§3.3 CMOS门电路 3.3.1M0S管的开关特性 一、 MOS管的结构和工作原理（以N沟道增强型为例） UDS 标准符号 简化符号 SiO2 G D P型衬底(B) G:栅极；S:源极；D:漏极；B:衬底 当加yDs时， vcs=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 加上正电压ycs,且足够大至vcs>Vcs,D-S间形成导电沟道 2017-8-4 第三章门电路 §3.3 CMOS门电路 二、MOS管的输入特性和输出特性 1输入特性 2输出特性：iD=f(Ds)对应不同的vcs下的一族曲线。 iD ip 5V UDS AV 3V VGs=2V VDS (a) (b) 2017-8-4 第三章门电路 12
2017-8-4 第三章 门电路 11 §3.3 CMOS门电路 3.3.1 MOS管的开关特性 G ：栅极；S：源极；D ：漏极；B :衬底 一、MOS管的结构和工作原理（以N沟道增强型为例） 当加vDS时， vGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 加上正电压vGS，且足够大至vGS >VGS (th), D-S间形成导电沟道 2017-8-4 第三章 门电路 12 §3.3 CMOS门电路 二、MOS管的输入特性和输出特性 1 输入特性 2 输出特性： iD = f (vDS) 对应不同的vGS下的一族曲线
§3.3CMOS门电路 漏极特性曲线（分三个区域） (1)截止区：'cs<VGs ip=0,ROFF 10% 5V (2)恒流区：s>'Gs-VGs>0 4V iD基本上由vcs决定，与yns关系不大 3V VGs=2V ip=Ins(Ys1),ps=ip VDS Vas(h) (3)可变电阻区：'Gs-Vcsh>vDs>0 ,与ns的比值近似为常数Rvs0 2K(Vcs-VGs(h) 2017-8-4 第三章门电路 13 §3.3CMOS门电路 三、MOS管的基本开关电路 Rp D P(B) 因为RoFF>102,RoN<IK2,只要RN<RD<RoFr,则： 当y,='VL<Vas→MOS管截止→o=VoH≈'0 当y,=VH>Vsw→MOS管导通→vo=VL≈0 所以MOS管D-S间相当于一个受y,控制的开关。 2017-8-4 第三章门电路 14
2017-8-4 第三章 门电路 13 §3.3 CMOS门电路 漏极特性曲线（分三个区域） （1）截止区：vGS<VGS(th) （2）恒流区： vDS > vGS–VGS(th) > 0 2 ( ) 2 ( ) ( 1) , | GS VGS th DS D v GS th GS D DS I i V v i I = − = = iD = 0, ROFF > 109Ω iD 基本上由vGS决定，与vDS关系不大 （3）可变电阻区： vGS–VGS(th) >vDS > 0 2 ( ) 1 ( ) 0 GS GS th ON v K v V R DS − i ≈ = D 与vDS的比值近似为常数 2017-8-4 第三章 门电路 14 因为 ROFF >109 Ω, RON <1KΩ,只要RON << RD << ROFF ,则： §3.3 CMOS门电路 三、MOS管的基本开关电路 I IL GS th O VOH VDD 当v =V <V ( ) ⎯⎯→MOS管截止 ⎯⎯→v = ≈ 当vI =VIH >VGS (th) ⎯⎯→MOS管导通 ⎯⎯→vO =VOL ≈ 0 所以 MOS管D − S间相当于一个受 vI 控制的开关
§3.3CMOS门电路 四、MOS管的开关等效电路 D G (a) 6) 截止状态 导通状态 五、MOS管的四种类型 N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道耗尽型 2017-8-4 第三章门电路 15 §3.3 CMOS门电路 ◆P沟道增强型 PMOS管的结构和工作原理 UDS 标准符号 简化符号 0 N型衬底B) 当加yos时， vGs=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 加上负电压Gs,且足够大至vcs>VGs (th)l,D-S间形成导电沟道 2017-8-4 第三章门电路 16
2017-8-4 第三章 门电路 15 截止状态 导通状态 §3.3 CMOS门电路 四、 MOS管的开关等效电路 五、MOS管的四种类型 N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道耗尽型 2017-8-4 第三章 门电路 16 §3.3 CMOS门电路 P沟道增强型 当加vDS时， vGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 加上负电压vGS,且足够大至| vGS | >|VGS (th) |,D-S间形成导电沟道 PMOS管的结构和工作原理
§3.3CMOS门电路 3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理 一、CMOS反相器的电路结构 o G2 D G p+ N P+ N P阱 N型衬底 (a)结构示意图 (b)电路图 2017-8-4 第三章门电路 §3.3 CMOS门电路 ●工作原理 设T和T的开启电压为Vsh)p和VGs(N VpD VasoN =Yas>asVasop T和I,具有相同的导通内阻RoN, T和T,具有相同的截止内阻RoF (I)y,='m='oo时 VGsI=0<VGsPYGs2=VDD >VGSuN T截止，T,导通，VoL≈0 (2)y,='L=0时 Y'GSI=VDD >VGsPYGS2 =0<VGsN T导通，T截止，VoH≈VD 2017-8-4 第三章门电路 18
2017-8-4 第三章 门电路 17 3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 §3.3 CMOS门电路 一、CMOS反相器的电路结构 （a）结构示意图 （b）电路图 2017-8-4 第三章 门电路 18 OFF ON GS th N GS th P DD GS th N GS th P GS th P GS th N T T R T T R V V V V V T T V V 和 具有相同的截止内阻 和 具有相同的导通内阻 ，且 设 和 的开启电压为 和 ， 1 2 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) 1 2 ( ) ( ) , = > + , §3.3 CMOS门电路 z工作原理 (2)vI =VIL = 0时 GS DD GS th P GS VGS th N v V V v 1 ( ) 2 0 ( ) = > , = < T1 导通，T2截止，VOH ≈VDD (1)vI =VIH =VDD时 GS GS th P GS VDD VGS th N v V v 1 ( ) 2 ( ) = 0 < , = > 0 T1截止，T2导通，VOL ≈
§3.3 CMOS门电路 二、电压传输特性和电流传输特性 1电压传输特性 输出电压随输入电压变化的曲线。Vm A B *AB段：y,<VGsthN T导通，T,截止→vo=Vm≈VD *CD段：y,>'op-VGsamP VGstthiP I,导通，T截止→'o=VoL≈0 *BC段：VGstN<,<'D-VcsP VDD T,I同时导通，若I,I参数完全对称，=时，vo=2'0 电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为反相器的阈值电压， 用n表示 2017-8-4 第三章门电路 19 §3.3 CMOS门电路 2电流传输特性 漏极电流随输入电压变化的曲线。 *AB段：y,<VGs(hN 10 T导通，T,截止→in≈0 *CD段：y,>'o-VcsomP VGs(th)P T,导通，T截止→io≈0 VGs(th)N C D *BC段：'Gshw<y,<VoD-VcscP VDD 2 T,T,同时导通，有电流in流过T和T, 2017-8-4 第三章门电路 20
2017-8-4 第三章 门电路 19 O OH DD I GS th N T T v V V AB v V ⇒ = ≈ ∗ < 导通， 截止 段： 1 2 ( ) §3.3 CMOS门电路 二、电压传输特性和电流传输特性 2 1 0 ( ) ⇒ = ≈ ∗ > − O OL I DD GS th P T T v V CD v V V 导通， 截止 段： GS th N I VDD VGS th P BC V v ∗ 段： ( ) < < − ( ) 1 电压传输特性 VTH VDD 2 1 ≈ 电压传输特性转折区中点对应的输入电压称为反相器的阈值电压， 用VTH表示： I DD O VDD T T T T v V v 2 1 2 1 , , , 1 2 同时导通 若 1 2参数完全对称， = 时， = 输出电压随输入电压变化的曲线。 2017-8-4 第三章 门电路 20 §3.3 CMOS门电路 2 电流传输特性 漏极电流随输入电压变化的曲线。 1 2 0 ( ) ⇒ ≈ ∗ < D I GS th N T T i AB v V 导通， 截止 段： 0 2 1 ( ) ⇒ ≈ ∗ > − D I DD GS th P T T i CD v V V 导通， 截止 段： GS th N I VDD VGS th P BC V v ( ) < < − ( ) ∗ 段： 1 2 1 2 T ,T 同时导通,有电流iD流过T和T