CMOS的逻辑门如何应用在电路中

CMOS的逻辑门如何应用在电路中

前言

在如今的电子电路中，CMOS逻辑门有着接近零静态功耗和超高集成度的特点，是数字电路不可或缺的存在。其独特之处在于PMOS与NMOS晶体管的互补设计：当输入低电平时，PMOS导通实现电流上拉；输入高电平时，NMOS导通完成信号下拉。两种晶体管交替工作，构成无直流通路的完美配合。合科泰采用的沟槽屏蔽栅工艺优化了晶体管性能，让CMOS互补管在开关切换的电路降低，满足现代互联网和人工智能的能耗要求。

CMOS逻辑门

CMOS通过晶体管的不同组合，构建起基础的逻辑功能：

非门（反相器）：当输入高电平时，NMOS导通，而PMOS截止，输出低电平；输入低电平的时候则相反，输出接高电平。无论输入高或低，只有一个管导通，且没有直流的通路，静态时几乎为0功耗。

与非门（NAND）：当两个输入信号都是高电平时，串联的NMOS将输出牢牢拉向低电平；只要任一输入为低，并联的PMOS立即将输出推回高电平。这种"全高得低，有低得高"的特性，帮助处理器解码指令。

或非门（NOR）：任一输入是高电平时，并联的NMOS将输出下拉至低；只有当所有输入归零，串联的PMOS才会输出高电平。这种设计常在内存存取控制看见。

CMOS的电路设计挑战

CMOS电路设计的物理挑战两个，一个是尺寸缩小后短沟道电场渗透、漏电流导致静态功耗高等问题。而在实际应用中，CMOS电路面临着功耗控制、噪声与信号完整等挑战：

功耗控制挑战：高频应用如手机处理器中，其开关损耗会伴随频率变化，而线性增加，进一步会加强芯片发热。而MOS管的低漏电流，可以降低处理器静态时的能耗损失，由此增强续航。

信号传输完整和速度：电路的布线密度高，相邻的电容、电感耦合会产生信号的干扰。如数据中心中的信号传输，要求兆赫兹级别的开关频率。

电源噪声：工厂电机开启和关闭的时候，电源电路的变化导致电压的波动，进而产生噪声。如MOS管HKTQ50N03通过稳定噪声的容限，从而控制信号的准确与可靠性。

这些特性让CMOS可以运用在很多电路上，智能手环通过微型与非门的阵列去处理传感器的信号；电动汽车控制器用或非门的阵列来管理电池状态；甚至在卫星通信的设备当中，数百万个逻辑门就在方寸之间完成数据的编码和解码。

结语

CMOS逻辑门的性能需要每个晶体管的高品质决定。其中的PMOS需要有高正电压响应的能力，NMOS则需要具备快速导通的特性，这两者还需要在毫秒级的开关当中进行协同。这对MOS管提出了更高的要求和稳定性表现。深耕半导体领域数十年的合科泰，正以此为目标精进MOS管技术。

审核编辑 黄宇