本站原创【摘 要】在充分了解NMOS管和PMOS管电学特性的基础上,我们总结了一个理解和设计传输门逻辑和静态CMOS门逻辑电路的方法,这种方法能够简单易懂的去理解基于MOS器件的传输门和静态CMOS门逻辑电路.运用这种方法,我们也可以方便的去设计传输门和静态CMOS门逻辑电路.我们的方法将静态逻辑门电路和传输门逻辑电路有机的统一起来,便于理解学生的理解和记忆.
【关 键 词】传输门逻辑；CMOS门逻辑；NMOS管；PMOS管
1.引言
21世纪是信息科学的世纪,电子科学与技术是信息科学发展的基础学科.半导体集成电路作为电子科学与技术的核心,是电子类相关专业的重要基础课程.而半导体集成电路这门课程中,静态逻辑电路[1-3]这一块又是比较重要的一部分.静态逻辑电路分为静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路.现有的绝大多数教材表明传输门逻辑电路的理解设计方法和静态CMOS逻辑电路的理解设计方法是不一样的.人们总结出了的一套设计静态CMOS复合逻辑门电路的通用方法[3],其步骤如下：
（1）调整布尔代数式（也叫逻辑关系式）,使得输出为负逻辑.
（2）当逻辑关系式为“或”时,PMOS管串联,NMOS管并联.
（3）当逻辑关系式为“与”时,PMOS管并联,NMOS管串联.
（4）改变尺寸可调整速度或输入阈值.而对于传输门逻辑[3],其理解和设计的方法是二叉判决图BBD.这两类方法不统一,给学生在理解和设计逻辑电路造成很大的麻烦.本论文提出一种能够简易地理解传输门逻辑和静态CMOS门逻辑的方法.运用这种方法,学生也可以简易地设计传输门和静态CMOS逻辑电路.
2.方法
下面我们介绍一下这个方法.我们这个方法分为如下三个部分：
（1）对于单个NMOS管而言,漏极输出C等于源极输入A和栅极输入B的“与”.逻辑表达式为.图1显示了单个NMOS管.根据NMOS管高电压通、低电压阻的特性,我们可以得到.
（2）对于单个PMOS管而言,漏极输出C等于源极输入A和栅极输入B的“非”的“与”.逻辑表达式为.图2显示了单个PMOS管.根据PMOS管高电压阻、低电压通的特性,我们可以得到.
（3）对于两个MOS并联而言,总的输出等于各个MOS输出的“或”.我们以两个NMOS管并联说明这种情况.图3显示了两个NMOS并联的情形.我们可以得到：
3.结果和讨论
（1）我们先用上述的方法来理解静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路.
首先看CMOS反相器,图4显示了CMOS反相器的示意图.从图4中我们可以看出对于输出VOUT,PMOS管和NMOS管是并联的关系.利用上述的方法,我们可以得到PMOS管和NMOS管的漏极分别为和,所以.可以看出我们的方法对于理解简单的CMOS反相器逻辑是适合的.
我们再来理解一个复杂一点的两输入的异或门静态CMOS逻辑电路.图5显示了静态CMOS异或门逻辑电路示意图.运用我们的方法,我们可以得出：对于P网,有、、、.对于N网,有、、、、.所以可以看出我们的方法能够简单的理解较为复杂的两输入静态CMOS异或门逻辑电路.我们有理由相信对于理解更为复杂的静态CMOS逻辑电路,我们的方法同样适用.
理解完了静态CMOS逻辑电路,我们在来看看传输门逻辑电路.图6显示了一个基于CMOS传输门构成的同或门逻辑电路.运用我们的方法,我们可以得出：、、、、、、.因为前面我们已经理解了CMOS反相器,所以图6中我们直接用反相器逻辑功能.可以看出我们的方法可以很简单的理解传输门逻辑电路.从图6我们也可以看出,对与CMOS传输门,其逻辑功能跟随NMOS传输门.
我们再来理解一个全加器中静态的曼彻斯特进位电路.图6显示了全加器中静态的曼彻斯特进位电路示意图.运用我们的方法,可以得到：
、、、、.可以看出,按照我们的方法,正确的理解了全加器中静态的曼彻斯特进位电路的逻辑表达式.
（2）运用我们的方法来设计静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路.
我们首先来设计一个静态CMOS逻辑电路.设计静态CMOS逻辑电路就是理解静态CMOS逻辑电路逆过程.我们以逻辑表达式为例来设计静态CMOS逻辑电路.参考上面讲述的运用我们的方法理解静态CMOS逻辑电路的过程可知,首先要将逻辑表达式写成如下形式：
这一项是对应静态CMOS电路的P网,而这一项是对应静态CMOS电路的N网.观察这两项,反向运用我们的方法,可知在P网中下面是栅极输入由C控制的PMOS管,再下面是并联的两个栅极信号分别由A和B控制的PMOS管.而在N网中,对应的是串联的两个栅极信号分别由A和B控制的NMOS管,这两个串联的NMOS管再与栅极信号由C控制的NMOS管并联.由上述分析可知逻辑电路图如图7所示.
其次运用我们的方法设计一个静态传输门电路.以异或门为例,其逻辑表达式为.运用我们的方法,得知一个两输入的“与”相使用一个MOS管,而“或”代表两个MOS管并联.如果使用两个NMOS管并联,电路图如图8所示.由图8可知,使用NMOS管的话还要两个反相器才能完全实现“异或”功能.如果使用两个PMOS管并联,电路图将更为简单,可以省略两个反相器,电路图如图9所示.
在学习静态传输门逻辑电路时,我们知道静态传输门逻辑相比与静态CMOS逻辑电路而言有一个优势就是：输入不同,逻辑功能也不同.实际上在这个优势背后有个不变的本质,这个本质就是本教学论文提出的理解和设计静态传输门和静态CMOS逻辑电路的方法.
4.结论
本教学论文提出一种能简易地理解和设计静态传输门和静态CMOS逻辑电路的方法.这种方法基于对NMOS管“高通低阻”和PMOS管“低通高阻”的电学特性的充分理解.我们的方法统一的静态CMOS逻辑电路和静态传输门逻辑电路,便于学生的理解和学习.