模擬IC設計原理圖：邏輯電路是如何通過MOS管實現的

來源：小禺學習日記| 發布日期：2023-10-30 15:47

今天來聊聊我們常用的邏輯電路是如何通過MOS管實現的。

如果你還沒開始接觸CMOS管也不用著急，我會用簡單的結論來描述我要用到的MOS管的功能，只需要把CMOS管看作一個受電壓控制的開關就可以了。

下面我們直接進入實例。

1.反相器（INV）

反相器的MOS管實現

如圖，這個反相器可以理解為是由兩個電壓控制的開關組成。

（眼細的朋友可能會發現，這兩個MOS管的右端不止有兩個端口，在正中間還有一個接口，我們暫時不考慮這個接口，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管的開關功能，那么我們來分析一下這個電路的功能。

可見，電路由一個NMOS管和一個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MOS管的漏極同時連接輸出端口 ZN,兩個MOS管的柵極同時接在輸入端 IN。

當IN時低電平時，PMOS管導通，NMOS管關閉，因此這個電路可以理解為輸出端ZN通過導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IN時低電平時，NMOS管導通，PMOS管關閉，因此這個電路可以理解為輸出端ZN通過導線直接連接地電壓 GND，因此輸出端ZN直接輸出低電壓 GND；

由此可見，這個電路的功能是使輸入的低電壓轉換成高電壓，使輸入的高電壓轉換成低電壓。用數字電路的語言就是， 輸入0，PMOS管導通，NMOS管關閉，則輸出1；輸入1，NMOS管導通，PMOS管關閉,則輸出0。因此我們稱這個電路為反相器或者非門。此外還能看出一個結論，輸出低電壓時是NMOS在工作PMOS不工作，輸出高電壓時是PMOS管在工作NMOS不工作。

反相器Symbol

我們一般會在電路中用這個符號來表示非門，三角形表示一個類似于導線的東西，專業點的稱呼好像是叫BUFF，然后三角形末端的圓表示一個“負號”（“翻轉”）的意思。

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

2.與非門（NAND）

與非門的MOS管實現

一般結論的理論分析：

條件：

a.NMOS管柵極接高電壓才導通，且負責輸出低電壓；

b.PMOS管柵極接低電壓才導通，且負責輸出高電壓；

（可見POMS電路塊和NMOS電路塊是一個互補的關系；）

c.要求NMOS端導通帶來低電壓時PMOS端不能導通出高電壓，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塊實現的邏輯功能是一個等價的邏輯運算式就可以了。

考慮我們這個實例，與非門：

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

NMOS塊我們考慮實現邏輯式

Y=~(A&&B)

因為NMOS管是柵極高電壓導通，這正好符合這個式子A,B高電平有效，即直接對A,B進行運算，且當式子 (A&&B)=1時，輸出低電平，即正好滿足NMOS管的負責低電平且輸入要求高電平有效，由此只需要實現 A,B兩信號的邏輯與關系就可以了。這個關系邏輯與關系，可以直接通過MOS開關串聯的思路實現。即當A=1時開關A閉合，當B=1時開關B閉合，兩者串聯就是要求A,B同時等于1時這個線路才導通，如下圖所示，且這里NMOS管的導通會把NMOS管源極的低電平導通過來，因此這個正好對應關系式Y=~(A&&B)；所以我們只需要串聯兩個NMOS管就可以實現NMOS塊了，如圖（與非門的MOS管實現）所示。