硬件工程师必会模块之MOS管基本门逻辑电路

原创 启芯硬件 2024-01-31 17:06

本文你可以学到什么?

1.  MOS管构成的缓冲器Buffer和漏极开路门 OD门是数字电路非常重要的概念,怎么构成的;
2. 反相器,线与逻辑怎么玩,又怎么用呢?
3.  根据原理图,真值表,应用典型电路全面了解基本的逻辑门,与门,或门,与非门。
4.  半导体SS, TT, FF是怎么回事?
         

 

1. MOS管逻辑电路(与门,或门,非门等)
作为硬件工程师,不能不懂芯片;而要想懂芯片,MOS管构成的各种基本逻辑电路必须熟记于心,才能够更熟练的看懂芯片框图。场效应管(Field-Effect Transistor)通过不同的搭配可以构成各种各样的门电路,如开篇所说,这些最基本的单元电路或许是现代IC的基础。以下的电路形式在常用的74系列的芯片中大量存在着,之后介绍的OD门,缓冲器则常见于芯片的GPIO口等管脚的设计。         
         
MOS管构成基本的与门、或门电路          
与门可以由六个管子构成,通过示意图应该能更清楚看出与门的工作示意图,然后由真值表可以看出输入输出的对应关系。本文中给出与门的对应电路,如有兴趣,大家可以思考或门的电路结构,其实二者是存在对应关系的。         
   
         

 

2. 反相器          
下图则给出了反相器的电路图,输入和输出状态相反,谓之反相器。         
         
电路分析:          
输入Vi为低电平时,上管导通,下管截止,输出为高电平;输入Vi为高电平时,上管截止,下管导通,输出为低电平。
与非门          
下图则给出了与非门的电路图,与非门也就是同为零,异为一。         
  1. 当A,B输入均为低电平时,1,2管导通,3,4管截止,C端电压与Vdd一致,输出高电平。
  2. 当A输入高电平,B输入低电平,1,3管导通,2,4管截止,C端电位与1管的漏极保持一致,输出高电平。
  3. 当A输入低电平,B输入高电平,2,4导通,1,3管截止,C端电位与2管的漏极保持一致,输出高电平。
  4. 当A,B输入均为高电平时,1,2管截止,3,4管导通,C端电压与地一致,输出低电平。
4. 缓冲器Buffer         
CMOS缓冲器(buffer),缓冲器跟反相器是对立的,缓冲器输入与输出相同,反相器输入与输出相反。         
         
         
电路分析:          
前面一级Q1,Q2组成了一个反相器;后面一级Q3,Q4又构成了一个反相器,相当于反了两次相,于是又还原了。 
       
5. 漏极开路门          
漏极开路门是一个十分经典常用的电路,常见于主芯片的GPIO口或者单片机的GPIO口的设计中。要最重要的一点就是:漏极开路是高阻态,一般应用需要接上拉电阻。         
【漏极开路门的应用-线与逻辑】Z=z1xz2xz3          
         
“线与”逻辑是因为多个逻辑单元的输出的三极管,共享一个上拉电阻,只要一个逻辑单元输出低电平,即集电极(漏极)开路输出的管子导通,那么输出低电平;而只有全部单元截止,输出端被上拉电阻置为高电平,这是一个很实用的电路,可以用于逻辑仲裁等电路系统中。
或许工作几年后,一般会觉得二极管三极管电路很简单,那只能说明研究得还不够深入。有时候越简单的东西底层的东西其实更复杂。比如从工艺角度来说,晶体管分为TT, SS, FF, IC设计是绕不过这些的,基础也并不容易,考虑到更深入一些,又觉得只学到皮毛。         
         

 

总结:
MOS管(金属氧化物半导体场效应晶体管)是一种常见的半导体器件,用于构建数字逻辑电路。它可以用来实现基本门逻辑电路,如与门、或门、非门等。
与门(AND Gate):由两个MOS管串联构成。当且仅当输入信号A和输入信号B同时为高电平时,输出信号才为高电平。
或门(OR Gate):由两个MOS管并联构成。当输入信号A或输入信号B至少有一个为高电平时,输出信号为高电平。
非门(NOT Gate):由一个MOS管构成。当输入信号为高电平时,输出信号为低电平;当输入信号为低电平时,输出信号为高电平。
异或门(XOR Gate):由多个MOS管组合构成。异或门输出信号为高电平的条件是输入信号中的高电平个数为奇数。
这些门逻辑电路是数字电路中最基本的构建模块,可以用于构建更复杂的数字逻辑电路和计算机芯片。
         

 

启芯硬件 资深硬件工程师,聚焦电路设计,SIPI仿真,芯片设计等~
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