CMOS邏輯電路

CMOS是單詞的首字母縮寫，集成電路是一塊微小的矽片，它包含有幾百萬個電子元件。術語IC隱含的含義是將多個單獨的集成電路集成到一個電路中，產生一個十分緊湊的器件。在通常的術語中，集成電路通常稱為晶元，而為計算機應用設計的IC稱為計算機晶元。

雖然製造集成電路的方法有多種，但對於數字邏輯電路而言CMOS是主要的方法。桌面個人計算機、工作站、視頻遊戲以及其它成千上萬的其它產品都依賴於CMOS集成電路來完成所需的功能。當我們注意到所有的個人計算機都使用專門的CMOS晶元，如眾所周知的微處理器，來獲得計算性能時， CMOS IC的重要性就不言而喻了。CMOS之所以流行的一些原因為:

·邏輯函數很容易用CMOS電路來實現。

·CMOS允許極高的邏輯集成密度。其含義就是邏輯電路可以做得非常小，可以製造在極小的面積上。

·用於製造矽片CMOS晶元的工藝已經是眾所周知，並且CMOS晶元的製造和銷售價格十分合理。

這些特徵及其它特徵都為CMOS成為製造IC的主要工藝提供了基礎。

CMOS可以作為學習在電子網路中如何實現邏輯功能的工具。CMOS它允許我們用簡單的概念和模型來構造邏輯電路。而理解這些概念只需要基本的電子學概念。

CMOS邏輯門電路的系列及主要參數:

1．CMOS邏輯門電路的系列

CMOS集成電路誕生於20世紀60年代末，經過製造工藝的不斷改進，在應用的廣度上已與TTL平分秋色，它的技術參數從總體上說，已經達到或接近TTL的水平，其中功耗、雜訊容限、扇出係數等參數優於TTL。CMOS集成電路主要有以下幾個系列。

（1）基本的CMOS——4000系列。

這是早期的CMOS集成邏輯門產品，工作電源電壓範圍為3～18V，由於具有功耗低、雜訊容限大、扇出係數大等優點，已得到普遍使用。缺點是工作速度較低，平均傳輸延遲時間為幾十ns，最高工作頻率小於5MHz。

（2）高速的CMOS——HC（HCT）系列。

該系列電路主要從製造工藝上作了改進，使其大大提高了工作速度，平均傳輸延遲時間小於10ns，最高工作頻率可達50MHz。HC系列的電源電壓範圍為2～6V。HCT系列的主要特點是與TTL器件電壓兼容，它的電源電壓範圍為4.5～5.5V。它的輸入電壓參數為VIH（min）=2.0V；VIL（max）=0.8V，與TTL完全相同。另外，74HC/HCT系列與74LS系列的產品，只要最後3位數字相同，則兩種器件的邏輯功能、外形尺寸，引腳排列順序也完全相同，這樣就為以CMOS產品代替TTL產品提供了方便。

（3）先進的CMOS——AC（ACT）系列

該系列的工作頻率得到了進一步的提高，同時保持了CMOS超低功耗的特點。其中ACT系列與TTL器件電壓兼容，電源電壓範圍為4.5～5.5V。AC系列的電源電壓範圍為1.5～5.5V。AC（ACT）系列的邏輯功能、引腳排列順序等都與同型號的HC（HCT）系列完全相同。

2．CMOS邏輯門電路的主要參數

CMOS門電路主要參數的定義同TTL電路，下面主要說明CMOS電路主要參數的特點。

（1）輸出高電平VOH與輸出低電平VOL。CMOS門電路VOH的理論值為電源電壓VDD，VOH（min）=0.9VDD；VOL的理論值為0V，VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS門電路的邏輯擺幅（即高低電平之差）較大，接近電源電壓VDD值。

（2）閾值電壓Vth。從CMOS非門電壓傳輸特性曲線中看出，輸出高低電平的過渡區很陡，閾值電壓Vth約為VDD/2。

（3）抗干擾容限。CMOS非門的關門電平VOFF為0.45VDD，開門電平VON為0.55VDD。因此，其高、低電平雜訊容限均達0.45VDD。其他CMOS門電路的雜訊容限一般也大於0.3VDD，電源電壓VDD越大，其抗干擾能力越強。

（4）傳輸延遲與功耗。CMOS電路的功耗很小，一般小於1 mW/門，但傳輸延遲較大，一般為幾十ns/門，且與電源電壓有關，電源電壓越高，CMOS電路的傳輸延遲越小，功耗越大。前面提到74HC高速CMOS系列的工作速度己與TTL系列相當。

（5）扇出係數。因CMOS電路有極高的輸入阻抗，故其扇出係數很大，一般額定扇出係數可達50。但必須指出的是，扇出係數是指驅動CMOS電路的個數，若就灌電流負載能力和拉電流負載能力而言，CMOS電路遠遠低於TTL電路。

CMOS邏輯門電路是在TTL電路問世之後，所開發出的第二種廣泛應用的數字集成器件，從發展趨勢來看，由於製造工藝的改進，CMOS電路的性能有可能超越TTL而成為佔主導地位的邏輯器件。CMOS電路的工作速度可與TTL相比較，而它的功耗和抗干擾能力則遠優於TTL。此外，幾乎所有的超大規模存儲器件，以及PLD器件都採用CMOS藝製造，且費用較低。早期生產的CMOS門電路為4000系列，隨後發展為4000B系列。當前與TTL兼容的CMOS　器件如74HCT系列等可與TTL器件交換使用。

1.開啟電壓VT

·開啟電壓（又稱閾值電壓）：使得源極S和漏極D之間開始形成導電溝道所需的柵極電壓；·標準的N溝道MOS管，VT約為3～6V；·通過工藝上的改進，可以使MOS管的VT值降到2～3V。

2. 直流輸入電阻RGS

·即在柵源極之間加的電壓與柵極電流之比

·這一特性有時以流過柵極的柵流表示

·MOS管的RGS可以很容易地超過1010Ω。

3. 漏源擊穿電壓BVDS

·在VGS=0（增強型）的條件下，在增加漏源電壓過程中使ID開始劇增時的VDS稱為漏源擊穿電壓BVDS

·ID劇增的原因有下列兩個方面：

（1）漏極附近耗盡層的雪崩擊穿

（2）漏源極間的穿通擊穿

·有些MOS管中，其溝道長度較短，不斷增加VDS會使漏區的耗盡層一直擴展到源區，使溝道長度為零，即產生漏源間的穿通，穿通后源區中的多數載流子，將直接受耗盡層電場的吸引，到達漏區，產生大的ID 。

4. 柵源擊穿電壓BVGS

·在增加柵源電壓過程中，使柵極電流IG由零開始劇增時的VGS，稱為柵源擊穿電壓BVGS。

5. 低頻跨導gm

·在VDS為某一固定數值的條件下，漏極電流的微變數和引起這個變化的柵源電壓微變數之比稱為跨導

·gm反映了柵源電壓對漏極電流的控制能力

·是表徵MOS管放大能力的一個重要參數

·一般在十分之幾至幾mA/V的範圍內。

6. 導通電阻RON

·導通電阻RON說明了VDS對ID的影響，是漏極特性某一點切線的斜率的倒數

·在飽和區，ID幾乎不隨VDS改變，RON的數值很大，一般在幾十千歐到幾百千歐之間

·由於在數字電路中，MOS管導通時經常工作在VDS=0的狀態下，所以這時的導通電阻RON可用原點的RON來近似

·對一般的MOS管而言，RON的數值在幾百歐以內。

7. 極間電容

·三個電極之間都存在著極間電容：柵源電容CGS 、柵漏電容CGD和漏源電容CDS

·CGS和CGD約為1～3pF

·CDS約在0.1～1pF之間。

8. 低頻雜訊係數NF

·雜訊是由管子內部載流子運動的不規則性所引起的

·由於它的存在，就使一個放大器即便在沒有信號輸人時，在輸出端也出現不規則的電壓或電流變化

·雜訊性能的大小通常用雜訊係數NF來表示，它的單位為分貝（dB）

·這個數值越小，代表管子所產生的雜訊越小

·低頻雜訊係數是在低頻範圍內測出的雜訊係數

·場效應管的雜訊係數約為幾個分貝，它比雙極性三極體的要小。