半导体三极管分为：
双极型三极管
场效应三极管
双极型三极管,电流控制元件，载流子有空穴、电子
两种。
场效应三极管,电压控制元件，仅用一种载流子参与
导电。电子作为载流子称为 N沟道器件，空穴作为载流子的
称为 P沟道器件。每一类又分为增强型和耗尽型两种。
增强型,VGS = 0,无导电沟道,ID = 0
耗尽型,VGS = 0,有导电沟道,ID ≠ 0
MOS逻辑门分为三类,NMOS,PMOS、和 CMOS
1、电阻负载倒相器（非门）
G:栅极 D:漏级 S:源极
VDD:电源 5~10V
V t h:开启电压 0.5~2V
RD:漏级负载电阻 25KΩ
T,N沟道增强型 MOS管
VGS > V t h T 导通
VGS < V t h T 截止
假设 V t h＝ 1.5V
当,A=0时,VGS = 0 < V t h T截止。 F=1
当,A=5V时,VGS = 5 V > V t h T饱和。
0???? d
dD
DD rrR VF
集成电路中非常不希望有大电阻,
一个大电阻相当 20多个管子 。 因此采
用 MOS 管做负载管 。
A F
电路组成：
导通条件：
工作原理：
0 1
1 0
G D
SA
F
RD
+VDD
T2:负载管
栅、漏极连在一起得的 MOS管
代替负载电阻 RD。
T1：驱动管,起倒相作用。
T2负载管伏安特性曲线：
VGS2 < Vth2 i D2=0
VGS2 > Vth2
i D2随 VGS2增加而非线性
增加,T2管起到了非线性电阻
的作用。0 1 2 3 4 2 /GSVV
2 /Di mA
2Di
2GSV
F
A
+VDD
T2
T1
当输入 A=0V时,
T1截止,T2导通。 T1只有 n A 级漏电
流。工作在负载 线 A点。
A
B
输出电压, F = VDD - Vth2 = 5 – 2 = 3 V
设,Vth2 = 2 V
VGS1< Vth1
当输入 A=3V时, VGS1> Vth1
T1导通,工作在负载 线 B点。
输出电压,
oVrrr VF d
dd
DD ??
?? 121
由此可知,rd2 ? rd1 就能很好实现倒相器逻辑功能。 AF ?
Vth1＝ 1.5V
负载管特性
V03
F
A
+VDD
T2
T1
0 1 2 3 4 1/DSVV
1 /Di mA
0V
2V
3V
4V
①,抗干扰能力
从 NMOS倒相器的电压传输特性图中
可以看出：
输入低电平噪声容限 接近于 T1的开启电压 Vth1。
VNL=1.5V
输入高电平噪声容限, VNH=1V
提高电源电压，加大开启电压，就可以提高抗干扰能力。
一般 MOS管电源电压为,3~18V。
②,负载能力
负载管导通电阻 rD2一般为：几十 KΩ,因而在输出高电平时，
其输出阻抗比较高。但由于下一级的输入是 MOS管的栅极，其输
入阻抗为 1010Ω，几乎不取负载电流。因此 MOS管的负载能力是
很强的。
电压传输特性
NLV NHV
0 1 2 3 4
/IVV
/OVV
1
2
3
F
A
+VDD
T2
T1
③,功耗
当输入低电平时,T1管截止,T2管导通，电源电流几乎为 0，因此静态功耗为 0。
当输入高电平时,T1,T2 均导通，但 T2的导通电阻 rd2=几十 KΩ,电源电流一般为,100~200μA,所
以静态功耗在 1mW以下。④,工作速度
MOS 管的延迟时间由负载电容及充、放电的电流大小决定。
当输入由高电平变为低电平时：
T1管截止,T2管导通。充电时常数 τ = rd2 CL
当输入由低电平变为高电平时：
放电时常数 τ = rd1 CL
充电电流几百微安
放电电流几毫安
当 CL＝ 100pF时, 平均延迟时间 t p d = 550 ns
NMOS倒相器的速
度比 TTL的速度要
低一至两个数量
级。
① 与非门
T3:负载管
T1,T2 两个串连驱动管
当 A,B中有一个低电平时，
相应的驱动管截止，输出 F为
高电平。
当 A,B全为高电平时，
T1,T2均导通，输出 F 为低
电平。
A B T1 T2 F
0 0 止 止 1
0 1 止 导 1
1 0 导 止 1
1 1 导 导 0ABF ?：所以
电路组成：
工作原理：
F
A T2
T1
T3
B
T3:负载管
T1,T2 两个并连驱作动管
当 A,B中只要有一个高电平时,T1，
T2总有一个导通，输出 F为低电平。
只有 A,B全为低电平,T1,T2均截
止，输出 F 才是高电平。
输出和输入的逻辑关系是,BAF ??
A B T1 T2 F
0 0 止 止 1
0 1 止 导 0
1 0 导 止 0
1 1 导 导 0
同理：
CDABF ??
是与或非门
电路组成：
工作原理,F
T2T1
T3
A B
-VDD
F
T5
T1A T3 C
-VDD
T2B T4 D
PMOS集成电路采用 负电源, 一般用负逻辑分析。
PMOS倒相器, 与非门, 或非门电路结构形式与
NMOS完全相同, 不同之处 PMOS电源电压为－ VDD,驱动
管和负载管均是 增强型 PMOS管 。 开启电压为负－ 2V。
1,PMOS倒相器 PMOS采用负电源，用负逻辑分析：
输入信号高电平为 0 V
输入信号低电平为－ 5 V
用逻辑, 0”表
示用逻辑, 1”表示
当 A = 0 V 时,VGS1= 0 V
| VGS1 | < | V t h | T1截止,F=1
当 A = -5 V 时,VGS1= -5 V
| VGS1 | > | V t h | T1导通,F=0
所以,AF ?
区别
V05?
F
A
-VDD
T2
T1
A B PMOS管 F
电压 真值 电压 真值 T1 T2 电压 真值
-5 1 -5 1 导 导 0 0
-5 1 0 0 导 止 -5 1
0 0 -5 1 止 导 -5 1
0 0 0 0 止 止 -5 1
A B PMOS管 F
电压 真值 电压 真值 T1 T2 电压 真值
-5 0 -5 0 导 导 0 1
-5 0 0 1 导 止 -5 0
0 1 -5 0 止 导 -5 0
0 1 0 1 止 止 -5 0
有 0为 1,全 1为 0。是负逻辑与非门。 ABF ?用负逻辑分析：
BAF ??
用正逻辑分析：
有 1为 0,全 0为 1。
是正逻辑或非门
F
A T2
T1
T3
B
-VDD
用和与非门同样的分析方法，
得出是负逻辑的或非门，也是正
逻辑的与非门。
NMOS管用正电源。正逻辑分析。 0止 1导通。
PMOS管用负电源。负逻辑分析。 也是 0止 1导通。
PMOS管优点：成品率高，价格便宜，曾广泛使用。
PMOS管优点：导通功耗大，工作速度低，负载管导
通电阻要求大，不利于大规模集成，现在用的比较少。
F
T2T1
T3
A B
-VDD
NMOS,PMOS电路存
在三个问题：
★ 负载管一直导通，当驱动管
导通时，电源与地之间有静态电
流，所以功耗大。
★ 要保证输出低电平，要求
rd2?rd1不利于大规模集成。
★ 当驱动管截止时，由于负载
管导通电阻 rd2很大，对容性负
载充电时间很长，使电路工作速
度缓慢。
CMOS集成电路由 P 沟道和 N 沟道增强型 MOS 管串连
组成,CMOS电路能有效解决上述问题。
TP
TN
VDD
VI VO
? 电路结构：
PMOS作负载管，开启电压为负－ V t h 。
NMOS作输入管，开启电压为正 V t h 。
两个栅极 G并联作输入端。
G
两个漏极 D串连作输出端。
D
D两个衬底都和源极 S接在一起，
PMOS管源极接电源 VDD,NMOS管源
极接地。
? 正常工作条件：
电源电压大于两管开启电压绝对值之
和。 VDD > | V t h P |+ V t h N
S
S
? 工作原理
假设：
PMOS管 V t h P ＝－ 2.5V
NMOS管 V t h N = 2 V
VDD = 5 V
当 VI = 0 V 时：
NMOS管 VGSN = 0 < V t h N, TN管截止，其截止
电阻 R off = 109~1012Ω。
PMOS管 VGSP = 0 - V DD= － 5 V,|VGSP| > |V t h P|,
TP管导通，其导通电阻 R on = 103Ω
1????? DDo f f
o f fon
DD VR
RR
VF
V0
TP
TN
VDD
VI VO
offR
onR
DDV
当 VI= 5 V 时：
NMOS管 VGSN = 5V > V t h N TN管
导通，其导通电阻 R on = 103 Ω。
PMOS管 VGSP = 5V - V DD= 0 V
| VGSP | > | V t h P | TP管截止，其导通电
阻 R off = 109~1012Ω,F = 0。
以上分析：
输入是 0,输出是 1,实现倒相关系,AF ?
PMOS 管,启为负,0导 1截止。
NMOS 管,启为正,0止 1导通。
倒相器工作过程中，两管轮流导通，导通电阻小，截止
电阻大，所以静态电流只有 n A 级。 低功耗是 CMOS倒相器的
重要特点。
TP
TN
VDD
VI VO
电压传输特性,v o = f ( vi )
电流传输特性,i o = f ( v I )
从电压传输特性曲线可以看出：
CMOS阈值电平 V t h = ?
VDD,并以阈值电平为分界线。
VI < ? VDD 输出 VO =,1”
VI > ? VDD 输出 VO =,0”
VI = ? VDD TP,TN 都饱和导
通，这一瞬间有大电流通过，在其
它区域总有一个导通，另一个截止。
所以 i D 电流较小。 thV
OV
iVthNV DDV21 DDV
thPDD VV ?
DDV
1 2 3 4 5
0
Di
iVthNV DDV
thPDD VV ?
1 2 3 4 5
0 thV
⑴,静态功耗极低，仅几十纳瓦
CMOS倒相器工作在 1和 5工作
区, 总有一个 MOS管处于截止状态,
有极小漏电流流过 。 只有在急剧翻
转的第 3区才有较大的电流, 因此
动态功耗会增大 。
CMOS倒相器在低频工作时，功
耗极小，低功耗时 CMOS的最大优点。
⑵,抗干扰能力较强
由于阈值电平近似等于 ? VDD，
输入高、低电平的噪声容限随电源的
升高而提高。所以抗干扰能力增强。
Di
iVthNV DDV
thPDD VV ?
1 2 3 4 5
0 thV
OV
iVthNV DDV21 DDV
thPDD VV ?
DDV
1 2 3 4 5
0
⑶,电源利用率高
VOH = VDD,同时 V t h 随 VDD 变化而变化。允许 VDD的变
化范围为＋ 3V~＋ 18V。
⑷,输入阻抗高，带负载能力强
扇出系数 NO = 50,下一级是绝缘栅几乎不取电流，所以可
带 50个同类门电路。 CMOS门的输出端在静态时，一个导通，
另一个截止。动态时，两管均导通，所以输出端不可以并联。
4、输入特性和输出特性
⑴,输入特性
CMOS电路的栅极和衬底之间是绝缘栅，其直流电阻高
达 1012Ω,只要有少量电量便可感生出足可以击穿氧化层，造
成永久损坏。因此，在 CMOS输入端都加有保护电路。
Ii
iV
DDV0
V1?
D1,D2是保护二极管，正向压降 1V，反向
击穿电压 30V。
D1是 P型扩散区和 N型衬底间自然形成的分
布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。
C1,C2是 TP,TN管栅极等效电容。
R是限流电阻，阻值 1~3KΩ。
加保护电路的输入特性,
☆ 当输入 0 < VI ≦ V DD,输入电流 i I = 0,
在正常工作范围内，保护二极管不起作用。
☆ 当输入 VI>VDD+VD时,保护二极管 D1导通，输入电
流 i I 迅速增加，同时将 TP,TN管栅极电压钳位于
VDD+VD。保证加在 C2上的电压，不超过其耐压极限。
☆ 当输入 VI<－ VD时：保护二极管 D1导通,|i I| 随 |VI|增加而增大。其变
化斜率由 R决定。
TP
TN
VDD
VI VO
C1
C2
D2
D1 D1
R
TP
TN
VDD
VI=0V
V0=VOH
RL
⑵,输出特性
低电平输出特性是 灌流负载 。
高电平输出特性是 拉流负载
不管是灌流负载还是拉流负载，
负载电流的增加，都会是输出电阻
Ron减小，带负载能力增加。
当输入 VI为高电平时，负载管截
止，输入管导通。因此负载电流灌入
输入端。
当输入 VI为低电平时，负载管导
通，输入管截止。因此负载电流是拉
电流。
TP
TN
VDD
VI=VDD V0=VOL
RL
⑶,电源特性
CMOS正常工作时有 静态功耗 和 动态功耗,静态功耗
主要是保护二极管功耗，电流很小，不超过 1μ A。动态功
耗,主要发生在两管同时导通时的瞬时功耗 PT和对负载电容
充、放电所消耗的功耗。
CMOS传输门是由 p沟道 和 n沟道 增
强型 MOS管并联互补组成。
电路组成：
两管漏级相连作 Vi / VO。（ 由于
D,S对称可以双向传输。）
两个栅极受一对控制信号控制。 CC,
工作原理,
DDVC
C
?
? 0
TN,TP均截止，输入和输出之间电阻 >109Ω。
传输门截止。输入信号不能通过。
0?
?
C
VC DD
TN,TP均导通，输入和输出之间电阻 <103Ω。
传输门导通。输入、输出信号接通。
TP衬底接 VDD,TN衬底接地。
V0/VI
TN
TP
VI/VO
VDDC
C
逻辑符号,C
用途,作模拟开关，传输连续变化的模拟信号。如音频，视频等信号。还可以作多路开关。
iO VV /Oi VV /
C
C
TG
iO VV /Oi VV /
C
C
⑴ 与非门
利用 CMOS倒相器构成与非门。
电路组成：
两 P并，作负载,0导 1截止。
两 N串，作驱动,0止 1导通。
工作原理：
当 A,B中只要有一个 0,TN总有一个截止,TP总有一个
导通，输出为高电平。
只要 A,B都为 1,TN都导通,TP都截止，输出为低电平。
因此该电路具有与非逻辑功能。 ABF ?
TP
TN
VDD
A
B
TP
TN
T1
T2
T3 T4 F
电路组成：
两 P串，作负载,0 导 1 截止。
两 N并，作驱动,0 止 1 导通。
工作原理：
当 A,B中只要有一个 1,TN总有
一个导通,TP总有一个截止，输
出为底电平。
只要 A,B全为 0,TN都截止,TP都导通，输出为高电平。
因此该电路具有或非逻辑功能。 BAF ??
TP
TN
VDD
A
B
TP
TN
T1 T2
T3
T4 F
用 CMOS倒相器构成的与非
门电路简单，但存在一些缺点。
1、输出电阻 RON 随输入信号变化而变化。
A B T1 T2 T3 T4 RO
0 0 止 止 导 导 RO=RON3//RON4=?RON
0 1 导 止 止 导 RO=RON4=RON
1 0 止 导 止 导 R0=RON3=RON
1 1 导 导 止 止 RO=RON1+RON2=2RON
输入信号不同，引起输出电阻不同。相差四倍之多。
TP
TN
VDD
A
B
TP
TN
T1
T2
T3 T4 F
当输入端数目增加时：串联
驱动管, 并联的负载管随输入变
量的增加而增加 。
串联驱动管越多，导通输出低
电平等于各驱动管压降之和。所以
输入端数目增加使输出低电平升高，
输入低电平噪声容限下降。
解决上述缺点的方法：
采用 带缓冲级的门电路 可以克服上述缺点，在或非门的输
入、输出端加具有标准参数的倒相器构成。
TP
TN
VDD
A
B
TP
TN
T1
T2
T3 T4 F
双极型三极管
场效应三极管
双极型三极管,电流控制元件，载流子有空穴、电子
两种。
场效应三极管,电压控制元件，仅用一种载流子参与
导电。电子作为载流子称为 N沟道器件，空穴作为载流子的
称为 P沟道器件。每一类又分为增强型和耗尽型两种。
增强型,VGS = 0,无导电沟道,ID = 0
耗尽型,VGS = 0,有导电沟道,ID ≠ 0
MOS逻辑门分为三类,NMOS,PMOS、和 CMOS
1、电阻负载倒相器（非门）
G:栅极 D:漏级 S:源极
VDD:电源 5~10V
V t h:开启电压 0.5~2V
RD:漏级负载电阻 25KΩ
T,N沟道增强型 MOS管
VGS > V t h T 导通
VGS < V t h T 截止
假设 V t h＝ 1.5V
当,A=0时,VGS = 0 < V t h T截止。 F=1
当,A=5V时,VGS = 5 V > V t h T饱和。
0???? d
dD
DD rrR VF
集成电路中非常不希望有大电阻,
一个大电阻相当 20多个管子 。 因此采
用 MOS 管做负载管 。
A F
电路组成：
导通条件：
工作原理：
0 1
1 0
G D
SA
F
RD
+VDD
T2:负载管
栅、漏极连在一起得的 MOS管
代替负载电阻 RD。
T1：驱动管,起倒相作用。
T2负载管伏安特性曲线：
VGS2 < Vth2 i D2=0
VGS2 > Vth2
i D2随 VGS2增加而非线性
增加,T2管起到了非线性电阻
的作用。0 1 2 3 4 2 /GSVV
2 /Di mA
2Di
2GSV
F
A
+VDD
T2
T1
当输入 A=0V时,
T1截止,T2导通。 T1只有 n A 级漏电
流。工作在负载 线 A点。
A
B
输出电压, F = VDD - Vth2 = 5 – 2 = 3 V
设,Vth2 = 2 V
VGS1< Vth1
当输入 A=3V时, VGS1> Vth1
T1导通,工作在负载 线 B点。
输出电压,
oVrrr VF d
dd
DD ??
?? 121
由此可知,rd2 ? rd1 就能很好实现倒相器逻辑功能。 AF ?
Vth1＝ 1.5V
负载管特性
V03
F
A
+VDD
T2
T1
0 1 2 3 4 1/DSVV
1 /Di mA
0V
2V
3V
4V
①,抗干扰能力
从 NMOS倒相器的电压传输特性图中
可以看出：
输入低电平噪声容限 接近于 T1的开启电压 Vth1。
VNL=1.5V
输入高电平噪声容限, VNH=1V
提高电源电压，加大开启电压，就可以提高抗干扰能力。
一般 MOS管电源电压为,3~18V。
②,负载能力
负载管导通电阻 rD2一般为：几十 KΩ,因而在输出高电平时，
其输出阻抗比较高。但由于下一级的输入是 MOS管的栅极，其输
入阻抗为 1010Ω，几乎不取负载电流。因此 MOS管的负载能力是
很强的。
电压传输特性
NLV NHV
0 1 2 3 4
/IVV
/OVV
1
2
3
F
A
+VDD
T2
T1
③,功耗
当输入低电平时,T1管截止,T2管导通，电源电流几乎为 0，因此静态功耗为 0。
当输入高电平时,T1,T2 均导通，但 T2的导通电阻 rd2=几十 KΩ,电源电流一般为,100~200μA,所
以静态功耗在 1mW以下。④,工作速度
MOS 管的延迟时间由负载电容及充、放电的电流大小决定。
当输入由高电平变为低电平时：
T1管截止,T2管导通。充电时常数 τ = rd2 CL
当输入由低电平变为高电平时：
放电时常数 τ = rd1 CL
充电电流几百微安
放电电流几毫安
当 CL＝ 100pF时, 平均延迟时间 t p d = 550 ns
NMOS倒相器的速
度比 TTL的速度要
低一至两个数量
级。
① 与非门
T3:负载管
T1,T2 两个串连驱动管
当 A,B中有一个低电平时，
相应的驱动管截止，输出 F为
高电平。
当 A,B全为高电平时，
T1,T2均导通，输出 F 为低
电平。
A B T1 T2 F
0 0 止 止 1
0 1 止 导 1
1 0 导 止 1
1 1 导 导 0ABF ?：所以
电路组成：
工作原理：
F
A T2
T1
T3
B
T3:负载管
T1,T2 两个并连驱作动管
当 A,B中只要有一个高电平时,T1，
T2总有一个导通，输出 F为低电平。
只有 A,B全为低电平,T1,T2均截
止，输出 F 才是高电平。
输出和输入的逻辑关系是,BAF ??
A B T1 T2 F
0 0 止 止 1
0 1 止 导 0
1 0 导 止 0
1 1 导 导 0
同理：
CDABF ??
是与或非门
电路组成：
工作原理,F
T2T1
T3
A B
-VDD
F
T5
T1A T3 C
-VDD
T2B T4 D
PMOS集成电路采用 负电源, 一般用负逻辑分析。
PMOS倒相器, 与非门, 或非门电路结构形式与
NMOS完全相同, 不同之处 PMOS电源电压为－ VDD,驱动
管和负载管均是 增强型 PMOS管 。 开启电压为负－ 2V。
1,PMOS倒相器 PMOS采用负电源，用负逻辑分析：
输入信号高电平为 0 V
输入信号低电平为－ 5 V
用逻辑, 0”表
示用逻辑, 1”表示
当 A = 0 V 时,VGS1= 0 V
| VGS1 | < | V t h | T1截止,F=1
当 A = -5 V 时,VGS1= -5 V
| VGS1 | > | V t h | T1导通,F=0
所以,AF ?
区别
V05?
F
A
-VDD
T2
T1
A B PMOS管 F
电压 真值 电压 真值 T1 T2 电压 真值
-5 1 -5 1 导 导 0 0
-5 1 0 0 导 止 -5 1
0 0 -5 1 止 导 -5 1
0 0 0 0 止 止 -5 1
A B PMOS管 F
电压 真值 电压 真值 T1 T2 电压 真值
-5 0 -5 0 导 导 0 1
-5 0 0 1 导 止 -5 0
0 1 -5 0 止 导 -5 0
0 1 0 1 止 止 -5 0
有 0为 1,全 1为 0。是负逻辑与非门。 ABF ?用负逻辑分析：
BAF ??
用正逻辑分析：
有 1为 0,全 0为 1。
是正逻辑或非门
F
A T2
T1
T3
B
-VDD
用和与非门同样的分析方法，
得出是负逻辑的或非门，也是正
逻辑的与非门。
NMOS管用正电源。正逻辑分析。 0止 1导通。
PMOS管用负电源。负逻辑分析。 也是 0止 1导通。
PMOS管优点：成品率高，价格便宜，曾广泛使用。
PMOS管优点：导通功耗大，工作速度低，负载管导
通电阻要求大，不利于大规模集成，现在用的比较少。
F
T2T1
T3
A B
-VDD
NMOS,PMOS电路存
在三个问题：
★ 负载管一直导通，当驱动管
导通时，电源与地之间有静态电
流，所以功耗大。
★ 要保证输出低电平，要求
rd2?rd1不利于大规模集成。
★ 当驱动管截止时，由于负载
管导通电阻 rd2很大，对容性负
载充电时间很长，使电路工作速
度缓慢。
CMOS集成电路由 P 沟道和 N 沟道增强型 MOS 管串连
组成,CMOS电路能有效解决上述问题。
TP
TN
VDD
VI VO
? 电路结构：
PMOS作负载管，开启电压为负－ V t h 。
NMOS作输入管，开启电压为正 V t h 。
两个栅极 G并联作输入端。
G
两个漏极 D串连作输出端。
D
D两个衬底都和源极 S接在一起，
PMOS管源极接电源 VDD,NMOS管源
极接地。
? 正常工作条件：
电源电压大于两管开启电压绝对值之
和。 VDD > | V t h P |+ V t h N
S
S
? 工作原理
假设：
PMOS管 V t h P ＝－ 2.5V
NMOS管 V t h N = 2 V
VDD = 5 V
当 VI = 0 V 时：
NMOS管 VGSN = 0 < V t h N, TN管截止，其截止
电阻 R off = 109~1012Ω。
PMOS管 VGSP = 0 - V DD= － 5 V,|VGSP| > |V t h P|,
TP管导通，其导通电阻 R on = 103Ω
1????? DDo f f
o f fon
DD VR
RR
VF
V0
TP
TN
VDD
VI VO
offR
onR
DDV
当 VI= 5 V 时：
NMOS管 VGSN = 5V > V t h N TN管
导通，其导通电阻 R on = 103 Ω。
PMOS管 VGSP = 5V - V DD= 0 V
| VGSP | > | V t h P | TP管截止，其导通电
阻 R off = 109~1012Ω,F = 0。
以上分析：
输入是 0,输出是 1,实现倒相关系,AF ?
PMOS 管,启为负,0导 1截止。
NMOS 管,启为正,0止 1导通。
倒相器工作过程中，两管轮流导通，导通电阻小，截止
电阻大，所以静态电流只有 n A 级。 低功耗是 CMOS倒相器的
重要特点。
TP
TN
VDD
VI VO
电压传输特性,v o = f ( vi )
电流传输特性,i o = f ( v I )
从电压传输特性曲线可以看出：
CMOS阈值电平 V t h = ?
VDD,并以阈值电平为分界线。
VI < ? VDD 输出 VO =,1”
VI > ? VDD 输出 VO =,0”
VI = ? VDD TP,TN 都饱和导
通，这一瞬间有大电流通过，在其
它区域总有一个导通，另一个截止。
所以 i D 电流较小。 thV
OV
iVthNV DDV21 DDV
thPDD VV ?
DDV
1 2 3 4 5
0
Di
iVthNV DDV
thPDD VV ?
1 2 3 4 5
0 thV
⑴,静态功耗极低，仅几十纳瓦
CMOS倒相器工作在 1和 5工作
区, 总有一个 MOS管处于截止状态,
有极小漏电流流过 。 只有在急剧翻
转的第 3区才有较大的电流, 因此
动态功耗会增大 。
CMOS倒相器在低频工作时，功
耗极小，低功耗时 CMOS的最大优点。
⑵,抗干扰能力较强
由于阈值电平近似等于 ? VDD，
输入高、低电平的噪声容限随电源的
升高而提高。所以抗干扰能力增强。
Di
iVthNV DDV
thPDD VV ?
1 2 3 4 5
0 thV
OV
iVthNV DDV21 DDV
thPDD VV ?
DDV
1 2 3 4 5
0
⑶,电源利用率高
VOH = VDD,同时 V t h 随 VDD 变化而变化。允许 VDD的变
化范围为＋ 3V~＋ 18V。
⑷,输入阻抗高，带负载能力强
扇出系数 NO = 50,下一级是绝缘栅几乎不取电流，所以可
带 50个同类门电路。 CMOS门的输出端在静态时，一个导通，
另一个截止。动态时，两管均导通，所以输出端不可以并联。
4、输入特性和输出特性
⑴,输入特性
CMOS电路的栅极和衬底之间是绝缘栅，其直流电阻高
达 1012Ω,只要有少量电量便可感生出足可以击穿氧化层，造
成永久损坏。因此，在 CMOS输入端都加有保护电路。
Ii
iV
DDV0
V1?
D1,D2是保护二极管，正向压降 1V，反向
击穿电压 30V。
D1是 P型扩散区和 N型衬底间自然形成的分
布二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。
C1,C2是 TP,TN管栅极等效电容。
R是限流电阻，阻值 1~3KΩ。
加保护电路的输入特性,
☆ 当输入 0 < VI ≦ V DD,输入电流 i I = 0,
在正常工作范围内，保护二极管不起作用。
☆ 当输入 VI>VDD+VD时,保护二极管 D1导通，输入电
流 i I 迅速增加，同时将 TP,TN管栅极电压钳位于
VDD+VD。保证加在 C2上的电压，不超过其耐压极限。
☆ 当输入 VI<－ VD时：保护二极管 D1导通,|i I| 随 |VI|增加而增大。其变
化斜率由 R决定。
TP
TN
VDD
VI VO
C1
C2
D2
D1 D1
R
TP
TN
VDD
VI=0V
V0=VOH
RL
⑵,输出特性
低电平输出特性是 灌流负载 。
高电平输出特性是 拉流负载
不管是灌流负载还是拉流负载，
负载电流的增加，都会是输出电阻
Ron减小，带负载能力增加。
当输入 VI为高电平时，负载管截
止，输入管导通。因此负载电流灌入
输入端。
当输入 VI为低电平时，负载管导
通，输入管截止。因此负载电流是拉
电流。
TP
TN
VDD
VI=VDD V0=VOL
RL
⑶,电源特性
CMOS正常工作时有 静态功耗 和 动态功耗,静态功耗
主要是保护二极管功耗，电流很小，不超过 1μ A。动态功
耗,主要发生在两管同时导通时的瞬时功耗 PT和对负载电容
充、放电所消耗的功耗。
CMOS传输门是由 p沟道 和 n沟道 增
强型 MOS管并联互补组成。
电路组成：
两管漏级相连作 Vi / VO。（ 由于
D,S对称可以双向传输。）
两个栅极受一对控制信号控制。 CC,
工作原理,
DDVC
C
?
? 0
TN,TP均截止，输入和输出之间电阻 >109Ω。
传输门截止。输入信号不能通过。
0?
?
C
VC DD
TN,TP均导通，输入和输出之间电阻 <103Ω。
传输门导通。输入、输出信号接通。
TP衬底接 VDD,TN衬底接地。
V0/VI
TN
TP
VI/VO
VDDC
C
逻辑符号,C
用途,作模拟开关，传输连续变化的模拟信号。如音频，视频等信号。还可以作多路开关。
iO VV /Oi VV /
C
C
TG
iO VV /Oi VV /
C
C
⑴ 与非门
利用 CMOS倒相器构成与非门。
电路组成：
两 P并，作负载,0导 1截止。
两 N串，作驱动,0止 1导通。
工作原理：
当 A,B中只要有一个 0,TN总有一个截止,TP总有一个
导通，输出为高电平。
只要 A,B都为 1,TN都导通,TP都截止，输出为低电平。
因此该电路具有与非逻辑功能。 ABF ?
TP
TN
VDD
A
B
TP
TN
T1
T2
T3 T4 F
电路组成：
两 P串，作负载,0 导 1 截止。
两 N并，作驱动,0 止 1 导通。
工作原理：
当 A,B中只要有一个 1,TN总有
一个导通,TP总有一个截止，输
出为底电平。
只要 A,B全为 0,TN都截止,TP都导通，输出为高电平。
因此该电路具有或非逻辑功能。 BAF ??
TP
TN
VDD
A
B
TP
TN
T1 T2
T3
T4 F
用 CMOS倒相器构成的与非
门电路简单，但存在一些缺点。
1、输出电阻 RON 随输入信号变化而变化。
A B T1 T2 T3 T4 RO
0 0 止 止 导 导 RO=RON3//RON4=?RON
0 1 导 止 止 导 RO=RON4=RON
1 0 止 导 止 导 R0=RON3=RON
1 1 导 导 止 止 RO=RON1+RON2=2RON
输入信号不同，引起输出电阻不同。相差四倍之多。
TP
TN
VDD
A
B
TP
TN
T1
T2
T3 T4 F
当输入端数目增加时：串联
驱动管, 并联的负载管随输入变
量的增加而增加 。
串联驱动管越多，导通输出低
电平等于各驱动管压降之和。所以
输入端数目增加使输出低电平升高，
输入低电平噪声容限下降。
解决上述缺点的方法：
采用 带缓冲级的门电路 可以克服上述缺点，在或非门的输
入、输出端加具有标准参数的倒相器构成。
TP
TN
VDD
A
B
TP
TN
T1
T2
T3 T4 F
