如果Vtp = -0.2 Vdd，则
3C L 1 tr p Vdd Vtp
CMOS反相器的瞬态特性
ii) Vi从0到1, CL放电
NMOS 的导通电流开始为饱和状态而后转为非饱和状 态，故与上面类似，输出脉冲的下降时间也可分为两 段来计算。如图所示。
CMOS反相器的瞬态特性
a、饱和状态
MASK4# MASK5# MASK6#
或非门版图
（a）输入向右引线，（b）输入向上引线
Vdd Vdd
B
A
Vss
Vss
（a）
（b）
多输入与非门
多输入或非门
[5] CMOS复杂逻辑门
1、Z=A（B+C）
该类电路的优点：在实现同样逻辑运算的基础上 大大节约器件的数量。
[6] 动态逻辑门电路（钟控逻辑门电路）

0.9 Vdd Vtp

1 2 Vdd Vtp Vdd Vo Vdd Vo 2
CL 19Vdd 20 Vtp ln Vdd

dVo
经变量代换，部分分式展开，可得，
t r2
总的充电时间为， tr=tr1+tr2
p Vdd Vtp
（a）按电路图转换，（b）MOS管水平走向设计
Vdd Vdd
B A
B A
Vss
Vss
（a）
（b）
CMOS层次 NWELL(N阱) Poly(多晶硅)
掩模版层次 MASK1# MASK2#
P+(P扩散)
N+(N扩散) Contact(接触孔) Metal(金属) 与非门和或非门的版图
MASK3#
[2]. 转移特性（续）
在直流电路上，PMOS和NMOS串联连接在Vdd 和 地之间，因而有
Vdsn - Vdsp = Vdd
Idsn从NMOS的d流向s，是正值, Idsp从PMOS的d流 向s，是负值。
[2]. 转移特性（续）
把 PMOS 视为 NMOS 的负载，可以像作负载线一样， 把PMOS的特性作在NMOS的特性曲线上。如图所示
Vdd Vdd
Vdd Vdd Vdd
输入
输出
输入
输出
输入
输出
输入
输出
输入
输出
Vss
Vss
Vss
Vss
Vss
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
反相器版图
CMOS层次 NWELL(N阱) Poly(多晶硅) P+(P扩散) N+(N扩散) Contact(接触孔)
掩模版层次 MASK1# MASK2# MASK3# MASK4# MASK5#
p dd
p Vdd Vtp


2
Vtp
0.1Vdd
dVo
V
Vtp


2
CMOS反相器的瞬态特性
b、 非饱和状态时
线性充电时间段有，
V
p
dd
Vtp
V
dd
dVo 1 2 Vo Vdd Vo C L 2 dt
积分得，
CL t r2 p
Metal(金属)
MASK6#
并联反相器版图
（a）直接并联，（b）共用漏区，（c）星状连接
Vdd Vdd Vdd
输入
输出 输入
输出 输入
输出
Vss
Vss
Vss
[4] CMOS与非门和或非门
与非门和或非门电路：（a）二输入与非门， b）二输入或非门
（a）二输入与非门
b）二输入或非门
与非门的版图
假定VC(0)=Vdd，恒流放电时间段有， dVo 1 2 n Vdd Vtn C L 2 dt 积分得，
t f1
n Vdd Vtn
2C L

2
Vdd Vtn
0.9 Vdd
dVo
2C L 0.1Vdd Vtn n Vdd Vtn
L A B
GND
（a）
GND
（b）
图7.4 TTL或非门 (a) 电路图 (b) 符号
7.2 CMOS反相器
[1]. 电路图
标准的CMOS反相器 电路如图所示。
注意1： NMOS和PMOS的衬底是分开的， NMOS的衬底接最低电位地， PMOS的衬底接最高电位Vdd。
另外一种符号表示
CMOS反相器的瞬态特性
考虑到上拉管导通时先为饱和状态而后为非饱和 状态，故输出脉冲上升时间可分为两段来计算。
﹤
CMOS反相器的瞬态特性
a、饱和状态时 假定VC(0)=0, 恒流充电时间段有
积分得
t r1
1 p Vdd Vtp 2
2C L


2
dVo CL dt ，
2C L Vtp 0.1Vdd
n (Vi - Vtn ) 2 = p (Vi - Vdd Vtp ) 2 Vi Vdd Vtp Vtn n / p 1 n / p
如果n=p，且有 Vtn= -Vtp，则有 Vi = Vdd/2 但是，n (2-3) p，所以应有 Wp/Lp 2.5 Wn/Ln 由n=p，Vtn= -Vtp和Vi = Vdd/2，应有 VO = Vdd/2
E off on+++
转移特性（续）
对于数字信号，CMOS反相器静态时，或工作在 A区， 或工作在E区。 此时有：
Vi = 0 (I = 0) Vo = Vdd Vo = 0 (O=1) (O=0) Vi = Vdd (I = 1)
Is-s= 0 Pdc= 0
Is-s 0 Ptr 0
从一种状态转换到另一种状态时，有： (I = 0) (I = 1) (I =1) (I = 0)
转移特性（续）
整个工作区可以分为五个区域来讨论：
1. A区：0 Vi Vtn
NMOS截止 Idsn = 0 PMOS导通
Vdsn = Vdd
Vdsp = 0
等效电路如右图所示。
转移特性（续）
2. B区： Vtn Vi ½ Vdd NMOS导通，处于饱和区，等效于一个电流源： n Wn n 2 n Idsn = (Vi - Vtn ) t ox L n 2 称之为NMOS平方率跨导因子。 PMOS等效于非线性电阻：
转移特性（续）
比(n/p)对转移特性的影响，如下图所示。
转移特性（续）
4. D区： Vdd/2 Vi Vdd/2 +Vtp 与B区情况相反： PMOS导通，处于饱和区，
等效一个电流源： p I dsp = (Vi - Vdd Vtp ) 2 2 NMOS强导通，等效于非线性电阻：

在电路中，PMOS和NMOS地位对等，功能互补 它们都是驱动管，都是有源开关，部分的互为负载： 它们都是增强型 MOSFET 对于NMOS有 Vi < Vtn 截止 Vi > Vtn 导通 对于PMOS有 Vi > Vdd - |Vtp| 截止 Vi < Vdd - |Vtp| 导通 对输入和输出信号而言，PMOS和NMOS是并联的
tr ： (Vo=10%VomaxVo=90%Vomax)
tf ： (Vo=90%VomaxVo=10%Vomax)
td ： (Vi=50%VimaxVo=50%Vomax)
CMOS反相器的瞬态特性
i) Vi从1到0, CL充电。
在此过程中，NMOS和PMOS源、漏极间电压的变化过程为： Vdsn：0Vdd |Vdsp|：Vdd0 ，即 123原点
[7] CMOS传输门和开关逻辑
工作原理 传输门：（a）电路（b）符号; (c) 开关逻辑与或门
C C
C A
S
O
F AC BC
3. C区： Vi ½ Vdd
NMOS导通，处于饱和区， PMOS也导通， 处于饱和区， 均等效于一个电流源，等效电路如 右图所示。此时有，
I dsn
n 2 = (Vi - Vtn ) 2
p 2 (Vi - Vdd Vtp )2
Idsp =
转移特性（续）
两个电流必须相等，即 Idsn = Isdp，所以
负 载
v0 －
－
GND
图7.1 TTL反相器的基本电路
VCC Rb1 Rc2 Rc4 T4 A B C T1 T2 D L T3 Re2 B C A &
L A B C
（a）
GND
（b）
图7.3 具有多发射极晶体管的3输入端与非门电路： （a）电路图，（b）符号
VCC R1A R2 R1B T4 A T1A T2A T2B T1B B D L T3 Re2 A B ≥1 R4
注意2：
NMOS的源极接地， 漏极接高电位； PMOS的源极接Vdd， 漏极接低电位。
注意3： 输入信号Vi对两管来说， 都是加在g和s之间， 但 是由于NMOS的s接地， PMOS的s接 Vdd，所以 Vi对两管来说参考电位是不同的。
[2]. 转移特性
在分析CMOS反相器的特性时，注意如下事实：
类似于前面看 到过的高阻的 三态倒相器. 当 f1 为高电平 时，门工作就 象一个倒相器. OUT=/IN 当 f1 为低电平 时, 输出变成 高阻态， OUT=‘Z’
预充求值逻辑 PE (Pre-charge-Evaluate) Logic

该电路正常工作时可以分为两个阶段： I）当 f1 为低电平时，预充晶体管导通(ON)，求值晶体管截至(OFF)， 对输出结点进行充电. II）当 f1 为高电平时，预充晶体管截至(OFF)，求值晶体管导通 (ON)， 根据输入信号对输出结点进行求值.