电子技术——CMOS 逻辑门电路

电子技术——CMOS 逻辑门电路

在本节我们介绍如何使用CMOS电路实现组合逻辑函数。在组合电路中，电路是瞬时发生的，也就是电路的输出之和当前的输入有关，并且电路是无记忆的也没有反馈。组合电路被大量的使用在当今的数字逻辑系统中。

晶体管的开关模型

CMOS数字电路使用NMOS和PMOS晶体管作为开关使用。之前，我们知道，MOS可以工作在三极管区（相当于开关闭合），也可工作在截止区（相当于开关断开）。

特别的，当一个NMOS作为闭合的开关的时候，此时栅极电压处于高电压，相当于一个从漏极到源极直接相当小的一个电阻 $R_{on}$ 或 $r_{DS}$ ，通常处在高电压 $V_{DD}$ 状态，表示逻辑1。相反，当栅极为低电压的时候，此时MOS截止，表示逻辑0，没有电流流过MOS，如图：

而PMOS则工作在相反的状态，栅极高电压，MOS管截止，栅极低电压，MOS管导通，如图：

我们观察到MOS管的栅极通常是逻辑控制输入节点，通常作为逻辑门的输入端。

CMOS反相器

在了解MOS开关的工作方式之后，先让我们制作一个反相器。正如其名，反相器可以逆转输入的逻辑，即输入0输出1，反之亦然。因此该功能可以使用布尔函数表示为：

$$Y=\overline{X}$$

其抽象电路模型和实现电路如图所示：

它由一对CMOS组成，栅极相连，作为输入端 $X$ ，漏极相连作为输出端 $Y$ 。当 $X=1$ 的时候，即 $V_X=V_{DD}$ ，此时PMOS截止，而NMOS导通，输出 $Y=0$ 。当 $X=0$ 的时候，PMOS导通而NMOS截止，此时输出 $Y=1$ 。

CMOS逻辑门的一般结构

由上面的反相器我们能总结出CMOS逻辑门的一般结构，反相器由一个NMOS 下拉晶体管 和一个PMOS 上拉晶体管 组成。CMOS逻辑门由两个网络组成：一是 下拉网络PDN 由NMOS组成 ，二是 上拉网络PUN 由PMOS组成。如图：

这两个