(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 


        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_bilibiliicon-default.png?t=M666https://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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第1张图片

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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第2张图片 

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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第3张图片

与门

        通过这样的电路连接,我们就可以得到一个与门。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第4张图片

或门

        电阻接地,我们就得到了或门。 

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第5张图片缺点

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第6张图片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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第7张图片(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第8张图片(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第9张图片类型

        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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第10张图片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)。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第11张图片PMOS

        与NMOS类似 。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第12张图片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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第13张图片  

        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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第14张图片(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第15张图片

        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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第16张图片

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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第17张图片 

输入噪声容限

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第18张图片(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第19张图片 

输入特征

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第20张图片 

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

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第21张图片 

低电平

        具体分析思想是类似的,就不再讲解。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第22张图片 

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。

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第23张图片 (六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第24张图片

总功耗

        总功耗 = 动态功耗PD + 静态功耗PS 

静态功耗

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第25张图片 

动态功耗

导通功耗

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第26张图片 

负载功耗

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第27张图片 

电容功耗

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第28张图片总结 

(六)《数电》——二极管与CMOS门电路(入门)_第29张图片

        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! 

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