详谈CMOS管工作原理及特点

CMOS电路结构

  当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中,且二者在工作中互补,称为CMOS管。其电路结构如下:
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  工作特点:TP和TN总是一管导通而另一管截止,流过TP和TN的静态电流极小(纳安数量级),因而CMOS反相器的静态功耗极小,这是CMOS电路最突出的优点之一。

CMOS工作原理

  由于两管栅极工作电压极性相反,故将两管栅极相连作为输入端,如图(a)所示,则两管正好互为负载,处于互补工作状态。
  当输入低电平时,PMOS管导通,NMOS管截止,输出为高电平,如图(b)所示。
  当输入高电平时,PMOS管截止,NMOS管导通,输出为低电平,如图(c)所示。
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拉电流
  如图(b)所示,当输入低电平,经过CMOS反相器,输出为高电平。电流从CMOS流向负载,该电流称为拉电流
灌电流
  如图(c)所示,当输入高电平,经过CMOS反相器,输出为低电平。电流从负载流向CMOS,该电流称为灌电流

CMOS门电路

1. 非门
非门(反相器)是最简单的门电路,由一对CMOS管组成。工作原理如下:
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  A端为低电平时,P型管导通,N型管截止,输出端C的电平与VDD一致,输出高电平。
  A端为高电平时,P型管截止,N型管导通,输出端C的电平与Vss一致,输出低电平。
2. 与非门
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  (1)A、B输入均为低电平时,1、2管导通,3、4管截止,C端电压与VDD一致,输出高电平。
  (2)A输入高电平,B输入低电平时,1、3管导通,2、4管截止1,C端电位与1管的漏极保持一致,输出高电平。
  (3)A输入低电平,B输入高电平时,情况与(2)类似,亦输出高电平。
  (4)A、B输入均为高电平时,1、2管截止,3、4管导通,C端电压与地一致,输出低电平。
3. 或非门
在这里插入图片描述

  (1)A、B输入均为低电平时,1、2管导通,3、4管截止,C端电压与VDD一致,输出高电平。
  (2)A输入高电平,B输入低电平时,1、4管导通,2、3管截止,C端输出低电平。
  (3)A输入低电平,B输入高电平时,情况与(2)类似,亦输出低电平。
  (4)A、B输入均为高电平时,1、2管截止,3、4管导通,C端电压与地一致,输出低电平。
注:将上述“与非”门、“或非”门逻辑符号的输出端的空心圆(红色圆圈标记部分)去掉,就成了“与”门、“或”门的逻辑符号。要实现“与”、“或”功能的电路图,则必须在输出端加上一个反相器,即加上一对CMOS管。因此,“与”门实际上比“与非”门复杂,延迟时间也长,这点在电路设计中要额外注意。
4. 三态门
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  (1)当控制端C为“1”时,N型管3导通,同时,C端电平通过反向器后成为低电平,使P型管4导通,输入端A的电平状况可以通过3、4管到达输出端B。
  (2)当控制端C为“0”时,3、4管都截止,输入端A的电平状况无法到达输出端B,输出端B呈现高电阻的状态,称为高阻态“”。
一句话概括就是:C=1时,B=A’; C=0时,B=Z(高阻态)

CMOS门电路优点

  1. 微功耗——CMOS电路静态电流很小,约为纳安数量级
  2. 抗干扰能力很强——输入噪声容限可达到VDD/2
  3. 电源电压范围宽——多数CMOS电路的电源电压一般为3~18V
  4. 输入阻抗大——CMOS电路的输入阻抗大于108Ω,一般可达1010Ω
  5. 负载能力强——CMOS电路的扇出能力大于50
  6. 逻辑摆幅大——低电平0V,高电平VDD

不积硅步无以至千里;不积小流无以成江海

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