MOS知识分享|CMOS逻辑门电路干货解析-KIA MOS管

CMOS逻辑门电路

CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后, 所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件。

CMOS电路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。此外，几乎所有的超大规模存储器件，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。

早期生产的CMOS门电路为4000系列，随后发展为4000B系列。当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。下面首先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMOS逻辑门电路。

一、CMOS反相器

MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。

下图表示CMOS反相器电路,由两只增强型MOSFET组成,其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即VDD>(VTN+|VTP|)。

1.工作原理

首先考虑两种极限情况:当V1处于逻辑0时，相应的电压近似为0V;而当V1处于逻辑1时，相应的电压近似为VDD。假设在两种情况下N沟道管TN为工作管P沟道管Tp为负载管。但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。

下图分析了 当V1=VDD时的工作情况。在TN的输出特性iD-VDS(VGSN=VDD)(注意VDSN=V0)上，叠加一条负载线，它是负载管Tp在VSGp=0V时的输出特性iD-VsD。

由于VsGp，负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即工作点。显然，这时的输出电压VOL≈0V (典型值<10mV，而通过两管的电流接近于零。这就是说，电路的功耗很小(微瓦量级)

下图分析了另一种极限情况，此时对应于V1=0V。此时工作管TN在VGsN=0的情况下运用，其输出特性iD-VDs几乎与横轴重合，负载曲线是负载管Tp在VsGP=VDD时的输出特性iD-VDs。

由图可知，工作点决定了VO=VOH≈VDD;通过两器件的电流接近零值。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。

2.传输特性

下图为CMOS反相器的传输特性图。图中VDD=10V, VTN=|VTP|=VT=2V。由于VDD> (VTN+|VTP|) ，因此，当VDD-|VTp|>vl>VTN时,TN和Tp两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。

还应注意到，器件在放大区(饱和区)呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在V1=VDD/2处转换状态。

3.工作速度

CMOS反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。下图表示当V1=0V时，TN截止，Tp导通，由VDD通过Tp向负载电容CL充电的情况。由于CMOS反相器中，两管的gm值均设计得较大，其导通电阻较小，充电回路的时间常数较小。类似地，亦可分析电容CL的放电过程。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。

二、CMOS门电路

1.与非门电路

下图是2输入端CMOS与非门电路，其中包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型MOS管。每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。

当输入端A、B中只要有一个为低电平时，就会使与它相连的NMOS管截止，与它相连的PMOS管导通，输出为高电平;仅当A、B全为高电平时，才会使两个串联的NMOS管都导通，使两个并联的PMOS管都截止，输出为低电平。

n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。

2.或非门电路

下图是2输入端CMOS或非门电路。其中包括两个并联的N沟道增强型MOS管和两个串联的P沟道增强型MOS管。

当输入端A、B中只要有一个为高电平时，就会使与它相连的NMOS管导通，与它相连的PMOS管截止，输出为低电平;仅当A、B全为低电平时，两个并联NMOS管都截止，两个串联的PMOS管都导通，输出为高电平。

因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为L=A+B显然,n个输入端的或非门必须有n个NMOS管并联和n个PMOS管并联。

比较CMOS与非门和或非门可知，与非门的工作管是彼此串联的，其输出电压随管子个数的增加而增加;或非门则相反，工作管彼此并联，对输出电压不致有明显的影响。因而或非门用得较多。

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