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CMOS工艺还可以构成另外一种
常用的开关
我们把它叫做CMOS传输门
及双向模拟开关
其实这个开关不是单独
存在在数字电路里边
在模拟电路当中也会有应用
我们来一起看一下
这个电路结构
这个电路结构它用了上下
两个管子
仍然沿用上边是PFET管
下边是NFET管
但是这个管子的应用
有一个特殊的地方是
它充分利用了管子的
漏源的对称性
因为我们知道
场效应管的漏源
两口阱的做法没有区别
但是在用的时候
你谁把源极跟衬底接在一起
接在一起的那极叫源极
剩下的那个叫漏极
那这个时候它不是这样接的
它把衬底始终接在了“地”或者“电源”
也就是说这种接法
用的是四极接法
它充分利用了它的对称性
那么对称性就意味着
信号可以双向走
在漏源之间可以从漏到源
也可以反过来
是完全一样的
那我们看这样的一个结构
其实是否有导通的沟道
就仅仅取决于你在门极
有没有加上合适的垂直电场
如果我在门极加了垂直电场
那你看到我的衬底已经
给你做好准备
接地了 接电源了
对于N沟道管来讲
我的衬底接地
我的门极接高电平
那我的垂直电场就有了
这个时候就可以在两口井之间
形成沟道
那么漏源就可以导通
信号就可以流通
同理大家看上面这个管子
它把衬底接在了VDD
这是一个PFET管
那么这个时候只需要C取1的时候
那么C’是0
C’反如果是0的话
和VDD之间也形成了垂直电场
那这个时候垂直电场
就会形成沟道
连通两口P阱
那么同样上面的管子也导通了
所以这就是CMOS传输门
双向开关的一个基本结构
我们如果直接把它画成
逻辑符号的话
它是这样的
它的意思是说
只要C和C’满足一零的时候
上下两个管子
都会形成沟道
形成沟道之后
相当于导通
导通了之后信号两边走
两边都可以
那这就是CMOS传输门
以及双向模拟开关的
一个基本结构
但是如果你想使用这个器件
一定要注意这么一件事
因为这个开关从道理上来讲
它是沟道连通了两口阱
那么它对外的电阻
是它的导通内阻
我们都知道
如果在一根导线上接近开关
其实你有一个根本的想法
是希望开关在闭合之后
也跟导线一样变成一个0的内阻
但实际上在这个电路当中
不可能
上下两个即便都有沟道
但是我们都知道它们有内阻
而且内阻还是变化的
会根据漏源之间的电压发生变化
那么这个时候我们在使用的时候
要注意什么问题呢
要注意它的内阻本身很大
所以请你另外
在使用这个器件的时候
你所带的负载要很小
你所带的负载要很小
把它表达成一个等效的负载电阻
就意味着这个负载电阻要足够大
或者说远大于你导通的内阻
当你的负载电阻远大于
你导通的内阻的时候
这个时候你可以把这个开关
有内阻的开关看成一个
近乎为导线的这么一个闭合
那这是有前提的
所以CMOS传输门
有它自己适用的范围
它最合适在哪用呢
就是在CMOS工艺当中
CMOS工艺的门电路前后使用
很简单 因为我们知道
CMOS门电路
它本身输入不取电流
它的负载电阻相当于无穷大
它有利于信号的传达
那么在分析这两个开关的时候
上下这两个开关的时候
基本的分析是C等于1的时候
C’等于零
这是一个基本的分析
那就是说C等于1
C’等于零的时候
上下两个都形成沟道
那么就闭合了
闭合之后但是实际
它对外的分析它对外的
等效电阻的分析是分区的
因为我们也知道
场效应管在工作的时候
有线性区
就是我们所说的电压控制的
可变电阻区
还有一个区是什么 恒流区
那个恒流区是一个饱和区
当你的管子进入那个区的时候
你对外的等效内阻是很大的
因为你是一个电流源了那个时候
那这时候我们
如果要仔细分析的话
你会发现CMOS工艺
上下这样对称的结构
可以使得当有一个管子
进入到恒流区内阻无穷大的时候
另一个管子一定在线性区
一个大电阻和一个小电阻
并联之后
其值一定小于小电阻
我们正是利用了这样的规律
利用了CMOS工艺的
这个互补性
使得CMOS传输门
具备了良好的导通特性
而且它的内阻一定小于
我本身的导通内阻
一个管子 而且它的内阻
一定小于其中某一个管子的
导通内阻
好 在使用的时候
我们可以用这样的逻辑符号图
来表达
那么在数字电路当中
通常情况下
我们认为信号直接传递过来
比方说当我满足C等于1的时候
那这个开关就闭合
信号得以传递到这边
这是CMOS双向模拟开关
那从这张图我们也引出一个问题
如果C不等于1
也就是说我不形成
垂直电场的时候怎么办
不形成垂直电场的时候
上下两个管子都没有沟道
那么在CMOS工艺当中
出现了什么情况呢
实际上相当于这段导线断开了
那么这段导线断开了
对外来讲
它是一个很高的电阻
等效的是
也就是说我们会说它
输出一个高阻态
那我们回到我们前面讲
CMOS工艺上拉下拉基本原理的
这张图
在这张图当中我们发现
当我需要输出高低电平的时候
我用的是前两行
红色的那一行是我们不希望出现
但是一定会出现的
什么时候出现呢
就是在前两行当中跳变的时候
它一定会出现这种情况
这是我们要避免的
避免稳定出现的一个状态
那最后一行
最后一行说什么
最后一行说我上拉和下拉部分的
两个开关全都打开
那大家回到这个图
上拉和下拉部分的开关全都打开
这时候我的输出
从接线上来看
确实接在了这个器件的这部分
但是我没有输出高电平
也没有输出低电平
相当于是一个悬空端
一个导线悬空的放在这
从电器连接上来讲
它就是一个悬空的放在这
但是从物理连接上来讲
还是连在那一端了
那么这个状态我们称之为高阻态
高阻态是我们在电路设计当中
有的时候特别希望
有的这么一个状态
为什么这么讲
因为我们平常如果希望把
电路有连接
那你一定会把需要连接的部分
给它物理的接触上
也就是希望它物理连接
但是当你不希望它有连接的时候
我们通常是通过
拆除它的物理连接
来阻断它的电器连接
那你要注意这件事情
换句话讲
你要连上的时候
你需要去插一下
你需要要断开的时候
你需要把它拔出来
这个从我们平常接线板上
是这么做的
插销是这么做的
但是在我们的电路当中
我们并不希望这样
我们怎么来解决这个问题呢
我们一起来看下面这个电路
大家看这个电路
这个电路它内部的所有的
逻辑运算
还是CMOS工艺
我就不再画具体的图
但是它的输出端
其实就这么一看过去的话
大家会觉得这个输出端
还是一个反相器的结构输出
没什么变化
但是仔细看
这个时候反相器的上边的管子
和下面的管子
这时候它没有连在一起
它分别受控于其他部位
那我们一起来读一下这个图
EN’如果等于零
那我们前面讲过
遇到圈就取反
EN’要等于零
取反进来之后G1的输出就是1
G1的输出如果是1的话
其实它对上边G4
这个“与非”门来讲
G1的输出就是1
G1的输出如果是1的话
其实G4这个与非门
它的输出就完全交给了A
A通过G2取反之后来到G4
来到G4之前
它说我上面那个信号
已经等于1了
所以说A取反再取反给到了T1
好 再看下面
如果G1得1 G1得1的话
通过G3取反为0
那对下面这个“或非”门来讲
G5有一个输入端是或非门是5
那么G5这个“或非”门
有一个输入端是0
对于“或非”门来讲
有一个输入端是0
其实这个“或非”门的输出
就完全的交给了A
A也是取反之后过来
那就说EN'等于零的时候
其实这个A又变成了
T1和T2的统一控制信号
那么这个控制是什么呢
是不是说EN'等于0的时候
Y还是等于A'
那对于我们来讲
EN'等于0的时候Y=A'
就意味着说它仍然是一个反相器
那我们看如果EN’等于1呢
如果EN'等于1你会发现
EN'等于1经过一次取反过来
之后是个0
这个0直接就把G4封掉了
G4输出是1
再往下看
这个零通过G3反相之后得到1
这个1直接就把G5这个“或非”门
给封掉了
那么这个1使得G5或非门输出
就是0
而我们现在看到
T1管和T2管分别作为
上拉管和下拉管
上拉管是需要0电平
下拉管需要1电平
而这个时候由于EN’等于1
使得现在T1管的控制端
出现了1电平
而T2管的前端的控制端
出现了零电平
正好和它需要相反
那就是说
EN’要等于1的时候
T1管和T2管都甭想导通
无论A是什么
你都甭想导通
那你不要导通的话
就出现了刚才我们出现的
那个情况
出现了“高阻态”
这个电路相较于前面那些
逻辑运算的分析
出现了一个有意思的状况
从电路结构上直接外端来看
EN’和A都是作为
电路的逻辑输入
但是其实从上面的分析
我们能够看到
EN’的优先极
高于A
这个电路要不要工作
先要问EN'
如果EN'等于零
照常Y=A'
如果EN'等于1
Y等于高阻态
那这个电路我们叫做什么呢
叫做三态输出门
为什么叫"三态"
因为这个电路在EN'
等于零的时候
我能够输出逻辑门电路
要求的正常的高低电平
而EN反等于1的时候
这个电路输出的是高阻态
具备高阻态的
这样的一个电路
输出的电路我们认为它叫三态门
那三态门我们在电路符号上
也有表示
从整体上来讲
我们会这个电路的
逻辑运算符号上面
加个倒三角
那么它的控制端一般情况下
会放到侧面
这就是一个三态门
那有的同学会问说
这有什么用
我要是不用这个
我把这条线拔掉不就完了吗
三态门在数字电路当中
在数字系统当中至关重要
而且和大家息息相关
举个最简单的例子
大家平常用到的笔记本电脑
我们都希望它的USB接口特别多
那我希望它接口多的原因
是因为我希望同时插很多外设
甚至有的同学还因为外设不够
再去买个USB的坞
再接出来
那么我们现在就说
如果现在你了笔记本电脑上
插了打印机插了相机还插了手机
那我请问你每次每一刻
使用的时候
你是希望访问一个设备
还是三个设备同时错乱访问
还是说你希望当你要用
某一个设备的时候
你希望把其他设备拔掉
它才能正常工作
三态门给我们提供了可能
为什么提供了可能呢
为总线的使用提供了可能
这种总线思想说的就是
在物理上可以是连接的
比方说大家的USB接口上面
可以插很多外设
但是在任何时候
电气连接不一定真正发生
当你选通某一个外设的时候
这个时候总线上才和这个
有物理连接的这个外设设备
才发生了电气连接
那通过谁来控制呢
就通过我们刚才说的这个EN
Enable信号
对于总线来讲
我们有的时候需要的是
单相的使用
比方说大家对于相机
你拷中间的相片
对于打印机来讲
那你可能是通常情况下
是从电脑直接输出到打印机上边
通过总线把数据送过去
还有的时候你希望是双向的
比方说相机你读里边的相片
但有的时候你也希望通过
你的电脑设备
对它进行配置等等
总线结构的出现
依赖于三态门结构
而三态门使得总线成为可能
总线也使得我们数字电路
接口化模块化成为可能
-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
--Video
-3.5-3-2 TTL反相器的输入端负载特性
--Video
-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
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-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
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-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
--Video
-10.6.4 用557定时器接成多谐振荡器
--Video
-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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