2.4 MOS逻辑门
单极型 MOS(Metal Oxide Semiconductor)
集成电路分 PMOS,NMOS和 CMOS三种 。
NMOS电气性能较好,工艺较简单,适合制作高性能的存储器,微处理器等大规模集成电路 。
而由 NMOS和 PMOS构成的互补型 CMOS
电路以其性能好,功耗低等显著特点,得到愈来愈广泛的应用 。
主要介绍 NMOS和 CMOS门电路 。
NMOS管的开关特性
MOS管和晶体管一样可以当开关用 。
如图所示,RD为负载电阻,T为负载 。
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
T
S
D
NMOS管的开关特性
当用增强型 NMOS做工作管时,如输入电压 vI为高电平 （ 大于开启电压 VT） 则 NMOS管导通,开关闭合,输出电压 vO为低电平 。
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
S
D
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
T
S
D
NMOS管的开关特性
输入电压 vI为 低电平 时则 NMOS管截止,开关断开,输出电压 vO为高电平 。
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
S
D
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
T
S
D
PMOS管的开关特性
-V
D D
R
D
V
I
V
O
A
G
T
S
D
F
-V
D D
R
D
V
I
V
O
G
S
D
F
A = 0
A=1，开关断开,F=0
1
A=0，开关闭合,F=1
⒈ NMOS 门电路
⑴ NMOS 反相器
⑵ NMOS 与非门
⑶ NMOS 或非门
⑷ NMOS 与或非门
⑸ NMOS 异或门
⑹ NMOS 三态门
⑴ NMOS反相器
T1管为工作管 (驱动管,控制管 ),T2管为负载管,
故此电路称为有源负载反相器 。
T2管,VGD=VGS-
VDS=0<VT，故 T2管工作在饱和区,T2
管称饱和型负载管，
总是处于导通状态。
vI为高电平且 vI＞
VT1时,T1,T2管同时导通，输出电压 vO
为两个管子的导通电阻对 VDD的分压，即
vo=VDDRDS1/(RDS1+RD
S2)。 vI为高电平时，
vO为低电平。
当输入电压 vI为低电平时 (vI＜ VT1),T1
管截止，输出为高电平 (vO=VOH=VDD-VT2)。
V
D D
T
2
T
1
v
O
v
I
V
I L
V
I H
V
O H
V
O L
图
2 - 2 5
饱 和 型
N M O S
反 相 器
G
G
D
S
S
D
为了保证在 T1和 T2
同时导通时满足 RDS1
＜＜ RDS2，制造时使
T1,T2在结构上有不同的宽长比，即 W1/L1
＞＞ W2/L2。
⑴ NMOS反相器
饱和型负载反相器有两个缺点：
① 输出高电平低。
由于负载管 T2导通时导通时，栅源间至少要保持等于开启电压
VT2的电压，所以输出高电平较电源电压低一个开启电压值。为了保证有足够高的输出高电平，必须增大电源电压。
② 为了保证输出低电平足够低，要求 RDS2相应的增大，
造成工作管关闭时，
输出端杂散电容或负载电容 CO的充电时间较长，使输出电压上升沿拖长，
降低了工作速度。
对同一个 MOS负载管，若要提高电路的速度，就必须减小其导通电阻，让它工作在非饱和区，即工作在可变电阻区。这样，
可以提高电路的工作速度，降低电路的功率损耗。
V
D D
T
2
T
1
v
O
v
I
V
I L
V
I H
V
O H
V
O L
图
2 - 2 5
饱 和 型
N M O S
反 相 器
G
G
D
S
S
D
⑴ NMOS反相器
非饱和型有源负载反相器如图 2-26所示 。
该反相器负载管的栅极采用独立电源 VGG,当 VGG-VDD
＞ VT2时,负载管 T2
工作在非饱和区 。
输 出 电 平 可 接 近
VDD 值,电路的工作速度提高,功率损耗降低 。
缺点是增加了一个电源 。
V
D D
T
2
T
1
v
O
v
I
V
I L
V
I H
V
O H
V
O L
图
2 - 2 6
非 饱 和 型
N M O S
反 相 器
V
G G
⑵ NMOS与非门
具有两个输入端的 NMOS 与非门电路如图 2-27所示 。
V
D D
T
3
T
2
F
A
图
2 -27 N M O S 与 非 门
T
1
B
当输入 A,B都为高电平时,串联的两个工作管 T1、
T2都导通,电路的输出即为低电平；
A
B
V
D D
F
T
1
T
2
T
3
⑵ NMOS与非门
具有两个输入端的 NMOS 与非门电路如图 2-27所示 。
V
D D
T
3
T
2
F
A
图
2 -27 N M O S 与 非 门
T
1
B
A
B
V
DD
F
T
1
T
2
T
3
当输入 A,B中有一个为低电平时，
则串联的两个工作管 T1,T2中必有一个截止，则使电路输出为高电平。
电路的输出与输入之间为与非逻辑关系，即
ABF?
⑶ NMOS或非门
V
D D
T
3
T
1
F
A
图
2 - 2 8 N M O S
或 非 门
T
2
B
NMOS 或非门电路如图 2-28所示。
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
⑶ NMOS或非门
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
因为两个工作管 T1、
T2相并联，所以只要输入 A,B中有一个为高电平时，则相应的工作管必导通，使电路的输出为低电平；
工作原理
⑶ NMOS或非门
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
工作原理
BAF
只有输入 A,B中都为低电平时,则并联的两个工作管 T1、
T2都截止,则使电路输出为高电平 。
电路的输出与输入之间为或非逻辑关系,即
⑷ NMOS 与或非门
V
D D
T
5
T
1
F
A
T
3
C
T
2
B
T
4
D
NMOS 与或非门电路如图 2-29所示。
工作原理：
A=B=1 F=0
⑷ NMOS 与或非门
V
D D
T
5
T
1
F
A
T
3
C
T
2
B
T
4
D
NMOS 与或非门电路如图 2-29所示。
工作原理：
A=B=1
C=D=1 F=0
⑷ NMOS 与或非门
V
D D
T
5
T
1
F
A
T
3
C
T
2
B
T
4
D
CDABF
工作原理,?当两组输入 (A,B和 C、
D)中都有低电平时，
则每组串联的工作管中必有相应的工作管截止，
则 F=1。
电路的输出与输入之间为与或非逻辑关系，即
⑸ NMOS异或门
V
D D
T
3
T
1
F
A
图
2 - 3 0 N M O S
异 或 门
T
2
B
T
4
T
5
F
1
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
T
4
T
5
F
1
图 2-30是 NMOS异或门。
同或门 非门
⑸ NMOS异或门
V
D D
T
3
T
1
F
A
图
2 - 3 0 N M O S
异 或 门
T
2
B
T
4
T
5
F
1
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
T
4
T
5
F
1
图 2-30是 NMOS异或门。
BA
BABAF
当 A,B都为 高电平或都为 低电平 时,
T1,T2都截止,F1
为高电平,F为低电平；
当,中有一个为高电平而另一个为低电平时,T1和 T2
中必有一个管导通,
致使 F1为低电平,
F为高电平 。
电路的输出与输入之间为异或逻辑关系,即
⑹ NMOS三态门
图 2-31所示电路为 NMOS三态门。
V
D D
T
2
T
1
F
A
图
2 - 3 1 N M O S
三 态 门
E
≥ 1
≥ 1
G
2
G
1
数据输入端控制端输出端
当 E为高电平时,
两个或非门 G1、
G2输出均为低电平,致使 T1、
T2管都截止,
电路输出 F呈现高阻状态；
若 E为低电平时,两个或非门 G1,G2都起非门作用,若 A为低电平时,或非门
G1输出为高电平,
使 T1管导通,同时使 G2输出为低电平,
使 T2管截止,电路输 出 为 低 电 平,
F=A。
电路具有三态输出功能 。
⒉ CMOS门电路
CMOS,Complementary-Symmetry Metal-
Oxide Semiconductor
⑴ CMOS反相器
⑵ CMOS与非门
⑶ CMOS或非门
⑷ CMOS三态门
⑸ CMOS传输门
⑴ CMOS反相器
CMOS反相器是构成
CMOS集成电路的基本单元。
如图 2-32为 CMOS反相器电路，是由互补的增强型 NMOS管 T1和
PMOS管 T2串联组成的。
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
两管的栅极连在一起，
作为反相器的输入端，
两个管子的漏极连在一起作为反相器的输出端。
电源电压条件,CMOS
反相器要求电源电压大于两个管子开启电压的绝对值之和，即
VDD＞ |VT1|+|VT2|。
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
工作原理：
vI输入低电平时：
vI=VIL<VT1时,T1管截止。
但对于 PMOS负载管,
VG2较低，使 |VGS|>|VT2|，
因此 T2充分导通。
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
工作原理：
由于 T1的截止电阻远比
T2的导通电阻大得多，
所以电源电压差不多全部降落在工作管 T1的漏源之间，使反相器输出高电平 VOH≈VDD。
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
工作原理：
当 vI=VIH>VT1时,T1管导通。
但对于 PMOS负载管：
VG2较高，使 |VGS|<|VT2|，
因此 T2管截止。
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
工作原理：
由于 T2的截止时相当于一个大电阻,T1的导通电阻相当于一个较小的电阻,所以电源电压几乎全部降落在负载管 T2上,使反相器输出低电平且很低,VOL≈0V。
特点（ 1）
⒈ CMOS反相器的静态功耗非常小 。
原因：由于 CMOS反相器处于稳态时,
无论是输出高电平还是输出低电平,其工作管和负载管必有一个截止而另一个导通,因此电源向反相器提供的仅为纳安级的漏电流,所以 CMOS反相器的静态功耗非常小 。
特点（ 2）
⒉ CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小,电路的工作速度大为提高 。
原因：由于 CMOS反相器的工作管和负载管不同时导通,因此其输出电压不取决于两管的导通电阻之比 。 这样,通常可使 PMOS负载管和
NMOS工作管的导通电阻都较小 。 所以,
CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小,电路的工作速度大为提高 。
⑵ CMOS与非门
工作原理：
图 2-33所示电路为两个输入端的 CMOS与非门。
当输入 A,B都为高电平时，串联的
NMOS管 T1,T2管都导通，并联的 PMOS
管 T3,T4都截止，因此输出为低电平；
V
D D
T
4
( P )
T
2
( N )
F
B
A
图
2 - 3 3 C M O S
与 非 门
T
1
( N )
T
3
( P )
工作管负载管
⑵ CMOS与非门
工作原理：
图 2-33所示电路为两个输入端的 CMOS与非门。
V
D D
T
4
( P )
T
2
( N )
F
B
A
图
2 - 3 3 C M O S
与 非 门
T
1
( N )
T
3
( P )
ABF?
当输入 A,B中有一个为低电平时，两个串联的 NMOS管中必有一个截止，于是电路输出为高电平。
电路的输入和输出之间是与非逻辑关系。
⑶ CMOS或非门
图 2-34所示电路为两个输入端的 CMOS或非门。当输入 A,B至少有一个高电平时,并联的
NMOS管 T1和 T2中至少有一个导通,串联的
PMOS管 T3,T4至少有一个截止,因此输出为低电平；
V
D D
T
2
( N )
F
图
2 - 3 4 C M O S
或 非 门
T
1
( N )
T
4
( P )
B
A
T
3
( P )
⑶ CMOS或非门
图 2-34所示电路为两个输入端的 CMOS或非门。
BAF
V
D D
T
2
( N )
F
图
2 - 3 4 C M O S
或 非 门
T
1
( N )
T
4
( P )
B
A
T
3
( P )
当输入 A,B都为低电平时,并联 NMOS管 T1
和 T2 都截止,串联
PMOS管 T3和 T4都导通,
于是电路输出为高电平 。
电路的输入和输出之间是或非逻辑关系 。
⑷ CMOS三态门
图 2-35所示为三态输出门电路 。
当控制端 E为高电平时,NMOS 管 T1 和
PMOS管 T4均截止,
电路输出端 F呈现高阻态；
V
D D
T
2
( N )
F
T
1
( N )
T
4
( P )
E N
A
T
3
( P )
1
图
2
-
3 5 C M O S 三 态 门输出端控制端输入端
⑷ CMOS三态门
图 2-35所示为三态输出门电路 。
当控制端 E为低电平时,T1和 T4管同时导通,T2和 T3管构成的
CMOS 反相器正常工作 。
AF?
V
D D
T
2
( N )
F
T
1
( N )
T
4
( P )
E N
A
T
3
( P )
1
图
2
-
3 5 C M O S 三 态 门
⑸ CMOS传输门
CMOS传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，
其功能是一种传输信号可控开关电路。
CMOS传输门电路如图 2-36所示。它是利用结构上完全对称的 NMOS管和
PMOS管，按闭环互补形式连接而成的一种双向传输开关。
因为 MOS管的漏极和源极在结构上完全对称，可以互换，所以传输门的输入端和输出端也可以互换。
传输门的导通电阻很低，
约几百欧姆，
相当于开关接通，其截止电阻很高，可大于 109欧姆，相当于开关断开。
接近于理想开关。
工作条件,设
TN和 TP的
|VT|=3V，
vI=0V～ 10V。
C
C
( C=10V,=0V或
C=0V,=10V)。
图
2 - 3 6
传 输 门
V
D D
v
I
v
O
T
P
T
N
C
C
( a )
逻 辑 电 路
T G
v
I
v
O
C
C
( b )
逻 辑 符 号
⑸ CMOS传输门
工作原理：
C若 C=0V,=10V时,TN和
TP同时截止，故传输门截止，
则输入和输出之间呈现高阻态，相当于开关断开；
V
D D
v
I
v
O
T
P
T
N
C
C
( a )
逻 辑 电 路
⑸ CMOS传输门
工作原理：
V
D D
v
I
v
O
T
P
T
N
C
C
( a )
逻 辑 电 路
C若 C=10V,=0V且 vI在 0～
7V之间变化时,TN管导通；
而 vI在 3～ 10V之间变化时，
TP管导通；
故 vI在 3～ 7V之间变化时，
TN,TP管均导通。
输入和输出之间呈现低阻状态，相当于开关接通。
⑸ CMOS传输门
结论：
V
D D
v
I
v
O
T
P
T
N
C
C
( a )
逻 辑 电 路
由此可见,CMOS传输门的导通和截止取决于控制端所加的电平。
C
C
C=1,=0时，
传输门导通；
C=0,=1时，
传输门截止。
模拟开关
利用 CMOS传输门和非门可构成模拟开关，
如图 2-37所示。当 C=1时，模拟开关导通,vO=vI；
当 C=0时，模拟开关截止，输入和输出之间断开。
T G
v
I
v
O
C
C
图
2 -3 7
模 拟 开 关
1
例：
试分析图 2-38所示电路的逻辑功能。 T G F
A
图
2 - 3 8
例 图
2 0 0 k
Ω
V
D D
1
解,由模拟开关的功能知：当 A=1时,
开关接通 。 传输门导通时,其导通电阻小于 1kΩ,1kΩ
与 200kΩ电阻分压,
输出电平近似为 0V。
而 A=0时，开关断开，
呈高阻态。 109Ω以上的电阻与 200kΩ电阻分压，输出电平近似为 VDD。
故电路实现了非逻辑功能。
单极型 MOS(Metal Oxide Semiconductor)
集成电路分 PMOS,NMOS和 CMOS三种 。
NMOS电气性能较好,工艺较简单,适合制作高性能的存储器,微处理器等大规模集成电路 。
而由 NMOS和 PMOS构成的互补型 CMOS
电路以其性能好,功耗低等显著特点,得到愈来愈广泛的应用 。
主要介绍 NMOS和 CMOS门电路 。
NMOS管的开关特性
MOS管和晶体管一样可以当开关用 。
如图所示,RD为负载电阻,T为负载 。
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
T
S
D
NMOS管的开关特性
当用增强型 NMOS做工作管时,如输入电压 vI为高电平 （ 大于开启电压 VT） 则 NMOS管导通,开关闭合,输出电压 vO为低电平 。
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
S
D
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
T
S
D
NMOS管的开关特性
输入电压 vI为 低电平 时则 NMOS管截止,开关断开,输出电压 vO为高电平 。
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
S
D
V
D D
R
D
V
I
V
O
R
G
G
T
S
D
PMOS管的开关特性
-V
D D
R
D
V
I
V
O
A
G
T
S
D
F
-V
D D
R
D
V
I
V
O
G
S
D
F
A = 0
A=1，开关断开,F=0
1
A=0，开关闭合,F=1
⒈ NMOS 门电路
⑴ NMOS 反相器
⑵ NMOS 与非门
⑶ NMOS 或非门
⑷ NMOS 与或非门
⑸ NMOS 异或门
⑹ NMOS 三态门
⑴ NMOS反相器
T1管为工作管 (驱动管,控制管 ),T2管为负载管,
故此电路称为有源负载反相器 。
T2管,VGD=VGS-
VDS=0<VT，故 T2管工作在饱和区,T2
管称饱和型负载管，
总是处于导通状态。
vI为高电平且 vI＞
VT1时,T1,T2管同时导通，输出电压 vO
为两个管子的导通电阻对 VDD的分压，即
vo=VDDRDS1/(RDS1+RD
S2)。 vI为高电平时，
vO为低电平。
当输入电压 vI为低电平时 (vI＜ VT1),T1
管截止，输出为高电平 (vO=VOH=VDD-VT2)。
V
D D
T
2
T
1
v
O
v
I
V
I L
V
I H
V
O H
V
O L
图
2 - 2 5
饱 和 型
N M O S
反 相 器
G
G
D
S
S
D
为了保证在 T1和 T2
同时导通时满足 RDS1
＜＜ RDS2，制造时使
T1,T2在结构上有不同的宽长比，即 W1/L1
＞＞ W2/L2。
⑴ NMOS反相器
饱和型负载反相器有两个缺点：
① 输出高电平低。
由于负载管 T2导通时导通时，栅源间至少要保持等于开启电压
VT2的电压，所以输出高电平较电源电压低一个开启电压值。为了保证有足够高的输出高电平，必须增大电源电压。
② 为了保证输出低电平足够低，要求 RDS2相应的增大，
造成工作管关闭时，
输出端杂散电容或负载电容 CO的充电时间较长，使输出电压上升沿拖长，
降低了工作速度。
对同一个 MOS负载管，若要提高电路的速度，就必须减小其导通电阻，让它工作在非饱和区，即工作在可变电阻区。这样，
可以提高电路的工作速度，降低电路的功率损耗。
V
D D
T
2
T
1
v
O
v
I
V
I L
V
I H
V
O H
V
O L
图
2 - 2 5
饱 和 型
N M O S
反 相 器
G
G
D
S
S
D
⑴ NMOS反相器
非饱和型有源负载反相器如图 2-26所示 。
该反相器负载管的栅极采用独立电源 VGG,当 VGG-VDD
＞ VT2时,负载管 T2
工作在非饱和区 。
输 出 电 平 可 接 近
VDD 值,电路的工作速度提高,功率损耗降低 。
缺点是增加了一个电源 。
V
D D
T
2
T
1
v
O
v
I
V
I L
V
I H
V
O H
V
O L
图
2 - 2 6
非 饱 和 型
N M O S
反 相 器
V
G G
⑵ NMOS与非门
具有两个输入端的 NMOS 与非门电路如图 2-27所示 。
V
D D
T
3
T
2
F
A
图
2 -27 N M O S 与 非 门
T
1
B
当输入 A,B都为高电平时,串联的两个工作管 T1、
T2都导通,电路的输出即为低电平；
A
B
V
D D
F
T
1
T
2
T
3
⑵ NMOS与非门
具有两个输入端的 NMOS 与非门电路如图 2-27所示 。
V
D D
T
3
T
2
F
A
图
2 -27 N M O S 与 非 门
T
1
B
A
B
V
DD
F
T
1
T
2
T
3
当输入 A,B中有一个为低电平时，
则串联的两个工作管 T1,T2中必有一个截止，则使电路输出为高电平。
电路的输出与输入之间为与非逻辑关系，即
ABF?
⑶ NMOS或非门
V
D D
T
3
T
1
F
A
图
2 - 2 8 N M O S
或 非 门
T
2
B
NMOS 或非门电路如图 2-28所示。
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
⑶ NMOS或非门
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
因为两个工作管 T1、
T2相并联，所以只要输入 A,B中有一个为高电平时，则相应的工作管必导通，使电路的输出为低电平；
工作原理
⑶ NMOS或非门
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
工作原理
BAF
只有输入 A,B中都为低电平时,则并联的两个工作管 T1、
T2都截止,则使电路输出为高电平 。
电路的输出与输入之间为或非逻辑关系,即
⑷ NMOS 与或非门
V
D D
T
5
T
1
F
A
T
3
C
T
2
B
T
4
D
NMOS 与或非门电路如图 2-29所示。
工作原理：
A=B=1 F=0
⑷ NMOS 与或非门
V
D D
T
5
T
1
F
A
T
3
C
T
2
B
T
4
D
NMOS 与或非门电路如图 2-29所示。
工作原理：
A=B=1
C=D=1 F=0
⑷ NMOS 与或非门
V
D D
T
5
T
1
F
A
T
3
C
T
2
B
T
4
D
CDABF
工作原理,?当两组输入 (A,B和 C、
D)中都有低电平时，
则每组串联的工作管中必有相应的工作管截止，
则 F=1。
电路的输出与输入之间为与或非逻辑关系，即
⑸ NMOS异或门
V
D D
T
3
T
1
F
A
图
2 - 3 0 N M O S
异 或 门
T
2
B
T
4
T
5
F
1
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
T
4
T
5
F
1
图 2-30是 NMOS异或门。
同或门 非门
⑸ NMOS异或门
V
D D
T
3
T
1
F
A
图
2 - 3 0 N M O S
异 或 门
T
2
B
T
4
T
5
F
1
B
F
T
1
T
2
T
3
V
D D
A
T
4
T
5
F
1
图 2-30是 NMOS异或门。
BA
BABAF
当 A,B都为 高电平或都为 低电平 时,
T1,T2都截止,F1
为高电平,F为低电平；
当,中有一个为高电平而另一个为低电平时,T1和 T2
中必有一个管导通,
致使 F1为低电平,
F为高电平 。
电路的输出与输入之间为异或逻辑关系,即
⑹ NMOS三态门
图 2-31所示电路为 NMOS三态门。
V
D D
T
2
T
1
F
A
图
2 - 3 1 N M O S
三 态 门
E
≥ 1
≥ 1
G
2
G
1
数据输入端控制端输出端
当 E为高电平时,
两个或非门 G1、
G2输出均为低电平,致使 T1、
T2管都截止,
电路输出 F呈现高阻状态；
若 E为低电平时,两个或非门 G1,G2都起非门作用,若 A为低电平时,或非门
G1输出为高电平,
使 T1管导通,同时使 G2输出为低电平,
使 T2管截止,电路输 出 为 低 电 平,
F=A。
电路具有三态输出功能 。
⒉ CMOS门电路
CMOS,Complementary-Symmetry Metal-
Oxide Semiconductor
⑴ CMOS反相器
⑵ CMOS与非门
⑶ CMOS或非门
⑷ CMOS三态门
⑸ CMOS传输门
⑴ CMOS反相器
CMOS反相器是构成
CMOS集成电路的基本单元。
如图 2-32为 CMOS反相器电路，是由互补的增强型 NMOS管 T1和
PMOS管 T2串联组成的。
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
两管的栅极连在一起，
作为反相器的输入端，
两个管子的漏极连在一起作为反相器的输出端。
电源电压条件,CMOS
反相器要求电源电压大于两个管子开启电压的绝对值之和，即
VDD＞ |VT1|+|VT2|。
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
工作原理：
vI输入低电平时：
vI=VIL<VT1时,T1管截止。
但对于 PMOS负载管,
VG2较低，使 |VGS|>|VT2|，
因此 T2充分导通。
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
工作原理：
由于 T1的截止电阻远比
T2的导通电阻大得多，
所以电源电压差不多全部降落在工作管 T1的漏源之间，使反相器输出高电平 VOH≈VDD。
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
工作原理：
当 vI=VIH>VT1时,T1管导通。
但对于 PMOS负载管：
VG2较高，使 |VGS|<|VT2|，
因此 T2管截止。
⑴ CMOS反相器
V
D D
T
2
( P )
T
1
( N )
v
O
F
v
I
A
S
S
G
G
D
D
图
2 - 3 2 C M O S
反 相 器
工作原理：
由于 T2的截止时相当于一个大电阻,T1的导通电阻相当于一个较小的电阻,所以电源电压几乎全部降落在负载管 T2上,使反相器输出低电平且很低,VOL≈0V。
特点（ 1）
⒈ CMOS反相器的静态功耗非常小 。
原因：由于 CMOS反相器处于稳态时,
无论是输出高电平还是输出低电平,其工作管和负载管必有一个截止而另一个导通,因此电源向反相器提供的仅为纳安级的漏电流,所以 CMOS反相器的静态功耗非常小 。
特点（ 2）
⒉ CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小,电路的工作速度大为提高 。
原因：由于 CMOS反相器的工作管和负载管不同时导通,因此其输出电压不取决于两管的导通电阻之比 。 这样,通常可使 PMOS负载管和
NMOS工作管的导通电阻都较小 。 所以,
CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小,电路的工作速度大为提高 。
⑵ CMOS与非门
工作原理：
图 2-33所示电路为两个输入端的 CMOS与非门。
当输入 A,B都为高电平时，串联的
NMOS管 T1,T2管都导通，并联的 PMOS
管 T3,T4都截止，因此输出为低电平；
V
D D
T
4
( P )
T
2
( N )
F
B
A
图
2 - 3 3 C M O S
与 非 门
T
1
( N )
T
3
( P )
工作管负载管
⑵ CMOS与非门
工作原理：
图 2-33所示电路为两个输入端的 CMOS与非门。
V
D D
T
4
( P )
T
2
( N )
F
B
A
图
2 - 3 3 C M O S
与 非 门
T
1
( N )
T
3
( P )
ABF?
当输入 A,B中有一个为低电平时，两个串联的 NMOS管中必有一个截止，于是电路输出为高电平。
电路的输入和输出之间是与非逻辑关系。
⑶ CMOS或非门
图 2-34所示电路为两个输入端的 CMOS或非门。当输入 A,B至少有一个高电平时,并联的
NMOS管 T1和 T2中至少有一个导通,串联的
PMOS管 T3,T4至少有一个截止,因此输出为低电平；
V
D D
T
2
( N )
F
图
2 - 3 4 C M O S
或 非 门
T
1
( N )
T
4
( P )
B
A
T
3
( P )
⑶ CMOS或非门
图 2-34所示电路为两个输入端的 CMOS或非门。
BAF
V
D D
T
2
( N )
F
图
2 - 3 4 C M O S
或 非 门
T
1
( N )
T
4
( P )
B
A
T
3
( P )
当输入 A,B都为低电平时,并联 NMOS管 T1
和 T2 都截止,串联
PMOS管 T3和 T4都导通,
于是电路输出为高电平 。
电路的输入和输出之间是或非逻辑关系 。
⑷ CMOS三态门
图 2-35所示为三态输出门电路 。
当控制端 E为高电平时,NMOS 管 T1 和
PMOS管 T4均截止,
电路输出端 F呈现高阻态；
V
D D
T
2
( N )
F
T
1
( N )
T
4
( P )
E N
A
T
3
( P )
1
图
2
-
3 5 C M O S 三 态 门输出端控制端输入端
⑷ CMOS三态门
图 2-35所示为三态输出门电路 。
当控制端 E为低电平时,T1和 T4管同时导通,T2和 T3管构成的
CMOS 反相器正常工作 。
AF?
V
D D
T
2
( N )
F
T
1
( N )
T
4
( P )
E N
A
T
3
( P )
1
图
2
-
3 5 C M O S 三 态 门
⑸ CMOS传输门
CMOS传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，
其功能是一种传输信号可控开关电路。
CMOS传输门电路如图 2-36所示。它是利用结构上完全对称的 NMOS管和
PMOS管，按闭环互补形式连接而成的一种双向传输开关。
因为 MOS管的漏极和源极在结构上完全对称，可以互换，所以传输门的输入端和输出端也可以互换。
传输门的导通电阻很低，
约几百欧姆，
相当于开关接通，其截止电阻很高，可大于 109欧姆，相当于开关断开。
接近于理想开关。
工作条件,设
TN和 TP的
|VT|=3V，
vI=0V～ 10V。
C
C
( C=10V,=0V或
C=0V,=10V)。
图
2 - 3 6
传 输 门
V
D D
v
I
v
O
T
P
T
N
C
C
( a )
逻 辑 电 路
T G
v
I
v
O
C
C
( b )
逻 辑 符 号
⑸ CMOS传输门
工作原理：
C若 C=0V,=10V时,TN和
TP同时截止，故传输门截止，
则输入和输出之间呈现高阻态，相当于开关断开；
V
D D
v
I
v
O
T
P
T
N
C
C
( a )
逻 辑 电 路
⑸ CMOS传输门
工作原理：
V
D D
v
I
v
O
T
P
T
N
C
C
( a )
逻 辑 电 路
C若 C=10V,=0V且 vI在 0～
7V之间变化时,TN管导通；
而 vI在 3～ 10V之间变化时，
TP管导通；
故 vI在 3～ 7V之间变化时，
TN,TP管均导通。
输入和输出之间呈现低阻状态，相当于开关接通。
⑸ CMOS传输门
结论：
V
D D
v
I
v
O
T
P
T
N
C
C
( a )
逻 辑 电 路
由此可见,CMOS传输门的导通和截止取决于控制端所加的电平。
C
C
C=1,=0时，
传输门导通；
C=0,=1时，
传输门截止。
模拟开关
利用 CMOS传输门和非门可构成模拟开关，
如图 2-37所示。当 C=1时，模拟开关导通,vO=vI；
当 C=0时，模拟开关截止，输入和输出之间断开。
T G
v
I
v
O
C
C
图
2 -3 7
模 拟 开 关
1
例：
试分析图 2-38所示电路的逻辑功能。 T G F
A
图
2 - 3 8
例 图
2 0 0 k
Ω
V
D D
1
解,由模拟开关的功能知：当 A=1时,
开关接通 。 传输门导通时,其导通电阻小于 1kΩ,1kΩ
与 200kΩ电阻分压,
输出电平近似为 0V。
而 A=0时，开关断开，
呈高阻态。 109Ω以上的电阻与 200kΩ电阻分压，输出电平近似为 VDD。
故电路实现了非逻辑功能。
