CMOS管工作原理及詳解-CMOS管電路原理圖與性能特點(diǎn)-KIA MOS管

信息來源：本站　日期：2018-07-24　

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CMOS門電路

CMOS門電路一般是由MOS管構(gòu)成，由于MOS管的柵極和其它各極間有絕緣層相隔，在直流狀態(tài)下，柵極無電流，所以靜態(tài)時(shí)柵極不取電流，輸入電平與外接電阻無關(guān)。由于MOS管在電路中是一壓控元件，基于這一特點(diǎn)，輸入端信號(hào)易受外界干擾，所以在使用CMOS門電路時(shí)輸入端特別注意不能懸空。在使用時(shí)應(yīng)采用以下方法：

1）、與門和與非門電路：由于與門電路的邏輯功能是輸入信號(hào)只要有低電平，輸出信號(hào)就為低電平，只有全部為高電平時(shí)，輸出端才為高電平。而與非門電路的邏輯功能是輸入信號(hào)只要有低電平，輸出信號(hào)就是高電平，只有當(dāng)輸入信號(hào)全部為高電平時(shí)，輸出信號(hào)才是低電平。所以某輸入端輸入電平為高電平時(shí)，對(duì)電路的邏輯功能并無影響，即其它使用的輸入端與輸出端之間仍具有與或者與非邏輯功能。這樣對(duì)于CMOS與門、與非門電路的多余輸入端就應(yīng)采用高電平，即可通過限流電阻（500Ω）接電源。

2）、或門、或非門電路：或門電路的邏輯功能是輸入信號(hào)只要有高電平輸出信號(hào)就為高電平，只有輸入信號(hào)全部為低電平時(shí)，輸出信號(hào)才為低電平。而或非門電路的邏輯功能是輸入信號(hào)只要有高電平，輸出信號(hào)就是低電平，只有當(dāng)輸入信號(hào)全部是低電平時(shí)輸出信號(hào)才是高電平。這樣當(dāng)或門或者或非門電路某輸入端的輸入信號(hào)為低電平時(shí)并不影響門電路的邏輯功能。所以或門和或非門電路多余輸入端的處理方法應(yīng)是將多余輸入端接低電平，即通過限流電阻（500Ω）接地。

CMOS邏輯電平

高速CMOS電路的電源電壓VDD通常為+5V;Vss接地，是0V。

高電平視為邏輯“1”，電平值的范圍為：VDD的65%～VDD(或者VDD-1.5V～VDD)

低電平視作邏輯“0”，要求不超過VDD的35%或0～1.5V。

+1.5V～+3.5V應(yīng)看作不確定電平。在硬件設(shè)計(jì)中要避免出現(xiàn)不確定電平。

隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)的電源呈下降趨勢。低電源電壓有助于降低功耗。VDD為3.3V的CMOS器件已大量使用。在便攜式應(yīng)用中，VDD為2.7V，甚至1.8V的單片機(jī)也已經(jīng)出現(xiàn)。將來電源電壓還會(huì)繼續(xù)下降，降到0.9V，但低于VDD的35%的電平視為邏輯“0”，高于VDD的65%的電平視為邏輯“1”的規(guī)律仍然是適用的。

CMOS集成電路的性能特點(diǎn)

微功耗—CMOS電路的單門靜態(tài)功耗在毫微瓦（nw）數(shù)量級(jí)。

高噪聲容限—CMOS電路的噪聲容限一般在40%電源電壓以上。

寬工作電壓范圍—CMOS電路的電源電壓一般為1.5~18伏。

高邏輯擺幅—CMOS電路輸出高、低電平的幅度達(dá)到全電為VDD，邏輯“0”為VSS。

高輸入阻抗--CMOS電路的輸入阻抗大于108Ω,一般可達(dá)1010Ω。

高扇出能力--CMOS電路的扇出能力大于50。

低輸入電容--CMOS電路的輸入電容一般不大于5PF。

寬工作溫度范圍—陶瓷封裝的CMOS電路工作溫度范圍為

- 55 0C ~ 125 0C；塑封的CMOS電路為 – 40 0C ~ 85 0C。

CMOS工作原理及詳解

由于兩管柵極工作電壓極性相反，故將兩管柵極相連作為輸入端，兩個(gè)漏極相連作為輸出端，如圖(a)所示，則兩管正好互為負(fù)載，處于互補(bǔ)工作狀態(tài)。當(dāng)輸入低電平(Vi=Vss)時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管截止，輸出高電平，如圖(b)所示。　·當(dāng)輸入高電平（Vi=VDD）時(shí)，PMOS管截止，NMOS管導(dǎo)通，輸出為低電平，如圖(c)所示。兩管如單刀雙擲開關(guān)一樣交替工作，構(gòu)成反相器。

CMOS管工作原理及詳解

1、非門

非門(反向器)是最簡單的門電路，由一對(duì)CMOS管組成。其工作原理如下：

CMOS管工作原理及詳解

A端為高電平時(shí)，P型管截止，N型管導(dǎo)通，輸出端C的電平與Vss保持一致，輸出低電平;A端為低電平時(shí)，P型管導(dǎo)通，N型管截止，輸出端C的電平與VDD一致，輸出高電平。

2、與非門工作原理

CMOS管工作原理及詳解

①、A、B輸入均為低電平時(shí)，1、2管導(dǎo)通，3、4管截止，C端電壓與VDD一致，輸出高電平。

②、A輸入高電平，B輸入低電平時(shí)，1、3管導(dǎo)通，2、4管截止，C端電位與1管的漏極保持一致，輸出高電平。

③、A輸入低電平，B輸入高電平時(shí)，情況與②類似，亦輸出高電平。

④、A、B輸入均為高電平時(shí)，1、2管截止，3、4管導(dǎo)通，C端電壓與地一致，輸出低電平。

3、或非門工作原理

CMOS管工作原理及詳解

①、A、B輸入均為低電平時(shí)，1、2管導(dǎo)通，3、4管截止，C端電壓與VDD一致，輸出高電平。

②、A輸入高電平，B輸入低電平時(shí)，1、4管導(dǎo)通，2、3管截止，C端輸出低電平。

③、A輸入低電平，B輸入高電平時(shí)，情況與②類似，亦輸出低電平。

④、A、B輸入均為高電平時(shí)，1、2管截止，3、4管導(dǎo)通，C端電壓與地一致，輸出低電平。

注：將上述“與非”門、“或非”門邏輯符號(hào)的輸出端的小圓圈去掉，就成了“與”門、“或”門的邏輯符號(hào)。而實(shí)現(xiàn)“與”、“或”功能的電路圖則必須在輸出端加上一個(gè)反向器，即加上一對(duì)CMOS管，因此，“與”門實(shí)際上比“與非”門復(fù)雜，延遲時(shí)間也長些，這一點(diǎn)在電路設(shè)計(jì)中要注意。

4、三態(tài)門的工作原理

CMOS管工作原理及詳解

當(dāng)控制端C為“1”時(shí)，N型管3導(dǎo)通，同時(shí)，C端電平通過反向器后成為低電平，使P型管4導(dǎo)通，輸入端A的電平狀況可以通過3、4管到達(dá)輸出端B。

當(dāng)控制端C為“0”時(shí)，3、4管都截止，輸入端A的電平狀況無法到達(dá)輸出端B，輸出端B呈現(xiàn)高電阻的狀態(tài)，稱為“高阻態(tài)”。

這個(gè)器件也稱作“帶控制端的傳輸門”。帶有一定驅(qū)動(dòng)能力的三態(tài)門也稱作“緩沖器”，邏輯符號(hào)是一樣的。

注：從CMOS等效電路或者真值表、邏輯表達(dá)式上都可以看出，把“0”和“1”換個(gè)位置，“與非”門就變成了“或非”門。對(duì)于“1”有效的信號(hào)是“與非”關(guān)系，對(duì)于“0”有效的信號(hào)是“或非”關(guān)系。

上述圖中畫的邏輯器件符號(hào)均是正邏輯下的輸入、輸出關(guān)系，即對(duì)“1”(高電平)有效而言。而單片機(jī)中的多數(shù)控制信號(hào)是按照負(fù)有效(低電平有效)定義的。例如片選信號(hào)CS(Chip Select)，指該信號(hào)為“0”時(shí)具有字符標(biāo)明的意義，即該信號(hào)為“0”表示該芯片被選中。因此，“或非”門的邏輯符號(hào)也可以畫成下圖。

CMOS管工作原理及詳解