邏輯門電路的延時分析


關於MOS管

NMOS:

PMOS:

NMOS是柵極高電平(VGS > Vt)導通,低電平斷開,可用來控制與地之間的導通。適合用於源極接地時的情況(低端驅動),只要柵極電壓達到4V或10V就可以了。  

PMOS是柵極低電平(VGS < Vt)導通,高電平斷開,可用來控制與電源之間的導通。雖然PMOS可以很方便地用作高端驅動,但由於導通電阻大,價格貴,替換種類少等原因,在高端驅動中,通常還是使用NMOS。

 

MOS管組成的邏輯電路:

我們課本里見到的最基本的邏輯門電路有與門,或門以及非門

但在實際的電路中基本上用的基本邏輯門單位是與非和或非

例如最常用的 74HC系列與、或、非邏輯器件數據手冊(datasheet)的邏輯原理圖(Logic Diagram),我們會發現上面三個門會是下圖那樣的:

 

 

 

我們利用以前教材上的知識來化簡一下這三個組合邏輯,如下所示:

 那么這里我們就需要搞明白兩個問題

1  為什么要用與非、或非實現這些基本的門電路?

 

先要清楚CMOS邏輯電路設計中的基本的門電路的樣子:

(1)“非門”邏輯構造:

 

上面帶圓圈的是PMOS晶體管,下面是NMOS晶體管,從開關的角度來看,PMOS管相當於PNP三極管,輸入為“1”時截止,輸入為“0”時導通;而NMOS則相當於NPN三極管,輸入為“1”時導通,輸入為“0”時截止

當輸入為“0”時,下面的NMOS截止,而上面的PMOS導通將輸出拉為高電平,即輸出“1”。當輸入為“1”時,上面的PMOS截止,而下面的NMOS導通將輸出拉為低電平,即輸出“0”,很明顯,這就是個“非門”邏輯。

(2)“與非門”邏輯的結構:

 

 

    當上圖中的任何一個輸入(A或B)為低時,都將有一只PMOS導通,從而將輸出Y拉高,因此該電路是“與非門”邏輯,那么“與門”邏輯就是在“與非門”后面加一級“非門”了,如下圖所示:

如果直接反過來的話也可以實現所謂的與門,但是我們需要注意的是NMOS可以有效地傳輸低電平,PMOS可以有效的傳輸高電平,兩者相配合就可以達到軌對軌的輸出,相反則有損耗。

(3)“或非門”的實現

2  為什么要插入那么多的非門?

實際上這樣做的目的是優化邏輯門,減少延時。CMOS集成電路中的最有延時告訴我們,存在最優級數,最少級數不一定是最優的

第二個實現非門是最優的,可以獲得最快的速度。

 

 

 

 

還有兩個問題

1.數字電路設計中,如何提高電路的翻轉速度?

2.數字電路設計中的D觸發器的翻轉與組合邏輯的反轉速度分別是怎樣的,兩者之間有沒有關系


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