数字电路技术题目解答第五部分共14题

  【题目10】：各种逻辑功能的CMOS门电路是如何组成的?

【相关知识】：CMOS反相器的结构、工作原理，复合CMOS逻辑门。

【解题方法】：以CMOS反相器为基础，不难构成各种逻辑功能的CMOS门。

【解答过程】：图1所示是由增强型NMOS管和PMOS管组成的一个CMOS非门电路。其中两管的栅极相连为输入端，漏极相连后作为输出端，PMOS管的源极接正电源VDD，NMOS管源极接地(或接负电源)。

        从CMOS反相器的工作原理可以知道，不管输入为高电平还是低电平，互补的两管中总有一只导电，另一只截止，使得在稳态时，CMOS门电路的功耗极微，并实现了输入和输出之间的反相关系。

        在CMOS门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有或非门、与非门、或门、与门、与或非门、异或门等几种。它们都是以反相器为基本单元构成的，在结构上保持了CMOS反相器的“互补”特性，即NMOS和PMOS总是成对出现的，因而具有和CMOS反相器同样良好的静态和动态性能。

        图2所示为CMOS与非门和或非门电路结构。将两只增强型NMOS管串联，而两只增强型PMOS管并联后的电路是CMOS与非门，如图2(a)所示。而将两只NMOS管并联、PMOS管串联的则构成了CMOS或非门，如图2(b)所示。

        若输入A、B及输出L的高低电平分别用逻辑1和逻辑0表示，则它们的真值表如表1所示。它们的逻辑功能不难得到验证。

        显然，CMOS与非门和或非门的结构都是以反相器为基本单元构成的，分别包含两个互补对称工作的P、N沟道对管。

        依此类推，在CMOS电路中，还可利用NMOS管的串联和并联，对应的PMOS管并联和串联，以实现更为复杂的逻辑功能，例如与或非门、异或门，等等。

  【题目11】：如何理解CMOS反相器的电压传输特性?

【相关知识】：MOS管的伏安特性曲线、CMOS反相器的结构，工作原理、静态特性。

【解题方法】：通过逐点分析CMOS反相器的输入、输出关系，可以看出它有良好的开关特性。

【解答过程】：CMOS反相器电路如图1（a）所示，图1（b）为其电压传输特性曲线。

        设CMOS非门的电源电压=10V，两管的开启电压为=||=2V。

        (1) 当<2V，截止，导通，输出≈=10V；

        (2) 当2V<<5V，和都导通，但的栅源电压<的栅源电压绝对值，即工作在饱和区，工作在可变电阻区，的导通电阻>的导通电阻，所以，这时开始下降,但下降不多，输出仍为高电平；

        (3) 当=5V，的栅源电压=栅源电压绝对值，两管都工作在饱和区，且导通电阻相等,所以，=(/2)=5V；

        (4) 当5V<<8V，情况与（2）相反，工作在饱和区，工作在可变电阻区，的导通电阻>的导通电阻，所以变为低电平；

        (5) 当>8V，截止，导通，输出=0V。

        可见两管在=/2处转换状态,所以CMOS电路的阈值电压(或称门槛电压) =/2。

        CMOS电压传输特性的过渡区比较陡峭，说明CMOS反相器虽有动态功耗，但其平均功耗仍远低于其它任何一种逻辑电路。这是CMOS电路的突出优点。另外，和的特性接近相同，使电路有互补对称性，即和互为负载管，使阈值电压接近/2，可见，CMOS反相器的电压传输特性曲线比较接近理想的开关特性。