模拟IC设计原理图1：逻辑电路是如何通过MOS管实现的

今天来聊聊我们常用的逻辑电路是如何通过MOS管实现的。

如果你还没开始接触CMOS管也不用着急，我会用简单的结论来描述我要用到的MOS管的功能，只需要把CMOS管看作一个受电压控制的开关就可以了。

下面我们直接进入实例。

1.反相器 （INV）

反相器的MOS管实现

如图，这个反相器可以理解为是由两个电压控制的开关组成。

（眼细的朋友可能会发现，这两个MOS管的右端不止有两个端口，在正中间还有一个接口，我们暂时不考虑这个接口，只需要记住绝大部分情况下把它与MOS管的源极连接的就行了。）

到此，基本讲完了MOS管的开关功能，那么我们来分析一下这个电路的功能。

可见，电路由一个NMOS管和一个PMOS连接而成，上面的PMOS管源极连接电源电压 VDD ，下满的NMOS管源极连接地电压 GND ，然后两个MOS管的漏极同时连接输出端口 ZN ,两个MOS管的栅极同时接在输入端 IN 。

当IN时低电平时，PMOS管导通，NMOS管关闭，因此这个电路可以理解为输出端ZN通过导线直接连接电源电压 VDD ，因此输出端ZN直接输出高电压 VDD ；

当IN时低电平时，NMOS管导通，PMOS管关闭，因此这个电路可以理解为输出端ZN通过导线直接连接地电压 GND ，因此输出端ZN直接输出低电压 GND ；

由此可见，这个电路的功能是使输入的低电压转换成高电压，使输入的高电压转换成低电压。用数字电路的语言就是， 输入0，PMOS管导通，NMOS管关闭，则输出1；输入1，NMOS管导通，PMOS管关闭,则输出0 。因此我们称这个电路为反相器或者 非门 。此外还能看出一个结论，输出低电压时是NMOS在工作PMOS不工作，输出高电压时是PMOS管在工作NMOS不工作。

反相器Symbol

我们一般会在电路中用这个符号来表示非门，三角形表示一个类似于导线的东西，专业点的称呼好像是叫BUFF，然后三角形末端的圆表示一个“负号”（“翻转”）的意思。

理解了反相器（非门），那么我们就想来通过MOS管实现更多的逻辑运算，而这些逻辑运算的基本就是，或、与、非三种基本运算，而在MOS管中能直接实现的是与非门、或非门，通过把与非、或非组合一个非门我们就能有基本的或与非三种逻辑运算了。下面我们接着来介绍通过MOS管搭建与非门、或非门、异或门。

2.与非门（NAND）

与非门的MOS管实现

一般结论的理论分析：

条件：

a.NMOS管栅极接高电压才导通，且负责输出低电压；

b.PMOS管栅极接低电压才导通，且负责输出高电压；

（可见POMS电路块和NMOS电路块是一个互补的关系；）

c.要求NMOS端导通带来低电压时PMOS端不能导通出高电压，反之亦然；

分析：

要保证电路满足上面c.条件，我们只需要保证PMOS块和NMOS块实现的逻辑功能是一个等价的逻辑运算式就可以了。

考虑我们这个实例，与非门：

Y=~(A&&B) =(~A)||(~B)

NMOS块我们考虑实现逻辑式

Y=~(A&&B)

因为NMOS管是栅极高电压导通，这正好符合这个式子A,B高电平有效，即直接对A,B进行运算，且当式子 (A&&B)=1时，输出低电平，即正好满足NMOS管的负责低电平且输入要求高电平有效，由此只需要实现 A,B两信号的逻辑与关系就可以了。这个关系逻辑与关系，可以直接通过MOS开关串联的思路实现。即当A=1时开关A闭合，当B=1时开关B闭合，两者串联就是要求A,B同时等于1时这个线路才导通，如下图所示，且这里NMOS管的导通会把NMOS管源极的低电平导通过来，因此这个正好对应关系式Y=~(A&&B) ；所以我们只需要串联两个NMOS管就可以实现NMOS块了，如图（与非门的MOS管实现）所示。

与开关逻辑

PMOS块我们考虑实现这个逻辑式

Y= (~A)||(~B)

因为PMOS管是低电平导通，正好符号这个式子A,B低电平有效，即直接对 (~A),(~B) 进行运算，然后PMOS输出的是高电平，这个式子也是，此外在这个式子是逻辑或的关系，因此只需要要并联两个PMOS管就可以了。

或开关逻辑

最后把PMOS块和NMOS块连接到相同的输出端口就能实现逻辑运算了。

与非门Symbol

3.或非门（NOR）

或非门的MOS管实现

或非门逻辑关系式：

Z= ~(A||B) = (~A)&&(~B)

理解了我对与非门的分析，那么或非门也能很快自己搭建出来。

用NMOS管并联实现对 A,B 的逻辑或功能，用PMOS管串联实现对 (~A),(~B) 的逻辑与功能,如上图（或非门的MOS管实现）所示。

或非门Symbol

4.异或门（XOR）

异或门的MOS管实现

有了基本的或与非逻辑单元，我们就能实现复杂的逻辑功能了。在这里展示一下异或门的实现。有逻辑运算基础的同志能很快地分析完这个电路，故不做赘述。

异或门Symbol