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【CMOS邏輯IC基礎(chǔ)知識(shí)】——受歡迎的CMOS邏輯IC

發(fā)布時(shí)間:2023-03-14 來源:東芝 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在上期的芝識(shí)課堂中,我們和大家簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)了邏輯IC的基本知識(shí)和分類,并且特別提到CMOS邏輯IC因成本、系統(tǒng)復(fù)雜度和功耗的平衡性最好,因此得到了最廣泛應(yīng)用。今天我們就詳細(xì)跟大家一起了解CMOS邏輯IC的基本操作。


什么是CMOS呢?


使用互補(bǔ)的p溝道和n溝道MOSFET組合的電路稱為CMOS(互補(bǔ)MOS)。CMOS邏輯IC以各種方式組合MOSFET來實(shí)現(xiàn)邏輯功能。其中由一對(duì)p溝道和n溝道MOSFET組成的邏輯門稱為反相器。圖1是一個(gè)基本的邏輯IC結(jié)果示意,圖2用流程圖的形式,簡(jiǎn)要介紹了反相器的操作。


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圖1 CMOS 邏輯IC示意


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圖2 反相器工作基本原理示意


在CMOS邏輯IC中,通過組合p溝道和n溝道MOSFET可以實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能,從而根據(jù)不同的輸入得到想要的輸出結(jié)果。當(dāng)MOSFET的柵極-源極電壓超過某個(gè)電壓(閾值電壓,|Vth|)時(shí),漏極-源極電阻減小,使得MOSFET導(dǎo)通。這種漏極-源極電阻稱為導(dǎo)通電阻。n溝道和p溝道MOSFET的柵極和源極之間施加的電壓方向不同。圖3顯示了MOSFET導(dǎo)通的條件。


1676951954157710.png圖3 MOSFET導(dǎo)通的條件


N溝道MOSFET:當(dāng)柵極電壓比源極電壓高|Vth|時(shí),n溝道MOSFET導(dǎo)通。


P溝道MOSFET:當(dāng)柵極電壓比源極電壓低|Vth|時(shí),p溝道MOSFET導(dǎo)通。


如圖4所示的反相器作為CMOS邏輯IC的基本組成部分,它的工作情況如下。當(dāng)VIN處于VCC或GND電平時(shí),p溝道或n溝道MOSFET均關(guān)斷。因此,VCC和GND之間只有很小的電流(ICC)流過。當(dāng)輸入處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)(處于VCC或GND電平),ICC非常低。


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圖4 CMOS邏輯IC(反相器)的組件


圖5則顯示了CMOS的VIN-ICC曲線。當(dāng)VIN介于0和|Vth|之間或VCC-|Vth|和VCC之間時(shí),VCC和GND之間只有很小的電流(ICC)流過。但是,當(dāng)VIN介于|Vth|和VCC-|Vth|之間時(shí),直通電流從p溝道MOSFET到n溝道MOSFET,從而增加了ICC。因此,應(yīng)注意確保避免對(duì)于VIN的輸入變化過慢。


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圖5 CMOS邏輯IC的VIN-ICC曲線


了解了CMOS邏輯IC的基本工作原理,我們接下來通過展示橫截面示例來更深入地學(xué)習(xí)CMOS邏輯IC的構(gòu)造:


下圖中,#1為N基底,通常是晶圓基底。#2為P阱,指的是形成n溝道MOSEFT的區(qū)域。#3為n溝道MOSFET源極的擴(kuò)散區(qū)。#4為n溝道MOSFET漏極的擴(kuò)散區(qū)。#5為p溝道MOSFET漏極的擴(kuò)散區(qū)。#6為p溝道MOSFET源極的擴(kuò)散區(qū)。#7為p阱偏壓擴(kuò)散區(qū)。#8為n基底偏壓擴(kuò)散區(qū)。


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圖6 橫截面示例


作為CMOS邏輯IC的制造者,自推出第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS系列(4000系列)以來,東芝已經(jīng)發(fā)布了連續(xù)幾代高速和低壓CMOS邏輯IC,包括標(biāo)準(zhǔn)CMOS、高速CMOS、升級(jí)版CMOS、特高速和低壓與超低壓系統(tǒng)等不同指標(biāo)的產(chǎn)品。未來東芝將繼續(xù)提供適用于各種應(yīng)用的CMOS邏輯IC。


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圖7 東芝CMOS IC系列


在今天的芝識(shí)課堂中,我們?yōu)榇蠹以敿?xì)描述了CMOS邏輯IC的基本操作流程,不過這種操作流程用一篇圖文的形式表達(dá)理解起來還是有些難度,如果您想要了解更多更詳細(xì)的芝識(shí),歡迎到東芝官網(wǎng)學(xué)習(xí)吧!



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