清华大学数电3门电路
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低电平噪声容限：
V V V NH
NL
OIH L ((m min ax ) I)H O (m (Lm ina) x设求)定出VVOILH(m(maxin))
特性对称，因而输入端噪声容限较大。CC4000
系列CMOS电路的噪声容限为：（允许输出电
压变化百分之十）
VNH=VNL=30%VDD
设定VOL(max) 求出VIH(min)
从而引出三态输出门(TS)。
30
（三）CMOS传输门 1.传输门
功能：可控制传输0V－VDD间的 模拟电压值。其逻辑符号如右： 传输门可双向传输。
C=0时，传输门截止；
C’
I /O TG O /I
C
C=1时,传输门导通。 设：传输门的导通电阻为RTG、 管T1和T2的导通电阻分别为RON1 和RON2。则：
分 o=VOH和 o ＝VOL两种情况讨论：
当 o ＝VOH时
IOH
3IIH
oV D D IRR L LV Om Hin
IRL= nIOH+mIIH
总线。其电位 o ，
与门符号表示线与
RL
VDDVOHmin nIOHmIIH
用上式求出RL的最大值。 29
当 总线为低电平VOL时：
IOL= IRL+ m’IIL ≤IOLmax
夹断电压
P沟道增强型：
13
请参阅79页，表3.3.1
14
二. CMOS反相器的电路结构和工作原理 Complementary-Symmetry MOS .互补对称式MOS电路。
1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文 Integrated Circuit,简称IC。
集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前 单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方 毫米。
MOS管工作在可变电阻区。
RON
N+
N+
回下页 11
4.MOS管的开关特性及等效电路
•静态特性—三个工作区。
可变电阻区： G,D G SV G(tS h )
截止区： G,SGD V G(tS h )
恒流区： G S V G (t) h S ,G D V G (t) h S 等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。
系数（驱动同类门个数）的主要因素。
20
3.输入特性
由于MOS管栅极绝
缘，输入电流恒为0，
但CMOS门输入端接有
iI
保护电路，从而输入电
A
流不总为0。
I
由曲线可看出，输 入电压在0－VDD间变 化当二时输极，入管输电D1入压导电大通流于；为V当D0输D；时，二电电极阻路管的RS特D串2性和联 入电压小于0V时，二 极管D2导通。
按制造工艺分类：
双极型集成电路； 单极型集成电路；
我们介绍TTL电路。 我们介绍CMOS电路。 15
（一） CMOS反相器的电路结构
N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN; P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;
要求满足VDD VTN+|VTP|;
完要 全求 一两 样管
特 性
输入低电平为0V；高电平为VDD;
它也有三个工作区 压为4V和3V时的 夹断点。
相应曲线称为转移特性。
10
3.MOS管的基本开关电路
注意：VDD必须为正。
当 I =0V时，MOS 管截止， O = VDD；
当 I =VDD时，MOS管导通，其内阻用RON表示。
O
RON RONRD
V VDCD C
若RD R ON，则
o 0,
9
空间电荷区 夹断 可变电阻区
夹断点
恒 流 区
固定电阻
截
止
区
VGS(th)=2V
设 GS ＝5V
VDS=0V出现沟道。 VDS增加，则沟道“倾斜”（阻值增加）。
恒VG流D=区VG中S(itDh)只时受，沟G道S “控夹制断，”其。关V动系D，S式再但为增iD：加不时变，。同夹理断可点求向出源栅区源移电
IRL
VDDVOL RL
RL
VDDVOL IOLm axmII
L
IR L IOL
mIIL
VOL
由上式求出RL的最小值。
RL在求出的范围内取值。取 值偏大会降低工作速度；取值偏
小会增加电源功耗。
见96页 例3.3.2
只有一个门输 出低电平是最 不利情况。
为提高速度，就必须保持输出高电平时的低内阻特性。
当外加电压突然由正向 变为反向时，二极管会短时 间导通。
这段时间用tre表示，称为 反向恢复时间。
它是由于二极管正
向导通时PN结两侧的多
数载流子扩散到对方形
成电荷存储引起的。
tre Di
RL
5
二、二极管与门
由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路 中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。
设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0V VA=VB=0V D1,D2导通，VY=0.7V
17
（二）静态特性
1.电压传输特 性 T2截止， T1导通
T1，T2都导通 称为转折区
特点：
V
V
转折区变化率 大，特性更接 近理想开关。
T1截止，T2导通
阈值电压用VTH表示。
阈值电压
由于特性对称，阈值电压为VDD的一半。
此部分在教材80－86页。 18
•输入端噪声容限
V V V 高电平噪声容限：
栅极 Gate
(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)
称为：金属—氧化物—半导体场 效应管或绝缘栅场效应管
D 漏极 Drain
G
导电沟道
S
(反型层)
S
D
B
当 GS 大于VGS(th)时，将出现导电沟道。 VGS(th)称为开启电压，
与管子构造有关。
二极管 D1的特 性
21
4 .输出特性 (1) 输出低电平
VDD增加相当于 T2的VGS增加
T2工作在可变电阻区，有较小 的导通电阻，当负载电流增加时，
iD
该电阻上的压降将缓慢增加。
对于CC4000系列门电路，当
0
DS
VDD=5V时，IOL的最大值为0.51mA； 而在74HC系列中，该值为4mA。
RTG= RON1//RON2
O = I RL/ (RTG+RL)
C’ T2
T1
若满足 RL>>RTG 则
O I
31
分析原理。先分析只有一个管时的情况：
N沟道管导通
0V VGS(th)P
P沟道管导通
VDD
I
VGS(th)N
单管工作的缺点是：
(1)有死区；
(2)导通电阻随输入电压 变化很大。
采用双管可克服这些缺点。
按集成度分类：
小规模集成电路SSI: Small Scale Integration; 中规模集成电路MSI: Medium Scale Integration; 大规模集成电路LSI: Large Scale Integration; 超大规模集成电路VLSI: Very Large Scale Integration,
导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压 DS
， 8
将形成漏极电流iD。 称为N沟道增强型场效应管
显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越
厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若DS 不变， GS 就
可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。 2.输入输出特性 •输入特性可不讨论。 •输出特性
（1）输入为低电平0V时；
T2截止；T1导通。iD = 0， O =VDD;
（2）输入为高电平VDD时； T1截止；T2导通。iD = 0， O =0V; 输入与输出间是逻辑非关系。
16
在正常工作状态，T1与T2 轮流导通，即所谓互补状态。
特点：静态功耗近似为0；电 源电压可在很宽的范围内选取。
CC4000系列CMOS电路的VDD可在3－18V之间选取。其他 系列以后介绍。（可参阅表3.3.2——在106页）
11
2RON RON/2
输出
低电
用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。平偏
2.或非门
高
特点：P沟道管串联、N沟道管并联；
26
此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。
3.带缓冲级的CMOS门电路
（1）与非门： Y (A ) B 'A ' B ' (A ( ' B '))''
（2）或非门： 同理，可用下式实现：
约为几皮法。 D •动态特性—延迟作用（书上没有）。
由于是单极型器件，无电荷存储效应。 动态情况下，主要是输入电容和负载电 容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞 后于输入电压的变化。其延迟时间比双 极型三极管还要长。
电路图 12
5.MOS管的四种类型
(1)N沟道增强型 (2)P沟道增强型
开启电压
(3)N沟道耗尽型 (4)P沟道耗尽型
22
(2) 输出高电平
DS
与输出低电平类似，此时T1 工作在可变电阻区；当负载电 流增加时，T1的VDS加，导致输 出下降。
此时，IOH的最大值，与 输出低电平时相同。
IOH 0
VDD VOH
VOH= DS + VDD
iD 0
DS
23
（三）动态特性 1.传输延迟时间
tPD范围： 和影负响((12))载，MM电所OO容以SS管管对，在的传VD开导输D也关通延影过电迟响程阻时传中比间输无T的T延电影L迟电荷响时路存非间大储常；的，显多有著，利。所于导477－以缩通044见0HA其短电0CH1内系延阻系C07部列迟系受列页电为时列V为表D容1间为1D00；50nnnsss,,
Y (A B ) 'A 'B ' (A ( 'B '))''
特点：输出电阻恒为RON；输出电平和
电压传输特性都不受输入状态影响。
27
（二）漏极开路门电路（OD）
普通CMOS门不能接 成线与形式。
OD门输出端只是一 个N沟道管，因此可以连 成线与形式。
内部逻辑可以变化。
符号：
A
B
Y
特点：
1.VDD1和VDD2可取不同值；
(3)C MOS门的输入电容比TTL电路大的多，因此负载个数 越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数（驱动同类门个数） 就是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗等动态特性限制的。
24
用tPHL和tPLH的平均值tPD表示延迟作用，称为平均传输延迟时间。
2. 交流噪声容限
传输延迟时间与电
与TTL电路类似，当噪声电压作用时 源电压和负载电容有
间tW小于电路的传输延迟时间时，输入 噪声容限VNA将随tW缩小而明显增大。
关，因此VDD和CL都对 交流噪声容限有影响。
3.动态功耗 动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加
功耗，其值随输入信号频率增加而增加。
负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。
定量估算可得动态功耗PC的公式： PC=CLfV2DD
++ __
VA=VB=3V D1,D2导通，VY=3.7V
VA=3V,VB=0V D2导通，D1截止，VY=0.7V
VA=0V,VB=3V D1导通，D2截止，VY=0.7V
A
VA VB VY
ABY
B
Y
0 0 0.7 0 3 0.7
000 010
缺点：1.电平偏移；
3 0 0.7
100
2.负载能力差。
2.允许灌入电流较大。如：
CC40107在VOL<0.5V的条件下，
28
允许灌入的最大电流可达50mA。
•负载电阻RL的计算（见95页）
图中电阻RL以下连线称为总线。
IRL
这是用漏极开路门连成总线
IOH
IIH
结构的典型电路。其中负载电阻 RL只需用一个即可。
总线电位用 o 表示。
IOH
IIH
IIH
111
6
3 3 3.7
三、二极管或门
VA VB VY 000
D1,D2截止
0 3 2.3 D1截止,D2导通
3 0 2.3 3 3 2.3
D1导通,D2截止 D1,D2导通
ABY
000
A
Y 011
B
101
111
7
第三节 CMOS门电路
一.MOS管的开关特性 1.MOS管的工作原理
源极 Source
第二节 半导体二极管门电路 一、二极管的开关特性
1.开关电路举例 2.静态特性 输入信号慢变化时的特性。 •伏安特性
•等效电路
在数字电路中重点在 判断二极管开关状态，因 此必须把特性曲线简化。 （见右侧电路图）
有三种简化方法：
3
第 一
第二种
种
0.5V
VON0.7V
+
-
第
三
种
4
3.动态特性 输入信号快变化时的特性。
25
三、其他类型的CMOS门电路
（一）其他逻辑功能的CMOS门电路
1.与非门 特点：N沟道管串联、P沟道管并联；
输出电阻随输入状态变化。 设：MOS管的导通电阻为RON、 门电路的输出电阻为RO。
A
B RO（与非) RO（或非） 输出高电平偏低
00
RON/2
2R0N
01
RON
RON
RON
R0N
VOH(min) VOL(max)
VIL(max) VIH(min) 19
2.电流传输特性
A
当T1,T2都导通时， iD不为0；输入 电压为VDD/2时， iD较大，因此不 应使其长期工作 在BC段。
在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0；
而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出
V V V NH
NL
OIH L ((m min ax ) I)H O (m (Lm ina) x设求)定出VVOILH(m(maxin))
特性对称，因而输入端噪声容限较大。CC4000
系列CMOS电路的噪声容限为：（允许输出电
压变化百分之十）
VNH=VNL=30%VDD
设定VOL(max) 求出VIH(min)
从而引出三态输出门(TS)。
30
（三）CMOS传输门 1.传输门
功能：可控制传输0V－VDD间的 模拟电压值。其逻辑符号如右： 传输门可双向传输。
C=0时，传输门截止；
C’
I /O TG O /I
C
C=1时,传输门导通。 设：传输门的导通电阻为RTG、 管T1和T2的导通电阻分别为RON1 和RON2。则：
分 o=VOH和 o ＝VOL两种情况讨论：
当 o ＝VOH时
IOH
3IIH
oV D D IRR L LV Om Hin
IRL= nIOH+mIIH
总线。其电位 o ，
与门符号表示线与
RL
VDDVOHmin nIOHmIIH
用上式求出RL的最大值。 29
当 总线为低电平VOL时：
IOL= IRL+ m’IIL ≤IOLmax
夹断电压
P沟道增强型：
13
请参阅79页，表3.3.1
14
二. CMOS反相器的电路结构和工作原理 Complementary-Symmetry MOS .互补对称式MOS电路。
1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文 Integrated Circuit,简称IC。
集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前 单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方 毫米。
MOS管工作在可变电阻区。
RON
N+
N+
回下页 11
4.MOS管的开关特性及等效电路
•静态特性—三个工作区。
可变电阻区： G,D G SV G(tS h )
截止区： G,SGD V G(tS h )
恒流区： G S V G (t) h S ,G D V G (t) h S 等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。
系数（驱动同类门个数）的主要因素。
20
3.输入特性
由于MOS管栅极绝
缘，输入电流恒为0，
但CMOS门输入端接有
iI
保护电路，从而输入电
A
流不总为0。
I
由曲线可看出，输 入电压在0－VDD间变 化当二时输极，入管输电D1入压导电大通流于；为V当D0输D；时，二电电极阻路管的RS特D串2性和联 入电压小于0V时，二 极管D2导通。
按制造工艺分类：
双极型集成电路； 单极型集成电路；
我们介绍TTL电路。 我们介绍CMOS电路。 15
（一） CMOS反相器的电路结构
N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN; P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;
要求满足VDD VTN+|VTP|;
完要 全求 一两 样管
特 性
输入低电平为0V；高电平为VDD;
它也有三个工作区 压为4V和3V时的 夹断点。
相应曲线称为转移特性。
10
3.MOS管的基本开关电路
注意：VDD必须为正。
当 I =0V时，MOS 管截止， O = VDD；
当 I =VDD时，MOS管导通，其内阻用RON表示。
O
RON RONRD
V VDCD C
若RD R ON，则
o 0,
9
空间电荷区 夹断 可变电阻区
夹断点
恒 流 区
固定电阻
截
止
区
VGS(th)=2V
设 GS ＝5V
VDS=0V出现沟道。 VDS增加，则沟道“倾斜”（阻值增加）。
恒VG流D=区VG中S(itDh)只时受，沟G道S “控夹制断，”其。关V动系D，S式再但为增iD：加不时变，。同夹理断可点求向出源栅区源移电
IRL
VDDVOL RL
RL
VDDVOL IOLm axmII
L
IR L IOL
mIIL
VOL
由上式求出RL的最小值。
RL在求出的范围内取值。取 值偏大会降低工作速度；取值偏
小会增加电源功耗。
见96页 例3.3.2
只有一个门输 出低电平是最 不利情况。
为提高速度，就必须保持输出高电平时的低内阻特性。
当外加电压突然由正向 变为反向时，二极管会短时 间导通。
这段时间用tre表示，称为 反向恢复时间。
它是由于二极管正
向导通时PN结两侧的多
数载流子扩散到对方形
成电荷存储引起的。
tre Di
RL
5
二、二极管与门
由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路 中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。
设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0V VA=VB=0V D1,D2导通，VY=0.7V
17
（二）静态特性
1.电压传输特 性 T2截止， T1导通
T1，T2都导通 称为转折区
特点：
V
V
转折区变化率 大，特性更接 近理想开关。
T1截止，T2导通
阈值电压用VTH表示。
阈值电压
由于特性对称，阈值电压为VDD的一半。
此部分在教材80－86页。 18
•输入端噪声容限
V V V 高电平噪声容限：
栅极 Gate
(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)
称为：金属—氧化物—半导体场 效应管或绝缘栅场效应管
D 漏极 Drain
G
导电沟道
S
(反型层)
S
D
B
当 GS 大于VGS(th)时，将出现导电沟道。 VGS(th)称为开启电压，
与管子构造有关。
二极管 D1的特 性
21
4 .输出特性 (1) 输出低电平
VDD增加相当于 T2的VGS增加
T2工作在可变电阻区，有较小 的导通电阻，当负载电流增加时，
iD
该电阻上的压降将缓慢增加。
对于CC4000系列门电路，当
0
DS
VDD=5V时，IOL的最大值为0.51mA； 而在74HC系列中，该值为4mA。
RTG= RON1//RON2
O = I RL/ (RTG+RL)
C’ T2
T1
若满足 RL>>RTG 则
O I
31
分析原理。先分析只有一个管时的情况：
N沟道管导通
0V VGS(th)P
P沟道管导通
VDD
I
VGS(th)N
单管工作的缺点是：
(1)有死区；
(2)导通电阻随输入电压 变化很大。
采用双管可克服这些缺点。
按集成度分类：
小规模集成电路SSI: Small Scale Integration; 中规模集成电路MSI: Medium Scale Integration; 大规模集成电路LSI: Large Scale Integration; 超大规模集成电路VLSI: Very Large Scale Integration,
导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压 DS
， 8
将形成漏极电流iD。 称为N沟道增强型场效应管
显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越
厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若DS 不变， GS 就
可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。 2.输入输出特性 •输入特性可不讨论。 •输出特性
（1）输入为低电平0V时；
T2截止；T1导通。iD = 0， O =VDD;
（2）输入为高电平VDD时； T1截止；T2导通。iD = 0， O =0V; 输入与输出间是逻辑非关系。
16
在正常工作状态，T1与T2 轮流导通，即所谓互补状态。
特点：静态功耗近似为0；电 源电压可在很宽的范围内选取。
CC4000系列CMOS电路的VDD可在3－18V之间选取。其他 系列以后介绍。（可参阅表3.3.2——在106页）
11
2RON RON/2
输出
低电
用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。平偏
2.或非门
高
特点：P沟道管串联、N沟道管并联；
26
此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。
3.带缓冲级的CMOS门电路
（1）与非门： Y (A ) B 'A ' B ' (A ( ' B '))''
（2）或非门： 同理，可用下式实现：
约为几皮法。 D •动态特性—延迟作用（书上没有）。
由于是单极型器件，无电荷存储效应。 动态情况下，主要是输入电容和负载电 容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞 后于输入电压的变化。其延迟时间比双 极型三极管还要长。
电路图 12
5.MOS管的四种类型
(1)N沟道增强型 (2)P沟道增强型
开启电压
(3)N沟道耗尽型 (4)P沟道耗尽型
22
(2) 输出高电平
DS
与输出低电平类似，此时T1 工作在可变电阻区；当负载电 流增加时，T1的VDS加，导致输 出下降。
此时，IOH的最大值，与 输出低电平时相同。
IOH 0
VDD VOH
VOH= DS + VDD
iD 0
DS
23
（三）动态特性 1.传输延迟时间
tPD范围： 和影负响((12))载，MM电所OO容以SS管管对，在的传VD开导输D也关通延影过电迟响程阻时传中比间输无T的T延电影L迟电荷响时路存非间大储常；的，显多有著，利。所于导477－以缩通044见0HA其短电0CH1内系延阻系C07部列迟系受列页电为时列V为表D容1间为1D00；50nnnsss,,
Y (A B ) 'A 'B ' (A ( 'B '))''
特点：输出电阻恒为RON；输出电平和
电压传输特性都不受输入状态影响。
27
（二）漏极开路门电路（OD）
普通CMOS门不能接 成线与形式。
OD门输出端只是一 个N沟道管，因此可以连 成线与形式。
内部逻辑可以变化。
符号：
A
B
Y
特点：
1.VDD1和VDD2可取不同值；
(3)C MOS门的输入电容比TTL电路大的多，因此负载个数 越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数（驱动同类门个数） 就是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗等动态特性限制的。
24
用tPHL和tPLH的平均值tPD表示延迟作用，称为平均传输延迟时间。
2. 交流噪声容限
传输延迟时间与电
与TTL电路类似，当噪声电压作用时 源电压和负载电容有
间tW小于电路的传输延迟时间时，输入 噪声容限VNA将随tW缩小而明显增大。
关，因此VDD和CL都对 交流噪声容限有影响。
3.动态功耗 动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加
功耗，其值随输入信号频率增加而增加。
负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。
定量估算可得动态功耗PC的公式： PC=CLfV2DD
++ __
VA=VB=3V D1,D2导通，VY=3.7V
VA=3V,VB=0V D2导通，D1截止，VY=0.7V
VA=0V,VB=3V D1导通，D2截止，VY=0.7V
A
VA VB VY
ABY
B
Y
0 0 0.7 0 3 0.7
000 010
缺点：1.电平偏移；
3 0 0.7
100
2.负载能力差。
2.允许灌入电流较大。如：
CC40107在VOL<0.5V的条件下，
28
允许灌入的最大电流可达50mA。
•负载电阻RL的计算（见95页）
图中电阻RL以下连线称为总线。
IRL
这是用漏极开路门连成总线
IOH
IIH
结构的典型电路。其中负载电阻 RL只需用一个即可。
总线电位用 o 表示。
IOH
IIH
IIH
111
6
3 3 3.7
三、二极管或门
VA VB VY 000
D1,D2截止
0 3 2.3 D1截止,D2导通
3 0 2.3 3 3 2.3
D1导通,D2截止 D1,D2导通
ABY
000
A
Y 011
B
101
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第三节 CMOS门电路
一.MOS管的开关特性 1.MOS管的工作原理
源极 Source
第二节 半导体二极管门电路 一、二极管的开关特性
1.开关电路举例 2.静态特性 输入信号慢变化时的特性。 •伏安特性
•等效电路
在数字电路中重点在 判断二极管开关状态，因 此必须把特性曲线简化。 （见右侧电路图）
有三种简化方法：
3
第 一
第二种
种
0.5V
VON0.7V
+
-
第
三
种
4
3.动态特性 输入信号快变化时的特性。
25
三、其他类型的CMOS门电路
（一）其他逻辑功能的CMOS门电路
1.与非门 特点：N沟道管串联、P沟道管并联；
输出电阻随输入状态变化。 设：MOS管的导通电阻为RON、 门电路的输出电阻为RO。
A
B RO（与非) RO（或非） 输出高电平偏低
00
RON/2
2R0N
01
RON
RON
RON
R0N
VOH(min) VOL(max)
VIL(max) VIH(min) 19
2.电流传输特性
A
当T1,T2都导通时， iD不为0；输入 电压为VDD/2时， iD较大，因此不 应使其长期工作 在BC段。
在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0；
而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出