晶体管放大电路两种基本类型(学了这么多年你还不知道如何将逻辑表达式转换成晶体管电路吗)

在数字IC设计面试中经常会被要求画出某一个逻辑表达式的管级电路,本文将基于逻辑门的构成解释如何完成任意逻辑的管级电路设计。

PMOS & NMOS

要想轻松画出管级电路,首先要理解,为什么在逻辑门中PMOS总是作为上管,NMOS总是作为下管

晶体管放大电路两种基本类型(学了这么多年你还不知道如何将逻辑表达式转换成晶体管电路吗)(1)

对于P管来说,电流从S流向D,其导通条件为VSG>VTH(阈值);N管反之。

假设P管作为下管,即D极接地,此时,S级连接外部电路,VS不可知,想要通过改变G级输入控制VSG电压差,G级控制逻辑会比较复杂。

相反,将p管作为上管,那么S接VCC,VS电压确定,通过控制G级的高低电平即可控制MOS管开关。

同理分析NMOS,因此通常将P管作为上管,N管做为下管。

逻辑门的管级电路

明白上述原因后,就可以理解输出的高电平由上管决定,低电平由下管决定。为了保证在某一时刻,输出只能为高电平或低电平,需要结合上下管,即当上管导通时,下管必然关断,反之亦然。

非门的管级电路如下图所示,由P管和N管串联组合而成。

晶体管放大电路两种基本类型(学了这么多年你还不知道如何将逻辑表达式转换成晶体管电路吗)(2)

当A = 1时,上管关断,下管导通,输出为0;

当A = 0时,上管导通,下管关断,输出为1。

由于MOS管本身的特性,我们无法直接搭建出与门和或门,只能通过与非门或非门结合非门间接搭出,也就是说,与门和非门的搭建至少需要6个MOS管。

如图所示为或非门管级电路结构。两个P管串联后与两个并联的N管串联。

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其输入输出特性如下表:

A

B

~(A|B)

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

1

0

与非门的管级电路如下所示:

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其输入输出特性如下所示:

A

B

~(A|B)

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

1

0

管级电路的转换

在理解了上述门电路的管级电路后,结合下述三个步骤,即可轻松用MOS管搭建任意逻辑电路。

  1. 对逻辑式按照摩尔公式取反,尽可能将每个输入转换成反逻辑形式;
  2. 先画上管,与为串联,或为并联;下管与上管相反;
  3. 对整体结果取反(即加非门);

这里对D=AB C进行举例。

D=((AB C)')'=((AB)'C')'=((A' B')C')'

1 A' B'

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2 (A' B')C'

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3 根据上管画出下管,串并联相互转换

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4 A' B'

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