一.概述

1.门电路：实现基本运算，复合运算的单元电路，例如与门，与非门，或门等，门电路中以0或者1表示高低电平





2.获得高低电平的基本原理





对于电阻R有一些说明：

电阻R的取值不宜太大也不宜太小。输出高电平电阻R充当电压源内阻的作用，为了保护电压源因此要有一定阻值的电阻R，但是不能太大，如果太大的话输出电阻过大，带负载能力就不够强。如果是输出低电平的时候，则电阻R就应该大一些。综上看来最终输出的高低电平一定是有一个变化范围的



如果将此电路的开关部分更换成二极管的话，就会显露出很多的缺点：

二.CMOS门电路

CMOS门电路的输入输出特性曲线就是两个管子输出特性曲线的重叠（中心思想就是因为在在不加负载的情况下，任意时刻流过这两个管子的电流是相同的），如下所示：





CMOS门电路的电压电流传输特性：





注：对于CMOS门电路来说上下两只管子只有在电压值处于二分之一VDD的时候流过的电流才会很大（称为尖峰电流），其余时刻虽然有电压但是导通电流基本为零，这就是有电压但是不一定有功耗的典型例子。因此基于CMOS门电路的数字电路往往都会有一个特点：只有在进行电平切换的时候电路才会产生功耗，并且频率越高功耗越大。

2.CMOS门电路的输入

由于晶体管的门级做的特别薄，因此极容易击穿，所以对于CMOS门电路的输入级都会有保护电路，较为典型的如下：





这几个二极管的作用为：当输入高电平的时候，如果高电平的值超过Vdd+0.7则二极管就会导通，当输入低电平的时候，如果输入低电平的值低于-0.7,则二极管就会导通。从而在高低电平的输入上都会对COMS门电路进行保护。

3.CMOS门电路的输出

CMOS门电路不管是输出高电平还是输出低电平都可以被看成是一个有内阻的电压源，在挂接负载的情况下输出电压可能被抬高也可能被拉低（输出高电平的时候被拉低，输出低电平的时候电流灌进来电位被拉高），而电压源的内阻就是D-S之间导通的等效电阻。



①在输出低电平的情况下：




②在输出高电平的情况下：

4.CMOS反相器的动态特性

1.传输延迟时间

①为什么会有传输延迟时间：输入端和输出端都会有等效电容，并且输出端在导通的情况下会有输出电阻，因此COMS门电路中就会形成R-C等效电路

②延迟时间与什么相关：影响延迟时间的主要有两个物理量，第一个是等效电容的容量，第二个是Vdd的值，因为Vdd的值会影响场效应管栅源之间导通的等效电阻。





2.功耗

总功耗=动态功耗+静态功耗

其中静态功耗极小，与动态功耗相比几乎可以做到忽略不计。

动态功耗的计算如下：



①导通功耗：





②负载电容充放电的功耗：





动态功耗=导通功耗+负载功耗

三.其它类型的CMOS门电路

1.在实现CMOS逻辑运算的时候可以抓住如下的中心思想：

整个电路设计可以分为上拉部分和下拉部分，下拉部分负责电路输出零（只能用NMOS去实现），上拉部分负责电路输出1（只能用PMOS实现）,上拉和下拉凑在一起要覆盖真值表的全部。上拉和下拉部分没有必要分别去设计，如果有了下拉部分的结构，那么在设计上拉部分的时候，串联变成并联，并联变成串联就可以得到上拉部分的结构



2.存在的问题：

在整个数字系统中需要高电平与低电平是同一个范围，即级联的时候每一级的高低电平范围都相同。但是在级联的时候一定会存在如下的问题，例如：





解决此问题的方法就是设置一个带有缓冲级的CMOS门电路，将这种变化消化到电路的内

部。即输入输出都增加反相器**

2.漏极开路门电路**




作用：对于漏极开路门电路来说，可以将输出端并联使用，从而实现线与的功能。或者也可以用漏极开路门电路做电平转换，驱动器但是在使用过程中一定要外加上拉电阻和电源。





注：外接上拉电阻不能太大也不能太小，当输出低电平的时候，此电阻起到的是限流保护作用，当输出高电平的时候此电阻作为电压源内阻来使用。



3.三态输出门





注：三态门电路使用最多的地方就是总线上，即设备与设备之间存在物理连接，但是他们之间并不产生电气连接。