Author: Jackie Long

近段時間，中興事件在網上引發了一片熱議，甚至是恐慌，比如"這次被山姆大叔卡住的芯，多久也要搞出來"、"如果關鍵芯片被卡住，後果如何"等等，其實對于我們這些實實在在做技術的工程師而言，打好集成電路設計的基礎知識，才能有機會為明天"中國芯"的崛起而貢獻自己的綿薄之力。

集成芯片設計有數字與模拟之分，本文探讨一下CMOS數字集成芯片設計的一些基礎知識，希望對有志進入該行業的讀者起到一定的普及作用，讀者若能從中得到一點點的啟發，也算為"中國芯"的崛起做了一點點的事吧。

我們從《邏輯門》系列文章一開始就探讨了CMOS集成電路設計中的一些問題，當時是使用邏輯"與"、邏輯"或"及邏輯"非"三種最基本的邏輯門電路進行相應的分析，本節中我們把其它CMOS邏輯門電路做簡單的描述。

在分析CMOS邏輯門電路時，可以把NMOS管與PMOS管的狀态當作開關來處理，如下圖所示：

對于NMOS晶體管，當栅極g（輸入）為邏輯低電平"0"時，則源極s與漏極d是截止的，相當于開關是斷開的，而當栅極g（輸入）為邏輯高電平"1"時，則源極s與漏極d是導通的，相當于開關是閉合的。

而PMOS管與NMOS管的開關行為恰好相反。需要注意的是：NMOS管擅長傳輸低電平（強"0"），而PMOS管擅長傳輸高電平（強"1"），因此，NMOS管通常用來做低電平（GND）下拉，而PMOS管通常用來做高電平（VDD）上拉

下面以邏輯"非"門來簡單分析一下，如下圖所示：

當輸入A為邏輯低電平"0"時，則輸出Y為邏輯高電平"1"，此時電路等效如下圖所示：

當輸入A為邏輯高電平"1"時，則輸出Y為邏輯低電平"0"，此時電路等效如下圖所示：

後續邏輯門電路讀者可自行分析，不再給出開關等效示意圖。

2輸入邏輯"與非"門電路如下圖所示：

更多輸入數目的邏輯"與非"門電路可如法炮制進行擴展，3輸入邏輯"與非"門電路如下圖所示：

無論邏輯電路的具體形式是怎麼樣的，NMOS管與PMOS管都是一一對應且互相配合使用，因此也稱為互補CMOS門。

2輸入邏輯"或非"門電路如下圖所示：

更多數目的輸入邏輯"或非"門電路也可進行相應地擴展，3輸入邏輯"或非"門電路如下圖所示：

無論邏輯電路是"與非"、"或非"還是其它形式，電源VDD上拉PMOS管是串聯形式，則對應的GND下拉NMOS管為并聯形式，而相反亦然，這就是"互補導通"原則。

好複雜的樣子，這個邏輯電路使用了14個MOS管，我們也可以不進行與非的轉化，用下圖所示電路來實現：

對于GND下拉NMOS管，表達式AB或CD相當于将它們等效的開關串聯起來，兩者的或邏輯（AB CD）相當于再将AB與CD并聯起來；

對于VDD上拉PMOS管而言，它們則是相反的，即表達式AB或CD相當于将它們等效的開關并聯起來，兩者的或邏輯（AB CD）相當于再将AB與CD串聯起來；

三态門電路如下圖所示：

當輸入EN為高電平時，與輸出Y連接的NMOS與PMOS相當于是斷開的，輸出呈現高阻狀态；當輸入EN為低電平時，與輸出Y連接的NMOS與PMOS是閉合的，這時整個電路就相當于是一個邏輯非門（反相器）。

用三态門可以組成多路器（MUX），如下圖所示：

輸入數目更多的多路開關可由多個2輸入開關電路組合起來。

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