3.3.1 MOS管的开关特性,,,,,,场效应管转移特性曲线,场效应管输出特性曲线,VDD,VGS(th),,3.3 CMOS门电路,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,一、CMOS反相器的电路结构及工作原理,CMOS反相器电路,其中T1为P沟道增强型MOS管，T2为N沟道增强型MOS管.,1.结构：,CMOS反相器电路,开启电压：VGS（th）P、VGS（th）N，且 VGS（th）P＝VGS（th）N ， 并设VDD|VGS（th)P|+VGS(th)N，,2.工作原理,当vI＝VIL＝0为低电平时，VGS1=-VDD ， T1管导通, VGS2=0 T2截止，输出电压为高电平，即,当vI＝VIH＝VDD为高电平时，T2导通， T1管截止，输出电压为低电平，即,,特点,1. 无论 vI 是高电平还是低电平，T1和T2管总是一个导通一个截止的工作状态，称为互补，这种电路结构CMOS电路；,2. 由于无论输入为低电平还是高电平， T1和T2总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过T1和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小二、电压传输特性和电流传输特性,CMOS反相器的电压传输特性,1. 电压传输特性,AB段：输入低电平,T1管导通，T2截止，输出电压为高电平，即,CD段：输入高电平,,T1管截止，T2导通，输出电压为低电平，即,BC段：,,T1、T2同时导通，若T1、T2参数完全相同，则,2.电流传输特性,CMOS反相器的电流传输特性,AB段：输入低电平,T1管导通，T2截止，输出漏极电流近似为零,反相器的漏极电流随输入电压变化曲线。
也分成三段：,CD段：输入高电平,T1管截止，T2导通，输出漏极电流近似为零,,BC段：,T1、T2同时导通，有电流iD同时通过，且在 vI＝VDD / 2附近处，漏极电流最大三、输入端噪声容限,图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性,输入端噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变（不超过规定范围）时，允许输入信号高、低电平的波动范围,1.定义：,其中：,CMOS反相器输入噪声容限示意图,VOH（min）－输出高电平最小值,VOL（max）－输出低电平最大值,VIH（min）－输入高电平最小值,VIL（max）－输入低电平最大值,2.计算方法,则输入噪声容限为：,输入噪声容限和电源电压VDD有关，当VDD增加时，电压传输特性右移，如图,VDD对电压传输特性的影响,结论：可以通过提高 VDD来提高噪声容限,,,3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性,输入特性是从CMOS反相器输入端看其输入电压与电流的关系由于MOS管的栅极和衬底之间存在SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对由MOS管所组成的CMOS电路，必须采取保护措施CMOS反相器的两种常用保护电路,其中D1和D2，正向导通压降为VDF＝0.5V～0.7V，反向击穿电压约为30V， D2为分布式二极管，可以通过较大的电流，RS的值一般在1.5~2.5KΩ之间。
C1和C2为T1和T2的栅极等效电容,当0≤vI ≤VDD，输入端保护电路不起作用 当vI VDD+VF时，D1导通，将栅极电位vG钳位在VDD+VF，而当vI -VF时， D2导通，将栅极电位vG钳位在－VF，这样使得C1、 C2不会超过允许值CMOS反相器的两种常用保护电路,其输入特性如图3.3.16所示,图3.3.16 CMOS反相器的输入特性,D1、D2截止,,,二、输出特性,反相器输出端：输出电压和输出电流的关系,1.低电平输出特性,在输入为高电平，T1截止， T2导通，电流从负载注入T2，输出电压VOL随电流增加而提高图3.3.17 输出为低电平时的电路,输出为低电平时的输出特性,2.高电平输出特性,输入低电平，T1导通， T2截止，电流从T1管流出到负载，输出电压VOH＝VDD－IOHRON1随电流增加而下降图3.3.18 输出为高电平时的电路,电流的实际方向与所设方向相反,图3.3.19 输出为高电平时的输出特性,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间tPHL和tPLH,动态特性要考虑传输延迟时间由于MOS管的寄生电容和负载电容的存在，使得输出电压的变化滞后输入电压的变化，将输出电压变化迟后输入电压变化的时间成为传输延迟时间。
tPHL－输出由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间,tPLH－输出由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间,tpd－平均传输延迟时间，tpd＝（ tPHL＋ tPLH）/ 2,CMOS电路tPHL＝ tPLH,CMOS反相器的输入输出波形,tPHL－输入电压前沿上升到幅值的50％与输出后沿下降到幅值的50％之间的差值,tPLH－输入电压后沿下降到幅值的50％与输出前沿上升到幅值的50％之间的差值,二、交流噪声容限,CMOS反相器的交流噪声容限,它反映CMOS反相器的动态抗干扰能力其中tw 是噪声电压持续时间交流噪声容限是在窄脉冲作用下，输入电压允许变化的范围，即,VNA=f（tw）,当输入脉冲信号的宽度接近于门电路传输延迟时间的情况下，则需要较大的输入脉冲幅度才能使电路的输出发生变化也就是说门电路对窄脉冲的噪声容限要高于直流噪声容限三、动态功耗,当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定状态过程中，将产生附加的功耗，称为动态功耗它包括对负载电容充放电的功耗PC和在短时间内 两个管子同时导通时的功耗PT其中：CL－负载电容 f－输入信号的频率 VDD－漏极电源电压,电容充放电的功耗为,两个管子同时导通时的功耗PT为,其中：CPD－功耗电容，厂家给出,,总的动态功耗为,CMOS反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即,其中：PS－静态功耗，由于稳定时无论输入是高电平还是低电平，总有一个管子是截止的，故静态功耗很小，故在计算总功耗时，一般只计算动态功耗。
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门,1.CMOS与非门,T1、 T3为两个并联的PMOS， T2、 T4为两个串联的NMOS,*A、B有一个为“0”时，T2、 T4至少有一个截止， T1、 T3至少有一个导通，故输出为高电平，Y＝1,CMOS与非门,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,故：,**A、B同时为“1”时，T2、 T4同时导通， T1、 T3同时截止， Y＝0,CMOS与非门,T1、 T3为两个串联的PMOS， T2、 T4为两个并联的NMOS,2. 或非门：,A、B有一个为“1”时，T2、 T4至少有一个导通， T1、 T3至少有一个截止，故输出为低电平，Y＝0,A、B同时为“0”时，T2、 T4同时截止， T1、 T3同时导通故输出为高电平，Y＝1,故：,CMOS或非门,3.带缓冲级的CMOS门电路,上面电路存在的问题：（以与非门为例）,①输出电阻RO受输入状态的影响；,②输出的高低电平受输入端数目的影响,输入端数目愈多，输出为低电平时串联的导通电阻越多，低电平VOL越高；输出为高电平时，并联电阻也多，输出高电平VOH也提高,③ 输入状态不同对电压传输特性有影响，使T2、T4达到开启电压时，输入电压vI不同,改进电路：均采用带缓冲级的结构,带缓冲级的与非门,输出为,带缓冲级的与非门,带缓冲级的CMOS门电路其输出电阻、输出高低电平均不受输入端状态的影响，电压传输特性更陡。
二、漏极开路输出的门电路（OD门）,为了满足输出电平的变换，输出大负载电流，以及实现“线与”功能，将CMOS门电路的输出级做成漏极开路的形式，称为漏极开路输出的门电路，简称OD（Open－Drain Output）门,其与非门和非门都是CMOS逻辑门，输出管为漏极开路的NMOS门,1.结构和符号,OD门的逻辑符号,2.工作原理,在使用OD门时，一定要将输出端通过电阻（叫做上拉电阻）接到电源上OD门,当A、B有一个为低电平，则TN 截止，输出vo＝VDD2，为高电平；当A、B同时为高电平，则TN 导通，输出vo＝0，为低电平故输出输入的逻辑关系为,由此可见，输出高电平可以改变，故可作电平转换,3.“线与”的实现,普通的CMOS逻辑门输出端不能并联使用，但OD门可以将输出端直接相接，即实现线与逻辑线与逻辑电路的接法,其工作原理为：,图3.3.27 线与逻辑电路的接法,当Y1、 Y2有一个为低电平时，则为低电平；只有Y1、 Y2同时为高电平，两个输出管同时截止，输出为高电平，Y和Y1、 Y2为与的关系,输出端逻辑式为,故OD门的线与实现了与或非的逻辑功能4.上拉电阻RL的计算,在使用OD门做线与时，一定外接上拉电阻RL。
但RL的大小会影响驱动门输出电平的大小 R L的 取值要合适设有n 个OD门的输出端并联使用，负载为CMOS与非门的输入端，,① OD门输出为高电平,当所有的OD门输出管截止输出为高电平时，其电流的方向如图3.3.28所示,若OD门输出管输出管截止时的漏电流为IOH，负载门高输入电平时的输入电流为IIH，n为并联OD门（驱动门）的个数，m为负载门输入高电平电流的个数，则有,OD门输出高电平最小值,② OD门输出为低电平,当只有一个OD门输出管导通时，其电流的实际流向如图3.3.29所示其中IIL是每个负载门低电平输入电流的绝对值；IOLmax是OD门最大允许的负载电流则,OD门输出低电平最大值,5.OD门的特点：,6.OD门的应用,①通过改变VDD2的值，来改变输出高电平VOH的大小；,②OD门的输出管设计尺寸较大，可以承受很大的电流和电压，故可以直接驱动小型继电器①实现与或非逻辑,②电平转换,由于OD门的高电平可以通过外加电源改变，故它可作为电平转换电路一般CMOS与非门的电平0 ~12V，而TTL门为0 ~ 3.6V若需要将逻辑电平为的逻辑电平，只要将负载电阻接到5V电源即可，其电路如图3.3.30所示,③实现数据采集,如图3.3.31所示,可实现母线（总线）的数据的接收和传送,可利用选通信号SA～ SC来实现对不同通道数据的采集，并输送到母线上。
接收时，利用选通信号SD～ SG来实现数据从不同通道输出例3.3.1外接电阻RL的阻值计算已知G1、G2为OD与非门74HC03，输出管截止时的漏电流为IOHmax＝5μA，输出管导通时允许的最大负载电流为IOLmax＝5.2mAG3、G4和G5均为74HC00系列与非门，它们的低电平输入电流和高电平输入电流为1μA要求OD门的高电平VOH≥4.4V，低电平VOL≤0.33V.,解：驱动管输出为高电平时,驱动管输出为低电平时,则可取RL＝10kΩ,三、 CMOS传输门,其中T1为NMOS管， T2为PMOS管，C和C为一对互补控制信号,1.电路结构及逻辑符号,2.工作原理,图3.3.34 传输门的工作电路,设RL RON， VIH＝ VDD， VIL＝0C的高低电平为VDD和0，则,（1）C＝0， C＝1,只要vI在0～ VDD之间变化， T1和T2同时截止，输入和输出为高阻态，传输门截止，输出vo＝0,（2）C＝1， C＝0,在vI 在0～ VDD时，若 0 vI VDD-VGS(th)N，T1管导通，T2管截止，如图3.3.35所示，输出为vo＝vI；若 |VGS(th)P| vI VDD，T1管截止，T2管导通，输出为vo＝vI,3.特点,a.由于T1和T2管的结构对称，即漏源可以互换，故CMOS传输门输入双向器件，其输出端和输入端也可以互换使用；,b. 利用CMOS传输门可以组成双向模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。
CMOS双向模拟开关电路是由CMOS传输门和反相器组成，如图3.3.36所示和CMOS传输门一样，它也是属于双向器件其工作原理为：当C＝1,开关闭合，vo＝ vI ；当C＝0 ,开关断开，输出高阻态图3.3.36 CMOS双向模拟开关的电路及符号。