第三章 3.3节CMOS门
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CD段：输入高电平
VI VDD VGS (TH ) P
T1管截止，T2导通，输 出漏极电流近似为零
图3.3.12 CMOS反相器的电 流传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
BC段：
VGS (TH ) N VI VDD VGS (TH ) P
T1、T2同时导通，有电 流iD同时通过，且在 vI＝VDD / 2附近处，漏极 电流最大，故在使用输 入电压不应长时间工作 在这段，以防由于功耗 过大而损坏。 图3.3.12 CMOS反相器的电 流传输特性
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门
**A、B同时为“1”时， T2、 T4同时导通， T1、 T3同时截止，故输出为 高电平，Y＝1 故：
Y ( AB)
图3.3.21 CMOS与非门
3.3.5其他类型的CMOS逻辑门
2. 或非门： 如图2.6.3所示，T1、 T3为 两个并联的PMOS， T2、 T4 为两个串联的NMOS A、B有一个为“1”时，T2、 T4至少有一个导通， T1、 T3 至少有一个截止，故输出为 低电平，Y＝0 A、B同时为“0”时，T2、 T4同时截止， T1、 T3同时导 通故输出为高电平，Y＝1 图3.3.22 CMOS或非门 故： Y ( A B)
二、电压传输特性和电流传输特性 1. 电压传输特性 反相器电压传输 特性是输出电压vo和 输入vI之间的关系曲线， 如图3.3.11所示。并设
VGS ( th ) P VGS ( th ) N VDD VGS ( th ) P VGS ( th ) N
图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
三、输入端噪声容限 1.定义： 由图3.3.11 CMOS反相 器的电压传输特性可知，在 输入电压vI偏离正常低电平 或高电平时，输出电压vo并 不随之马上改变，允许输入 电压有一定的变化范围。 输入端噪声容限：是指在 保证输出高、低电平基本 不变（不超过规定范围） 图3.3.11 CMOS反相器的电 时，允许输入信号高、低 压传输特性 电平的波动范围
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
其中：
VOH（min）－输出 高电平最小值 VOL（max）－输出 低电平最大值 VIH（min）－输入高 电平最小值 VIL（max）－输入低 电平最大值 图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 容限示意图
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
当vI＝VIH＝VDD为高电平时， T2导通， T1管截止，输出电 压为低电平，即
vOL
Ron VDD 0 Roff Ron
( Ron Roff )
图3.3.10 CMOS反相器电路
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 特点
由于电路中存在着开关时间和分布电容的充放电过程， 二、交流噪声容限 因而门电路输出状态的改变，直接与输入脉冲信号的 交流噪声容限是 幅度和宽度有关，当输入脉冲信号的宽度接近于门电 在窄脉冲作用下，输 路传输延迟时间的情况下，则需要较大的输入脉冲幅 入电压允许变化的范 度才能使电路的输出发生变化。也就是说门电路对窄 围，图3.3.20是输入为 脉冲的噪声容限要高于直流噪声容限。 不同宽度窄脉冲时 CMOS反相器的交流 噪声容限曲线。即 VNA=f（tw）
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门
一、其他逻辑功能的CMOS门电路
1.CMOS与非门 如图3.3.21所示， T1、 T3为两个串联的 PMOS， T2、 T4为两 个并联的NMOS *A、B有一个为“0” 时，T2、 T4至少有一 个截止， T1、 T3至少 有一个导通，故输出 为高电平，Y＝1 图3.3.21 CMOS与非门
则输入噪声容限为
V NH VOH (min) VIH (min) V NL VIL (max) VOL (max)
图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 容限示意图
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
输入噪声容限和电源电压VDD有关，当VDD增加时，电 压传输特性右移，如图3.3.14所示 结论：可以通过提高
3.CMOS传输门
1. 无论 vI 是高电平还是低电平，T1和T2管总 是一个导通一个截止的工作状态，称为互补， 这种电路结构CMOS电路； 2. 由于无论输入为低电平还是高电平， T1和T2 总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过 T1和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
图3.3.20为CMOS非门的输出输入波形。
图3.3.20 CMOS反相器的输入输出波形 tPHL－输入电压前沿上升到幅值的50％与输出后沿下 降到幅值的50％之间的差值 tPLH－输入电压后沿下降到幅值的50％与输出前沿上升 到幅值的50％之间的差值
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
VGS (TH ) N VI VDD VGS (TH ) P
两个管子同时导通时的功耗
PT。
电容充放电的功耗为
PC CL f VD D
2
其中：CL－负载电容
f－输入信号的频率 VDD－漏极电源电压
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
两个管子同时导通时的功耗PT为
PT VDD I TAV CPD f VD D
VDD来提高噪声容限
VDD VNH (VNL )
图3.3.14 VDD对电压传输特性的影响
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性
二、输出特性 输出特性为从反相器输出端看输出电压喝输出电 流的关系，包括输出为低电平输出特性和输出为高电 平输出特性 1.低电平输出特性 在输入为高电平，即 vI ＝VIH＝VDD时，此时T1截止， T2导通，如图3.3.17所示，电 流从负载注入T2，输出电压 VOL随电流增加而提高。
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
一、CMOS反相器的电路结构 及工作原理
1.结构： 图3.3.10为CMOS反相器 的电路 其中T1为P沟道增强型MOS管， T2为N沟道增强型MOS管.它们 构成互补对称电路
图3.3.10 CMOS反相器电路
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
AB段：输入低电平
VI VGS ( th) N
T1管导通，T2截止Hale Waihona Puke Baidu输 出电压为高电平，即
VO VOH VDD
CD段：输入高电平
VI VDD VGS (TH ) P
T1管截止，T2导通，输 出电压为低电平，即
图3.3.11 CMOS反相器的电 压传输特性
VO VOL 0
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
BC段：
VGS (TH ) N VI VDD VGS (TH ) P
T1、T2同时导通，若T1、 T2参数完全相同，则
1 1 当VI VDD时， VO VDD 2 2
图3.3.11 CMOS反相器的电 压传输特性
图3.3.17 输出为低电平时的电路
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
前面的输入输出特性为静态特性，没有考虑电路 转换状态时的延迟，动态特性要考虑传输延迟时间。
一、传输延迟时间tPHL和tPLH 由于MOS管的寄生电容和负载电容的存在，使得 输出电压的变化滞后输入电压的变化，将输出电压变 化迟后输入电压变化的时间成为传输延迟时间。 tPHL－输出由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间 tPLH－输出由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间 tpd－平均传输延迟时间，tpd＝（ tPHL＋ tPLH）/ 2 CMOS电路tPHL＝ tPLH
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
2.计算方法 输入噪声容限 分为输入高电平噪 声容限VNH和输入 低电平噪声容限 VNL。图3.3.13给出 计算输入噪声容限 的方法。 由图中可知， 如果是多个门电路 相连时，前一级门 电路的输出即为后 一级门电路的输入
图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 容限示意图
它反映CMOS反相器 图3.3.20 交流噪声容限在不同VDD时交 的动态抗干扰能力。 流噪声容限与噪声电压作用时间的关系 其中tw 是脉冲宽度。
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
三、动态功耗 当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到 另一种稳定状态过程中，将产生附加的功耗，称为动 态功耗。它包括对负载电容充放电的功耗PC和在
2
其中：CPD－功耗 电容，厂家给出
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
总的动态功耗为
PD P PC T
CMOS反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即
PTOT PD Ps
其中：PS－静态功耗，由于稳定时无论输入是高电平 还是低电平，总有一个管子是截止的，故静态功耗很 小，故在计算总功耗时，一般只计算动态功耗。
2.工作原理
它们的开启电压分别为 VGS（th）P=-2V、 VGS（th）N=2V，VDD=10V 当vI＝VIL＝0为低电平时， T2截止， T1管导通，输出电压 为高电平，即
vOH Roff Roff Ron VDD VDD
( Ron Roff )
图3.3.10 CMOS反相器电路
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
2.电流传输特性
电流传输特性是反相 器的漏极电流随输入电 压变化曲线，如图3.3.12 所示。也分成三段：
AB段：输入低电平
VI VGS ( th) N
T1管导通，T2截止，输 出漏极电流近似为零
图3.3.12 CMOS反相器的电 流传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
VI VDD VGS (TH ) P
T1管截止，T2导通，输 出漏极电流近似为零
图3.3.12 CMOS反相器的电 流传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
BC段：
VGS (TH ) N VI VDD VGS (TH ) P
T1、T2同时导通，有电 流iD同时通过，且在 vI＝VDD / 2附近处，漏极 电流最大，故在使用输 入电压不应长时间工作 在这段，以防由于功耗 过大而损坏。 图3.3.12 CMOS反相器的电 流传输特性
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门
**A、B同时为“1”时， T2、 T4同时导通， T1、 T3同时截止，故输出为 高电平，Y＝1 故：
Y ( AB)
图3.3.21 CMOS与非门
3.3.5其他类型的CMOS逻辑门
2. 或非门： 如图2.6.3所示，T1、 T3为 两个并联的PMOS， T2、 T4 为两个串联的NMOS A、B有一个为“1”时，T2、 T4至少有一个导通， T1、 T3 至少有一个截止，故输出为 低电平，Y＝0 A、B同时为“0”时，T2、 T4同时截止， T1、 T3同时导 通故输出为高电平，Y＝1 图3.3.22 CMOS或非门 故： Y ( A B)
二、电压传输特性和电流传输特性 1. 电压传输特性 反相器电压传输 特性是输出电压vo和 输入vI之间的关系曲线， 如图3.3.11所示。并设
VGS ( th ) P VGS ( th ) N VDD VGS ( th ) P VGS ( th ) N
图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
三、输入端噪声容限 1.定义： 由图3.3.11 CMOS反相 器的电压传输特性可知，在 输入电压vI偏离正常低电平 或高电平时，输出电压vo并 不随之马上改变，允许输入 电压有一定的变化范围。 输入端噪声容限：是指在 保证输出高、低电平基本 不变（不超过规定范围） 图3.3.11 CMOS反相器的电 时，允许输入信号高、低 压传输特性 电平的波动范围
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
其中：
VOH（min）－输出 高电平最小值 VOL（max）－输出 低电平最大值 VIH（min）－输入高 电平最小值 VIL（max）－输入低 电平最大值 图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 容限示意图
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
当vI＝VIH＝VDD为高电平时， T2导通， T1管截止，输出电 压为低电平，即
vOL
Ron VDD 0 Roff Ron
( Ron Roff )
图3.3.10 CMOS反相器电路
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 特点
由于电路中存在着开关时间和分布电容的充放电过程， 二、交流噪声容限 因而门电路输出状态的改变，直接与输入脉冲信号的 交流噪声容限是 幅度和宽度有关，当输入脉冲信号的宽度接近于门电 在窄脉冲作用下，输 路传输延迟时间的情况下，则需要较大的输入脉冲幅 入电压允许变化的范 度才能使电路的输出发生变化。也就是说门电路对窄 围，图3.3.20是输入为 脉冲的噪声容限要高于直流噪声容限。 不同宽度窄脉冲时 CMOS反相器的交流 噪声容限曲线。即 VNA=f（tw）
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门
一、其他逻辑功能的CMOS门电路
1.CMOS与非门 如图3.3.21所示， T1、 T3为两个串联的 PMOS， T2、 T4为两 个并联的NMOS *A、B有一个为“0” 时，T2、 T4至少有一 个截止， T1、 T3至少 有一个导通，故输出 为高电平，Y＝1 图3.3.21 CMOS与非门
则输入噪声容限为
V NH VOH (min) VIH (min) V NL VIL (max) VOL (max)
图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 容限示意图
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
输入噪声容限和电源电压VDD有关，当VDD增加时，电 压传输特性右移，如图3.3.14所示 结论：可以通过提高
3.CMOS传输门
1. 无论 vI 是高电平还是低电平，T1和T2管总 是一个导通一个截止的工作状态，称为互补， 这种电路结构CMOS电路； 2. 由于无论输入为低电平还是高电平， T1和T2 总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过 T1和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
图3.3.20为CMOS非门的输出输入波形。
图3.3.20 CMOS反相器的输入输出波形 tPHL－输入电压前沿上升到幅值的50％与输出后沿下 降到幅值的50％之间的差值 tPLH－输入电压后沿下降到幅值的50％与输出前沿上升 到幅值的50％之间的差值
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
VGS (TH ) N VI VDD VGS (TH ) P
两个管子同时导通时的功耗
PT。
电容充放电的功耗为
PC CL f VD D
2
其中：CL－负载电容
f－输入信号的频率 VDD－漏极电源电压
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
两个管子同时导通时的功耗PT为
PT VDD I TAV CPD f VD D
VDD来提高噪声容限
VDD VNH (VNL )
图3.3.14 VDD对电压传输特性的影响
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性
二、输出特性 输出特性为从反相器输出端看输出电压喝输出电 流的关系，包括输出为低电平输出特性和输出为高电 平输出特性 1.低电平输出特性 在输入为高电平，即 vI ＝VIH＝VDD时，此时T1截止， T2导通，如图3.3.17所示，电 流从负载注入T2，输出电压 VOL随电流增加而提高。
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
一、CMOS反相器的电路结构 及工作原理
1.结构： 图3.3.10为CMOS反相器 的电路 其中T1为P沟道增强型MOS管， T2为N沟道增强型MOS管.它们 构成互补对称电路
图3.3.10 CMOS反相器电路
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
AB段：输入低电平
VI VGS ( th) N
T1管导通，T2截止Hale Waihona Puke Baidu输 出电压为高电平，即
VO VOH VDD
CD段：输入高电平
VI VDD VGS (TH ) P
T1管截止，T2导通，输 出电压为低电平，即
图3.3.11 CMOS反相器的电 压传输特性
VO VOL 0
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
BC段：
VGS (TH ) N VI VDD VGS (TH ) P
T1、T2同时导通，若T1、 T2参数完全相同，则
1 1 当VI VDD时， VO VDD 2 2
图3.3.11 CMOS反相器的电 压传输特性
图3.3.17 输出为低电平时的电路
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
前面的输入输出特性为静态特性，没有考虑电路 转换状态时的延迟，动态特性要考虑传输延迟时间。
一、传输延迟时间tPHL和tPLH 由于MOS管的寄生电容和负载电容的存在，使得 输出电压的变化滞后输入电压的变化，将输出电压变 化迟后输入电压变化的时间成为传输延迟时间。 tPHL－输出由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间 tPLH－输出由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间 tpd－平均传输延迟时间，tpd＝（ tPHL＋ tPLH）/ 2 CMOS电路tPHL＝ tPLH
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
2.计算方法 输入噪声容限 分为输入高电平噪 声容限VNH和输入 低电平噪声容限 VNL。图3.3.13给出 计算输入噪声容限 的方法。 由图中可知， 如果是多个门电路 相连时，前一级门 电路的输出即为后 一级门电路的输入
图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 容限示意图
它反映CMOS反相器 图3.3.20 交流噪声容限在不同VDD时交 的动态抗干扰能力。 流噪声容限与噪声电压作用时间的关系 其中tw 是脉冲宽度。
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
三、动态功耗 当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到 另一种稳定状态过程中，将产生附加的功耗，称为动 态功耗。它包括对负载电容充放电的功耗PC和在
2
其中：CPD－功耗 电容，厂家给出
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
总的动态功耗为
PD P PC T
CMOS反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即
PTOT PD Ps
其中：PS－静态功耗，由于稳定时无论输入是高电平 还是低电平，总有一个管子是截止的，故静态功耗很 小，故在计算总功耗时，一般只计算动态功耗。
2.工作原理
它们的开启电压分别为 VGS（th）P=-2V、 VGS（th）N=2V，VDD=10V 当vI＝VIL＝0为低电平时， T2截止， T1管导通，输出电压 为高电平，即
vOH Roff Roff Ron VDD VDD
( Ron Roff )
图3.3.10 CMOS反相器电路
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
2.电流传输特性
电流传输特性是反相 器的漏极电流随输入电 压变化曲线，如图3.3.12 所示。也分成三段：
AB段：输入低电平
VI VGS ( th) N
T1管导通，T2截止，输 出漏极电流近似为零
图3.3.12 CMOS反相器的电 流传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理