sd41CMOS系列器件2011课件

2023/3/141CMOS逻辑系列电路返回2023/3/142

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3CMOS逻辑门器件有以下系列：①4000系列__基本的CMOS②74HC系列__高速的CMOS③74HCT系列__与TTL兼容的高速CMOS④AC与ACT（先进CMOS系列与其和TTL兼容系列）⑤FC与FCT（FastCMOS系列与其和TTL兼容系列）⑥BiCMOS系列__与TTL结合的高速CMOSCMOS逻辑门系列2023/3/145CMOS反相器

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。返回2023/3/146图3-c-04NMOS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

2023/3/147图3-c-05PMOS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MOS管的基本开关电路图3-c-07开关等效电路OFF，截止状态ON，导通状态图3-c-082023/3/1411（2）工作原理图3-c-9CMOS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

CMOS门电路（Complementary）CMOS反相器及工作原理图3-c-112023/3/1414

（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。2023/3/1415图3-c-10CMOS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：导通区输入噪声容限图3-c-17输入噪声容限结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限图3-c-13图3-c-14交流噪声容限输出特性图3-c-16图3-c-17图3-c-18输出特性图3-c-19图3-c-20CMOS反相器的动态特性传输延迟时间tpd2023/3/14

传输延迟:逻辑电路的输入变化到其输出发生相应变化所间隔的时间。tpHLtpLHCMOS反相器的传输延迟

tpHL:输入变化导致输出从高电平到低电平变化所间隔的时间。

tpLH:输入变化导致输出从低电平到高电平变化所间隔的时间。tpHLtpLH50%VIH50%VOHCMOS反相器的动态特性2023/3/1426几种CMOS系列电路传输延迟时间4000B74HC74HCT74LVC74AUC(VDD=5V)(VDD=5V)(VDD=5V)(VDD=3.3V)(VDD=1.8V)tpd(ns)约10782.10.92023/3/1429CMOS电路总功耗2023/3/1430几种CMOS系列电路延时－功耗积图3-c-022023/3/14CMOS逻辑电平和噪声容限VOLmax=0.1V0.7VDD0.3VDD0VDDABNORMALHIGHLOWVOHminVIHminVILmaxVOLmaxHigh-stateDCnoisemarginLow-stateDCnoisemarginVOHmin=VDD–0.1VVIHmin=0.7VDDVILmax=0.3VDDVNH

=VOHmin-VIHmin

VNL=

VILmax-VOLmax

CMOS门电路2023/3/14

扇出系数

总的扇出系数是高、低电平状态下扇出系数中较小的一个。

逻辑门所能够驱动同类门（输入端）的个数。

IOLmax:保证输出不高于VOLmax的低电平最大灌电流。

IOHmax:保证输出不低于VOHmin的高电平最大拉电流。CMOS门电路2023/3/1433扇入、扇出数图3-c-02扇出数：一个逻辑电源能够同时驱动的并保持逻辑电平在规定范围内的并行负载数；扇入数：一个逻辑门的输入端的个数；(后面再举例）2023/3/14344.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.或非门1.与非门

其他类型的CMOS门电路2023/3/1436

负载管串联（串联开关）

驱动管并联（并联开关）图3-28CMOS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CMOS或非门2023/3/1437

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1CMOS或非门2023/3/14ABQ1Q2Q3Q4ZLLHHLHLHoffoffononononoffoffoffonoffononoffonoffHLLLABZ001101011000BAVDDZQ4Q2Q1Q3ABZCMOS或非门2023/3/14AVDDZBQ1Q2Q3Q4ABQ1Q2Q3Q4ZLLHHLHLHoffoffononononoffoffoffonoffononoffonoffHHHLABZ001101011110ABZCMOS与非门2023/3/1440图3-29CMOS与非门该电路具有与非逻辑功能，即Y=ABCMOS与非门

负载管并联（并联开关）

驱动管串联（串联开关）CMOS与非门带缓冲极的CMOS门2.解决方法2023/3/14CMOS门电路及扇入数

扇入系数：逻辑门输入端的个数（Ni）。I2I3I4I1OUTI6I7I8I5I2I3I4I1I6I7I8I5OUTInprinciple,youcoulddesignaCMOSNANDorNORgatewithalargenumberofinputs.Whycouldn'taCMOSgatehaslargenumberofinputs?AVDDZBQ1Q2Q3Q4Q6CQ5漏极开路的门电路（OD门）1.可将输出端并联使用，实现线与或者用作电平转换、驱动器。2.使用时，允许外接RL、VDD’（可以不等于VDD）。3.RL的计算方法与OC门类似。2023/3/14

Pull-upresistorcalculationABZ=VOHminVPRPILHIOHminRLABZ=VOLmaxVPRPILLIOLmaxRLCMOS－OD门2023/3/14Open-draingatescanbeusefulindrivinglight-emittingdiodes(LEDs)andotherdevices;performingwiredlogic;anddrivingmultisourcebuses.漏极开路的门电路（OD门）2023/3/14Pull-upresistorcalculationABZ=VOHminVPRPILHIOHminRLOpen-draingatescanbeusefulindrivinglight-emittingdiodes(LEDs)andotherdevices;performingwiredlogic;anddrivingmultisourcebuses.ABZ=VOLmaxVPRPILLIOLmaxRL漏极开路的门电路（OD门）2023/3/1448

（1）电路结构

C和C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。

CMOS传输门图3-30CMOS传输门（a）电路（b）逻辑符号49

注意：由于MOS管的结构是对称的，即源极和漏极可以互换使用，因此，传输门的输入端和输出端可以互换使用。即MOS传输门具有双向性，故又称为可控双向开关。2023/3/1450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。2023/3/1451

（3）应用举例图3-31CMOS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。52①E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。②E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。三态门使用电平信息控制逻辑门的三种输出状态低电平有效

CMOS三态门(三态输出门)CMOS三态门CMOS三态门(三态输出门)2023/3/1455图3-c-19CMOS三态门(a)电路(b)逻辑符号

当EN=0时，TG导通，F=A；当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。②CMOS三态门三态门57例：图为三态门组成的总线换向开关电路，其中A、B为信号输入端，分别送两个频率不同的信号；EN为换向控制端，控制电平波形如图（b）所示。试画出、的波形。Y2Y11111BENA控制端低电平有效，EN=0时为非逻辑控制端高电平有效，EN=1时为非逻辑58Y2Y11111BENA控制端低电平有效，EN=0时为非逻辑控制端高电平有效，EN=1时为非逻辑

由图中可以看出，当EN＝0时，，；当EN＝1时，，.AY2Y1BEN59Y2Y11111BENA

由图中可以看出，当EN＝0时，，；当EN＝1时，，.60CMOS逻辑门系列CMOS逻辑门器件有以下系列：①4000系列__基本的CMOS②74HC系列__高速的CMOS③74HCT系列__与TTL兼容的高速CMOS④AC与ACT（先进CMOS系列与其和TTL兼容系列）⑤FC与FCT（FastCMOS系列与其和TTL兼容系列）⑥BiCMOS系列__与TTL结合的高速CMOS74HC/HCT–CMOS系列一、高速CMOS(74HC/HCT系列： 封装、工作电压及管脚分布与TTL系列相同)通过改进工艺，缩小MOS管的尺寸，从而提高速度；①比4000系列有更高的速度；更强的吸收和提供电流的能力，和对称输出驱动；②74HC系列电源电压可用2～6V；高电源电压对应于高速器件，低电源电压对应于低速器件；③HC输入、输出电平都是CMOS电平，且有输出缓冲级；④只有HCT与TTL兼容；而HC系列即使使用5V电源电压也不行；⑤HCT的输入是TTL电平，输出是CMOS电平，且有输出缓冲级AHC/AHCT-CMOS系列一、先进高速CMOS（AdvanceHigh－speedCMOS）(74AHC/AHCT系列：

①比74HC/HCT系列有2～3倍的速度；②电源电压采用5V，具有更低的功耗；③74AHC与AHCT只是在能识别的输入电平方面不同，输出特性相同；④74AHC与AHCT具有对称输出驱动能力；而74HC系列即使使用5V电源电压也不行。FHC/FHCT-CMOS系列一、先进高速CMOS（FastHigh－speedCMOS）(74FHC/FHCT系列：

①减少了噪声，加快了速度；②电源电压采用5V，具有更低的功耗；③74FHC与FHCT只是在能识别的输入电平方面不同，输出特性相同；④74FHC与FHCT具有不对称输出驱动能力，吸入（灌）电流大于提供电流（拉）；吸入电流可达64mA；⑤可驱动总线和其他重负载；⑥FHCT与TTL完全兼容，同时减少功耗，大大提高速度和输出驱动能力。Bi-CMOS门电路(74BCT)（Bipolar－CMOS）结构特点：逻辑功能的实现采用CMOS,

输出级采用驱动能力强的双极性TTL三极管；性能特点：低功耗，输出电阻低，带负载能力强，传输时间短。

65高速CMOS系列的特点1、集成度可大大提高，形成从简单门电路到大规模集成电路的全系列产品；2、器件功能、引脚与TTL74系列完全相同；4、典型tpd达10ns；3、电源电压范围宽（3～18V），工作温度范围宽，功耗低，噪声容限高；（0～VDD）5、相邻输入端之间电流耦合小，便于在交通和重工业环境中使用。2023/3/14CMOS系列及命名方法74

FAM

nn前缀系列助记符功能数字

最早的商用CMOS集成电路为4000系列，现以下列方法命名：

前缀：74—商用系列；54—军用系列。

助记符：以字母表示系列类型。

功能数字：以数字表示电路的逻辑功能。2023/3/14

助记符：

HC（High-speedCMOS

，高速CMOS

系列）；

例：74HC04-商用高速CMOS六反相器；

74HCT00-商用高速CMOS四-二输入与非门。

HCT（High-speedCMOS,TTLcompatible

，与TTL兼容的高速CMOS

系列）；VHC（VeryHigh-speedCMOS，甚高速CMOS

系列）；VHCT:VeryHigh-speedCMOS,TTLcompatible，与TTL兼容的甚高速CMOS

系列）。

CMOS系列及命名方法2023/3/1468

常用集成门电路(HC/HCT系列）

型号名称主要功能74HCT00四2输入与非门

74HCT02四2输入或非门

74HCT04六反相器

74HCT05六反相器OC门74HCT08四2输入与门

74HCT13双4输入与非门施密特触发74HCT308输入与非门

74HCT32四2输入或门

74HCT644-2-3-2输入与或非门

74HCT13313输入与非门

74HCT36四异或门OC输出74HCT365六总线驱动器同相、三态、公共控制74HCT368六总线驱动器反相、三态、两组控制2023/3/14CMOS电路的使用注意事项

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：

（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。2023/3/14

多余或暂时不用的输入端的处理（1）多余或暂时不用的输入端的不能悬空；

（2）与其它输入端并联使用。CMOS电路的使用注意事项

（3）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。一般，接电源时需接上拉电阻；接地时需接下拉电阻。典型值1-10k。2023/3/14

电路设计与安装应尽量消除噪声，保证电路稳定工作。

（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。CMOS电路的使用注意事项2023/3/14

例：AnunusedANDorNANDinputcanbetiedtologic1.Anunusedinputscanbetiedtoanother.ABFCABFC+5V1kpull-upresistorpull-downresistorAnunusedORorNORinputcanbetiedtologic0.ABFC1kCMOS电路的使用注意事项73CMOS电路的特点1、功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小。CMOS集成电路功耗低内部发热量小，集成度可大大提高2、抗幅射能力强，MOS管是多数载流子工作，射线辐射对多数载流子浓度影响不大4、逻辑摆幅大：CMOS门电路输出高电平VOH≈VDD，低电平VOL≈0V。3、抗干扰能力很强，输入噪声容限可达到VDD/2。746、输出驱动电流比较大：输入阻抗高，负载能力强扇出能力较大，一般可以大于507、在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好5、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。电路种类TTLTTLCMOS高速CMOS高速CMOS参数名称7474LS400074HC74HCTUIH(min)/V223.53.52UIL(max)/V0.80.81.510.8IIH(min)/μA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1*10-3-0.1*10-3-0.1*10-3UOH(min)/V2.42.74.64.44.4UOL(max)/V0.40.50.050.10.1IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4-4IOL(max)/mA1680.51442023/3/1476CMOS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：CMOS门电路和TTL门电路的使用知识及相互连接返回2023/3/1477

（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。2023/3/1478TTL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。返回2023/3/1479TTL门电路的使用知识返回2023/3/1480

(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。2023/3/1481TTL门电路和CMOS门电路

相互连接的接口问题

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。返回2023/3/1482TTL门电路和CMOS门电路

相互连接的接口问题有多种系列的逻辑器件为设计人员提供了很大的选择余地，可以根据系统设计的需要，从速度、复杂性和功能等方面选择某一种合适的逻辑系列，或从几种系列中寻出性能最佳的逻辑器件，再把他们组合在一起。在不同逻辑系列的器件混合使用的系统中，常常存在不同系列逻辑器件的接口问题。返回2023/3/1483TTL门电路和CMOS门电路

相互连接的接口问题接口的两个一般约束：1.驱动门能够对负载门提供足够大的灌或拉电流；

返回2023/3/1484TTL门电路和CMOS门电路

相互连接的接口问题接口的两个一般约束：

2。驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围之内。

满足上述四个不等式即可。返回2023/3/1485TTL门电路和CMOS门电路

相互连接的接口问题接口的两个一般约束：1.驱动门能够对负载门提供足够大的灌或拉电流；

2。驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围之内。

满足上述四个不等式即可。返回TTL门驱动CMOS门（只有一个条件不满足，输出高电平只有2.7V，而要求高于3.5V）1.电源电压相同时A。采用上拉电阻，升高输出电平实现与74HC兼容；B。用74LS驱动74HCT；C。TTL经74HCT，再接74HC；2.电源电压不同时

A.选用具有电平移动功能CMOS门，如：CC74HC109.B.采用TTL的OC门作为CMOS的驱动门；2023/3/1487TTL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。2023/3/1488TTL门驱动CMOS门2023/3/1489解决电平匹配问题图3-33TTL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）2023/3/1490

②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。2023/3/14912023/3/1492CMOS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。2023/3/1493CMOS门驱动TTL门（CMOS门的驱动电流能力不足，低电平输出时0.5mA,1.6mA）1.驱动门并联2.增加一级CMOS驱动器，如：CC4010，3.采用OD门驱动器，如CC401074.增加一级分立元件驱动电路，实现电流放大，再驱动TTL负载门。4000系列驱动一个74LS负载门时没问题，多个不行；74HC和74HCT驱动TTL门，可以直接相连；驱动负载门个数要计算；返回2023/3/1494CMOS门驱动TTL门返回2023/3/1495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。2023/3/1496门电路带负载的接口问题常需要用门电路驱动控制电动机的方向或转速，继电器的接通与断开，显示器的亮和灭等情况；需要查手册了解门电路的驱动能力，负载的额定电压和额定电流等，根据参数设计接口电路。典型的发光二极管