天天看点

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

MOS管

MOS管分为NMOS管和PMOS管,NMOS管和PMOS管有分别分为耗尽型的和增强型的,如下图:

增强型NMOS管

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较
【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

增强型PMOS管

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较
【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

注意 V G S ( T H ) 为 负 数 V_{GS}(TH)为负数 VGS​(TH)为负数

耗尽型NMOS管

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较
【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

注意 V G S ( O F F ) V_{GS}(OFF) VGS​(OFF)为负数

耗尽型PMOS管

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较
【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

注意 V G S ( O F F ) V_{GS}(OFF) VGS​(OFF)为正数

COMS反相器

结构

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

如上图所示,CMOS反相器由一个增强型NMOS管和增强型PMOS管构成,栅端(G)相连作为输入端,漏端相连作为输出端,NMOS的源端接地,PMOS的源端接电源VDD。该电路可以实现逻辑非的功能:

当输入为高电平时,T2管导通,输出为低电平;

当输入为低电平时,T1管导通,输出为高电平。

电压、电流传输特性

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

AB:T1导通T2截止

BC:T1T2导通

CD:T1截止T2导通

动态功耗

包括信号翻转时电容充放电的功耗 P C P_C PC​和信号翻转瞬间两管同时导通所产生的短路功耗 P T P_T PT​(上图BC段)

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

与非门

上并下串,T1,T3为并联的增强型PMOS管,T2,T4为串联的增强型NMOS管。

当A,B至多只有一个为1时,T1,T3至少有一个导通,而T2,T4不可能同时导通,因此输出为高电平。

当AB均为1时,T1,T3截止,T2,T4均导通,输出为低电平。

因此,该电路实现了逻辑与非的功能。(共消耗4个MOS管)

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

或非门

上串下并,T1,T3为串联的增强型PMOS管,T2,T4为并联的增强型NMOS管。

当A,B至少有一个为1时,T2,T4至少有一个导通,而T1,T3不可能同时导通,因此输出为低电平

当AB均为0时,T2,T4截止,T1,T3导通,输出为高电平。

因此,该电路实现了逻辑或非的功能。(共消耗4个MOS管)

【数字IC/FPGA】基本门电路MOS管COMS反相器与非门或非门与非门和或非门的比较

与非门和或非门的比较

与非门会更快,分析如下:

电子迁移率是空穴的2.5倍,对PMOS而言,载流子是空穴;对NMOS而言,载流子是电子。PMOS采用空穴导电,NMOS采用电子导电,由于PMOS的载流子的迁移率比NMOS的迁移率小,所以,同样尺寸条件下,PMOS的充电时间要大于NMOS的充电时间长。

而在互补CMOS电路中,与非门是PMOS管并联,NMOS管串联,或非门正好相反,所以,同样尺寸条件下,与非门的速度快,所以,在互补CMOS电路中,应该优先选择与非门。