數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)——CMOS門電路 (非門、或非門、與非門、或門、與門、與或非門、異或門、OD門、傳輸門、三態(tài)門)

先了解二極管門電路邏輯，再次介紹CMOS門電路，也是IC中用的最廣泛的門電路。

主要了解與非門、或非門以及相同面積的cmos與非門和或非門哪個(gè)更快。OD門、傳輸門、三態(tài)門。

一、二極管門電路

CMOS門電路介紹之前，先介紹二極管門電路：

1. 與門

只要有一個(gè)為低電平，Y端就被拉低到0.7V

2. 或門

只要有一個(gè)為高電平，Y端就被拉高到2.3V

3. 二極管門電路的缺點(diǎn)

輸出的高低電平數(shù)值和輸入的高低電平不相等，相差一個(gè)導(dǎo)通電壓，如果輸出作為下一級(jí)門輸入信號(hào)，將發(fā)生高、低電平偏移

輸出端對(duì)地接上負(fù)載電阻，組在電阻的改變會(huì)影響輸出高電平。因此，這種電路只用作IC內(nèi)部的邏輯單元，并不能作為輸出端直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。

二、CMOS 門電路

1. 反相器(非門)

反向器的介紹可以參考

數(shù)字電路基礎(chǔ)知識(shí)——反相器的相關(guān)知識(shí)(噪聲容限、VTC、轉(zhuǎn)換時(shí)間、速度的影響因素、傳播延時(shí)等)

2. 常用的邏輯門：或非門、與非門

除了反相器，比較常用的有 或非門、與非門、或門、與門、與或非門、異或門等。

邏輯表達(dá)式分別為：

Y=(AB)’

T=(A+B)'

下面主要了解下與非門其缺點(diǎn)、和改進(jìn)的電路.

主要缺點(diǎn)：

1)輸出電阻R0受輸入狀態(tài)影響,即輸出電阻不一樣，能夠相差四倍。如：

A=1, B=1，則R0 = Ron2 + Ron4 = 2Ron

A=0, B=0，則R0 = Ron2 // Ron4 = 1/2Ron

A=0, B=1，則R0 = Ron1 = Ron

A=0, B=0，則R0 = Ron3 = Ron

2)輸出的高低電平受輸入端數(shù)目的影響

輸入端越多，，串聯(lián)的驅(qū)動(dòng)管數(shù)目也越多，輸出的VOL越高，VOH也更高。

當(dāng)輸入端全部為低電平時(shí)，輸入端越多負(fù)載并聯(lián)的數(shù)目越多，輸出的高電平VOH也越高。

3)使T2、T4的Vgs達(dá)到開啟電壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的Vi也會(huì)不同

相同面積的cmos與非門和或非門哪個(gè)更快——與非門會(huì)更優(yōu)

學(xué)過半導(dǎo)體器件都知道，電子遷移率是空穴的2.5倍(在硅基CMOS工藝中)，運(yùn)算就是用這些大大小小的MOS管驅(qū)動(dòng)后一級(jí)的負(fù)載電容，翻轉(zhuǎn)速度和負(fù)載大小一級(jí)前級(jí)驅(qū)動(dòng)能力相關(guān)。為了上升延遲和下降延遲相同，PMOS需要做成NMOS兩倍多大小。

載流子的遷移率，對(duì)PMOS而言，載流子是空穴;對(duì)NMOS而言，載流子是電子。

PMOS采用空穴導(dǎo)電，NMOS采用電子導(dǎo)電，由于PMOS的載流子的遷移率比NMOS的遷移率小，所以，同樣尺寸條件下，PMOS的充電時(shí)間要大于NMOS的充電時(shí)間長。

在互補(bǔ)CMOS電路中，與非門是PMOS管并聯(lián)，NMOS管串聯(lián)，而或非門正好相反，所以，同樣尺寸條件下，與非門的速度快，所以，在互補(bǔ)CMOS電路中，優(yōu)先選擇與非門。

針對(duì)上面問題進(jìn)行改進(jìn)

采用或非門加反相器(緩沖器 就是與非門，如上圖所示。

帶緩沖的門電路，輸出電阻、輸出的高低電平以及電壓傳輸特性將不受輸入端狀態(tài)的影響

對(duì)于或非門，則是與非門加緩沖器。

3. OD門(漏極開路的門電路)

OD門：為了滿足輸出電平的轉(zhuǎn)換，吸收大負(fù)載電流以及線與邏輯，將MOS改為漏極開路

OD輸出的與非門結(jié)構(gòu)圖如下：

OD門工作必須接上拉電阻RL到電源上。

OD門的應(yīng)用：可以將多個(gè)OD門輸出端直接相連，實(shí)現(xiàn)線與邏輯，即將輸出并聯(lián)使用，可以實(shí)現(xiàn)線與或用作電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)。如下圖所示：

Y1、Y2中任何一個(gè)為低電平，輸出都為低電平，同時(shí)為高時(shí)，輸出才為高電平。

4. 傳輸門

CMOS傳輸門：利用P溝道MOS管和N溝道MOS管互補(bǔ)的特性連接如下圖

T1是N溝道增強(qiáng)型MOS管，T2是P溝道增強(qiáng)型MOS管。T1和T2的源極和漏極分別相連作為傳輸門的輸入端和輸出端。C和C’是互補(bǔ)的控制信號(hào)。

由于CMOS傳輸門的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，所以，輸出端和輸入端可以互換，是一個(gè)雙向器件。

CMOS傳輸門的應(yīng)用：

1)傳輸門和反相器構(gòu)成異或門電路：

A=1，B=0，TG1截止，TG2導(dǎo)通，Y=B’=1

A=0，B=1，TG1導(dǎo)通，TG2截止，Y=B=1

A=0，B=0，TG1導(dǎo)通，TG2截止，Y=B=0

A=1，B=1，TG1截止，TG2導(dǎo)通，Y=B‘=0

2)模擬開關(guān)：

由傳輸門和一個(gè)反相器組成，雙向器件。

傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)。

5. 三態(tài)門

1)高阻態(tài)：

三態(tài)門除了高低電平，還有第三個(gè)狀態(tài)——高阻態(tài)。

高阻態(tài)：電路的一種輸出狀態(tài)，既不是高電平也不是低電平，如果高阻態(tài)再輸入下一級(jí)電路的話，對(duì)下級(jí)電路無任何影響，可以理解為斷路，不被任何東西所驅(qū)動(dòng)，也不驅(qū)動(dòng)任何東西。

三態(tài)門常用在IC的輸出端，也稱為輸出緩沖器

2)下圖是CMOS三態(tài)輸出反相器的結(jié)構(gòu)：

當(dāng)EN’=0時(shí)，Y=A’：

A=1,G4、G5的輸出為高電平，T1截止、T2導(dǎo)通，Y=0;

A=0,G4、G5的輸出為低電平，T1導(dǎo)通、T2截止，Y=1;

當(dāng)EN’=1時(shí)，不管A為高低狀態(tài)，G4輸出高電平，G5輸出低電平，T1和T2同時(shí)截止，輸出呈現(xiàn)高阻態(tài)。

3)三態(tài)門的應(yīng)用：

減少各單元之間的連線數(shù)目：

數(shù)據(jù)的雙向傳輸：

4)還有幾種常見的三門結(jié)構(gòu)：

圖一：

三態(tài)非門，當(dāng)~ EN為1時(shí)，最上面的PMOS和最下面的NMOS管截止，無論A取什么狀態(tài)，輸出為高阻態(tài)，反之輸出為 Y= ~ A

圖二：

利用一個(gè)與非門，得到三態(tài)緩沖門，當(dāng)~EN為高電平時(shí)，最上面的PMOS管截止，輸出為高阻態(tài)，反之，輸出為 Y=A

圖三：

三態(tài)非門，在反相器后面加一個(gè)傳輸門，當(dāng)~EN為低電平，傳輸門導(dǎo)通，輸出 Y = ~A，反之傳輸門截止，輸出高阻態(tài)。如果想要EN高電平有效，交換傳輸門上下端子的反相器即可。

圖四：

利用一個(gè)與非門，得到三態(tài)緩沖門，當(dāng)~EN為高電平時(shí)，最上面的PMOS管截止，輸出為高阻態(tài)，反之，輸出為 Y=A