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传输晶体管逻辑简介

2024-11-21 10:37:27

晨欣小编

在数字电路中，低电阻路径的概念是理解电路性能和功耗特性的重要基础。电源轨和地之间的低电阻连接是确保数字电路稳定工作的关键，这也是为什么CMOS（互补金属氧化物半导体）技术广泛应用于现代电子设备中的原因之一。为了更好地理解这一点，我们需要深入探讨CMOS技术中的低电阻路径特性以及与传输晶体管逻辑（PTL）之间的差异和优劣。

一、CMOS电路中的低电阻路径

CMOS反相器是最基本的CMOS电路之一，它通过NMOS和PMOS晶体管的交替导通与截止实现对输出的控制。当输入信号为逻辑高时，NMOS导通，PMOS截止，从而实现电源轨（Vdd）和地之间的低电阻路径。反之，当输入为逻辑低时，PMOS导通，NMOS截止，形成电源轨和地之间的低电阻路径。

这种配置使得反相器能够保证每个节点总是与电源轨或地之间有明确的低电阻连接。由于CMOS反相器的工作方式保证了输出节点的电压能够严格地接近Vdd或地电压，所有的电路节点始终具有明确定义的二进制状态。这一特性是CMOS电路的可靠性来源，也是它广泛应用于逻辑门和复杂数字电路中的根本原因。

1. CMOS逻辑的高效性

CMOS反相器和基于此构建的逻辑电路具有低功耗、高速和良好的噪声容忍能力。由于CMOS技术仅在切换时消耗功率，而在静态状态下几乎不消耗功率，故而它在频率较高的应用中依然保持较低的静态功耗。这种“只有在切换时才消耗大量电流”的特性，使得CMOS电路在数字电路中占据了主导地位。

2. 静态功耗与开关特性

CMOS电路的另一大优势是它的开关特性。在输入信号变化时，电路会迅速从一个状态转变到另一个状态，而电源仅在开关过程中提供大电流。在切换过程结束后，电源电流迅速下降，系统进入静态低功耗模式。这是与传统的PTL电路的一个主要区别，后者可能会因为没有清晰的电源到地的低电阻路径而导致功耗更高。

二、传输晶体管逻辑（PTL）

传输晶体管逻辑（PTL）是一种使用MOSFET（场效应晶体管）作为开关的电路设计方法，与CMOS反相器不同，PTL不依赖于逆变器的结构，而是基于MOSFET作为开关来实现逻辑功能。传输门逻辑的主要特点是它在某些情况下能够简化电路设计，但这种简化也带来了性能上的一定妥协。

1. PTL的基本原理

PTL通过使用NMOS作为开关来传递逻辑信号。当栅极信号为逻辑高时，NMOS导通，开关闭合；当栅极信号为逻辑低时，NMOS断开，开关打开。下图展示了一个基本的PTL与门（或类似与门的功能）电路：

当输入A为逻辑高且控制信号B为逻辑高时，输出Y为逻辑高。
对于其他输入组合，输出Y的电压会因为电流不再流动而产生浮动。

2. PTL的挑战：浮动输出与静态功耗

PTL的一个显著缺点是，当控制信号B为逻辑低时，输出Y并不驱动逻辑低电平。由于开关断开，输出会处于浮动状态，无法明确地定义为逻辑低电平。这意味着，我们需要额外的电路（如下拉电阻）来确保输出能够稳定地驱动逻辑低电平。

此外，PTL电路在某些情况下可能会在输出为逻辑高时消耗静态功耗。因为NMOS晶体管与下拉电阻形成的路径会导致电流从输入流经NMOS到地，尽管此时输出保持逻辑高。这是PTL与CMOS电路的一个重要区别，后者不会在静态状态下消耗功率。

3. PTL的电路简化

尽管PTL在功耗控制和逻辑复杂性方面存在一定劣势，它仍然具有一些优势。最显著的优点是电路的简化。在某些应用中，使用单个NMOS晶体管和一个下拉电阻即可构建与门等基本逻辑功能，而与基于CMOS反相器的传统与门相比，这种电路的晶体管数量更少。

三、NMOS与CMOS传输门的比较

尽管使用单独的NMOS晶体管作为开关可以减少晶体管数量，但它的性能往往无法与CMOS传输门相比。CMOS传输门是一种包含NMOS和PMOS晶体管的结构，可以提供更高的性能和更低的功耗。使用NMOS和PMOS两种晶体管的组合，能够确保信号的传递更加可靠，避免了单一NMOS传输门中的不足。

1. CMOS传输门的优势

双向传递能力：CMOS传输门可以在信号传输中提供双向的控制功能。无论是NMOS还是PMOS，它们都可以在不同条件下导通或关闭，确保信号传递更加稳定可靠。
低电阻路径：相比于NMOS传输门，CMOS传输门可以提供更低的电阻路径，尤其是在处理逻辑高电平和逻辑低电平时，信号的完整性得到了保障。
低功耗：与传统的NMOS传输门相比，CMOS传输门的功耗更低，因为PMOS和NMOS晶体管的协同工作能够减少不必要的功耗，特别是在静态工作状态下。