2.4 CMOS门电路 MOS管是金属一氧化物一半导体场效应管(Metal—Oxide—Semiconductor Field— Effect—Transistor)的简称，属单极型晶体管以MOS场效应管作为开关元件的门电路叫做MOS门电路MOS门电路有3种：使用P沟道管的PMOS电路；使用N沟道管的NMOS电路以及由PMOS管和NMOS管共同组成的互补CMOS单元电路构成的CMOS电路2.4.1四种类型的MOS场效应管1．增强型MOS管增强型NMOS管结构是在P型半导体衬底(B)上，扩散两个高掺杂浓度的N型区，形成MOS管的源极(S)和漏极(D)；在漏源极间硅片的表面再生成二氧化硅绝缘层在绝缘层上覆盖一层金属铝或多晶硅，引出第三个电极作为栅极(G)栅极与其他电极是绝缘的增强型MOS管的特点就是在栅极一源极间电压＝0时，没有原始导电沟道，漏极电流ID＝0 (1)N沟道增强型MOS管采用P型衬底，导电沟道是N型，只有uGS大于开启电压UT(UT＞0)时，才建立导电沟道工作时漏极使用正电源，同时应将衬底与源极相连或者接到系统的最低电位上图2-4-2(a)中示出了增强型NMOS管的电路符号。
(2)P沟道增强型MOS管 图2—4—2(b)所示是增强型PMOS管的电路符号它采用N型衬底，导电沟道为P型只有在栅极上加以足够大的负电压，使％Gs小于开启电压(Dr＜0)时，才能建立P型的导电沟道这种MOS管工作时漏极使用负电源，同时应将衬底与源极相连或者接到系统的最高电位上 2．耗尽型MOS管耗尽型MOS管的结构形式与增强型MOS管相同，不同之处是在二氧化硅绝缘层中掺入了大量的带电离子(结构图略)，比如在耗尽型NMOS的二氧化硅绝缘层中掺人了大量的正离子图2—4—3示出了它们的电路符号，从图中可见，漏极D—源极S间是连通的，表示uGS＝0时就有原始导电沟道存在，在正常工作情况下，漏极电流iD ¹ 0 (1) N沟道耗尽型MOS管 采用P型衬底，导电沟道为N型，图2-4-3(a)示出了它的电路符号在以uGS＞0时，导电沟道随之变宽，漏极电流iD增大；uGS为负时导电沟道变窄，iD减小，直到uG小于夹断电压UP (UP＜0，导电沟道才消失，MOS管截止，iD＝0在正常工作时，对衬底的处理与增强型NMOS管相同 (2) P沟道耗尽型MOS管 图2-4-3(b)是P沟道耗尽型MOS管的电路符号。
当uGS为负时导电沟道进一步加宽， iD 的绝对值增加；而uGS为正时导电沟道变窄，iD 减小当uGS电压大于夹断电压UP(UP＞0) 时，导电沟道消失，管子截止在正常工作时，对衬底的处理与增强型PMOS管相同 2.4.2 MOS管的开关特性 2.4.3 CMOS反相器CMOS逻辑门电路是目前应用较为普遍的逻辑电路，它同NMOS一样，适宜制作大规模集成电路(如存储器和微处理器等)，下面先讨论CMOS反相器，然后再介绍其他CMOS逻辑门电路 CMOS反相器如图2-4-5所示，它由一对增强型NMOS和PMOS管组成，其中VTl为驱动管，而VT2为负载管由图可见，NMOS管VTl和PMOS管VT2的漏极相连作为反相器的输出，而它们的栅极连在一起作为逻辑输入端，VT1的源极接地，VT2的源极接十UDD为了使电路能正常工作，要求UDD大于NMOS管和PMOS管的开启电压之和，即UDD＞UTN十UTP 1．CMOS反相器的工作原理 如果VTl和VT2的开启电压分别为UTN 和UTP，当输入为低电平UiL＝0V时，VTl管的UGS＜UTN，VTl截止，但由于VT2管的UGS＞|UTP |，所以VT2导通，输出高电平UoH接近于十5V 。
反之当输入为高电平UiH＝+5V时，VTl管的UGS＞UTN，VTl导通截止，但由于VT2管的UGS<|UTP |，所以VT2截止，输出低电平UoL接近于0V 2．CMOS反相器的电压传输特性CMOS反相器的电压传输特性如图2-4-6 所示3．CMOS反相器的输入端的保护由于MOS管栅极容易击穿，必须采取保护措施通常在输入端设置保护电路如图 2-4-8 所示4．CMOS反相器的输出特性和负载能力CMOS反相器的输出特性CMOS反相器有输入阻抗高的特点当带同类门负载时，有更大的扇出系数一般可带 50个同类的门电路但是若带TTL门电路或电阻负载的能力很小，这是需要使用CMOS驱动器5．CMOS反相器的功率损耗6．CMOS反相器的传输延迟特性2.4.4 其他类型的CMOS门电路 以CMOS单元电路作为开关元件的数字电路称为CMOS数字逻辑电路在CMOS门电 路的产品中，除反相器外常用的还有与非门、或非门、或门、与门、与或非门、异或门等 1．CMOS与非门图2-4-11示出了CMOS与非门电路的基本结构，由两个串联的增强型NMOS管VTl、 VT3和两个并联的增强型PMOS管VT2、VT4组成。
当输入A、B均为高电平时，VTl和VT3 导通，VT2和VT4截止，输出Y为低电平；当输入A、B中只要有一个为低电平，两个串接的 VT1, VT3管中必然有一个截止，而两个并联的VT2、VT4必然有一个导通，于是输出Y为高电平电路实现与非的功能： 2．CMOS或非门图2-4-12所示为或非门电路，是由两个并联的增强型NMOS管VTl、VT3和两个串联增 强型PMOS管VT2、VT4组成 在这个电路中，只要输入A、B当中有一个是高电平，输出Y就是低电乎；只有当A、B同时为低电平时，才能使VTl和VT3同时截止，VT2和VT4同时导通，输出为高电乎因此，Y 和A、B间是或非的关系： 可以利用反相器、与非门、或非门构成与门、或门、与或非门、异或门等等，这里就不再一一 列举了 3．带缓冲级的CMOS门电路 上述CMOS门电路存在以下缺点：一是当输入状态不同时，其输出电阻值是不相同的；二是输出的高、低电平会受输入端数目影响以上的情况必然会影响电路的电压传输特性，改进的办法是在基本CMOS门的输入和输出端各加一级CMOS反相器(称为缓冲级)，使基本门 电路不直接与外电路发生联系。
目前生产的74HC系列(国产CC4000系列)CMOS电路中均 采用带缓冲级的结构需要注意的是在输入、输出端引入缓冲级后，电路的逻辑功能也发生了变化如图2-4-13 所示的与非门电路是在图2-4-12或非门电路的基础上增加了缓冲级后得到的因此，若要实现或非门功能，应在图2-4-11与非门的基础上增加缓冲级来得到 另外，前面介绍的CMOS反相器的特性对CMOS其他门电路也适用 4．漏极开路的CMOS门电路(简称OD门) 与TTL电路中的OC门一样，CMOS门的输出电路结构也可以做成漏极开路的形式可以 以用于实现“线与”的功能，但常用做输出缓冲／驱动器，或用做输出电平的转换器以满足吸收大负载电流的需要图2-4-14所示就是CC40107二输入与非缓冲／驱动器电路，其输出电路是一个漏极开路的增强型NMOS管 OD门外接负载电阻RL的计算方法与OC门对负载电阻的计算方法类似，这里就不再赘述 5．CMOS传输门和双向模拟开关 CMOS传输门也如同反相器一样，是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路图2-4-15所示电路为CMOS传输门，这是一种可控的双向传输信号的开关电路，由增强型NMOS管 VTl和增强型PMOS管VT2并联构成的。
将VTl和VT2的源极和漏极分别相连作为传输门的输人端和输出端因为VTl和VT2在结构上完全对称，将栅极引出端画在栅极的中间，加入一对互补的控制信号C、 设将CMOS传输门左端作为输入端，右端作为输出端，输出端外接负载电阻应远大于 VTl、VT2管的导通电阻，分析它的工作原理 当控制端C＝l(UDD)，＝0(0V)时，若输入信号在0＜ui＜UDD - UTN范围内，UGSl＞UTN， VTl导通呈低阻，|UGS2| ＜UTP 6，VT2截止；若输入信号在UTN ＜ui＜UDD范围内， VTl截止，VT2导通呈低阻因此，输入信号在0一UDD范围内连续变化时，若一管导通减弱，另一管导通则增强，互为补充，使信号在0一UDD整个范围内都能通过传输门，即相当于开关接通，uo＝ui 当C＝0，＝l，输入信号在0一UDD之间时，VTl和VT2管总是截止，具有很高的电阻，信号不能通过，相当于开关断开 由于MOS管的结构是对称的，即漏极和源极可以互换使用因此CMOS传输门具有双 向性，其输入端和输出端也可以互换使用，故又称为可控的双向开关 利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合构成各种复杂的逻辑电路，如后面将介绍的数据选择器、寄存器、计数器等等。
传输门的另一个重要的用途是作模拟开关，用来传输变化的模拟电压信号CMOS传输门和CMOS反相器的结合就可组成模拟开关的基本电路，电路形式及符号如图2-4-16所示 考虑到CMOS双向模拟开关在外接负载RL情况下，如图2-4-17(a)所示当C＝0 (低电平)开关截止，输出与输入之间的联系被切断，uo＝0当C＝1(高电平)时，开关接通，因此，双向模拟开关只要一个控制端即可工作 6．CMOS三态门电路 CMOS三态门的电路结构大体上有三种形式 (1)串联型三态门电路电路结构及逻辑符号如图2-4-18所示，它是在CMOS反相器上串接一对增强型N沟道和P 沟道的MOS管，并在这两个管子的栅极施加互补的控制信号而构成 6．CMOS三态门电路 CMOS三态门的电路结构大体上有三种形式 (1)串联型三态门电路 电路结构及逻辑符号如图2-4-18所示，它是在CMOS上串接一对增强型N沟道和P沟道MOS管，并在这两个管子的栅极施加互补的控信号（ ）而构成当=1为高电平时，VT1’和VT2’均截止，电路输出呈高阻状态；当＝0为低电平时，VTl’和VT2’均导通，反相器正常工作，电路实现逻辑非的功能。
(2) 门控制型三态门这种电路结构是在反相器的基础上串接一个增强型MOS管并增加一个门电路而形成的，图2-4-19(a)所示为或非门控制的三态门电路结构， 图(b)所示为与非门控制的三态门电路结构 在图(a)中，若＝0，则串接的VT2’管导通；或非门打开，输出为A；门电路输出反之，＝1，则VT2’截止；或非门关闭输出为0(低电平)，VTl也是截止状态，故门电路输出为高阻状态 在数字逻辑电路中，其他逻辑功能的门电路也可以采用三态输出的形式，由于篇幅所限， 这里不再一一例举CMOS三态门的功能和应用与TTL三态门没有什么区别，只是电路结构要简单得多 自CMOS电路问世以来，便以其功耗低、抗干扰能力强等突出的优点引起了用户和生 产厂商的重视然而，早期生产的CMOS器件应用范围却受到了一定的限制主要的原因 是在MOS管中存在着一些寄生电容，降低了MOS管的开关速度为了减小这些电容的影 响，目前，CMOS电路在工艺上得到了很大的改进，使各类门电路在工作速度上能与TTL 门电路相媲美 主要的改进形式有两种一种是高速的CMOS电路，采用工艺改进模式，减小沟道的长 度，缩小整个MOS管的尺寸，从而降低了寄生电容的数值，其平均传输延迟时间小于。