news 2026/6/8 14:16:53

三极管(1):CMOS传输电平问题

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张小明

前端开发工程师

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三极管(1):CMOS传输电平问题

1、为什么说nmos擅长传输低电平而pmos擅长传高电平?

2、如果想完美传输电压怎么办?

3、为什么CMOS电路上半接电源使用PMOS管而下半使用NMOS?(上拉和下拉问题)

Q:为什么说nmos擅长传输低电平而pmos擅长传高电平?

A:

  • 源极 (S):接输入信号 Vin

  • 漏极 (D):接输出 Vout

只需要看MOS管的导通条件栅极电压的驱动方式


一、NMOS为什么“擅长”传低电平(0),不擅长传高电平(1)

导通条件:对于增强型NMOS,当 VGS>VTH(阈值电压,约0.5~0.7V)时,沟道导通。

假设我们用一个NMOS作为传输管:

  • 栅极接高电平 VDD​(例如 1.2V)。

  • 源极接输入信号 Vin,漏极接输出 Vout​。

情况1:传低电平(0)
Vin=0,Vout​ 初始可能是0或更高。此时 VGS=VDD−Vin=VDD,远大于 VTH​,管子完全导通。随着电流把 Vout往下拉,Vin​ 固定为0,VGS 保持不变,所以输出可以被拉到接近0(几十毫伏)。无阈值损失

情况2:传高电平(1)
Vin=VDD​,希望输出也接近 VDD。当 Vout从0上升,VGS=VDD−Vout会逐渐减小。一旦 Vout达到 VDD−VTH,VGS=VTH​,管子进入临界导通/截止。进一步升高 Vout会使 VGS<VTH,管子夹断。因此Vout 最高只能到 VDD−VTH​,损失了一个 VTH(约0.5~0.7V)。所以NMOS传输高电平不完整。

结论:NMOS能完好地传0,但传1会衰减一个阈值电压 → 擅长传低电平。


二、PMOS为什么“擅长”传高电平(1),不擅长传低电平(0)

导通条件:PMOS的 VGS<−∣VTH∣时导通(栅极比源极低至少一个阈值绝对值)。

典型用法:源极接输入,栅极接低电平(0)来控制。更常见的分析:用PMOS作为上拉管,源极接 VDD​,栅极接低电平(0)。

情况1:传高电平(1)
输入为 VDD​(接源极),栅极 0V。 VGS=0−VDD=−VDD​ 远小于 −∣VTH∣,导通很强。输出 VoutVout​ 可以一直被拉到 VDD,因为随着输出上升,VGS=0−Vout负得更多,导通更强。无阈值损失

情况2:传低电平(0)
输入为 0V 接源极,栅极 0V,则 VGS=0−0=0,不满足导通条件(需要负压)。所以PMOS无法有效传输0。即使栅极接更低电压(如负压)在实际数字电路中很少用,所以常规情况下PMOS传0会留下一个 ∣VTH∣的高电平(输出最低只能到 ∣VTH∣)。

结论:PMOS能完好地传1,但传0会衰减 → 擅长传高电平。


三、为什么这解释了CMOS电路的结构

在标准CMOS反相器、与非门、或非门中:

  • 下拉网络全部使用NMOS,负责把输出拉到0。

  • 上拉网络全部使用PMOS,负责把输出拉到1。

因为NMOS拉0好,PMOS拉1好。如果用反过来的管子,输出电平就不完整,会漏电或噪声容限下降。


四、补充:那如果想同时完美传输0和1怎么办?

传输门(Transmission Gate):一个NMOS和一个PMOS并联,栅极分别加互补控制信号。NMOS传0好,PMOS传1好,互补时两者一起工作,就能无损传输0和1。这在存储器、模拟开关中常用。


一句话总结
NMOS导通时允许电流从高电位流向低电位,但栅极高电平时源极电压不能高于 VDD−VTH;PMOS导通时允许电流从低电位流向高电位,但栅极低电平时源极电压不能低于 ∣VTH∣。因此NMOS适合将节点拉到GND,PMOS适合拉到VDD。

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