CMOS電路工作原理

由于兩管柵極工作電壓極性相反，故將兩管柵極相連作為輸入端，兩個(gè)漏極相連作為輸出端，如圖1(a)所示，則兩管正好互為負(fù)載，處于互補(bǔ)工作狀態(tài)。

當(dāng)輸入低電平(Vi=Vss)時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管截止，輸出高電平，如圖1(b)所示。　·

當(dāng)輸入高電平（Vi=VDD）時(shí)，PMOS管截止，NMOS管導(dǎo)通，輸出為低電平，如圖1(c)所示。

兩管如單刀雙擲開關(guān)一樣交替工作，構(gòu)成反相器。

CMOS電路是互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體電路(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)的英文字頭縮寫，它由絕緣場(chǎng)效應(yīng)晶體管組成，由于只有一種載流子，因‘而是一種單極型晶體管集成電路，其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)N溝道MOS管和一個(gè)P溝道MOS管，如圖1所示。

雙極-CMOS集成電路(BiCMOS)雙極-CMOS集成電路(BiCMOS)由雙極型門電路和互補(bǔ)金屬-氧化物——半導(dǎo)體（CMOS）門電路構(gòu)成的集成電路。特點(diǎn)是將雙極（Bipolar）工藝和CMOS工藝兼容，在同一芯片上以一定的電路形式將雙極型電路和CMOS電路集成在一起，兼有高密度 、低功耗和高速大驅(qū)動(dòng)能力等特點(diǎn)。

高性能BiCMOS電路于20世紀(jì)80年代初提出并實(shí)現(xiàn)，主要應(yīng)用在高速靜態(tài)存儲(chǔ)器、高速門陣列以及其他高速數(shù)字電路中，還可以制造出性能優(yōu)良的模/數(shù)混合電路，用于系統(tǒng)集成。有人預(yù)言，BiCMOS集成電路是繼CMOS集成電路形式之后最現(xiàn)實(shí)的下一代高速集成電路形式。

CMOS是單詞的首字母縮寫，集成電路是一塊微小的硅片，它包含有幾百萬個(gè)電子元件。術(shù)語IC隱含的含義是將多個(gè)單獨(dú)的集成電路集成到一個(gè)電路中，產(chǎn)生一個(gè)十分緊湊的器件。在通常的術(shù)語中，集成電路通常稱為芯片，而為計(jì)算機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)的IC稱為計(jì)算機(jī)芯片。

雖然制造集成電路的方法有多種，但對(duì)于數(shù)字邏輯電路而言CMOS是主要的方法。桌面?zhèn)€人計(jì)算機(jī)、工作站、視頻游戲以及其它成千上萬的其它產(chǎn)品都依賴于CMOS集成電路來完成所需的功能。當(dāng)我們注意到所有的個(gè)人計(jì)算機(jī)都使用專門的CMOS芯片，如眾所周知的微處理器，來獲得計(jì)算性能時(shí)， CMOS IC的重要性就不言而喻了。CMOS之所以流行的一些原因?yàn)?

·邏輯函數(shù)很容易用CMOS電路來實(shí)現(xiàn)。

·CMOS允許極高的邏輯集成密度。其含義就是邏輯電路可以做得非常小，可以制造在極小的面積上。

·用于制造硅片CMOS芯片的工藝已經(jīng)是眾所周知，并且CMOS芯片的制造和銷售價(jià)格十分合理。

這些特征及其它特征都為CMOS成為制造IC的主要工藝提供了基礎(chǔ)。

CMOS可以作為學(xué)習(xí)在電子網(wǎng)絡(luò)中如何實(shí)現(xiàn)邏輯功能的工具。CMOS它允許我們用簡單的概念和模型來構(gòu)造邏輯電路。而理解這些概念只需要基本的電子學(xué)概念。

CMOS邏輯門電路的系列及主要參數(shù):

1．CMOS邏輯門電路的系列

CMOS集成電路誕生于20世紀(jì)60年代末，經(jīng)過制造工藝的不斷改進(jìn)，在應(yīng)用的廣度上已與TTL平分秋色，它的技術(shù)參數(shù)從總體上說，已經(jīng)達(dá)到或接近TTL的水平，其中功耗、噪聲容限、扇出系數(shù)等參數(shù)優(yōu)于TTL。CMOS集成電路主要有以下幾個(gè)系列。

（1）基本的CMOS——4000系列。

這是早期的CMOS集成邏輯門產(chǎn)品，工作電源電壓范圍為3～18V，由于具有功耗低、噪聲容限大、扇出系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，已得到普遍使用。缺點(diǎn)是工作速度較低，平均傳輸延遲時(shí)間為幾十ns，最高工作頻率小于5MHz。

（2）高速的CMOS——HC（HCT）系列。

該系列電路主要從制造工藝上作了改進(jìn)，使其大大提高了工作速度，平均傳輸延遲時(shí)間小于10ns，最高工作頻率可達(dá)50MHz。HC系列的電源電壓范圍為2～6V。HCT系列的主要特點(diǎn)是與TTL器件電壓兼容，它的電源電壓范圍為4.5～5.5V。它的輸入電壓參數(shù)為VIH（min）=2.0V；VIL（max）=0.8V，與TTL完全相同。另外，74HC/HCT系列與74LS系列的產(chǎn)品，只要最后3位數(shù)字相同，則兩種器件的邏輯功能、外形尺寸，引腳排列順序也完全相同，這樣就為以CMOS產(chǎn)品代替TTL產(chǎn)品提供了方便。

（3）先進(jìn)的CMOS——AC（ACT）系列

該系列的工作頻率得到了進(jìn)一步的提高，同時(shí)保持了CMOS超低功耗的特點(diǎn)。其中ACT系列與TTL器件電壓兼容，電源電壓范圍為4.5～5.5V。AC系列的電源電壓范圍為1.5～5.5V。AC（ACT）系列的邏輯功能、引腳排列順序等都與同型號(hào)的HC（HCT）系列完全相同。

2．CMOS邏輯門電路的主要參數(shù)

CMOS門電路主要參數(shù)的定義同TTL電路，下面主要說明CMOS電路主要參數(shù)的特點(diǎn)。

（1）輸出高電平VOH與輸出低電平VOL。CMOS門電路VOH的理論值為電源電壓VDD，VOH（min）=0.9VDD；VOL的理論值為0V，VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS門電路的邏輯擺幅（即高低電平之差）較大，接近電源電壓VDD值。

（2）閾值電壓Vth。從CMOS非門電壓傳輸特性曲線中看出，輸出高低電平的過渡區(qū)很陡，閾值電壓Vth約為VDD/2。

（3）抗干擾容限。CMOS非門的關(guān)門電平VOFF為0.45VDD，開門電平VON為0.55VDD。因此，其高、低電平噪聲容限均達(dá)0.45VDD。其他CMOS門電路的噪聲容限一般也大于0.3VDD，電源電壓VDD越大，其抗干擾能力越強(qiáng)。

（4）傳輸延遲與功耗。CMOS電路的功耗很小，一般小于1 mW/門，但傳輸延遲較大，一般為幾十ns/門，且與電源電壓有關(guān)，電源電壓越高，CMOS電路的傳輸延遲越小，功耗越大。前面提到74HC高速CMOS系列的工作速度己與TTL系列相當(dāng)。

（5）扇出系數(shù)。因CMOS電路有極高的輸入阻抗，故其扇出系數(shù)很大，一般額定扇出系數(shù)可達(dá)50。但必須指出的是，扇出系數(shù)是指驅(qū)動(dòng)CMOS電路的個(gè)數(shù)，若就灌電流負(fù)載能力和拉電流負(fù)載能力而言，CMOS電路遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TTL電路。

CMOS邏輯門電路是在TTL電路問世之后 ，所開發(fā)出的第二種廣泛應(yīng)用的數(shù)字集成器件，從發(fā)展趨勢(shì)來看，由于制造工藝的改進(jìn)，CMOS電路的性能有可能超越TTL而成為占主導(dǎo)地位的邏輯器件 。CMOS電路的工作速度可與TTL相比較，而它的功耗和抗干擾能力則遠(yuǎn)優(yōu)于TTL。此外，幾乎所有的超大規(guī)模存儲(chǔ)器件 ，以及PLD器件都采用CMOS藝制造，且費(fèi)用較低?！≡缙谏a(chǎn)的CMOS門電路為4000系列 ，隨后發(fā)展為4000B系列。當(dāng)前與TTL兼容的CMOS　器件如74HCT系列等可與TTL器件交換使用。