数字IC秋招面试专题（五）逻辑式如何转换为晶体管电路

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在面试中经常会要求画出某一个逻辑表达式的管级电路，之前一直通过公式的死记硬背；最近重新理解了一下。
如果要明白管级电路为什么按特定转换办法。先要理解pmos和nmos。

• 为什么pmos总是作为上管，nmos总是作为下管。

一、pmos和nmos

因为P管电流从S->D，而管子导通的条件是VGS>VTH；

• 如果p管作为下管，那么D极接地，S极电压在管子关断和导通时变化，无法确定。如果p管做下管，那么G区的控制逻辑会相对复杂。
• 如果p管作为上管，那么S接VCC，VGS电压确定，便于控制管子开关。
• nmos也同理分析，所以p管适合做上管，n管适合做下管。
  
  

  明白上述原因后，就可以理解输出的高电平由上管决定，低电平由下管决定。为了保证在某一时刻，输出只能为高电平或低电平，需要结合上管和下管同时来完成逻辑，当上管导通时，下管必然关断。
  比如非门，如下图，一个P管和一个N管串联后，中点输出的就是反逻辑。

• 当A=1时，上管关断，下管导通，输出为0；
• 当A=0时，上管导通，下管关断，输出为1。

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  同理，如果使用上述方式来构建与逻辑，或逻辑，电路将是以下形式。

  从上图可以看出，虽然完成了与、或逻辑的电路实现，但由于其特性：

• P管作为上管，低电平导通，但是输出高电平；
• N管作为下管，高电平导通，但是输出低电平。
  
  
  这就使得管级电路搭建的逻辑式都是反逻辑，比如四管搭建的是与非门、或非门，而与门、或门需要在其输出上再添加一个两管的非门。

二、管级电路的转换

前文已经分析了上管负责控制高电平，下管负责控制低电平；
而与逻辑需要所有输入为1才为1；或逻辑输入有1就为1.
另一方面，如前文所描述，管级电路逻辑都是先实现反逻辑，再加非门实现正逻辑。

只要使用下文提到的四步法，就可以用MOS管搭建任意逻辑的电路。


举个例子：D=AB+C；分析这个逻辑式如果转换

1. 首先需要对整个式子按摩尔公式求反：D=（（（AB）+C）‘）’
2. 先画上管，与为并联，或为串联
3. 下管为相应的并串转换
4. 最后对整体结果取反即可

下面我们看一下分步电路：

这是完成了AB的逻辑；后续还需要完成+C逻辑：

完成上管的基本逻辑后需要对应完成下管逻辑，做法一致，但是与或逻辑相反。

最后由于要整体取反，所以在最后输出在加上一个反相器（这里是否需要取反要根据具体情况）

根据这样做法就能很快速将逻辑式转换为CMOS电路。

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