原创 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