8 CMOS反相器和传输门
CMOS管
CMOS门电路以MOS（Metal-Oxide Semiconductor）管作为开关元件的门电路称为MOS门电路。
由于MOS型集成门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小以及抗干扰能力强等优点，因此它在数字集成电路产品中占据相当大的比例。
与TTL 门电路相比，MOS门电路的速度较低。
MOS门电路有三种类型：使用P沟道管的PMOS电路、使用N沟道管的NMOS电路和同时使用PMOS和NMOS 管的CMOS电路。
其中CMOS性能更优，因此CMOS门电路是应用较为普遍的逻辑电路之一。
1. CMOS非门图3-16所示是一个N沟道增强型MOS管TN和一个P沟道增强型MOS管TP组成的CMOS非门。
图3-16 CMOS非门电路图3-17 CMOS与非门电路两管的栅极相连作为输入端，两管的漏极相连作为输出端。
TN的源极接地，TP的源极接电源。
为了保证电路正常工作，VDD需要大于TN管开启电压VTN和TP管开启电压VTP的绝对值的和，即UDD> UTN+ |UTP|。
当Ui=0V 时，TN截止，TP导通，Uo≈UDD为高电平；当Ui=UDD时，TN导通，TP截止，Uo≈0V为低电平。
因此实现了非逻辑功能。
CMOS非门除了有较好的动态特性外，由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。
CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。
另外由于它处在开关状态下总有一个管子处于截止状态，因而电流极小，电路的静态功耗很低，一般为微瓦（mW）数量级。
2. CMOS与非门图3-17所示为一个两输入端的CMOS与非门电路，它由两个串联的NMOS管和两个并联的PMOS管构成。
每个输入端连到一个PMOS管和一个NMOS管的栅极。
当输入A、B均为高电平时，TN1和TN2导通，TP1和TP2截止，输出端为低电平；当输入A、B中至少有一个为低电平时，对应的TN1和TN2中至少有一个截止，TP1和TP2中至少由一个导通，输出F为高电平。
数字电子技术基础第三版第二章答案
第二章逻辑门电路第一节重点与难点一、重点:1.TTL与非门外特性(1)电压传输特性及输入噪声容限:由电压传输特性曲线可以得出与非门得输出信号随输入信号得变化情况,同时还可以得出反映与非门抗干扰能力得参数U on、U off、U NH与U NL。
开门电平U ON就是保证输出电平为最高低电平时输入高电平得最小值。
关门电平U OFF就是保证输出电平为最小高电平时,所允许得输入低电平得最大值。
(2)输入特性:描述与非门对信号源得负载效应。
根据输入端电平得高低,与非门呈现出不同得负载效应,当输入端为低电平U IL时,与非门对信号源就是灌电流负载,输入低电平电流I IL 通常为1～1、4mA。
当输入端为高电平U IH时,与非门对信号源呈现拉电流负载,输入高电平电流I IH通常小于50μA。
(3)输入负载特性:实际应用中,往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻得情况,电阻得取值不同,将影响相应输入端得电平取值。
当R≤关门电阻R OFF时,相应得输入端相当于输入低电平;当R≥ 开门电阻R ON时,相应得输入端相当于输入高电平。
2.其它类型得TTL门电路(1)集电极开路与非门(OC门)多个TTL与非门输出端不能直接并联使用,实现线与功能。
而集电极开路与非门(OC门)输出端可以直接相连,实现线与得功能,它与普通得TTL与非门得差别在于用外接电阻代替复合管。
(2)三态门TSL三态门即保持推拉式输出级得优点,又能实现线与功能。
它得输出除了具有一般与非门得两种状态外,还具有高输出阻抗得第三个状态,称为高阻态,又称禁止态。
处于何种状态由使能端控制。
3.CMOS逻辑门电路CMOS反相器与CMOS传输门就是CMOS逻辑门电路得最基本单元电路,由此可以构成各种CMOS逻辑电路。
当CMOS反相器处于稳态时,无论输出高电平还就是低电平,两管中总有一管导通,一管截止,电源仅向反相器提供nA级电流,功耗非常小。
CMOS器件门限电平U TH近似等于1/2U DD,可获得最大限度得输入端噪声容限U NH与U NL=1/2U DD。
CMOS反相器(精)
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。
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（3） 应用举例
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。
（1）微功耗。
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）电源电压范围宽。
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。
（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD ）
常用集成门电路(CMOS系列）
名称
主要功能
四2输入或非门
CC4011 CC4030 CC4049 CC4066 CC4071 CC4073 CC4077 CC4078 CC4086 CC4097 CC4502
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四2输入与非门 四异或门 六反相器 四双向开关 四2输入或门 三3输入与门 四异或非门 8输入或 / 或非门 2-2-2-2输入与或非门 双8选1模拟开关 六反相器 / 缓冲器
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表2-7 各种系列门电路的主要参数
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型号 74LS00 74LS02 74LS04 74LS05 74LS08 74LS13 74LS30 74LS32 74LS64 74LS133 74LS136 74LS365
74LS368
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表2-8 常用集成门电路(TTL系列）
数字电路习题-第二章
第二章 逻辑门电路集成逻辑门电路是组成各种数字电路的基本单元。
通过本章的学习，要求读者了解集成逻辑门的基本结构，理解各种集成逻辑门电路的工作原理，掌握集成逻辑门的外部特性及主要参数，掌握不同逻辑门之间的接口电路，以便于正确使用逻辑门电路。
第一节 基本知识、重点与难点一、基本知识（一） TTL 与非门 1．结构特点TTL 与非门电路结构，由输入极、中间极和输出级三部分组成。
输入级采用多发射极晶体管，实现对输入信号的与的逻辑功能。
输出级采用推拉式输出结构（也称图腾柱结构），具有较强的负载能力。
2．TTL 与非门的电路特性及主要参数 （1）电压传输特性与非门电压传输特性是指TTL 与非门输出电压U O 与输入电压U I 之间的关系曲线，即U O=f （U I ）。
（2）输入特性当输入端为低电平U IL 时，与非门对信号源呈现灌电流负载，1ILbe1CC IL R U U U I −−−=称为输入低电平电流，通常I IL ＝-1～1.4mA 。
当输入端为高电平U IH 时，与非门对信号源呈现拉电流负载，通常I IH ≤50μA 称为输入高电平电流。
（3）输入负载特性实际应用中，往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻的情况。
若U i ≤U OFF ，则电阻的接入相当于该输入端输入低电平，此时的电阻称为关门电阻，记为R OFF 。
若U i ≥U ON ，则电阻的接入相当于该输入端输入高电平，此时的电阻称为开门电阻，记为R ON 。
通常R OFF ≤0.7K Ω，R ON ≥2K Ω。
（4）输出特性反映与非门带载能力的一个重要参数--扇出系数N O 是指在灌电流（输出低电平）状态下驱动同类门的个数IL OLmax O /I I N =其中OLmax I 为最大允许灌电流，I IL 是一个负载门灌入本级的电流（≈1.4mA ）。
N O 越大，说明门的负载能力越强。
（5）传输延迟时间传输延迟时间表明与非门开关速度的重要参数。
数字电子技术基础第三版第二章答案
第二章逻辑门电路第一节重点与难点一、重点：1．TTL与非门外特性（1）电压传输特性及输入噪声容限：由电压传输特性曲线可以得出与非门的输出信号随输入信号的变化情况，同时还可以得出反映与非门抗干扰能力的参数U on、U off、U NH和U NL。
开门电平U ON是保证输出电平为最高低电平时输入高电平的最小值。
关门电平U OFF 是保证输出电平为最小高电平时，所允许的输入低电平的最大值。
（2）输入特性：描述与非门对信号源的负载效应。
根据输入端电平的高低，与非门呈现出不同的负载效应，当输入端为低电平U IL时，与非门对信号源是灌电流负载，输入低电平电流I IL通常为1～1.4mA。
当输入端为高电平U IH时，与非门对信号源呈现拉电流负载，输入高电平电流I IH通常小于50μA。
（3）输入负载特性：实际应用中，往往遇到在与非门输入端与地或信号源之间接入电阻的情况，电阻的取值不同，将影响相应输入端的电平取值。
当R≤关门电阻R OFF时，相应的输入端相当于输入低电平；当R≥ 开门电阻R ON时，相应的输入端相当于输入高电平。
2．其它类型的TTL门电路（1）集电极开路与非门（OC门）多个TTL与非门输出端不能直接并联使用，实现线与功能。
而集电极开路与非门（OC 门）输出端可以直接相连，实现线与的功能，它与普通的TTL与非门的差别在于用外接电阻代替复合管。
（2）三态门TSL三态门即保持推拉式输出级的优点，又能实现线与功能。
它的输出除了具有一般与非门的两种状态外，还具有高输出阻抗的第三个状态，称为高阻态，又称禁止态。
处于何种状态由使能端控制。
3．CMOS逻辑门电路CMOS反相器和CMOS传输门是CMOS逻辑门电路的最基本单元电路，由此可以构成各种CMOS逻辑电路。
当CMOS反相器处于稳态时，无论输出高电平还是低电平，两管中总有一管导通，一管截止，电源仅向反相器提供nA级电流，功耗非常小。
CMOS器件门限电平U TH近似等于1/2U DD，可获得最大限度的输入端噪声容限U NH和U NL=1/2U DD。
CMOS门电路
3、CMOS反相器的主要特性 （1）电压传输特性和电流传输特性
CD：输入电压vI>VDD−│VTP│，vGSN=vI>VTN，│vGSP│=│vI−VDD│<│VTP│， TN导通而TP截止，输出vO≈0为低电平，iD≈0。
以上分析可以看出，CMOS反相器的特点：
⑴、静态功耗极低 静态时，CMOS反相器总有一个MOS管处于截止状态，仅有 极小漏电流流过。
当 VI= 5 V 时： NMOS管VGSN = 5V > V TN TN管导通。 PMOS管VGSP = 5V-V DD= 0 V < | V TP |，TP管截止。
综上分析：实现反相关系，F A
3、CMOS反相器的主要特性
（1）电压传输特性和电流传输特性
AB：输入电压vI<VTN，vGSN=vI<VTN，│vGSP│=│vI−VDD│>│VTP│，TP 导通而TN截止，输出vO≈VDD为高电平，iD≈0。
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D2导通，|i I| 随|VI|增加而增大。
(3)、输出特性
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。
低电平输出特性是灌电流负载。
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。
高电平输出特性是拉电流负载。
4、其它CMOS逻辑门 （1）CMOS传输门
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： 两管漏源相连作 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。C , C
8 CMOS反相器和传输门
8.1 CMOS 反相器8.1.1 CMOS 反相器的直流特性1. 结构和基本特性电路图: 符号:V DDV oV i8.1.2 CMOS 反相器的瞬态特性由于输出节点存在着容性负载，在输出电平变化的过程中，需对负载电容进行充放电，对负载电容的充放电决定了电路的瞬态特性。
V i ( t )V DDV OC L)(t V O +-M2M1负载电容C L 由下一级的输入电容、本级的输出电容及连线的分布电容组成。
8.1.3 CMOS反相器的功耗CMOS反相器的功耗P有两部分构成：；（1）静态功耗，即反向漏电流造成的功耗PD（2）动态功耗P，又由两部分组成：S。
①开关的瞬态电流造成的功耗PA。
②负载电容的充电和放电造成的功耗PT1. 静态功耗P D对CMOS反相器而言，无论输入为逻辑“0”还是逻辑“1”，两个MOS管始终只有一个管子导通，没有直流通路，也没有电流流入栅极，所以静态电流为0，静态功耗为0.8.1.4 CMOS 反相器的设计为了使CMOS 反相器获得最佳性能，常采用对称设计，使反相器中的NMOS 和PMOS 完全对称，即此时：①有对称的直流电压传输特性曲线；②有最大的直流噪声容限，即NM L =NM H =1/2V DD ；③上升时间=下降时间。
在实际的工艺中NMOS 和PMOS 的阈值电压数值不完全相等。
可以通过调节K N 和K P 中的设计参数，以获得最佳的电路性能。
PN TP TN K K V V =−=,NP p n W W 2,2,==需使由于μμ8.2 CMOS 传输门MOS 管的源、漏区是完全对称的结构，这种结构给MOS 管的应用带来灵活性。
MOS 管作为双向导通器件可以在电路中作为一个控制信号传送的可控开关，也叫传输管（Pass Transistor ）或传输门（Transmission Gate ）。
8.2.1 NMOS 传输门特性电路接法如图所示。
当V C 为低电平时，NMOS 截止，输入、输出隔开；当V C 为高电平时，NMOS 导通，将输入信号传到输出端。
cmos环形振荡器原理
cmos环形振荡器原理
CMOS环形振荡器是一种使用CMOS逻辑门构建的振荡器电路，主要由几个CMOS反相器和几个传输门组成。
其原理如下：
1. CMOS反相器：CMOS反相器由一个nMOS和一个pMOS
组成。
输入信号通过nMOS和pMOS的串联连接，形成反相
输出。
当输入信号为低电平时，nMOS导通，pMOS截止，输
出为高电平；当输入信号为高电平时，nMOS截止，pMOS导通，输出为低电平。
2. 传输门：传输门由一个nMOS和一个pMOS组成。
输入信
号通过nMOS和pMOS的并联连接，形成非反相输出。
当输
入信号为低电平时，nMOS截止，pMOS导通，输出为低电平；当输入信号为高电平时，nMOS导通，pMOS截止，输出为高
电平。
在CMOS环形振荡器中，一个CMOS反相器和一个传输门形
成一个阶段。
多个阶段连续连接构成一个环形结构。
当输入信号经过环形结构时，由于每个阶段的延迟和反相特性，信号会在环形结构内部不断反复传输和放大，形成自我激励的振荡信号。
CMOS环形振荡器的频率由环形结构内的延迟和反馈等因素
决定。
通过调整传输门和反相器中的电路参数和布局，可以改变振荡器的频率响应和稳定性。
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8.1 CMOS 反相器
8.1.1 CMOS 反相器的直流特性
1. 结构和基本特性
电路图: 符号:
V DD
V o
V i
8.1.2 CMOS 反相器的瞬态特性
由于输出节点存在着容性负载，在输出电平变化的过程中，需对负载电容进行充放电，对负载电容的充放电决定了电路的瞬态特性。
V i ( t )
V DD
V O
C L
)
(t V O +
-
M2
M1
负载电容C L 由下一级的输入电容、本级的输出电容及连线的分布电容组成。
8.1.3 CMOS反相器的功耗
CMOS反相器的功耗P有两部分构成：
；
（1）静态功耗，即反向漏电流造成的功耗P
D
（2）动态功耗P
，又由两部分组成：
S。
①开关的瞬态电流造成的功耗P
A。
②负载电容的充电和放电造成的功耗P
T
1. 静态功耗P D
对CMOS反相器而言，无论输入为逻辑“0”还是逻辑“1”，两个MOS管始终只有一个管子导通，没有直流通路，也没有电流流入栅极，所以静态电流为0，静态功耗为0.
8.1.4 CMOS 反相器的设计
为了使CMOS 反相器获得最佳性能，常采用对称设计，使反相器中的NMOS 和PMOS 完全对称，即
此时：①有对称的直流电压传输特性曲线；
②有最大的直流噪声容限，即NM L =NM H =1/2V DD ；③上升时间=下降时间。
在实际的工艺中NMOS 和PMOS 的阈值电压数值不完全相等。
可以通过调节K N 和K P 中的设计参数，以获得最佳的电路性能。
P
N TP TN K K V V =−=,N
P p n W W 2,2,==需使由于μμ
8.2 CMOS 传输门
MOS 管的源、漏区是完全对称的结构，这种结构给MOS 管的应用带来灵活性。
MOS 管作为双向导通器件可以在电路中作为一个控制信号传送的可控开关，也叫传输管（Pass Transistor ）或传输门（Transmission Gate ）。
8.2.1 NMOS 传输门特性
电路接法如图所示。
当V C 为低电平时，NMOS 截止，输入、输出隔开；
当V C 为高电平时，NMOS 导通，将输入信号传到输出端。
V C V i
V o
C L
V DD
G
D
S。