IC设计中逻辑表达式如何转换为晶体管电路

在数字IC设计面试中经常会被要求画出某一个逻辑表达式的管级电路，本文将基于逻辑门的构成解释如何完成任意逻辑的管级电路设计。

要想轻松画出管级电路，首先要理解，为什么在逻辑门中PMOS总是作为上管，NMOS总是作为下管。

对于P管来说，电流从S流向D，其导通条件为VSG>VTH(阈值)；N管反之。

假设P管作为下管，即D极接地，此时，S级连接外部电路，VS不可知，想要通过改变G级输入控制VSG电压差，G级控制逻辑会比较复杂。

相反，将P管作为上管，那么S接VCC，VS电压确定，通过控制G级的高低电平即可控制MOS管开关。

同理分析NMOS，因此通常将P管作为上管，N管做为下管。

明白上述原因后，就可以理解输出的高电平由上管决定，低电平由下管决定。为了保证在某一时刻，输出只能为高电平或低电平，需要结合上下管，即当上管导通时，下管必然关断，反之亦然。

非门的管级电路如下图所示，由P管和N管串联组合而成。

当A = 1时，上管关断，下管导通，输出为0；

当A = 0时，上管导通，下管关断，输出为1。

由于MOS管本身的特性，我们无法直接搭建出与门和或门，只能通过与非门或非门结合非门间接搭出，也就是说，与门和非门的搭建至少需要6个MOS管。

如图所示为或非门管级电路结构。两个P管串联后与两个并联的N管串联。

其输入输出特性如下表：

与非门的管级电路如下所示：

其输入输出特性如下所示：

在理解了上述门电路的管级电路后，结合下述三个步骤，即可轻松用MOS管搭建任意逻辑电路。

1. 对逻辑式按照摩尔公式取反，尽可能将每个输入转换成反逻辑形式；

2. 先画上管，与为串联，或为并联；下管与上管相反；

3. 对整体结果取反(即加非门)；

这里对D=AB+C进行举例。

D=((AB+C)’)’=((AB)’C’)’=((A’+B’)C’)’