cmos管工作原理

1、CMOS门电路      

CMOS门(men)电(dian)(dian)路一般是由MOS管构成，由于(yu)MOS管的栅(zha)极(ji)(ji)和(he)其它各极(ji)(ji)间有绝缘层相隔(ge)，在直流状态下(xia)，栅(zha)极(ji)(ji)无(wu)电(dian)(dian)流，所(suo)以(yi)静(jing)态时栅(zha)极(ji)(ji)不(bu)取(qu)电(dian)(dian)流，输(shu)入电(dian)(dian)平与外(wai)(wai)接电(dian)(dian)阻无(wu)关(guan)。由于(yu)MOS管在电(dian)(dian)路中是一压(ya)控(kong)元件(jian)，基于(yu)这一特点，输(shu)入端(duan)信号易受外(wai)(wai)界干扰(rao)，所(suo)以(yi)在使(shi)用CMOS门(men)电(dian)(dian)路时输(shu)入端(duan)特别注意不(bu)能悬空。在使(shi)用时应采用以(yi)下(xia)方(fang)法：

1）、与(yu)(yu)门(men)(men)和与(yu)(yu)非门(men)(men)电(dian)(dian)路(lu)(lu)：由于与(yu)(yu)门(men)(men)电(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)逻(luo)辑(ji)功(gong)(gong)能(neng)(neng)是(shi)输(shu)(shu)(shu)入(ru)信(xin)号(hao)只(zhi)要有(you)低电(dian)(dian)平(ping)，输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)信(xin)号(hao)就为(wei)低电(dian)(dian)平(ping)，只(zhi)有(you)全部(bu)为(wei)高(gao)电(dian)(dian)平(ping)时，输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)端(duan)(duan)才为(wei)高(gao)电(dian)(dian)平(ping)。而与(yu)(yu)非门(men)(men)电(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)逻(luo)辑(ji)功(gong)(gong)能(neng)(neng)是(shi)输(shu)(shu)(shu)入(ru)信(xin)号(hao)只(zhi)要有(you)低电(dian)(dian)平(ping)，输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)信(xin)号(hao)就是(shi)高(gao)电(dian)(dian)平(ping)，只(zhi)有(you)当(dang)输(shu)(shu)(shu)入(ru)信(xin)号(hao)全部(bu)为(wei)高(gao)电(dian)(dian)平(ping)时，输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)信(xin)号(hao)才是(shi)低电(dian)(dian)平(ping)。所以某输(shu)(shu)(shu)入(ru)端(duan)(duan)输(shu)(shu)(shu)入(ru)电(dian)(dian)平(ping)为(wei)高(gao)电(dian)(dian)平(ping)时，对电(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)逻(luo)辑(ji)功(gong)(gong)能(neng)(neng)并(bing)无影响(xiang)，即其它使用的(de)(de)输(shu)(shu)(shu)入(ru)端(duan)(duan)与(yu)(yu)输(shu)(shu)(shu)出(chu)(chu)(chu)端(duan)(duan)之间仍(reng)具有(you)与(yu)(yu)或(huo)者与(yu)(yu)非逻(luo)辑(ji)功(gong)(gong)能(neng)(neng)。这样对于CMOS与(yu)(yu)门(men)(men)、与(yu)(yu)非门(men)(men)电(dian)(dian)路(lu)(lu)的(de)(de)多余输(shu)(shu)(shu)入(ru)端(duan)(duan)就应采用高(gao)电(dian)(dian)平(ping)，即可通过限流电(dian)(dian)阻（500Ω）接电(dian)(dian)源。

2）、或(huo)门(men)(men)(men)、或(huo)非(fei)门(men)(men)(men)电(dian)(dian)(dian)路：或(huo)门(men)(men)(men)电(dian)(dian)(dian)路的(de)逻(luo)辑(ji)功能(neng)(neng)是(shi)(shi)输(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)信(xin)(xin)号(hao)只(zhi)要有(you)(you)高(gao)电(dian)(dian)(dian)平输(shu)(shu)(shu)出(chu)信(xin)(xin)号(hao)就为高(gao)电(dian)(dian)(dian)平，只(zhi)有(you)(you)输(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)信(xin)(xin)号(hao)全部(bu)为低(di)电(dian)(dian)(dian)平时，输(shu)(shu)(shu)出(chu)信(xin)(xin)号(hao)才为低(di)电(dian)(dian)(dian)平。而或(huo)非(fei)门(men)(men)(men)电(dian)(dian)(dian)路的(de)逻(luo)辑(ji)功能(neng)(neng)是(shi)(shi)输(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)信(xin)(xin)号(hao)只(zhi)要有(you)(you)高(gao)电(dian)(dian)(dian)平，输(shu)(shu)(shu)出(chu)信(xin)(xin)号(hao)就是(shi)(shi)低(di)电(dian)(dian)(dian)平，只(zhi)有(you)(you)当(dang)输(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)信(xin)(xin)号(hao)全部(bu)是(shi)(shi)低(di)电(dian)(dian)(dian)平时输(shu)(shu)(shu)出(chu)信(xin)(xin)号(hao)才是(shi)(shi)高(gao)电(dian)(dian)(dian)平。这样当(dang)或(huo)门(men)(men)(men)或(huo)者或(huo)非(fei)门(men)(men)(men)电(dian)(dian)(dian)路某(mou)输(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)端(duan)(duan)的(de)输(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)信(xin)(xin)号(hao)为低(di)电(dian)(dian)(dian)平时并(bing)不(bu)影响(xiang)门(men)(men)(men)电(dian)(dian)(dian)路的(de)逻(luo)辑(ji)功能(neng)(neng)。所以或(huo)门(men)(men)(men)和或(huo)非(fei)门(men)(men)(men)电(dian)(dian)(dian)路多余(yu)输(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)端(duan)(duan)的(de)处理(li)方法(fa)应是(shi)(shi)将多余(yu)输(shu)(shu)(shu)入(ru)(ru)(ru)端(duan)(duan)接低(di)电(dian)(dian)(dian)平，即通过限流(liu)电(dian)(dian)(dian)阻（500Ω）接地。

2、CMOS逻辑电平

高速CMOS电(dian)路的电(dian)源电(dian)压VDD通常(chang)为+5V;Vss接地，是(shi)0V。

高电平(ping)视为逻辑“1”，电平(ping)值的范围为：VDD的65%～VDD(或(huo)者VDD-1.5V～VDD)

低电平视作逻辑“0”，要求不超过VDD的35%或0～1.5V。

+1.5V～+3.5V应看作不确定(ding)电(dian)(dian)平。在硬件设计(ji)中要避(bi)免出现不确定(ding)电(dian)(dian)平。

随着技术的(de)(de)(de)发展(zhan)，单片机的(de)(de)(de)电(dian)源(yuan)呈下降趋势。低(di)电(dian)源(yuan)电(dian)压有(you)助于(yu)降低(di)功耗(hao)。VDD为3.3V的(de)(de)(de)CMOS器件已大量使用(yong)。在便携式(shi)应用(yong)中，VDD为2.7V，甚至1.8V的(de)(de)(de)单片机也已经出现。将来电(dian)源(yuan)电(dian)压还(hai)会继(ji)续下降，降到0.9V，但低(di)于(yu)VDD的(de)(de)(de)35%的(de)(de)(de)电(dian)平(ping)视为逻辑“0”，高于(yu)VDD的(de)(de)(de)65%的(de)(de)(de)电(dian)平(ping)视为逻辑“1”的(de)(de)(de)规律仍然是(shi)适用(yong)的(de)(de)(de)。

3、非门

非门(men)(反(fan)向器)是最(zui)简(jian)单的门(men)电(dian)路，由一对CMOS管(guan)组成。其工作原理如下：

A端为高(gao)电(dian)平(ping)(ping)时，P型(xing)管(guan)(guan)截止，N型(xing)管(guan)(guan)导通，输(shu)(shu)出(chu)(chu)端C的电(dian)平(ping)(ping)与Vss保持一(yi)致，输(shu)(shu)出(chu)(chu)低(di)电(dian)平(ping)(ping);A端为低(di)电(dian)平(ping)(ping)时，P型(xing)管(guan)(guan)导通，N型(xing)管(guan)(guan)截止，输(shu)(shu)出(chu)(chu)端C的电(dian)平(ping)(ping)与VDD一(yi)致，输(shu)(shu)出(chu)(chu)高(gao)电(dian)平(ping)(ping)。

4、与非门工作原理

①、A、B输(shu)入均为低(di)电(dian)平时，1、2管导通，3、4管截止(zhi)，C端电(dian)压与VDD一致，输(shu)出高电(dian)平。

②、A输入高电(dian)(dian)平，B输入低电(dian)(dian)平时(shi)，1、3管导通(tong)，2、4管截止，C端电(dian)(dian)位与(yu)1管的漏极保持一致，输出高电(dian)(dian)平。

③、A输(shu)入低(di)电平(ping)，B输(shu)入高电平(ping)时，情况与②类(lei)似，亦输(shu)出高电平(ping)。

④、A、B输入均(jun)为(wei)高(gao)电(dian)(dian)平(ping)时(shi)，1、2管(guan)截止，3、4管(guan)导通，C端电(dian)(dian)压(ya)与(yu)地一致，输出低电(dian)(dian)平(ping)。

5、或非门工作原理

①、A、B输(shu)入均为低(di)电平时，1、2管(guan)导通，3、4管(guan)截止(zhi)，C端电压与VDD一致，输(shu)出高(gao)电平。

②、A输(shu)入(ru)高(gao)电(dian)(dian)平，B输(shu)入(ru)低(di)电(dian)(dian)平时，1、4管(guan)导通，2、3管(guan)截止，C端(duan)输(shu)出低(di)电(dian)(dian)平。

③、A输(shu)入低电平(ping)，B输(shu)入高电平(ping)时，情(qing)况与②类似(si)，亦输(shu)出低电平(ping)。

④、A、B输入均为高电(dian)平时，1、2管截止，3、4管导通，C端电(dian)压与地一致，输出低电(dian)平。

注：

将上(shang)述“与(yu)非”门(men)、“或非”门(men)逻(luo)辑符号的(de)输(shu)出(chu)(chu)端的(de)小圆圈(quan)去掉，就成了(le)“与(yu)”门(men)、“或”门(men)的(de)逻(luo)辑符号。而实(shi)现“与(yu)”、“或”功能的(de)电(dian)路图则必须在输(shu)出(chu)(chu)端加上(shang)一(yi)个(ge)反(fan)向(xiang)器，即加上(shang)一(yi)对(dui)CMOS管，因此，“与(yu)”门(men)实(shi)际上(shang)比“与(yu)非”门(men)复杂(za)，延迟时间也长些，这(zhei)一(yi)点在电(dian)路设(she)计中要注意。

6、三态门的工作原理

当控制端(duan)C为(wei)“1”时(shi)，N型管3导(dao)通，同时(shi)，C端(duan)电(dian)平(ping)(ping)通过反向器后(hou)成为(wei)低电(dian)平(ping)(ping)，使P型管4导(dao)通，输(shu)入端(duan)A的(de)电(dian)平(ping)(ping)状况可以通过3、4管到达输(shu)出端(duan)B。

当控制端C为“0”时，3、4管(guan)都截止，输入(ru)端A的(de)电平状况无法到达(da)输出端B，输出端B呈(cheng)现高电阻(zu)的(de)状态(tai)，称为“高阻(zu)态(tai)”。

这个器件也(ye)称作“带(dai)控制端的(de)传输门”。带(dai)有一(yi)(yi)定驱动能力的(de)三态(tai)门也(ye)称作“缓冲器”，逻辑符号是一(yi)(yi)样的(de)。

注：

从CMOS等效(xiao)电路或(huo)者真(zhen)值表、逻辑表达(da)式上都(dou)可(ke)以看出，把“0”和“1”换(huan)个位置，“与非(fei)”门(men)就(jiu)变成了“或(huo)非(fei)”门(men)。对(dui)于“1”有效(xiao)的信号(hao)是“与非(fei)”关系(xi)，对(dui)于“0”有效(xiao)的信号(hao)是“或(huo)非(fei)”关系(xi)。

上(shang)述(shu)图(tu)中画的(de)逻辑器件符(fu)(fu)号(hao)(hao)均是(shi)正逻辑下的(de)输(shu)入、输(shu)出关系(xi)，即对(dui)“1”(高电平(ping))有(you)效而言。而单片(pian)机中的(de)多数控制信号(hao)(hao)是(shi)按照负有(you)效(低电平(ping)有(you)效)定义(yi)的(de)。例如片(pian)选信号(hao)(hao)CS(Chip Select)，指该(gai)信号(hao)(hao)为“0”时具有(you)字符(fu)(fu)标明的(de)意义(yi)，即该(gai)信号(hao)(hao)为“0”表示该(gai)芯片(pian)被选中。因此，“或非”门的(de)逻辑符(fu)(fu)号(hao)(hao)也可(ke)以画成下图(tu)。

7、组合逻辑电路

“与(yu)非(fei)”门、“或非(fei)”门等逻(luo)辑电路(lu)(lu)的(de)不同组(zu)合(he)可以得到各种组(zu)合(he)逻(luo)辑电路(lu)(lu)，如译码器、解码器、多路(lu)(lu)开关等。

组合逻(luo)辑(ji)电(dian)路(lu)的(de)实(shi)(shi)现可以使用现成的(de)集成电(dian)路(lu)，也可以使用可编程(cheng)逻(luo)辑(ji)器件，如PAL、GAL等实(shi)(shi)现。

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