第2章逻辑门电路1

1、2.4 MOS逻辑门逻辑门单极型单极型MOS(Metal Oxide Semiconductor)集成电路分集成电路分PMOS、NMOS和和CMOS三种。三种。NMOS电气性能较好，工艺较简单，适合电气性能较好，工艺较简单，适合制作高性能的存储器、微处理器等大规模制作高性能的存储器、微处理器等大规模集成电路。集成电路。而由而由NMOS和和PMOS构成的互补型构成的互补型CMOS电路以其性能好、功耗低等显著特点，得电路以其性能好、功耗低等显著特点，得到愈来愈广泛的应用。到愈来愈广泛的应用。主要介绍主要介绍NMOS和和CMOS门电路。门电路。NMOS管的开关特性管的开关特性MOS管和晶体管一样可以

2、当开关用。管和晶体管一样可以当开关用。如图所示，如图所示，RD为负载电阻，为负载电阻，T为负载。为负载。NMOS管的开关特性管的开关特性当用增强型当用增强型NMOS做工作管时，如输入电压做工作管时，如输入电压vI为为高电平高电平（大于开启电压（大于开启电压VT）则）则NMOS管导通，开管导通，开关闭合，输出电压关闭合，输出电压vO为低电平。为低电平。NMOS管的开关特性管的开关特性输入电压输入电压vI为为低电平低电平时则时则NMOS管截止，开管截止，开关断开，输出电压关断开，输出电压vO为高电平。为高电平。PMOS管的开关特性管的开关特性A=1，开关断开，开关断开，F=0A=0，开关闭合，开关

3、闭合，F=1 NMOS 门电路门电路NMOS 反相器反相器NMOS 与非门与非门 NMOS 或非门或非门 NMOS 与或非门与或非门 NMOS 异或门异或门 NMOS 三态门三态门NMOS反相器反相器T1管为工作管管为工作管(驱动管、控制管驱动管、控制管)，T2管为负载管，管为负载管，故此电路称为有源负载反相器。故此电路称为有源负载反相器。T2管：管： VGD=VGS-VDS=0VT，故，故T2管管工作在饱和区，工作在饱和区，T2管称饱和型负载管，管称饱和型负载管，总是处于导通状态。总是处于导通状态。vI为高电平且为高电平且vIVT1时，时，T1、T2管同管同时导通，输出电压时导通，输出电压v

4、O为两个管子的导通电为两个管子的导通电阻对阻对VDD的分压，即的分压，即vo=VDDRDS1/(RDS1+RDS2)。vI为高电平时，为高电平时，vO为低电平。为低电平。当输入电压当输入电压vI为低为低电平时电平时(vIVT1)，T1管截止，输出为高电管截止，输出为高电平平(vO=VOH=VDD-VT2)。 为了保证在为了保证在T1和和T2同时导通时满足同时导通时满足RDS1RDS2，制造时使，制造时使T1、T2在结构上有不在结构上有不同的宽长比，即同的宽长比，即W1/L1W2/L2。NMOS反相器反相器饱和型负载反相器有两个缺点：饱和型负载反相器有两个缺点：输出高电平低。输出高电平低。由于负

5、载管由于负载管T2导通时导通时导通时，栅源间至少导通时，栅源间至少要保持等于开启电压要保持等于开启电压VT2的电压，所以输出的电压，所以输出高电平较电源电压低高电平较电源电压低一个开启电压值。为一个开启电压值。为了保证有足够高的输了保证有足够高的输出高电平，必须增大出高电平，必须增大电源电压。电源电压。为了保证输出为了保证输出低电平足够低，要低电平足够低，要求求RDS2相应的增大，相应的增大，造成工作管关闭时，造成工作管关闭时，输出端杂散电容或输出端杂散电容或负载电容负载电容CO的充电的充电时间较长，使输出时间较长，使输出电压上升沿拖长，电压上升沿拖长，降低了工作速度。降低了工作速度。对同一个

6、对同一个MOS负载负载管，若要提高电路的管，若要提高电路的速度，就必须减小其速度，就必须减小其导通电阻，让它工作导通电阻，让它工作在非饱和区，即工作在非饱和区，即工作在可变电阻区。这样，在可变电阻区。这样，可以提高电路的工作可以提高电路的工作速度，降低电路的功速度，降低电路的功率损耗。率损耗。NMOS反相器反相器非饱和型有源负载反相器如图非饱和型有源负载反相器如图2-26所示。所示。 该反相器负载管该反相器负载管的栅极采用独立电的栅极采用独立电源源VGG，当，当VGG-VDDVT2时，负载管时，负载管T2工作在非饱和区。工作在非饱和区。输 出 电 平 可 接 近输 出 电 平 可 接 近VDD

7、值，电路的工值，电路的工作速度提高，功率作速度提高，功率损耗降低。损耗降低。缺点是增加了一缺点是增加了一个电源。个电源。NMOS与非门与非门具有两个输入端的具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图与非门电路如图2-27所所示。示。当输入当输入A、B都为都为高电平时，串联高电平时，串联的两个工作管的两个工作管T1、T2都导通，电路都导通，电路的输出即为低电的输出即为低电平；平；NMOS与非门与非门具有两个输入端的具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图与非门电路如图2-27所所示。示。当输入当输入A、B中中有一个为低电平时，有一个为低电平时，则串联的两个工作则串联的两个工作管管T1、T2中必有一

8、中必有一个截止，则使电路个截止，则使电路输出为高电平。输出为高电平。电路的输出与电路的输出与输入之间为与非输入之间为与非逻辑关系，即逻辑关系，即ABF NMOS或非门或非门NMOS 或非门电路如图或非门电路如图2-28所示。所示。 NMOS或非门或非门因为两个工作管因为两个工作管T1、T2相并联，所以只要相并联，所以只要输入输入A、B中有一个中有一个为高电平时，则相应为高电平时，则相应的工作管必导通，使的工作管必导通，使电路的输出为低电平；电路的输出为低电平；工作原理工作原理NMOS或非门或非门工作原理工作原理BAF只有输入只有输入A、B中都中都为低电平时，则并为低电平时，则并联的两个工作管联

9、的两个工作管T1、T2都截止，则使电都截止，则使电路输出为高电平。路输出为高电平。电路的输出与输入电路的输出与输入之间为或非逻辑关之间为或非逻辑关系，即系，即NMOS 与或非门与或非门NMOS 与或非门电路如图与或非门电路如图2-29所示。所示。 工作原理：工作原理：A=B=1F=0NMOS 与或非门与或非门NMOS 与或非门电路如图与或非门电路如图2-29所示。所示。 工作原理：工作原理：A=B=1C=D=1F=0NMOS 与或非门与或非门CDABF工作原理：工作原理：当两组输入当两组输入(A、B和和C、D)中都有低电平时，中都有低电平时，则每组串联的工作管则每组串联的工作管中必有相应的工作

10、管中必有相应的工作管截止，则截止，则F=1。电路的输出与输入之电路的输出与输入之间为与或非逻辑关系，间为与或非逻辑关系，即即 NMOS异或门异或门图图2-30是是NMOS异或门。异或门。 同或门同或门非门非门NMOS异或门异或门图图2-30是是NMOS异或门。异或门。 BABABAF当当A、B都为都为高电平高电平或都为或都为低电平低电平时，时，T1、T2都截止，都截止，F1为高电平，为高电平，F为低电为低电平；平；当当A、B中有一个为中有一个为高电平而另一个为高电平而另一个为低电平时，低电平时，T1和和T2中必有一个管导通，中必有一个管导通，致使致使F1为低电平，为低电平，F为高电平。为高电平

11、。电路的输出与输入电路的输出与输入之间为异或逻辑关之间为异或逻辑关系，即系，即NMOS三态门三态门图图2-31所示电路为所示电路为NMOS三态门。三态门。数据输入端数据输入端控制端控制端输出端输出端当当E为高电平时，为高电平时，两个或非门两个或非门G1、G2输出均为低输出均为低电平，致使电平，致使T1、T2管都截止，管都截止，电路输出电路输出F呈现呈现高阻状态；高阻状态；若若E为低电平时，两为低电平时，两个或非门个或非门G1、G2都都起非门作用，若起非门作用，若A为为低电平时，或非门低电平时，或非门G1输出为高电平，输出为高电平，使使T1管导通，同时管导通，同时使使G2输出为低电平，输出为低电

12、平，使使T2管截止，电路管截止，电路输 出 为 低 电 平 ，输 出 为 低 电 平 ，F=A。电路具有三态输出电路具有三态输出功能。功能。 CMOS门电路门电路CMOS: Complementary-Symmetry Metal-Oxide SemiconductorCMOS反相器反相器CMOS与非门与非门CMOS或非门或非门CMOS三态门三态门CMOS传输门传输门 CMOS反相器反相器CMOS反相器是构成反相器是构成CMOS集成电路的基本集成电路的基本单元。单元。如图如图2-32为为CMOS反相反相器电路，是由互补的增器电路，是由互补的增强型强型NMOS管管T1和和PMOS管管T2串联组成

13、的。串联组成的。CMOS反相器反相器两管的栅极连在一起，两管的栅极连在一起，作为反相器的输入端，作为反相器的输入端，两个管子的漏极连在一两个管子的漏极连在一起作为反相器的输出端。起作为反相器的输出端。电源电压条件：电源电压条件：CMOS反相器要求电源电压大反相器要求电源电压大于两个管子开启电压的于两个管子开启电压的绝对值之和，即绝对值之和，即VDD|VT1|+|VT2|。CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：vI输入低电平时：输入低电平时：vI=VIL|VT2|，因此因此T2充分导通。充分导通。CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：由于由于T1的截止电阻远比的截止电阻远比T2的导通电阻大得

14、多，的导通电阻大得多，所以电源电压差不多所以电源电压差不多全部降落在工作管全部降落在工作管T1的的漏源之间，使反相器漏源之间，使反相器输出高电平输出高电平VOHVDD。 CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：当当vI=VIHVT1时，时，T1管管导通。导通。但对于但对于PMOS负载管：负载管：VG2较高，使较高，使|VGS|VT2|，因此因此T2管截止。管截止。CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：由于由于T2的截止时相当的截止时相当于一个大电阻，于一个大电阻，T1的的导通电阻相当于一个导通电阻相当于一个较小的电阻，所以电较小的电阻，所以电源电压几乎全部降落源电压几乎全部降落在负载管在负载

15、管T2上，使反上，使反相器输出低电平且很相器输出低电平且很低，低，VOL0V。特点（特点（1）CMOS反相器的静态功耗非常小。反相器的静态功耗非常小。原因：由于原因：由于CMOS反相器处于稳态时，反相器处于稳态时，无论是输出高电平还是输出低电平，其无论是输出高电平还是输出低电平，其工作管和负载管必有一个截止而另一个工作管和负载管必有一个截止而另一个导通，因此电源向反相器提供的仅为纳导通，因此电源向反相器提供的仅为纳安级的漏电流，所以安级的漏电流，所以CMOS反相器的静反相器的静态功耗非常小。态功耗非常小。特点（特点（2）CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时反相器输出电压的上升时间和下降时间

16、都比较小，电路的工作速度大为提高。间都比较小，电路的工作速度大为提高。原因：由于原因：由于CMOS反相器的工作管和负载管不反相器的工作管和负载管不同时导通，因此其输出电压不取决于两管的导同时导通，因此其输出电压不取决于两管的导通电阻之比。这样，通常可使通电阻之比。这样，通常可使PMOS负载管和负载管和NMOS工作管的导通电阻都较小。所以，工作管的导通电阻都较小。所以，CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小，电路的工作速度大为提高。都比较小，电路的工作速度大为提高。CMOS与非门与非门工作原理：工作原理：图图2-33所示电路为两个输入端的所示电路为两

17、个输入端的CMOS与非与非门。门。当输入当输入A、B都为高都为高电平时，串联的电平时，串联的NMOS管管 T1、T2管都管都导通，并联的导通，并联的PMOS管管T3、T4都截止，因都截止，因此输出为低电平；此输出为低电平；工作管工作管负载管负载管CMOS与非门与非门工作原理：工作原理：图图2-33所示电路为两个输入端的所示电路为两个输入端的CMOS与非与非门。门。ABF 当输入当输入A、B中有一中有一个为低电平时，两个个为低电平时，两个串联的串联的NMOS管中必管中必有一个截止，于是电有一个截止，于是电路输出为高电平。路输出为高电平。电路的输入和输出之电路的输入和输出之间是与非逻辑关系。间是与

18、非逻辑关系。 CMOS或非门或非门 图图2-34所示电路为两个输入端的所示电路为两个输入端的CMOS或或非门。非门。当输入当输入A、B至少有一至少有一个高电平时，并联的个高电平时，并联的NMOS管管T1和和T2中至少中至少有一个导通，串联的有一个导通，串联的PMOS管管T3、T4至少有至少有一个截止，因此输出为一个截止，因此输出为低电平；低电平；CMOS或非门或非门 图图2-34所示电路为两个输入端的所示电路为两个输入端的CMOS或或非门。非门。BAF当输入当输入A、B都为低电都为低电平时，并联平时，并联NMOS管管T1和和 T2都 截 止 ， 串 联都 截 止 ， 串 联PMOS管管T3和和

19、T4都导通，都导通，于是电路输出为高电平。于是电路输出为高电平。电路的输入和输出之间电路的输入和输出之间是或非逻辑关系。是或非逻辑关系。CMOS三态门三态门 图图2-35所示为三态输出门电路。所示为三态输出门电路。当控制端当控制端E为高电平为高电平时，时，NMOS管管 T1和和PMOS管管T4均截止，均截止，电路输出端电路输出端F呈现高阻呈现高阻态；态；输出端输出端控制端控制端输入端输入端CMOS三态门三态门 图图2-35所示为三态输出门电路。所示为三态输出门电路。当控制端当控制端E为低电平为低电平时，时，T1和和T4管同时导管同时导通，通，T2和和T3管构成的管构成的CMOS 反相器正常工反

20、相器正常工作。作。AF CMOS传输门传输门 CMOS传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，其功能是一种传输信号可控开关电路。其功能是一种传输信号可控开关电路。CMOS传输门电路如图传输门电路如图2-36所示。所示。 它是利用结它是利用结构上完全对称构上完全对称的的NMOS管和管和PMOS管，按管，按闭环互补形式闭环互补形式连接而成的一连接而成的一种双向传输开种双向传输开关。关。因为因为MOS管管的漏极和源极的漏极和源极在结构上完全在结构上完全对称，可以互对称，可以互换，所以传输换，所以传输门的输入端和门的输入端和输出端也可以输出端也可以互换。互换。传输门的导传输门的导通电阻很低，通电阻很低，约几百欧姆，约几百欧姆，相当于开关接相当于开关接通，其截止电通，其截止电阻很高，可大阻很高，可大于于109欧姆，相欧姆，相当于开关断开。当于开关断开。接近于理想开接近于理想开关。关。 工作条件工作条件:设设TN和和TP的的|VT|=3V，vI=0V10V。CC( C=10V， =0V或或C=0V， =10V)。CMOS传输门传输门 工作原理：工作原理：C若若C=0V， =10V时，时，TN和和TP同时截止，故传输门截止，同时截止，故传输门截止，则输入和输出之间呈现高阻则输入和输出之间呈现高