逻辑门电路的延时分析

关于MOS管

NMOS:

PMOS:

NMOS是栅极高电平（VGS > Vt）导通,低电平断开,可用来控制与地之间的导通。适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。  

PMOS是栅极低电平（VGS < Vt）导通,高电平断开,可用来控制与电源之间的导通。虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。

 

MOS管组成的逻辑电路：

我们课本里见到的最基本的逻辑门电路有与门，或门以及非门

但在实际的电路中基本上用的基本逻辑门单位是与非和或非

例如最常用的 74HC系列与、或、非逻辑器件数据手册（datasheet）的逻辑原理图（Logic Diagram），我们会发现上面三个门会是下图那样的：

 

 

 

我们利用以前教材上的知识来化简一下这三个组合逻辑，如下所示：

 那么这里我们就需要搞明白两个问题

1  为什么要用与非、或非实现这些基本的门电路？

 

先要清楚CMOS逻辑电路设计中的基本的门电路的样子：

（1）“非门”逻辑构造：

 

上面带圆圈的是PMOS晶体管，下面是NMOS晶体管，从开关的角度来看，PMOS管相当于PNP三极管，输入为“1”时截止，输入为“0”时导通；而NMOS则相当于NPN三极管，输入为“1”时导通，输入为“0”时截止

当输入为“0”时，下面的NMOS截止，而上面的PMOS导通将输出拉为高电平，即输出“1”。当输入为“1”时，上面的PMOS截止，而下面的NMOS导通将输出拉为低电平，即输出“0”，很明显，这就是个“非门”逻辑。

（2）“与非门”逻辑的结构：

 

 

    当上图中的任何一个输入（A或B）为低时，都将有一只PMOS导通，从而将输出Y拉高，因此该电路是“与非门”逻辑，那么“与门”逻辑就是在“与非门”后面加一级“非门”了，如下图所示：

如果直接反过来的话也可以实现所谓的与门，但是我们需要注意的是NMOS可以有效地传输低电平，PMOS可以有效的传输高电平，两者相配合就可以达到轨对轨的输出，相反则有损耗。

（3）“或非门”的实现

2  为什么要插入那么多的非门？

实际上这样做的目的是优化逻辑门，减少延时。CMOS集成电路中的最有延时告诉我们，存在最优级数，最少级数不一定是最优的

第二个实现非门是最优的，可以获得最快的速度。

 

 

 

 

还有两个问题

1.数字电路设计中，如何提高电路的翻转速度？

2.数字电路设计中的D触发器的翻转与组合逻辑的反转速度分别是怎样的，两者之间有没有关系