模擬IC設(shè)計原理圖1：邏輯電路是如何通過MOS管實現(xiàn)的

今天來聊聊我們常用的邏輯電路是如何通過MOS管實現(xiàn)的。

如果你還沒開始接觸CMOS管也不用著急，我會用簡單的結(jié)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(guān)就可以了。

下面我們直接進(jìn)入實例。

1.反相器 （INV）

反相器的MOS管實現(xiàn)

如圖，這個反相器可以理解為是由兩個電壓控制的開關(guān)組成。

（眼細(xì)的朋友可能會發(fā)現(xiàn)，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(guān)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(dāng)IN時低電平時，PMOS管導(dǎo)通，NMOS管關(guān)閉，因此這個電路可以理解為輸出端ZN通過導(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時低電平時，NMOS管導(dǎo)通，PMOS管關(guān)閉，因此這個電路可以理解為輸出端ZN通過導(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，這個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 。因此我們稱這個電路為反相器或者 非門 。此外還能看出一個結(jié)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(dǎo)線的東西，專業(yè)點的稱呼好像是叫BUFF，然后三角形末端的圓表示一個“負(fù)號”（“翻轉(zhuǎn)”）的意思。

理解了反相器（非門），那么我們就想來通過MOS管實現(xiàn)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(xiàn)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(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POMS電路塊和NMOS電路塊是一個互補的關(guān)系；）

c.要求NMOS端導(dǎo)通帶來低電壓時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塊實現(xiàn)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(xiàn)邏輯式

Y=~(A&&B)

因為NMOS管是柵極高電壓導(dǎo)通，這正好符合這個式子A,B高電平有效，即直接對A,B進(jìn)行運算，且當(dāng)式子 (A&&B)=1時，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，由此只需要實現(xiàn) A,B兩信號的邏輯與關(guān)系就可以了。這個關(guān)系邏輯與關(guān)系，可以直接通過MOS開關(guān)串聯(lián)的思路實現(xiàn)。即當(dāng)A=1時開關(guān)A閉合，當(dāng)B=1時開關(guān)B閉合，兩者串聯(lián)就是要求A,B同時等于1時這個線路才導(dǎo)通，如下圖所示，且這里NMOS管的導(dǎo)通會把NMOS管源極的低電平導(dǎo)通過來，因此這個正好對應(yīng)關(guān)系式Y=~(A&&B) ；所以我們只需要串聯(lián)兩個NMOS管就可以實現(xiàn)NMOS塊了，如圖（與非門的MOS管實現(xiàn)）所示。

與開關(guān)邏輯

PMOS塊我們考慮實現(xiàn)這個邏輯式

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

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

或開關(guān)邏輯

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

與非門Symbol

3.或非門（NOR）

或非門的MOS管實現(xiàn)

或非門邏輯關(guān)系式：

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

理解了我對與非門的分析，那么或非門也能很快自己搭建出來。

用NMOS管并聯(lián)實現(xiàn)對 A,B 的邏輯或功能，用PMOS管串聯(lián)實現(xiàn)對 (~A),(~B) 的邏輯與功能,如上圖（或非門的MOS管實現(xiàn)）所示。

或非門Symbol

4.異或門（XOR）

異或門的MOS管實現(xiàn)

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

異或門Symbol