数字逻辑设计八

3.5.1

CMOS反相器3.5.2

COMS与非门3.5CMOS集成逻辑门电路3.5.3

COMS或非门3.5.4

CMOS传输门3.5.5

CMOS门电路的使用注意事项2/4/20231

MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。

MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。CMOS门电路2/4/202323.5.1CMOS反相器1．MOS管的开关特性MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。2/4/20233NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小

（1）NMOS管的开关特性

栅极漏极源极2/4/20234PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接负电源

（2）PMOS管的开关特性

导通导通电阻相当小截止栅极漏极源极2/4/20235CMOS反相器PMOS管负载管NMOS管驱动管

开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。2．CMOS反相器的工作原理

（1）基本电路结构互补对称式金属-氧化物-半导体电路2/4/20236（2）工作原理CMOS反相器UIL=0V截止导通UOH≈VDD当uI=UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，

uO=UOH≈VDD

2/4/20237CMOS反相器UIH=VDD截止UOL≈0V当uI=UIH=VDD，VTN导通，VTP截止，uO=UOL≈0V导通2/4/20238（3）逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。（4）工作特点

VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。2/4/20239CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性

3．电压传输特性和电流传输特性AB段：截止区iD为0BC段：转折区阈值电压UTH≈VDD/2转折区中点：电流最大CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。CD段：导通区2/4/2023104.CMOS电路的优点

（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）2/4/202311负载管并联（并联开关）驱动管串联（串联开关）3.5.2CMOS与非门1.电路组成2/4/2023122.工作原理（1）当输入A＝0、B＝0时，VTN1和VTN2都截止，VTP1和VTP2同时导通，输出Y＝1。（2）当输入A＝0、B＝1时，VTN1截止，VTP1导通，输出Y＝1。（3）当输入A＝1、B＝0时，VTN2截止，VTP2导通，输出Y＝1。（4）当输入A＝1、B＝1时，VTN1和VTN2同时导通，而VTP1和VTP2均截止，输出Y＝0。由上分析可知，电路实现了与非逻辑功能，其逻辑表达式为2/4/202313负载管串联（串联开关）3.5.3

CMOS或非门

驱动管并联（并联开关）CMOS或非门

A、B有高电平，则驱动管导通、负载管截止，输出为低电平。10截止导通1.电路组成2/4/202314该电路具有或非逻辑功能,即Y=A+B当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。00截止导通12.工作原理2/4/2023151.电路组成

C和是一对互补的控制信号。由于VTP和VTN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。3.5.4CMOS传输门

CMOS传输门（a）电路（b）逻辑符号2/4/202316若C=1（接VDD)、C=0（接地），当0＜uI＜(VDD－|UT|)时，VTN导通；当|UT|＜uI＜VDD时，VTP导通；

uI在0~VDD之间变化时，VTP和VTN至少有一管导通，使传输门TG导通。（2）工作原理（了解）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。2/4/202317（3）应用举例CMOS模拟开关

①CMOS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。2/4/2023183.5.5COMS集成逻辑门的使用注意事项1.使用时的工作条件对于各种集成电路，在技术手册中都会给出各主要参数的工作条件和极限值，使用时一定要在推荐的工作条件范围内。2.电源电压（1）CMOS电路的电源电压极性不可接反，否则。可能会造成电路永久性失效。（2）CC4000系列的电源电压可在3～15V的范围内选择，最大不允许超过极限值18V。电源电压选择得越高，抗干扰能力也越强。2/4/202319（3）高速CMOS电路，HC系列的电源电压可在2～6V的范围内选用，HCT系列的电源电压在4.5～5.5V的范围内选用，最大不允许超过极限值7V。（4）在进行CMOS电路实验，或对CMOS数字系统进行调试、测量时，应先接入直流电源，后接信号源；使用结束时，应先关信号源，后关直流电源。3.闲置输入端的处理（1）闲置输入端不允许悬空。（2）对于与门和与非门，闲置输入端应接正电源或高电平；对于或门和或非门，闲置输入端应接地或低电平。2/4/202320（3）闲置输入端不宜与使用输入端并联使用因为这样会增大输入电容，从而使电路的工作速度下降。但在工作速度很低的情况下，允许输入端并联使用。4.输出端的连接（1）输出端不允许直接与电源或与地相连。因为电路的输出级通常为CMOS反相器结构，这会使输出级的NMOS管或PMOS管可能因电流过大而损坏。2/4/202321（2）为提高电路的驱动能力，可将同一芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。（3）当CMOS电路输出端接大容量的负载电容时，流过管子的电流很大，有可能使管子损坏。因此，需在输出端和电容之间串接一个限流电阻，以保证流过管子的电流不超过允许值。2/4/2023225.其它注意事项（1）焊接时，电烙铁必须接地良好，必要时，可将电烙铁的电源插头拔下，利用余热焊接。（2）集成电路在存放和运输时，应放在导电容器或金属容器内。（3）组装、调试时，应使所有的仪表、工作台面等具有良好的接地。2/4/2023233.6TTL电路与COMS电路的连接在数字系统中，如果同时采用TTL和CMOS电路，便出现TTL与CMOS电路的相互连接问题。两种不同类型的集成门电路，在相互连接时必须满足一定的条件，否则必须通过接口电路进行电平或电流的变换之后，才能连接。1.两类集成门电路互相连接的条件门电路在连接时，前者称为驱动门，后者称为负载门，如图所示。驱动门为负载门提供符合要求的高、低电平和足够的输入电流，具体条件是2/4/202324驱动门负载门

UOH（min）≥UIH（min）

UOL（max）≤UIL（max）

IOH（max）≥NOHIIH（max）

IOL（max）≥NOLIIL（max）

书中表3-7列出了TTL、COMS4000和HCOMS电路的输出电压、输出电流、输入电压、输入电流等参数，可作为选择接口电路时参考。2/4/2023252.COMS电路驱动TTL电路通过比较TTL系列和CMOS系列的有关参数可知，高速CC74HCT系列CMOS电路与TTL电路完全兼容，它们可以直接相互连接。另外，CC74HC系列CMOS电路也可以直接驱动CT74系列和CT74LS系列TTL电路。CC4000系列CMOS电路也可直接驱动CT74LS系列TTL电路。2/4/202326（1）CMOS4000系列驱动TTL电路由表3.7可知，CMOS4000系列电路输出的高、低电平都满足要求，但由于TTL电路输入低电平电流较大，而CMOS4000系列电路输出低电平电流却很小，灌电流负载能力低，不能向TTL提供较大的低电平电流。

提高CMOS4000系列电路输出低电平电流的方法的两种：2/4/202327一是可将同一芯片上的多个CMOS电路并联作为驱动门。如图（a）所示。另一种方法是在CMOS电路输出端和TTL电路输入端之间接入CMOS驱动器，如图（b）所示。（a）驱动门并联使用（b）采用CMOS驱动器2/4/2023282.高速CMOS电路驱动TTL电路由表3.7可知，高速CMOS电路的电源电压VDD＝VCC＝5V时，CC74HC和CC74HCT系列电路的输出端和TTL电路输入端可直接相连。3.TTL电路驱动CMOS4000系列电路由表3.7可知，TTL电路输出低电平电流比较大，能满足驱动CMOS电路的要求，而其输出高电平的下限值小于CMOS电路输入高电平的下限值，它们之间不能直接驱动。2/4/202329因此，应设法提高TTL电路输出高电平的下限值，使其大于CMOS电路输入高电平的下限值。解决这个问题的方法有两种：一是在TTL电路的输出端与电源之间接入上拉电阻，如图所示。当TTL电路输出为高电平时，输出级的负载管和驱动管同时截止，于是有接入上拉电阻提高TTL电路输出的高电平。2/4/202330另一种方法是在TTL电路输出和CMOS电路输入端之间接入一个CMOS电平转换器，如图所示。2/4/202331（4）TTL电路驱动74HCT系列高速CMOS电路高速CMOS电路CC74HCT系列在设计制造时就已经考虑了和TTL电路的兼容问题，使它的输入高电平UIH（min）＝2V，而TTL电路输出高电平UOH（min）＝2.7V。因此，TTL电路的输出端可直接与高速CMOS电路CC74HCT系列的输入端相连。不用另外再加其它器件。2/4/2023322.6.1CMOS门电路的使用知识

1．输入电路的静电保护

CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：2.6CMOS门电路和TTL门电路的使用知识及相互连接2/4/202333（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2．多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。2/4/2023342.6.2TTL门电路的使用知识

1．多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：（1）与其它输入端并联使用。（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。2/4/202335

(1)在每一块插板的电源线上，并接几十μF的低频去耦电容和0.01~0.047μF的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。(2)整机装置应有良好的接地系统。2．电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。2/4/2023362.6.3TTL门电路和CMOS门电路

的相互连接

TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。一般要考虑两个问题：一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。2/4/2023371.

TTL门驱动CMOS门（1）电平不匹配

TTL门作为驱动门，它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；CMOS门作为负载门，它的UIH≥3.5V，UIL≤1V。可见，TTL门的UOH不符合要求。（2）电流匹配

CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。2/4/202338（3）解决电平匹配问题TTL门驱动CMOS门①外接上拉电阻RP在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH≈5V。（当电源电压相同时）

2/4/202339②选用电平转换电路(如CC40109)若电源电压不一致时可选用电平转换电路。

CMOS电路的电源电压可选3~18V；而TTL电路的电源电压只能为5V。③采用TTL的OC门实现电平转换。若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。2/4/2023402.CMOS门驱动TTL门（1）电平匹配CMOS门电路作为驱动门，UOH≈5V，UOL≈0V；TTL门电路作为负载门，UIH≥2.0V，UIL≤0.8V。电平匹配是符合要求的。（2）电流不匹配CMOS门电路4000系列最大允许灌电流为0.4mA，TTL门电路的IIS≈1.4mA，

CMOS4000系列驱动电流不足。2/4/202341（3）解决电流匹配问题

CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。①选用CMOS缓冲器比如，CC4009的驱动电流可达4mA。②选用高速CMOS系列产品选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。2/4/202342各种系列门电路的主要参数2/4/202343常用集成门电路(TTL系列）

型号名称主要功能74LS00四2输入与非门

74LS02四2输入或非门

74LS04六反相器