TTL电路和CMOS电路(3)_专业集成电路测试网-芯片测试技术-ic test

CMOS电路的工作原理基于两种晶体管的互补特性：

· 当输入信号为低电平时，PMOS晶体管导通，NMOS晶体管截止。
· 当输入信号为高电平时，NMOS晶体管导通，PMOS晶体管截止。
这种互补操作使得CMOS电路在任何给定时间都至少有一个晶体管处于截止状态，从而显著降低了功耗。

1.什么是CMOS?

· 金属氧化物半导体
：MOS晶体管的名称来源于其结构特点，即金属（栅极）-氧化物（绝缘层）-半导体（衬底）。栅极电压通过氧化物绝缘层控制半导体沟道的导电性，从而实现对电流的控制。

· 互补结构
：CMOS技术基于互补对称的MOS晶体管结构，即同时使用p型和n型MOS晶体管。

2. CMOS反相器

CMOS反相器由一个p沟道MOS晶体管和一个n沟道MOS晶体管组成。
当输入为低电平时，p沟道MOS晶体管导通，n沟道MOS晶体管截止，输出为高电平；
当输入为高电平时，n沟道MOS晶体管导通，p沟道MOS晶体管截止，输出为低电平。

3. CMOS缓冲器

CMOS缓冲器的主要功能不是进行逻辑运算，而是增强信号的驱动能力。

缓冲器通过提供电流放大、低输出阻抗、信号整形、隔离、驱动长线、减少反射和干扰等功能，提高信号的驱动能力，使其在负载较重或信号传输条件不佳的情况下仍然能够保持信号的完整性和可靠性。

电路工作原理

· PMOS和NMOS晶体管
：电路中使用了两种类型的MOSFETs，即PMOS（灰色）和NMOS（蓝色）。这些晶体管在互补的状态下工作，即当一个导通时，另一个截止，反之亦然。

· 信号放大
：当输入信号为低电平时，PMOS晶体管导通，NMOS晶体管截止，电源Vcc通过PMOS晶体管向输出提供电流，使输出端X为高电平。相反，当输入信号为高电平时，NMOS晶体管导通，PMOS晶体管截止，输出端X接地，为低电平。

· 信号缓冲
：这个电路作为一个缓冲器，可以增强输入信号的驱动能力，使其能够驱动更大的负载或更远的传输距离。

电路特点

· 低功耗
：CMOS电路在静态状态下（即输入信号稳定时）几乎不消耗功率，因为至少有一个晶体管（PMOS或NMOS）处于截止状态。

· 高输入阻抗
：由于MOSFETs的高输入阻抗特性，CMOS缓冲器对输入信号源的影响很小。

· 低输出阻抗
：缓冲器的输出阻抗较低，这有助于驱动负载并减少信号失真。

4. NAND门和NOR门

2-input NAND Gate

· 电路结构
：由两个交叉耦合的PMOS和NMOS晶体管对组成。PMOS晶体管的源极连接到电源Vcc，漏极连接到输出。NMOS晶体管的源极接地，漏极也连接到输出。

· 工作原理
：当两个输入A和B都为高电平（H）时，两个NMOS晶体管导通，将输出拉低到接近地电平（L）。只有当至少一个输入为低电平（L）时，对应的PMOS晶体管导通，NMOS晶体管截止，输出被拉高到接近电源电压（H）。

· Layout布局特点
版图中，输入A和B通过接触孔连接到多晶硅栅极，输出通过金属层连接到晶体管的源极和漏极。N型和P型扩散区分别形成NMOS和PMOS晶体管的源极和漏极。

· Layout颜色编码
o 蓝色（METAL1）：表示第一层金属，用于连接不同的元件。
o 红色（N DIFFUSION）：表示N型扩散区，通常是NMOS晶体管的源极和漏极。
o 黄色（P DIFFUSION）：表示P型扩散区，通常是PMOS晶体管的源极和漏极。
o 绿色（POLY）：表示多晶硅层，用于形成晶体管的栅极。
o 黑色（CONTACT）：表示接触孔，用于连接不同的层次。
o 深蓝色（N WELL）：表示N阱，是NMOS晶体管的衬底。

2-input NOR Gate
· 电路结构
：与NAND门类似，但PMOS和NMOS晶体管的排列方式不同。PMOS晶体管并联，NMOS晶体管串联。

· 工作原理
：当两个输入A和B都为低电平（L）时，两个PMOS晶体管截止，NMOS晶体管导通，输出被拉高到接近电源电压（H）。只有当至少一个输入为高电平（H）时，对应的PMOS晶体管导通，NMOS晶体管截止，输出被拉低到接近地电平（L）。

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