数字电路（3）门电路（二）

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数字电路（2）门电路（一）

文章目录

四、CMOS反相器的电路结构和工作原理

五、CMOS反相器的静态输入特性和输出特性

六、CMOS反相器的动态特性

七、其他类型CMOS门电路

四、CMOS反相器的电路结构和工作原理

4.1 CMOS反向器的电路结构

如下的电路结构形式称为互补对称式金属-氧化物-半导体电路（Complementary-Symmetery Metal -Oxide-Semiconductor Circuit，简称CMOS电路），优点是静态功耗小，因为T1和T2有一个是截止的，且MOS管的截止内阻极高。

4.2 电压传输特性和电流传输特性

假如T1和T2的阈值电压、导通内阻Ron和截止内阻Roff都一样，输出电压与输入电压的曲线如下

在AB段，T1导通，T2截止，输出为VDD；

在BC段，T1和T2同时导通，因为假设的T1和T2参数一样，在输入为1/2VDD时，输出也为1/2VDD；

在CD段，T1截止，T2导通，输出为0；

ID电流也是一样，在AB和CD段，有一个管子截止，因截止内阻很高，所以ID几乎为0；在1/2VDD时，ID的电流最大。

4.3 输入端噪声容限

定义：在保证输出高低电平基本不变（变化大小不超过规定容许范围内）的条件下，容许输入信号的高低电平有一个波动范围，这个范围称为输入端的的噪声容限。

输入高电平噪声容限：（一级门电路输出高电平的最低值是Voh(min)，二极门电路输入高电平最小是Vih(min)，如果再小，二极门电路就无法识别为1了，所以噪声容限是两者之差）

输入低电平噪声容限：（一级门电路输出低电平的最大值是Vol(min)，二极门电路输入低电平的最大值是Vil(max)，如果再大，二极门电路就无法识别为0了，所以噪声容限是两者之差）

五、CMOS反相器的静态输入特性和输出特性

5.1 输入特性

输入特性指的是输入电压与输入电流的关系，如下是CMOS反相器的保护电路，主要用了两个二极管D1和D2，用到二极管的单向导电性和钳位特性，C1和C2是MOS管的G极等效电容，一般是不画出来的，我们知道这个地方有等效电容即可。

对于D1来说，负极连接到VDD，所以D1的正极不会超过VDD+Vdf（Vdf是二极管的正向导通压降，二极管正负极之间差是二极管的压降），即保证了T2的G极电压不超过VDD+Vdf；

对于D2来说，正极连接到GND，所以D2的负极会钳位在-Vdf，T1是PMOS管，导通条件是S和G之间差（正数）大于Vsg(th)，所以D2保护T1的S和G之间电压不超过VDD+Vdf，即电容C1两端的电压。

实际选用D1和D2的时候，需要考虑D1的正向导通电流和D2的反向导通电流。

如下是输入特性曲线，结合上面，可以看出，在-Vdf<Vi<VDD+Vdf时，i≈0；当Vi>VDD+Vdf或者Vi<-Vdf的时，电流i的绝对值随着Vi的绝对值增加迅速增大，电流的绝对值由输入信号的电压和内阻决定。

5.2 输出特性

输出特性可以参考我之前写的灌电流和拉电流文章，低电平输出其实是VDD通过RL对CMOS端口的灌电流，高电平输出其实是CMOS输出对负载RL的拉电流，文章见：灌电流和拉电流

5.2.1 低电平输出特性

在负载RL一定时，也就是IOL一定时，随着VDD的增加，MOD管的导通压降会减小，Vol的值减小。（Vol的值可以看做VDD落在RL和MOS管Ron之间的分压，当Ron越小时，Vol自然变小。）

在VDD一定时，也就是MOS管的导通内阻Ron一定时，随着负载RL的减小，也就是IOL的增大，Vol的值会增大。（Vol的值可以看做VDD落在RL和MOS管Ron之间的分压，当RL越小时，Vol自然增大。）

5.2.2 高电平输出特性

如下，MOS管输出Voh是VDD减去MOS管的导通压降。

在MOS管的输入VDD一定时，也就是MOS管的导通内阻一定，随着负载电流的增大，MOS管的导通压降增大，Voh下降。（这个理解为：在输出空载时，输出可以保持稳定，但是随着负载电流的增大，输出不足以支撑这个负载，所以输出会下降）

在负载电流IOH一定时，随着MOS管的Vsg增大，MOS管的导通内阻减小，Voh增大。（这个可以理解为：负载是不变的，理想状态下，MOS管输出是稳定的，但是MOS管会有导通损耗，MOS管的导通内阻越小，导通损耗越小，所以Voh越高，如果MOS管的导通内阻越大，即导通损耗越大，所以Voh越低）

六、CMOS反相器的动态特性

6.1 传输延迟时间

$T_{PHL}$ 和 $T_{PLH}$ 存在的原因是MOS管的负载电容充放电产生的，缩短这个时间需要减小负载电容和MOS管导通内阻。

6.2 交流噪声容限

6.3 动态功耗

CMOS反相器从一种稳定工作状态转换为另一种稳定状态的过程中，产生附加的功耗，称为动态功耗。

对负载电容充放电的功耗 $P_{c}=C_{L}fV^{2}DD$ （ $C_{L}$ 是输出端电容）

两个MOS管T1和T2短时间同时导通的功耗 $P_{T}=C_{PD}fV^{2}DD$ （ $C_{PD}$ 是功耗电容，具体数值由制作商给出）

总的动态功耗 $P_{D}$ 等于 $P_{c}$ 和 $P_{T}$ 之和。

七、其他类型CMOS门电路

1、CMOS与非门

A=B=0，T1和T3导通，T2和T4截止，Y=1

A=1，B=0，T1截止，T2导通，T3导通，T4截止，Y=1

A=0，B=1，T1导通，T2截止，T3截止，T4导通，Y =1

A=B=1，T1和T3截止，T2和T4导通，Y=0

综上会得到Y=（AB）'

2、CMOS或非门

3、漏极开路（OD门）

线与逻辑：将几个OD的输出端直接相连可实现线与。

Y=Y1*Y2=(AB)'(CD)'=(AB+CD)'

4、CMOS传输门

C=0，C'=1，T1和T2截止

C=1，C'=0，T1和T2导通

下面是用反相器和传输门组成的异或门电路

由上图可知：

A	B	TG1	TG2	Y
0	0	开	关	Y=B=0
1	0	关	开	Y=B'=1
0	1	开	关	Y=B=1
1	1	关	开	Y=B'=0

传输门可用作如下的模拟开关，C=0，SW是关闭；C=1，SW是开启。

在SW开启状态，假设SW的导通内阻为 $R_{TG}$ ，则有 $V_{o}=\frac{R_{L}}{R_{L}+R_{TG}}*V_{I}$ ，定义电压传输系数为

5、三态门

EN'=0，A=1，T1截止，T2导通，Y=0

EN'=0，A=0，T1导通，T2截止，Y=1

EN'=1，T1和T2都是截止，Y是高阻态

所以说EN'的有效电平是低电平，逻辑符号上有一个小圆圈。

如下是利用三态门实现的数据双向传输

EN=1，G1通，数据从Do→总线

EN=0，G2通，数据从总线→ $D_{I}^{'}$