CMOS集成逻辑门电路
cmos集成电路特点
cmos集成电路特点CMOS集成电路（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Integrated Circuit）是一种常见的集成电路技术，具有许多独特的特点。
在本文中，我们将详细介绍CMOS集成电路的特点，并从不同的角度对其进行扩展描述。
1. 低功耗：CMOS集成电路的一个显著特点是低功耗。
由于CMOS逻辑门内部只有在输入信号变化时才会消耗能量，因此在静态状态下，功耗几乎可以忽略不计。
这使得CMOS集成电路在电池供电和便携设备中得到广泛应用。
2. 抗干扰能力强：CMOS集成电路采用的是一种差动式的工作方式，输入信号的变化通过差分放大器进行放大，从而提高了抗干扰能力。
这使得CMOS集成电路在高噪声环境中具有良好的信号处理能力。
3. 高集成度：CMOS集成电路的制造工艺相对简单，可以实现高度集成。
由于CMOS工艺可以在同一芯片上制造多种功能的电路，因此可以在一个芯片上集成处理器、存储器、输入输出接口等多种功能，大大提高了集成度。
4. 工作电压范围广：CMOS集成电路可以在较低的电压下工作，通常工作电压在1V到5V之间。
这使得CMOS集成电路在低电压供电系统中具有广泛的应用前景。
5. 低噪声：CMOS集成电路由于采用差动放大器的工作方式，其输出信号与输入信号之间的幅度比较大，因此可以减小噪声对输出信号的影响。
这使得CMOS集成电路在信号处理领域中得到广泛应用。
6. 高可靠性：CMOS集成电路由于采用的是金属-氧化物-半导体结构，具有较高的可靠性。
金属层可以提供良好的接触和导电性能，氧化物层可以有效隔离金属层和半导体层，从而提高了电路的可靠性。
7. 高频特性好：CMOS集成电路具有较好的高频特性，可以实现高速的信号处理和传输。
由于CMOS集成电路的输入和输出特性都是电压驱动的，因此可以实现较高的工作频率。
8. 体积小：CMOS集成电路由于采用了微型制造工艺，可以实现高度集成，并且具有较小的体积。
CMOS逻辑电路设计
CMOS逻辑电路设计CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）逻辑电路是现代集成电路中广泛应用的一种电路结构。
它由N沟道MOS（NMOS）和P沟道MOS（PMOS）互补组成，具有低功耗、高噪声抑制和高速运算等优势。
在本文中，我们将探讨CMOS逻辑电路的设计原理和方法。
一、CMOS逻辑门的基本结构CMOS逻辑门是由一对互补的MOS管组成的。
其中，NMOS管是由N沟道与P+掺杂的互补金属氧化物半导体（CMOS）结构形成，而PMOS管是由P沟道与N+掺杂的CMOS结构形成。
CMOS逻辑电路通过控制这些NMOS管和PMOS管的某些管子通断来实现逻辑运算。
二、CMOS逻辑门的基本原理CMOS逻辑门的基本原理是利用MOS管在开关状态时流过的电流来实现信号的逻辑运算。
当NMOS管的门极接收到高电平信号（逻辑1）时，通常情况下，NMOS管导通，PMOS管截止。
相反，当NMOS 管的门极接收到低电平信号（逻辑0）时，NMOS管截止，PMOS管导通。
通过这种控制逻辑，CMOS逻辑门可以实现与门、或门、非门等基本逻辑运算。
三、CMOS逻辑电路的设计方法在进行CMOS逻辑电路设计时，需要遵循以下步骤：1. 确定逻辑功能：根据所需的逻辑运算，确定需要设计的CMOS逻辑门类型。
2. 绘制逻辑图：根据所需的逻辑功能，用逻辑符号绘制电路的逻辑图。
3. 分析逻辑功能：根据逻辑图，分析逻辑门输入和输出之间的关系，确定每个逻辑门的输入和输出真值表。
4. 选择器件尺寸：根据所需的逻辑门延迟、功耗和面积等要求，选择合适的管子尺寸。
5. 进行布线：根据所选用的管子尺寸，进行电路的布线设计。
6. 进行模拟仿真：使用电路设计软件，进行CMOS逻辑电路的仿真，验证其功能和性能。
7. 进行物理实现：根据设计结果，进行CMOS逻辑电路的物理实现，包括掩膜制作、晶圆制作和封装测试等过程。
四、CMOS逻辑电路的优势与应用CMOS逻辑电路具有以下优势：1. 低功耗：由于CMOS逻辑电路的特殊结构，只有在发生信号变换时才会有较大电流流过。
CMOS逻辑门电路
CMOS逻辑门电路CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后，所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件。
CMOS电路的工作速度可与TTL 相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。
此外，几乎所有的超大规模存储器件，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。
早期生产的CMOS门电路为4000系列，随后发展为4000B系列。
当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。
下面首先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMO逻辑门电路。
MOS管结构图MOS管主要参数：1.开启电压V T·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；·标准的N沟道MOS管，V T约为3～6V；·通过工艺上的改进，可以使MOS管的V T值降到2～3V。
2. 直流输入电阻R GS·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比·这一特性有时以流过栅极的栅流表示·MOS管的R GS可以很容易地超过1010Ω。
3. 漏源击穿电压BV DS·在V GS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使I D开始剧增时的V DS称为漏源击穿电压BV DS·I D剧增的原因有下列两个方面：（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿（2）漏源极间的穿通击穿·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加V DS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的I D 4. 栅源击穿电压BV GS·在增加栅源电压过程中，使栅极电流I G由零开始剧增时的V GS，称为栅源击穿电压BV GS。
5. 低频跨导g m·在V DS为某一固定数值的条件下，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导·g m反映了栅源电压对漏极电流的控制能力·是表征MOS管放大能力的一个重要参数·一般在十分之几至几mA/V的范围内6. 导通电阻R ON·导通电阻R ON说明了V DS对I D的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数·在饱和区，I D几乎不随V DS改变，R ON的数值很大，一般在几十千欧到几百千欧之间·由于在数字电路中，MOS管导通时经常工作在V DS=0的状态下，所以这时的导通电阻R ON可用原点的R ON来近似·对一般的MOS管而言，R ON的数值在几百欧以内7. 极间电容·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容C GS 、栅漏电容C GD和漏源电容CDS·C GS和C GD约为1～3pF·C DS约在0.1～1pF之间8. 低频噪声系数NF·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小一、CMOS反相器由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。
CMOS门电路
2.1.4 CMOS门电路的电气特性
CD4000 系列门电路的极限参数（ VDD=5V） ◆ 输出高电平电压VOH ，VOH（min）= VDD-0.1V
◆ ◆ ◆
◆
输出低电平电压VOL ，VOL（max）= 0.1V 输入高电平电压VIH ，VIH（min）= 70%VDD 输入低电平电压VIL，VIL（max）= 30%VDD 阈值电压VTH=1/2VDD
PMOS
漏极相连 做输出端 NMOS
柵极相连 做输入端
2.1.2 CMOS反相器
2. CMOS反相器的工作原理
（1）当vI=0V时，vGSN=0V，VTN 截 止 ， ∣ vGSP∣=VDD ， VTP 导 通 ， vO≈VDD，门电路输出输出高电平；
VDD
VTP vI VTN vO
（ 2 ） 当 vI=VDD 时 ， VGSN=VDD ， VTN导通，∣VGSP∣=0V，VTP截止 ，vO≈0V，门电路输出低电平。
问题的提出
异或门的逻辑功能：
A B =1 F
输入相同，输出为“0”
输入不同，输出为“1”
F=AB
内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？
门电路有哪些参数？如何正确使用？
本章的教学目标
■ 理解CMOS门电路结构与工作原理 ■ 掌握CMOS门电路外特性，正确使用CMOS门电路
■ 理解TTL门电路结构与工作原理 ■ 掌握TTL门电路外特性，正确使用TTL门电路
（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗
VDD VTP iD vI vO vO
0 iD
t
VTN
0
t
PT CP DVD2D f
（3）总的动态功耗
2 PD PC PT C L C PD）VDD f （
实验二 CMOS集成逻辑门的参数测试
（1） 输出高低电压OH U 和OL U输出端不带任何负载时，当输入端全部接高电平OH U 时，测得的输出电平就是OL U (=)0；当输入端有一个为低电平时，测得的低电平就是OH U （＝DD U ） （2） 拉电流和灌电流负载能力图2.2－3所示电路中，输入端接低电平，输出端接拉电流负载L R ，调节L R ,当OL U 上升到0.5V 时所对应的负载电流，即为OL I 。
3、 电压传输特性CMOS 门电路电压传输特性的测试方法类似于TTL 门电路。
图2－4为逐点测量电压传输特性的实验电路。
oHoL（a ）（b ）图2.2-2（a ）（b ）图2.2-3ΩK由示波CMOS 与非门CD4011的主要参数规范（DD U ＝10V ）(1) 静态电源电流≤5uA;(2).输出低电平0.1V;(3).输出高电平9.5V ；(4).输出驱动电流OL I >300uA,OH I >300uA;(5).最大允许电压18V ；(6). 最小允许电压3V ；(7).输出延迟时间pdH t ＝300～150ns,pdL t = 300～150ns ；(8).输入电容5pF5、 CMOS 电路使用注意事项（1）DD U 接电源正极，SS U 接电源负极（通常接地），电源绝对不容反接。
（2）电源电压使用范围＋3V ～＋18V ，实验中一般要求使用＋12V 或＋5V 电源。
工作在不同电源电压下的器件，其输出阻抗、工作速度和功耗等参数也会不同，在设计、使用中应引WR K 100图2.2-4起注意。
（3）器件输入信号i U ，要求DD i SS U U U <<范围内。
（3） 闲置输入端一律不准悬空，输入端悬空,不仅会造成逻辑混乱，而且容易损坏器件。
闲置输入端的处理方法：a. 按照逻辑要求，直接接DD U 或SS U .b. 工作速度不高的电路中允许与有用输入端并联使用。
（4） 输出端不允许直接与DD U 或SS U 连接，否则将导致器件损坏。
CMOS集成逻辑门电路特点及使用方法
CMOS集成逻辑门电路特点及使用方法
1.低功耗：CMOS电路在工作时只有短暂的电流流动，且仅在切换过程中会有瞬间的短路电流，因此功耗较低。
2.高集成度：CMOS电路能够实现大规模的集成，由于其结构简单，可以在一个芯片上实现多个逻辑门功能，从而提高整体集成度。
3.抗干扰能力强：CMOS电路采用互补器件，两种类型的晶体管结合在一起，当一种开启时，另一种关闭，因此对干扰信号的抵抗能力强。
4.工作稳定：CMOS电路由于采用了互补结构，不容易产生热失调现象，故工作稳定性较高。
5.可编程性强：CMOS电路通常具有很好的可编程性，可以通过调整电流大小、精密度等参数来实现不同逻辑功能的设计。
1.电路设计：根据需要设计逻辑电路，包括确定所需的逻辑功能、输入输出端口等。
2.电路仿真：使用电路仿真软件对设计的逻辑电路进行仿真，验证其正确性并进行必要的调整。
3.电路布局：根据设计的逻辑电路，进行电路布局设计，确定晶体管和连线的布局，保证电路的正常工作。
4.制作掩膜：根据布局设计制作相应的掩膜，并进行曝光和光刻等加工工艺。
5.生产加工：通过工艺流程，将设计好的电路图案制作到芯片上，完成电路的制造。
6.测试验证：对制作好的CMOS电路进行测试验证，检查其性能和功能是否符合设计要求。
总的来说，CMOS集成逻辑门电路具有低功耗、高集成度、抗干扰能力强、工作稳定等优点，广泛应用于数字电路、微处理器、存储器、通信电路、模拟电路等领域。
在使用CMOS集成电路时，需要进行电路设计、仿真、布局、制作掩膜、生产加工和测试验证等步骤，以确保电路的正常工作和性能达到设计要求。
CMOS技术的不断发展将为电子行业带来更多的创新和发展机遇。
CMOS 集成逻辑门电路特点及使用方法
CMOS 集成逻辑门电路特点及使用方法1．CMOS集成电路特点CMOS集成电路的特点是功耗极低、输出幅度大噪声容限大、扇出能力强。
MOS逻辑门电路主要分为NMOS、PMOS、CMOS三大类，PMOS是MOS逻辑门的早期产品，它不仅工作速度慢且使用负电源，不便与TTL电路连接，CMOS是在NMOS的基础上发展起来，它的各种性能较NMOS都好。
2．集成CMOS电路的特性参数CMOS门电路主要参数的定义同TTL电路，下面主要说明CMOS电路主要参数的特点。
(1)输出高电平U OH 与输出低电平U OLCMOS门电路U OH的理论值为电源电压U DD，U OH(min)=0.9U DD；U OL的理论值为0V，U OL(max)=0.01U DD。
所以CMOS门电路的逻辑摆幅(即高低电平之差)较大，接近电源电压U DD值。
(2)阈值电压U TH从CMOS 非门电压传输特性曲线中看出，输出高低电平的过渡区很陡，阈值电压U TH 约为U DD/2。
(3)抗干扰容限CMOS非门的关门电平U OFF为0.45U DD，开门电平U ON为0.55U DD。
因此，其高、低电平噪声容限均达0.45U DD。
其他CMOS门电路的噪声容限一般也大于0.3U DD，电源电压U DD 越大，其抗干扰能力越强。
(4)传输延迟与功耗CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门，但传输延迟较大，一般为几十ns/门，且与电源电压有关，电源电压越高，CMOS电路的传输延迟越小，功耗越大。
前面提到74HC 高速CMOS系列的工作速度已与TTL系列相当。
(5)扇出系数因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般额定的扇出系数可达50。
但必须指出的是，扇出系数是指驱动CMOS电路的个数，若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言，CMOS电路远远低于TTL电路。
以测试过的CD4001为例，其主要特性参数见表11-12。
表3 CD4001四2或非门主要特性参数注：以上参数范围为电源电压选择5V、10V及15V的前提下所得。
CMOS集成门电路
工作原理 在反相器基础上串接 EN = 0 时，VP2 和 VN2 了 PMOS 管 VP2 和 NMOS 导通，呈现低电阻，不影 管 CMOS VN2，它们的栅极分别 响 反相器工作。 受 EN Y =和 A EN 控制。 EN = 1 时，VP2、VN2 均截止，输出端 Y 呈现高 阻态。 因此构成使能端低 电平有效的三态门。
VP1
A Z Y=A VN1
Y
EN
1 0
0 1
截止 导通 VN2
EN
低电平使能的 CMOS 三态输出门
三、CMOS 集成逻辑门使用要点
1. 注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同， 一般多用 + 5 V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。 2. 闲置输入端的处理
不允入电容， 使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。 与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平； 或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。
[例] 试改正下图电路的错误，使其正常工作。
CMOS 门
悬空 悬空
TTL 门
≥
OD 门
&
EN
(a) 解： CMOS 门
(b) TTL 门
(c) VDD OD 门
(d)
VDD
Ya = AB Yb = A + B
Yc = A
A EN = 1 时 Y d= B EN = 0 时
[例] 试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。 解：(1) 用与非门实现与门 因为 Y = AB = AB
回顾旧课：
应用集成门电路时，应注意： (1)由输入电阻确定输入信号
(2)多余输入端的连接
导语：
CMOS集成逻辑门电路是互补金属-氧化物 -半导体场效应管门电路的简称。它的突出优点 是微功耗、高抗干扰能力。在中大规模数字集 成电路中有着广泛的应用。
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换会受到电容充放电的影响，使输出波形边沿变得缓
慢，输出电压的变化也会滞后于输入电压的变化。
为减小开关时间，可以用P沟道MOS管来代替电阻RD， 就构成所谓的CMOS开关。
1.2 常用CMOS逻辑门电路
1.CMOS反相器
（1）工作原理。
TN管为工作管，N沟道MOS增强 型场效应管，开启电压UTN 。 TP管为负载管（作漏极负载Rd）， P沟道MOS增强型场效应管，开启 电压UTP。 栅极g接在一起，作为输入端 ； 漏极d接在一起，作为输出端 。
CMOS电路较之TTL电路具有以下优点： 功耗低、 静态电流小（约为纳安数量级）、抗干扰能力强、 电源电压范围宽、输入阻抗高、负载能力强等，应 用广泛。
1.1 MOS开关及其等效电路
1.MOS管开关等效电路
电路
输出特性曲线
当输入电压 较小时，有
，
MOS管截止， ,
当 增加，使
，
MOS管工作在可变电阻区。
（2）CMOS反相器电压传输特性和电流传输特性。
2.漏极开路门（OD门） 3.三态（TSL）输出门电路
4.CMOS传输门
又称模拟开关，既可以传输数字信号，也可以传输 模拟信号。
C=0时，传输门关闭，输入和输 出之间呈现出高阻抗状态，不能 进行信号传输。
C=1时， 在整个输入电压范围-5V~+5V内， 至少有一个场效应管导通。场效应 管导通，漏源间的沟道导通电阻 RON小于1kΩ，典型值为80Ω，漏极和源极之间相 当于短路，输出等于输入。
74VHC和74VHCT系列：保持74HC和74HCT系列 的功耗低等优点，并且在工作速度达到74HC和 74HCT系列的两倍。
74LVC和74AUC系列：这种系列是近年来随着便携 设备的发展，要求使用体积小，功耗低、电池耗电 小的半导体器件，因此先后推出了低电压CMOS器 件74LVC系列，及超低压CMOS器件74AUC系列， 并且半导体制造工艺可以使它们的成本更低、速度 更快，同时大多数低电压器件的输入输出电平可以 与5V的CMOS或TTL电平兼容OS管相当于受控制的可变电阻， 且 越大，输出特性曲线越陡峭，RON ， （导通电阻）越小。
即MOS管分别工作在截 止区和可变电阻区时， 相当于受 控制的一个 无触点开关 。
2.MOS管开关特性 uI
uIH
O
uO
UDD
O
tpH
tpLH
由于MOS管本身存在电容效应及L 导通电阻，在输入端
加入一个理想脉冲信号时，导通闭合两种状态之间转
即C=1时，传输门打开
1.3 CMOS逻辑门系列
4000系列：早期基本的CMOS集成逻辑门系列，后 来发展为4000B，应用十分广泛。其工作电压宽 （3~18V）、功耗低、抗干扰能力强，但工作速度 较慢，平均传输延迟时间为几十纳秒，最高工作频 率小于5MHz，且与TTL不兼容。
74HC和74HCT系列：74HC系列的其工作电压为 2~6V。与4000B系列相比，其工作速度快，且带负 载能力强。74HCT系列工作电压为4.5V~5.5V，并 可与TTL兼容。
电源UDD须大于两只MOS管的开启 电压的绝对值之和
即UDD > UTN +∣UTP∣
当输入电压 为低电平“0”时， 工作管TN因其UGS小于开启电压 UTN而截止，负载管TP因其UGS小 于开启电压UTP而导通。 工作管TN截止，漏极电流近似为 零，输出电压 为高电平“1”。
当输入电压 为高电平“1”时，工作管TN因其UGS大 于开启电压UTN而导通，负载管TP因其UGS大于开启电 压UTP而截止，输出电压 为低电平“0”。 即电路实现反相器功能，工作管TN和负载管TP总是 工作在互补的开关工作状态，即TN 和TP的工作状态 互补，所以CMOS电路称为互补型MOS电路。
数字电子技术基础
CMOS集成逻辑 门电路
CMOS集成逻辑门电路
1.1 MOS开关及其等效电路 1.2 常用CMOS逻辑门电路 1.3 CMOS逻辑门系列
MOS电路 --由金属氧化物绝缘栅型场效应（MOS）管 构成的单极型集成电路。
主要有三种类型： NMOS门电路、PMOS门电路和CMOS门电路。