专题七 CMOS门电路（讲义）-《电子线路》（高教版第二版）高考备考讲练测（安徽省）

电子线路专题复习讲练测 专题七 CMOS门电路 【考纲要求】 知识与技能要点 考试条目 考试水平 A B C D CMOS门电路 1.CMOS门电路的功能、特性及典型应用 √ 2.CMOS门电路的使用规则 √ 3.TTL与CMOS门电路之间的接口技术 √ 【课时安排】 2课时 【知识梳理】 考点一 CMOS门电路 一、CMOS门电路的功能、特性及典型应用 1. CMOS门电路：是以金属—氧化物—半导体场效应晶体管作为开关器件的集成电路。 2. 功能： （1）与非门 图示是CMOS与非门的基本结构形式。 输入与输出的关系：Y= （2）或非门 或非门的典型电路如图所示： 输入与输出的关系：Y= 3. 特性 （1）电压传输特性和电流传输特性 （2）输入特性 图示为74HC和4000系列电路的输入特性。 (3) 输出特性 ①低电平输出特性 当输出为低电平时，即v0=VOL时，反相器的P沟道管截止、N沟道管导通，工作状态如所示，低电平输入特性如图所示。 CMOS反相器的低电平输出状态 CMOS反相器的低电平输出特性 ②高电平输出特性 当输出为高电平时，即v0=VOH时，反相器的N沟道管截止、P沟道管导通，工作状态如图所示，低电平输入特性如图所示。 CMOS反相器的高电平输出状态 CMOS反相器的高电平输出特性 4. 典型应用：微处理器、存储器芯片、传感器电路。 二、CMOS门电路的使用规则 1. 输入电路的静电保护 为防止由静电电压造成的损坏，应注意以下几点： (1)在存储和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。 (2)组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接触。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。 (3)不用的输入端不应悬空。 2. 输入电路的过流保护 由于输入保护电路中的钳位二极管电容流量有限，一般为1mA，所以在可能出现较大电流的场合必须采取以下保护措施： (1)输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。 (2)接入端有大电容时，亦应在输入端与电容之间接入保护电阻。 (3)输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。 3. CMOS电路锁定效应的防护 CMOS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大，这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，CMOS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。 可以采取以下防护措施： (1)在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过不超过规定电压。 (2)芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。 (3)在VDD和外电源之间加线流电阻，即使有大的电流也不让它进去。 (4)当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列顺序：开启时，先开启CMOS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭CMOS电路的电源。 三、TTL与CMOS门电路之间的接口技术 由于TTL和CMOS电路的高低电平和输入输出电流参数各不相同，因而在需要TTL和CMOS两种器件混合使用时，就有一个接口问题。 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，既要满足下列条件： 驱动门的UOH(min)≥负载门的UIH(min) 驱动门的UOL(max)≥负载门的UIL(max) 驱动门的IOH(max)≥负载门的IIH(总) 驱动门的IOL(max)≥负载门的IIL(总) 1. TTL门驱动CMOS门 由于TTL门的IOH(max) 和IOL(max) 远大于CMOS门的IIH 和IIL ，所以TTL门驱动CMOS门时，主要考虑TTL门的输出电平是否满足CMOS输入电平的要求。 (1)TTL门驱动4000系列和74HC系列 当都采用5V电源时，TTL的UOH(min) 为2.4V或2.7V，而CMOS4000系列和74HC系列电路的UIH(min) 为3.5V，显然不满足要求。这时可在TTL电路的输出端和电源之间接一上拉电阻RP。RP 的阻值取决于负载器件的数目及TTL和CMOS器件的电流参数，一般在几百至几千欧之间。 如果TTL和CMOS器件采用的电源电压不同，则应使用OC门，同时使用上拉电阻RP 。 (2)TTL门驱动74HCT系列 74HCT系列与TTL器件电压兼容。它们输入电压参数为UIH(min) =2.0V，而TTL的输出电压参数为UOH(min) 为2.4V或2.7V，因此两者可以直接相接，不需外加其他器件。 2. CMOS门驱动TTL门 当采用5V电源时，CMOS门的UOH(min) 大于TTL门的UIH(min) ，CMOS的UOL(max) 小于TTL门的UIL(max) ，两者电压参数相容。但是CMOS门的IOH 、IOL 参数较小，所以，这时主要考虑CMOS门的输出电流是否满足TTL输入电流的要求。 【真题练讲】 1.（2024年江苏高考真题）CMOS与非门多余输入端应如何处理？ 【答案】通过500Ω电阻接电源。 【解析】若接地或悬空会使输出恒为1，违反与非逻辑。 2.（2023年山东高考真题）TTL与CMOS互连时，能否直接驱动？说明理由。 【答案】不能。TTL高电平（2.4V）不足CMOS要求（＞3.5V），需加上拉电阻。 3.（2023年河北高考真题）关于CMOS特性，错误的是？ A.静态功耗低 B.噪声容限小 C.扇出能力强 D.电源范围宽 【答案】B 【解析】噪声容限达45%电源电压，抗干扰强。 4.（2024年江苏高考真题）CMOS电路相较于TTL的主要优势是？ 【答案】静态功耗低、噪声容限高、电源电压范围宽 【解析】静态功耗为纳瓦级，噪声容限达35%逻辑摆幅，电源支持3~18V。 5.（2023年广东高考真题）CMOS传输门中并联NMOS和PMOS的作用是？ 【答案】互补导通确保全电压范围信号无失真传输 【解析】NMOS传低电平优，PMOS传高电平优，并联覆盖完整输入范围。 6.（2022年浙江高考真题）TTL驱动5V CMOS时，若TTL输出高电平仅2.4V，应如何解决？ 【答案】TTL输出端接上拉电阻至VDD。 【解析】CMOS要求VIH≥3.5V，上拉可提升TTL高电平至5V。 7.（2020年河北高考真题）为提高CMOS驱动TTL的能力，可采取的措施是？ 【答案】并联多个CMOS门 【解析】增大灌电流负载能力。 8.（2023年福建高考真题）CMOS输入端悬空的后果是？ 【答案】易受干扰导致逻辑不稳定 【解析】高输入阻抗使微小噪声被放大。 【限时练习】 1. CMOS门电路的静态功耗特性是______。 【答案】极低（接近0） 【解析】稳态时总有一管截止，无直流通路。 2. TTL门电路输入端悬空时等效为______电平。 【答案】高 【解析】悬空相当于外接大电阻（＞1kΩ），输入电压＞阈值。 3. CMOS电路静态电流极小，是因为______时MOS管总有一个截止。 【答案】静态工作 【解析】互补结构使静态下无直流通路。 4. 用CMOS实现函数F=A·B+，最少需______个MOS管。 【答案】6 【解析】与门（2个MOS）+或门（2个）+非门（2个）。 5. 下列哪项违反CMOS使用规则？ A 闲置输入端接电源 B 手触摸芯片前戴防静电手环 C 输出端直接驱动继电器线圈 【答案】C 【解析】感性负载需加保护二极管。 6. TTL与非门扇出系数取决于（ ）。 A. 输出低电平电流 B. 输入低电平电流 C. 输出高电平电流 D. 输入高电平电流 【答案】AB 【解析】扇出系数由输出低电平电流与输入低电平电流的比值决定。 7. CMOS门电路电源电压范围通常为（ ）。 A. 1.5V~18V B. 3V~5V C. 5V~12V D. 固定5V 【答案】A 【解析】CMOS电源电压范围较宽，适应不同应用场景。 8. CMOS传输门实现信号双向传输时，需（ ）。 A. 单控制信号 B. 互补控制信号 C. 高电平控制 D. 低电平控制 【答案】B 【解析】传输门需一对互补控制信号实现双向导通。 9. 简述CMOS反相器的工作原理。 【答案】CMOS反相器由NMOS和PMOS串联组成。 输入高电平时，NMOS导通、PMOS截止，输出低电平； 输入低电平时，PMOS导通、NMOS截止，输出高电平。 10. TL与CMOS接口技术中，如何实现电平转换？ 【答案】TTL驱动CMOS：通过上拉电阻提升高电平至CMOS阈值； CMOS驱动TTL：直接连接或使用缓冲器增强驱动能力； 使用专用电平转换芯片。 【内容小结】 学科网（北京）股份有限公司 $$