当前课程知识点：数字电子技术基础 > 第三周 > 3.3-1 CMOS反相器的电路结构和工作原理 > Video
下边我们再来解释
CMOS的C
我们说我们有MOS管
那么C意味着什么呢
C意味着把这两个管子
互补起来用
就说我有PFET的MOS
有NFET的MOS
但是我从来没有一个
CFET的MOS
而C代表的是Complementary
它意味着P沟道的管子
和N沟道的管子
俩人具备的互补特性
如果我们单纯从结构上来看
已经能够读到它的互补
它的互补是分别用N和P做衬底
分别用P和N做阱
分别需要加的是
正向电压和负向电压
形成的电流方向如果标DS的话
也是相反的
那么整个来讲
它们应该具备互补性
那么怎么想到构成CMOS的
门电路
我们来看一下
CMOS的门电路
我们在讲述的时候
我们从反相器开始
我们了解最简单的单输入
单输出的CMOS门电路器件
反相器
推动这个器件了解它的构成原理
知道它的特性
来看一下CMOS反相器
是如何构成
先回顾一下我们在门电路
开始的时候
需要得到高低电平的
一个基本原理型电路
这个电路给了我们
获得高低电平的基本原理
那我们看一下
如果我想获得高电平的时候
最理想的高电平就是接电源
如果我想接电源
那这个开关应该是打开的
打开的时候接电源
而打开接电源的时候
我最理想的情况
应该这个电阻是取值是零
最好这是一根导线
如果是一根导线的话
这个地方是打开的
那么输出的高电平
一定是我数字电路模块要求的
最理想的高电平VCC
那么反过来
当我输出低电平的时候
也就是这个开关闭合的时候
这个开关闭合的时候
我Vo由于开关闭合
被拉向了地
但这个电阻还真真切切的存在
这个电阻的存在
当你开关闭合的时候
显得至关重要
如果这个电阻取值是零
像刚才我们输出高电平时候
期望那样的话
那这时候就出现了短路
那会毁东西的
所以这个电阻不能是零
而且还希望它足够大
原因很简单
这个开关要是闭合的话
其实这点电压是等于
这个电阻和这个开关内阻的
一个分压
如果这个电阻足够大
哪怕大到开路
最理想是大到开路
那我这个Vo就是接在地上
那我输出的就是一个理想的
低电平
那这个时候大家应该想的起来
我们当时的纠结
我们希望这个电阻
有的时候特别特别小
有的时候特别特别大
当我这个电阻值
是一个确定电阻的时候
那我就不得不把这个电阻值
选的不大不小
那么这个不大不小的电阻值
当你输出高低电平的时候
对你都会有影响
那现在我们有了两种互补的器件
我们看我们能不能构造
这么一个电路
这个电路说
我不要这个上拉电阻了
我要两个开关
这两个开关具有互补性
当下边这个开关打开的时候
上边的开关闭合
那下边开关打开
上面开关闭合的时候
是不是就是内阻很小
那这个电阻是为零
输出是高电平
如果上面的开关打开
下边的开关闭合的时候
那这个时候上边的开关
对外表达出来就是一个
无穷大的电阻 开路嘛
而下边的这个开关呢
由于闭合它会是一个
电阻趋近为零
这时候输出是一个低电平
如果这两个互补性的开关
我们能找到一类器件
一类器件予以实现
那我们岂不是
就不用再纠结于这个电阻的大小
还能获得理想的特性
那么这就是我们
CMOS门电路构成的基本原理
下边我们就用前面讲的NFET管
和PFET管
来一起构成这样的一个理想电路
我们分别把刚才的N沟道
增强型的管子和P沟道
增强型的管子
根据前边这个开关的图
把它连在一起
那么这样连接完毕之后
输入拉出来做为输入信号
这边的输出作为输出
我们看一下它能不能完成
刚才我们画的那个模型图
如果说输入是高电平
我们一起看一下
输入是高电平的话
你看一下
下边这个N沟道的管子
由于它的源极和衬底
连在一起都连在了地
当你是高电平的时候
下边这个管子导通了
这个管子要导通
输出是不就被拉到了地
那我们看上边这个管子
如果你是高电平
那么不满足上面P沟道的管子
要求门极是低电平的时候
和它的衬底和源极之间
形成反向电场的要求
所以上面这个管子呢
现在是截止的
那也就是说
输入如果是高电平
那我输出是低电平
被拉到了地
而且上边还是一个截止状态
截止状态意味着开路
那我的输出这个时候
就是一个理想的低电平
好 当我的输入
是一个低电平的时候
好 我们来看
输入是低电平的时候
那对于N沟道管来讲
下面这个管子
N沟道的管子来讲
输入是低电平的时候
我的衬底和源极
本身就连在了低电平
所以门和衬底和源极之间
没有办法形成沟道
所以下边这个管子是截止
下边这个管子要是截止的
那就意味着输出和地这部分
就断开了
那当你输入低电平的时候
上面这个管子我们看一下
它的源极和衬底
是上拉到了电源
那这时候正好符合了
这边如果是输入是零的话
符合了我上面这个管子
要形成沟道的要求
所以上面的P沟道管
形成了沟道进行了导通
那它要是导通了
输出是不是就正好
通过它的导通上拉到了高电平
而且这时候上拉过的时候
这个电阻值内阻
是一个很小的值
而下边这个是断路是打开的
也就是开路状态
那我们就看到说
用我们前面讲过的
N管和P管
把他们简单的这样对接
就可以在输入高低电平的时候
分别输出也得到低高电平
那这就是一个反相器
那换句话讲
如果单纯分析两个静止的电平
我们已经清楚的知道
这个电路它的工作状态
但是我们说在电路当中
没有哪一个电路
是工作在事实之外的
没有哪一个电路是工作在
现实之外的
没有哪一个电路是只工作在
输入是高和低电平
在所有的电路当中
电压电流都是连续量
那我现在就问你
说输入如果从零到VDD变化
我请问输出是什么
那么输入如果从零到VDD（电源电压）
变化的时候
刚才我们首先分析了两个点
这两个点我们知道
当你输入是零的时候
我输出是VDD
当你输入是VDD的时候
我输出是零
那中间那一部分呢
中间那部分的曲线找谁
那我们现在就来分析一下
CMOS反相器
它的电压传输特性曲线
既然是电子电路
我们在电路原理当中
学到的所有的分析方法
在这仍然适用
我们看下面这个管子
这是它的工作曲线
这前面我们给出来的
这是它的工作曲线
那是不是这么讲
说这个管子无论你怎么接
它的电压电流之间的关系
一定会落在这些曲线当中
一定是这个曲线当中的某一个点
好 我们再来看上面这个图
上面这个管子
那它的工作曲线是什么呢
它的这个工作曲线
刚才我们看到的
它还在是第三象限
那么现在我们把它翻过来
因为这个时候
这边是源极这是漏极
源极接在了最高点
所以这时候呢
我们把刚才的那个曲线翻一下
翻成这样之后
那是不是说上面这个接在了
电源电压上
下边这个接在了地上面
那么它们两个栅极接在一起
作为我的输入
它们的两个漏极接在一起
作为我的输出
如果我现在是空载的情况
所谓空载就是我的输出不接负载
那我可不可以这么说
流经上边这个管子的电流
一定等于流经下边
这个管子的电流
在任何情况下一定成立
因为我们说每一个节点的电流
必须要为零
对吗
好 那我们看如果是这种情况
我们能不能得到
这个CMOS反相器
它的电压传输特性曲线
所谓电压传输特性曲线
就是输入电压和输出电压
之间的工作关系
那我们如果想要去算
可以 在模拟电路当中
我们学习过一系列的分析方法
那我现在我说我不算
我有两张图放在这
你有没有什么办法能够得出
它的工作曲线
它有一个条件
现在给了我们一个限定条件
这个限定条件是不在这
首先我的输入信号
一定是从0到VDD
对吧
好 那还有一个限定条件
是由于我是空载
所以流经两个管子的电流
是相等的
那么如果是这种情况
我们是不是就能够看到说
在这个曲线上工作
和在这个曲线上工作的时候
他们的工作交点就是我最后
要确定的那个点
我举例来讲
如果我的输入是低电平的时候
就是0伏的时候
如果输入是0
我首先找到上面这个管子
一定是在0是在这条线上工作的
对吧
而下边这个管子零呢
是要靠下边了
已经截止的这个状态在工作
那他们的交点在哪
他们的焦点就决定了
是不是他们的电流会很小很小
虽然上边这个管子可以导通
但是他们的交点
由于这个下边这个管子
是一条平的线
所以它的交点会很低
那好 再来
如果输入是一伏的情况
输入是1伏
那上面这个管子
上拉的这个管子
一定工作在这条曲线上
而下拉的管子一定工作在
这条曲线上
而这两个曲线的交点
就是我的工作点
依此类推
我们是不就可以得到
输入和输出之间的一个工作曲线
取相同的输入电压
通过交点得到他们的输出电压
进行点点描绘之后
然后把这些点连起来
这就是一个电压传输特性曲线
那么除了这样的图形法
如果大家进实验室
其实也可以通过示波器
测出这样的曲线
大家想一下应该怎么测
我们说如果是在实验室当中
你是不是应该外加一个信号源
这个信号源应该能够提供
输入信号的所有可能
那输入信号我说从0到VDD
那么在每一点的时候
当你输入信号
加每一个工作点的时候
你去量输出电压的值
可以手工的描绘出来
我们刚才求的这个交点图
还有一种办法
借助设备
我前边用一个信号发生器
信号发生器周而复始的提供
从0到VDD的增长的
这么一条曲线
那这是什么曲线呢
可以用锯齿波也可以用三角波
那么输入信号加好之后
在输出的部分看什么呢
用示波器来观测它的波形
如果我把输入输出信号
同时加载在示波器上
用XY的方式来看的话
就能够得到我们刚才看到的
这条曲线
但这要注意一个问题
就是说我们要注意
我们做的是电压传输特性曲线
这实际是一个静态特性曲线
是在输入信号在某一个点的时候
输出信号它是什么
所以当你用这种动态的
测量方式的时候
你要注意你的频率选取不宜过高
应该是相对稳定的一个值
是一个低频值
好 那我们通过刚才的
这样的分析图解法
得到了我们看到的电压传输
特性曲线
从这张图上我们就直接读出了
另外一个信息
在图上我们能够看到
说这个图当中
你能看到什么叫做输出
高质量的0/1
什么叫做能够接纳
低质量的0/1
你会发现输入信号
在一定范围内变化的时候
我的输出信号都会是一个高质量
-0.1 数字量和模拟量
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-0.2 电子技术的发展历程
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-0.3 课程的基本任务
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-1.1 信息与编码
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-1.2 二进制的补码
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-1.3 二进制补码运算的符号位
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-1.4 二进制的编码
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-1.5 用电压来表达信息
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-1.6 电压信号的离散化
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-2.1 逻辑代数概述
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-2.2 逻辑代数的三种基本运算
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-第一周--第一周作业
-2.3 几种常用的复合逻辑运算
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-2.4 逻辑代数的基本公式和常用公式
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-2.5 逻辑代数的基本定理
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-2.6 逻辑函数及其表示方法
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-2.7 逻辑函数形式的变换
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-2.8 逻辑函数的化简
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-2.9 逻辑函数的最小项之和
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-2.10 逻辑函数的最大项之积
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-2.11 最小项和最大项的关系
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-2.12 逻辑函数的卡诺图
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-2.13 卡诺图化简法
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-2.14 具有无关项的逻辑函数及其化简
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-2.15 逻辑函数的机器化化简法
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-第二周--第二周作业
-3.0 门电路概述
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-3.1-1 半导体二极管的开关特性
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-3.1-2 二极管与门
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-3.1-3 二极管或门
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-3.1-4 二极管门电路的缺点
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-3.2-1 MOS管的基本构造和工作原理
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-3.2-2 MOS管的开关特性
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-3.2-3 MOS管的工作特性曲线
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-3.3-1 CMOS反相器的电路结构和工作原理
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-3.3-2 CMOS反相器的电压电流传输特性
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-3.3-3 CMOS反相器的静态输入输出特性
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-3.3-4 CMOS反相器的动态特性
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-3.3-5 CMOS反相器的总功耗
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-第三周--第三周作业
-3.4-1 其他逻辑功能的CMOS门电路
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-3.4-2 带缓冲级的CMOS门电路
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-3.4-3 漏极开路的门电路
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-3.4-4 CMOS传输门和三态门
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-3.5-1-1 双极型三极管的输入输出特性
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-3.5-1-2 双极型三极管的基本开关电路
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-3.5-1-3 双极型三极管的开关等效电路、三极管反相器
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-第四周--第四周作业
-3.5-2-1 TTL反相器的电路结构
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-3.5-2-2 TTL反相器的工作原理
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-3.5-2-3 TTL反相器中的几个 问题和输入噪声容限
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-3.5-3-1 TTL反相器的输入输出特性
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-3.5-3-2 TTL反相器的输入端负载特性
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-3.5-3-3 TTL反相器的扇出系数
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-3.5-4-1 TTL反相器的传输延迟时间
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-3.5-4-2 TTL反相器的交流噪声容限
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-3.5-4-3 电源的动态尖峰电流
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-3.5-5-1 其他逻辑功能的TTL门电路
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-3.5-5-2 集电极开路输出的门电路
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-3.5-5-3 三态输出门
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-实验一：与非门电压传输特性曲线的观测
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-实验二：与非门传输延迟时间的测量
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-第五周--第五周作业
-4.1 组合逻辑电路的特点
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-4.2-1 组合逻辑电路的分析方法
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-4.2-2 组合逻辑电路的设计方法
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-4.3-1-1 若干常用组合逻辑电路：普通编码器
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-4.3-1-2-1 优先编码器
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-4.3-1-2-2 优先编码器的扩展
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-4.3-1-3 二-十进制优先编码器
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-4.3-2-1 译码器
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-4.3-2-2 二进制译码器的扩展
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-4.3-2-3-1 显示译码器
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-4.3-2-3-2 显示译码器附加控制端的作用
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-4.3-2-4 用译码器设计组合逻辑电路
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-4.3-3-1 数据选择器
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-4.3-3-2 用数据选择器设计组合电路
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-4.3-4-1 加法器
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-4.3-4-2 多位加法器
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-4.3-4-3 用加法器设计组合电路
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-4.3-5 数值比较器
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-4.4-1_4.4-2 组合逻辑电路中的竞争-冒险现象
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-4.4-3 消除竞争-冒险现象的方法
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-第六周--第六周作业
-4.5 可编程器件及EDA1
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-5.0 触发器的由来
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-5.1 门电路与触发器的关系
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-5.2 基本RS锁存器
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-5.3-1 电平触发的SR触发器
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-5.3-2 电平触发的D触发器1
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-5.3-3 电平触发的D触发器2
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-5.4-1-1 脉冲触发的触发器--主从D触发器
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-5.4-1-2 脉冲触发的触发器--主从SR触发器
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-5.4-1-3 脉冲触发的触发器--主从JK触发器
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-5.4-2 脉冲触发方式的动作特点
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-5.5 边沿触发的触发器
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-5.6-1 触发器的逻辑功能及其描述方法--SR触发器
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-5.6-2触发器的逻辑功能及其描述方法--JK触发器、T触发器、D触发器
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-第七周--第七周作业
-5.7-1 触发器的动态特性1
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-5.7-2 触发器的动态特性2
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-5.7-3 触发器的动态特性3
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-6.1-1 时序逻辑电路概述
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-6.1-2 时序电路的一般结构形式与功能描述方法
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-6.1.3 时序电路的分类
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-6.2.1-1 同步时序电路的分析方法1
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-6.2.1-2 同步时序电路的分析方法2
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-6.2.3 异步时序电路的分析方法
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-6.3.1-1 寄存器
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-6.3.1-2 移位寄存器1
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-6.3.1-3 移位寄存器2
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-6.3.1-4 移位寄存器扩展应用
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-6.3.2-1-1-1 计数器概述、同步二进制加法计数器
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-6.3.2-1-1-2 同步二进制减法计数器
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-6.3.2-1-1-3 同步加减计数器
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-6.3.2-1-2-1 同步十进制加法计数器
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-6.3.2-1-2-2 同步十进制减法计数器、十进制可逆计数器
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-6.3.2-2 异步计数器
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-第八周--第八周作业
-6.3.2-3-1-1 任意进制计数器的构成方法
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-6.3.2-3-1-2 任意进制计数器的构成方法--举例(N>M)
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-6.3.2-3-1-3 任意进制计数器的构成方法--举例(N<M)
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-6.3.2-4 计数器应用举例
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-6.4.1-1 时序逻辑电路的设计方法
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-6.4.1-2 时序逻辑电路的设计方法--举例
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-6.4.2 时序逻辑电路的动态特性分析
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-7.0 半导体存储器绪论
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-7.1 半导体存储器概述和分类
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-7.2-1 ROM的结构和工作原理
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-7.2-2 可编程ROM1
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-7.2-3 可编程ROM2
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-7.3 RAM的结构和工作原理
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-7.4-1 存储器容量的扩展-位扩展
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-7.4-2 存储器容量的扩展-字扩展
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-7.5 用存储器实现组合逻辑电路
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-第九周--第九周作业
-8.1 可编程逻辑器件概述
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-8.2-8.3-8.4 可编程逻辑器件-FPLA/PAL/GAL
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-8.5-8.6-8.7 可编程逻辑器件-EPLD/CPLD/FPGA
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-8.8-8.9 可编程逻辑器件-ISPGDS、PLD的使用
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-10.1-1 脉冲波形的产生和整形概述
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-10.1-2-10.2.1 门电路组成的施密特触发器
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-10.2.2 集成施密特触发器
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-10.2.3 施密特触发器的主要特点和应用
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-10.3.1-1-1 积分型单稳态触发器--结构和工作原理
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-10.3.1-1-2 积分型单稳态触发器--性能参数计算
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-10.3.1-2-1 微分型单稳态触发器--结构和工作原理
--Video
-10.3.1-2-2 微分型单稳态触发器--性能参数计算
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-10.3.2 集成单稳态触发器
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-10.4.1 用施密特触发器构成的多谐振荡器
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-10.4.2 对称式多谐振荡器
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-10.4.3 非对称式多谐振荡器
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-第十周--第十周作业
-10.4.4 环形振荡器
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-10.4.5 石英晶体多谐振荡器
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-10.5 脉冲电路的分析方法
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-10.6.1 555定时器电路的结构与功能
--Video
-10.6.2 用555定时器接成施密特触发器
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-10.6.3 用556定时器接成单稳态触发器
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-10.6.4 用557定时器接成多谐振荡器
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-11.1 数模和模数转换概述
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-11.2.1 权电阻网络D/A转换器
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-11.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器
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-11.2.3 具有双极性输出的电阻网络D/A转换器
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-11.2.4 D/A转换器的转换精度和速度
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-11.3.1 A/D转换的基本原理
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-11.3.2 采样保持电路
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-11.3.3 并联比较型A/D转换器
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-11.3.4-1 反馈比较型A/D转换器--计数型
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-11.3.4-2 反馈比较型A/D转换器--逐次渐进型
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-11.3.5 双积分型和V-F型A/D转换器
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-第十一周--第十一周作业
-I-概述、电路设计及功能仿真
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-II-指定芯片及时序仿真
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-III-选外设（自动化）、锁定引脚并生成下载文件
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-IV-电路扩展设计
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-V-用Verilog描述状态机电路
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