3.1.5 MOS门电路

MOS门电路有P沟道型PMOS、N沟道型NMOS和互补型CMOS三种类型。PMOS是MOS逻辑门中的早期产品，PMOS逻辑门结构简单、易于制造、成本低，但其速度慢，且因使用负电源而不便于与TTL电路连接。NMOS和CMOS逻辑门的制造工艺虽然复杂一些,但速度比PMOS逻辑门快，且使用正电源，便于与TTL电路连接。特别是CMOS逻辑门，它在NMOS的基础上发展起来，与其它逻辑门相比有如下特点：

(1)静态功耗极微，每个门的功耗仅为nW数量级；

(2)速度比NMOS更快，接近与TTL电路；

(3)传输特性陡峭，抗干扰能力强；

(4)电源利用率高；

(5)电源电压允许范围大（+3V—+15V）；

(6)负载能力强，扇出系数大（>50）。

1. CMOS反相器

CMOS反相器由NMOS管和PMOS管的互补电路构成,图3-8（a）给出了CMOS反相器的电路图，图(b)为其传输特性。

CMOS反相器电路中，工作管T1为增强型NMOS管，负载管T2为增强型PMOS管，两互补管参数基本一致。两管的栅极相连作为反相器的输入端，漏极相连作为反相器的输出端。电源电压VDD应大于T1管开启电压VTN和T2管开启电压VIP的绝对值之和，即VDD>VTN+VTP。实际应用中，VDD通常取5V，以便与TTL电路兼容。

当输入VI为0电平（≈0V）时，T1管的栅源电压VGS1=0V，T1截止；同时，由于T2管的栅源电压的绝对值VGS2>VTP，T2导通。结果输出端与电源接通、与地断开，输出端VO为1电平（=VDD）当输入为V1为1电平（=VDD）时，T1管的栅源电压VGS1=VDD，T1导通；同时，由于T2管的栅源电压VGS2=0V，T2截止。结果输出端与电源断开、与地接通，输出端VO为0电平（=0V）。由此可见，该电路实现了非逻辑的功能。

典型的CMOS反相器电压传输特性曲线VO=f(V1)如图（b）所示。图中曲线共分五段：

(1)A段：0V<V1<VTN,T2导通，T1截止，输出电压VO=VDD；

(2)B段：VTN<V1<V*(=VDD/2)，T1开始导通，电路中有较小的电流流过，T2出现压降，输出电压VO开始降低；

(3)C段：当V1增大至V*a附近时，T1、T2均导通，电路中有较大的电流流过，此时只要V1有微小增加，输出电压VO便会急剧下降；

(4)D段：V*<V1<VDD+VTP（因为VTP为负值，所以VDD+VTP=VDD—VTP），T2导通程度逐渐减小，T1导通程度逐渐增大，输出电压VO继续下降；

(5)E段：V1>VDD+VTP,T2截止，T1导通，输出电压VO=0V。

由以上分析可见，CMOS反相器的传输特性曲线在阈值电平V*(=VDD/2)附近几乎是垂直的，因此其高、低电平噪声容限都很大，特别适合于在抗干扰能力要求高的场合使用。

2. CMOS与非门

CMOS与非门电路如图3-9所示。图中两个串联的增强型NMOS管T1、T2作为工作管组，两个并联的增强型PMOS管T3、T4作为负载管组。T1、T3作为一对互补管，它们的栅极相连作为输入端A；T2、T4为另一对互补管，它们的栅极相连作为输入端B。

当输入端A、B均为1电平时，T1、T2导通，T3、T4截止，输出端L必定为0电平；当输入端A和B中至少有一个为0电平时，T1和T2至少有一个截止，T3和T4中至少有一个导通，输出端L必定为1电平。由此可见，该电路实现了与非逻辑功能。

3. CMOS或非门

CMOS或非门电路如图3-10所示。图中两个并联的增强型NMOS管T1、T2作为工作管组，两个串联的增强型PMOS管T3、T4作为负载管组。T1、T3作为一对互补管，它们的栅极相连作为输入端A；T2、T4为另一对互补管，它们的栅极相连作为输入端B。 

当输入端A、B均为0电平时，T1、T2截止，T3、T4导通，输出端L必定为1电平；当输入端A和B中至少有一个为1电平时，T1和T2至少有一个导通，T3和T4中至少有一个截止，输出端L必定为0电平。由此可见，该电路实现了或非逻辑功能。

4. CMOS传输门

CMOS传输门的电路和符号如图3-11所示，它是一种可控的双向信号传输开关。CMOS传输门由一个PMOS管TP和一个NMOS管TN并联而成。两管源极相连作为输入端VI，漏极相连作为输出端VO，两管栅极分别作为互补的控制端CP和端。

当控制端CP为1（VDD）、为0（0V）时，TP和TN都具备了导通条件。此时若VI在0V—VDD范围之内，TP和TN中必有一个导通，VI通过传输门TG传输到VO，这就相当于开关接通。

当控制端CP为0、为1时，TP和TN都不具备开启条件时。此时不论VI为何值，都无法通过传输门TG传输到VO，这就相当于开关断开。

由于MOS管结构的对称性，源和漏极可以互换使用，即VI和VO可以互换，因此CMOS传输门称为可控双向开关。