数字电路（2）门电路（一）

文章目录

一、名词概念

二、二极管门电路

三、CMOS门电路

一、名词概念

集成电路（Integrated Circuits，简称IC）

小规模集成电路（Small Scale Integration，简称SSI）

中规模集成电路（Medium Scale Integration，简称MSI）

大规模集成电路（Large Scale Integration，简称LSI）

超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，简称VLSI）

二、二极管门电路

2.1 二极管与门电路

最简单的与门电路

上述电路逻辑电平与真值表

缺点：输出的高、低电平与输入的高、低电平数值不相等，差一个二极管的正向导通压降，如果把这个输出作为下一级门的输入信号，将发生信号高、低电平的偏移；另外，当输出端对地接上负载电阻，负载电阻的改变有时会影响输出的高电平。

以上的缺点可以回答这个问题。

2.2 二极管或门电路

最简单的二极管或门电路

上述电路逻辑电平与真值表

三、CMOS门电路

CMOS集成电路中，以金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOS管）作为开关器件。

3.1 MOS管的结构和工作原理

用P型衬底（图中B），制作两个高掺杂浓度的N型区，形成MOS管的源极S（Source）和漏极D（Drain），另外一个电极栅极G（Gain），通常用金属铝或多晶硅制作。

在D和S极上加上电压Vds，设置Vgs=0，D和S之间不导通，Id=0；

在D和S极上加上电压Vds，设置Vgs>Vgs(th)，由于栅极和衬底之间的电场吸引，使衬底中的少数载流子-电子聚集到栅极下面的衬底表面，形成一个N型的反型层，这个反型层就构成了D和S之间的导电沟道，于是就有ID流通，这个Vgs(th)成为MOS管的开启电压。

随着Vgs的增大，导电沟道的截面积增大，所以Id会增大，也就是可以通过Vgs控制Id的大小。

为防止有电流从衬底流到S极和导电沟道，一般将衬底和源极接在一起，或者接到系统最低电位上。

3.2 MOS管的输入输出特性

如下是MOS管的共源接法，GS作为输入，DS作为输出。

右边的图称为MOS的输出特性曲线，也叫MOS管的漏极特性曲线，有三个工作区域，截止区，可变电阻区，恒流区。

1、截止区，Vgs<Vgs(th)时，D和S之间没有导电沟道，Id=0，DS之间的内阻非常大，可达 $10^{9}{\color{Emerald} }$ Ω以上，曲线上Vgs<Vgs(th)的区域称为截止区。

2、当Vgs>Vgs(th)后，D和S之间出现导电沟道，有ID产生，可以分为两个区，一个是可变电阻区，见上图虚线左边区域，在这个区域内，当Vgs一定时，ID和Vds之比近似等于一个常数，类似于线性电阻。等效电阻的大小和Vgs的大小有关，当Vds≈0时，ID和Vgs有如下的关系：这个公式表面，Vgs>>Vgs(th)时，Ron近似于Vgs成反比。

3、在虚线的右边，叫作恒流区。恒流区的ID由Vgs决定，Vds变化对ID影响很小。此时ID和Vgs有如下的关系：其中IDS是Vgs=2Vgs(th)时ID的值，这个公式表明，Vgs>>Vgs(th)时，ID与Vgs的平方成正比。

表明ID与Vgs关系的曲线叫MOS管的转移特性曲线。

3.3 MOS管的基本开关电路

当Vi<Vgs(th)时，MOS管工作在截止区，负载电阻RD远远小于MOS管的截止内阻Roff，输出端即为高电平Voh，Voh≈VDD；

当Vi>Vgs(th)并且Vds在较高的情况下，MOS管工作在恒流区，随着Vi增加，ID增加，Vo减小，这时候电路工作在放大状态。

随着Vi的继续增大，MOS管的导通电阻Ron变的很小（一般在1KΩ以内，小的可以到mΩ级别），RD>>Ron时，输出端为低电平Vol，Vol≈0。

在MOS管关闭状态，即Vi<Vgs(th)时，MOS管截止内阻Roff需要足够大，Roff>>RD；

在MOS管开启状态，一个是Vi>>Vgs(th)（Vi不能超过MOS管Vgs最大值），MOS管的导通内阻Ron足够小，Ron≪RD；

3.4 MOS管的开关等效电路

3.5 MOS管的4种类型

NMOS和PMOS管各有增强型和耗尽型，所以共有4种类型。目前在电子产品中，使用最多的是增强型NMOS，其次是增强型PMOS，耗尽型几乎不用。

对于耗尽型NMOS管，Vgs=0时，D和S之间就有导电沟道，Vgs为正时，导电沟道变宽，ID增大；Vgs为负时，导电沟道变窄，ID减小，当Vgs小于某一个负电压值Vgs(off)时，导电沟道才消失，MOS管截止关闭。Vgs(off)称为耗尽型NMOS管的夹断电压。

对于耗尽型PMOS，Vgs=0时，D和S之间就有导电沟道，Vgs为负时，导电沟道变宽，ID增大；Vgs为正时，导电沟道变窄，ID变小，当Vgs的正电压大于夹断电压Vgs(off)时，导电沟道消失，MOS管截止。

综上，一般开启电压是对增强型NMOS和增强型PMOS来说的，夹断电压是针对耗尽型NMOS和耗尽型PMOS来说的。