CMOS门电路

由单极型MOS管构成的门电路称为Mos门电路。MOS电路具有制造工艺简单、功耗低、集成度高、电源电压使用范围宽、抗干扰能力强等优点，特别适用于大规模集成电路。MOS门电路按所用MOS管的不同可分为三种类型:第一种是由PMOS管构成的PMOS门电路，其工作速度较低;第二种是由NMOS管构成的NMOS门电路，工作速度比PMOS电路要高，但比不上TTL电路;第三种是由PMOS管和NMOS管两种管子共同组成的互补型电路，称为CMOS电路，CMOS电路的优点突出，其静态功耗极低，抗干扰能力强，工作稳定可靠且开关速度也大大高于NMOS和PMOS电路，故得到了广泛应用。

MOS管主要参数

1、开启电压VT

·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，VT约为3~6V;

·通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2~3V。

2、直流输入电阻RGS

·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RGS可以很容易地超过1010Ω。

3、漏源击穿电压BVDS

·在VGS=0(增强型)的条件下，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS

·ID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VDS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ID4、栅源击穿电压BVGS

·在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。

5、低频跨导gm

·在VDS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

·gm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RON

·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数

·在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON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VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似

·对一般的MOS管而言，RON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CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS

·CGS和CGD约为1~3pF

·CDS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

CMOS反相器

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。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。由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即VDD>(VTN+|VTP|)。

CMOS门电路

1、与非门电路:包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型MOS管。每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。当输入端A、B中只要有一个为低电平时，就会使与它相连的NMOS管截止，与它相连的PMOS管导通，输出为高电平;仅当A、B全为高电平时，才会使两个串联的NMOS管都导通，使两个并联的PMOS管都截止，输出为低电平。因此，这种电路具有与非的逻辑 功能，即n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。

2.或非门电路:包括两个并联的N沟道增强型MOS管和两个串联的P沟道增强型MOS管。当输入端A、B中只要有一个为高电平时，就会使与它相连的NMOS管导通，与它相连的PMOS管截止，输出为低电平;仅当A、B全为低电平时，两个并联NMOS管都截止，两个串联的PMOS管都导通，输出为高电平。因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为。显然，n个输入端的或非门必须有n个NMOS管并联和n个PMOS管并联。比较CMOS与非门和或非门可知，与非门的工作管是彼此串联的，其输出电压随管子个数的增加而增加;或非门则相反，工作管彼此并联，对输出电压不致有明显的影响。因而或非门用得较多。

3、异或门电路:它由一级或非门和一级与或非门组成。或非门的输出。而与或非门的输出L即为输入A、B的异或如在异或门的后面增加一级反相器就构成异或非门，由于具有的功能，因而称为同或门。

CMOS传输门

MOSFET的输出特性在原点附近呈线性对称关系，因而它们常用作模拟开关。模拟开关广泛地用于取样--保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。下面着重介绍CMOS传输门。所谓传输门(TG)就是一种传输模拟信号的模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成，如上图所示。TP和TN是结构对称的器件，它们的漏极和源极是可互换的。设它们的开启电压|VT|=2V且输入模拟信号的变化范围为-5V到+5V。为使衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故TP的衬底接+5V电压，而TN的衬底接-5V电压。两管的栅极由互补的信号电压(+5V和-5V)来控制，分别用C和表示。传输门的工作情况如下:当C端接低电压-5V时TN的栅压即为-5V，vI取-5V到+5V范围内的任意值时，TN均不导通。同时、TP的栅压为+5V，TP亦不导通。可见，当C端接低电压时，开关是断开的。为使开关接通，可将C端接高电压+5V。此时TN的栅压为+5V，vI在-5V到+3V的范围内，TN导通。同时TP的棚压为-5V，vI在-3V到+5V的范围内TP将导通。由上分析可知，当vI<-3V时，仅有TN导通，而当vI>+3V时，仅有TP导通当vI在-3V到+3V的范围内，TN和TP两管均导通。进一步分析还可看到，一管导通的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。换句话说，当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS传输门的优点。在正常工作时，模拟开关的导通电阻值约为数百欧，当它与输入阻抗为兆欧级的运放串接时。可以忽略不计。CMOS传输门除了作为传输模拟信号的开关之外，也可作为各种逻辑电路的基本单元电路。

简单的逻辑电路通常是由门电路构成，也可以用三极管来制作，例如，一个NPN三极管的集电极和另一个NPN三极管的发射极连接，这就可以看作是一个简单的与门电路，即:当两个三极管的基极都接高电平的时候，电路导通，而只要有一个不接高电平，电路就不导通。

常见的门电路如下所示:

非门:利用内部结构，使输入的电平变成相反的电平，高电平(1)变低电平(0)，低电平(0)变高电 平(1)。

与门:利用内部结构，使输入两个高电平(1)，输出高电平(1)，不满足有两个高电平(1)则输出低电平(0)。

或门:利用内部结构，使输入至少一个输入高电平(1)，输出高电平(1)，不满足有两个低电(0)输出高电平(1)

与非门:利用内部结构，使输入至多一个输入高电平(1)，输出高电平(1)，不满足有两个高电平(1)输出高电平(1)。

或非门:利用内部结构，使输入两个输入低电平(0)，输出高电平(1)，不满足有至少一个高电平(1)输出高电平(1)。

异或门:当输入端同时处于低电平(0)或高电平(1)时，输出端输出低电平(0)，当输入端一个为高电平(1)，另一个为低电平时(0)，输出端输出高电平(1)。

同或门:当输入端同时输入低电平(0)或高电平(1)时，输出端输出高电平(1)，当输入端一个为高电平(1)，另一个为低电平时(0)，输出端输出低电平(0)。

常将二极管与门和或门与三极管非门组合起来组成与非门和或非门电路，以消除在串接时产生的电平偏离，并提高带负载能力。

如下图所示就是由三输入端的二极管与门和三极管非门组合而成的与非门电路。

把一个电路中的所有元件，包括二极管、三极管、电阻及导线等都制作在一片半导体芯片上，封装在一个管壳内，就是集成电路。上图就是早期的简单集成与非门电路，称为二极管-三极管逻辑门电路，简称DTL电路。