1
一,CMOS反相器 的工作原理
二,CMOS反相器的电压传输特性和电流传
输特性
第五节 CMOS门电路
六,COMS逻辑门电路
四、电源特性
五,COMS传输门
三,CMOS反相器的输入特性和输出特性
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？
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。
第五节 CMOS 门电路
4
3,5,1 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。
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
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
7
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
8
图 2-26 CMOS反相器
PMOS管
负载管
NMOS管
驱动管
开启电压（又称门电压） UGS(th)<0，
V(GS)N>0且 VDD|VGS(th)|+Vgs(th)N。
2,CMOS反相器的工作原理
（ 1）基本电路结构
9
（ 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
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，而且截
止内阻又极大，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。
11
图 2-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性
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
12
CMOS电路的优点,
（ 1）静态功耗极小。
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）电源利用率高。
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。
（低电平 0V，高电平 VDD ）
13
3.5.3,1 CMOS门电路的使用知识
1．输入特性
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：
3.5,3 CMOS反相器的输入特性和输
出特性
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
15
（ 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．输出特性
输出低电平等效电路，也上输入为高电平时，
负载管 Tp截止，驱动管 TN管导通，这时负载电流从
负载电路灌入驱动管。所以输出低电平时的输出
特性曲线和 N沟道 MOS管的漏极特性曲线相同。
16
3.5,4 电源特性
1．静态功耗
静态时，无论输入是高电平还是低电平,TP
管和 TN管总有一个是截止有。由于截止时的漏电
流极小，所以这个电流产生的功耗可以忽略不计。
但是，在实际的反相器中不仅有输入保护二极管，
还存在着寄生二极管。这些二极管的反向漏电流
比 TP管或 TN管截止时的漏电流要大得多，它们构
成了电源静态电流的主要成分。
17
当 COMS反相器从一种稳定工作状态转变到另一种
稳定状态的过程中，所产生的功耗移为动态功耗。
动态功耗由两部分组成，一部分是 TP管,TN管在短
时间内同时导通所产生的功耗 PT（称为瞬时功耗），
另一部分是在这个过程中对负载电容充、放是所消
耗的功耗。
2．动态功耗。
18
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 。
1、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 。
3,5,5 COMS传输门
19
2、组成
它是由 PMOS增强型和 NMOS增强型管
并联互补组成的，也是 PMOS管的源极和
NMOS管的尖极相连，作为输出 /输入端。两
个极受一对控制信号 C和控制端。由于 MOS
器件的尖和平漏两个扩散区是对称的，所以
信号可以双向传输。
20
图 2-29 CMOS与非门在每个输入端、输出端加一级反相器，并且电
路具有标准参数的反相器称为缓冲级。 Y=AB
1,CMOS与非、或非门
负载管并联
（并联开关）
驱动管串联
（串联开关）
3,5,6 COMS 逻辑门电路
21
COMS 或非门
22
图 2-32 CMOS三态门之一
(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
23
（ 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。
24
图 3-33 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）
25
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。
26
2,三态输出的 CMOS门电路
（ 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 。
27
（ 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。
28
表 3-7 各种系列门电路的主要参数
29
表 3-8 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
30
表 3-8 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
31
3,5,7 COMS电路的锁定
效应及正确使用方法
1,COMS电路的锁定效应
锁定效应又称为可硅效应，是 COMS电路中的一个特有问题。
发生锁定效应后往往会造成 COMS 器件的永久失效。因此完全有必
要了解 COMS 电路产生锁定效应的原因及其防护方法。
32
在如下情况可以导通：
（ 1）若 V1<— VF（ VF表示 T1 ～ T6发射结的正向导通压降）
时,T6导通，进而 T1导通，则产生锁定效应。
（ 2）若 V1>VDD+VF时,T5导通，进而引起 T2导通，则产生锁定
效应。
（ 3）若 V0<— VF时,T4导通，进而引起 T1导通，则产生锁定效
应。
（ 4）若 V0>VDD+VF时,T3进而引起 T2导通，则产生锁定效应。
33
2,COM S 器件使用时应注意的问题
（ 1）输入电路的静电保护
尽管在 COMS电路的输入端已经设置了保护电路，但它所能承受的静电
电压和脉冲功率仍有一定限度，因此，在运输时最好使用金属屏蔽层作为
包装材料，不能用易产生静电电压的化工材料、化纤织物包装。在组装、
调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地。不能使用的多余
输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。
（ 2）输入端加过流保护
由于输入保护电路中钳位二极管电流容量有限，因此在可能出现大输
入电流的情况时，必须加过流保护措施。例如，在输入端接有低电阻信号
源时，或有长线接至输入端时，或在输入端接有大电容时，均在输入端接
保护电阻
34
作业题
1,3-12
2,3-13
3,3-14
35
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 。
一,CMOS反相器 的工作原理
二,CMOS反相器的电压传输特性和电流传
输特性
第五节 CMOS门电路
六,COMS逻辑门电路
四、电源特性
五,COMS传输门
三,CMOS反相器的输入特性和输出特性
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？
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。
第五节 CMOS 门电路
4
3,5,1 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。
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
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
7
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
8
图 2-26 CMOS反相器
PMOS管
负载管
NMOS管
驱动管
开启电压（又称门电压） UGS(th)<0，
V(GS)N>0且 VDD|VGS(th)|+Vgs(th)N。
2,CMOS反相器的工作原理
（ 1）基本电路结构
9
（ 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
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，而且截
止内阻又极大，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。
11
图 2-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性
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
12
CMOS电路的优点,
（ 1）静态功耗极小。
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）电源利用率高。
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。
（低电平 0V，高电平 VDD ）
13
3.5.3,1 CMOS门电路的使用知识
1．输入特性
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：
3.5,3 CMOS反相器的输入特性和输
出特性
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
15
（ 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．输出特性
输出低电平等效电路，也上输入为高电平时，
负载管 Tp截止，驱动管 TN管导通，这时负载电流从
负载电路灌入驱动管。所以输出低电平时的输出
特性曲线和 N沟道 MOS管的漏极特性曲线相同。
16
3.5,4 电源特性
1．静态功耗
静态时，无论输入是高电平还是低电平,TP
管和 TN管总有一个是截止有。由于截止时的漏电
流极小，所以这个电流产生的功耗可以忽略不计。
但是，在实际的反相器中不仅有输入保护二极管，
还存在着寄生二极管。这些二极管的反向漏电流
比 TP管或 TN管截止时的漏电流要大得多，它们构
成了电源静态电流的主要成分。
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当 COMS反相器从一种稳定工作状态转变到另一种
稳定状态的过程中，所产生的功耗移为动态功耗。
动态功耗由两部分组成，一部分是 TP管,TN管在短
时间内同时导通所产生的功耗 PT（称为瞬时功耗），
另一部分是在这个过程中对负载电容充、放是所消
耗的功耗。
2．动态功耗。
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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 。
1、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 。
3,5,5 COMS传输门
19
2、组成
它是由 PMOS增强型和 NMOS增强型管
并联互补组成的，也是 PMOS管的源极和
NMOS管的尖极相连，作为输出 /输入端。两
个极受一对控制信号 C和控制端。由于 MOS
器件的尖和平漏两个扩散区是对称的，所以
信号可以双向传输。
20
图 2-29 CMOS与非门在每个输入端、输出端加一级反相器，并且电
路具有标准参数的反相器称为缓冲级。 Y=AB
1,CMOS与非、或非门
负载管并联
（并联开关）
驱动管串联
（串联开关）
3,5,6 COMS 逻辑门电路
21
COMS 或非门
22
图 2-32 CMOS三态门之一
(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
23
（ 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。
24
图 3-33 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）
25
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。
26
2,三态输出的 CMOS门电路
（ 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 。
27
（ 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。
28
表 3-7 各种系列门电路的主要参数
29
表 3-8 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
30
表 3-8 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
31
3,5,7 COMS电路的锁定
效应及正确使用方法
1,COMS电路的锁定效应
锁定效应又称为可硅效应，是 COMS电路中的一个特有问题。
发生锁定效应后往往会造成 COMS 器件的永久失效。因此完全有必
要了解 COMS 电路产生锁定效应的原因及其防护方法。
32
在如下情况可以导通：
（ 1）若 V1<— VF（ VF表示 T1 ～ T6发射结的正向导通压降）
时,T6导通，进而 T1导通，则产生锁定效应。
（ 2）若 V1>VDD+VF时,T5导通，进而引起 T2导通，则产生锁定
效应。
（ 3）若 V0<— VF时,T4导通，进而引起 T1导通，则产生锁定效
应。
（ 4）若 V0>VDD+VF时,T3进而引起 T2导通，则产生锁定效应。
33
2,COM S 器件使用时应注意的问题
（ 1）输入电路的静电保护
尽管在 COMS电路的输入端已经设置了保护电路，但它所能承受的静电
电压和脉冲功率仍有一定限度，因此，在运输时最好使用金属屏蔽层作为
包装材料，不能用易产生静电电压的化工材料、化纤织物包装。在组装、
调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地。不能使用的多余
输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。
（ 2）输入端加过流保护
由于输入保护电路中钳位二极管电流容量有限，因此在可能出现大输
入电流的情况时，必须加过流保护措施。例如，在输入端接有低电阻信号
源时，或有长线接至输入端时，或在输入端接有大电容时，均在输入端接
保护电阻
34
作业题
1,3-12
2,3-13
3,3-14
35
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 。
