CMOS逻辑电路代表互补的金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),它指的是一种特殊类型的电子集成电路(IC)。
CMOS是单词的首字母缩写,集成电路是一块微小的硅片,它包含有几百万个电子元件。术语IC隐含的含义是将多个单独的集成电路集成到一个电路中,产生一个十分紧凑的器件。在通常的术语中,集成电路通常称为芯片,而为计算机应用设计的IC称为计算机芯片。
虽然制造集成电路的方法有多种,但对于数字逻辑电路而言CMOS是主要的方法。桌面个人计算机、工作站、视频游戏以及其它成千上万的其它产品都依赖于CMOS集成电路来完成所需的功能。当我们注意到所有的个人计算机都使用专门的CMOS芯片,如众所周知的微处理器,来获得计算性能时, CMOS IC的重要性就不言而喻了。
相对于其他逻辑系列,CMOS逻辑电路具有以下优点:
1、允许的电源电压范围宽,方便电源电路的设计;
2、逻辑摆幅大,使电路抗干扰能力强;
3、静态功耗低;
4、隔离栅结构使CMOS器件的输入电阻极大,从而使CMOS期间驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多CMOS发展历史早期的CMOS元件和主要的竞争对手BJT相比,很容易受到静电放电(ElectroStaticDischarge,ESD)的破坏。
CMOS逻辑电路,分两部分,上拉部分,下拉部分。上拉部分由PMOS管电路构成,下拉部分由NMOS管电路组成,如下。上下拉,形成互补。
由前面的基础可知,CMOS只能实现基本逻辑的非,比如或逻辑,与逻辑,如果不加反相器,CMOS只能实现或非,与非逻辑。原因就是上拉逻辑只能用PMOS实现,下拉逻辑只能由NMOS实现,而PMOS的导通需要输入信号为0,NMOS导通需要输入信号为1。
一般的设计过程
既然如此,在用CMOS实现逻辑电路时,一般可以照如下顺序去做:
可以先将其整体先加上一个非,作相应的逻辑转化。
上拉逻辑中各个PMOS,与操作为并联,或操作为串联。
下拉逻辑中各个NMOS,与操作为串联,或操作为并联。
举例说明
比如我们想从CMOS层去实现逻辑 OUT = D+A*(B+C) (减号“-”表示取反(非)操作,“+”表示或,*表示与)。
设计过程如下:
OUT = - ( -(D+A*(B+C)) )
OUT1 = -(D+A*(B+C))
OUT = -OUT1
对于OUT1 = -(D+A*(B+C)),正好是逻辑整体上带了个非,设计(D+A*(B+C))部分之后再加上一个非即可。
故对于上拉逻辑:
1、或操作为串联,从而输入B,C接到的PMOS之间为串联。
2、与操作为并联,故输入A接到的PMOS跟B,C或逻辑之间为并联。
3、或操作为串联,故D与A*(B+C)的PMOS逻辑为串联。
对于下拉逻辑与上拉逻辑正好相反:
4、或操作为并联,从而输入B,C接到的NMOS之间为并联。
5、与操作为串联,故输入A接到的NMOS跟B,C或逻辑之间为串联。
6、或操作为并联,故D与A*(B+C)的NMOS逻辑为并联。
7、从而得到 OUT1 = -(D+A*(B+C)) 的CMOS实现如下:
过程中上下拉两部分的逻辑式相同,组合起来后,自行补充一个非。
则实际分析电路中,一般只需单独分析一部分就行了。