数字电子技术 第六版 课件 3ch4 CMOS集成逻辑门电路

3.4

CMOS集成逻辑门电路3.4.1CMOS反相器3.4.2其他功能的CMOS门电路3.4.3

CMOS数字集成电路特点与系列第3章集成逻辑门电路AuIYuOVDDSGDDGSBVTPVTNBAuIYuOVDDSGDDGSBVTPVTNB3.4.1CMOS反相器

一.电路基本结构要求VDD>UGS(th)N+｜UGS(th)P｜且UGS(th)N=｜UGS(th)P｜

UGS(th)N增强型NMOS管开启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVTPVTNBuGSN+-增强型PMOS管开启电压uGSP+-UGS(th)P设输入

UIL=0V，UIH=VDDUGS(th)P—VTP的开启电压，为负值UGS(th)N—VTN的开启电压，为正值VTP为增强型PMOS管VTN为增强型NMOS管AuIYuOVDDSGDDGSVTP衬底BVTN衬底B二.工作原理无论输入为高电平还是低电平，VTN、VTP中总有一管截止，使静态漏极电流iD

0。因此CMOS反相器静态功耗极微小。◎输入为低电平，UIL=0V时，uGSN=0V<UGS(th)N，UIL=0V截止uGSN+-VTN截止，VTP导通，导通uGSP+-uO

VDD为高电平。AuIYuOVDDSGDDGSVＴP衬底BVＴN衬底B截止uGSP+-导通uGSN+-◎输入为高电平UIH=VDD时，uGSN=VDD>UGS(th)N,VTN导通，VTP截止，◎输入为低电平UIL=0V时，uGSN=0V<UGS(th)N，VTN截止，VTP导通，uO

VDD,见图(b)UIH=

VDDuO

0V，见图(c)图（a）特点：1.无论uI是高电平还是低电平，VTP和VTN管总是处于一个导通一个截止的工作状态，称为互补，这种电路结构为CMOS电路；2.无论输入为低电平还是高电平，VTP和VTN总有一管截止，其截止电阻很高，故流过VTP和VTN的静态电流极小，故其静态功耗很小。3.4.2其他功能的

CMOS门电路

一、CMOS与非门和或非门1.CMOS与非门

ABVDDVTP2VTP1VTN1VTN2Y

每个输入端对应一对NMOS管和PMOS管。NMOS管为驱动管，PMOS管为负载管。输入端与它们的栅极相连。与非门结构特点：驱动管相串联，负载管相并联。ABVDDVPBVPAVNAVNBY

1﹑CMOS与非门11导通导通截止截止0

驱动管均导通，

负载管均截止，

输出为低电平0。

◆

当输入均为高电平时：

低电平输入端相对应的驱动管截止，负载管导通，输出为高电平1。

◆

当输入中有低电平时：ABVDDVTP2VTP1VTN1VTN2Y0截止导通1因此Y=AB2.CMOS或非门

ABVDDVTP1VTP2VTN2VTN1Y或非门结构特点：驱动管相并联，负载管相串联。输入A﹑B中有高电平时，接高电平的驱动管导通，负载管截止，输出低电平；输入A﹑B都为低电平时，接低电平的驱动管都截止，负载管导通，输出高电平。因此Y＝A＋BYABuOuIVDD1漏极开路的CMOS与非门电路知识拓展：CMOS漏极开路与非门简称OD门与

OC门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。Y

=

AB构成与门构成输出端开路的非门需外接上拉电阻RD

在反相器基础上，上串接了PMOS管VTP2和下接了NMOS管VTN2，它们的栅极分别受EN和EN控制。二﹑CMOS三态输出门AENVDDYVTP2VTP1VTN1VTN2低电平使能的CMOS三态输出门工作原理001导通导通Y=A110截止截止ZEN=1时，VTP2、VTN2均截止，输出端Y呈现高阻态。

因此构成使能端低电平有效的三态输出门。EN=0时，VTP2和VTN2导通，呈现低电阻，为CMOS反相器。

Y=AENENC、C为互补控制信号

由一对参数对称一致的增强型NMOS管和PMOS管并联构成。PMOSCuI/uOVDDCMOS传输门电路结构uO/uIVTPCNMOSVTN知识拓展：CMOS传输门

工作原理MOS管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此CMOS传输门的输出端和输入端也可互换。uOuIuIuO

当C=0V，uI=0~VDD时，VTN、VTP

均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。uI不能传输到输出端，称传输门关闭。CC

当C=VDD，uI=0~VDD时，VTN、VTP中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。

uI传送到输出端，uO=uI，称传输门开通。C=1，C=0时，传输门开通，uO=uI；

C=0，C=1时，传输门关闭，信号不能传输。PMOSCuI/uOVDDCMOS传输门电路结构uO/uIVTPCNMOSVTN

传输门是一个理想的双向开关，既可传输模拟信号，也可传输数字信号。TGuI/uOuO/uICC传输门逻辑符号TG即

TransmissionGate的缩写(三)CMOS传输门

电路应用提示1.注意不同系列

CMOS电路允许的电源电压范围不同，一般多用+5V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。

2.

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。3.

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，后接入信号源；使用结束时，应先关信号源，后关直流电源。

一.

电源电压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；对于或门和或非门的闲置输入端应接地或低电平。闲置输入端不宜与有用输入端并联使用，因为这样增大输入电容，从而使电路的工作速度下降。但在工速度很低的情况下，允许输入端并联使用。

二.

闲置输入端的处理三.

输出端的连接1.输出端不允许直接与电源VDD或地（VSS）相连。为提高电路的驱动能力，可将同一集成芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。当CMOS电路输出端接大

容量的负载电容时，为保证流过管子的电流不超过允许值，需在输出端和电容之间串接一个限流电阻。四.其它注意事项焊接时，电烙铁必须接地良好，必要时，将电烙铁的电源插头拔下，利用余热焊接。集成电路在存放和运输时，应放在导电容器或金属容器内。组装、调试时，应使所有的仪表、工作台面等有良好的接地。3.4.3CMOS

数字集成电路的特点与系列

一.CMOS门电路比之TTL的主要特点

注意：CMOS电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非CMOS电路的驱动能力比TTL强。实际上CMOS4000系列驱动能力远小于TTL，HCMOS驱动能力与TTL相近。

功耗极低抗干扰能力强电源电压范围宽输出信号摆幅大(UOH

VDD，UOL

0V)

输入阻抗高扇出系数大二.CMOS数字集成电路的系列CMOS4000

系列

功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围宽VDD=3~15V；工作频率低，fmax=5MHz；驱动能力差。高速CMOS系列

(又称HCMOS系列)

功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围VDD=2~6V；工作频率高，fmax=50MHz；驱动能力强。

提高速度措施：减小MOS管的极间电容。

由于CMOS电路的

噪声容限UNL

UNH

VDD/

2，因此抗干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能力越强。民品军品VDD=2~6V