数电04(CMOS逻辑门)
CMOS组合逻辑门的设计
CMOS组合逻辑门的设计CMOS（互补金属氧化物半导体）是一种集成电路技术，由P型和N型MOS（金属氧化物半导体）组成。
CMOS技术被广泛应用于数字逻辑门的设计中。
本文将详细介绍CMOS组合逻辑门的设计过程。
组合逻辑门是一种不带有存储元件的数字电路，根据输入的状态产生相应的输出状态。
CMOS组合逻辑门由MOS场效应晶体管和电阻组成。
在CMOS技术中，MOS晶体管可以工作在两种模式下：通过模式和截止模式。
通过模式下的晶体管导通，截止模式下的晶体管断开。
CMOS逻辑门的设计过程通常包括以下步骤：1.需求分析：首先确定需要设计的逻辑门的功能和特性。
了解输入输出关系和逻辑表达式。
2.逻辑表达式转换：将逻辑表达式转换为布尔代数表达式。
根据布尔代数原理，使用布尔代数运算符对逻辑表达式进行化简和转化。
3.逻辑电路设计：根据逻辑表达式，使用MOS晶体管和电阻等元件设计逻辑电路。
4.原理图绘制：根据逻辑电路设计，使用电路设计软件绘制电路原理图。
将所需的逻辑门、晶体管和电阻等组件进行布局。
5.模拟仿真：使用电路设计软件进行模拟仿真，验证逻辑门的设计是否正确。
通过输入信号，验证输出信号是否符合逻辑表达式。
6.物理布局设计：根据电路原理图和仿真结果，进行逻辑门的物理布局设计。
确保信号传输的最佳路径和减小电路延迟。
7.版图布线：根据物理布局设计，进行电路的版图布线。
将各个组件进行布线，保证信号传输的稳定性和最短路径。
8.工艺制造：根据版图布线，转化为切割、离子注入或敏感处理等工艺制造步骤。
生产出需要的CMOS逻辑门。
CMOS技术在逻辑门设计中具有许多优点，如低功耗、高集成度、高噪声抑制能力等。
CMOS逻辑门由于其优势得到了广泛应用，如在微处理器、数字信号处理器和存储器中。
总之，CMOS组合逻辑门的设计过程包括需求分析、逻辑表达式转换、逻辑电路设计、原理图绘制、模拟仿真、物理布局设计、版图布线和工艺制造等步骤。
CMOS技术在逻辑门设计中具有优越性能，得到了广泛应用。
《数字电子技术》教学课件(高教社) 第二章 门电路与组合逻辑电路 2.2.2知识点：CMOS门电路-教学文稿
3. CMOS电路的正确使用
（3）CMOS传输门组成的双向模拟开关 • 为了使输入保护电路电流容量不超限（一般为lmA），在可能出现较大输入 电流的场合，应采取以下保护措施： 3）在输入端接有长线时，可能因分布电容、分布电容产生寄生振荡，亦应 在长线与输入端之间加限流电阻，其阻值可按UDD/lmA计算，如图所示：
3. CMOS电路的正确使用
（3）CMOS传输门组成的双向模拟开关 • 为了使输入保护电路电流容量不超限（一般为lmA），在可能出现较大输入 电流的场合，应采取以下保护措施： 1）在输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串大限流电阻， 以保证输入保护二极管导通时，电流不超过lmA。 2）在输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接保护电阻RP，其阻值 可按UC/1mA计算。此处UC为电容上的电压(单位为V)。如图
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主 讲：
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讲授内容
第二章：门电路与组合逻辑电路 知识点 CMOS门电路
1. 常用CMOS逻辑门
（1）CMOS非门电路
负载管 P 沟道 +UDD
GS
T2
A
D
Y
T1
GS 驱动管 N 沟道
Y= A
A= 1 时，T1导通， T2截止，Y = 0 PMOS管
3. CMOS电路的正确使用
（3）CMOS传输门组成的双向模拟开关 • 因为CMOS电路存在寄生三极管效应而产生的锁定效应，使其在电源电压 UDD超限、UI超限和UO超限时不能正常工作，所以首先应保证电源电压的波动 不超过限度，输入、输出电压不超过电源电压的范围。还可以采取以下的防护 措施： 2）在电源输入端UDD处加去耦电路，如图2-21所示，以确保UDD可能出现的 瞬间高压得到缓解。
CMOS组合逻辑门的设计
非门
电路结构
CMOS非门由一个反相器构成，输入与输出相反。
工作原理
当输入为高电平（V<sub>DD）时，PMOS管导通，NMOS管截止，输出为低电平（V<sub>SS）；当输入 为低电平（V<sub>SS）时，PMOS管截止，NMOS管导通，输出为高电平（V<sub>DD）。
03
CMOS组合逻辑门的性能优 化
硬件描述语言
Verilog
Verilog是一种用于描述数字系统的硬件描述语言，被广泛应 用于数字电路设计和FPGA开发等领域。Verilog具有简洁、 直观的语法，支持模块化设计和层次化结构。
VHDL
VHDL是一种由IEEE标准化的硬件描述语言，它具有严格的语 法规则和强大的描述能力，可以描述数字电路和系统的行为 和结构。VHDL支持多层次设计和模块化设计，方便进行仿真 和综合。
性能指标
延迟时间
CMOS逻辑门的输入变化到输出变 化的延迟时间。
功耗
CMOS逻辑门在运行过程中的能量 消耗。
噪声容限
CMOS逻辑门对于输入噪声的鲁棒 性。
驱动能力
CMOS逻辑门能够驱动的最大负载 电容。
优化方法
优化逻辑门设计
选择适当的工艺
减少不必要的输入和输出，优化逻辑功能实 现。
选用更优化的材料和工艺，如低k绝缘材料 和多晶硅。
挑战和机遇。
未来，CMOS组合逻辑门的设计 将朝着更高速、更低功耗、更高
可靠性的方向发展。
同时，CMOS组合逻辑门的设计 也将更加注重智能化、集成化和 灵活性，以满足各种复杂应用场
景的需求。
THANKS
设计实现
01
基于CMOS技术的组合逻辑门实现的基本原理是利用CMOS管的开关特性和传 输特性，通过组合不同的CMOS管来实现不同的逻辑功能。
cmos门电路的特点_CMOS门电路的工作原理及特性 - 电子技术
cmos门电路的特点_CMOS门电路的工作原理及特性 - 电子技术MOS逻辑门电路是继TTL之后发展起来的另一种应用广泛的数字集成电路。
由于它功耗低、抗干扰能力强、工艺简单，几乎所有的大规模、超大规模数字集成器件都采用MOS工艺。
就其发展趋势看，MOS 电路特别是ＣＭＯＳ电路有可能超越TTL成为占统治地位逻辑器件。
CMOS逻辑门电路是由N沟道增强型MOS管和P沟道增强型MOS管互补而成，通常称为互补型MOS逻辑电路，简称CMOS逻辑电路。
下面以CMOS非门为例介绍CMOS门电路的工作原理及特性。
1、CMOS非门图1 CMOS非门基本电路（1）电路结构及工作原理CMOS非门的基本电路结构如图1所示，其中TP是P沟道增强型MOS 管，TN是N沟道增强型MOS管。
假如TP和TN的开启电压分别为UTP和UTN，则要求VDDUTP+UTN。
当输入为低电平，即ui=0时，TN截止，TP导通，故uo≈VDD，输出高电平。
当输入为高电平，即ui=VDD时，TP截止，TN导通，故uo≈0，输出低电平。
所以该电路实现了非逻辑。
通过以上分析可以看出，在CMOS非门电路中，无论电路处于何种状态，TP、TN中总有一个截止，所以它的静态功耗极低，有微功耗电路之称。
（2）电压传输特性在图1所示的CMOS非门电路中，设VDDUTP+UTN。
,且UTP=UTN，TP 和TN具有同样的导通内阻RON和截止内阻ROFF，则输出电压随输入电压变化的曲线，即电压传输特性如图2所示。
图2 CMOS非门的电压传输特性从图2所示的曲线上可以看出，CMOS非门的电压传输特性不仅有阀值电压UT=1/2VDD的特点，而且曲线转折区的曲率很大，因此更接近于理想的开关特性，从而使CMOS非门电路获得了更大的输入端噪声容限。
2、CMOS与非门电路CMOS与非门电路如图3所示。
驱动管TN1和TN2为N沟道增强型MOS管，两者串联，负载管TP1和TP2为P沟道增强型MOS管，两者并联，负载管整体与驱动管相串联。
CMOS集成逻辑门电路特点及使用方法
CMOS集成逻辑门电路特点及使用方法
1.低功耗：CMOS电路在工作时只有短暂的电流流动，且仅在切换过程中会有瞬间的短路电流，因此功耗较低。
2.高集成度：CMOS电路能够实现大规模的集成，由于其结构简单，可以在一个芯片上实现多个逻辑门功能，从而提高整体集成度。
3.抗干扰能力强：CMOS电路采用互补器件，两种类型的晶体管结合在一起，当一种开启时，另一种关闭，因此对干扰信号的抵抗能力强。
4.工作稳定：CMOS电路由于采用了互补结构，不容易产生热失调现象，故工作稳定性较高。
5.可编程性强：CMOS电路通常具有很好的可编程性，可以通过调整电流大小、精密度等参数来实现不同逻辑功能的设计。
1.电路设计：根据需要设计逻辑电路，包括确定所需的逻辑功能、输入输出端口等。
2.电路仿真：使用电路仿真软件对设计的逻辑电路进行仿真，验证其正确性并进行必要的调整。
3.电路布局：根据设计的逻辑电路，进行电路布局设计，确定晶体管和连线的布局，保证电路的正常工作。
4.制作掩膜：根据布局设计制作相应的掩膜，并进行曝光和光刻等加工工艺。
5.生产加工：通过工艺流程，将设计好的电路图案制作到芯片上，完成电路的制造。
6.测试验证：对制作好的CMOS电路进行测试验证，检查其性能和功能是否符合设计要求。
总的来说，CMOS集成逻辑门电路具有低功耗、高集成度、抗干扰能力强、工作稳定等优点，广泛应用于数字电路、微处理器、存储器、通信电路、模拟电路等领域。
在使用CMOS集成电路时，需要进行电路设计、仿真、布局、制作掩膜、生产加工和测试验证等步骤，以确保电路的正常工作和性能达到设计要求。
CMOS技术的不断发展将为电子行业带来更多的创新和发展机遇。
数电CMOS逻辑门
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稳定性好
CMOS逻辑门的输出电压范围较小，不易受到温度和工艺变化的影响。
CMOS逻辑门的阈值电压也相对稳定，有利于提高数字电路的稳定性。
输入阻抗高
CMOS逻辑门的输入电路采用反相器结构，具有较高的输入阻抗。
高输入阻抗能够减小信号传输过程中的损耗，提高信号的保真度。
03
CMOS逻辑门的应用
在数字电路中的应用
新型CMOS逻辑门的研究
总结词
随着集成电路技术的发展，新 型CMOS逻辑门不断涌现，以
满足新的应用需求。
详细描述
新型CMOS逻辑门通过创新设 计理念和结构，提高性能、降 低功耗和减小尺寸。
总结词
新型CMOS逻辑门包括可重构 逻辑门、自适应逻辑门和神经 网络逻辑门等。
详细描述
这些新型逻辑门具有更高的灵 活性、自适应性和智能化水平 ，为未来集成电路的发展提供
输入级通常由一个或两个反 相器构成，用于实现逻辑非 的功能。
输出级由一个反相器和两个 串联的二极管构成，用于实 现逻辑与的功能。
CMOS逻辑门的制作工艺
CMOS逻辑门采用成熟的半导体制作工艺， 包括外延、光刻、腐蚀、扩散和蒸镀等工艺 。
外延工艺用于生长单晶硅层，光刻工艺用于 在硅片上形成电路图形，腐蚀工艺用于去除 不需要的硅层，扩散工艺用于掺杂不同元素 形成导电区域，蒸镀工艺用于形成金属导线
数电CMOS逻辑门
目 录
• CMOS逻辑门简介 • CMOS逻辑门的特点 • CMOS逻辑门的应用 • CMOS逻辑门的实现 • CMOS逻辑门的发展趋势
01
CMOS逻辑门简介
什么是CMOS逻辑门
CMOS组合逻辑门的设计
高噪声容限
CMOS电路对噪声干扰具有较强的 容忍度，因此具有较高的信号完整 性。
高速运行
CMOS电路的开关速度很快，可以 实现较高的工作频率。
低成本
CMOS电路的制作成本较低，并且 可以采用大规模量产的方式，使得 价格更加实惠。
03
CMOS组合逻辑门的设计 要素
输入和输出端口的设计
输入和输出端口是组合逻辑门的接口，需要根据应用需求进行合理设计。
案例四
• 总结词：基于不同输入/输出类型的CMOS门电路设计需要考虑不同的输入/输出类型的特点和限制，以确保 电路的性能和稳定性。
• 详细描述：CMOS门电路可以采用不同的输入/输出类型实现，如TTL、CMOS、ECL等。每种类型都有其特 点和限制，因此需要根据具体需求选择合适的类型。例如，TTL类型具有较高的速度和较低的功耗，但需要 较高的电压；CMOS类型具有较低的功耗和较高的稳定性，但速度较慢；ECL类型具有较高的速度和较低的 功耗，但需要特殊的信号电平。在设计基于不同输入/输出类型的CMOS门电路时，需要考虑这些特点和限 制，以实现最佳的性能和稳定性。
分类
组合逻辑门包括基本逻辑门（AND、OR、NOT）、复杂逻辑门（多输入门、 多输出门）和其他特殊门（如异或门、半加器等）。
组合逻辑门的基本功能
01
02
03
实现逻辑运算
组合逻辑门可以用于实现 各种基本的逻辑运算，如 与、或、非等。
组合逻辑函数
组合逻辑门可以用于实现 组合逻辑函数，即多个输 入决定一个输出的函数。
，实现复杂的逻辑功能。
在实现逻辑功能时，需要考虑电 路的复杂度、时序和功耗等因素
，以优化设计。
性能优化与功耗控制
性能优化是CMOS组合逻辑门设计 的重要环节，包括时序、功耗、面 积等方面。
cmos逻辑电路（PDF精品）
CMOS逻辑电路的高级技术
9.2 准nMOS电路
1、结构
q 优点： 晶体管较少，N个输 入的门电路仅需N+1 个MOS管
q 缺点： 1、静态功耗不为0； 2、是有比逻辑电路 （输 出与尺寸有关）
VLSI & Systems
CMOS逻辑电路的高级技术
2、准nMOS逻辑 INV
q MOSFET尺寸的确定： 设Vin=VDD，且VOL很小； 则pFET工作在饱和区， nFET工作在线性区
9.1 镜像电路
q 对nFET和pFET采用相同的拓扑连接。 1、异或门（XOR）
VLSI & Systems
CMOS逻辑电路的高级技术
a⊕b = a•b+a•b
用ＡＯＩ实现：
用镜像电路实现：
VLSI & Systems
CMOS逻辑电路的高级技术
镜像XOR电路优点之一：对称的版图
VLSI & Systems
IDn = IDp
⇒
βn 2
[2(VDD
− VTn )VOL
− VO2L ] =
βp 2
(VDD − | VTp
|) 2
⇒ VOL = (VDD −VTn ) −
(VDD
−VTn ) 2
−
βp βn
(VDD −
| VTp
|) 2
VLSI & Systems
CMOS逻辑电路的高级技术
3、准nMOS逻辑 NOR和NAND
D
T1
CLK
CLK
I1
T2
I2
CLK
I3
Q
I4
缺点：传输门以及源驱动必须比反馈环路反相器更强, 信号反向传导问题
cmos逻辑门工作原理
CMOS逻辑门工作原理一、工作机制CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）逻辑门是数字集成电路中的基本元件，其工作机制基于半导体材料的PN结。
在CMOS逻辑门中，有两个主要的部分：P 型晶体管和N型晶体管，它们在物理结构和功能上相互补充，因此被称为“互补”的。
CMOS逻辑门的操作基于“充电”和“放电”原理。
当输入信号发生变化时，CMOS逻辑门会通过充电或放电过程来改变其输出电压。
具体来说，当输入信号为高电平（通常为“1”）时，N型晶体管开启，P型晶体管关闭，使得输出电容放电，输出电压降低；反之，当输入信号为低电平（通常为“0”）时，N型晶体管关闭，P型晶体管开启，使得输出电容充电，输出电压升高。
二、开关状态在CMOS逻辑门中，P型晶体管和N型晶体管的开关状态是互补的，即当一个开启时，另一个必须关闭。
这种互补性使得CMOS逻辑门的输出信号与输入信号保持一致，但不会出现“短路”的情况，从而避免了功耗的浪费。
三、电源电压CMOS逻辑门的电源电压通常在5V至12V之间。
电源电压越高，逻辑门的性能越好，但功耗也会相应增加。
在选择电源电压时，需要综合考虑逻辑门的性能需求和功耗限制。
四、输入输出关系CMOS逻辑门的输入和输出之间存在一定的关系。
一般来说，当输入信号的电压超过一定阈值时，逻辑门就会输出高电平；当输入信号的电压低于一定阈值时，逻辑门就会输出低电平。
这种阈值电压是CMOS逻辑门的一个重要参数，它决定了逻辑门的输入和输出关系。
五、功耗和性能CMOS逻辑门的功耗和性能之间存在一定的权衡关系。
一般来说，功耗和性能之间存在负相关关系，即功耗越低，性能越差；反之，功耗越高，性能越好。
在选择CMOS逻辑门时，需要根据实际需求来选择合适的功耗和性能参数。
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。
数字电路cmos型和ttl型门电路介绍及使用
数字电路cmos型和ttl型门电路介绍及使用一、CMOS门电路CMOS 门电路一般是由MOS管构成，由于MOS管的栅极和其它各极间有绝缘层相隔，在直流状态下，栅极无电流，所以静态时栅极不取电流，输入电平与外接电阻无关。
由于MOS管在电路中是一压控元件，基于这一特点，输入端信号易受外界干扰，所以在使用CMOS门电路时输入端特别注意不能悬空。
在使用时应采用以下方法：1、与门和与非门电路：由于与门电路的逻辑功能是输入信号只要有低电平，输出信号就为低电平，只有全部为高电平时，输出端才为高电平。
而与非门电路的逻辑功能是输入信号只要有低电平，输出信号就是高电平，只有当输入信号全部为高电平时，输出信号才是低电平。
所以某输入端输入电平为高电平时，对电路的逻辑功能并无影响，即其它使用的输入端与输出端之间仍具有与或者与非逻辑功能。
这样对于CMOS与门、与非门电路的多余输入端就应采用高电平，即可通过限流电阻（500Ω）接电源。
2、或门、或非门电路：或门电路的逻辑功能是输入信号只要有高电平输出信号就为高电平，只有输入信号全部为低电平时，输出信号才为低电平。
而或非门电路的逻辑功能是输入信号只要有高电平，输出信号就是低电平，只有当输入信号全部是低电平时输出信号才是高电平。
这样当或门或者或非门电路某输入端的输入信号为低电平时并不影响门电路的逻辑功能。
所以或门和或非门电路多余输入端的处理方法应是将多余输入端接低电平，即通过限流电阻（500Ω）接地。
二、TTL门电路TTL门电路一般由晶体三极管电路构成。
根据TTL电路的输入伏安特性可知，当输入电压小于阐值电压UTH，即输入低电平时输入电流比较大，一般在几百微安左右。
当输入电压大于阈值电压UTH时，输入高电平时输入电流比较小，一般在几十微安左右。
由于输入电流的存在，如果TT L门电路输入端串接有电阻，则会影响输入电压。
其输入阻抗特性为：当输入电阻较低时，输入电压很小，随外接电阻的增加，输入电平增大，当输入电阻大于IKΩ时，输入电平就变为阈值电压UTH即为高电平，这样即使输入端不接高电平，输入电压也为高电平，影响了低电平的输入。
cmos与门逻辑电路
cmos与门逻辑电路CMOS与门逻辑电路CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）与门逻辑电路是一种常见的数字电路，它由一对互补的MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）组成。
CMOS与门电路的基本功能是将两个输入信号进行逻辑与运算，输出结果与输入信号相应的逻辑关系相符。
CMOS与门电路的工作原理是基于MOSFET的特性。
MOSFET是一种由金属、氧化物和半导体材料构成的晶体管。
它包括一个源极、一个漏极和一个栅极。
当栅极施加电压时，栅极与源极之间的电场会改变沟道的导电性，从而控制漏极和源极之间的电流流动。
CMOS与门电路中的两个MOSFET互补工作，一个是P型，一个是N型。
当输入信号为低电平时，P-MOSFET导通，N-MOSFET 截断；当输入信号为高电平时，P-MOSFET截断，N-MOSFET导通。
通过控制输入信号的高低电平，CMOS与门电路可以实现逻辑与运算。
CMOS与门电路的优点之一是能够在低功耗下工作。
由于MOSFET 只有在切换时才会消耗能量，而且CMOS电路中的两个互补MOSFET只会同时导通或截断，因此在静态情况下几乎没有功耗。
另外，CMOS与门电路的结构简单，制造工艺成熟，可靠性高，容易集成在大规模集成电路（VLSI）中。
CMOS与门电路的应用非常广泛。
它可以用于各种数字系统中，如计算机、通信设备、工业控制系统等。
在数字集成电路中，CMOS 与门电路可以作为其他逻辑门电路的基本构件，例如与非门、与或门等。
此外，CMOS与门电路也可以用于信号处理、时序电路和存储器等领域。
尽管CMOS与门电路有很多优点，但也存在一些限制。
首先，由于MOSFET的特性，CMOS与门电路的输入电压范围受限，不能超过供电电压。
其次，CMOS与门电路在切换时可能会产生一定的噪声干扰，对于某些应用场景可能需要进行抗干扰设计。
此外，CMOS 与门电路的制造成本相对较高，需要复杂的工艺流程和精密的设备。
数字电子技术经典教程_CMOS门电路
缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。 措施：输入级一般都加了保护电路。
CMOS门电路的电气特性
3. 静态输出特性
当门电路输出低电平时
VDD VDD RL
VTP V OL VTN CMOS反相器 IOL
结论：灌电流（sinking current）负载提高了低电平输出 电压VOL。 IOL ：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V，VO=0.4V 时，IOL（min） =0.44mA
CMOS门电路的电气特性
噪声容限
G1
VOH
）
（ min
1
VOL（max）
VIH（min）
G2 1
VIL（max）
低电平噪声容限
高电平噪声容限
VNL=VIL（max）－VOL（max） VNH= VOH（min） － VIH（min）
CMOS门电路的电气特性
例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOL（ max） =0.1V ， 最 大 输 入 低 电 平 VIL （ max ） =1.5V ， 最 小 输 出 高 电 平 VOH（ max） =4.9V，最小输入高电平VIH（ max） =3.5V，则其低电 平噪声容限VNL= 。
MOS管的工作原理
1． vDS=0，vGS＞0
vGS＞0将在绝缘层产生电场， 该电场将SiO2绝缘层下方的 空穴推走，同时将衬底的电子吸引到下方，形成导电沟道。
U S= 0 U DD S ＞ 0
U GS S G D
思考：何谓反型层？何谓开启 电压？
反型层
S iO 2
N+
N+
2． vDS＞0，vGS＞0
on on off off
cmos逻辑门电路
cmos逻辑门电路一、引言CMOS逻辑门电路是数字电路中常用的一种电路，它采用了CMOS技术，具有低功耗、高速度和稳定性等优点。
本文将从CMOS逻辑门的基本原理、结构和特点入手，详细介绍CMOS逻辑门的工作原理、应用及其发展趋势。
二、CMOS逻辑门的基本原理1. CMOS技术简介CMOS技术是指利用p型MOSFET和n型MOSFET组成的互补型MOSFET来构成数字电路。
p型MOSFET和n型MOSFET分别采用p型半导体和n型半导体作为衬底，通过控制栅极上的电压来控制输出端口上的电流。
由于它们互补使用，因此称为互补型MOSFET。
2. CMOS逻辑门结构CMOS逻辑门由p型MOSFET和n型MOSFET组成，它们分别被串联在输出端口上。
当输入信号为高电平时，p型MOSFET导通，n型MOSFET截止；当输入信号为低电平时，p型MOSFET截止，n型MOSFET导通。
3. CMOS逻辑门特点（1）低功耗：CMOS逻辑门采用互补型MOSFET，因此在静态状态下几乎不消耗功率。
（2）高速度：由于p型MOSFET和n型MOSFET的导通与截止是瞬间完成的，因此CMOS逻辑门具有较高的响应速度。
（3）稳定性好：CMOS逻辑门具有很好的抗干扰能力，能够有效地抵御噪声和干扰。
三、CMOS逻辑门工作原理1. CMOS反相器CMOS反相器由一个p型MOSFET和一个n型MOSFET组成。
当输入信号为高电平时，p型MOSFET导通，n型MOSFET截止；当输入信号为低电平时，p型MOSFET截止，n型MOSFET导通。
因此输出信号与输入信号相反。
2. CMOS与非门CMOS与非门由两个串联的CMOS反相器组成。
当两个输入端口均为高电平时，两个反相器输出均为低电平，而输出端口上出现高电平；只要有一个输入端口为低电平，则整个CMOS与非门输出都为高电平。
3. CMOS或非门CMOS或非门由两个并联的CMOS反相器组成。
cmos逻辑门电路
CMOS逻辑门电路1. 什么是CMOS逻辑门电路？CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）逻辑门电路是一种常用的数字电路设计技术。
它由两种类型的晶体管组成：N型金属氧化物半导体场效应晶体管（NMOS）和P型金属氧化物半导体场效应晶体管（PMOS）。
CMOS逻辑门电路采用了这两种晶体管的互补特性，能够实现低功耗、高噪声容限和高抗干扰性能。
2. CMOS逻辑门电路的基本原理CMOS逻辑门电路是通过控制晶体管的导通与截止状态来实现不同逻辑功能的。
当输入信号为高电平时，PMOS导通，NMOS截止；当输入信号为低电平时，PMOS截止，NMOS导通。
通过合理地设计和连接这些晶体管，可以实现与门、或门、非门等基本逻辑功能。
3. CMOS逻辑门电路的基本结构3.1 NMOS与PMOS晶体管NMOS和PMOS晶体管是构成CMOS逻辑门电路的基本元件。
NMOS由一个N型沟道和控制栅极组成，PMOS由一个P型沟道和控制栅极组成。
NMOS的导通与截止由栅极电压控制，当栅极电压高于阈值电压时，NMOS导通；PMOS的导通与截止也由栅极电压控制，但是当栅极电压低于阈值电压时，PMOS导通。
3.2 CMOS逻辑门的实现CMOS逻辑门由一组串联或并联的NMOS和PMOS晶体管组成。
以下是几种常见的CMOS逻辑门实现方式：•与门（AND Gate）：将多个输入信号分别通过NMOS与PMOS晶体管连接，在输出端通过串联的NMOS和PMOS晶体管实现与运算。
•或门（OR Gate）：将多个输入信号分别通过NMOS与PMOS晶体管连接，在输出端通过并联的NMOS和PMOS晶体管实现或运算。
•非门（NOT Gate）：将输入信号通过一个NMOS晶体管接入输出端，并在输出端再接入一个PMOS晶体管，实现非运算。
4. CMOS逻辑门电路的特点4.1 高抗干扰性CMOS逻辑门电路采用了互补型结构，输入信号只需驱动其中一种晶体管，另一种晶体管处于截止状态，因此输入信号的干扰对输出信号的影响较小。
CMOS逻辑门电路
CMOS逻辑门电路CMOS逻辑门电路CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后，所开发出的第⼆种⼴泛应⽤的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造⼯艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL⽽成为占主导地位的逻辑器件。
CMOS电路的⼯作速度可与TTL 相⽐较，⽽它的功耗和抗⼲扰能⼒则远优于TTL。
此外，⼏乎所有的超⼤规模存储器件，以及PLD器件都采⽤CMOS艺制造，且费⽤较低。
早期⽣产的CMOS门电路为4000系列，随后发展为4000B系列。
当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使⽤。
下⾯⾸先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMO逻辑门电路。
MOS管结构图MOS管主要参数：1.开启电压V T·开启电压（⼜称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；·标准的N沟道MOS管，V T约为3～6V；·通过⼯艺上的改进，可以使MOS管的V T值降到2～3V。
2. 直流输⼊电阻R GS·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之⽐·这⼀特性有时以流过栅极的栅流表⽰·MOS管的R GS可以很容易地超过1010Ω。
3. 漏源击穿电压BV DS·在V GS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使I D开始剧增时的V DS称为漏源击穿电压BV DS·I D剧增的原因有下列两个⽅⾯：（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿（2）漏源极间的穿通击穿·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加V DS会使漏区的耗尽层⼀直扩展到源区，使沟道长度为零，即产⽣漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流⼦，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产⽣⼤的I D 4. 栅源击穿电压BV GS·在增加栅源电压过程中，使栅极电流I G由零开始剧增时的V GS，称为栅源击穿电压BV GS。
5. 低频跨导g m·在V DS为某⼀固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之⽐称为跨导·g m反映了栅源电压对漏极电流的控制能⼒·是表征MOS管放⼤能⼒的⼀个重要参数·⼀般在⼗分之⼏⾄⼏mA/V的范围内6. 导通电阻R ON·导通电阻R ON说明了V DS对I D的影响，是漏极特性某⼀点切线的斜率的倒数·在饱和区，I D⼏乎不随V DS改变，R ON的数值很⼤，⼀般在⼏⼗千欧到⼏百千欧之间·由于在数字电路中，MOS管导通时经常⼯作在V DS=0的状态下，所以这时的导通电阻R ON可⽤原点的R ON来近似·对⼀般的MOS管⽽⾔，R ON的数值在⼏百欧以内7. 极间电容·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容C GS 、栅漏电容C GD和漏源电容CDS·C GS和C GD约为1～3pF·C DS约在0.1～1pF之间8. 低频噪声系数NF·噪声是由管⼦内部载流⼦运动的不规则性所引起的·由于它的存在，就使⼀个放⼤器即便在没有信号输⼈时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化·噪声性能的⼤⼩通常⽤噪声系数NF来表⽰，它的单位为分贝（dB）·这个数值越⼩，代表管⼦所产⽣的噪声越⼩·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数·场效应管的噪声系数约为⼏个分贝，它⽐双极性三极管的要⼩⼀、CMOS反相器由本书模拟部分已知，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。
CMOS集成逻辑门的逻辑功能与参数测试
实验三CMOS集成逻辑门的逻辑功能与参数测试一、实验目的1．掌握CMOS集成门电路的逻辑功能和器件的使用规则;2．学会CMOS与非门主要参数的测试方法。
二、预习要求1．复习CMOS门电路的工作原理;2．了解四2输入与非门CD4011，四2输入或门CD4071，四2输入与门CD4082及四异或门CD4030等门电路的引脚功能;3．各种CMOS门电路闲置输入端应如何处理？三、实验原理1．CMOS为英文Complementary Metal Oxide Semiconductor的简称，译为互补--金属—氧化物—半导体存储器。
CMOS集成电路是将N沟道MOS晶体管和P沟道MOS晶体管同时用于一个集成电路中，成为组合二种沟道MOS管性能的更优良的集成电路。
2．CMOS集成电路的主要优点：（1）电源电压范围广，可在+3V~+18V范围内正常运行；（2）功耗低。
相比之下，TTL器件的功耗则大得多；（3）输入阻抗高，通常大于1010Ω，远高于TTL器件；（4）接近理想的传输特性，输出高电平可达电源电压的99.9%以上，低电平可达电源电压的0.1%以下；（5）扇出系数非常大，负载能力强。
3．CMOS与非门的主要参数CMOS与非门主要参数的定义及测试方法与TTL与非门电路相仿，参见实验二。
四、实验仪器与器件1. TH-SZ型数字电路实验箱2. UT56数字万用表3. 四2输入与非门CD4011、四异或门CD4030各一片五、实验内容和步骤1. 验证四2输入与非门CD4011和四异或门CD4030的逻辑功能，判断其好坏。
（可以取器件中的一个门进行实验）。
图3-1分别为两者的引脚排列图：U DDGNDU DDGNDCD4011(四与非门）CD4030（四异或门）图3-1 CD4011、CD4030引脚排列图测试时，选好某一个14P 集成块插座，插入被测器件，其输入端（设为A 、B ）接逻辑开关（开关向上为“1”，向下为“0”），其输出端（设为Y ）接LED 发光二极管（LED 亮则输出高电平“1”，灭为“0”）。
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TN C
+5V
vO vI
传输门的应用
传输门组成的数据选择器 C=0 TG1导通, TG2断开 L=X C=1 TG2导通, TG1断开 L=Y
& 1
IIL ：负载门的输入端为低电平 时，允许输入的电流。 n：负载门数目（与非门负载） 接入的输入端数目（或非门负载）
n &
…
m &
…
1
当VO=VOH 必须保证VOH≥VOH(min)，所以RP 要足够小，有一个最大值RP(max)。 +V DD RP
VDD IOZ ( total ) I IH(total) Rp VOH ( min )
3
逻辑门电路
3.1 MOS逻辑门电路 3.2 TTL逻辑门电路 *3.3 射极耦合逻辑门电路 *3.4 砷化镓逻辑门电路 3.5 逻辑描述中的几个问题 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题 * 3.7 用VerilogHDL描述逻辑门电路
3.1 MOS逻辑门
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 数字集成电路简介 逻辑门的一般特性 MOS开关及其等效电路 CMOS反相器 CMOS逻辑门电路
ID电流方向:
流出漏极
S
开启电压VTP <0 1） VGS <VTP时导通（开关闭合） 2） VGS >VTP时截止（开关断开） 另：衬底B与S之间零偏或反偏。 BS可连在一起，或PMOS可将B 接电路的最高电位
3.1.3 MOS开关及其等效电路
当υI < VTN : MOS管截止， 输出高电平 当υI > VTN ：MOS管通过饱和区到达可变电阻区，输出 低电平
逻辑真值表
vi
D1
vO
vi (A)
0 1
vO(L)
1
L A
S1 TN
0 逻辑图
A
1
L
2. 电压传输特性和电流传输特性
+VDD TP vi vO TN
电压传输特性
vO f ( vI )
3.CMOS反相器的工作速度
带电容负载
由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭 时间是相等的。平均延迟时间：10 ns。
2）当c=1， c =0时 a、I=5V~3V 电路
C
5V
GSN=5V (－5V~+3V)=(10~2)V
GSN>VTN, TN导通
vO /vI
TP vI /vO
+5V 5V
b、I=3V~5V
GSP= 5V (－3V~+5V) =2V ~ 10V GSP > |VT|, TP导通 C、I=3V~3V TN导通，TP导通
vo
输入保护缓冲电路
基本逻辑功能电路
输出缓冲电路
例：CMOS逻辑门的缓冲电路
输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路 的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功 能为与非功能
L A B A B
3.1.6 CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路
1.CMOS漏极开路门 1）CMOS漏极开路门的提出
n & 1
…
m &
2.三态(TSL)输出门电路
VDD
X A 0 1
0 1EN
1
0 1 & 1 0 1
TP截止 导通 截止 L 0 1
≥1
截止 TN 导通 使能EN 1 1 0 输入A 0 1 × 输出L 0 1 高阻
0 1
1 L
A EN
逻辑功能：高电平有效的同相逻辑三态门
3.1.7 CMOS传输门(双向模拟开关)
+V DD & IOL(total) RP & IIL（total) & IIL & k
VDD IOL ( total ) I IL(total) Rp VOL (max)
R p(min)
VDD VOL (max) I OL ( total ) I IL(total)
n &
t PHL 输出
90% 50% 10%
tPLH
90%
tPLH或 tPHL(ns)
50% 10%
7
8
2.1
0.9
t
f
tr
4. 功耗
静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，是电源总电流ID
与电源电压VDD的乘积。 动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗。 对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。 CMOS电路的静态功耗非常低。CMOS门电路动态功耗正比于 转换频率，也正比于电源电压的平方。
TN1
VSS
A TN2 B
L &
A B
(a)工作时必须外接电源和电阻; (b)与非逻辑不变 (c) 可以实现线与功能;
C D
&
L L1 L2 AB CD
AB CD
3) 上拉电阻对OD门动态性能的影响
Rp的值愈小，负载电容的充电时间 常数亦愈小，因而开关速度愈快。 但功耗大,且可能使输出电流超过允
5. 延时功耗积 是速度功耗综合性的指标.延时功耗积，用符号DP表示 DP=tPd PD
6. 扇入与扇出数
扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。
扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。
(a)拉电流负载：负载电流从驱动门流向外电路 (b)灌电流负载：负载电流从外电路流入驱动门
（a)带拉电流负载
vO /vI
vI /vO
1）当c=0， c =1时 c=0=-5V， c =1=+5V GSN= -5V (－5V到+5V)=(0到-10)V GSN< VTN, TN截止 GSP=5V (-5V到+5V)=(10到0)V GSP>0, TP截止
5V到+5V
C
5V
TN
开关断开，不能转送信号
电路带电容负载
VDD RP L
许的最大值IOL(max） 。
0
A
1
Rp的值大，可保证输出电流不能超 B
过允许的最大值IOL(max）、功耗小。 但负载电容的充电时间常数亦愈大， C 开关速度因而愈慢。
D
CL
因为OD门内没有电源，所以 无论输出电平为高或低，输出电 流均从外电路流入OD门 当VO=VOL， 必须保证VOL≤VOL(max)， 所以RP要足够大，有一个最小 值RP(min)。
TP2
L
T N1 T N2
0 1
1 0
1 1
0
0
导通 截止 导通 截止
N输入的或非门的电路的结构?
或非门
L A B
输入端增加有什么问题?
A B
≥1
3. 异或门电路
4.输入保护电路和缓冲电路 采用缓冲电路能统一参数，使内部逻辑不同的集成逻辑门电 路具有相同的输入和输出特性。
vi
基本逻辑 功能电路
+VDD +VDD
A
A
输出短接，在一定情况下会产 B
B
1
N1 T N2 T
生低阻通路，大电流有可能导
致器件的损毁，并且无法确定
0
输出是高电平还是低电平。
2）漏极开路门的结构与逻辑符号 电路 逻辑符号 漏极开路门输出连接
VDD RP L
+VDD
L
TP2
TP1
L
VDD RP A B C D & L
A
A BB
3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路
3.1.7 CMOS传输门 3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数
3.1.1
数字集成电路简介
1 、逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。
2、逻辑门电路的分类
分立门电路
逻辑门电路 集成门电路
二极管门电路
三极管门电路
MOS门电路
NMOS门 PMOS门 CMOS门
vI
输入低电平的上限值 VIL(max) 输入高电平的下限值 VIH(min) 输出低电平的上限值 VOL(max)
输出 低电平
VOL(max) 0
输出高电平的下限值 VOH(min)
G 门 vO 范围
2. 噪声容限 表示门电路的抗干扰能力。
驱动
1 vo
噪声
vI
负载
1
负载门输入高电平时的噪声容限： VNH =VOH(min)－VIH(min)
R p(max)
VDD VOH (min) I OZ(total) I IH(total)
IOZ（total) & 1
&
IIH（total)
IOZ(total) ：全部OD门的输出高 电平时的漏电流总合。 IIH(total) ：=nIIH。
& 1
&
…
IIH ：负载门的输入端为高电平 时，允许输入的电流。 n： 接入的输入端数目
1. CMOS传输门电路 电路
C
逻辑符号
C
TP vI /vO
+5V 5V
vO /vI
vI /vO
TG
vO /vI
TN C
C
C 等效电路
υI / υO
υo/ υI
2、CMOS传输门电路的工作原理 电路
C
+5V
TP
+5V 5V
设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V
I的变化范围为－5V到+5V。
3.1.4 CMOS 反相器
1.工作原理 VTN = 2 V +VDD