（六）《数电》——二极管与CMOS门电路（入门）

 

目录

PN结

门电路

定义

逻辑状态

正逻辑

负逻辑

电平

二极管 

开关特性

与门

或门

缺点

MOS管

结构

​类型

​NMOS 

PMOS

CMOS

工作原理

电压、电流传输特性

输入噪声容限

输入特征

输出特性

高电平

低电平

动态特征

传输延迟时间

总功耗

静态功耗

动态功耗

总结 

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        现在我们开始进入到门电路的学习当中来，由于没有学过电路原理以及模电课程，所以理解起来比较困难，但也算是在跌跌撞撞中收获了一些知识，如有错误，还希望各位能够及时提出！

        在学习门电路的过程中，我们首先需要认识一个东西，叫做PN结，这个东西在后面的过程中是我们的核心知识，所以我们先来介绍一下PN结到底是怎么回事！

PN结

        关于PN结，是在模电课程中重点学习的，而我没有学过模电，就在网上找到一个科普视频，讲解的特别清晰，内容深度也符合我们的需求，在补完模电课程之后，我还是想要借助这个视频来讲解一下PN结，因为谁不喜欢动画式的知识点讲解呢！ 

【硬件科普】带你认识CPU第00期——什么是MOSFET_哔哩哔哩_bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV1nL411x7jH?spm_id_from=333.1007.top_right_bar_window_history.content.click&vd_source=4f47a44a067734f2384169d1002baba8

        UP主讲解的特别清晰，所以我们也就不做过多的介绍了，大家了解了PN结以及MOS管的基本知识就行！ 这只是我们的基础，也是我们的开胃小菜，接下来，我们就要开始深入我们的门电路、二极管以及MOS管了！

门电路

定义

        实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门等等。

逻辑状态

        门电路中以高低电表示逻辑状态的１、０。

正逻辑

        高电平为１，低电平为０。

负逻辑

        高电平为０，低电平为１。

电平

这里主要注意三个点

1. 高低电平是一个范围，而不是一个具体的值
2. 开关断开，输出高电平，希望电阻阻值小。
3. 开关闭合，输出低电平，希望电阻阻值大。

所以就出现了矛盾，我们在后面去解决这个矛盾。

 

二极管 

开关特性

        当我们把二极管当成上面电路的开关，给二极管高电平，相当于开关断开，给二极管低电平，相当于开关闭合，所以表现为一种跟随状态，就是给二极管高电平，输出高电；给二极管低电平，输出低电平。

与门

        通过这样的电路连接，我们就可以得到一个与门。

或门

        电阻接地，我们就得到了或门。 

缺点

MOS管

结构

        MOS管这部分知识在视频里也讲解过， 这个地方和视频里是一样的，我觉得视频更加生动形象，哈哈哈！ 英语好的同学也可以康康下面的介绍。

类型

        就是N沟道增强型和 P沟道增强型，一个是正向电场形成沟道，一个是反向电压形成沟道。看有没有空心小圆圈就行。

NMOS 

        电压低时不形成沟道，相当于开关断开，电压在一定范围内，是线性增长，后面因为有夹断（横向电场导致的），就基本饱和了。（可能是传输的时候出了问题，在平板上字迹不是这样的）。

PMOS

        与NMOS类似 。

CMOS

        CMOS在视频也有所介绍，就是两个MOS合在一起，C就是（Complementary）。 

工作原理

        其实大概就是视频里的那样，具体可以看看下面的介绍。

  

        哈哈，大家还记得我们之前说过开关电路的一个矛盾吗？就是关于上拉的阻值，我们不能很好的找到一个合适的值，所以，我们现在采用一种互补的逻辑去实现开关电路，那就是CMOS。

        最后，我们可以得到CMOS的电压特性 ，如图所示，我们在后面会详细介绍。

电压、电流传输特性

        电压特性的话，我们需要关注一下中间那部分，其实两个MOS管都有所导通，并且中间部分是二分之一VDD。

        电流特性，注意在低压或者高压的时候，其实电流特别小，但是在中间部分，有电流，这也是功耗产生的原因，后面我们还会进行分析。

 

输入噪声容限

 

输入特征

 

输出特性

这个地方比较难以理解，我们着重来讲解一下。

1. VDD增大，相当于沟道（图片上写错了）内阻变小，压降减小，所以输出电压也小（低电平）。
2. 负载（功率）变大，电流变大，相当于等效电阻变小，内阻压降变大，所以输出电压上偏。
3. 还可以用电路的思想来分析（我画的电路图）负载电阻变小，电压变小，所以输出是偏大。

高电平

 

低电平

        具体分析思想是类似的，就不再讲解。

 

动态特征

传输延迟时间

        主要是电阻以及电容导致的延迟，了解一下就好，数电书对这个介绍也比较少。

 

总功耗

        总功耗 = 动态功耗PD + 静态功耗PS 

静态功耗

 

动态功耗

导通功耗

 

负载功耗

 

电容功耗

总结 

        好了，关于门电路的知识我们先介绍到这，我后面还会继续更新学习笔记！