CMOS构成的常见电路

CMOS门电路

以MOS（Metal-Oxide Semiconductor）管作为开关元件的门电路称为MOS门电路。由于MOS型集成门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小以及抗干扰能力强等优点，因此它在数字集成电路产品中占据相当大的比例。与TTL门电路相比，MOS门电路的速度较低。 MOS门电路有三种类型：使用P沟道管的PMOS电路、使用N沟道管的NMOS电路和同时使用PMOS和NMOS管的CMOS电路。其中CMOS性能更优，因此CMOS门电路是应用较为普遍的逻辑电路之一。

1. CMOS非门

图3-16所示是一个N沟道增强型MOS管TN和一个P沟道增强型MOS管TP组成的CMOS非门。

                    

图3-16 CMOS非门电路                       图3-17 CMOS与非门电路

两管的栅极相连作为输入端，两管的漏极相连作为输出端。TN的源极接地，TP的源极接电源。为了保证电路正常工作，VDD需要大于TN管开启电压VTN和TP管开启电压VTP的绝对值的和，即UDD > UTN + |UTP|。当Ui=0V时，TN截止，TP导通，Uo≈UDD为高电平；当Ui=UDD时，TN导通，TP截止，Uo≈0V为低电平。因此实现了非逻辑功能。 CMOS非门除了有较好的动态特性外，由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。另外由于它处在开关状态下总有一个管子处于截止状态，因而电流极小，电路的静态功耗很低，一般为微瓦（mW）数量级。

2. CMOS与非门

图3-17所示为一个两输入端的CMOS与非门电路，它由两个串联的NMOS管和两个并联的PMOS管构成。每个输入端连到一个PMOS管和一个NMOS管的栅极。 当输入A、B均为高电平时，TN1和TN2导通，TP1和TP2截止，输出端为低电平；当输入A、B中至少有一个为低电平时，对应的TN1和TN2中至少有一个截止，TP1和TP2中至少由一个导通，输出F为高电平。因此，该电路实现了与非逻辑功能。

3. CMOS或非门

图3-18所示是一个两个输入端的CMOS或非门电路，它由两个并联的NMOS管和两个串联的PMOS管构成。每个输入端连接到一个NMOS管和一个PMOS管的栅极。或非门的逻辑符号如图3-19所示。 当输入A、B均为低电平时，TN1和TN2截止，TP1和TP2导通，输出L为高电平；只要输入端A、B中有一个为高电平，则对应的TN1和TN2中至少有一个导通，TP1和TP2中便至少有一个截止，使输出F为低电平。因此，该电路实现了或非逻辑功能。

                

图3-18 CMOS或非门电路                图3-19 或非门逻辑符号

4. CMOS三态门

图3-20所示是一个低电平使能控制的三态非门，从电路结构上看，该电路是在CMOS非门的基础上增加了NMOS管TN2和PMOS管TP2构成的。当使能控制端=1时，TN2和TP2同时截止，输出F呈高阻状态；当使能控制端=0时，TN2和TP2同时导通，非门正常工作，实现F=的功能。 与TTL三态门一样，CMOS三态门也可用于总线传输。

图3-20 CMOS三态门

5. CMOS传输门

图3-21(a)所示是一个CMOS传输门的电路图，它由一个NMOS管TN和一个PMOS管TP并联构成，其逻辑符号如图3-21(b)所示。图中，TN和TP的结构和参数对称，两管的源极连在一起作为传输门的输入端，漏极连在一起作为输出端。TN的衬底接地，TP的衬底接电源，两管的栅极分别与一对互补的控制信号C和相接。 当控制端C=1（VDD），=0（0V）时，若输出电压Ui在0V～UDD范围内变化，则两管中至少有一个通导，输入和输出之间呈低阻状态，相当于开关接通，即输入信号Ui在0V～UDD范围内都能通过传输门。 当控制端C=0（0V），=1（UDD）时，输入信号Ui在0V～UDD范围内变化，两管总是处于截止状态，输入和输出之间呈高阻状态（107W），信号Ui不能通过，相当于开关断开。 由此可见，变换两个控制端的互补信号，可以使传输门接通或断开，从而决定输出端的模拟信号（0V～UDD之间的任意电平）是否能传送到输出端。所以，传输门实质上是一种传输模拟信号的压控开关。 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CMOS传输门具有双向性，故又称为可控双向开关。

(a)                          (b) 图3-21 CMOS传输门及其逻辑符号

6. CMOS逻辑门电路的系列及主要参数

（1）CMOS逻辑门电路的系列

• 基本的CMOS—4000系列。
• 高速的CMOS—HC系列。
• 与TTL兼容的高速CMOS—HCT系列。

（2）CMOS逻辑门电路主要参数的特点

• 输出高电平UOH(min)=0.9UDD；输出低电平UOL(max)=0.01UDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。
• 阈值电压Uth约为UDD/2。
• CMOS非门的关门电平UOFF为0.45UDD，开门电平UON为0.55UDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45UDD。
• CMOS电路的功耗很小，一般小于1mW/门；
• 因为CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数NO很大，可达到50。