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第四章逻辑门电路

（LogicGatesCircuits）

1．知识要点

CMOS逻辑电平和噪声容限；CMOS逻辑反相器、与非门、或非门、非反相门、与或非门电路的结构；

CMOS逻辑电路的稳态电气特性：带电阻性负载的电路特性、非理想输入时的电路特性、负载效应、不用

的输入端及等效的输入/输出电路模型；

动态电气特性：转换时间、传输延迟、电流尖峰、扇出特性；

特殊的输入/输出电路结构：CMOS传输门、三态输出结构、施密特触发器输入结构、漏极开路输出结构。

重点：

1．CMOS逻辑门电路的结构特点及与逻辑表达式的对应关系；

2．CMOS逻辑电平的定义和噪声容限的计算；

3．逻辑门电路扇出的定义及计算；

4．逻辑门电路转换时间、传输延迟的定义。

难点：

1．CMOS互补网络结构的分析和设计；

2．逻辑门电路对负载的驱动能力的计算。

（1）PMOS和NMOS场效应管的开关特性

MOSFET管实际上由4部分组成：Gate，Source，Drain和Backgate，Source和Drain之间由Backgate连接，

当Gate对Backgate的电压超过某个值时，Source和Drain之间的电介质就会形成一个通道，使得两者之间产生

电流，从而导通管子，这个电压值称为阈值电压。对PMOS管而言，阈值电压是负值，而对NMOS管而言，阈

值电压是正值。也就是说，在逻辑电路中，NMOS管和PMOS管均可看做受控开关，对于高电平1，NMOS导通，

PMOS截断；对于低电平0，NMOS截断，PMOS导通。

（2）CMOS门电路的构成规律

每个CMOS门电路都由NMOS电路和PMOS电路两部分组成，并且每个输入都同时加到一个NMOS管和

一个PMOS管的栅极（Gate）上。

对正逻辑约定而言，NMOS管的串联（SeriesConnection）可实现与操作（ImplementANDOperation），并

联（ParallelConnection）可实现或操作（ImplementOROperation）。

PMOS电路与NMOS电路呈对偶关系，即当NMOS管串联时，其相应的PMOS管一定是并联的；而当NMOS

管并联时，其相应的PMOS管一定需要串联。

基本逻辑关系体现在NMOS管的网络上，由于NMOS网络接地，输出需要反相（取非）。

（3）CMOS逻辑电路的稳态电气特性

一般来说，器件参数表中用以下参数来说明器件的逻辑电平定义：

V输出为高电平时的最小输出电压

OHmin

V能保证被识别为高电平时的最小输入电压

IHmin

V能保证被识别为低电平时的最大输入电压

OLmax

V输出为低电平时的最大输出电压

ILmax

不同逻辑种类对应的参数值不同。输入电压主要由晶体管的开关门限电压决定，而输出电压主要由晶体管

的“导通”电阻决定。

噪声容限是指芯片在最坏输出电压情况下，多大的噪声电平会使得输出电压被破坏成不可识别的输入值。

对于输出是高电平的情况，其最坏的输出电压是V，如果要使该电压能在输入端被正确识别为高电平，即被噪

OHmin

声污染后的电压值应该不小于V，则噪声容限为VV。对于输出是低电平的情况，噪声容限为V

IHminOHminIHminILmax

V。

OLmax

输出电流的定义如下。

I：输出低态且仍能维持输出电压不大于V时，输出端能吸收的最大电流；

OLmaxOLmax

I：输出高态且仍能维持输