《数字电路》课程电子教案（PPT课件讲稿）第三章 集成逻辑门（5/5）

五、CMOS电路 (一)、CMOs反相器工作原理 CMOS电路的结构特点是: 个N沟道管和一个P沟道管配 人 对使用,即N、P互补(Comp lementary) P管作负载管,N管作输入管, 两管栅极接在一起。 G 注意:P沟的开启电压是负值 栅极电压要低于源极。 两管导通时的电阻较小为RoN 图41CMos反相器两管截止时的电阻很大为RoF

五、 CMOS 电路 （一）、CMOS反相器工作原理 CMOS 电路的结构特点是： 一个N沟道管和一个P沟道管配 对使用，即N、P互补（Comp￾lementary）。 P管作负载管，N管作输入管， 两管栅极接在一起。 注意：P沟的开启电压是负值 栅极电压要低于源极。 两管导通时的电阻较小为RON 两管截止时的电阻很大为ROFF

当输入电压V为低电平时,V=0 P管导通,N管截止,输出电压V0为: ROFF V0= VDD≈VDD RoFF+ RON 当输入电压V为高电平时,V=VDD P管截止,N管导通,输出电压V0为: RON VO ⅤDD≈0V rofF+ RON 与E/EMOS反相器相比,输出高电平=VDD且总 有一个管子是截止的(稳态),工作电流极小,功耗极 低

当输入电压VI为低电平时，VI=0 P管导通，N管截止，输出电压V0为： ROFF V0 = —————— VDD  VDD ROFF + RON 当输入电压VI为高电平时，VI=VDD P管截止，N管导通，输出电压V0为： RON V0 = —————— VDD  0 V ROFF + RON 与 E/E MOS 反相器相比，输出高电平= VDD 且总 有一个管子是截止的（稳态），工作电流极小，功耗极 低

二)、CMOS反相器的电压、电流传输特性 电压传输特性是指输入电压与输出电压之间的关系。 首先由CMOS反相器电路,我们先确定VI、ⅴO与两个管 子极电压之间的关系: 对N管VGSN=VI VDSNEVO 对P管ⅴGSP=VI- VDD VDSP= VO- VDD 对N沟输入管,我们关心V在两个转折点的情况: 第一点截止或导通标志点在于GS(th)N 第二点饱和或非饱和标志点在于: ⅤGsN-VGS(th)N=ⅤDSN 由于vGSN=VI所以可改写为:VI-ⅤGs(thN=O VDSNEVO ⅵI=Vo+ VGS(th)N

（二）、CMOS反相器的电压、电流传输特性 电压传输特性是指输入电压与输出电压之间的关系。 首先由CMOS反相器电路，我们先确定VI、VO与两个管 子极电压之间的关系： 对N管 VGSN=VI VDSN=VO 对P管 VGSP=VI — VDD VDSP= VO — VDD 对N沟输入管，我们关心VI在两个转折点的情况： • 第一点 截止或导通 标志点在于 VGS(th)N • 第二点 饱和或非饱和 标志点在于： VGSN — VGS(th)N = VDSN 由于VGSN=VI 所以可改写为： VI — VGS(th)N = VO VDSN=VO VI = VO + VGS(th)N

因此,由上述两个标志点,可将V变化分为三个区间: 0 VGS(thN VO+ vGs(thN VDD 同理,对P沟负载管,我们关心Ⅵ在两个转折点的情况: 第一点截止或导通标志点在于VDD+vGS(th)P 第二点饱和或非饱和标志点在于: ⅤGSP-VGS(th)P=ⅤDSP 由于GSP= VI- VDD VDSP=VO-VDD 可改写为:Ⅵ-VD-VG(th)P=VO-DD ⅵI=vO+VGS(th)P 由上述两个标志点,可将V变化分为三个区间: 0Vo+VGs(th)P→vDD+vGS(th)P→VDD 我们可将VI从0到VDD的全程划分为六个刻度,序号如图 注意:N管和P管的开启电压分别为正值和负值

因此，由上述两个标志点，可将VI变化分为三个区间： 0 VGS(th)N VO + VGS(th)N VDD 同理，对P沟负载管，我们关心VI在两个转折点的情况： • 第一点 截止或导通 标志点在于 VDD+ VGS(th)P • 第二点 饱和或非饱和 标志点在于： VGSP — VGS(th)P = VDSP 由于VGSP=VI — VDD VDSP= VO — VDD 可改写为：VI — VDD — VGS(th)P = VO — VDD VI = VO + VGS(th)P 由上述两个标志点，可将VI变化分为三个区间： 0 VO + VGS(th)P VDD+ VGS(th)P VDD 我们可将VI从0到VDD的全程划分为六个刻度，序号如图 注意：N管和P管的开启电压分别为正值和负值

至此,我们综合两管的转换标志点,将输入范围分 成六个刻度,五个区间,在每个区间两管有明确的工作 状态,它们对输出产生直接的影响。见表45-1 表3-5-1CM0S电路M0S管的工作状态表 作区 输人电压功范围 PMS管NMS管输出 O<U<VASt n 非饱和截止=Vm VGSth N SU<wo+VGS(th )P 非饱和炮和 vo+VAst)Psu<vo+VGs(th N 炮和饱和 vo+VAst(t N <u<V D+Vesth )P 饱和非炮和 DTv Gs(thPSUVDD 截止非饱和0≈0

至此，我们综合两管的转换标志点，将输入范围分 成六个刻度，五个区间，在每个区间两管有明确的工作 状态，它们对输出产生直接的影响。 见表4-5-1

CMOS反相器电压传输特性 TN截止 T在饱和区 T在可变电阻区 8 PDp==10V =2V T和TP均在饱和区 TP在饱和区 CTN在可变电阻区 DT截止

CMOS反相器电压传输特性

电流传输特性 II I ui iyI v f vpp-Vosc)P 图4-5-电流传输特性

电流传输特性

CMOS反相器的特点: (1)静态功耗极低 (2)抗干扰能力强 Vth=VDD/2阈值电压处于电源电压1/2 (3)电源利用率高 VOH=VDD且电源范围较宽。一般3-18V (4)输入阻抗高,负载能力强 (5)由于输出阻抗较髙,故工作速度较慢

CMOS反相器的特点： （1）静态功耗极低 （2）抗干扰能力强 Vth = VDD / 2 阈值电压处于电源电压1/2 （3）电源利用率高 VOH = VDD 且电源范围较宽。一般3-18V （4）输入阻抗高，负载能力强。 （5）由于输出阻抗较高，故工作速度较慢

(三)、CMOS反相器的其他特性(自学) 主要内容: 输入特性:由于输入阻抗极高,输入特性其实是输 入保护二极管的特性。 输出特性: 输入为高电平时,输出为低,N管导通,P管截止。 输出特性其实就是N沟道管的漏极特性曲线 输入为低电平时,输出为高,N管截止,P管导通。 输出特性其实就是P沟道管的漏极特性曲线,但要注意 ⅴSDP与输出V0互补的,且有一个直流差ⅴDD。 (四)、电源特性(自学)

（三）、CMOS反相器的其他特性（自学） 主要内容： 输入特性：由于输入阻抗极高，输入特性其实是输 入保护二极管的特性。 输出特性： 输入为高电平时，输出为低，N管导通，P管截止。 输出特性其实就是N沟道管的漏极特性曲线。 输入为低电平时，输出为高，N管截止，P管导通。 输出特性其实就是P沟道管的漏极特性曲线，但要注意 VSDP与输出V0互补的，且有一个直流差VDD。 （四）、电源特性 （自学）

(五)、CMOS传输门(模拟开关) 传输门是一种可控制通断的门电路,理想的传输门 在开通时,可以使信号不失真地通过门电路,而且是双 向的;关闭时,门的两边是阻断的,没有通路。 CMOS传输门是由P沟道和N沟道增强型MOS管并联 构成的(反相器是串联构成的)。当然实际传输门的导 通 时有1K左右的电阻,截止时电阻为10992。 电路如图:

（五）、CMOS传输门 （模拟开关） 传输门是一种可控制通断的门电路，理想的传输门 在开通时，可以使信号不失真地通过门电路，而且是双 向的；关闭时，门的两边是阻断的，没有通路。 CMOS传输门是由P沟道和N沟道增强型MOS管并联 构成的（反相器是串联构成的）。 当然实际传输门的导 通 时有1K左右的电阻，截止时电阻为 109 。 电路如图：