3.5CMOS电路3.5.1CMOS反相器工作原理3.5.2CMOS反相器的主要特性3.5.3CMOS传输门3.5.
4CMOS逻辑门电路3.5.5CMOS电路的锁定效应及正确使用方法图3-5-1CMOS反相器DGSS
GDvOVDDTLT0vI3.5.1CMOS反相器工作原理CMOS反相器由一个P沟道增强型MOS管和一个N沟
道增强型MOS管串联组成。通常P沟道管作为负载管，N沟道管作为输入管。两个MOS管的开启电压VGS(th)P<0，VGS(
th)N>0，通常为了保证正常工作，要求VDD>|VGS(th)P|+VGS(th)N。若输入vI为低电平(如0V)，则负
载管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。若输入vI为高电平(如VDD)，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近0V。图3
-5-2CMOS反相器电压传输特性vIvOOVDDVDDVDD+VGS(th)PVGS(th)NⅠⅡⅢⅣ
Ⅴ3.5.2CMOS反相器的主要特性１．电压传输特性和电流传输特性CMOS反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区
。工作区Ⅰ：由于输入管截止，故vO=VDD，处于稳定关态。工作区Ⅲ：PMOS和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧变化
，vI值等于阈值电压Vth。工作区Ⅴ：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO≈0V，处于稳定的开态。vO≈0非饱和
截止VDD+VGS(th)P≤vI≤VDDⅤ非饱和饱和vO+VGS(th)N≤vI＜VDD+VGS(t
h)PⅣ饱和饱和vO+VGS(th)P≤vI＜vO+VGS(th)NⅢ饱和非饱和VGS(th)N≤v
I＜vO+VGS(th)PⅡvO＝VDD截止非饱和0≤vI＜VGS(th)NⅠ输出NMOS管PMOS管
输入电压vI范围工作区表3-5-1CMOS电路MOS管的工作状态表图3-5-3CMOS反相器电流传输特性vIOV
DDiDSVDD+VGS(th)PVGS(th)NⅠⅡⅢⅣⅤVthCMOS反相器的电流传输特性曲线，只在
工作区Ⅲ时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。CMOS反相器具有如下特点：
(1)静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器工作在工作区Ⅰ和工作区Ⅴ，总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏
电流。(2)抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪
声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。(3)电源利用率高。VOH=VDD，同时由于阈值电压随VDD变化而变化，
所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为+3～+18V。(4)输入阻抗高，带负载能力强。图3-5-4CMOS输入保护电
路vOVDDTPTNvIC1D2N－D1···D1′C2P－P＋P＋N＋R●２．
输入特性和输出特性(1)输入特性为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。由于
二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。图3-5-5CMOS反相器输入特性vIOVDDiI
－1V考虑输入保护电路后，CMOS反相器的输入特性如图3-5-5所示。vO=VOLVDDTNRLvI=VDDTP
IOL图3-5-6输出低电平等效电路图3-5-7输出低电平时输出特性VOL(vDSN)OIOL(iDSN)vI
(vGSN)(2)输出特性a.低电平输出特性当输入vI为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载电流IOL
灌入输入管，如图3-5-6所示。灌入的电流就是N沟道管的iDS，输出特性曲线如图3-5-7所示。输出电阻的大小与vGSN
(vI)有关，vI越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。VOHVDDTNRLvI=0TPIOH图3-5-8输
出高电平等效电路图3-5-9输出高电平时输出特性vSDPOIOH(iSDP)vGSPVDDb.高电平输出
特性当输入vI为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图3-5-8所示。输出电压VOH=VDD-vSDP，拉
电流IOH即为iSDP，输出特性曲线如图3-5-9所示。由曲线可见，|vGSP|越大，负载电流的增加使VOH下降越小，带拉电
流负载能力就越强。３．电源特性CMOS反相器的电源特性包含工作时的静态功耗和动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。
CMOS反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当CMOS反相器工作在第Ⅲ工作区时
，将产生瞬时大电流，从而产生瞬时导通功耗PT。此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。TP图3-
5-10CMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vI
vI/vOCTN3.5.3CMOS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。当C=0
V，C=VDD时，两个MOS管都截止。输出和输入之间呈现高阻抗，传输门截止。当C=VDD，C=0V时，总有一个MOS管导通，使输出
和输入之间呈低阻抗，传输门导通。TP图3-5-11传输门高、低电平传输情况VDDC=0C=VDDvOvI=VDD
TNDSSDCLTPVDDC=0C=VDDvOvITNSDDSCL(a)高电平传输(b)
低电平传输传输门传输高电平信号时，若控制信号C为有效电平，则传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电容CL充电，直
至输出电平与输入电平相同，完成高电平的传输。若传输低电平信号，电流从输出端流向输入端，负载电容CL经传输门向输入端放电，输出
端从高电平降为与输入端相同的低电平，完成低电平传输。YVDDT1BTP图3-5-12CMOS与非门TPATN
TNT4T3T2●YVDDT1B图3-5-13CMOS或非门AT4T3T2●3.5.4CMOS逻
辑门电路１．CMOS与非门、或非门当输入信号为0时，与之相连的N沟道MOS管截止，P沟道MOS管导通；反之则N沟道MO
S管导通，P沟道MOS管截止。YVDDB图3-5-14带缓冲级的与非门A●上述电路虽然简单，但存在一些严重缺点
：(1)输出电阻受输入端状态的影响；(2)当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，使低电平噪声容限降低。
解决方法：在各输入端、输出端增加一级反相器，构成带缓冲级的门电路。带缓冲级的与非门是在或非门的输入端、输出端接入反相器
构成的。VDDEN图3-5-15三态输出CMOS门结构之一AYVDD1T''NTNT''P
TP２．三态输出CMOS门三态输出CMOS门是在普通门电路上，增加了控制端和控制电路构成，一般有三种结构形式。第
一种形式：在反相器基础上增加一对P沟道T''P和N沟道T''NMOS管。当控制端为1时，T''P和T''N同时截止，输出呈高阻态；
当控制端为0时，T''P和T''N同时导通，反相器正常工作。该电路为低电平有效的三态输出门。EN图3-5-16三态输出CMOS门
结构之二AYVDD≥1TNTP●AY&TNTPVDDENT''NT''P第二种形式和第三种形式：
EN图3-5-17三态输出CMOS门结构之三AYVDD1TGA图3-5-
18漏极开路输出门VDD11&BVDD2RL漏极开路输出门如图3-5-18所示，其原理与TTL开路输出门相同。
CMOS电路以其低功耗、高抗干扰能力等优点得到广泛的应用。其工作速度已与TTL电路不相上下，而在低功耗方面远远优于TTL电路
。目前国产CMOS逻辑门有CC4000系列和高速54HC/74HC系列，主要性能比较如下：253最高工作频率/MHz
692~654HC/74HC系列80903~18CC4000系列边沿时间/ns传输延迟/ns电源电压/V系
列表3-5-2CMOS门性能比较P+N+N+N+P+P+N+P+RRWT2T4T
6T3T1T5RSP阱N－衬底VSSS2G2D2D1G1S1vOvIVDD图3-5-19CMO
S反相器结构示意图3.5.5CMOS电路的锁定效应及正确使用方法１．CMOS电路的锁定效应图中的T1～T6均为寄生三极管，是产生锁定效应的原因。RvIvOVDDVSST5T6RWT1T2RST3T4P阱(N衬底)图3-5-20CMOS锁定效应等效电路寄生三极管等效电路中，T1和T2构成了一个正反馈电路。在CMOS电路中如果发生了T1、T2寄生三极管正反馈导电情况，称为锁定效应，或称为可控硅效应。为保证CMOS电路不产生锁定效应，vI和vO必须满足： |
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