数字电路基础知识分享3

我们在上节主要学习了逻辑表达，以及卡诺图化简方法。前面都还没有谈及电路和器件的内容，我们可以理解为，前面讲的都是数学逻辑层面的一些内容。

本节开始我们将开启电路与器件的内容，主要是看如何通过电路与器件来实现前面的逻辑关系。本小节主要会聚焦在MOS管特性，由MOS管搭建的简单逻辑器件，以及D触发器器件。

内容概括

这次为大家讲述的内容包括：

MOS管特性

MOS逻辑门

D触发器

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MOS管特性

mos管是金属（metal）、氧化物（oxide）、半导体（semiconductor）的场效应晶体管，或者是金属-绝缘体（insulator）、半导体。MOS管的源漏可以颠倒，都是形成在P型背栅中的N型区。大多数情况下，这两个区域是相同的，即使两端颠倒，也不会影响器件的性能。这种设备被认为是对称的。

场效应晶体管 (FET) 将输入电压的变化转换为输出电流的变化。FET 的增益等于其跨导，定义为输出电流变化与输入电压变化之比。市场上常见的有N沟道和P沟道。FET 通过在绝缘层上投射电场来影响流过晶体管的电流。事实上，没有电流流过这个绝缘体，因此 FET 的栅极电流非常小。最常见的 FET 使用一层薄薄的二氧化硅作为 GATE 下方的绝缘体。这种晶体管称为金属氧化物半导体 (MOS) 晶体管或金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)。由于 MOS 管有以下重要特性因此在很多应用中已经取代了双极晶体管。

• 导通特性

导通的意义是作为开关，相当于开关闭合。Vgs满足一定条件就会导通。

• 损失特性

导通后均有导通电阻存在，电流就会被电阻消耗能量，这部分叫做导通损耗；小功率的管子导通电阻一般几毫欧几十毫欧，Vgs电压不一样电阻也不一样。管子在导通和截止时，两端电压有个降落过程，电流有个上升过程，在这段时间内管子的损失是电压和电流的乘积，称之为开关损失；通常开关损失比导通损失大很多，频率越快，损失越大。缩短开关时间，降低开关频率均能减小开关损失。

• 寄生电容驱动特性

栅极和源/漏级之间存在寄生电容，MOS管的驱动理论上是对电容的充放电；对电容的充电需要一个电流，由于电容充电瞬间可以看成短路，所以瞬间电流会比较大，所以选型时需要注意抗冲击电流大小。

• 寄生二极管

漏极源极之间有个寄生二极管也叫做体二极管，在感性负载（马达继电器）应用中，主要用来保护回路。不过体二极管只在单个MOS管中，集成芯片中是没有的。

• ** 转移特性**

场效应管的转移特性是指漏源电压固定时，栅源电压Vgs对漏极电流Id的控制特性；

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MOS逻辑门

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**CMOS互补门

**

静态CMOS 门是上拉网络(PUN)和下拉网络（PDN）的组合，如图1 所示。图中显示了一****个通用的N个输人的逻辑门，它的所有输人都同时分配到上拉和下拉网络。PUN的作用是每当逻辑门的输出意味着逻辑1时（取决于输入）它将提供一条在输出和 VDD之间的通路。同样，PDN的作用是当逻辑门的输出意味着逻辑0时把输出连至 VSS。PUN 和PDN 网络是以相互排斥的方式构成的，即在稳定状态时两个网络中有且只有一个导通。这样，一旦瞬态过程完成，总有一条路径存在于 VDD和输出端F之间（即高电平输出“1”）或存在于 VSS和输出端下之间(即低电平输出〝0”）。这就是说，在稳定状态时输出节点总是一个低阻节点。

** 图1 PUN和PDN组成的互补CMOS门**

**我们以与非门为例子图2 为一个二输入与非门。PDN网络由俩个串联的NMOS器件构成，在A和B均为高时导通。PUN是它的对偶网络，由俩个并联的PMOS构成。这意味着，如果A=0或者B=0则F为1，这相当于 。同理在图3中我们为大家画出了或非门的电路。**

与非门：上并下串（上为PMOS，下为NMOS）

图2

或非门：上串下并

图3

CMOS互补门主要是用来实现一种反逻辑，我们也可以在与非门/或者门之后增加一个反向逻辑（非门）来实现与门/或门的功能，反向器的电路在下面的图中给大家画出。

当然上面说的方法实现与/或门会使MOS管的数量增大很多，这里也为大家介绍一种使用较少MOS管实现与/或门的方法。

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D触发器

D 触发器是一个具有记忆功能的，具有两个稳定状态的信息存储器件，是构成多种时序电路的最基本逻辑单元，也是数字逻辑电路中一种重要的单元电路。因此，D 触发器在数字系统和计算机中有着广泛的应用。触发器具有两个稳定状态，即"0"和 "1"，在一定的外界信号作用下，可以从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。

**D 触发器有集成触发器和门电路组成的触发器。触发方式有电平触发和边沿触发两种，前者在CLK(时钟脉冲)=1时即可触发，后者多在CLK的边沿（正跳变 0→1）触发。D 触发器的次态取决于触发前D端的状态，即次态=D。因此，它具有置 0、置 1 两种功能。对于边沿 D 触发器，由于在 CLK=1 期间电路具有维持阻塞作用，所以在 CLK=1 期间，D 端的 数据状态变化，不会影响触发器的输出状态。D 触发器应用很广，可用做数字信号的寄存，移位寄存，分频和波形发生器等等。**

D触发器真值表：

D触发器时序图：