§2.6 CMOS§2.6 CMOS 门电路门电路 一、一、 CMOSCMOS 反相器的工作原理反相器的工作原理

G1S1

G2 S2

P 沟道增强型

N 沟道增强型

vI=VIL=0 时， T1 通 T2 止

vO=VOH≈VDD

NthGSGS

PthGSDDGS

Vv

VVv

)(2

)(1

0

vI=VIH=VDD 时， T1 止 T2 通

vO=VOL≈0

NthGSDDGS

PthGSGS

VVv

Vv

)(2

)(1 0

一、一、 CMOSCMOS 反相器的工作原理反相器的工作原理

T1 、 T2 状态互补，故称为互补对称式金属－氧化物－半导体电路（ CMOS 电路）

静态时 iD=VDD/(RON+ROFF) 很小，故功耗极小。

一、一、 CMOSCMOS 反相器的工作原理反相器的工作原理

电压传输特性

BC 段：vI>VGS(th)N T2 通vI<VDD-|VGS(th)P| T1 通

阈值电压 VTH≈VDD/2

无线性区，接近理想开关特性。

一、一、 CMOSCMOS 反相器的工作原理反相器的工作原理 电流传输特性 iD=f(vI)

AB 段： T1 止， T2 通CD 段： T1 通， T2 止BC 段： T1 、 T2 同时通

一、一、 CMOSCMOS 反相器的工作原理反相器的工作原理 输入端噪声容限

同一 VDD 下， VNH=VNL VNH 、 VNL 随 VDD 增大而增大

二、二、 CMOSCMOS 反相器的静态输入输出特性反相器的静态输入输出特性 输入保护电路

若 VDF=0.7V ，则 vI>VDD+0.7V 时， vG=VDD+0.7V

vI<-0.7V 时， vG=-0.7V 。使 vC1 、 vC2 均不超过 VDD+0.7V 。

分布式二极管

二、二、 CMOSCMOS 反相器的静态输入输出特性反相器的静态输入输出特性 输入特性

输入端的绝缘层使电路输入阻抗极高，若有静电感应则会在悬空端产生不定电位，故 CMOS 门电路输入端不允许悬空。

D1

通

D2

通

二、二、 CMOSCMOS 反相器的静态输入输出特性反相器的静态输入输出特性 低电平输出特性

IOL ：低电平时向内灌入的电流。随 VDD 升高， IOL 允许值上升。

二、二、 CMOSCMOS 反相器的静态输入输出特性反相器的静态输入输出特性 高电平输出特性

IOH ：高电平时向外拉的电流。随 VDD 升高， IOH 允许值上升。

三、三、 CMOSCMOS 反相器的动态特性反相器的动态特性 传输延迟时间

三、三、 CMOSCMOS 反相器的动态特性反相器的动态特性 交流噪声容限

噪声持续时间越短，噪声容限越

大。

三、三、 CMOSCMOS 反相器的动态特性反相器的动态特性

动态功耗－瞬时导通功耗 PT

PT=VDDITAV

T1 、 T2同时通

三、三、 CMOSCMOS 反相器的动态特性反相器的动态特性 动态功耗－负载电容充放电功率 PC

SDTOT

DDDDS

CTD

DDLC

PPP

IVP

PPP

fVCP

2

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路

其它逻辑功能的 CMOS 门电路与非门、或非门、与门、或门、与或非门等

带缓冲级的CMOS门电路 漏极开路的门电路（OD门） CMOS传输门和双向模拟开关 三态输出的CMOS门电路

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 CMOS 与非门

A=1 、 B=0 时， T3 通、 T4

止。 Y=1 。A=0 、 B=1 时， T1 通、 T2

止。 Y=1 。A=B=1 时， T1 、 T3 止， T

2 、 T4 通。 Y=0 。A=B=0 时， T1 、 T3 通， T

2 、 T4 通。 Y=1 。

BAY

返回

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 CMOS 或非门

BAY

返回

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路

CMOS 门电路存在的问题：① 输出电阻 RO 随输入状态不同而不同② 输出高、低电平受输入端数目影响。

带缓冲级的 CMOS 门电路可解决以上问题。

返回

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 带缓冲级的 CMOS 与非门电路

返回

缓冲器

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 漏极开路的门电路（ OD 门）

用途：(1)电平转换(2) 输出缓冲 / 驱动器(3) 实现线与逻辑

符号和 OC 门相同

返回

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 CMOS 传输门

①C=1 、 =0 时， TG 接通； C=0 、 =1 时， TG 关闭，输入、输出阻断。

② 当 C的高低电平为 VDD 和 0 时， TG 可传输 0~VDD 的信号③vO 和 vI 可以互换。

C C

N 沟道增强型

P 沟道增强型

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 CMOS 传输门和 CMOS 反相器构成的双向模拟开关

C=0 ，开关关闭； C=1 时，开关接通。一种常用的典型电路。SW ： Switch

返回

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 CMOS 模拟开关接负载

ITGL

LO v

RR

Rv

TGL

LTG RR

RK

21

21

ONON

ONONTG RR

RRR

希望 vI 变化时， RTG(KTG) 不变。

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 三态输出的 CMOS 门电路 (1)

EN =1 时， Y 输出高阻态。

=0 时，EN AY

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路 三态输出的 CMOS 门电路 (2)

三态输出的 CMOS 门电路 (3)

四、其它类型的四、其它类型的 CMOSCMOS 门电路门电路

CMOS 门电路输入特性习题（ P123 （四））

CMOS 门电路输入端接电阻时，相当于接低电平。

输入特性

TTL 、 CMOS 门电路输出特性习题 例 2.3 试判断图中的电路能否按各图所要求的逻辑关系正常工

作？若不能，请作相应的改动。若电路解法有错，改电路；若电路正确但给定的逻辑关系不正确，则写出正确的逻辑表达式。已知 TTL 门的 IOH/IOL=0.4mA/10mA ， VOH/VOL=3.6V/0.3V ， CMOS 门的 VDD=5V ， VOH/VOL=5V/0V ， IOH/IOL=0.51mA/0.51mA 。

分析：(1) 对一般 TTL 、 CMOS 门电路的输出端来说，不能直接相连实现逻辑与的关系（线与），同时输出端也不能直接接地或接电源。带负载时输出高电平的拉电流和输出低电平的灌电流均受到一定限制。(2) 对于 TTL OC 电路和 CMOS OD 电路来说，则可将输出端并接在一起实现线与，但必须外接电阻和电源。(3) TS 门电路也可将输出端并联在一起，通过使能端的状态来选择其中的某个门工作。但并不是逻辑与的关系，而是通过对使能端的控制，将不同门的输入、输出关系逐个反应在输出端。

解：(1) Y1 处于高电平时向外拉的负载电流 IL 应小于 IOH ，现

IL=VOH/RL=3.6/15=0.24(mA)<IOH ，因此 成立。ABY 1

(2) Y2 为低电平时，考虑灌电流的影响，现IL=VDD/RL=5/5=1(mA)>IOL ，因此负载过大，应加大 RL 的阻值，即 RL≥VDD/IOL=5/0.51=9.8(kΩ) ，将 RL 改为 10kΩ 即可。

(3) Y3 不允许这种连接方法，两个门输出状态不一致时，过大的电流 将使门烧毁。(4) 对于Y4，由于两个门的输出状态总是相同的，因而不会产生象 Y3

那样的大电流。两个门并联提高了Y4的驱动能力，比单个门是提 高了一倍。

(5) OC 门线与必须外接电阻和电源。

(6) 输入、输出逻辑关系应为 CABCBAY 6

CMOS 门电路系列 (1) 基本的 CMOS——4000系列早期的 CMOS集成逻辑门产品，工作电源电压范围为 3～ 18V ，由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。缺点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十 ns ，最高工作频率小于 5MHz 。

(2) 高速的 CMOS——HC（ HCT）系列该系列电路主要从制造工艺上作了改进，使其大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于 10ns ，最高工作频率可达 50MHz 。 HC 系列的电源电压范围为 2～ 6V 。 HCT 系列的主要特点是与 TTL 器件电压兼容，它的电源电压范围为 4.5～ 5.5V 。它的输入电压参数为 VIH（ min ） =2.0V ； VIL （ max ） =0.8V ，与 TTL完全相同。另外，74HC/HCT 系列与 74LS 系列的产品，只要最后 3 位数字相同，则两种器件的逻辑功能、外形尺寸，引脚排列顺序也完全相同，这样就为以CMOS 产品代替 TTL 产品提供了方便。

(3) 先进的 CMOS——AC（ ACT）系列该系列的工作频率得到了进一步的提高，同时保持了 CMOS 超低功耗的特点。其中 ACT 系列与 TTL 器件电压兼容，电源电压范围为 4.5～ 5.5V 。 AC 系列的电源电压范围为 1.5～ 5.5V 。 AC （ ACT ）系列的逻辑功能、引脚排列顺序等都与同型号的 HC （ HCT ）系列完全相同。

五、改进的五、改进的 CMOSCMOS 电路电路 高速 CMOS 电路

①减小器件尺寸

②减小 G 和 S 、 G 和D 间的重叠区

通用系列： 54HC/74HC ，可与 54LS/74LS互换。

五、改进的五、改进的 CMOSCMOS 电路电路 Bi-CMOS 电路

输出级采用双极型三极管。低功耗、低 RO 。

下拉电阻 有源下拉

√

六、六、 CMOSCMOS 电路的正确使用电路的正确使用 输入电路的静电防护

1. 不要使用易产生静电高压的化工材料化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。

2. 组装、调试时，应使电烙铁和其它工具、仪表、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。

3. 不用的输入端不应悬空。(1) 对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端；或通过一个上拉电阻接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。(2) 对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。

六、六、 CMOSCMOS 电路的正确使用电路的正确使用

输入电路的静电防护措施：加保护电阻 RP

1. 输入端接低内阻信号源时。2. 输入端接大电容时。3. 输入端接长线时。

六、六、 CMOSCMOS 电路的正确使用电路的正确使用 锁定效应（可控硅效应）的防护 双极型寄生三极管效应

六、六、 CMOSCMOS 电路的正确使用电路的正确使用 寄生三极管电路中的正反馈

iB1↑→iC1↑→iB2↑→iC2↑ ，类似于可控硅的触发原理。

六、六、 CMOSCMOS 电路的正确使用电路的正确使用

防止锁定效应的方法：1. vI 、 vO 、 VDD 数值符合规定

2. 采取防护措施：①输入、输出端设置钳位电路②输入端加去耦电路③电源开关顺序合理

3. 在工艺上改进

§2.8 TTL§2.8 TTL 电路与电路与 CMOSCMOS 电路的接口电路的接口 用 TTL 电路驱动 CMOS 电路

1. 用 TTL 电路驱动 4000 系列和 74HC 系列 CMOS 电路驱动门（ 74 系列）

应满足条件 负载门（ 4000 系列）

是否满足

VOH(min)

2.4V

≥ VIH(min)

3.5V

否

VOL(max)

0.4V

≤ VIL(max)

1.5V

是

IOH(max)

-0.4mA

≥ nIIH(max)

0.1μA

是

IOL(max)

16mA

≥ mIIL(max)

-0.1×10-3mA

是

解决方法

(1) 在 TTL 电路的输出端与电源之间接入上拉电阻(2) 在 CMOS 电路的电源电压较高时，应采用 OC 门作为驱动门(3) 使用带电平偏移的 CMOS 门电路实现电平转换

2. 用 TTL 电路驱动 74HCT 系列 CMOS 门电路 可直接驱动

用 CMOS 电路驱动 TTL 电路用 4000 系列驱动 74 系列 TTL 电路

(1) 同一封装内的门电路并联使用(2) CMOS 电路的输出端增加一级 CMOS 驱动器(3) 使用分立元件的电流放大器实现电流扩展

9月 20日作业

P128

16

P129

17,18