3.3 MOS逻辑门

 

3.3  MOS逻辑门

前面学习的TTL逻辑门都是以双极型晶体管为基本元件构成的集成电路。本节将讨论以金属氧化物-半导体场效应管，也就是我们常说的MOS管为基本元件的集成逻辑门，称为MOS逻辑门。

MOS管制造工艺简单，功耗低，输入阻抗高，集成度高且没有电荷存储效应，在数字集成电路中用途非常广泛。

MOS集成电路可以根据所用管子类型的不同分为以下3种。

·    N MOS电路：N MOS电路是由N MOS管构成的集成电路。其工作速度优于P MOS，但制造工艺要复杂些。

·    P MOS电路：P MOS电路是由P MOS管构成的集成电路。它出现的早，制造工艺简单，但是工作速度较慢。

·    C MOS电路：C MOS电路是由P MOS管和C MOS管构成的互补集成MOS电路，它具有静态功耗低，抗干扰能力强，工作稳定性好，开关速度高等优点。这种电路的制造工艺复杂，但目前已经得到广泛应用。

3.3.1  MOS晶体管

MOS管可以根据结构的不同分为N MOS管（N沟道）和P MOS管（P沟道）。每一类又可以根据其特性分为增强型和耗尽型两种。P MOS管是较早出现的产品，其电源电压高且用负电压，工作效率低，而且由它构成的逻辑门与TTL型逻辑门不能兼容。比较而言，N MOS管的工作效率较高，电源电压为正电压，由它构成的逻辑门能与TTL型逻辑门兼容，所以应用范围广泛。此外，由一个N MOS管和一个P MOS管可以构成功耗很小的C MOS管，它的性能优越，应用非常广泛。下面我们以N沟道增强型MOS管为例来介绍MOS管的结构和特点，并简要介绍各类MOS管之间的差异。

1．N MOS管

（1）N沟道增强型MOS管。

N沟道增强型MOS管的结构如图3-44所示。它是以P型硅片作衬底，利用扩散的方法在其上形成两个掺杂浓度很高的N区，分别称为源极S和漏极D。在硅表面上有SiO₂绝缘层，在它之上再蒸发一层金属铝，引出线称为栅极G。

在栅极未加正电压时，源漏之间有两个方向相反的PN结，在源漏之间加电压U_DS，由于总会有一个PN结是反向偏置，所以管子不会有电流，处于截止状态，i_DS=0A。当在栅极加正电压U_GS，在衬底表面将会感应电子。但在U_GS较小时，感应的电子浓度小，在S和D之间还不能形成导电沟道。当U_GS增加到一定值就会感应出足够的电子，在衬底表面形成N型层，将源极和漏极连接起来，形成了导电沟道（N沟道）。此时，在源极和漏极之间加电压U_DS便会产生电流i_D，即管子为导通状态。开始形成导电沟道的栅极电压称为开启电压V_NT（一般在1～2V）。

图3-44  N沟道增强型MOS管

当U_i=V_DD－V_TL（高电平）时，工作点在C点，这时两管有同一电流流过，输出低电平V_OL。为了保证V_OL≤0.3V，要求TL的导通电阻r_DSL远大于T_O的导通电阻R_DSL。导通电阻与沟道的长宽比L/W成正比，所以要求T_L管的L_L/W_L远大于T_O管的L_O/W_O，即两者应保持一定的比例关系，称为有比型电路，通常采用典型比例10︰1。由于有比型电路中，两个MOS管的沟道尺寸差异很大，占用芯片面积大，不利于提高集成度。

这类反向器的特点是：单一电源，电路结构简单；TL管总是工作在饱和区，工作速度低，功耗低；输出高电平为V_DD－V_TL，电源电压未充分利用。

（2）N沟道耗尽型MOS管。

这种类型的MOS管与增强型类似，但在制造时，在S与D极间的衬底表面上已形成了N型沟道，因而栅压U_GS为0V时，仍有导电沟道存在，在源极和漏极之间加电压U_DS即有电流i_D。在栅极加负电压，N型沟道变浅，栅压负到一定数值，以致把这条N型导电沟道全部耗尽时，MOS管就不能导通，所以称之为耗尽型，此时的栅压称为夹断电压V_IN。

2．P MOS管

（1）P沟道增强型MOS管。

用N型硅片作衬底，在其上扩散两个P区，并在栅极上加负电压，可形成P沟道增强型MOS管。一般它的开启电压为V_TP=-（1-2.5）V。在P型沟道中，载流子是空穴，由于空穴的迁移率约为电子迁移率的一半，所以P MOS管的效率比N MOS管要低。

（2）P沟道耗尽型MOS管。

这类MOS管在制造过程中，即使栅压为0V时也有P沟道形成，当栅压加正电压并达到一定的值时，P沟道被耗尽，该MOS管不能导通。此类MOS管制作的工艺复杂，在实际的集成电路中很少使用。

3.3.2  MOS晶体管的静态特性

以N沟道增强型MOS管为例来讨论MOS关的主要特性。

1．输出特性曲线

输出特性曲线是表示在一定的U_GS下，i_DS和U_DS之间关系的曲线。N沟道增强型的MOS管的输出特性曲线如图3-45所示。下面我们来解释一下该曲线的含义及相关的概念。

图3-45  N沟道增强型MOS管特性曲线

·    非饱和区：U_DS值较小，在满足U_DS＜U_GS－V_TN时，i_DS与U_DS近似成线性关系。当U_GS增大，则形成的导电沟道越宽，相应的等效电阻越小，所以i_DS越大；当U_GS一定时，沟道电阻也为定值，所以U_DS越大使电子流动加快，i_DS便线性增加。非饱和区又称为可调电阻区。

·    饱和区：U_DS增加到U_DS≥U_GS－V_TN之后，在漏极附近的沟道被夹断，即导电沟道要缩短，形成空间电荷区，其中电子是在电压作用下吸入漏极D，形成i_DS。由于沟道两端的电压恒定，所以i_DS基本上保持不变。i_DS与U_DS近似无关。对应不同的U_GS，使电流趋于饱和的U_DS也不同，在输出特性曲线上，把满足U_DS=U_GS－V_TN的临界点连接起来便构成非饱和区和饱和区的分界线，我们称之为临界线，如图3-45中的虚线。

·    截止区：当U_GS＜V_TN时，没有导电沟道，i_DS≈0A。

由以上的分析可知，MOS管在作开关用时，在开关信号的作用下交替工作在截止与导通状态。

2．转移特性曲线

转移特性是指在漏源电压U_DS一定时，i_D与栅极控制电压U_GS之间的关系，如图3-46所示，当U_GS＜V_TN时，i_DS=0；当U_GS＞V_TN时，在U_DS作用下才形成i_DS。

图3-46  N沟道增强型MOS管转移特性曲线

3.3.3  N MOS逻辑门

1．N MOS反相器

N MOS反相器是构成N MOS逻辑门的基本单元。依据结构和负载特性可以分为两类：增强型负载反相器（E/EN MOS）和耗尽型负载反相器（E/DN MOS）。下面分别来介绍这两类N MOS负载反相器。

（1）增强型负载反相器（E/E N MOS）。

图3-47  增强型负载反        相器电路图

增强型负载反相器由负载管T_L和输入管T_O组成，两管均采用N沟道增强型MOS管，如图3-47所示。图中T_L管的栅﹑源连接，并接至电源V_DD。因此T_L管总是满足U_DSL＞U_GSL-V_TL，式中V_TL为T_L管的开启电压。所以T_L管总是工作在饱和区。它的输出特性可以用转移特性来表示，如图3-48所示。根据负载管的输出特性可以做出反相器的直流负载线。由于T_L总是工作在饱和区，i_DSL随U_GSL的增加会加大，但不是线性关系，所以要先在输出管T_O的输出特性曲线上确定几点，才能作出直流负载线。在作负载线时应注意流过T_L和T_O的是同一个电流，所以共用一个电流轴。且根据图3-47，可以写出：

U_DSO=V_DD-U_DSL

当U_DSO=V_DD时，U_DSL=0V和i_DS=0A，所以负载线以U_DSO坐标中V_DD为原点；当U_DSO=V_DD-V_TL时，负载管U_GSL=U_DSL=V_TL，所以电流开始形成，即在U_DSO坐标中可以确定A点。显然，在A点与V_DD点之间，i_DS均为0A。在图3-48中T_L管输出特性曲线上找出一个特殊点，令U_DSL=5V，则由图中曲线可确定相应的i_DS。此时，U_DSO=0V，故在图3-48的坐标上确定了B点，再用类似的方法确定C点就可以做出如图3-49中的粗实线所表示的负载线。

在U_i=0.3V时，U_GSO＜V_TO，所以T_O截止，这时只有很小的泄露电流流过负载管T_L，即i_DS≈0A，工作点在A点，输出高电平。

U_O=V_OH=V_DD-V_TL

            

图3-48  T_L输出特性                   图3-49  反相器输出特性

（2）耗尽型负载N MOS反相器。

耗尽型N MOS反相器的电路如图3-50所示。输入管T_O为增强型，负载管T_L为耗尽型。T_L管特性曲线如图3-51（a）所示，因为耗尽型N MOS管在U_GSL=0V时仍有电流导通，可以作出图3-51（b）中粗实线表示的负载线。

图3-50  耗尽型N MOS反相器电路图

（a）T_L输出特性                   （b）反相器输出特性

图3-51  耗尽型N MOS反相器特性曲线

当U_i为低电平时，T_O管截止，工作点在A点，输出高电平V_DD；当U_i为高电平时，T_O管导通，工作点在C点，输出为低电平V_OL。显然，这类反相器也是有比型电路，一般要求：

L_L/W_L≥4×（L_O/W_O）

这类反相器的特点是：输出高电平V_OH=V_DD，充分利用电源；输出低电平V_OL时，工作点在C点，T_L管为饱和状态，i_DS与外加电压无关，呈恒流特性，所以工作速度高，它的性能优于增强型负载反相器，用途很广泛。

2．N MOS逻辑门

这里重点介绍一下增强型负载反相器逻辑门的电路结构和分析方法，增强型负载反相器逻辑门与其类似。

增强型负载反相器与非门如图3-52（a）所示，电路中T_L为负载管，T₁和T₂是两个串联的输入管（驱动管）。只要输入A、B中有一个为0电平，相应的输入管截止，由T₁和T₂构成的串联通路断开，即输出F为1电平；只有输入A、B都为1时，T₁和T₂均导通，输出F为0电平。所以电路的功能是与非逻辑，即F=（AB）'。

增强型负载反相器或非门如图3-52（b）所示，电路中T₁和T₂是两个并联的输入管。只要输入A、B之中有一个为1，则相应的输入管导通，则输出为0；只有输入A、B均为0时，输出F才为1。所以电路的功能是或非逻辑，即F=（A+B）'。

增强型负载反相器与或非门如图3-52（c）所示，用前面的分析方法不难得出该电路的逻辑功能是实现函数F=（AB+C）′。

（a）与非门           （b）或非门                 （c）与或非门

图3-52  增强型负载反相器逻辑门

3.3.4  C MOS逻辑门

1．C MOS反相器

图3-53  C MOS反相器

如图3-53所示的C MOS反相器是由一对P MOS管T_LP和N MOS管T_ON构成的。P MOS管作为负载管，N MOS管作为输入管。两管的栅极连接起来作为输入端；漏极连接起来作为输出端。T_LP管源极接电源V_DD=﹢5V；T_ON管源极接地。我们假设V_TN=2V，V_TP=﹣2.5V，U_iL=0V，U_iH=5V。当U_i为0电平时，T_ON截止，T_LP导通。T_LP管导通电阻R_DL为几百欧，T_ON管截止电阻R_OFF为兆欧量级，所以输入1电平，V_OH≈V_DD。当U_i为低电平时，T_ON导通而T_LP截止。同上述分析一样，输出为0电平，V_OL≈0V，实现了电路的反相功能。

在静态工作时，T_LP和T_ON不会同时导通，在制造时可以使两管导电沟道完全一致。为了保证电路正常工作，电源电压V_DD应大于T_LP和T_ON管的开启电压的绝对值之和，即：

V_DD＞|V_TP|+|V_TN|

下面我们介绍一下C MOS反相器的特性。

（1）电压传输特性。

C MOS反相器的电压传输特性曲线和电流传输特性曲线如图3-54所示。

（a）电压输出特性曲线           （b）电流输出特性曲线

图3-54  C MOS反相器特性曲线

通过分析在输入信号变化时，T_LP管和T_ON管的工作状态，可以得出C MOS反相器的特性。

·    静态功耗很小：在稳压时，C MOS反相器是工作在第Ⅰ和第Ⅴ区，这时总是只有一个MOS管处于截止状态，电路中的电流i_DS为极小的漏电流。只有在第Ⅲ区才会有较大的电流，因此动态功耗会增大，所以在工作频率较低时，功耗是极小的，这是C MOS管的最显著的优点。

·    抗干扰能力强：C MOS反相器的电压传输曲线的转换区（第Ⅲ区）非常陡峭，它的阀值电压近似为V_DD的一半，所以输入低电平或输入高电平的抗干扰容限近似等于V_DD的一半。而且随着V_DD增大，抗干扰能力增强。

·    电源利用率高：输出高电平V_OH=V_DD，同时因阀值电压随V_DD的变化而变化，所以V_DD可以在一个较宽的范围内变化，一般为3～18V。

（2）电源功耗低。

C MOS反相器的静态功耗很小，只有几十个nW，所以在考虑电源功耗时，不能忽视动态功耗，尤其是在工作频率较高的时候，动态功耗要比静态功耗大得多。前面讲到过，瞬时峰值电流发生在第Ⅲ区，也就是T_LP和T_ON管在短时间内同时饱和导通，这时产生瞬时导通功耗P_T；此外，在工作状态发生变化时，对负载电容C_L充、放电消耗功耗P_C。设瞬时电流为i_T，持续时间为?t，则在一周期内的平均值为：

瞬时导通功耗为：

P_T =V_DDI_T

反相器输出由低电平向高电平变化，C_L要通过T_LP管充电，C_L将储能，而T_LP将消耗的能量；反相器输出由高电平向低电平变化，C_L通过T_ON管放掉的能量，即T_ON管有的功耗。若输入信号的工作频率为f，则有：

（3）工作速度。

C MOS反相器的平均延迟时间为200ns左右，其工作速度高于N MOS逻辑门。

（4）负载能力。

T_LP和T_ON管的栅极是反相器的输入端，输入阻抗很高，基本不需要前级门提供负载电流。T_LP和T_ON的导通电阻很小，因此C MOS反相器带同类门的能力比N MOS更强。除此以外，C MOS反相器的制造工艺复杂，成本较高，但由于其优良特性，在计算机和自动化仪表等方面应用广泛。

2．C MOS逻辑门

（1）C MOS与非门。

两输入的C MOS与非门如图3-55所示，可见图中每个输入端都连接到配对的N MOS管和P MOS管的栅极。其中T₁和T₂为两个串联的N MOS管，T₃和T₄为两个并联的P MOS管。

图3-55  C MOS与非门

可见当A、B两个输入信号中有一个为0时，与该端相连的N MOS管截止，P MOS管导通，输出端F为1；只有当输入信号A、B均为1时，N MOS管T₁和T₂均导通，P MOS管T₃和T₄均截止，输出F为0。

当A=0，B=0时，T₁和T₂截止，T₃和T₄导通，F=1；

当A=0，B=1时，T₂和T₄截止，T₁和T₃导通，F=1；

当A=1，B=0时，T₁和T₃截止，T₂和T₄导通，F=1；

当A=1，B=1时，T₃和T₄截止，T₁和T₂导通，F=0；

所以该电路实现的逻辑功能是与非，即：

F=（AB）'

当该电路的输入端增多时，与非门的串联的输入管个数增多，输出低电平增高，使它的抗干扰能力下降。图3-56是为克服这一缺点而设计的电路，其措施是在输出端加了缓冲极。

图3-56  带缓冲的C MOS与非门

（2）C MOS或非门。

C MOS或非门的电路结构如图3-57所示，图中的T₁和T₂为N MOS驱动管，T₃和T₄为P MOS驱动管。

图3-57  C MOS或非门

可见，当输入端A、B中只要有一个为高电平，就会使与它相连的N沟道MOS管导通，与它相连的P沟道MOS管截止，输出为低电平；只有当A、B都为低电平时，两个并联的N沟道MOS管都截止，两个串联的P沟道MOS管都导通，输出为高电平。

当A=0，B=0时，T₁和T₂截止，T₃和T₄导通，F=1；

当A=0，B=1时，T₂和T₄截止，T₁和T₃导通，F=0；

当A=1，B=0时，T₁和T₃截止，T₂和T₄导通，F=0；

当A=1，B=1时，T₃和T₄截止，T₁和T₂导通，F=0；

所以该电路实现的逻辑功能是或非，即：

F=（A+B）'

该电路的的驱动管个数增多时，不会影响输出低电平值，但是负载管个数增多会影响输出高电平值。

3．C MOS传输门

如图3-58（a）所示，将一对N MOS管和P MOS管并列就可以构成传输门，其逻辑符号如图3-58（b）。当C端为V_DD，C′为0V时，两管同时导通，传输门为接通状态；反之，两管同时截止，传输门为断开状态。由于MOS结构的对称性，C MOS的输入端和输出端可以互换，因此它是一个双向开关。它不仅能够传输数字信号，而且可以传输幅度在C和C′之间任意大小的模拟电压，故传输门又叫做模拟开关。实际的模拟开关通常由传输门和非门组成，如图3-59所示，此时开关的接通与断开统一由C控制，C=0时，开关断开，输出为高阻抗；C=1时，开关接通，V_O=V_I。开关接通时，由于两管并联，所以参数基本一致。因此，其导通电阻R_ON基本保持不变，且阻值较小。

 

（a）电路图                    （b）逻辑符号

            图3-58  C MOS传输门                          图3-59  实用模拟开关

4．C MOS三态门

图3-60  C MOS三态门

图3-60为C MOS三态门的电路构成。其中，T₁和T₂为N MOS驱动管；T₃和T₄为P MOS负载管；G为控制非门，V_DD为电源。

C MOS三态门的种类很多，其原理主要是利用反相器来控制驱动管和负载管的截止和导通，实现输出0电平、1电平和高阻3种状态。

（1）当V_G=0时，T₁和T₄均导通。

①V_I=1时，T₂导通，T₃截止，V_O=0。

②V_I=0时，T₃导通，T₂截止，V_O=1。

（2）当V_G=1时，T₁和T₄均截止，无论V_I=1，还是V₁=0，输出均为高阻状态。

C MOS三态门常用于各种三态电路中，例如三态缓冲寄存器、三态累加器、三态计数器等。