场效应MOS管和最简单的CMOS逻辑门电路解析-壹芯微

现代单片机主要是采用CMOS工艺制成的。

以N型管为例，2端为控制端，称为[栅极]；3端通常接地，称为[源极]；源极电压记作Vss，1端接正电压，称为[漏极]，漏极电压记作VDD。要使1端与3端导通，栅极2上要加高电平。

1、MOS管

MOS管又分为两种类型：N型和P型。如下图所示：

以N型管为例，2端为控制端，称为[栅极]；3端通常接地，称为[源极]；源极电压记作Vss，1端接正电压，称为[漏极]，漏极电压记作VDD。要使1端与3端导通，栅极2上要加高电平。

对P型管，栅极、源极、漏极分别为5端、4端、6端。要使4端与6端导通，栅极5要加低电平。

在CMOS工艺制成的逻辑器件或单片机中，N型管与P型管往往是成对出现的。同时出现的这两个CMOS管，任何时候，只要一只导通，另一只则不导通(即[截止]或[关断])，所以称为[互补型CMOS管]。

2、CMOS逻辑电平

高速CMOS电路的电源电压VDD通常为+5V;Vss接地，是0V。

高电平视为逻辑[1]，电平值的范围为：VDD的65%～VDD(或者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应看作不确定电平。在硬件设计中要避免出现不确定电平。

近年来，随着亚微米技术的发展，单片机的电源呈下降趋势。

低电源电压有助于降低功耗。VDD为3.3V的CMOS器件已大量使用。在便携式应用中，VDD为2.7V，甚至1.8V的单片机也已经出现。将来电源电压还会继续下降，降到0.9V，但低于VDD的35%的电平视为逻[0]，高于VDD的65%的电平视为逻辑[1]的规律仍然是适用的。

3、非门

非门(反向器)是最简单的门电路，由一对CMOS管组成。其工作原理如下：

A端为高电平时，P型管截止，N型管导通，输出端C的电平与Vss保持一致，输出低电平;A端为低电平时，P型管导通，N型管截止，输出端C的电平与VDD一致，输出高电平。

4、与非门

与非门工作原理：

①、A、B输入均为低电平时，1、2管导通，3、4管截止，C端电压与VDD一致，输出高电平。

②、A输入高电平，B输入低电平时，1、3管导通，2、4管截止，C端电位与1管的漏极保持一致，输出高电平。

③、A输入低电平，B输入高电平时，情况与②类似，亦输出高电平。

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

5、或非门

或非门工作原理：

①、A、B输入均为低电平时，1、2管导通，3、4管截止，C端电压与VDD一致，输出高电平。

②、A输入高电平，B输入低电平时，1、4管导通，2、3管截止，C端输出低电平。

③、A输入低电平，B输入高电平时，情况与②类似，亦输出低电平。

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

注：将上述[非]门[或非]门逻辑符号的输出端的小圆圈去掉，就成了[与]门、[或]门的逻辑符号。而实现[与]、[或]功能的电路图则必须在输出端加上一个反向器，即加上一对CMOS管，因此，[与]门实际上比[与非]门复杂，延迟时间也长些，这一点在电路设计中要注意。

6、三态门

三态门的工作原理：

当控制端C为[1]时，N型管3导通，同时，C端电平通过反向器后成为低电平，使P型管4导通，输入端A的电平状况可以通过3、4管到达输出端B。

当控制端C为[0]时，3、4管都截止，输入端A的电平状况无法到达输出端B，输出端B呈现高电阻的状态，称为[高阻态]。

这个器件也称作[带控制端的传输门]。带有一定驱动能力的三态门也称作[缓冲器]，逻辑符号是一样的。

注：从CMOS等效电路或者真值表、逻辑表达式上都可以看出，把[0]和[1]换个位置，[与非]门就变成了[或非]门。对于[1]有效的信号是[与非]关系，对于[0]有效的信号是[或非]关系。

上述图中画的逻辑器件符号均是正逻辑下的输入、输出关系，即对[1](高电平)有效而言。而单片机中的多数控制信号是按照负有效(低电平有效)定义的。例如片选信号CS(Chip Select)，指该信号为[0]时具有字符标明的意义，即该信号为[0]表示该芯片被选中。因此，[或非]门的逻辑符号也可以画成下图。

7、组合逻辑电路

[与非]门、[或非]门等逻辑电路的不同组合可以得到各种组合逻辑电路，如译码器、解码器、多路开关等。

组合逻辑电路的实现可以使用现成的集成电路，也可以使用可编程逻辑器件，如PAL、GAL等实现。

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