8 CMOS反相器和传输门
CMOS管
CMOS门电路以MOS（Metal-Oxide Semiconductor）管作为开关元件的门电路称为MOS门电路。
由于MOS型集成门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小以及抗干扰能力强等优点，因此它在数字集成电路产品中占据相当大的比例。
与TTL 门电路相比，MOS门电路的速度较低。
MOS门电路有三种类型：使用P沟道管的PMOS电路、使用N沟道管的NMOS电路和同时使用PMOS和NMOS 管的CMOS电路。
其中CMOS性能更优，因此CMOS门电路是应用较为普遍的逻辑电路之一。
1. CMOS非门图3-16所示是一个N沟道增强型MOS管TN和一个P沟道增强型MOS管TP组成的CMOS非门。
图3-16 CMOS非门电路图3-17 CMOS与非门电路两管的栅极相连作为输入端，两管的漏极相连作为输出端。
TN的源极接地，TP的源极接电源。
为了保证电路正常工作，VDD需要大于TN管开启电压VTN和TP管开启电压VTP的绝对值的和，即UDD> UTN+ |UTP|。
当Ui=0V 时，TN截止，TP导通，Uo≈UDD为高电平；当Ui=UDD时，TN导通，TP截止，Uo≈0V为低电平。
因此实现了非逻辑功能。
CMOS非门除了有较好的动态特性外，由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。
CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。
另外由于它处在开关状态下总有一个管子处于截止状态，因而电流极小，电路的静态功耗很低，一般为微瓦（mW）数量级。
2. CMOS与非门图3-17所示为一个两输入端的CMOS与非门电路，它由两个串联的NMOS管和两个并联的PMOS管构成。
每个输入端连到一个PMOS管和一个NMOS管的栅极。
当输入A、B均为高电平时，TN1和TN2导通，TP1和TP2截止，输出端为低电平；当输入A、B中至少有一个为低电平时，对应的TN1和TN2中至少有一个截止，TP1和TP2中至少由一个导通，输出F为高电平。
数字电子技术基础第三版第二章答案
第二章逻辑门电路第一节重点与难点一、重点:1.TTL与非门外特性(1)电压传输特性及输入噪声容限:由电压传输特性曲线可以得出与非门得输出信号随输入信号得变化情况,同时还可以得出反映与非门抗干扰能力得参数U on、U off、U NH与U NL。
开门电平U ON就是保证输出电平为最高低电平时输入高电平得最小值。
关门电平U OFF就是保证输出电平为最小高电平时,所允许得输入低电平得最大值。
(2)输入特性:描述与非门对信号源得负载效应。
根据输入端电平得高低,与非门呈现出不同得负载效应,当输入端为低电平U IL时,与非门对信号源就是灌电流负载,输入低电平电流I IL 通常为1～1、4mA。
当输入端为高电平U IH时,与非门对信号源呈现拉电流负载,输入高电平电流I IH通常小于50μA。
(3)输入负载特性:实际应用中,往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻得情况,电阻得取值不同,将影响相应输入端得电平取值。
当R≤关门电阻R OFF时,相应得输入端相当于输入低电平;当R≥ 开门电阻R ON时,相应得输入端相当于输入高电平。
2.其它类型得TTL门电路(1)集电极开路与非门(OC门)多个TTL与非门输出端不能直接并联使用,实现线与功能。
而集电极开路与非门(OC门)输出端可以直接相连,实现线与得功能,它与普通得TTL与非门得差别在于用外接电阻代替复合管。
(2)三态门TSL三态门即保持推拉式输出级得优点,又能实现线与功能。
它得输出除了具有一般与非门得两种状态外,还具有高输出阻抗得第三个状态,称为高阻态,又称禁止态。
处于何种状态由使能端控制。
3.CMOS逻辑门电路CMOS反相器与CMOS传输门就是CMOS逻辑门电路得最基本单元电路,由此可以构成各种CMOS逻辑电路。
当CMOS反相器处于稳态时,无论输出高电平还就是低电平,两管中总有一管导通,一管截止,电源仅向反相器提供nA级电流,功耗非常小。
CMOS器件门限电平U TH近似等于1/2U DD,可获得最大限度得输入端噪声容限U NH与U NL=1/2U DD。
CMOS反相器(精)
若 C = 0（接地)、C = 1（接VDD ），
uI在0~VDD 之间变化时，VTP和VTN均截止， 即传输门TG截止。
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（3） 应用举例
① CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。 C = 0时，TG1导通、TG2截止，uO = uI1； C = 1时，TG1截止、TG2导通，uO = uI2。
（1）微功耗。
CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。
（2）抗干扰能力很强。
输入噪声容限可达到VDD/2。 （3）电源电压范围宽。
多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围
内正常工作。
（4）输入阻抗高。
（5）负载能力强。
CMOS电路可以带50个同类门以上。
（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD ）
常用集成门电路(CMOS系列）
名称
主要功能
四2输入或非门
CC4011 CC4030 CC4049 CC4066 CC4071 CC4073 CC4077 CC4078 CC4086 CC4097 CC4502
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四2输入与非门 四异或门 六反相器 四双向开关 四2输入或门 三3输入与门 四异或非门 8输入或 / 或非门 2-2-2-2输入与或非门 双8选1模拟开关 六反相器 / 缓冲器
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表2-7 各种系列门电路的主要参数
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型号 74LS00 74LS02 74LS04 74LS05 74LS08 74LS13 74LS30 74LS32 74LS64 74LS133 74LS136 74LS365
74LS368
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表2-8 常用集成门电路(TTL系列）
数字电路习题-第二章
第二章 逻辑门电路集成逻辑门电路是组成各种数字电路的基本单元。
通过本章的学习，要求读者了解集成逻辑门的基本结构，理解各种集成逻辑门电路的工作原理，掌握集成逻辑门的外部特性及主要参数，掌握不同逻辑门之间的接口电路，以便于正确使用逻辑门电路。
第一节 基本知识、重点与难点一、基本知识（一） TTL 与非门 1．结构特点TTL 与非门电路结构，由输入极、中间极和输出级三部分组成。
输入级采用多发射极晶体管，实现对输入信号的与的逻辑功能。
输出级采用推拉式输出结构（也称图腾柱结构），具有较强的负载能力。
2．TTL 与非门的电路特性及主要参数 （1）电压传输特性与非门电压传输特性是指TTL 与非门输出电压U O 与输入电压U I 之间的关系曲线，即U O=f （U I ）。
（2）输入特性当输入端为低电平U IL 时，与非门对信号源呈现灌电流负载，1ILbe1CC IL R U U U I −−−=称为输入低电平电流，通常I IL ＝-1～1.4mA 。
当输入端为高电平U IH 时，与非门对信号源呈现拉电流负载，通常I IH ≤50μA 称为输入高电平电流。
（3）输入负载特性实际应用中，往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻的情况。
若U i ≤U OFF ，则电阻的接入相当于该输入端输入低电平，此时的电阻称为关门电阻，记为R OFF 。
若U i ≥U ON ，则电阻的接入相当于该输入端输入高电平，此时的电阻称为开门电阻，记为R ON 。
通常R OFF ≤0.7K Ω，R ON ≥2K Ω。
（4）输出特性反映与非门带载能力的一个重要参数--扇出系数N O 是指在灌电流（输出低电平）状态下驱动同类门的个数IL OLmax O /I I N =其中OLmax I 为最大允许灌电流，I IL 是一个负载门灌入本级的电流（≈1.4mA ）。
N O 越大，说明门的负载能力越强。
（5）传输延迟时间传输延迟时间表明与非门开关速度的重要参数。
数字电子技术基础第三版第二章答案
第二章逻辑门电路第一节重点与难点一、重点：1．TTL与非门外特性（1）电压传输特性及输入噪声容限：由电压传输特性曲线可以得出与非门的输出信号随输入信号的变化情况，同时还可以得出反映与非门抗干扰能力的参数U on、U off、U NH和U NL。
开门电平U ON是保证输出电平为最高低电平时输入高电平的最小值。
关门电平U OFF 是保证输出电平为最小高电平时，所允许的输入低电平的最大值。
（2）输入特性：描述与非门对信号源的负载效应。
根据输入端电平的高低，与非门呈现出不同的负载效应，当输入端为低电平U IL时，与非门对信号源是灌电流负载，输入低电平电流I IL通常为1～1.4mA。
当输入端为高电平U IH时，与非门对信号源呈现拉电流负载，输入高电平电流I IH通常小于50μA。
（3）输入负载特性：实际应用中，往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻的情况，电阻的取值不同，将影响相应输入端的电平取值。
当R≤关门电阻R OFF时，相应的输入端相当于输入低电平；当R≥ 开门电阻R ON时，相应的输入端相当于输入高电平。
2．其它类型的TTL门电路（1）集电极开路与非门（OC门）多个TTL与非门输出端不能直接并联使用，实现线与功能。
而集电极开路与非门（OC 门）输出端可以直接相连，实现线与的功能，它与普通的TTL与非门的差别在于用外接电阻代替复合管。
（2）三态门TSL三态门即保持推拉式输出级的优点，又能实现线与功能。
它的输出除了具有一般与非门的两种状态外，还具有高输出阻抗的第三个状态，称为高阻态，又称禁止态。
处于何种状态由使能端控制。
3．CMOS逻辑门电路CMOS反相器和CMOS传输门是CMOS逻辑门电路的最基本单元电路，由此可以构成各种CMOS逻辑电路。
当CMOS反相器处于稳态时，无论输出高电平还是低电平，两管中总有一管导通，一管截止，电源仅向反相器提供nA级电流，功耗非常小。
CMOS器件门限电平U TH近似等于1/2U DD，可获得最大限度的输入端噪声容限U NH和U NL=1/2U DD。
CMOS门电路
3、CMOS反相器的主要特性 （1）电压传输特性和电流传输特性
CD：输入电压vI>VDD−│VTP│，vGSN=vI>VTN，│vGSP│=│vI−VDD│<│VTP│， TN导通而TP截止，输出vO≈0为低电平，iD≈0。
以上分析可以看出，CMOS反相器的特点：
⑴、静态功耗极低 静态时，CMOS反相器总有一个MOS管处于截止状态，仅有 极小漏电流流过。
当 VI= 5 V 时： NMOS管VGSN = 5V > V TN TN管导通。 PMOS管VGSP = 5V-V DD= 0 V < | V TP |，TP管截止。
综上分析：实现反相关系，F A
3、CMOS反相器的主要特性
（1）电压传输特性和电流传输特性
AB：输入电压vI<VTN，vGSN=vI<VTN，│vGSP│=│vI−VDD│>│VTP│，TP 导通而TN截止，输出vO≈VDD为高电平，iD≈0。
VDD+VD。保证加在C2上的电压，不超过其耐压极限。
☆ 当输入VI<－VD时：保护二极管D2导通，|i I| 随|VI|增加而增大。
(3)、输出特性
当输入VI为高电平时，负载管截止， 输入管导通。因此负载电流灌入输入端。
低电平输出特性是灌电流负载。
当输入VI为低电平时，负载管导 通，输入管截止。因此负载电流是拉 电流。
高电平输出特性是拉电流负载。
4、其它CMOS逻辑门 （1）CMOS传输门
CMOS传输门是由p沟道和n沟道增 强型MOS管并联互补组成。
电路组成： 两管漏源相连作 Vi / VO。（由
于D、S对称可以双向传输。）
两个栅极受一对控制信号控制。C , C
8 CMOS反相器和传输门
8.1 CMOS 反相器8.1.1 CMOS 反相器的直流特性1. 结构和基本特性电路图: 符号:V DDV oV i8.1.2 CMOS 反相器的瞬态特性由于输出节点存在着容性负载，在输出电平变化的过程中，需对负载电容进行充放电，对负载电容的充放电决定了电路的瞬态特性。
V i ( t )V DDV OC L)(t V O +-M2M1负载电容C L 由下一级的输入电容、本级的输出电容及连线的分布电容组成。
8.1.3 CMOS反相器的功耗CMOS反相器的功耗P有两部分构成：；（1）静态功耗，即反向漏电流造成的功耗PD（2）动态功耗P，又由两部分组成：S。
①开关的瞬态电流造成的功耗PA。
②负载电容的充电和放电造成的功耗PT1. 静态功耗P D对CMOS反相器而言，无论输入为逻辑“0”还是逻辑“1”，两个MOS管始终只有一个管子导通，没有直流通路，也没有电流流入栅极，所以静态电流为0，静态功耗为0.8.1.4 CMOS 反相器的设计为了使CMOS 反相器获得最佳性能，常采用对称设计，使反相器中的NMOS 和PMOS 完全对称，即此时：①有对称的直流电压传输特性曲线；②有最大的直流噪声容限，即NM L =NM H =1/2V DD ；③上升时间=下降时间。
在实际的工艺中NMOS 和PMOS 的阈值电压数值不完全相等。
可以通过调节K N 和K P 中的设计参数，以获得最佳的电路性能。
PN TP TN K K V V =−=,NP p n W W 2,2,==需使由于μμ8.2 CMOS 传输门MOS 管的源、漏区是完全对称的结构，这种结构给MOS 管的应用带来灵活性。
MOS 管作为双向导通器件可以在电路中作为一个控制信号传送的可控开关，也叫传输管（Pass Transistor ）或传输门（Transmission Gate ）。
8.2.1 NMOS 传输门特性电路接法如图所示。
当V C 为低电平时，NMOS 截止，输入、输出隔开；当V C 为高电平时，NMOS 导通，将输入信号传到输出端。
cmos环形振荡器原理
cmos环形振荡器原理
CMOS环形振荡器是一种使用CMOS逻辑门构建的振荡器电路，主要由几个CMOS反相器和几个传输门组成。
其原理如下：
1. CMOS反相器：CMOS反相器由一个nMOS和一个pMOS
组成。
输入信号通过nMOS和pMOS的串联连接，形成反相
输出。
当输入信号为低电平时，nMOS导通，pMOS截止，输
出为高电平；当输入信号为高电平时，nMOS截止，pMOS导通，输出为低电平。
2. 传输门：传输门由一个nMOS和一个pMOS组成。
输入信
号通过nMOS和pMOS的并联连接，形成非反相输出。
当输
入信号为低电平时，nMOS截止，pMOS导通，输出为低电平；当输入信号为高电平时，nMOS导通，pMOS截止，输出为高
电平。
在CMOS环形振荡器中，一个CMOS反相器和一个传输门形
成一个阶段。
多个阶段连续连接构成一个环形结构。
当输入信号经过环形结构时，由于每个阶段的延迟和反相特性，信号会在环形结构内部不断反复传输和放大，形成自我激励的振荡信号。
CMOS环形振荡器的频率由环形结构内的延迟和反馈等因素
决定。
通过调整传输门和反相器中的电路参数和布局，可以改变振荡器的频率响应和稳定性。
CMOS触发器的结构与工作原理
CMOS触发器的结构与工作原理CMOS D 触发器足主-从结构形式的一种边沿触发器,CMOS T 型触发器、JK 触发器、计数单元、移位单元和各种时序电路都由其组成,因此仪以CMOSD 触发器为例进行说明。
图1 是用CMOS 传输门和反相器构成的D 触发器,反相器G1、G2 和传输门TG1、TG2 组成了主触发器,反相器G3、G4 和传输门TG3、TG4 组成了从触发器。
TG1 和TG3 分别为主触发器和从触发器的输入控制门。
反相器G5、G6 对时钟输入信号CP 进行反相及缓冲,其输出CP 和CP′作为传输门的控制信号。
根据CMOS 传输门的工作原理和图中控制信号的极性标注可知,当传输门TG1、TG4 导通时,TG2、TG3 截止;反之,当TG1、TG4 截止时,TG2、TG3 导通。
当CP′=0,CP′=1时,TG1 导通,TG2 截止,D 端输入信号送人主触发器中,使Q′=D,Q′=D,但这时主触发器尚未形成反馈连接,不能自行保持。
Q′、Q′跟随D 端的状态变化;同时,由于TG3 截止,TG4 导通,所以从触发器形成反馈连接,维持原状态不变,而且它与主触发器的联系被TG3 切断。
当CP′的上升沿到达(即CP′跳变为1,CP′下降为0)时,TG1 截止,TG2 导通,切断了D 信号的输入,由于G1 的输入电容存储效应,G1 输入端电压不会立即消失,于是Q′、Q′在TG1 截止前的状态被保存下来;同时由于TG3 导通、TG4 截止,主触发器的状态通过TG3 和G3 送到了输出端,使Q=Q′=D(CP上升沿到达时D 的状态),而Q=Q′=D。
在CP′=1,CP′=0期间,Q=Q′=D,Q=Q′=D的状态一直不会改变,直到CP′下降沿到达时(即CP′跳变为0,CP′跳变为1),TG2、TG3 又截止,TG1、TG4 又导通,主触。
08 MOS门 使用常识
E -40℃℃
R -55℃℃
M -55℃℃
CMOS数字集成电路电路主要分为4000（4500系列）系列、 54HC/74HC系列、54HCT/74HCT系列等，实际上这三大系列之 间的引脚功能、排列顺序是相同的，只是某些参数不同而已。
例： CC 4086 C P——国产的（采用塑料双列直 插封装）工作温度在0~70度的CMOS 四异或门。
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数字电子技术 §2.3.2 CMOS门电路
1. CMOS反相器 CC4009 — 六非门 74HC04 — 六非门
PMOS
NMOS
第二章 逻辑门电路 漏极相连做输出端
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数字电子技术 2.CMOS与非门
第二章 逻辑门电路
CC4011、 74HC00 —四 2 输入与非门
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第二章 逻辑门电路
CMOS集成电路功耗低，内部发热量 小，集成度可大大提高。又因为电路本身的 互补对称结构，当环境温度变化时，其参数 有互相补偿作用，因而其温度稳定性好。
抗辐射能力强 ，因此CMOS电路特别 适用于航天，卫星和核试验条件下工作的装 置
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第二章 逻辑门电路
3. 常见TTL系列与CMOS 系列的参数对照
（1） 开门电平与关门电平 CMOS电路的关门电平为1.5V,开门电平为3.5V,而TTL74系列的关
门电平为0. 8V,开门电平为2V。所以，CMOS电路的抗干扰能力强。
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第二章 逻辑门电路
§2.3 MOS门电路
数字电子技术基础课后习题答案第2章习题答案
思考题：题2.1.1 答：肖特基二极管（SBD）、分流。
题2.1.2 答：基区、滞后。
题2.1.3 答：（A)、（B) 。
题2.1.4 答：对。
题2.2.1 答：A、B。
题2.2.2 答：C、D。
题2.2.3 答：4ns。
题2.2.4 答：（A）、（C）、。
题2.2.5 答：降低、降低。
题2.2.6 答：0、1和三态题2.2.7 答：若一个输出高电平，另一个输出低电平时，会在T4和T5间产生一个大电流，烧毁管子。
OC门“线与”在输出接一电阻和一5-30V电源电压。
题2.2.8 答：能、分时。
题2.2.9 答：1. 为了缩短传输延迟时间，电路中使用肖特基管和有源泄放电路，另外，还将输入级的多发射极管改用SBD代替，由于SBD没有电荷存储效应，因此有利于提高电路的工作速度。
电路中还接入了D3和D4两个SBD，当电路的输出端由高电平变为低电平时，D4经T2的集电极和T5的基极提供了一条通路，一是为了加快负载电容的放电速度，二是为了加速T5的导通过程。
另外，D3经T2的集电极为T4的基极提供了一条放电通路，加快了T4的截止过程。
2. 为降低功耗，提高了电路中各电阻的阻值，将电阻R5原来接地的一端改接到输出端，以减小T3导通时电阻R5上的功耗。
题2.3.1 答：A。
题2.3.2 答：A。
题2.3.3 答：A。
题2.3.4 答：导通。
题2.3.5 答：B、C。
思考题：题2.4.1 答：（A）分流。
题2.4.2 答：(B) 内部电阻和容性负载。
题2.4.3 答：(B) 3.3V；（C）5V；(D) 30V。
题2.4.4 答：CMOS反相器和CMOS传输门。
题2.4.5 答：加入缓冲器保证输出电压不抬高或者降低，正逻辑变负逻辑或者相反，与非变成或非，或者或非变为与非。
题2.4.6 答：（C）低、高。
题2.4.7答：（A) OD门；(B) OC门；（C）三态门。
16题2.4.8 答：（A)驱动大负载；(B)电平移位。
cmos 开关电路设计
cmos 开关电路设计CMOS 开关电路设计CMOS (互补金属氧化物半导体) 开关电路是数字集成电路设计中非常重要的基本构建模块。
它们广泛应用于存储器、数据通路和控制逻辑等领域。
CMOS 开关电路具有低功耗、高噪声免疫性和良好的可扩展性等优点。
1. CMOS 传输门传输门是最基本的 CMOS 开关电路,由一个 NMOS 和一个 PMOS 晶体管并联组成。
当控制信号为逻辑高电平时,传输门打开,输入端与输出端之间传输数据;当控制信号为逻辑低电平时,传输门关闭,输入端与输出端之间断开连接。
2. CMOS 复传输门复传输门由两个并联的传输门组成,可以在输入端和输出端之间传输补码信号对。
这种结构常用于设计存储单元、多路复用器/解复用器等电路。
3. CMOS 三态门三态门是一种特殊的开关电路,除了开路和关路两种状态外,还有一种高阻抗状态。
它由一个传输门和一个反相器组成。
当使能信号为逻辑高电平时,三态门处于开路状态;当使能信号为逻辑低电平时,三态门处于关路状态;当使能信号处于高阻抗状态时,三态门的输出端也处于高阻抗状态。
三态门常用于构建总线结构。
4. CMOS 开关电容器开关电容器是一种采样数据的电路,由一个传输门和一个电容器组成。
当时钟信号为高电平时,传输门导通,输入端的电压值被采样存储在电容器中;当时钟信号为低电平时,传输门关闭,电容器保持之前采样的电压值。
开关电容器广泛应用于模数转换器、滤波器和模拟信号处理电路中。
CMOS 开关电路的设计需要考虑信号完整性、可靠性、功耗和布局等多方面因素。
正确的电路拓扑结构、尺寸和布局布线对于获得良好的性能至关重要。
cmos逻辑门电路[最新]
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CMOS逻辑门电路CMOS是互补对称MOS电路的简称（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），其电路结构都采用增强型PMOS管和增强型NMOS管按互补对称形式连接而成，由于CMOS 集成电路具有功耗低、工作电流电压范围宽、抗干扰能力强、输入阻抗高、扇出系数大、集成度高，成本低等一系列优点，其应用领域十分广泛，尤其在大规模集成电路中更显示出它的优越性，是目前得到广泛应用的器件。
一、CMOS反相器CMOS反相器是CMOS集成电路最基本的逻辑元件之一，其电路如图11-36所示，它是由一个增强型NMOS管T N和一个PMOS管T P按互补对称形式连接而成。
两管的栅极相连作为反相器的输入端，漏极相连作为输出端，T P管的衬底和源极相连接电源U DD，T N管的衬底与源极相连后接地，一般地U DD>(U TN+|U TP|)，(U TN和|U TP|是T N和T P的开启电压)。
当输入电压u i=“0”（低电平）时，NMOS管T N截止，而PMOS管T P导通，这时T N 管的阻抗比T P管的阻抗高的多，（两阻抗比值可高达106以上），电源电压主要降在T N上，输出电压为“1”（约为U DD）。
当输入电压u i=“1”（高电平）时，T N导通，T P截止，电源电压主要降在T P上，输出u o=“0”，可见此电路实现了逻辑“非”功能。
通过CMOS反相器电路原理分析，可发现CMOS门电路相比NMOS、PMOS门电路具有如下优点：①无论输入是高电平还是低电平，T N和T P两管中总是一个管子截止，另一个导通，流过电源的电流仅是截止管的沟道泄漏电流，因此，静态功耗很小。
②两管总是一个管子充分导通，这使得输出端的等效电容C L能通过低阻抗充放电，改善了输出波形，同时提高了工作速度。
③由于输出低电平约为0V，输出高电平为U DD，因此，输出的逻辑幅度大。
CMOS反相器的电压传输特性如图11-37所示。
CMOS电路的特性分析
• 90•当前，除了ECL 电路因具有超高速性能外，其他各种类型的数字集成电路无不受到CMOS 电路的挑战和冲击，一些早期应用较广泛的集成电路，如标准TTL 、HTL 及PMOS 逐渐取代。
因此了解和掌握CMOS 电路的原理和应用就越来越重要了。
本文重点介绍CMOS 电路的主要特性及应用要点，这可为学习和应用好CMOS 电路打下很好的基础。
电路结构、传输特性和噪声容限组成各种CMOS 数字电路的基本单元是反相器和模拟开关（传输门）。
这就是说，任何一种CMOS 电路，不管其复杂程度如何，总是由这两种或其中一种基本单元构成。
要想了解CMOS 的原理和特性，也需要从此入手进行分析。
CMOS 反相器的基本结构如图1所示。
由图可见，反相器实质上是由两个互补的MOS 晶体管，即PMOS （P 沟道MOS ）管和NMOS （N 沟道MOS ）管组成的。
两管的栅极作为反相器的输入端；两管的漏级相连作为输出端；PMOS 管的源级S 和N 型衬底为VDD(电源正)端；NMOS 管的源级S 和P 阱为VSS （电源负）端。
如果反相器的输入端加上输入端的电压Ui ，当Ui 为逻辑“0”时，NMOS 管截止，PMOS 管导通，由于截止管的沟道电阻大于10M Ω，而导通管的沟道电阻仅为数百欧，故反相器输出电压UO ，即两管沟道电阻对电源的分压结果，使UO 近似于VDD ，即UO 为逻辑1（高电平）。
反之，当Ui 为“1”时，PMOS 管截止，NMOS 管导通，UO 接近VSS ，即输出为“0”，这样就完成了逻辑反相的过程。
以上所述的是在Ui 为“1”时或为“0”稳定状态下反相器工作情况。
若Ui 是连续的脉冲信号时，这可用图2所示的反相器电压输入输出曲线（也称作为转移特性曲线）。
当Ui 由逻辑“0”向“1”跃变时，通常NMOS 管和PMOS 管将分别经历①～⑤个区域所对应的状态。
在①区，Ui 从0开始增长，但始终不大于NMOS 管的开启电压UTN ，故NMOS 管截止，PMOS 管导通，此时UO 为高电平，且幅度基本保持不变。
COMS门电路
COMS 门电路 (双击自动滚屏)CMOS 反相器由一个p 沟道，一个N 沟道增强型MOS 管组成的CMOS 反相器电路。
设T 1 、T 2的开启电压为V GS(th)，电源电压V DD > V GS(th)。
于是分析其逻辑功能：V I =V IL ，A=0 则 T 1T 2T1导通（其内阻为1左右）T 2夹断（其内阻为）V DD 在T 1 、T 2分压，得，Y=1V I =V IH = V DD ，A=1 则 ，V GS2＝V DDT1 夹断，T 2导通，低电平（接近地电平），Y=0无论A=0，还是1，两个p 沟道和N 沟道NOS 管始终保持其一导通、其二夹断的工作状态——称为互补状态。
这种由p 沟道、另一个N 沟道增强型MOS 管组成的电路称为CMOS 电路。
本节讨论所使用的MOS 管均为增强型。
下面对此不再另做说明。
为画图方便，下面我们用图（c ）（d ）两个符号来代替图（a ）（b ）中N 沟道和p 沟道增强型MOS 管的符号。
CMOS 与非门及或非门上图的电路输出端与地之间是两N MOS管串联，与电源V DD之间是两p MOS管并联。
T2、T4只要有一个夹断（A、B两者有一个0，或都等于0），Y对地阻抗无穷大；T1、T3必有一个导通（A、B两者有一个0），Y与电源V DD导通，输出高电平Y＝1。
当A＝B＝1，T2、T4导通，T1、T3都夹断，Y＝0。
真值表如下。
通过类似的分析可得下图的真值表。
左图真值表右图真值表CMOS传输门和双向模拟开关CMOS传输门由两个增强型MOS管（一个p沟道，另一个N沟道）组成的CMOS传输门电路及逻辑符号如下图左、右所示：设控制信号C和的高低电平分别为V DD和0V，开启电压为V GS(th)1. C＝0，＝1时，只要输入信号v的范围不超过0～V DD，T1、T2同时夹断，输出与I输入之间呈高阻状态（>109Ω），象机械开关的开断状态一样，传输门不通。
CMOS电路
§3.5 CMOS 電路以MOS 管作為開關元件的積體電路稱為MOS 電路。
以P 溝道MOS 管構成的電路稱為PMOS 電路，以N 溝道MOS 管構成的電路稱為NMOS 電路，由P 溝道和N 溝道兩種MOS 管構成的電路稱為互補MOS 電路，簡稱CMOS 電路。
目前，COMS 電路和TTL 電路是兩種應用最廣的數位積體電路。
一、CMOS 電路的工作原理1．CMOS 反相器①工作原理A Y無論輸入A 是低電平還是高電平，N T 和P T 總是工作在一個截止而另一個導通的狀態，即所謂互補狀態，所以把這種結構形式的電路稱為互補對稱式金屬-氧化物-半導體電路，簡稱CMOS 電路。
②輸入保護電路2．其他邏輯功能的CMOS 門電路①反及閘和反或閘②帶緩衝級的CMOS門電路實際的CMOS門往往是在上述基本門的基礎上，於每個輸入端、輸出端加一級反向器構成的。
③漏極開路（Open Drain）的CMOS門如同TTL電路中的OC門，CMOS電路中有漏極開路門，可用以實現線與邏輯。
但在CMOS電路中，它主要作輸出緩衝/驅動器，或者用於輸出電平的轉換，以及滿足吸收大負載電流的需要。
④CMOS三態門與TTL電路一樣，CMOS 電路也有三態門，其邏輯和應用是相同的。
3．CMOS傳輸門和類比開關利用P溝道MOS管和N溝道MOS管的互補特性可以接成如右圖所示的傳輸門。
由於MOS管結構形式的對稱性，傳輸門是雙向器件，即輸入端和輸出端可以互換。
CMOS傳輸門與CMOS反相器一起，可以組合成多種複雜的邏輯電路。
如觸發器、寄存器及計數器等。
類比開關是其一個重要的應用。
二、CMOS 系列及性能參數1．CMOS 邏輯系列2．CMOS 電路的性能和主要參數①CMOS 反相器的傳輸特性⑴電壓傳輸特性在TN TP DD U U V +>||的條件下，CMOS 反相器輸 出電壓隨輸入電壓變化的 曲線，即電壓傳輸特性， 如右圖所示。
反相器 传输门
CMOS反相器MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。
由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。
下图表示CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。
为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即V DD ＞(VTN＋|VTP|) 。
CMOS反相器工作原理首先考虑两种极限情况：当vI 处于逻辑0时，相应的电压近似为0V；而当vI处于逻辑1时，相应的电压近似为VDD。
假设在两种情况下N沟道管 TN为工作管P沟道管TP为负载管。
但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。
下图分析了当vI =VDD时的工作情况。
在TN的输出特性iD—vDS（vGSN＝VDD）(注意vDSN=vO)上，叠加一条负载线，它是负载管TP在 vSGP=0V时的输出特性iD－vSD。
由于vSGP ＜VT（VTN=|VTP|=VT），负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。
两条曲线的交点即工作点。
显然，这时的输出电压vOL≈0V（典型值＜10mV ，而通过两管的电流接近于零。
这就是说，电路的功耗很小（微瓦量级）下图分析了另一种极限情况，此时对应于vI ＝0V。
此时工作管TN在vGSN＝0的情况下运用，其输出特性iD－vDS几乎与横轴重合，负载曲线是负载管TP在vsGP＝VDD 时的输出特性iD－vDS。
由图可知，工作点决定了VO＝VOH≈VDD；通过两器件的电流接近零值。
可见上述两种极限情况下的功耗都很低。
由此可知，基本CMOS 反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+V DD ，而功耗几乎为零。
CMOS 反相器传输特性下图为CMOS 反相器的传输特性图。
图中V DD =10V ，V TN =|V TP |=V T =2V 。
由于 V DD ＞（V TN ＋|V TP |），因此，当V DD -|V TP |>vI>V TN 时,T N 和T P 两管同时导通。
MOS传输门逻辑电路
? 先工作在饱和区，后进入线形区
? 高效传输低电平
（电平质量好，充电电流大）
V OUT =0
I DN 2 ? 2K N (VDD ? VTN )Vout
6
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NMOS 传输高电平和
Vc
低电平的输出波形
Vin
Vout
CL
7
第7页/共36页
PMOS传输门传输特性
( G) Vc
Vin
(s) 漏端
效传输高电平
V OUT =0
? PMOS 高效传输高电平，低
Vin
Vout
效传输低电平 VOUT =V DD
CL
V OUT =-V TP
Vc
9
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MOS传输门的基本特性
? NMOS/PMOS 传输门特性 ? CMOS 传输门特性
10
第10页/共36页
Vc
CMOS传输门传输高电平特性 Vin
? 实际的传输门电路一般需 要输入/输出端加反相器
? 传输门结构与或逻辑一般 不如互补CMOS结构高效
A
B
MN1
Y =A+B MN2
互补CMOS 结构
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传输门结构
19
A
B
异或门
C
A
VDD C
D
A
Y
B
D
B
? 传输门结构灵活，可以用较 少的器件实现逻辑功能
? 传输门实现异或等复杂逻辑 门结构效率较高
V out
CL
VC
传输高电平
传输低电平
14
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CMOS传输门导通电阻的变化
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8.1 CMOS 反相器
8.1.1 CMOS 反相器的直流特性
1. 结构和基本特性
电路图: 符号:
V DD
V o
V i
8.1.2 CMOS 反相器的瞬态特性
由于输出节点存在着容性负载，在输出电平变化的过程中，需对负载电容进行充放电，对负载电容的充放电决定了电路的瞬态特性。
V i ( t )
V DD
V O
C L
)
(t V O +
-
M2
M1
负载电容C L 由下一级的输入电容、本级的输出电容及连线的分布电容组成。
8.1.3 CMOS反相器的功耗
CMOS反相器的功耗P有两部分构成：
；
（1）静态功耗，即反向漏电流造成的功耗P
D
（2）动态功耗P
，又由两部分组成：
S。
①开关的瞬态电流造成的功耗P
A。
②负载电容的充电和放电造成的功耗P
T
1. 静态功耗P D
对CMOS反相器而言，无论输入为逻辑“0”还是逻辑“1”，两个MOS管始终只有一个管子导通，没有直流通路，也没有电流流入栅极，所以静态电流为0，静态功耗为0.
8.1.4 CMOS 反相器的设计
为了使CMOS 反相器获得最佳性能，常采用对称设计，使反相器中的NMOS 和PMOS 完全对称，即
此时：①有对称的直流电压传输特性曲线；
②有最大的直流噪声容限，即NM L =NM H =1/2V DD ；③上升时间=下降时间。
在实际的工艺中NMOS 和PMOS 的阈值电压数值不完全相等。
可以通过调节K N 和K P 中的设计参数，以获得最佳的电路性能。
P
N TP TN K K V V =−=,N
P p n W W 2,2,==需使由于μμ
8.2 CMOS 传输门
MOS 管的源、漏区是完全对称的结构，这种结构给MOS 管的应用带来灵活性。
MOS 管作为双向导通器件可以在电路中作为一个控制信号传送的可控开关，也叫传输管（Pass Transistor ）或传输门（Transmission Gate ）。
8.2.1 NMOS 传输门特性
电路接法如图所示。
当V C 为低电平时，NMOS 截止，输入、输出隔开；
当V C 为高电平时，NMOS 导通，将输入信号传到输出端。
V C V i
V o
C L
V DD
G
D
S。