硬件基础10 逻辑门电路——CMOS

news2024/11/8 17:33:22

目录

一、门电路类型

二、CMOS逻辑门

1、CMOS基础

2、MOS管开关电路

(1)、基础理论分析

(2)、开关动态特性

3、CMOS反相器

4、与非、或非门

三、逻辑门的不同输出结构与参数

1、CMOS的保护和缓冲

2、漏极开路与三态输出

(1)漏极开路

(2)三态输出

3、CMOS重要技术参数

(1)、输入与输出高低电平

(2)、输入噪声容限

(3)、传输延迟时间


一、门电路类型

按照制造门电路的晶体管不同,分为MOS型、双极型、混合型

        MOS:CMOS、NMOS、PMOS

        双极型:TTL、ECL

        混合型:BiCMOS、IGBT

二、CMOS逻辑门

1、CMOS基础

        早期4000系列已逐步进入淘汰的边缘,除了价格优势;

        CMOS集成电路根据额定电压区分,不同类型主要靠字母区分,例如:

        HC(High-Speed CMOS)、HCT(with TTL-Compatible Inputs):高速CMOS,T表示与TTL电平兼容;

        AC(Advanced)、ACT:改进型CMOS,提高速度;

        AHC、AHCT:改进型高速CMOS,降低时延;

        LV(Low-Voltage)、LVC(with TTL Compatible Inputs):低电压CMOS,LV表示低压、C表示兼容TTL;

        ALVC:增强低电压CMOS,更低电压、更高速度;

        AUC(Advanced Ultra-Low-Voltage):超低电压CMOS;

        AUP(with Power-Off Protection):超低电压,带电源关闭保护。

        当然随着现代工艺的逐渐改善,CMOS电路的电压不再是个很固定的值,大多是个范围,例如74HC,基本上可以适应输入2~6V,最大7V;74LVC支持1.65~3.6V,最大6.5V。

2、MOS管开关电路

(1)、基础理论分析

        可以看到最简单的,VI<VT时,MOS管截止,Vo被上拉到VDD;VI>VT时,MOS管导通,Vo通过Rd与MOS管等效阻抗(很小)分压,从而≈被下拉到GND上,从而实现开关。

        Rd同时也起到限流作用,但是其上也会消耗功率。

(2)、开关动态特性

        假如输入的VI是个变化值呢,例如脉冲或者矩形波:

        可以看到上升沿与下降沿变化缓慢,而且Vo输出滞后于VI输入,反映在数据表上也是tpHL与tpLH的值。

3、CMOS反相器

        其实和刚才一致,当VI高,输入Vo被拉到GND;当VI低,输入Vo被拉到VDD。这也是一个很经典的非门电路

        具体的在下一文进行讲述。

4、与非、或非门

        这类门电路,基本上就是普通的开关电路,看好N型还是P型去计算导通截止即可。

三、逻辑门的不同输出结构与参数

1、CMOS的保护和缓冲

        首先是前级的两个二极管,其保证了电压超过VDD+VD或者小于-VD,电压会被限制。同时前文已阐述这两对CMOS管组成了反相器,因此也就是非门可以用作缓冲,例如下图。

2、漏极开路与三态输出

(1)漏极开路

        漏极开路是指CMOS门电路的输出电路只有NMOS管,并且它的漏极是开路的

其主要反映在并联的时候:

        由于驱动门的输出电容、负载门的输入电容以及接线电容的存在,上拉电阻Rp 的大小必将影 响门的开关速度,Rp的值越小负载电容的充电时间常数也越小,因而开关速度越快,但是上拉电子不能任意减小 ,它必须保证OD门输出端的电流不能超过允许的最大值

        在输出高低电平的时候,等效电路的不同,导致R不同,因此充放电时间不一致,因此避免工作速度快使用。

(2)三态输出

        三态输出门电路主要用于总线传输,如计算机或微处理器系统,任何时刻只有一个门电路的使能端 EN为1,该门电路的信号被传到总线上,而其他三态输出电路处于高阻状态。这样就可以按一定顺序将各个门电路的输出信号分时送到总线上 。

3、CMOS重要技术参数

(1)、输入与输出高低电平

一般而言,在不考虑兼容TTL的时候

CMOS输入高电平:VIH≥0.7*VCC、输入低电平VIL≤0.3*VCC

CMOS输出高电平:VOH≥0.9*VCC、输出低电平VHL≤0.1*VCC

(2)、输入噪声容限

        正好对应前级输出与后记输入,只要在范围区间就有容限值。

(3)、传输延迟时间

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