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【摘要】在充分了解NMOS管和PMOS管电学特性的基础上，我们总结了一个理解和设计传输门逻辑和静态CMOS门逻辑电路的方法，这种方法能够简单易懂的去理解基于MOS器件的传输门和静态CMOS門逻辑电路。运用这种方法，我们也可以方便的去设计传输门和静态CMOS门逻辑电路。我们的方法将静态逻辑门电路和传输门逻辑电路有机的统一起来，便于理解学生的理解和记忆。
【关键词】传输门逻辑；CMOS门逻辑；NMOS管；PMOS管
1.引言
21世纪是信息科学的世纪，电子科学与技术是信息科学发展的基础学科。半导体集成电路作为电子科学与技术的核心，是电子类相关专业的重要基础课程。而半导体集成电路这门课程中，静态逻辑电路[1-3]这一块又是比较重要的一部分。静态逻辑电路分为静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。现有的绝大多数教材表明传输门逻辑电路的理解设计方法和静态CMOS逻辑电路的理解设计方法是不一样的。人们总结出了的一套设计静态CMOS复合逻辑门电路的通用方法[3]，其步骤如下：
（1）调整布尔代数式（也叫逻辑关系式），使得输出为负逻辑。
（2）当逻辑关系式为“或”时，PMOS管串联，NMOS管并联。
（3）当逻辑关系式为“与”时，PMOS管并联，NMOS管串联。
（4）改变尺寸可调整速度或输入阈值。而对于传输门逻辑[3]，其理解和设计的方法是二叉判决图BBD。这两类方法不统一，给学生在理解和设计逻辑电路造成很大的麻烦。本论文提出一种能够简易地理解传输门逻辑和静态CMOS门逻辑的方法。运用这种方法，学生也可以简易地设计传输门和静态CMOS逻辑电路。
2.方法
下面我们介绍一下这个方法。我们这个方法分为如下三个部分：
（1）对于单个NMOS管而言，漏极输出C等于源极输入A和栅极输入B的“与”。逻辑表达式为。图1显示了单个NMOS管。根据NMOS管高电压通、低电压阻的特性，我们可以得到。
（2）对于单个PMOS管而言，漏极输出C等于源极输入A和栅极输入B的“非”的“与”。逻辑表达式为。图2显示了单个PMOS管。根据PMOS管高电压阻、低电压通的特性，我们可以得到。
（3）对于两个MOS并联而言，总的输出等于各个MOS输出的“或”。我们以两个NMOS管并联说明这种情况。图3显示了两个NMOS并联的情形。我们可以得到：
3.结果和讨论
（1）我们先用上述的方法来理解静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。
首先看CMOS反相器，图4显示了CMOS反相器的示意图。从图4中我们可以看出对于输出VOUT，PMOS管和NMOS管是并联的关系。利用上述的方法，我们可以得到PMOS管和NMOS管的漏极分别为和，所以。可以看出我们的方法对于理解简单的CMOS反相器逻辑是适合的。
我们再来理解一个复杂一点的两输入的异或门静态CMOS逻辑电路。图5显示了静态CMOS异或门逻辑电路示意图。运用我们的方法，我们可以得出：对于P网，有、、、。对于N网，有、、、、。所以，。可以看出我们的方法能够简单的理解较为复杂的两输入静态CMOS异或门逻辑电路。我们有理由相信对于理解更为复杂的静态CMOS逻辑电路，我们的方法同样适用。
理解完了静态CMOS逻辑电路，我们在来看看传输门逻辑电路。图6显示了一个基于CMOS传输门构成的同或门逻辑电路。运用我们的方法，我们可以得出：、、、、、、。因为前面我们已经理解了CMOS反相器，所以图6中我们直接用反相器逻辑功能。可以看出我们的方法可以很简单的理解传输门逻辑电路。从图6我们也可以看出，对与CMOS传输门，其逻辑功能跟随NMOS传输门。
我们再来理解一个全加器中静态的曼彻斯特进位电路。图6显示了全加器中静态的曼彻斯特进位电路示意图。运用我们的方法，可以得到：
、、、、。可以看出，按照我们的方法，正确的理解了全加器中静态的曼彻斯特进位电路的逻辑表达式。
（2）运用我们的方法来设计静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。
我们首先来设计一个静态CMOS逻辑电路。设计静态CMOS逻辑电路就是理解静态CMOS逻辑电路逆过程。我们以逻辑表达式为例来设计静态CMOS逻辑电路。参考上面讲述的运用我们的方法理解静态CMOS逻辑电路的过程可知，首先要将逻辑表达式写成如下形式：
这一项是对应静态CMOS电路的P网，而这一项是对应静态CMOS电路的N网。观察这两项，反向运用我们的方法，可知在P网中下面是栅极输入由C控制的PMOS管，再下面是并联的两个栅极信号分别由A和B控制的PMOS管。而在N网中，对应的是串联的两个栅极信号分别由A和B控制的NMOS管，这两个串联的NMOS管再与栅极信号由C控制的NMOS管并联。由上述分析可知逻辑电路图如图7所示。
其次运用我们的方法设计一个静态传输门电路。以异或门为例，其逻辑表达式为。运用我们的方法，得知一个两输入的“与”相使用一个MOS管，而“或”代表两个MOS管并联。如果使用两个NMOS管并联，电路图如图8所示。由图8可知，使用NMOS管的话还要两个反相器才能完全实现“异或”功能。如果使用两个PMOS管并联，电路图将更为简单，可以省略两个反相器，电路图如图9所示。
在学习静态传输门逻辑电路时，我们知道静态传输门逻辑相比与静态CMOS逻辑电路而言有一个优势就是：输入不同，逻辑功能也不同。实际上在这个优势背后有个不变的本质，这个本质就是本教学论文提出的理解和设计静态传输门和静态CMOS逻辑电路的方法。
4.结论
本教学论文提出一种能简易地理解和设计静态传输门和静态CMOS逻辑电路的方法。这种方法基于对NMOS管“高通低阻”和PMOS管“低通高阻”的电学特性的充分理解。我们的方法统一的静态CMOS逻辑电路和静态传输门逻辑电路，便于学生的理解和学习。
参考文献
[1]张延庆，张开华，朱兆宗.半导体集成电路[M].上海：上海科学技术出版社（第2版），1986.
[2]朱正涌，张海洋，朱元红.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社（第2版），2009.
[3]余宁梅，杨媛，潘银松.半导体集成电路[M].西安：科学出版社，2011.
本文属国家自然科学基金（基金号：No.11104072，No.11004066，No.10974104 and No.11104151）资助；江苏省自然科学基金资助（基金号：No.BK2012655）。
【关键词】传输门逻辑；CMOS门逻辑；NMOS管；PMOS管
1.引言
21世纪是信息科学的世纪，电子科学与技术是信息科学发展的基础学科。半导体集成电路作为电子科学与技术的核心，是电子类相关专业的重要基础课程。而半导体集成电路这门课程中，静态逻辑电路[1-3]这一块又是比较重要的一部分。静态逻辑电路分为静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。现有的绝大多数教材表明传输门逻辑电路的理解设计方法和静态CMOS逻辑电路的理解设计方法是不一样的。人们总结出了的一套设计静态CMOS复合逻辑门电路的通用方法[3]，其步骤如下：
（1）调整布尔代数式（也叫逻辑关系式），使得输出为负逻辑。
（2）当逻辑关系式为“或”时，PMOS管串联，NMOS管并联。
（3）当逻辑关系式为“与”时，PMOS管并联，NMOS管串联。
（4）改变尺寸可调整速度或输入阈值。而对于传输门逻辑[3]，其理解和设计的方法是二叉判决图BBD。这两类方法不统一，给学生在理解和设计逻辑电路造成很大的麻烦。本论文提出一种能够简易地理解传输门逻辑和静态CMOS门逻辑的方法。运用这种方法，学生也可以简易地设计传输门和静态CMOS逻辑电路。
2.方法
下面我们介绍一下这个方法。我们这个方法分为如下三个部分：
（1）对于单个NMOS管而言，漏极输出C等于源极输入A和栅极输入B的“与”。逻辑表达式为。图1显示了单个NMOS管。根据NMOS管高电压通、低电压阻的特性，我们可以得到。
（2）对于单个PMOS管而言，漏极输出C等于源极输入A和栅极输入B的“非”的“与”。逻辑表达式为。图2显示了单个PMOS管。根据PMOS管高电压阻、低电压通的特性，我们可以得到。
（3）对于两个MOS并联而言，总的输出等于各个MOS输出的“或”。我们以两个NMOS管并联说明这种情况。图3显示了两个NMOS并联的情形。我们可以得到：
3.结果和讨论
（1）我们先用上述的方法来理解静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。
首先看CMOS反相器，图4显示了CMOS反相器的示意图。从图4中我们可以看出对于输出VOUT，PMOS管和NMOS管是并联的关系。利用上述的方法，我们可以得到PMOS管和NMOS管的漏极分别为和，所以。可以看出我们的方法对于理解简单的CMOS反相器逻辑是适合的。
我们再来理解一个复杂一点的两输入的异或门静态CMOS逻辑电路。图5显示了静态CMOS异或门逻辑电路示意图。运用我们的方法，我们可以得出：对于P网，有、、、。对于N网，有、、、、。所以，。可以看出我们的方法能够简单的理解较为复杂的两输入静态CMOS异或门逻辑电路。我们有理由相信对于理解更为复杂的静态CMOS逻辑电路，我们的方法同样适用。
理解完了静态CMOS逻辑电路，我们在来看看传输门逻辑电路。图6显示了一个基于CMOS传输门构成的同或门逻辑电路。运用我们的方法，我们可以得出：、、、、、、。因为前面我们已经理解了CMOS反相器，所以图6中我们直接用反相器逻辑功能。可以看出我们的方法可以很简单的理解传输门逻辑电路。从图6我们也可以看出，对与CMOS传输门，其逻辑功能跟随NMOS传输门。
我们再来理解一个全加器中静态的曼彻斯特进位电路。图6显示了全加器中静态的曼彻斯特进位电路示意图。运用我们的方法，可以得到：
、、、、。可以看出，按照我们的方法，正确的理解了全加器中静态的曼彻斯特进位电路的逻辑表达式。
（2）运用我们的方法来设计静态CMOS逻辑电路和传输门逻辑电路。
我们首先来设计一个静态CMOS逻辑电路。设计静态CMOS逻辑电路就是理解静态CMOS逻辑电路逆过程。我们以逻辑表达式为例来设计静态CMOS逻辑电路。参考上面讲述的运用我们的方法理解静态CMOS逻辑电路的过程可知，首先要将逻辑表达式写成如下形式：
这一项是对应静态CMOS电路的P网，而这一项是对应静态CMOS电路的N网。观察这两项，反向运用我们的方法，可知在P网中下面是栅极输入由C控制的PMOS管，再下面是并联的两个栅极信号分别由A和B控制的PMOS管。而在N网中，对应的是串联的两个栅极信号分别由A和B控制的NMOS管，这两个串联的NMOS管再与栅极信号由C控制的NMOS管并联。由上述分析可知逻辑电路图如图7所示。
其次运用我们的方法设计一个静态传输门电路。以异或门为例，其逻辑表达式为。运用我们的方法，得知一个两输入的“与”相使用一个MOS管，而“或”代表两个MOS管并联。如果使用两个NMOS管并联，电路图如图8所示。由图8可知，使用NMOS管的话还要两个反相器才能完全实现“异或”功能。如果使用两个PMOS管并联，电路图将更为简单，可以省略两个反相器，电路图如图9所示。
在学习静态传输门逻辑电路时，我们知道静态传输门逻辑相比与静态CMOS逻辑电路而言有一个优势就是：输入不同，逻辑功能也不同。实际上在这个优势背后有个不变的本质，这个本质就是本教学论文提出的理解和设计静态传输门和静态CMOS逻辑电路的方法。
4.结论
本教学论文提出一种能简易地理解和设计静态传输门和静态CMOS逻辑电路的方法。这种方法基于对NMOS管“高通低阻”和PMOS管“低通高阻”的电学特性的充分理解。我们的方法统一的静态CMOS逻辑电路和静态传输门逻辑电路，便于学生的理解和学习。
参考文献
[1]张延庆，张开华，朱兆宗.半导体集成电路[M].上海：上海科学技术出版社（第2版），1986.
[2]朱正涌，张海洋，朱元红.半导体集成电路[M].北京：清华大学出版社（第2版），2009.
[3]余宁梅，杨媛，潘银松.半导体集成电路[M].西安：科学出版社，2011.
本文属国家自然科学基金（基金号：No.11104072，No.11004066，No.10974104 and No.11104151）资助；江苏省自然科学基金资助（基金号：No.BK2012655）。