河北建设行业信息网站,建设网站的主要流程图,外贸网站建设产品,留号码的广告网站不需要验证码电子技术——数字逻辑反相器
在学习完如何通过CMOS数字电路实现组合逻辑#xff0c;接下来我们评估这种数字CMOS电路的性能。首先#xff0c;我们考虑最基本的部件——反相器。
电压传导特性
下图是一个反相器的原理图#xff1a; 在之前#xff0c;我们已经介绍了MOSFE…电子技术——数字逻辑反相器
在学习完如何通过CMOS数字电路实现组合逻辑接下来我们评估这种数字CMOS电路的性能。首先我们考虑最基本的部件——反相器。
电压传导特性
下图是一个反相器的原理图 在之前我们已经介绍了MOSFET的电压传导特性回忆一下当输入逻辑0的时候此时 vI0v_I 0vI0 小于MOS的阈值电压 VtnV_{tn}Vtn 因此MOS管截止A点此时 vOVDDv_O V_{DD}vOVDD 输出逻辑1。当输入逻辑1的时候也就是 vIVDDv_I V_{DD}vIVDD MOS管进入三极管区D点输出逻辑0。数字逻辑反相器不想信号放大器数字逻辑反相器使用MOSFET的非线性区如图 为此我们可以简化这个模型如图 上图中数字MOS输出的最高电压我们记为 VOHV_{OH}VOH 当 vIVILv_I V_{IL}vIVIL 的时候输出的 VOHV_{OH}VOH 是一个和 vIv_IvI 无关的常量当 vIVILv_I V_{IL}vIVIL 的时候此时数字MOS进入饱和区在数字MOS中称为 过渡区 。其中 VILV_{IL}VIL 是数字MOS的一个特别重要的参数它决定了输入 vIv_IvI 能够被解释成逻辑0的最大电压值。
同样的我们观察数字MOS的输出电压最低值 VOLV_{OL}VOL 当 vIVIHv_I V_{IH}vIVIH 的时候不依赖于 vIv_IvI 。其中 VIHV_{IH}VIH 也是数字MOS的一个特别重要的参数它决定了输入 vIv_IvI 能够被解释成逻辑1的最小电压值。
噪声容限
通过上述分析我们知道MOS判断逻辑0还是1存在一定的容限区间这也是对于模拟电路来说数字电路的优点之一。为了量化这种容限性质考虑下图的一种情况后面的反相器被前面的反相器所驱动 这里我们假设在 G1G_1G1 和 G2G_2G2 之间存在噪声 vNv_NvN 即
vI2vO1vNv_{I2} v_{O1} v_N vI2vO1vN
接下来考虑 vO1VOLv_{O1} V_{OL}vO1VOL 此时 G2G_2G2 的输入是逻辑0我们发现只要 vI2v_{I2}vI2 不超过 VILV_{IL}VIL 那么逻辑就不会发生改变因此 vNv_NvN 的最大值可以是 VIL−VOLV_{IL} - V_{OL}VIL−VOL 我们称 G2G_2G2 对于 低电压输入有噪声容限 记为
NMLVIL−VOLNM_L V_{IL} - V_{OL} NMLVIL−VOL
同样的若 vO1VOHv_{O1} V_{OH}vO1VOH 我们发现只要 vI2v_{I2}vI2 不小于 VIHV_{IH}VIH 那么逻辑就不会发生改变因此 vNv_NvN 的最小值可以是 VOH−VIHV_{OH} - V_{IH}VOH−VIH 我们称 G2G_2G2 对于 高电压输入有噪声容限 记为
NMHVOH−VIHNM_H V_{OH} - V_{IH} NMHVOH−VIH
总之数字MOS的 VOL,VIL,VOH,VIHV_{OL},V_{IL},V_{OH},V_{IH}VOL,VIL,VOH,VIH 参数决定了数字MOS的传导特性以及噪声容限。换句话说噪声引起的在噪声容限内的电压改变被数字MOS所拒绝而且数字MOS又将受噪声影响的电平值恢复成原始电平值继续传播这也是为什么数字电路在信号质量上优于模拟电路的原因。下表总结了数字MOS的参数 下图给出了 VILV_{IL}VIL 和 VIHV_{IH}VIH 的形式化定义 我们发现 VILV_{IL}VIL 和 VIHV_{IH}VIH 被定义在曲线斜率为-1的拐点处。除此之外我们还定义了曲线中点M在中点M出输出电压等于输入电压。点M可以粗略的看做是数字MOS从一个状态切换为另一个状态。
理想电压传导
什么是理想的反相器电压传导通过刚才的分析我们知道一个理想的反相器电压传导应该具有最大的电压摆幅以及噪声容限对于一个电源电压为 VDDV_{DD}VDD 的反相器来说获得最大的电压摆幅当
VOHVDDV_{OH} V_{DD} VOHVDD
VOL0V_{OL} 0 VOL0
为了获得最大的噪声容限则过渡区的宽度越小越好理想情况下则是零宽度而且高低电压区各占一半如图 我们有
VILVIHVMVDD/2V_{IL} V_{IH} V_M V_{DD}/2 VILVIHVMVDD/2
反相器实现
使用晶体管实现的反相器我们称为 压控开关 。最简单的反相器实现如下图 这个开关受到电压 vIv_IvI 控制。当 vIv_IvI 是低电压的时候开关打开此时没有电流通过 RRR 此时 vOVDDv_O V_{DD}vOVDD 。当 vIv_IvI 是高电压的时候开关闭合假设开关是理想的此时输出 vO0v_O 0vO0 。
晶体管开关例如MOS和BJT开关并不是理想开关尽管 开路电阻 是非常高的可以近似看成是开路但是 闭合电阻 是有限的 RonR_{on}Ron 。这就造成了当晶体管开关闭合的时候等价于上图的©电路此时输出电压为
VOLVDDRonRRonV_{OL} V_{DD} \frac{R_{on}}{R R_{on}} VOLVDDRRonRon
另外一种更高级的反相器实现如下图 上图我们使用了 互补开关 其中 上拉PU开关 负责将输出节点接入 VDDV_{DD}VDD 下拉PD开关 负责将输出节点接入地。当 vIv_IvI 低电压输入的时候PU闭合而PD打开如图(b)此时输出 vOVDDv_O V_{DD}vOVDD 因此 vOHVDDv_{OH} V_{DD}vOHVDD 。同样的若 vIv_IvI 输入高电平的时候此时PU断开而PD闭合输出 vO0v_{O} 0vO0 。观察到该电路中没有电流流过因此耗散功率为零。这个电路的优势比起使用单下拉开关加上 上拉电阻 来说具有最大的电压摆幅和零耗散功率。这也是我们之前说的上拉下拉网络的实现。
最后考虑另外一个反相器实现 这里由一个双掷开关和一个公共电流源实现当输入高低电平的时候开关在两个状态下转换因为电流是固定的所以输出值取决于电阻 RC1R_{C1}RC1 和 RC2R_{C2}RC2 的值并且输出电压与开关的阻抗无关他是实现快速逻辑电路的基础称为发射极耦合逻辑ECL。
