模擬IC設(shè)計(jì)原理圖1：邏輯電路是如何通過(guò)MOS管實(shí)現(xiàn)的

今天來(lái)聊聊我們常用的邏輯電路是如何通過(guò)MOS管實(shí)現(xiàn)的。

如果你還沒(méi)開(kāi)始接觸CMOS管也不用著急，我會(huì)用簡(jiǎn)單的結(jié)論來(lái)描述我要用到的MOS管的功能，只需要把CMOS管看作一個(gè)受電壓控制的開(kāi)關(guān)就可以了。

下面我們直接進(jìn)入實(shí)例。

1.反相器 （INV）

反相器的MOS管實(shí)現(xiàn)

如圖，這個(gè)反相器可以理解為是由兩個(gè)電壓控制的開(kāi)關(guān)組成。

（眼細(xì)的朋友可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)MOS管的右端不止有兩個(gè)端口，在正中間還有一個(gè)接口，我們暫時(shí)不考慮這個(gè)接口，只需要記住絕大部分情況下把它與MOS管的源極連接的就行了。）

到此，基本講完了MOS管的開(kāi)關(guān)功能，那么我們來(lái)分析一下這個(gè)電路的功能。

可見(jiàn)，電路由一個(gè)NMOS管和一個(gè)PMOS連接而成，上面的PMOS管源極連接電源電壓 VDD ，下滿的NMOS管源極連接地電壓 GND ，然后兩個(gè)MOS管的漏極同時(shí)連接輸出端口 ZN ,兩個(gè)MOS管的柵極同時(shí)接在輸入端 IN 。

當(dāng)IN時(shí)低電平時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管關(guān)閉，因此這個(gè)電路可以理解為輸出端ZN通過(guò)導(dǎo)線直接連接電源電壓 VDD ，因此輸出端ZN直接輸出高電壓 VDD ；

當(dāng)IN時(shí)低電平時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管關(guān)閉，因此這個(gè)電路可以理解為輸出端ZN通過(guò)導(dǎo)線直接連接地電壓 GND ，因此輸出端ZN直接輸出低電壓 GND ；

由此可見(jiàn)，這個(gè)電路的功能是使輸入的低電壓轉(zhuǎn)換成高電壓，使輸入的高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓。用數(shù)字電路的語(yǔ)言就是， 輸入0，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管關(guān)閉，則輸出1；輸入1，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管關(guān)閉,則輸出0 。因此我們稱這個(gè)電路為反相器或者 非門(mén) 。此外還能看出一個(gè)結(jié)論，輸出低電壓時(shí)是NMOS在工作PMOS不工作，輸出高電壓時(shí)是PMOS管在工作NMOS不工作。

反相器Symbol

我們一般會(huì)在電路中用這個(gè)符號(hào)來(lái)表示非門(mén)，三角形表示一個(gè)類似于導(dǎo)線的東西，專業(yè)點(diǎn)的稱呼好像是叫BUFF，然后三角形末端的圓表示一個(gè)“負(fù)號(hào)”（“翻轉(zhuǎn)”）的意思。

理解了反相器（非門(mén)），那么我們就想來(lái)通過(guò)MOS管實(shí)現(xiàn)更多的邏輯運(yùn)算，而這些邏輯運(yùn)算的基本就是，或、與、非三種基本運(yùn)算，而在MOS管中能直接實(shí)現(xiàn)的是與非門(mén)、或非門(mén)，通過(guò)把與非、或非組合一個(gè)非門(mén)我們就能有基本的或與非三種邏輯運(yùn)算了。下面我們接著來(lái)介紹通過(guò)MOS管搭建與非門(mén)、或非門(mén)、異或門(mén)。

2.與非門(mén)（NAND）

與非門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)

一般結(jié)論的理論分析：

條件：

a.NMOS管柵極接高電壓才導(dǎo)通，且負(fù)責(zé)輸出低電壓；

b.PMOS管柵極接低電壓才導(dǎo)通，且負(fù)責(zé)輸出高電壓；

（可見(jiàn)POMS電路塊和NMOS電路塊是一個(gè)互補(bǔ)的關(guān)系；）

c.要求NMOS端導(dǎo)通帶來(lái)低電壓時(shí)PMOS端不能導(dǎo)通出高電壓，反之亦然；

分析：

要保證電路滿足上面c.條件，我們只需要保證PMOS塊和NMOS塊實(shí)現(xiàn)的邏輯功能是一個(gè)等價(jià)的邏輯運(yùn)算式就可以了。

考慮我們這個(gè)實(shí)例，與非門(mén)：

Y=~(A&&B) =(~A)||(~B)

NMOS塊我們考慮實(shí)現(xiàn)邏輯式

Y=~(A&&B)

因?yàn)镹MOS管是柵極高電壓導(dǎo)通，這正好符合這個(gè)式子A,B高電平有效，即直接對(duì)A,B進(jìn)行運(yùn)算，且當(dāng)式子 (A&&B)=1時(shí)，輸出低電平，即正好滿足NMOS管的負(fù)責(zé)低電平且輸入要求高電平有效，由此只需要實(shí)現(xiàn) A,B兩信號(hào)的邏輯與關(guān)系就可以了。這個(gè)關(guān)系邏輯與關(guān)系，可以直接通過(guò)MOS開(kāi)關(guān)串聯(lián)的思路實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)A=1時(shí)開(kāi)關(guān)A閉合，當(dāng)B=1時(shí)開(kāi)關(guān)B閉合，兩者串聯(lián)就是要求A,B同時(shí)等于1時(shí)這個(gè)線路才導(dǎo)通，如下圖所示，且這里NMOS管的導(dǎo)通會(huì)把NMOS管源極的低電平導(dǎo)通過(guò)來(lái)，因此這個(gè)正好對(duì)應(yīng)關(guān)系式Y=~(A&&B) ；所以我們只需要串聯(lián)兩個(gè)NMOS管就可以實(shí)現(xiàn)NMOS塊了，如圖（與非門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)）所示。

與開(kāi)關(guān)邏輯

PMOS塊我們考慮實(shí)現(xiàn)這個(gè)邏輯式

Y= (~A)||(~B)

因?yàn)镻MOS管是低電平導(dǎo)通，正好符號(hào)這個(gè)式子A,B低電平有效，即直接對(duì) (~A),(~B) 進(jìn)行運(yùn)算，然后PMOS輸出的是高電平，這個(gè)式子也是，此外在這個(gè)式子是邏輯或的關(guān)系，因此只需要要并聯(lián)兩個(gè)PMOS管就可以了。

或開(kāi)關(guān)邏輯

最后把PMOS塊和NMOS塊連接到相同的輸出端口就能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算了。

與非門(mén)Symbol

3.或非門(mén)（NOR）

或非門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)

或非門(mén)邏輯關(guān)系式：

Z= ~(A||B) = (~A)&&(~B)

理解了我對(duì)與非門(mén)的分析，那么或非門(mén)也能很快自己搭建出來(lái)。

用NMOS管并聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì) A,B 的邏輯或功能，用PMOS管串聯(lián)實(shí)現(xiàn)對(duì) (~A),(~B) 的邏輯與功能,如上圖（或非門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)）所示。

或非門(mén)Symbol

4.異或門(mén)（XOR）

異或門(mén)的MOS管實(shí)現(xiàn)

有了基本的或與非邏輯單元，我們就能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能了。在這里展示一下異或門(mén)的實(shí)現(xiàn)。有邏輯運(yùn)算基礎(chǔ)的同志能很快地分析完這個(gè)電路，故不做贅述。

異或門(mén)Symbol