第03章 逻辑门电路

3.6CMOS逻辑门电路

3.6.1CMOS反相器

3.6.2CMOS门电路

3.6.3BiCMOS门电路

3.6.4CMOS传输门

3.6.5CMOS逻辑门电路的技术参数

3.6.0复习MOS管的有关知识13.6.0复习MOS管的有关知识大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而TTL系列不可能做得很小，但MOS管的结构和制造工艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍MOS器件。与双极性电路比较，MOS管的优点是功耗低，可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的CMOS电路。23.6.0复习MOS管的有关知识1.N沟道MOS管的结构P型衬底沟道区域绝缘层金属铝3VGS=0时，则D、S之间相当于两个PN结背向的串联，D、S之间不通，iD＝0。3.6.0复习MOS管的有关知识2.工作原理反型层（导电沟道）

当G、S间加上正电压，且VGS>VT时，栅极与衬底之间形成电场，吸引衬底中的电子到栅极下面的衬底表面，形成一个N型的反型层－－构成D、S之间的导电沟道。VT被称为MOS管的开启电压。由于VGS＝0时，无导电沟道，在增强VGS

电压后形成导电沟道，所以称这类MOS管为增强型MOS管。P型衬底43.6.0复习MOS管的有关知识2.工作原理反型层（导电沟道）P型衬底

N沟道增强型MOS管具有以下特点：当VGS>VT

时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。当VGS<VT

时，管子截止，相当于开关断开；同样，对P沟道增强型MOS管来说：当|VGS|

<|VT|时，管子截止，相当于开关断开；当|VGS|

>|VT|时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。53.6.1CMOS反相器1.CMOS反相器的工作原理2.CMOS反相器的特点3.CMOS反相器的传输特性4.CMOS反相器的工作速度61.CMOS反相器的工作原理7当vI=0V时VDD

1.CMOS反相器的工作原理VGSN=0＜

VTNTN管截止；|VGSP|=VDD＞VTP

电路中电流近似为零（忽略TN的截止漏电流）,VDD主要降落在TN上，输出为高电平VOHTP管导通。≈VDD通止0V

8当vI=VOH=VDD时1.CMOS反相器的工作原理VGSN=VDD>

VTNTN管导通；|VGSP|=0<VTP

TP管截止。此时，VDD主要降在TP管上，输出为高电平VOL:通VOL

止VDD

92.CMOS反相器的特点因而CMOS反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）。TP和TN只有一个是工作的，103.

CMOS反相器的工作速度vI=0V

在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。平均延迟时间：10ns小iDN

CL

vO

vI

TP

TNVDD

vI=VDD小iDP

CL

vO

vI

TP

TNVDD

113.6.2

CMOS

门电路1、与非门二输入“与非”门电路结构如图每个输入端与一个NMOS管和一个PMOS管的栅极相连当A和B为高电平时:1两个并联的PMOS管T3、T4两个串联的NMOST1、T2通通止止0101通止通1止当A和B有一个或一个以上为低电平时:电路输出高电平输出低电平电路实现“与非”逻辑功能122.或非门电路1当A、B全为低电平时3.6.2CMOS

门电路00输出为高电平时132.或非门电路当输入端A、B都为高电平时，当A、B全为低电平时，3.6.2CMOS

门电路当A、B中有一个为高电平时011输出为高电平时输出为低电平时输出必为低电平时143.6.3CMOS

OD门电路153.6.4CMOS

三态门电路163.6.5

CMOS传输门1.CMOS传输门电路(TG)是一种传输信号的可控开关，截止电阻>107Ω，导通电阻<几百Ω，所以是一个理想的开关。结构对称，其漏极和源极可互换，它们的开启电压|VT|=2V。它广泛地用于采样保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。

由互补的信号电压来控制，分别用C和C

表示。172、CMOS传输门电路的工作原理设TP和TN的开启电压|VT|=2V，且输入模拟信号的变化范围为0V到+5V。

C

TP

vO/vI

vI/vO

+5V

0V

TN

C

当c端接低电压0V时0V+5V0V~+5V开关断开

C

TP

vO/vI

vI/vO

+5V

0V

TN

C

当c端接高电压+5V+5V0V0V~+5V一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。183.CMOS逻辑门电路的技术参数系列参数基本的CMOS(4000/4000B系列)高速CMOS(74HC系列)与TTL兼容的高速MOS(74HCT系列)与TTL兼容的高速BiCMOS(74BCT)系列tpd/ns(CL=15pF)7510132.9PD/mw0.0021.551.0020.0003~7.5DP/pJ0.1515.513.0260.00087~22CMOS门电路的性能比较19CMOS反相器传输特性AB段：由于UI=UGS1＜UT1，|UGS2|＞|UT2|，故T1截止，T2导通。输出高电平UOH≈UDD。CD段：UI=UGS1＞UT1，T1导通。UI＞UDD–|UT2|，则|UGS2|＜|UT2|，T2截止。输出低电平UOL≈0V。电源电压UDD＞UT1+|UT2|，T1和T2的参数对称，UT1=|UT2|。

UT1：NMOS的开启电压;

UT2：PMOS的开启电压。BC段：由于UT1＜UI＜UDD–|UT2|，所以UGS1

＞UT1，|UGS2|＞|UT2|，T1和T2同时导通。

T1和T2参数完全对称的情况下，CMOS反相器的阈值电压等于电源电压的一半，获得较大的噪声容限。转折区的变化率很大，CMOS反相器更接近于理想开关特性。20在每个固定的UDD情况下，UNL和UNH始终相等。国产4000系列CMOS电路的测试结果表明，UNL=UNH≥30%UDD。