教案.第五讲 MOS构成基本逻辑门电路

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1、第五讲MOS构成基本逻辑门电路本讲重点1.分立元件MOS逻辑门电路工作原理；2.CMOS逻辑非门电路工作原理。本讲难点1.MOS管的开关特性；2.CMOS反相器工作原理及电路的电压、电流静态和动态特性。教学手段本讲宜教师讲授，安排练习与学生互动，用多媒体演示为主、板书为辅。教学步骤教学内容设计意图表达方式1．回顾上一讲由分立全器件二极管构成逻辑与门和或门电路，由NPN三极管构成非门，以及二极管和三极管构成与非及或非门为本次课做准备。上一讲内容回顾：Ø二极管与门及或门二极管与门二极管或门ØNPN型三极管反相器电路（非

2、门）及工作原理Ø二极管和三极管构成与非门及或非门为了与前次课内容衔接，需要进行简单地复习与回顾。之后，引入新教学内容，如此处理教学效果会更好。为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。2．提出问题，导入MOS构成逻辑门电路问题的讨论。1）既然用分立元件三极管可以构成非门，那么用MOS管是否也可以构成非门，如何构成，是怎样工作的；2）既然用分立元件二极管和三极管构成与非门及或非门，用分立元件二极管和MOS管是否可以构成与非门及或非门；3）只用MOS管是否可以构成逻辑门电路，如果可以其工作原理如何分析，电路特性是什么

3、样的？用问题激发学生听课的兴趣。3．对上述问题的逐一讲解、解答。3.1复习MOS管结构及工作原理1.MOS管的工作原理及开关特性一.N沟道增强性MOS管的结构和工作原理①N沟道增强性MOS管的结构②工作原理③输出特性此处解释：N沟道增强性MOS管的开关特性。为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。3.2讲解MOS分立元件构成逻辑非门工作原理3.3讲解MOS分立元件构成逻辑与非及或非门工作原理二.P沟道增强性MOS管的结构和工作原理2.MOS分立元件构成非门（反相器）→3.分立元件二极管和MOS管构成与非及或非门

4、此处解释：P沟道增强性MOS管的开关特性。此处说明：采用模拟电子中的负载线方法讲解，使学生容易理解。为了节约课时采用课件PPT演示方式组织教学。此处强调：逻辑门电路的输入信号取值为：0V或者VDD，电路中器件均以开关方式工作。3.4讲解CMOS集成逻辑门电路3.4.1讲解CMOS反相器电路组成及工作原理3.4.2讲解CMOS反相器电路各种特性3.4.2.1讲解CMOS反相器电路电压传输特性和电流传输特性3.4.2.2讲解CMOS反相器4.CMOS集成逻辑门电路一．CMOS反相器工作原理当NMOS管和PMOS管成对出

5、现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管。Ø基本电路组成与工作原理Ø电压传输特性和电流传输特性©AB段：uIUth(N)，TN开始导通，uO略下降。©CD段：uI=0.5VDD，TN、TP均导通，uO↓→iD↑=iD(max)。©DE、EF段：与BC、AB段对应，且TN、TP的状态与之相反，TN截止→导通；TP导通→截止。Ø输入端噪声容限此处解释：CMOS中第一个字母C的含义为互补意思。此处注意：讲解时需要详细分析电路工作原

6、理。此处提醒：CMOS反相器CD段两个MOS管处于恒流区且沟道相同，此时电流达到最大值。输入端噪声容限特性3.4.2.3讲解CMOS反相器静态输入输出特性在保证电路输出高或低电平为规定值的条件下，前一个门的输出作为后一个门的输入，其电平的允许波动的最大范围称为输入端噪声容限。ØCMOS反相器的静态输入输出特性①输入特性因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。F以74HC输入端保护电路输入特性为例介绍在正常的输入信号范围内，即–0.7V

7、VDD+0.7)V，输入电流iI≈0。在–0.7V~(VDD+0.7)V以外的区域，保护电路中的二极管已进入导通状态。二极管导通时也限制了电容两端电压的增加，这非常利于提高工作速度。注意：由于门电路输入端的的输入阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故CMOS此处强调：噪声容限在实际应用中的意义，特别是带动负载较重的情况下对电路可靠性的影响。此处解释：CMOS静态输入特性主要是由保护电路产生的。3.4.2.4讲解CMOS反相器动态特性门电路的输入端不允许悬空。②输出特性F输出低电平VOL时F输出高电

8、平VOH时考虑到芯片功耗发热等因素74HC系列CMOS门最大输出电流±4mA。ØCMOS反相器的动态特性①传输延迟时间②交流噪声容限噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。③动态功耗此处强调：输出特性不仅与带动负载能力相关，而且还要顾及芯片的功耗和噪声容限，负载太重影响电路使用寿命和降低了噪声容限，最终电路可靠性和耐用性均被降低。反相器从一种稳