1. NMOS 和 PMOS

MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）或 IGFET（絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管）是一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它在柵極和主體之間利用絕緣體（如 SiO2）。如今，MOSFET 是數(shù)字和模擬電路中最常見(jiàn)的晶體管類型。

NMOS 和PMOS 的區(qū)別體現(xiàn)在其襯底和摻雜類型的不同，NMOS 的襯底為P型半導(dǎo)體，摻雜兩個(gè)高濃度的 N 型半導(dǎo)體，并用鋁金屬引出兩個(gè)電極分別為作為源極（Source）和漏極（Drain），并在半導(dǎo)體表面覆蓋一層很薄的 SiO2 作為絕緣層，在源極和漏極之間的絕緣層上添加一個(gè)多晶硅（Polysilicone）作為柵極（Gate），最后在襯底引出電極，這樣就構(gòu)成了 N 溝道增強(qiáng)型 MOS 管。

PMOS 和 NMOS 大體相同，在襯底變成 N 型半導(dǎo)體，在摻雜的為 P 型半導(dǎo)體，其余和 NMOS 如出一轍，但是僅僅就是這兩點(diǎn)區(qū)別，卻使得它們的特性完全不同。

對(duì)于 NMOS 管，當(dāng)對(duì)柵極進(jìn)行正向偏壓（高于閾值電壓）時(shí)，在絕緣層下方就會(huì)匯集大量的電子，由于 N 型半導(dǎo)體多電子，就會(huì)與兩側(cè)的 N 型半導(dǎo)體形成 "N 溝道"，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)回路的導(dǎo)通，如果施加的電壓低于閾值電壓，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。

同樣的對(duì)于 PMOS 管，由于襯底和摻雜物互換，如果施加的電壓高于閾值電壓，在絕緣層下方就會(huì)匯集大量空穴，在兩個(gè) P 型半導(dǎo)體之間就會(huì)形成阻隔，無(wú)法導(dǎo)通。如果施加電壓低于閾值電壓，則可以導(dǎo)通。

NMOS 和 PMOS 在專業(yè)電路圖如下所示，NMOS 由柵極指向源極，PMOS 由源極指向柵極，并且 PMOS 在柵極處有取反標(biāo)識(shí)。

NMOS 的特性： Vgs 大于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接地時(shí)的情況（低端驅(qū)動(dòng)），只要柵極電壓達(dá)到閾值電壓就可以了。

PMOS 的特性： Vgs 小于一定的值就會(huì)導(dǎo)通，適合用于源極接 VCC 時(shí)的情況（高端驅(qū)動(dòng)）。但是，雖然 PMOS 可以很方便地用作高端驅(qū)動(dòng)，但由于導(dǎo)通電阻大，價(jià)格貴，替換種類少等原因，在高端驅(qū)動(dòng)中，通常還是使用 NMOS。

同時(shí)衍生一個(gè)問(wèn)題：PMOS 管比 NMOS 管寬的原因是什么？

因?yàn)?PMOS 管是空穴導(dǎo)電，NMOS 管是電子導(dǎo)電，而電子的遷移率約是空穴的 2 倍，因此PMOS 管要寬一些增加遷移速率。

2. MOS 管搭建邏輯門

MOS 管搭建非門

將 PMOS 與 NMOS 的漏極和柵極相連，給 PMOS 的源極接 VDD，給 NMOS 的源極接 GND，給兩個(gè)的共同柵極 In 輸入高于閾值電壓，在前面介紹過(guò)，此時(shí) PMOS 截止，NMOS 導(dǎo)通，所以輸出 Out 相當(dāng)于接 GND 拉低，而輸入 In 低于閾值電壓時(shí)，此時(shí) PMOS 導(dǎo)通，NMOS 截止，所以輸出 Out 相當(dāng)于接 VDD 拉高。

以次可以得到其真值表：

可以發(fā)現(xiàn)就是反相器，這是最經(jīng)典的 CMOS 結(jié)構(gòu)，需要消耗 2 個(gè)晶體管搭建。

基于此可以進(jìn)行更多擴(kuò)展，衍生出各種邏輯門電路。

MOS 管搭建與非門

首先看與非門的真值表

從與非門的真值表中可以看出，只有輸入 A 和 B 都為 1 的情況下，輸出才為 0，其他情況輸出均為 1，結(jié)合到 PMOS 和 NMOS 的性質(zhì)來(lái)看，對(duì)于輸出為 0 的情況，NMOS 輸入為 1 則導(dǎo)通也就是接地為 0，并且需要輸入同時(shí)為 1，相當(dāng)于把兩個(gè) NMOS 串聯(lián)，而對(duì)于輸出為 1 的情況，只要兩個(gè)輸入其中有一個(gè)為 0 則輸出為 1，因此相當(dāng)于把兩個(gè) PMOS 并聯(lián)，于是得到了以下的邏輯門電路。搭建與非門邏輯門需要耗費(fèi) 4 個(gè)晶體管。

MOS 管搭建或非門

同樣的先看或非門的真值表

有了上面與非門的鋪墊，或非門就更好理解了，由真值表可知，只有在輸入都為 0 的情況下輸出為 1，只要輸入有 1 則輸出為 0，和與非門恰好相反，需要將 PMOS 串聯(lián)接在上端，NMOS 并聯(lián)接在下端，便得到了或非門的邏輯門電路。同樣需要消耗 4 個(gè)晶體管。

MOS 管搭建與門

與門的真值表如下

與門就是在與非門的基礎(chǔ)上，在輸出端接上一個(gè)非門即可。可以發(fā)現(xiàn)搭建與門電路需要消耗 6 個(gè)晶體管，在一些文章或書(shū)籍中看到說(shuō)在設(shè)計(jì)中使用與非門比與門更節(jié)省資源，其實(shí)就是這個(gè)原因。

同理或門也是一樣，這里就不一一列舉了，或門所需要的晶體管同樣為 6 個(gè)。

3. 鎖存器和觸發(fā)器

3.1 交叉耦合反相器

交叉耦合反相器主要有兩種結(jié)構(gòu)：

• 順序結(jié)構(gòu)
• 對(duì)稱結(jié)構(gòu)

順序結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，當(dāng)輸入為 1 時(shí)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)反向器輸出仍為 1，輸出又作為輸入。

對(duì)稱結(jié)構(gòu)

在對(duì)稱結(jié)構(gòu)中，Q 的輸出作為 Q' 的輸入，同樣 Q' 的輸出作為 Q 的輸入。這里先假設(shè) I1 的輸入為 1，經(jīng)過(guò)反相器輸出得到 Q 為 0，同時(shí)作為 I2 的輸入為 0， Q' 的輸出為 1。這樣輸出就能穩(wěn)定為 1。反過(guò)來(lái)假設(shè) I1 的輸入為 0，經(jīng)過(guò)反相器輸出得到 Q 為 1，同時(shí)作為 I2 的輸入為 1， Q' 的輸出為 0。這樣輸出就能穩(wěn)定為 0。Q 和 Q' 互為對(duì)方的輸入，構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。

這種雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是缺點(diǎn)在于無(wú)法控制其最終的輸出，并且在結(jié)構(gòu)上是沒(méi)有輸入的。

3.2 SR 鎖存器

在上面的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)中形成的是閉合的回路，無(wú)法給到輸入，這樣的結(jié)構(gòu)是無(wú)法保存數(shù)據(jù)的，因此就有了下面的結(jié)構(gòu)，帶有兩輸入的 SR 鎖存器結(jié)構(gòu)，主體由兩個(gè)或非門構(gòu)成，設(shè)上下的或非門為 N1、N2。

以下分情況進(jìn)行討論

R = 1，S = 0

R 端輸入為 1，N1 的輸出 Q 為 0，而 Q 又作為 N2 的輸入，Q' 為 1，此時(shí)表示 R（Reset，復(fù)位）有效，Q 輸出恒為 0。

R = 0，S = 1

S 端輸入為 1，N2 的輸出 Q' 為 0，而 Q' 又作為 N1 的輸入，Q 為 1，此時(shí)表示 S（Set，置位）有效，Q 輸出恒為 1。

R = 0，S = 0

R 端和 S 端輸入為 0，假設(shè) N1 的輸出 Q 為 0，而 Q 又作為 N2 的輸入，Q' 為 1，Q' 又作為 N1 的輸入，得到 N1 的輸出仍然為 0。假設(shè) N1 的輸出 Q 為 1，而 Q 又作為 N2 的輸入，Q' 為 0，Q' 又作為 N1 的輸入，得到 N1 的輸出仍然為 1。此時(shí)表示 R（Reset，復(fù)位）和 S（Set，置位）都無(wú)效，輸出保持輸入不變（hold），也即是常說(shuō)的產(chǎn)生 latch，把數(shù)據(jù)給鎖存起來(lái)了。

R = 1，S = 1

在這個(gè)條件下是無(wú)意義的，此時(shí) Q 和 Q' 都為 0，顯然是不對(duì)的，不能同時(shí)復(fù)位和置位。

由此可以得到 SR 鎖存器的真值表

對(duì)比前面的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，SR 鎖存器就有了鎖存數(shù)據(jù)的功能，即當(dāng) S 和 R 都為 0 時(shí)，輸出會(huì)一直保持原有的輸入值不變。

RS 鎖存器有兩個(gè)或非門組成，所以需要消耗 4×2=8 個(gè)晶體管。

3.3 D 鎖存器

RS 鎖存器雖然可以鎖存數(shù)據(jù)，但是當(dāng) S 和 R 同時(shí)為 0 時(shí)結(jié)果會(huì)出錯(cuò)，對(duì)使用帶來(lái)不必要的麻煩，因此需要去規(guī)避，所以有了 D 鎖存器。

D 鎖存器在 RS 鎖存器的基礎(chǔ)上增加了一些控制，E 可以看做使能信號(hào)，一般也可以為時(shí)鐘 Clk 信號(hào)，基于此對(duì)此電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

E = 0，D = 0

E = 0，則對(duì)應(yīng) R、S 輸入都為 0，參照 RS 鎖存器的真值表得到此時(shí)為 latch，可以鎖存數(shù)據(jù)。

E = 0，D = 1

E = 0 和上面的情況一樣，此時(shí)數(shù)據(jù)仍被鎖存，等效為 latch。

E = 1，D = 0

E = 1 且 D = 0，此時(shí)上面的與門由于 D 取反為 1，與門輸出為 1，相反的，下面的與門輸出為 0，對(duì)應(yīng) RS 鎖存器為 R = 1、S = 0，對(duì)應(yīng) Q 為 0。

E = 1，D = 1

E = 1 且 D = 1，此時(shí)上面的與門由于 D 取反為 0，與門輸出為 0，相反的，下面的與門輸出為 1，對(duì)應(yīng) RS 鎖存器為 R = 0、S = 1，對(duì)應(yīng) Q 為 1。

由此可以得到以下的真值表。

對(duì)上面的結(jié)果進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn) Q 值和 E 值息息相關(guān)，當(dāng) E = 1 時(shí)，此時(shí) Q 輸出為 D 的值，當(dāng) E = 0 時(shí)，此時(shí)數(shù)據(jù)被鎖存。這樣可以發(fā)現(xiàn) D 鎖存器是電平敏感的器件，控制信號(hào) E 一般為時(shí)鐘信號(hào)，并且這個(gè)例子的 D 鎖存器為高電平敏感的。

D 鎖存器所消耗的晶體管個(gè)數(shù)：

反相器（2）+ 與門（6） 2 + RS 鎖存器（8）= 22 個(gè) *

總共需要消耗 22 個(gè)晶體管。

3.4 D 觸發(fā)器

觸發(fā)器的類型有很多，這里以 D 觸發(fā)器為例

D 觸發(fā)器其實(shí)就是將兩個(gè) RS 鎖存器串聯(lián)起來(lái)，第一個(gè) RS 鎖存器稱為 Master，第二個(gè) RS 鎖存器稱為 Slave，Master 的輸出作為 Slave 的輸入，但是兩個(gè) RS 鎖存器的時(shí)鐘使能輸入恰為相反。

再來(lái)分析一下 D 觸發(fā)器是如何運(yùn)作的。

1. 假設(shè)輸入為 Data1，當(dāng) Clk = 1 時(shí)，此時(shí) Master 工作，Slave 鎖存。根據(jù) RS 鎖存器的真值表，Data1 順利從 Master 輸出。
2. 當(dāng) Clk 由 1 變化到 0 時(shí)，Clk = 0，此時(shí) Master 鎖存保持原來(lái)的數(shù)據(jù) Data1，Slave 工作，Slave RS 鎖存器將此前輸入數(shù)據(jù) Data1 輸出。
3. 當(dāng) Clk 由 0 再次變化到 1 時(shí)，Clk = 1，此時(shí) Slave 鎖存保持原來(lái)的輸出 Data1，Maste 鎖存器開(kāi)始工作，接收下一次輸入數(shù)據(jù) Data2，
4. 當(dāng) Clk 由 1 再次變化到 0 時(shí)，Clk = 0，此時(shí) Master 鎖存保持原來(lái)的輸入數(shù)據(jù) Data2，Slave 鎖存器開(kāi)始工作，將之前 Master 輸出的 Data2 輸出。

就這樣循環(huán)往復(fù)的運(yùn)作，可以看出這個(gè)例子的 D 觸發(fā)器是下降沿有效的，也就是在時(shí)鐘下降沿到來(lái)時(shí)，將輸出數(shù)據(jù)，其他時(shí)候數(shù)據(jù)保持不變。如果是上升沿有效的，只需要將反相器接在 Master 上。

搭建 D 觸發(fā)器所需要的晶體管數(shù)：

D 觸發(fā)器組成 = RS 鎖存器×2 + 反相器 = 22×2 + 2 = 46 個(gè)

4. D 觸發(fā)器的建立、保持時(shí)間

在之前的學(xué)習(xí)中，對(duì)于觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間的概念一般就是以下定義：

• 建立時(shí)間： 在時(shí)鐘有效沿到來(lái)之前，數(shù)據(jù)必須維持一段時(shí)間保持不變，這段時(shí)間就是建立時(shí)間 Tsetup
• 保持時(shí)間： 在時(shí)鐘有效沿到來(lái)之后，數(shù)據(jù)必須維持一段時(shí)間保持不變，這段時(shí)間就是保持時(shí)間 Thold

當(dāng)時(shí)只知道觸發(fā)器需要建立時(shí)間和保持時(shí)間使得工作穩(wěn)定，但是為什么需要建立時(shí)間和保持時(shí)間呢？秉持著對(duì)知識(shí)點(diǎn)刨根問(wèn)底的態(tài)度，這里就從更底層出發(fā)，去深究觸發(fā)器為什么需要建立時(shí)間和保持時(shí)間。

下圖就是 D 觸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖，其主要有兩個(gè) RS 鎖存器組成，在前面的為 Master，后面的為 Slave，兩個(gè)鎖存器串聯(lián)共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，但是兩者極性相反，為了更符合習(xí)慣，這里的觸發(fā)器定為上升沿敏感的。

為什么需要建立時(shí)間？

在前面分析過(guò)，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，Master RS 鎖存器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)鎖存，Slave RS 鎖存器負(fù)責(zé)將 Master 穩(wěn)定鎖存的數(shù)據(jù)輸出。因此輸入在從 Master 輸入到 Slave 輸出是一個(gè)順序執(zhí)行的過(guò)程，也就是說(shuō)要想從 Slave 順利輸出數(shù)據(jù)，那么在 Master 就必須順利鎖存好數(shù)據(jù)。

那就先看 Master RS 鎖存器是如何對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存的，數(shù)據(jù)的路徑如下圖中的紅線所示，當(dāng)時(shí)鐘 Clk 為 0 時(shí)，數(shù)據(jù)從 D 輸入（假設(shè)數(shù)據(jù)輸入為 0）經(jīng)過(guò)反相器歷時(shí) t1，數(shù)據(jù)變成 1，經(jīng)過(guò)與門歷時(shí) t2 數(shù)據(jù)變成 1，再經(jīng)過(guò)或非門歷時(shí) t3，由于此時(shí)數(shù)據(jù)為 1，所以經(jīng)過(guò)或非門 Q 端輸出為 0，Q 端輸出又作為下面的或非門輸出為 1，并且在此歷時(shí) t4，最終在 Q 端輸出 0，此時(shí)數(shù)據(jù)便順利被鎖存起來(lái)。

這里忽略不計(jì)門與門之間的路徑延時(shí)時(shí)間，只對(duì)時(shí)間做個(gè)大概分析，從這里可以計(jì)算得到所歷經(jīng)的總時(shí)長(zhǎng)為：t1+t2+2*t3+t4，這個(gè)時(shí)間就可以大致認(rèn)為是觸發(fā)器的建立時(shí)間 Tsetup。當(dāng)經(jīng)過(guò) Tsetup 后數(shù)據(jù)被穩(wěn)定的鎖存，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)（0->1），Slave RS 鎖存器就可以接受到正確的數(shù)據(jù)并輸出，如果不滿足建立時(shí)間需求的話會(huì)發(fā)生什么情況呢？

假設(shè)此時(shí)不滿足建立時(shí)間需求，當(dāng)需要被鎖存的數(shù)據(jù)在還未進(jìn)入到第一個(gè)或非門時(shí)，時(shí)鐘上升沿就已經(jīng)來(lái)到，此時(shí) Q 端輸出的數(shù)據(jù)仍然是上一次被鎖存的不確定數(shù)據(jù)，可能為 1 也可能為 0，這樣 Slave 輸出的數(shù)據(jù)就可能會(huì)出錯(cuò)。

為什么需要保持時(shí)間？

再來(lái)分析一下保持時(shí)間，如下圖中綠線為時(shí)鐘到達(dá)與門的路徑延時(shí)假設(shè)為 t5，藍(lán)線為數(shù)據(jù)到達(dá)與門的路徑延時(shí)假設(shè)為 t6，因?yàn)闀r(shí)鐘路徑存在反相器延時(shí)，所以延時(shí)會(huì)大一些，即 t5>t6，假設(shè)在 Slave 輸出數(shù)據(jù)的過(guò)程中，輸入數(shù)據(jù) D 由原來(lái)的 0 跳變到 1，此時(shí)由于 t5>t6，就有可能使得與門的兩個(gè)輸入同時(shí)為 1（時(shí)鐘上升沿來(lái)臨之前 Clk 為 0，經(jīng)反相器輸出為 1），此時(shí)與門輸出為 1，推出 Q' 輸出為 0，進(jìn)而 Q 輸出為 1，于是新到來(lái)的輸出 Q = 1 就會(huì)將影響原來(lái)的 0，最后導(dǎo)致鎖存的數(shù)據(jù)為 1，最終 Slave 的輸出為 1，導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)，這就是為什么輸入數(shù)據(jù)需要在時(shí)鐘上升沿來(lái)臨之后仍然保持一段時(shí)間（t5-t6）不變。

從上面的分析可以得出，D 觸發(fā)器的建立時(shí)間要求比保持時(shí)間要求要更嚴(yán)苛，這也是在 RTL 設(shè)計(jì)綜合后，建立時(shí)間違例比保持時(shí)間違例更頻繁的原因，要求高了自然就更難達(dá)到，同時(shí)建立時(shí)間和保持時(shí)間也是相悖的，建立時(shí)間要求數(shù)據(jù)路徑延時(shí)更小，數(shù)據(jù)路徑延時(shí)越小，Master 鎖存器更容易將數(shù)據(jù)鎖存；保持時(shí)間希望數(shù)據(jù)路徑延時(shí)更大，一旦使得數(shù)據(jù)路徑延時(shí) t6>t5，Slave 鎖存器輸出的數(shù)據(jù)就不會(huì)出錯(cuò)。