3.5 CMOS集成逻辑门电路

以MOS管作为开关元件的门电路称为MOS门电路。由于MOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗小及抗干扰能力强等优点，所以在数字集成电路产品中占有相当大的比例。与TTL门电路相比，MOS门电路的主要缺点是工作速度低。

MOS门电路有3种类型：使用P沟道管的PMOS电路；使用N沟道管的NMOS电路；用P沟道管和N沟道管组合而成的CMOS电路。当前，CMOS逻辑门是应用比较广泛的逻辑电路之一。本节仅对CMOS电路进行讨论。

3.5.1 CMOS反相器（非门）

图3-13所示为由一个N沟道增强型MOS管和一个P沟道增强型MOS管构成的CMOS反相器。两管的栅极连接起来作为输入端，两管的漏极连接起来作为输出。N沟道管的源极接地，P沟道管的源极接电源U_DD。

由图可见，若输入电压U_I＜U_TN（U_TN为N沟道管的开启电压，约为+2V）则VT₁截止，T₂导通，输出U_O=U_DD=“1”。若U_I＞U_DD-|U_TP|（U_TP为P沟道管的开启电压，约为-2V）则VT₁导通，VT₂截止，输出U_O=0V=“0”。因此实现了“非”的逻辑功能。

3.5.2 CMOS与非门

图3-14所示是一个两输入端的CMOS与非门电路，它由两个并行连接的PMOS管和两个串行连接的NMOS管构成。两个输入端均分别由一个PMOS和一个NMOS的栅极相连而得。当输入A、B中至少有一个为“0”时，对应的NMOS管中至少有一个是截止的，PMOS管中至少有一个是导通的，输出F=“1”；当输入A、B均为高电平时，NMOS管都导通，而PMOS管均截止，输出F=“0”。故该电路实现了“与非”逻辑功能。

3.5.3 CMOS或非门

图3-15所示是一个两输入端的CMOS或非门电路，它由两个并联的NMOS管和两个串联的PMOS管构成。两个输入端均分别由一个PMOS和一个NMOS的栅极相连而得。当输入A、B中至少有一个为“1”时，则对应的NMOS管中必有一个是导通的，PMOS管中至少有一个截止，使F=“0”；当输入A、B均为“0”时，NMOS管均截止，PMOS管均导通，使F=“1”。故该电路实现了“或非”功能。

3.5.4 CMOS三态门

图3-16所示是一个低电平使能控制的三态非门电路，该电路实际就是在CMOS非门的基础上增加了一个反相器、一个NMOS管和一个PMOS管构成的。当使能控制端时，VT₁和VT₄同时导通，非门正常工作，实现的功能；当使能控制端时，VT₁和VT₄均截止，使输出呈高阻状态。

3.5.5 CMOS漏极开路输出门（OD门）

图3-17a和图3-17b所示是漏极开路输出的与非门的电路结构和逻辑符号，和OC门一样，工作时也必须外接上拉电阻，电路才能工作，同样OD门也可实现“线与”，通过改变上拉电阻所接的电源也可实现电平转换。图3-18所示是两个OD门实现“线与”连接的电路图。

3.5.6 CMOS传输门

图3-19a所示是一个CMOS传输门的电路图，它由一个NMOS管和一个PMOS管并接而成，其逻辑符号如图3-19b所示。

图中，两管的源极连接在一起作为传输门的输入端，漏极连接在一起作为输出端。NMOS管的衬底接地，PMOS管的衬底接电源，两管的栅极分别与一对互补的控制信号C和相连。由于MOS管的结构是对称的，所以信号可以双向传输。传输门实际是一种可以传送模拟信号和数字信号的压控开关。

当C=“1”，=“0”时，若输入信号U_I在0V～U_DD范围内变化，则两管中至少有一个是导通的，输入和输出之间呈低阻状态，相当于开关接通，输入信号可通过传输门到达输出端。

当C=“0”，=“1”时，输入信号U_I在0V～U_DD范围内变化，由于两管始终处于截止状态，输入和输出之间是断开的。

传输门导通时，其导通内阻只有几百欧；截止时，其关断电阻在10⁹Ω以上。