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数字电路基础知识——CMOS门电路 (非门、或非门、与非门、或门、与门、与或非门、异或门、OD门、传输门、三态门) 先了解二极管门电路逻辑,再次介绍CMOS门电路,也是IC中用的最广泛的门电路。 主要了解与非门、或非门以及相同面积的cmos与非门和或非门哪个更快。OD门、传输门、三态门。 一、二极管门电路CMOS门电路介绍之前,先介绍二极管门电路: 1. 与门只要有一个为低电平,Y端就被拉低到0.7V 只要有一个为高电平,Y端就被拉高到2.3V 输出的高低电平数值和输入的高低电平不相等,相差一个导通电压,如果输出作为下一级门输入信号,将发生高、低电平偏移 输出端对地接上负载电阻,组在电阻的改变会影响输出高电平。因此,这种电路只用作IC内部的逻辑单元,并不能作为输出端直接驱动负载。 二、CMOS 门电路 1. 反相器(非门)反向器的介绍可以参考 数字电路基础知识——反相器的相关知识(噪声容限、VTC、转换时间、速度的影响因素、传播延时等) 2. 常用的逻辑门:或非门、与非门除了反相器,比较常用的有 或非门、与非门、或门、与门、与或非门、异或门等。 逻辑表达式分别为: Y=(AB)’ T=(A+B)' 主要缺点: 1)输出电阻R0受输入状态影响,即输出电阻不一样,能够相差四倍。如: A=1, B=1,则R0 = Ron2 + Ron4 = 2Ron A=0, B=0,则R0 = Ron2 // Ron4 = 1/2Ron A=0, B=1,则R0 = Ron1 = Ron A=0, B=0,则R0 = Ron3 = Ron 2)输出的高低电平受输入端数目的影响 输入端越多,,串联的驱动管数目也越多,输出的VOL越高,VOH也更高。 当输入端全部为低电平时,输入端越多负载并联的数目越多,输出的高电平VOH也越高。 3)使T2、T4的Vgs达到开启电压时,对应的Vi也会不同 相同面积的cmos与非门和或非门哪个更快——与非门会更优 学过半导体器件都知道,电子迁移率是空穴的2.5倍(在硅基CMOS工艺中),运算就是用这些大大小小的MOS管驱动后一级的负载电容,翻转速度和负载大小一级前级驱动能力相关。为了上升延迟和下降延迟相同,PMOS需要做成NMOS两倍多大小。 载流子的迁移率,对PMOS而言,载流子是空穴;对NMOS而言,载流子是电子。 PMOS采用空穴导电,NMOS采用电子导电,由于PMOS的载流子的迁移率比NMOS的迁移率小,所以,同样尺寸条件下,PMOS的充电时间要大于NMOS的充电时间长。 在互补CMOS电路中,与非门是PMOS管并联,NMOS管串联,而或非门正好相反,所以,同样尺寸条件下,与非门的速度快,所以,在互补CMOS电路中,优先选择与非门。 针对上面问题进行改进 对于或非门,则是与非门加缓冲器。 3. OD门(漏极开路的门电路)OD门:为了满足输出电平的转换,吸收大负载电流以及线与逻辑,将MOS改为漏极开路 OD输出的与非门结构图如下: OD门工作必须接上拉电阻RL到电源上。 OD门的应用:可以将多个OD门输出端直接相连,实现线与逻辑,即将输出并联使用,可以实现线与或用作电平转换和驱动。如下图所示: Y1、Y2中任何一个为低电平,输出都为低电平,同时为高时,输出才为高电平。 CMOS传输门:利用P沟道MOS管和N沟道MOS管互补的特性连接如下图 T1是N沟道增强型MOS管,T2是P沟道增强型MOS管。T1和T2的源极和漏极分别相连作为传输门的输入端和输出端。C和C’是互补的控制信号。 2)模拟开关: 由传输门和一个反相器组成,双向器件。 1)高阻态: 三态门除了高低电平,还有第三个状态——高阻态。 高阻态:电路的一种输出状态,既不是高电平也不是低电平,如果高阻态再输入下一级电路的话,对下级电路无任何影响,可以理解为断路,不被任何东西所驱动,也不驱动任何东西。 三态门常用在IC的输出端,也称为输出缓冲器 2)下图是CMOS三态输出反相器的结构: 3)三态门的应用: 减少各单元之间的连线数目: 图二: 利用一个与非门,得到三态缓冲门,当~EN为高电平时,最上面的PMOS管截止,输出为高阻态,反之,输出为 Y=A 图三: 三态非门,在反相器后面加一个传输门,当~EN为低电平,传输门导通,输出 Y = ~A,反之传输门截止,输出高阻态。如果想要EN高电平有效,交换传输门上下端子的反相器即可。 图四: 利用一个与非门,得到三态缓冲门,当~EN为高电平时,最上面的PMOS管截止,输出为高阻态,反之,输出为 Y=A |
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