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CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

迄今我们对晶体管逻辑电路的分析局限于TTL设计范式,即使用双极晶体管,并维持悬空输入等同于“高”(接Vcc)输入、允许“开集电极”输出级的通用策略。但这不是构建逻辑门的唯一方式。

场效应晶体管

场效应晶体管,特别是绝缘栅型,可用于门设计。因其受电压控制而非电流控制,IGFET使电路更简洁。观察下图由P沟道和N沟道IGFET构成的反相器:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

正电源上标签 Vdd 遵循与TTL中 Vcc 相同约定:指施加于场效应管漏极的恒定电压,参考地。

 

增强型IGFET的门操作

低输入

接电源和输入开关观察行为。注意这些IGFET为E型(增强型)故常关。

仅当栅-漏(或栅-衬底)电压具正确极性时导通。

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

上管为P沟道。当衬底比栅更正(栅相对衬底为负)时,沟道增强,源漏间导通。图中上管开,下N沟道管关(零栅-衬底电压)。

结果输出坚实连接Vdd,对地极高阻,输入“低”(0)时得逻辑“高”(1)。

高输入

切换输入至相反状态:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

下N沟道管饱和,上P沟道保持关。输出变“低”(0)。电路作反相器(非门)。

互补金属-氧化物-半导体(CMOS)

用MOSFET替双极晶体管极大简化反相器设计。输出从不悬空——得益于天然“图腾柱”配置,能同时拉电流和灌电流。

此门优雅源于P、N沟道IGFET的互补使用。此类电路归类为CMOS(互补金属-氧化物-半导体)。

CMOS门的挑战与解决

与TTL不同,CMOS门易受静电高压损坏,悬空时可被无意驱动为逻辑态。因此悬空输入应始终避免。

悬空输入问题

考虑单刀开关一状态将输入接Vdd或地,另一状态悬空:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

类似,开集电极TTL输出(高时悬空)可致CMOS输入未定:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

上拉与下拉电阻

为稳定悬空输入,接电阻至Vdd(上拉)或地(下拉)。典型值10kΩ,精确阻值不关键。

上拉示例:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

下拉示例:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

开集电极TTL输出接CMOS输入时,需上拉电阻定义高态:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

多输入CMOS门每输入需各自上拉或下拉电阻。

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

设计多输入CMOS门

CMOS与非门

下图为典型CMOS与非原理图:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

Q1和Q3形成受输入A控制的串联P/N沟道对,Q2和Q4为输入B形成类似对。上管从Vdd拉电流,下管灌电流至地。仅当两下管同时导通(即两输入均高)时输出低。

真值表图解

下图为与非门四种输入组合行为的可视化描绘:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

CMOS与门

与门可在与非输出加反相器级获得:

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

CMOS或非门

类似与非,或非门用四MOSFET但排列不同:两串联拉电流管和两并联灌电流管。仅当两输入均低时输出高。

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

CMOS或门

在或非输出加反相器得或功能。

 

CMOS门电路:设计、操作与TTL对比

 

TTL与CMOS:优缺点

TTL和CMOS均可实现任意逻辑功能,但在关键方面差异显著:

提升CMOS速度:B系列门

缓解CMOS较慢响应,可在输出加缓冲器(两级联反相器),增压增益加速翻转。虽逻辑冗余,额外级放大信号摆幅提升性能。

 

复习

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