相路来等的实。抗现约 干 。为 扰 这0能 在.4T力5TU，LD电还D。路可同中以时是通，办过为不适了到当提的提高。高CUMDOD的S门方电法
•
③ 电源电压工作范围宽，电源利用率高。
标准CMOS电路的电源电压范围很宽，可在3~18V
范围内工作。当电源电压变化时，与电压传输特
性有关的参数基本上都与电源电压呈线性关系。
•
Cox——单位面积栅极电容；
•
W——沟道宽度；
•
L——沟道长度(见图1－2(a))；
•
W/L——MOS管的宽长比。
•
在MOS集成电路设计中，宽长比是一个
极为重要的参数。
• 输出特性
•
N沟道增强型MOSFET的输出特性如图1－6所示。
与结型场效应管的输出特性相似，它也分为恒流区、可变
电阻区、截止区和击穿区。其特点为：
• ·器件复杂性 器件越复杂，反向偏置二极管数目
• 就越多，结面积成比例增大，漏电电流也越大。
• ·电源电压 少数载流子（即P型区的电子、N型区的空穴）数目
与反向结电压线性相关，它们在反向电压作用下很容易通过PN 结形成反向漏电电流。电压越高，漏电电流越大。
• 动态功耗: • CMOS集成电路的动态功耗包括3部分：负载电容
• 绝缘栅场效应管的结构：
如图所示，其中图1－2(a)为立体结构示意图， 图(b)为平面结构示意图。
源极 栅极 漏极
S
GD
A1层
N＋
N＋
耗 尽
L
层
P型衬底
W
氧化层 (SiO2)
B (a)
S
G
N＋
D 绝缘层(SiO2)
N＋
半导体
P型硅衬底 衬底引线B
(b)
UDS
UGS
N＋
N＋
PN结(耗尽层) P型衬底 B (a)
1 1
UA
来表达uDS对沟道及电流iD的影响。显然，曲线越 平坦，|UA|越大，λ越小。
• 高速CMOS 54HC/74HC系列与4000系列各
个器件的电路图完全相同，都是互补对称
的电路结构，即逻辑器件基本上包含数量 相同的P管和N管。例如由一个P管和一个N 管组成的高速CMOS反相器，这是用氧化物 隔离、自对准硅栅CMOS工艺制成的。
小的漏电流(该漏电流与温度有关,具有正温度系
数)，因而静态功耗很低，有利于提高集成度。但
是,当两管同时导通时,会出现贯通电流(3-5mA).这
是很不利的.为防止输入电平过渡时的贯通电流的
损耗,要求输入电压跃变快(上升沿以及下降沿要
陡峭)
•
② 抗干扰能力强。由于其阈值电压
U峭T，=1所/2以UD低D，电在平输噪入声信容号限变和化高时电，平过噪渡声区容变限化近陡似
到“1”，都有一段短暂的时间P沟管和N沟管同时导通，在Vcc和地之 间建立起低阻通路，如图1-22所示。在VTN≤VI≤Vcc-VTP范围内流过
的电源电流Ic的波形如图1-23所示，它形成一个电流尖峰。可以看到，
HC型器件在VI=1/2Vcc、HCT器件在VI=1.3V左右的位置，瞬态电源
电流Ic达到最大值。对于比较短的输入上升/下降时间，电流Ic的平均
• Ids与沟道长度成反比，从4000系列的7μm
栅长缩短至高速CMOS的3μm，有利于提高 输出驱动电流。现在已经达到0.18μm。
CMOS工作原理
• 1. 电路结构及工作原理
• CMOS反相器电路如图 (a)所示，它由
两个增强型MOS场效应管组成，其中V1为 NMOS管，称驱动管，V2为PMOS管，称负
CMOS反相器的输出电压摆幅大，UOH=UDD, UOL=0V，因此电源利用率很高。
•
④输入阻抗高,具有电容性.由于栅极的SiO2绝
缘层存在,所以输入阻抗极高.一般为数百M.实际
上由于保护二极管的漏电流,会使得输入阻抗下降
一个数量级.高阻抗输入使得前级具有很大的扇出
系数.
•
• CMOS非门传输延迟较大，且它们均与电源
导 通 时 才 有 电 流 iD 流 过 V1 和 V2 ， 并 且 在 UI=1/2UDD附近，iD最大。
iD
5mA
UTN
UTP
0A
B 1
CD
2 UDD
UDD
100nA
UI
图 CMOS反相器的电流传输特性
•
从以上分析看出，CMOS电路有以下特点：
•
① 静态功耗低。CMOS反相器稳定工作时总
是有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极
• （2）内部电容的瞬态功耗
• 内部电容是指集成电路内由二极管结、
MOS结构、铝及多晶硅连线等形成的寄生 电容，它的大小由器件的复杂程度决定。 在图1-2中已标明了高速CMOS反相器各个 寄生电容的位置。
• 内部电容对功耗的影响与外部负耗电容相
同。
• （3）开关瞬态电流
• 当输入电压信号改变状态时，无论从逻辑“1”到逻辑“0”，还是从“0”
• 通过课程教学、使学生掌握应用集成电路的技巧，建立起
设计应用型电路的正确思维方式，具备通过自学获取新知 识的能力。
• 本课程是实践技能训练的一个重要教学环节
第一章：CMOS数字集成电路基础
•
集成电路可以按照不同的标准进行分类。 如果根据功能分类，有数字集成电路和模 拟集成电路之分；以组成集成电路的器件 来划分，可分为双极型和MOS两大类。根 据后一种划分方法，集成电路的分类情况 如图1-1所示。
其主要特点为：
•
(1)当uGS<UGSth时，iD=0。
•
(2)当uGS >UGSth时， iD >0，uGS越大，
•
iD也随之增大，二者符合平方律关系，
如下式所示。
iD

unCox 2
W L
(uGS
UGSth)2
• 式中：UGSth——开启电压(或阈值电压)；
•
μn——沟道电子运动的迁移率；
载管。图(b)是CMOS反相器的简化电路。 NMOS管的栅源开启电压UTN为正值，
PMOS管的栅源开启电压是负值，其数值范 围在2~5V之间。为了使电路能正常工作，
要求电源电压UDD＞(UTN+|UTP|)。UDD
可在3~18V之间工作，其适用范围较宽。
UDD
UDD
V2( P沟道 )
V2
UI
UO
UI
电压有关。 表1-1列出了温度为25℃、负载 电容为50pF时，不同电源电压下CMOS非门 的传输延迟和功耗。由表可见，电源电压 越高，CMOS电路的传输延迟越小，功耗越 大。
表 1-1 CMOS非门的延迟和功耗与电源电压的关系
电源电压/V
5
10
15
传输延迟/ns每门
50
30
20
功耗/mW每门
0.5
其应用。主要掌握当前广泛使用的74/HC/HCT系列CMOS 集成电路、包括门电路、反相器、施密特触发器与非门等 电路在振荡、整形、逻辑等方向的应用，掌握CMOS电路 与TTL电路的区别，CMOS电路与TTL电路及非标准电路的 接口，掌握锁相环的基本原理。能应用CD4046锁相环进 行基本应用设计。
UI=1/2UDD 时 两 管 导 通 内 阻 相 等 ， UO=1/2UDD。因此，CMOS反相器的阈值 电压为UT≈1/2UDD。BC段特性曲线很陡，
可见CMOS反相器的传输特性接近理想开关 特性， 因而其噪声容限大，抗干扰能力强。
CMOS反相器的电流传输特性
CMOS 反 相 器 的 电 流 传 输 特 性 如 图 3-22 所示，在AB段由于V1截止，阻抗很高，所 以流过V1和V2的漏电流几乎为0。 在CD段 V2截止，阻抗很高，所以流过V1和V2的漏 电流也几乎为0。只有在BC段，V1和V2均
• 氧化物隔离、较浅的结深、较短的沟道长
度和较小的栅覆盖电容，使高速CMOSIC寄 生电容比金属栅CMOS减小了一半左右，两 者的比较如图1—9所示。
图1－8：寄生电容之比较
• 高速CMOS IC较低的开启电压（典型值为
0.7V）、较薄的栅氧化层和较短的沟道长 度，使它的跨导比金属栅CMOS增长几乎四 倍。再加上高速CMOS IC寄生电容比金属栅 减小了一半左右，两者综合作用的效果使 高速CMOS的开关速度达到金属栅CMOS的 8～10倍。
的瞬态功耗、内部电容的瞬态功耗和开关瞬态电 流。现分述如下：
• （1）负载电容的瞬态功耗 • 对负载电容的充电和放电形成高速CMOS集成电路
的动态功耗。图1-21为带负载电容的CMOS反相器。 CL为互连、被驱动输入端和插座等的电容之和。 计算负载电容瞬态功耗的公式为：
PCL CL Vcc 以低功耗见长。
• CMOS IC因为具有功耗低、输入阻抗高、噪
声容限高、电源电压范围宽、输出电压幅 度与电源电压接近、对称的传输延迟和跃 迁时间等优点，发展极为迅速。
• CMOS IC至今已经发展了四代。其性能与
速度与TTL相比，差距大约是10个月。
高速CMOS集成电路的原理和结构
所以UO=UOL≈0，输出低电平。
UO AB
UDD
0.7UDD
1 2
UDD
UTN 0
C UTP D
1 2
UDDvT
UDD
0.3UDD
UI
图 CMOS反相器的电压传输特性
BC段：UTN＜UI＜(UDD-|UTP|)，此时 由于UGS1＞UTN，UGS2＞|UTP|，故V1、
V2 均 导 通 。 若 V1 、 V2 的 参 数 对 称 ， 则
很小，曲线从此进入恒流区。
UDS UGS