Metal-Oxide-Semiconductor)
，它指的是一种特殊类型的电子集成电路
(IC)
。
集成电路是一块微小的硅片，它包含有几百万个电子元件。术语
IC
隐含的含义是
将多个单独的集成电路集成到一个电路中，
产生一个十分紧凑的器件。在通常的术
语中，集成电路通常称为芯片，而为计算机应用设计的
IC
称为计算机芯片。
虽然制造集成电路的方法有多种，
但对于数字逻辑电路而言
CMOS
是主要的方法。
桌面个人计算机、工作站、视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于
CMO
S
集成电路来完成所需的功能。当我们注意到所有的个人计算机都使用专门的
CM
OS
芯片，如众所周知的微处理器，来获得计算性能时，
CMOS
IC
的重要性就不
言而喻了。
CMOS
之所以流行的一些原因为
:
•
逻辑函数很容易用
CMOS
电路来实现。
•CMOS
允许极高的逻辑集成密度。
其含义就是逻辑电路可以做得非常小，
可以制
造在极小的面积上。
•
用于制造硅片
CMOS
芯片的工艺已经是众所周知，并且
CMOS
芯片的制造和销
售价格十分合理。
这些特征及其它特征都为
CMOS
成为制造
IC
的主要工艺提供了基础。
CMOS
可以作为学习在电子网络中如何实现逻辑功能的工具。
CMOS
它允许我们
用简单的概念和模型来构造逻辑电路。而理解这些概念只需要基本的电子学概念。
CMOS
逻辑门电路的系列及主要参数
:
1
．
CMOS
逻辑门电路的系列
CMOS
集成电路诞生于
20
世纪
60
年代末，经过制造工艺的不断改进，在应用的
广度上已与
TTL
平分秋色，它的技术参数从总体上说，已经达到或接近
TTL
的水
平，其中功耗、噪声容限、扇出系数等参数优于
TTL
。
CMOS
集成电路主要有以
下几个系列。
（
1
）基本的
CMOS
——
4000
系列。
这是早期的
CMOS
集成逻辑门产品，工作电源电压范围为
3
～
18V
，由于具有功
耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。缺点是工作速度较低，
平均传输延迟时间为几十
ns
，最高工作频率小于
5MHz
。
（
2
）高速的
CMOS
——
HC
（
HCT
）系列。
该系列电路主要从制造工艺上作了改进，使其大大提高了工作速度，
平均传输延迟
时间小于
10ns
，最高工作频率可达
50MHz
。
HC
系列的电源电压范围为
2
～
6V
。
HCT
系列的主要特点是与
TTL
器件电压兼容，它的电源电压范围为
4.5
～
5.5V
。
它的输入电压参数为
VIH
（
min
）
=2.0V
；
VIL
（
max
）
=0.8V
，与
TTL
完全相
同。另外，
74HC/HCT
系列与
74LS
系列的产品，只要最后
3
位数字相同，则两
种器件的逻辑功能、外形尺寸，引脚排列顺序也完全相同，这样就为以
CMOS
产
品代替
TTL
产品提供了方便。
（
3
）先进的
CMOS
——
AC
（
ACT
）系列
该系列的工作频率得到了进一步的提高，同时保持了
CMOS
超低功耗的特点。其
中
ACT
系列与
TTL
器件电压兼容，电源电压范围为
4.5
～
5.5V
。
AC
系列的电源
电压范围为
1.5
～
5.5V
。
AC
（
ACT
）系列的逻辑功能、引脚排列顺序等都与同型
号的
HC
（
HCT
）系列完全相同。
2
．
CMOS
逻辑门电路的主要参数
CMOS
门电路主要参数的定义同
TTL
电路，
下面主要说明
CMOS
电路主要参数的
特点。
（
1
）输出高电平
VOH
与输出低电平
VOL
。
CMOS
门电路
VOH
的理论值为电源
电压
VDD
，
VOH
（
min
）
=0.9VDD
；
VOL
的理论值为
0V
，
VOL
（
max
）
=0.0
1VDD
。
所以
CMOS
门电路的逻辑摆幅
（即高低电平之差）
较大，
接近电源电压
V
DD
值。
（
2
）
阈值电压
Vth
。
从
CMOS
非门电压传输特性曲线中看出，输出高低电平的过
渡区很陡，阈值电压
Vth
约为
VDD/2
。
（
3
）抗干扰容限。
CMOS
非门的关门电平
VOFF
为
0.45VDD
，开门电平
VON
为
0.55VDD
。因此，其高、低电平噪声容限均达
0.45VDD
。其他
CMOS
门电路
的噪声容限一般也大于
0.3VDD
，电源电压
VDD
越大，其抗干扰能力越强。
（
4
）传输延迟与功耗。
CMOS
电路的功耗很小，一般小于
1
mW/
门，但传输延
迟较大，一般为几十
ns/
门，且与电源电压有关，电源电压越高，
CMOS
电路的传
输延迟越小，
功耗越大。
前面提到
74HC
高速
CMOS
系列的工作速度己与
TTL
系
列相当。
（
5
）扇出系数。因
CMOS
电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般额定
扇出系数可达
50
。但必须指出的是，扇出系数是指驱动
CMOS
电路的个数，若就
灌电流负载能力和拉电流负载能力而言，
CMOS
电路远远低于
TTL
电路。
CMOS
逻辑门电路是在
TTL
电路问世之后
，
所开发出的第二种广泛应用的数字集
成器件，
从发展趋势来看，
由于制造工艺的改进，
CMOS
电路的性能有可能超越
T
TL
而成为占主导地位的逻辑器件
。
CMOS
电路的工作速度可与
TTL
相比较，而
它的功耗和抗干扰能力则远优于
TTL
。此外，几乎所有的超大规模存储器件
，以
及
PLD
器件都采用
CMOS
艺制造，且费用较低。
早期生产的
CMOS
门电路
为
4000
系列
，随后发展为
4000B
系列。当前与
TTL
兼容的
CMO
器件如
74H
CT
系列等可与
TTL
器件交换使用。
MOS
管主要参数：
1.
开启电压
VT
•
开启电压
（又称阈值电压）
：
使得源极
S
和漏极
D
之间开始形成导电沟道所需的
栅极电压；
•
标准的
N
沟道
MOS
管，
VT
约为
3
～
6V
；
•
通过工艺上的改进，
可以
使
MOS
管的
VT
值降到
2
～
3V
。
2.
直流输入电阻
RGS
•
即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比
•
这一特性有时以流过栅极的栅流表示
•MOS
管的
RGS
可以很容易地超过
1010Ω
。
3.
漏源击穿电压
BVDS
•
在
VGS=0
（增强型）的条件下
，在增加漏源电压过程中使
ID
开始剧增时的
V
DS
称为漏源击穿电压
BVDS
•ID
剧增的原因有下列两个方面：
（
1
）漏极附近耗尽层的雪崩击穿
（
2
）漏源极间的穿通击穿
•
有些
MOS
管中，
其沟道长度较短，
不断增加
VDS
会使漏区的耗尽层一直扩展到
源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后源区中的多数载流子，将直
接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的
ID
4.
栅源击穿电压
BVGS
•
在增加栅源电压过程中，使栅极电流
IG
由零开始剧增时的
VGS
，称为栅源击穿
电压
BVGS
。
5.
低频跨导
gm
•
在
VDS
为某一固定数值的条件下
，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电
压微变量之比称为跨导
•gm
反映了栅源电压对漏极电流的控制能力
•
是表征
MOS
管放大能力的一个重要参数
•
一般在十分之几至几
mA/V
的范围内
6.
导通电阻
RON
•
导通电阻
RON
说明了
VDS
对
ID
的影响
，
是漏极特性某一点切线的斜率的倒数
•
在饱和区，
ID
几乎不随
VDS
改变，
RON
的数值很大
，一般在几十千欧到几百
千欧之间
•
由于在数字电路中
，
MOS
管导通时经常工作在
VDS=0
的状态下，所以这时的
导通电阻
RON
可用原点的
RON
来近似
•
对一般的
MOS
管而言，
RON
的数值在几百欧以内
7.
极间电容
•
三个电极之间都存在着极间电容：
栅源电容
CGS
、
栅漏电容
CGD
和漏源电容
C
DS
•CGS
和
CGD
约为
1
～
3pF
•CDS
约在
0.1
～
1pF
之间
8.
低频噪声系数
NF
•
噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的
•
由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则
的电压或电流变化
•
噪声性能的大小通常用噪声系数
NF
来表示，它的单位为分贝（
dB
）
•
这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小
•
低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数
•
场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小
TTL
电路发展简史
TTL
电路是晶体管
-
晶体管逻辑电路的英文缩写
（
Transister-Transister-Logic
）
，
是数字集成电路的一大门类。
它采用双极型工艺制造，
具有高速度低功耗和品种多
等特点。从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品。第一代
TTL
包
括
SN54/74
系列，（其中
54
系列工作温度为
-55
℃～
+125
℃，
74
系列工作温
度为
0
℃～
+75
℃），低功耗系列简称
lttl
，高速系列简称
HTTL
。第二代
TTL
包
括肖特基箝位系列（
STTL
）和低功耗肖特基系列（
LSTTL
）第三代为采用等平面
工艺制造的先进的
STTL(ASTTL)
和先进的低功耗
STTL
（
ALSTTL
）由于
LSTTL
和
ALSTTL
的电路延时功耗积较小，
STTL
和
ASTTL
速度很快，因此获得了广泛
的应用。
TTL
数字集成电路分类：
电路类型
TTL
数字集成电路约有
400
多个品种，
大致可以分为以下几类：
门电路
,
译码器
/
驱动器
,
触发器
,
计数器
,
移位寄存器
,
单稳、双稳电路和多谐振荡器
,
加法器
乘法器
,
奇偶校验器
,
码制转换器
,
线驱动器
/
线接收器
,
多路开关
,
存储器特性曲线
电压传输特性
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