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信號(hào)強(qiáng)度與電壓源

信號(hào)的強(qiáng)度可以通過(guò)它與理想電壓源的接近程度來(lái)衡量。通常，信號(hào)越強(qiáng)，它能提供或吸收的電流就越大。電源（VDD）和地（GND）是數(shù)字信號(hào)中“1”和“0”的來(lái)源。

NMOS與PMOS晶體管簡(jiǎn)介及反相器電路回顧

NMOS晶體管幾乎是一個(gè)完美的開(kāi)關(guān)，當(dāng)輸入為“0”時(shí)導(dǎo)通，輸出為“0”（強(qiáng)0）。然而，請(qǐng)注意只是"幾乎"，NMOS晶體管在輸入為“1”時(shí)表現(xiàn)不完美，高電壓水平會(huì)略低于VDD，這將在后續(xù)文章中詳細(xì)解釋。我們稱之為“退化1”或“弱1”。

PMOS晶體管則具有相反的特性，當(dāng)輸入為“0”時(shí)導(dǎo)通，輸出為“1”（強(qiáng)1），但當(dāng)輸入為“1”時(shí)，輸出會(huì)是“退化0”。

上圖總結(jié)了晶體管的符號(hào)和行為，其中g(shù)、s和d分別表示柵極、源極和漏極

在CMOS邏輯電路中，輸入信號(hào)通常同時(shí)驅(qū)動(dòng)下拉網(wǎng)絡(luò)中的NMOS晶體管柵極和互補(bǔ)上拉網(wǎng)絡(luò)中的PMOS晶體管柵極。這種配置確保了NMOS晶體管在導(dǎo)通時(shí)能提供穩(wěn)定的“0”電平，PMOS晶體管在導(dǎo)通時(shí)能提供穩(wěn)定的“1”電平，從而保證輸出信號(hào)的強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力和電平的無(wú)退化。我們將這種特性稱為“完全恢復(fù)邏輯門”，它顯著簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，并降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。下圖為典型的CMOS邏輯電路原理圖及典型的版圖設(shè)計(jì)，也稱為反相器電路。

傳輸門

當(dāng)NMOS或PMOS單獨(dú)使用時(shí)，它們是不完美的開(kāi)關(guān)，我們稱之為“傳輸晶體管”或“直通門”。通過(guò)將NMOS和PMOS晶體管并聯(lián)（下圖(a)），我們得到一個(gè)當(dāng)輸入為“1”時(shí)導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)（下圖(b)），并且在“0”和“1”兩種情況下都能完美導(dǎo)通（下圖(c)）。我們稱之為“傳輸門”或“直通門”。

在某些電路中，如果只有單個(gè)“0”或“1”信號(hào)，則可以刪除相應(yīng)的傳輸晶體管（n管或p管），退化為單個(gè)NMOS或PMOS器件。

為什么要用傳輸門/傳輸門存在的意義是？

靜態(tài)CMOS邏輯電路（反相器）設(shè)計(jì)的輸入和輸出必須是反相的。當(dāng)輸入為“1”時(shí)，NMOS下拉網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通，輸出為“0”；當(dāng)輸入為“0”時(shí)，PMOS上拉網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)通，輸出為“1”。我們可能會(huì)嘗試將晶體管倒置以構(gòu)建非反相門。例如，下圖顯示了一個(gè)非反相緩沖器。為什么在下圖打X，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。

雖然這種設(shè)計(jì)可以使輸入輸出相同，但是NMOS和PMOS晶體管都會(huì)產(chǎn)生退化的輸出（詳見(jiàn)上文NMOS與PMOS晶體管簡(jiǎn)介及反相器電路回顧章節(jié)描述），因此應(yīng)避免這種技術(shù)。

傳輸門的功能像一個(gè)電子開(kāi)關(guān)， 它可以根據(jù)控制信號(hào)來(lái)選擇性地“接通”或“斷開(kāi)”一條信號(hào)通路，從而控制輸入信號(hào)是否能夠傳遞到輸出端。 當(dāng)它“接通”時(shí)，輸入信號(hào)幾乎無(wú)改變地通過(guò)；當(dāng)它“斷開(kāi)”時(shí)，輸出端處于高阻態(tài)（High-Z），相當(dāng)于斷路。另外，傳輸門可以雙向傳輸信號(hào)，而反相器只能單向傳輸信號(hào)。

總結(jié)

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，可以將反相器想象成一個(gè)“唱反調(diào)”的設(shè)備，你給它“1”，它就輸出“0”。而傳輸門則像一個(gè)“水龍頭”，通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)（控制信號(hào)）來(lái)決定是讓水流（輸入信號(hào)）通過(guò)，還是關(guān)掉。

傳輸門本質(zhì)上是一個(gè)三態(tài)電路，它的三個(gè)狀態(tài)是：

導(dǎo)通（ON）：當(dāng)使能信號(hào)有效時(shí)（例如 EN=1），它像一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)，允許輸入信號(hào) A 通過(guò)，此時(shí)輸出 Y = A。

截止（OFF）/高阻態(tài)（High-Z）：當(dāng)使能信號(hào)無(wú)效時(shí)（例如 EN=0），它像一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。此時(shí)輸出端與輸入端斷開(kāi)，呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)。這就是它的“第三態(tài)”。

（注：嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，傳輸門只有導(dǎo)通和高阻態(tài)兩個(gè)由控制信號(hào)決定的狀態(tài)。但因?yàn)樗茌敵龈咦钁B(tài)，所以被歸類為三態(tài)邏輯電路。）