2009-7-27 1
2.5.1 CMOS反相器
2.5.2 其它类型的 CMOS门电路
2.5 CMOS门电路
2.6.3 TTL门电路和 CMOS门电路的相互连接
2.6.1 CMOS门电路的使用知识
2.6.2 TTL门电路的使用知识
2.6 CMOS门电路和 TTL门电路 的使用知识及相互连接本章小结结束放映
2009-7-27 2
复习为什么要用 OC门？
OC门的工作条件？ OC门有何应用？
三态门有哪三态？三态门有何应用？
2009-7-27 3
MOS门电路：以 MOS管作为开关元件构成的门电路。
MOS门电路，尤其是 CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、
价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。
2.5 CMOS 门电路
2009-7-27 4
2.5.1 CMOS反相器
1,MOS管的开关特性
MOS管有 NMOS管和 PMOS管两种。
当 NMOS管和 PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为 CMOS管 (意为互补 )。
MOS管有增强型和耗尽型两种。
在数字电路中，多采用增强型。
2009-7-27 5
图 2-24 NMOS管的电路符号及转移特性
(a) 电路符号 （ b）转移特性
D接正电源截止 导通导通电阻相当小
（ 1） NMOS管的开关特性
2009-7-27 6
图 2-25 PMOS管的电路符号及转移特性
(a) 电路符号 （ b）转移特性
D接负电源
（ 2） PMOS管的开关特性导通导通电阻相当小截止
2009-7-27 7
图 2-26 CMOS反相器
PMOS管负载管
NMOS管驱动管开启电压 |UTP|=UTN，且小于 VDD。
2,CMOS反相器的工作原理
（ 1）基本电路结构
2009-7-27 8
（ 2）工作原理图 2-26 CMOS反相器
UIL=0V
截止导通
UOH≈VDD
当 uI=
UIL=0V时，
VTN截止，
VTP导通，
uO =
UOH≈VDD
2009-7-27 9
图 2-26 CMOS反相器
UIH= VDD
截止
UOL≈ 0V
当 uI =
UIH = VDD,
VTN导通，
VTP截止，
uO
=UOL≈0V导通
2009-7-27 10
（ 3）逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。
（ 4）工作特点
VTP和 VTN总是一管导通而另一管截止，流过
VTP和 VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而
CMOS反相器的 静态功耗极小 。这是 CMOS电路最突出的优点之一。
2009-7-27 11
图 2-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性
3,电压传输特性和电流传输特性
AB段：截止区
iD为 0
BC段：转折区阈值电压 UTH≈VDD/2
转折区中点：电流最大
CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在 BC段。
CD段：导通区
2009-7-27 12
4,CMOS电路的优点
（ 1）微功耗。
CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。
（ 2）抗干扰能力很强。
输入噪声容限可达到 VDD/2。
（ 3）电源电压范围宽。
多数 CMOS电路可在 3～ 18V的电源电压范围内正常工作。
（ 4）输入阻抗高。
（ 5）负载能力强。
CMOS电路可以带 50个同类门以上。
（ 6）逻辑摆幅大。（低电平 0V，高电平 VDD ）
2009-7-27 13
2.5.2 其它类型的 CMOS门电路负载管串联
（串联开关）
1,CMOS或非门驱动管并联
（并联开关）
图 2-28 CMOS或非门
A,B有高电平，则驱动管导通、
负载管截止，
输出为低电平。
1
0
截止导通
2009-7-27 14
该电路具有或非逻辑功能,即 Y=A+B
当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。
0
0
截止导通
1
2009-7-27 15
图 2-29 CMOS与非门该电路具有与非逻辑功能，即 Y=AB
2,CMOS与非门负载管并联
（并联开关）
驱动管串联
（串联开关）
2009-7-27 16
（ 1）电路结构
C和 C是一对互补的控制信号。
由于 VTP和 VTN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。
3,CMOS传输门图 2-30 CMOS传输门
（ a）电路 （ b）逻辑符号
2009-7-27 17
若 C =1（接 VDD ),C =0（接地），
当 0＜ uI＜ (VDD－ |UT|)时,VTN导通；
当 |UT|＜ uI＜ VDD 时,VTP导通；
uI在 0~VDD之间变化时,VTP和 VTN至少有一管导通，使传输门 TG导通 。
（ 2） 工作原理（了解）
若 C = 0（接地 ),C = 1（接 VDD ），
uI在 0~VDD 之间变化时,VTP和 VTN均截止，
即传输门 TG截止 。
2009-7-27 18
（ 3） 应用举例图 2-31 CMOS模拟开关
① CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。
C = 0时,TG1导通,TG2截止,uO = uI1；
C = 1时,TG1截止,TG2导通,uO = uI2。
2009-7-27 19
图 2-32 CMOS三态门
(a)电路 (b) 逻辑符号当 EN= 0时,TG导通,F=A；
当 EN=1时,TG截止,F为高阻输出。
② CMOS三态门
2009-7-27 20
2.6.1 CMOS门电路的使用知识
1．输入电路的静电保护
CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于
CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿 MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：
2.6 CMOS门电路和 TTL门电路的使用知识及相互连接
2009-7-27 21
（ 1）所有与 CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。
（ 2）存储和运输 CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。
2．多余的输入端不能悬空。
输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，
造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。
2009-7-27 22
2.6.2 TTL门电路的使用知识
1．多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：
（ 1）与其它输入端并联使用。
（ 2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。
2009-7-27 23
(1) 在每一块插板的电源线上，并接几十 μF的低频去耦电容和 0.01~0.047μF的高频去耦电容，以防止 TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。
(2) 整机装置应有良好的接地系统。
2,电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。
2009-7-27 24
2.6.3 TTL门电路和 CMOS 门电路的相互连接
TTL和 CMOS电路的电压和电流参数各不相同，
需要采用接口电路。
一般要考虑两个问题：
一是要求 电平匹配,即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；
二是要求 电流匹配,即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。
2009-7-27 25
1,TTL门驱动 CMOS门
（ 1）电平不匹配
TTL门作为驱动门，它的 UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；
CMOS门作为负载门，它的 UIH≥3.5V,UIL≤1V。
可见,TTL门的 UOH不符合要求 。
（ 2）电流匹配
CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。
2009-7-27 26
（ 3）解决电平匹配问题图 2-33 TTL门驱动 CMOS门
① 外接上拉电阻 RP
在 TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻 RP，
使 TTL门电路的 UOH≈5V。（当电源电压相同时）
2009-7-27 27
② 选用 电平转换电路 (如 CC40109)
若电源电压不一致时可选用电平转换电路。
CMOS电路的电源电压可选 3~18V；
而 TTL电路的电源电压只能为 5V。
③ 采用 TTL的 OC门 实现电平转换。
若电源电压不一致时也可选用 OC门实现电平转换。
2009-7-27 28
2,CMOS门驱动 TTL门
（ 1）电平匹配
CMOS门电路作为驱动门,UOH≈5V,UOL≈0V；
TTL门电路作为负载门,UIH≥2.0V,UIL≤0.8V。
电平匹配是符合要求的。
（ 2）电流不匹配
CMOS门电路 4000系列 最大允许灌电流为 0.4mA，
TTL门电路的 IIS≈1.4 mA，
CMOS4000系列驱动电流不足 。
2009-7-27 29
（ 3）解决电流匹配问题
CMOS电路常用的是 4000系列和 54HC/74HC
系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。
① 选用 CMOS缓冲器比如,CC4009的驱动电流可达 4 mA。
② 选用 高速 CMOS系列产品选用 CMOS的 54HC/74HC系列产品可以直接驱动 TTL电路。
2009-7-27 30
表 2-7 各种系列门电路的主要参数
2009-7-27 31
表 2-8 常用集成门电路 (TTL系列）
型 号 名 称 主 要 功 能
74LS00 四 2输入与非门
74LS02 四 2输入或非门
74LS04 六反相器
74LS05 六反相器 OC门
74LS08 四 2输入与门
74LS13 双 4输入与非门 施密特触发
74LS30 8输入与非门
74LS32 四 2输入或门
74LS64 4-2-3-2输入与或非门
74LS133 13输入与非门
74LS136 四异或门 OC输出
74LS365 六总线驱动器 同相、三态、公共控制
74LS368 六总线驱动器 反相、三态、两组控制
2009-7-27 32
表 2-8 常用集成门电路 (CMOS系列）
型 号 名 称 主 要 功 能
CC4001 四 2输入或非门
CC4011 四 2输入与非门
CC4030 四异或门
CC4049 六反相器
CC4066 四双向开关
CC4071 四 2输入或门
CC4073 三 3输入与门
CC4077 四异或非门
CC4078 8输入或 / 或非门
CC4086 2-2-2-2输入与或非门 可扩展
CC4097 双 8选 1模拟开关
CC4502 六反相器 / 缓冲器 三态,有选通端
2009-7-27 33
本章小结门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元,掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性,对于正确使用数字集成电路是十分必要的 。
本章介绍了目前应用最广泛的 TTL和 CMOS两类集成逻辑门电路 。 在学习这些集成电路时,应把重点放在它们的外部特性上 。 外部特性包含两个内容,
一个是输出与输入间的逻辑关系,即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性,包括电压传输特性,
输入特性,输出特性等 。 本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理,但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解,以便更好地利用这些器件 。
2009-7-27 34
作业题
1,2-4
2,2-7
2.5.1 CMOS反相器
2.5.2 其它类型的 CMOS门电路
2.5 CMOS门电路
2.6.3 TTL门电路和 CMOS门电路的相互连接
2.6.1 CMOS门电路的使用知识
2.6.2 TTL门电路的使用知识
2.6 CMOS门电路和 TTL门电路 的使用知识及相互连接本章小结结束放映
2009-7-27 2
复习为什么要用 OC门？
OC门的工作条件？ OC门有何应用？
三态门有哪三态？三态门有何应用？
2009-7-27 3
MOS门电路：以 MOS管作为开关元件构成的门电路。
MOS门电路，尤其是 CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、
价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。
2.5 CMOS 门电路
2009-7-27 4
2.5.1 CMOS反相器
1,MOS管的开关特性
MOS管有 NMOS管和 PMOS管两种。
当 NMOS管和 PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为 CMOS管 (意为互补 )。
MOS管有增强型和耗尽型两种。
在数字电路中，多采用增强型。
2009-7-27 5
图 2-24 NMOS管的电路符号及转移特性
(a) 电路符号 （ b）转移特性
D接正电源截止 导通导通电阻相当小
（ 1） NMOS管的开关特性
2009-7-27 6
图 2-25 PMOS管的电路符号及转移特性
(a) 电路符号 （ b）转移特性
D接负电源
（ 2） PMOS管的开关特性导通导通电阻相当小截止
2009-7-27 7
图 2-26 CMOS反相器
PMOS管负载管
NMOS管驱动管开启电压 |UTP|=UTN，且小于 VDD。
2,CMOS反相器的工作原理
（ 1）基本电路结构
2009-7-27 8
（ 2）工作原理图 2-26 CMOS反相器
UIL=0V
截止导通
UOH≈VDD
当 uI=
UIL=0V时，
VTN截止，
VTP导通，
uO =
UOH≈VDD
2009-7-27 9
图 2-26 CMOS反相器
UIH= VDD
截止
UOL≈ 0V
当 uI =
UIH = VDD,
VTN导通，
VTP截止，
uO
=UOL≈0V导通
2009-7-27 10
（ 3）逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。
（ 4）工作特点
VTP和 VTN总是一管导通而另一管截止，流过
VTP和 VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而
CMOS反相器的 静态功耗极小 。这是 CMOS电路最突出的优点之一。
2009-7-27 11
图 2-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性
3,电压传输特性和电流传输特性
AB段：截止区
iD为 0
BC段：转折区阈值电压 UTH≈VDD/2
转折区中点：电流最大
CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在 BC段。
CD段：导通区
2009-7-27 12
4,CMOS电路的优点
（ 1）微功耗。
CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。
（ 2）抗干扰能力很强。
输入噪声容限可达到 VDD/2。
（ 3）电源电压范围宽。
多数 CMOS电路可在 3～ 18V的电源电压范围内正常工作。
（ 4）输入阻抗高。
（ 5）负载能力强。
CMOS电路可以带 50个同类门以上。
（ 6）逻辑摆幅大。（低电平 0V，高电平 VDD ）
2009-7-27 13
2.5.2 其它类型的 CMOS门电路负载管串联
（串联开关）
1,CMOS或非门驱动管并联
（并联开关）
图 2-28 CMOS或非门
A,B有高电平，则驱动管导通、
负载管截止，
输出为低电平。
1
0
截止导通
2009-7-27 14
该电路具有或非逻辑功能,即 Y=A+B
当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。
0
0
截止导通
1
2009-7-27 15
图 2-29 CMOS与非门该电路具有与非逻辑功能，即 Y=AB
2,CMOS与非门负载管并联
（并联开关）
驱动管串联
（串联开关）
2009-7-27 16
（ 1）电路结构
C和 C是一对互补的控制信号。
由于 VTP和 VTN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。
3,CMOS传输门图 2-30 CMOS传输门
（ a）电路 （ b）逻辑符号
2009-7-27 17
若 C =1（接 VDD ),C =0（接地），
当 0＜ uI＜ (VDD－ |UT|)时,VTN导通；
当 |UT|＜ uI＜ VDD 时,VTP导通；
uI在 0~VDD之间变化时,VTP和 VTN至少有一管导通，使传输门 TG导通 。
（ 2） 工作原理（了解）
若 C = 0（接地 ),C = 1（接 VDD ），
uI在 0~VDD 之间变化时,VTP和 VTN均截止，
即传输门 TG截止 。
2009-7-27 18
（ 3） 应用举例图 2-31 CMOS模拟开关
① CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。
C = 0时,TG1导通,TG2截止,uO = uI1；
C = 1时,TG1截止,TG2导通,uO = uI2。
2009-7-27 19
图 2-32 CMOS三态门
(a)电路 (b) 逻辑符号当 EN= 0时,TG导通,F=A；
当 EN=1时,TG截止,F为高阻输出。
② CMOS三态门
2009-7-27 20
2.6.1 CMOS门电路的使用知识
1．输入电路的静电保护
CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于
CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿 MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：
2.6 CMOS门电路和 TTL门电路的使用知识及相互连接
2009-7-27 21
（ 1）所有与 CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。
（ 2）存储和运输 CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。
2．多余的输入端不能悬空。
输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，
造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。
2009-7-27 22
2.6.2 TTL门电路的使用知识
1．多余或暂时不用的输入端不能悬空，可按以下方法处理：
（ 1）与其它输入端并联使用。
（ 2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。
2009-7-27 23
(1) 在每一块插板的电源线上，并接几十 μF的低频去耦电容和 0.01~0.047μF的高频去耦电容，以防止 TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。
(2) 整机装置应有良好的接地系统。
2,电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。
2009-7-27 24
2.6.3 TTL门电路和 CMOS 门电路的相互连接
TTL和 CMOS电路的电压和电流参数各不相同，
需要采用接口电路。
一般要考虑两个问题：
一是要求 电平匹配,即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平；
二是要求 电流匹配,即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。
2009-7-27 25
1,TTL门驱动 CMOS门
（ 1）电平不匹配
TTL门作为驱动门，它的 UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；
CMOS门作为负载门，它的 UIH≥3.5V,UIL≤1V。
可见,TTL门的 UOH不符合要求 。
（ 2）电流匹配
CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。
2009-7-27 26
（ 3）解决电平匹配问题图 2-33 TTL门驱动 CMOS门
① 外接上拉电阻 RP
在 TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻 RP，
使 TTL门电路的 UOH≈5V。（当电源电压相同时）
2009-7-27 27
② 选用 电平转换电路 (如 CC40109)
若电源电压不一致时可选用电平转换电路。
CMOS电路的电源电压可选 3~18V；
而 TTL电路的电源电压只能为 5V。
③ 采用 TTL的 OC门 实现电平转换。
若电源电压不一致时也可选用 OC门实现电平转换。
2009-7-27 28
2,CMOS门驱动 TTL门
（ 1）电平匹配
CMOS门电路作为驱动门,UOH≈5V,UOL≈0V；
TTL门电路作为负载门,UIH≥2.0V,UIL≤0.8V。
电平匹配是符合要求的。
（ 2）电流不匹配
CMOS门电路 4000系列 最大允许灌电流为 0.4mA，
TTL门电路的 IIS≈1.4 mA，
CMOS4000系列驱动电流不足 。
2009-7-27 29
（ 3）解决电流匹配问题
CMOS电路常用的是 4000系列和 54HC/74HC
系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。
① 选用 CMOS缓冲器比如,CC4009的驱动电流可达 4 mA。
② 选用 高速 CMOS系列产品选用 CMOS的 54HC/74HC系列产品可以直接驱动 TTL电路。
2009-7-27 30
表 2-7 各种系列门电路的主要参数
2009-7-27 31
表 2-8 常用集成门电路 (TTL系列）
型 号 名 称 主 要 功 能
74LS00 四 2输入与非门
74LS02 四 2输入或非门
74LS04 六反相器
74LS05 六反相器 OC门
74LS08 四 2输入与门
74LS13 双 4输入与非门 施密特触发
74LS30 8输入与非门
74LS32 四 2输入或门
74LS64 4-2-3-2输入与或非门
74LS133 13输入与非门
74LS136 四异或门 OC输出
74LS365 六总线驱动器 同相、三态、公共控制
74LS368 六总线驱动器 反相、三态、两组控制
2009-7-27 32
表 2-8 常用集成门电路 (CMOS系列）
型 号 名 称 主 要 功 能
CC4001 四 2输入或非门
CC4011 四 2输入与非门
CC4030 四异或门
CC4049 六反相器
CC4066 四双向开关
CC4071 四 2输入或门
CC4073 三 3输入与门
CC4077 四异或非门
CC4078 8输入或 / 或非门
CC4086 2-2-2-2输入与或非门 可扩展
CC4097 双 8选 1模拟开关
CC4502 六反相器 / 缓冲器 三态,有选通端
2009-7-27 33
本章小结门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元,掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性,对于正确使用数字集成电路是十分必要的 。
本章介绍了目前应用最广泛的 TTL和 CMOS两类集成逻辑门电路 。 在学习这些集成电路时,应把重点放在它们的外部特性上 。 外部特性包含两个内容,
一个是输出与输入间的逻辑关系,即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性,包括电压传输特性,
输入特性,输出特性等 。 本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理,但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解,以便更好地利用这些器件 。
2009-7-27 34
作业题
1,2-4
2,2-7
