反映了对电流阻碍作用的大 小.对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越 容易驱动,也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小, 则对电流源的负载就越轻. 因此, 我们可以这样认为: 如果是用电压源来驱动的, 则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:只适合 于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题.另外如果要获取最大输出 功率时,也要考虑 阻抗匹配问题二,输出阻抗无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题.输出阻抗就是一个信 号源的内阻.本来,对于一个理想的电压源(包括电源),内阻应该为 0,或理 想电流源的阻抗应当为无穷大.输出阻抗在电路设计最特别需要注意 但现实中的电压源,则不能做到这一点.我们常用一个理想电压源串联一个电阻 r 的方式来等效一个实际的电压源.这个跟理想电压源串联的电阻 r,就是(信 号源/放大器输出/电源)的内阻了.当这个电压源给负载供电时,就会有电流 I 从这个负载上流过,并在这个电阻上产生 I×r 的电压降.这将导致电源输出电压 的下降,从而限制了最大输出功率(关于为什么会限制最大输出功率,请看后面 的"阻抗匹配"一问).同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大, 但实际的电路是不可能的三,阻抗匹配阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式.阻抗匹配分为低频和高频两种情况讨论.我们先从直流电压源驱动一个负载入手.由于实际的电压源,总是有内阻的 (请参看输出阻抗一问),我们可以把一个实际电压源,等效成一个理想的电压源跟一个电阻 r 串联的模型.假设负载电阻为 R,电源电动势为 U,内阻为 r, 那么我们可以计算出流过电阻 R 的电流为:I=U/(R+r),可以看出,负载电阻R 越小,则输出电流越大.负载 R 上的电压为:Uo=IR=U/[1+(r/R)],可以看 出,负载电阻 R 越大,则输出电压 Uo 越高.再来计算一下电阻 R 消耗的功率为:P=I2×R=[U/(R+r)]2×R=U2×R/(R2+2×R×r+r2) =U2×R/[(R-r)2+4×R×r]=U2/{[(R-r)2/R]+4×r} 对于一个给定的信号源, 其内阻 r 是固定的, 而负载电阻 R 则是由我们来选择的. 2 2 注意式中[(R-r) /R],当 R=r 时,[(R-r) /R]可取得最小值 0,这时负载电阻 R 上可 获得最大输出功率 Pmax=U2/(4×r).即,当负载电阻跟信号源内阻相等时,负载可获得最大输出功率,这就是我们常说的阻抗匹配之一.对于纯电 . 阻电路,此结论同样适用于低频电路及高频电路.当交流电路中含有容 性或感性阻抗时,结论有所改变,就是需要信号源与负载阻抗的的实部 相等,虚部互为相反数,这叫做共扼匹配.在低频电路中,我们一般不考虑传输线的匹配问题,只考虑信号源跟负载之间的情况,因为低频信号的波长相 对于传输线来说很长,传输线可以看成是"短线",反射可以不考虑(可以这么 理解:因为线短,即使反射回来,跟原信号还是一样的).从以上分析我们可以 得出结论:如果我们需要输出电流大,则选择小的负载 R;如果我们需要输出电 压大,则选择大的负载 R;如果我们需要输出功率最大,则选择跟信号源内阻匹 配的电阻 R.有时阻抗不匹配还有另外一层意思,例如一些仪器输出端是在特定 的负载条件下设计的,如果负载条件改变了,则可能达不到原来的性能,这时我 们也会叫做阻抗失配.在高频电路中, 我们还必须考虑反射的问题. 当信号的频率很高时, 则信号的波长就很短,当波长短得跟传输线长度可以比拟时,反射信号 叠加在原信号上将会改变原信号的形状. 如果传输线的特征阻抗跟负载 阻抗不相等(即不匹配)时,在负载端就会产生反射.为什么阻抗不匹 配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法, 牵涉到二阶偏微分方程的求 解,在这里我们不细说了,有兴趣的可参看电磁场与微波方面书籍中的传输线理论.传输线的特征阻抗(也叫做特性阻抗)是由传输线的结构 以及材料决定的, 而与传输线的长度, 以及信号的幅度, 频率等均无关.例如,常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为 75 ,而一些射频设备上则常用 特征阻抗为 50 的同轴电缆. 另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为 300 的 扁平平行线,这在农村使用的电视天线架上比较常见,用来做八木天线的馈线. 因为电视机的射频输入端输入阻抗为 75 ,所以 300 的馈线将与其不能匹配. 实际中是如何解决这个问题的呢?不知道大家有没有留意到,电视机的附件中, 有一个 300 到 75 的阻抗转换器(一个塑料封装的,一端有一个圆形的插头的 那个东东,大概有两个大拇指那么大).它里面其实就是一个传输线变压器,将 300 的阻抗,变换成 75 的,这样就可以匹配起来了.这里需要强调一点的是,特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念,它与传输线的 长度无关,也不能通过使用欧姆表来测量.为了不产生反射,负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等,这就是传输线的阻抗匹配,如果阻抗不匹配会有什 么不良后果呢?如果不匹配,则会形成反射,能量传递不过去,降低效率;会在 传输线上形成驻波(简单的理解,就是有些地方信号强,有些地方信号弱),导 致传输线的有效功率容量降低;功率发射不出去,甚至会损坏发射设备.如果是 电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时,会产生震荡,辐射干扰等.当阻抗不匹配时,有哪些办法让它匹配呢?第一,可以考虑使用变压器来做 阻抗转换,就像上面所说的电视机中的那个例子那样.第二,可以考虑使用串联 /并联电容或电感的办法,这在调试射频电路时常使用.第三,可以考虑使用串 联/并联电阻的办法.一些驱动器的阻抗比较低,可以串联一个合适的电阻来跟 传输线匹配,例如高速信号线,有时会串联一个几十欧的电阻.而一些接收器的 输入阻抗则比较高,可以使用并联电阻的方法,来跟传输线匹配,例如,485 总 线接收器,常在数据线终端并联 120 欧的匹配电阻. 为了帮助大家理解阻抗不匹配时的反射问题,我来举两个例子:假设你在练 习拳击——打沙包.如果是一个重量合适的,硬度合适的沙包,你打上去会感觉 很舒服.但是,如果哪一天我把沙包做了手脚,例如,里面换成了铁沙,你还是 用以前的力打上去,你的手可能就会受不了了——这就是负载过重的情况,会产 生很大的反弹力.相反,如果我把里面换成了很轻很轻的东西,你一出拳,则可 能会扑空,手也可能会受不了——这就是负载过轻的情况.另一个例子,不知道 大家有没有过这样的经历:就是看不清楼梯时上/下楼梯,当你以为还有楼梯时, 就会出现"负载不匹配"这样的感觉了.当然,也许这样的例子不太恰当,但我 们可以拿它来理解负载不匹配时的反射情况大电容并小电容的作用大电容并小电容的作用因为大电容由于容量大,所以体积一般也比较大,且通常使用多层卷绕的方式制作(动手拆过铝电解电容 应该会很有体会,没拆过的也可以拿几种不同的电容拆来看看,不过要注意安全,别弄伤手),这就导致 等效串联电感,英文简称 ESL).大家知道,电感对高频信 了大电容的分布电感比较大(也叫等效串联电感 等效串联电感号的阻抗是很大的,所以,大电容的高频性能不好.而一些小容量电容则刚刚相 反,由于容量小,因此体积可以做得很小(缩短了引线,就减小了 ESL,因为一 段导线也可以看成是一个电感的),而且常使用平板电容的结构,这样小容量电 容就有很小的 ESL,这样它就具有了很好的高频性能,但由于容量小的缘故,对 低频信号的阻抗大.所以,如果我们为了让低频,高频信号都可以很好的通过, 就采用一个大电容再并上一个小电容的方式.常使用的小电容为 0.1uF 的瓷片电 容,当频率更高时,还可并联更小的电容,例如几 pF,几百 pF 的.而在数字电 路中,一般要给每个芯片的电源引脚上并联一个 0.1uF 的电容到地(这电容叫做 去耦电容,当然也可以理解为电源滤波电容.它越靠近芯片的位置越好),因为 在这些地方的信号主要是高频信号,使用较小的电容滤波就可以了. (By computer00为何模拟地(AG)和数字地 和数字地(DG)要分开布线 为何模拟地 和数字地 要分开布线在电路设计中,常常把模拟地与数字地独立布线.但模拟地跟数字地,最终都要接到一块的,那干吗还要 分模拟地和数字地呢? 这是因为虽然是相通的,但是距离长了,就不一样了. 同一条导线,不同的点的电压可能是不一样的,特别是电流较大时. 因为导线存在着电阻,电流流过时就会产生压降. 另外,导线还有分布电感,在交流信号下,分布电感的影响就会表现出来.所以我们要分成数字地和模拟 地,因为数字信号的高频噪声很大,如果模拟地和数字地混合的话,就会把噪声传到模拟部分,造成干扰. 如果分开接地的话,高频噪声可以在电源处通过滤波来隔离掉.但如果两个地混合,就不好滤波了.这样 隔离在保证电路设计的稳定和抗干扰.三极管特性及其放大电路三极管是电流放大器件,有三个极,分别叫做集电极 C,基极B,发射极 E.分成 NPN 和 PNP 两 种.我们仅以 NPN 三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基 本原理.下面的分析仅对于 NPN 型硅三极管.如上图所示,我们把从基极 B 流至发射极 E 的 电流叫做基极电流 Ib;把从集电极 C 流至发射极 E 的电流叫做集电极电流 Ic.这两 个电流的方向都是流出发射极的, 所以发射极 E 上就用了一个箭头来表示电流的方向. 三极管的放大作用就是:集电极电流受基极电流的控制(假设电源能够提供给集电极 足够大的电流的话) ,并且基极电流很小的变化,会引起集电极电流很大的变化,且 变化满足一定的比例关系:集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍,即电流变 化被放大了β倍,所以我们把β叫做三极管的放大倍数(β一般远大于 1,例如几十, 几百) .如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间,这就会引起基极电流 I b 的变化,Ib 的变化被放大后,导致了 Ic 很大的变化.如果集电极电流 Ic 是流过一 个电阻 R 的,那么根据电压计算公式 U=R*I 可以算得,这电阻上电压就会发生很大 的变化.我们将这个电阻上的电压取出来,就得到了放大后的电压信号了. 三极管在实际的放大电路中使用时,还需要加合适的偏置电路.这有几个原因. 首先是由于三极管 BE 结的非线性(相当于一个二极管) ,基极电流必须在输入电压大 到一定程度后才能产生(对于硅管,常取 0.7V) .当基极与发射极之间的电压小于 0. 7V 时,基极电流就可以认为是 0.但实际中要放大的信号往往远比 0.7V 要小,如果 不加偏置的话,这么小的信号就不足以引起基极电流的改变(因为小于 0.7V 时,基 极电流都是 0) 如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流 . (叫做偏置电流, 上图中那个电阻 Rb 就是用来提供这个电流的,所以它被叫做基极偏置电阻) ,那么当 一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时,小信号就会导致基极电流的变化,而基极 电流的变化,就会被放大并在集电极上输出.另一个原因就是输出信号范围的要求, 如果没有加偏置,那么只有对那些增加的信号放大,而对减小的信号无效(因为没有 偏置时集电极电流为 0,不能再减小了) .而加上偏置,事先让集电极有一定的电流, 当输入的基极电流变小时,集电极电流就可以减小;当输入的基极电流增大时,集电 极电流就增大.这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了. 下面说说三极管的饱和情况.像上面那样的图,因为受到电阻 Rc 的限制(Rc 是 固定值,那么最大电流为 U/Rc,其中 U 为电源电压) ,集电极电流是不能无限增加下 当基极电流的增大, 不能使集电极电流继续增大时, 三极管就进入了饱和状态. 去的.。
第六章(2) 动态CMOS逻辑电路
NORA动态CMOS电路基本结构
由预充―求值的富NMOS逻辑和富PMOS逻辑交替级联构成一动态逻辑级； 富NMOS逻辑级和富PMOS逻辑级的时钟控制互为反相； 最后再级联一时钟同步CMOS反相器作为锁存器。
相 CMOS NORA逻辑
p blocks
VDD
Mp1 Mp2
Out1
Out2
多米诺CMOS电路的级连
电荷分享引起结点电平变化
避免电荷分享和电荷泄漏的影响
多输出多米诺电路
一个复杂的逻辑功能块可以看作由多个子逻辑块串、并联组成。 不仅可以将动态电路中整个逻辑块的结果经反相器输出，还可以将其中子逻辑块的 结果也经过反相器输出。
多输出多米诺电路实现4位进位链
时钟同步CMOS电路(C2MOS)
时，求值阶段： 1
若输入为0，则输出结点电容CL 被充电为VDD； 此时由于Mn1导通，Mn2截止， 内部结点电容CB与CL间共享，但此 时上拉支路导通，可持续充电；
CA Out CL
CB
时，保持阶段： 0
若此时输入由01，则Mn2导通，但Mn1截止，电容CL和 CB间不会发生电荷共享； 同理，CL和CA间也不会发生电荷共享使应保持为0的输出 低电平上升；
时钟同步CMOS电路(C2MOS)
VDD Φ IN
Mp1
CA
Mp2
Vout
Mn2
在静态CMOS逻辑门的上拉和 下拉通路中分别增加一个受反相 时钟控制的P管和N管，构成一与 时钟同步的CMOS逻辑门；
这种时钟同步的CMOS反相器不 是按照预充-求值的方式，而是求值保持；
CL
Φ
Mn1
时钟 同步CMOS电路的工作原理
cmos门电路逻辑表达式
cmos门电路逻辑表达式CMOS门电路逻辑表达式是一种基于场效应管（MOS）工作原理构建的电路，其本质上是一种由多个MOS晶体管和互补型晶体管（即n型MOS和p型MOS）组成的数字逻辑电路。
在CMOS门电路中，晶体管开关状态的变化导致电信号的传输、加工和控制，从而实现了不同逻辑功能的实现。
下面将分步骤阐述CMOS门电路逻辑表达式的具体内容：1. CMOS门电路中的逻辑运算在CMOS门电路中，常见的逻辑运算有与（AND）、或（OR）、非（NOT）、异或（XOR）等，这些逻辑运算的实现遵循电路的门电路设计原理，其中门电路设计的基本逻辑元件称为逻辑门。
逻辑门的输出端可以是高电平（1）或低电平（0），对应于逻辑的真（True）和假（False）两种状态。
2. CMOS门电路的逻辑表达式在CMOS门电路中，每个逻辑运算都有其对应的逻辑表达式，例如：- 与门（AND）的逻辑表达式： Y = A and B- 或门（OR）的逻辑表达式：Y = A or B- 非门（NOT）的逻辑表达式：Y = not A- 异或门（XOR）的逻辑表达式：Y = A xor B其中，A、B均为输入端口。
3. CMOS门电路的实现方法实际上，CMOS门电路的实现方法主要涉及到两个方面：传输电路和逻辑门电路。
传输电路主要负责零售运算的传输和控制，逻辑门电路则是逻辑运算的核心元件，通过晶体管的开关状态变化实现逻辑运算功能。
在CMOS门电路中，门电路组成的方式也各不相同，例如，与非门（NAND）可以通过串联一个反相器（NOT）和一个或门（OR）来实现，或者通过并联一个非门（NOT）和一个与门（AND）来实现。
这些门电路的组合方式取决于具体的设计需求和实现方式。
总之，CMOS门电路逻辑表达式是一种非常重要的数字电路设计方案，其良好的稳定性、高效率、低功耗等特点，在现代电子技术应用中得到了广泛的应用。
同时，对于电子工程师来说，掌握CMOS门电路逻辑表达式的设计和应用原理，将有助于实现高质量、高性能的数字电路设计和实现。
最基本的CMOS逻辑电路-非门(反相器)
最基本的CMOS逻辑电路:非门（反相器）
非门（反相器）介绍
非门实现的是逻辑功能为 out = -in, 即将输入信号做一个反向，故也称为反相器。
其门级示意图如下：
Verilog描述如下（“//”后面的语句为注释语句）：
wire in; //wire 为线信号关键字
wire out;
assign out = ~in; //assign 为赋值语句，~表示反向；
相应的逻辑真值表如下：
相应的CMOS结构如下：由一个PMOS和NMOS组成，PMOS做上拉，
与VDD相连；NMOS做下拉，与GND相连。
简单分析一下我们要实现的功能，无非就是当in 为0 （低电平）时，out输出为1（高电平），即out跟电源VDD相连；当in 为1（高电平）时，out输出为0（低电平），即out要跟GND（地）相连。
故上面的非门CMOS电路的等效电路如下：当in 为0时开关k1闭合，k2打开，即out与VDD相连，输出为1;当in 为1时开关k1打开，k2闭合，即out与GND相连，输出为0。
故PMOS相当于一个开关，如下当G端为低电平时，D端与S端才连通；
故NMOS相当于一个开关，如下当G端为高电平时，D端与S端才连通；
拓展：现在常见的数字集成电路其底层的基本逻辑电路都是由CMOS结构构成。
上拉逻辑部分由PMOS组成，下拉逻辑部分由NMOS组成。
反相器就是一个最基本的CMOS逻辑电路，上拉部分只有一个PMOS，下拉部分只有一个NMOS。
后面还会讲到其它逻辑门电路，到时候大家对CMOS逻辑的了解就更深入了。
第五章(4) 静态CMOS逻辑电路.ppt
CMOS传输门导通电流的变化
传输高电平和传输低电平过程中，NMOS传输管、PMOS传输管以及 CMOS传输门导通电流的变化。
NMOS管和PMOS管的电流都是非线性变化，而CMOS传输门的总电流近 似线性变化。
CMOS传输门直流电压传输特性
CMOS传输门导通电阻的变化
传输门总结
★ NMOS传输管传输低电平性能好，传输高电平有阈值 损失； ★ PMOS传输管传输高电平性能好，传输低电平有阈值 损失； ★ CMOS传输门利用NMOS和PMOS管的互补性能获得 了比单个传输管更优越的性能，性能更接近理想开关。
)
,
Kr
KN KP
8
结论
输出低电平的值不为0，取决于比例因子 Kr；
增大 Kr可使VOL 尽可能小，且电路功耗也会减小；
但K
太小将使电路的上升时间增加；
P
比例因子Kr过大会导致上升时间的增加；
输出低电平时存在静态功耗；
PDC KP (VDD VTP )2 VDD
9
类NMOS电路优缺点
五、MOS传输门逻辑电路
四、类NMOS电路
静态CMOS逻辑门利用NMOS管和PMOS管的 互补特性，使上拉通路和下拉通路轮流导通，从而 获得很好的电路性能。
缺点：每个输入都包含NMOS和PMOS管，不 利于减小芯片面积和提高集成度。
因此，对某些性能要求不太高，但希望面积尽可 能小的电路，可以采用类NMOS电路形式。
有比逻辑 (Ratioed Logic)
Vout VTP ： PMOS管工作在线性区；
IDD KP[(VG VS VTP )2 (VG VD VTP )2 ] = KP[(VDD VTP )2 (Vout VTP )2 ] 0
9_CMOS静态逻辑电路设计
【例】要实现
Y = A(B + C ) + D
逻辑图：
B
C
A
Y = A(B + C ) + D
D
Y = A(B + C ) + D 【解】首先构成NMOS逻辑块
用2个NMOS管并联实现（B+C），
再与一个NMOS管串联实现
A（B+C）的功能，然后再与一个
NMOS管并联，这样就实现了
D
F=A（B+C）+D。
A
Y
B
C
或：
A
Y B
C
任何组合逻辑都可以表示成输入变量的“与-非”表达式， 原则上都可以用一个与或非门加一个反相器来实现。但从电路 性能优化的角度考虑，应选择适当的逻辑结构，使总的延迟时 间减少，使电路的面积减少，在设计时应根据具体要求有所侧 重。 【例】要实现8个输入变量的“与”，即 Y = ABCDEFGH 【解】
Y = ( A + B)(C + D)
VDD
实际上就是实现与或非：
A
C
Y = AC + BC + AD + BD
B
D
Y
A
B
C
D
9.4.2 实现不带“非”的组合逻辑
前面介绍的CMOS逻辑门实现的都是带“非”的逻辑功能， 要实现不带“非”的组合逻辑，至少要用两级逻辑门。
如： Y = ABC = ABC
增加串联的NMOS A 管和PMOS管的数
B
目。
Y = A⋅B
真值表
ABY 001 011
101
110
9.3 CMOS或非门
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CMOS逻辑电路
CMOS是单词的首字母缩写，代表互补的金属氧化物半导
体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，它指的是
一种特殊类型的电子集成电路(IC)。
集成电路是一块微小的硅
片，它包含有几百万个电子元件。
术语IC隐含的含义是将多个
单独的集成电路集成到一个电路中，产生一个十分紧凑的器件。
在通常的术语中，集成电路通常称为芯片，而为计算机应用设计的IC称为计算机芯片。
虽然制造集成电路的方法有多种，但对于数字逻辑电路而言CMOS是主要的方法。
桌面个人计算机、工作站、视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于CMOS 集成电路来完成所需的功能。
当我们注意到所有的个人计算机都使用专门的CMOS 芯片，如众所周知的微处理器，来获得计算性能时， CMOS IC的重要性就不言而喻了。
CMOS之所以流行的一些原因为:
•逻辑函数很容易用CMOS电路来实现。
•CMOS允许极高的逻辑集成密度。
其含义就是逻辑电路可以做得非常小，可以制造在极小的面积上。
•用于制造硅片CMOS芯片的工艺已经是众所周知，并且CMOS芯片的制造和销售价格十分合理。
这些特征及其它特征都为CMOS成为制造IC的主要工艺提供了基础。
CMOS可以作为学习在电子网络中如何实现逻辑功能的工具。
CMOS它允许我们用简单的概念和模型来构造逻辑电路。
而理解这些概念只需要基本的电子学概念。
CMOS逻辑门电路的系列及主要参数:
1．CMOS逻辑门电路的系列
CMOS集成电路诞生于20世纪60年代末，经过制造工艺的不断改进，在应用的广度上已与TTL平分秋色，它的技术参数从总体上说，已经达到或接近TTL的水平，其中功耗、噪声容限、扇出系数等参数优于TTL。
CMOS集成电路主要有以下几个系列。
（1）基本的CMOS——4000系列。
这是早期的CMOS集成逻辑门产品，工作电源电压范围为3～18V，由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。
缺点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十ns，最高工作频率小于5MHz。
（2）高速的CMOS——HC（HCT）系列。
该系列电路主要从制造工艺上作了改进，使其大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于10ns，最高工作频率可达50MHz。
HC系列的电源电压范围为2～6V。
HCT系列的主要特点是与TTL器件电压兼容，它的电源电压范围为4.5～5.5V。
它的输入电压参数为VIH（min）=2.0V；VIL（max）=0.8V，与TTL完全相同。
另外，
74HC/HCT系列与74LS系列的产品，只要最后3位数字相同，则两种器件的逻辑功能、外形尺寸，引脚排列顺序也完全相同，这样就为以CMOS产品代替TTL产品提供了方便。
（3）先进的CMOS——AC（ACT）系列
该系列的工作频率得到了进一步的提高，同时保持了CMOS超低功耗的特点。
其中ACT系列与TTL器件电压兼容，电源电压范围为4.5～5.5V。
AC系列的电源电压范围为1.5～5.5V。
AC（ACT）系列的逻辑功能、引脚排列顺序等都与同型号的HC（HCT）系列完全相同。
2．CMOS逻辑门电路的主要参数
CMOS门电路主要参数的定义同TTL电路，下面主要说明CMOS电路主要参数的特点。
（1）输出高电平VOH与输出低电平VOL。
CMOS门电路VOH的理论值为电源电压VDD，VOH（min）=0.9VDD；VOL的理论值为0V，VOL（max）=0.01VDD。
所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大，接近电源电压VDD值。
（2）阈值电压Vth。
从CMOS非门电压传输特性曲线中看出，输出高低电平的过渡区很陡，阈值电压Vth约为VDD/2。
（3）抗干扰容限。
CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON 为0.55VDD。
因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。
其他CMOS门电路的噪声容限一般也大于0.3VDD，电源电压VDD越大，其抗干扰能力越强。
（4）传输延迟与功耗。
CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门，但传输延迟较大，一般为几十ns/门，且与电源电压有关，电源电压越高，CMOS电路的传输延迟越小，功耗越大。
前面提到74HC高速CMOS系列的工作速度己与TTL系列相当。
（5）扇出系数。
因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般额定扇出系数可达50。
但必须指出的是，扇出系数是指驱动CMOS电路的个数，若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言，CMOS电路远远低于TTL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。
MOS管主要参数：1.开启电压VT
•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，VT约为3～6V；•通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2～3V。
2. 直流输入电阻RGS
•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RGS可以很容易地超过1010Ω。
3. 漏源击穿电压BVDS
•在VGS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS 称为漏源击穿电压BVDS
•ID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VDS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ID
4. 栅源击穿电压BVGS
•在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。
5. 低频跨导gm
•在VDS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
•gm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RON
•导通电阻RON说明了VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数
•在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON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VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似
•对一般的MOS管而言，RON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CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS
•CGS和CGD约为1～3pF
•CDS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。