CMOS反相器和傳輸門(mén)的教學(xué)實(shí)踐

唐普英，姜書(shū)艷（電子科技大學(xué) .光電信息學(xué)院；.自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610054）

CMOS反相器和傳輸門(mén)的教學(xué)實(shí)踐

唐普英a，姜書(shū)艷b
（電子科技大學(xué) a.光電信息學(xué)院；b.自動(dòng)化工程學(xué)院，成都 610054）

CMOS反相器和傳輸門(mén)是數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程中最基本的邏輯門(mén)電路，也是學(xué)生最先接觸到的數(shù)字電路，對(duì)它們的正確認(rèn)識(shí)是學(xué)習(xí)其他邏輯門(mén)電路的基礎(chǔ)。從NMOS反相器存在的問(wèn)題，到CMOS反相器和傳輸門(mén)的構(gòu)成，在教學(xué)中采用啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法，逐步引導(dǎo)學(xué)生如何分析和探究問(wèn)題的解決過(guò)程。學(xué)生提高了學(xué)習(xí)課程的興趣，把握了知識(shí)的來(lái)龍去脈，掌握了相關(guān)知識(shí)的相互關(guān)系。

數(shù)字電路；反相器；傳輸門(mén)；啟發(fā)式教學(xué)

數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程是信息技術(shù)類專業(yè)所共有的一門(mén)重要基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是一門(mén)重要的工程技術(shù)課程，是研究數(shù)字系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)課程。它以大學(xué)物理、電路分析基礎(chǔ)和模擬電路基礎(chǔ)課程為基礎(chǔ)，同時(shí)又是后續(xù)的微機(jī)原理、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化等課程的基礎(chǔ)，在課程教學(xué)體系結(jié)構(gòu)中起著承前啟后的作用。

CMOS反相器和傳輸門(mén)是數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程中最基本的邏輯門(mén)電路，也是學(xué)生最先接觸到的數(shù)字電路，對(duì)它的正確認(rèn)識(shí)是學(xué)習(xí)其它邏輯門(mén)電路的基礎(chǔ)。

《教育部關(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見(jiàn)》的第五條就明確要求“創(chuàng)新教育教學(xué)方法，倡導(dǎo)啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)”。提高課堂教學(xué)質(zhì)量是提高教育質(zhì)量的關(guān)鍵［1］，而教學(xué)方法的創(chuàng)新是提高課堂教學(xué)質(zhì)量的一種重要方法。

以CMOS反相器和傳輸門(mén)為例，從NMOS反相器存在的問(wèn)題出發(fā)，運(yùn)用啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法，逐步引導(dǎo)學(xué)生探究CMOS反相器和傳輸門(mén)的構(gòu)成過(guò)程，取得了良好效果。

下面的分析過(guò)程中，假設(shè)NMOS管和pMOS管均是增強(qiáng)型，并且均工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。定義VCC（電源）表示邏輯電平1，地（0 V）表示邏輯電平0。

1 NMOS反相器

圖1為NMOS反相器的電路圖［2-3］，由一個(gè)NMOS管和一個(gè)電阻R構(gòu)成。首先引導(dǎo)學(xué)生分析其工作原理，當(dāng)輸入A=1時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，輸出F=0；當(dāng)輸入A=0時(shí)，NMOS管截止，輸出F=1。該電路具有反相功能，但進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)下述問(wèn)題。

1）當(dāng)輸入A=0時(shí)，NMOS管截止，漏極d和源極s之間的電阻很大，輸出端F通過(guò)上拉電阻R到電源VCC獲得高電平，為了得到理想的高電平，電阻R上的壓降應(yīng)盡量小，此時(shí)要求電阻R較小。

2）當(dāng)輸入A=1時(shí)，NMOS管導(dǎo)通，漏極d和源極s之間的電阻很小，輸出端通過(guò)導(dǎo)通的NMOS管到地獲得低電平，為了降低電路的功耗，此時(shí)要求電阻R較大。因此，輸入A=1和A=0時(shí)，電路輸出端F對(duì)電阻R的要求是完全不一樣的。然而對(duì)于一個(gè)具體的NMOS反相器電路來(lái)說(shuō)，電阻R的值是相對(duì)固定的，與上述要求是矛盾的。

設(shè)問(wèn):有什么方法能解決上述問(wèn)題？能否找到一個(gè)可隨輸入電壓變化而變化的電阻？

圖1 NMOS反相器

學(xué)生們會(huì)馬上說(shuō)到壓敏電阻，這個(gè)主意很好，但當(dāng)被告知壓敏電阻不能與NMOS管集成在一起時(shí)，學(xué)生們陷入了沉思，產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，出現(xiàn)了“憤悱”狀態(tài)。教師可及時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)，并引導(dǎo)學(xué)生探究問(wèn)題，以提高教學(xué)效率。

引導(dǎo)學(xué)生思考上述問(wèn)題后，接著介紹PMOS管的特性。如圖 2所示［4-6］，若柵極g=0，PMOS管導(dǎo)通，源極s和漏極d之間的電阻很??；若柵極g=1，PMOS管截止，源極s和漏極d之間的電阻很大。由此可見(jiàn)，PMOS管的源極s和漏極d之間的等效電阻就是一個(gè)可隨輸入電壓變化而變化的電阻，這正是我們要找的那種電阻。

圖2 PMOS管

繼續(xù)設(shè)問(wèn):若把圖1中的電阻R換為圖2的PMOS管，是否就能滿足圖1的電路對(duì)電阻R的要求？由此引出了CMOS反相器結(jié)構(gòu)。

2 CMOS反相器

把圖1中的電阻R換為pMOS管后，就得到圖3所示的CMOS反相器電路圖［7-8］。若圖3的輸入A為0，NMOS管Q1截止，PMOS管Q2導(dǎo)通，Q2的源極s和漏極d之間的電阻很小，則輸出端通過(guò)導(dǎo)通的Q2到電源獲得高電平。然而，若圖3的輸入A為1，NMOS管Q1導(dǎo)通，PMOS管Q2截止，Q2的源極s和漏極d之間的電阻很大，則輸出端通過(guò)導(dǎo)通的Q1到地得到低電平。因此，Q2起到了圖1電阻R的作用，隨著輸入電平的不同，體現(xiàn)出的電阻值完全不一樣，而且輸入和輸出之間的關(guān)系構(gòu)成了邏輯反相的功能。這就是CMOS反相器的工作原理。

學(xué)生自己設(shè)問(wèn):為什么圖3的電路稱為CMOS反相器？因?yàn)樗蓛蓚€(gè)性質(zhì)互補(bǔ)的MOS管構(gòu)成。CMOS的第1個(gè)字母C其實(shí)是單詞Complementary（互補(bǔ)）的首字母。對(duì)這樣的問(wèn)題學(xué)生稍加思考就能領(lǐng)悟。

讓學(xué)生相互討論:對(duì)比NMOS反相器，CMOS反相器有何優(yōu)點(diǎn)？從圖3可以看到，不管輸入的邏輯電平是什么，任何時(shí)候CMOS反相器中總是只有一個(gè)MOS管導(dǎo)通，另一個(gè)MOS管截止，從電路的電源到地是沒(méi)有直流通路的。因此，CMOS反相器的靜態(tài)功耗比NMOS反相器的靜態(tài)功耗要低得多。這就是CMOS反相器得以廣泛應(yīng)用的原因。

圖3 CMOS反相器

再設(shè)問(wèn):CMOS反相器的電路構(gòu)成有何特點(diǎn)？從圖3知道，為了使輸入端同時(shí)控制兩個(gè)MOS管的開(kāi)和關(guān)，輸入端就必須同時(shí)連接兩個(gè)MOS管的柵極，并且NMOS管的源極接地，PMOS管的源極接電源，然后漏極連在一起并作為反相器的輸出。

學(xué)生掌握了上述CMOS反相器的構(gòu)成和工作原理后，有些喜歡思考的學(xué)生會(huì)主動(dòng)向教師提出下列問(wèn)題（幾乎每年講授數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程時(shí)都有學(xué)生提問(wèn)）:PMOS管在上面，NMOS管在下面，構(gòu)成了CMOS反相器，若交換兩者的位置，如圖4所示，NMOS管在上面，PMOS管在下面，是否就能構(gòu)成緩沖器呢？為什么？

圖4的電路初看好像是沒(méi)有問(wèn)題，但仔細(xì)分析卻是有問(wèn)題的。教師沒(méi)有馬上告知學(xué)生答案，而是先讓學(xué)生思考，然后才引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步分析。

圖4 假設(shè)的邏輯門(mén)

實(shí)際上，如圖4所示，輸入A=1時(shí)，PMOS管Q2的Vgs>0，Q2截止；NMOS管Q1的Vgs≈0，Q1也截止，因此兩個(gè)晶體管都截止，輸出F呈現(xiàn)高阻態(tài)。

同理，輸入A=0時(shí)，NMOS管Q1的Vgs<0，Q1截止；PMOS管Q2的Vgs≈0，Q2也截止，因此兩個(gè)晶體管也都截止，輸出F也呈現(xiàn)高阻態(tài)。所以圖4所示的電路是不可能工作的。

3 CMOS傳輸門(mén)

再讓學(xué)生相互討論:從圖3可知，NMOS管和PMOS管串接時(shí)構(gòu)成了CMOS反相器。若把NMOS管和pMOS管并接起來(lái)，如圖5所示［9-10］，將構(gòu)成什么功能的器件？這時(shí)學(xué)生再次產(chǎn)生認(rèn)知沖突，再次出現(xiàn)了“憤悱”狀態(tài)。

圖5 兩個(gè)MOS管并接

為了分析圖5電路的功能，增加一個(gè)CMOS反相器U1，得到如圖6所示電路，其中C′（或）表示C的反相。

圖6 CMOS傳輸門(mén)

1）當(dāng)控制輸入C=1，C′=0，若輸入A=1，則圖6的Q1截止，Q2導(dǎo)通，輸出F=1；若輸入A=0，則圖6的Q2截止，Q1導(dǎo)通，輸出F=0。因此，輸入C=1時(shí)，輸出F=A。

2）當(dāng)控制輸入C=0，C′=1，不管輸入A是什么邏輯電平，圖6的Q1和Q2都截止，因此，輸出F呈現(xiàn)高阻態(tài)。

綜合上述分析，圖6就是一個(gè)CMOS三態(tài)傳輸門(mén)。學(xué)生會(huì)自問(wèn):“三態(tài)”是指什么？如前所述，當(dāng)圖6的輸入C=1時(shí)，輸出F=A，若輸入低電平，則輸出是低電平，若輸入高電平，則輸出是高電平；當(dāng)圖6的輸入C=0時(shí)，輸出F呈現(xiàn)高阻態(tài)。因此，根據(jù)不同的輸入邏輯電平，傳輸門(mén)的輸出將出現(xiàn)三種狀態(tài)之一，故“三態(tài)”就是指邏輯高電平態(tài)、邏輯低電平態(tài)和高阻態(tài)，學(xué)生就能馬上領(lǐng)會(huì)。

讓學(xué)生分析:CMOS三態(tài)傳輸門(mén)有什么特點(diǎn)？由圖6可知，PMOS管傳輸邏輯高電平，NMOS管傳輸邏輯低電平，當(dāng)控制輸入 C=1時(shí)，兩個(gè) MOS管總有一個(gè)是導(dǎo)通的。由于MOS管的源極s和漏極d結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的，因此CMOS三態(tài)傳輸門(mén)還是一個(gè)雙向傳輸器件。

還可以繼續(xù)設(shè)問(wèn):

1）再進(jìn)一步延伸，CMOS與非門(mén)如何構(gòu)成？

2）CMOS或非門(mén)又是如何實(shí)現(xiàn)的？

3）能否總結(jié)出其他邏輯門(mén)的構(gòu)成規(guī)律？

上述從一個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題的提出和解決就可以延伸出一系列相關(guān)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的逐層探究，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)課程的興趣，學(xué)生把握了知識(shí)的來(lái)龍去脈，掌握了相關(guān)知識(shí)的相互關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

CMOS反相器和傳輸門(mén)是數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用課程中最基本的邏輯門(mén)電路，傳統(tǒng)的傳授式方法是教師直接告訴學(xué)生CMOS反相器和傳輸門(mén)的構(gòu)成結(jié)論，學(xué)生被動(dòng)地接受知識(shí)，對(duì)得到的結(jié)論印象不深刻，不知曉其原因。本文運(yùn)用啟發(fā)式和討論式教學(xué)方法，從NMOS反相器存在的問(wèn)題出發(fā)，探究了CMOS反相器和傳輸門(mén)的構(gòu)成過(guò)程，有助于學(xué)生的知識(shí)構(gòu)建，取得了良好的效果。

［1］范欽珊，鞠平，伍貽兆.提高課堂教學(xué)質(zhì)量是提高教育質(zhì)量的關(guān)鍵［J］.中國(guó)大學(xué)教學(xué)，2003（11）:4-7.

［2］Richard R.Spencer，Mohammed S.Ghausi.電子電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)［M］.張為，譯，北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［3］Sung-Mo Kang，Yusuf Leblebici，Chulwoo Kim.CMOS數(shù)字集成電路:分析與設(shè)計(jì)［M］.4版（英文版）.北京:電子工業(yè)出版社，2015.

［4］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.

［5］William J.Dally，R.Curtis Harting.Digital Design:A systems approach［M］.Cambridge University Press，2012.

［6］毛法堯.數(shù)字邏輯［M］.2版.北京:高等教育出版社，2008.

［7］王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計(jì)（脈沖與數(shù)字電路）［M］. 3版.北京:高等教育出版社，1999.

［8］龍忠琪，龍勝春.數(shù)字集成電路教程［M］.2版.北京:科學(xué)出版社，2007.

［9］WAKERLY J.數(shù)字設(shè)計(jì):原理與實(shí)踐（原書(shū)第4版）［M］.林生，譯，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［10］姜書(shū)艷.數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，2014.

Teaching Practice for CMOS Inverter and Transmission Gate

TANG Puyinga，JIANG Shuyanb
（a.School of Optoelectronic Information；b.School of Automation Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

CMOS inverter and transmission gate are the basic logic gate circuits in digital logic design and its application.They are also the digital circuits with which students first come into contact.Correctly understanding the inverter and the gate is the basis of learning other logic gate circuits.From the question existed in NMOS inverter to the formation of CMOS inverter and transmission gate，heuristic and discussion-based teaching method is applied in the course teaching.The process of problem solving is presented by guiding the students to analyze problems step by step.The practice results have shown that students’interest in learning the course has been improved，and that the knowledge of context and the related knowledge of mutual relations have been mastered.

digital circuit；inverter；transmission gate；heuristic teaching

TN79；G642.4

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2016.05.026

2015-04-10；修改日期：2015-10-14

電子科技大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2013XJYSL011）。

唐普英（1965-），男，博士，副教授，主要從事電子技術(shù)的教學(xué)與研究工作。