硬件基础：CMOS逻辑门电路详解
硬件基础：CMOS逻辑门电路详解
CMOS（互补金属氧化物半导体）逻辑门电路是现代数字电子系统中最常用的逻辑门电路之一。本文将详细介绍CMOS逻辑门电路的基础知识、工作原理及其在数字系统中的应用。
一、门电路类型
按照制造门电路的晶体管不同，分为MOS型、双极型、混合型。
- MOS：CMOS、NMOS、PMOS
- 双极型：TTL、ECL
- 混合型：BiCMOS、IGBT
二、CMOS逻辑门
1、CMOS基础
早期4000系列已逐步进入淘汰的边缘，除了价格优势；
CMOS集成电路根据额定电压区分，不同类型主要靠字母区分，例如：
- HC（High-Speed CMOS）、HCT（with TTL-Compatible Inputs）：高速CMOS，T表示与TTL电平兼容；
- AC（Advanced）、ACT：改进型CMOS，提高速度；
- AHC、AHCT：改进型高速CMOS，降低时延；
- LV（Low-Voltage）、LVC（with TTL Compatible Inputs）：低电压CMOS，LV表示低压、C表示兼容TTL；
- ALVC：增强低电压CMOS，更低电压、更高速度；
- AUC（Advanced Ultra-Low-Voltage）：超低电压CMOS；
- AUP（with Power-Off Protection）：超低电压，带电源关闭保护。
当然随着现代工艺的逐渐改善，CMOS电路的电压不再是个很固定的值，大多是个范围，例如74HC，基本上可以适应输入26V，最大7V；74LVC支持1.653.6V，最大6.5V。
2、MOS管开关电路
（1）、基础理论分析
可以看到最简单的，VI＜VT时，MOS管截止，Vo被上拉到VDD；VI＞VT时，MOS管导通，Vo通过Rd与MOS管等效阻抗（很小）分压，从而≈被下拉到GND上，从而实现开关。
Rd同时也起到限流作用，但是其上也会消耗功率。
（2）、开关动态特性
假如输入的VI是个变化值呢，例如脉冲或者矩形波：
可以看到上升沿与下降沿变化缓慢，而且Vo输出滞后于VI输入，反映在数据表上也是tpHL与tpLH的值。
3、CMOS反相器
其实和刚才一致，当VI高，输入Vo被拉到GND；当VI低，输入Vo被拉到VDD。这也是一个很经典的非门电路。
具体的在下一文进行讲述。
4、与非、或非门
这类门电路，基本上就是普通的开关电路，看好N型还是P型去计算导通截止即可。
三、逻辑门的不同输出结构与参数
1、CMOS的保护和缓冲
首先是前级的两个二极管，其保证了电压超过VDD+VD或者小于-VD，电压会被限制。同时前文已阐述这两对CMOS管组成了反相器，因此也就是非门可以用作缓冲，例如下图。
2、漏极开路与三态输出
（1）漏极开路
漏极开路是指CMOS门电路的输出电路只有NMOS管，并且它的漏极是开路的。
其主要反映在并联的时候：
由于驱动门的输出电容、负载门的输入电容以及接线电容的存在，上拉电阻Rp 的大小必将影 响门的开关速度，Rp的值越小负载电容的充电时间常数也越小，因而开关速度越快，但是上拉电子不能任意减小 ，它必须保证OD门输出端的电流不能超过允许的最大值。
在输出高低电平的时候，等效电路的不同，导致R不同，因此充放电时间不一致，因此避免工作速度快使用。
（2）三态输出
三态输出门电路主要用于总线传输，如计算机或微处理器系统，任何时刻只有一个门电路的使能端 EN为1，该门电路的信号被传到总线上，而其他三态输出电路处于高阻状态。这样就可以按一定顺序将各个门电路的输出信号分时送到总线上 。
3、CMOS重要技术参数
（1）、输入与输出高低电平
一般而言，在不考虑兼容TTL的时候
CMOS输入高电平：VIH≥0.7VCC、输入低电平VIL≤0.3VCC
CMOS输出高电平：VOH≥0.9VCC、输出低电平VHL≤0.1VCC
（2）、输入噪声容限
正好对应前级输出与后记输入，只要在范围区间就有容限值。