2.1逻辑门和数字抽象

1.逻辑门

• 逻辑门电路是最基础的数字电路，具有允许或禁止信息传输功能的电路
  • 一个或多个输入信号（左边）
  • 只有一个输出信号（右边）
• 逻辑门都有自己特有的图形符号
  • 使用标识符来命名输入和输出信号（如X、Y、Z、INPUT等）
• 输入信号、输出信号称为逻辑变量（取值为0或1）
• 输入信号和输出信号之间的逻辑关系使用真值表或者逻辑表达式来描述
• 逻辑表达式是用逻辑运算符来连接逻辑变量
• 真值表
  • 左：输入（列出所有可能）
  • 右：输出（与输入组合对应）
• 最基本：与、或、非

基本逻辑门：与门、或门、非门

与非门、或非门

异或门、同或门

2.数字抽象

• 数字抽象（逻辑采样）：物理量的值映射为两个状态或逻辑值0和1.
• 例如：电压高低、灯的亮灭等
• 数字系统中：电压状态：高态（high）、低态（low）
  • 设定阈值范围
  • 正逻辑、负逻辑

3.CMOS晶体管

MOS

• 三极晶体管

  • 栅极 gate
  • 源极 source
  • 漏极 drain

• MOS晶体管分为

  • NMOS：$V_{gs}>0$，栅极为高电平，导通
  • PMOS：$V_{gs}<0$，栅极为低电平，导通

  

CMOS

• 晶体管以互补形式共用一对NMOS和PMOS晶体管
• 栅极和漏极公用，分别连接输入和输出

非门

一对CMOS晶体管实现

与非门（PMOS并联、NMOS串联）

或非门（PMOS串联、NMOS并联）

级联

• 受电气特性的限制，输入端不能无限制增加。

• 一般输入端数目小于等于5，不超过8个。

• 输入端较多的门电路可用输入端较少的门电路级联而构成，速度更快、体积更小。

• 与门：与非门+非门

• 或门：或非门+非门

• 缓冲器：非门+非门

  

• 传输门：EN高电平导通，AB传输

  

4.CMOS电路电气特性

转换时间

• 输入信号或输出信号从一种状态转换到另一种状态所需的时间

  • 上升时间$t_r$
  • 下降时间$t_f$

  

传播延迟

• 输入信号变化引起输出信号变化所需的时间$t_p$
  • $t_{pHL}$：输入变化引起相应输出从高到低变化的时间
  • $t_(pLH)$：输入变化引起相应输出低到高变化的时间
• 信号通路：一个特定输入信号到逻辑元件的特定输出信号所经历的电气通路

功率损耗

• 静态功耗
• 动态功耗