[资料分享] CMOS逻辑电路基础

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2885 1 IC猫 发表于 2015-7-1 21:53:21
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

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