① 门电路工作原理
第五节 CMOS逻辑门电路
http://www.fjtu.com.cn/fjnu/courseware/0321/course/_source/web/lesson/char2/j6.htm 看看把
CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后 ，所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件 。CMOS电路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。此外，几乎所有的超大规模存储器件 ，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。
早期生产的CMOS门电路为4000系列 ，随后发展为4000B系列。当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。下面首先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMO逻辑门电路。
MOS管结构图
MOS管主要参数：
1.开启电压VT
·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；
·标准的N沟道MOS管，VT约为3～6V；
·通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到2～3V。
2. 直流输入电阻RGS
·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比
·这一特性有时以流过栅极的栅流表示
·MOS管的RGS可以很容易地超过1010Ω。
3. 漏源击穿电压BVDS
·在VGS=0（增强型）的条件下 ，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDS
·ID剧增的原因有下列两个方面：
（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿
（2）漏源极间的穿通击穿
·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后
，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的ID
4. 栅源击穿电压BVGS
·在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。
5. 低频跨导gm
·在VDS为某一固定数值的条件下 ，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导
·gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力
·是表征MOS管放大能力的一个重要参数
·一般在十分之几至几mA/V的范围内
6. 导通电阻RON
·导通电阻RON说明了VDS对ID的影响 ，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数
·在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大 ，一般在几十千欧到几百千欧之间
·由于在数字电路中 ，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似
·对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内
7. 极间电容
·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDS
·CGS和CGD约为1～3pF
·CDS约在0.1～1pF之间
8. 低频噪声系数NF
·噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的
·由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输 出端也出现不规则的电压或电流变化
·噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）
·这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小
·低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数
·场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小
一、CMOS反相器
由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。
下图表示CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即
VDD＞(VTN＋|VTP|) 。
1.工作原理
首先考虑两种极限情况：当vI处于逻辑0时 ，相应的电压近似为0V；而当vI处于逻辑1时，相应的电压近似为VDD。假设在两种情况下N沟道管 TN为工作管P沟道管TP为负载管。但是，由于电路是互补对称的，这种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。
下图分析了当vI=VDD时的工作情况。在TN的输出特性iD—vDS（vGSN＝VDD）(注意vDSN=vO)上 ，叠加一条负载线，它是负载管TP在 vSGP=0V时的输出特性iD－vSD。由于vSGP＜VT（VTN=|VTP|=VT），负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即工作点。显然，这时的输出电压vOL≈0V（典型值＜10mV ，而通过两管的电流接近于零。这就是说，电路的功耗很小（微瓦量级）
下图分析了另一种极限情况，此时对应于vI＝0V。此时工作管TN在vGSN＝0的情况下运用，其输出特性iD－vDS几乎与横轴重合 ，负载曲线是负载管TP在vsGP＝VDD时的输出特性iD－vDS。由图可知，工作点决定了VO＝VOH≈VDD；通过两器件的电流接近零值 。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。
由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+VDD，而功耗几乎为零。
2.传输特性
下图为CMOS反相器的传输特性图。图中VDD=10V，VTN=|VTP|=VT=
2V。由于 VDD＞（VTN＋|VTP|），因此，当VDD-|VTP|>vI>VTN 时,TN和TP两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到，器件在放大区（饱和区）呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在VI=VDD/2处转换状态。
3.工作速度
CMOS反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。下图表示当vI=0V时 ，TN截止，TP导通，由VDD通过TP向负载电容CL充电的情况。由于CMOS反相器中，两管的gm值均设计得较大，其导通电阻较小，充电回路的时间常数较小。类似地，亦可分析电容CL的放电过程。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。
二、CMOS门电路
1.与非门电路
下图是2输入端CMOS与非门电路，其中包括两个串联的N沟道增强型MOS管和两个并联的P沟道增强型MOS管。每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。当输入端A、B中只要有一个为低电平时，就会使与它相连的NMOS管截止，与它相连的PMOS管导通，输出为高电平；仅当A、B全为高电平时，才会使两个串联的NMOS管都导通，使两个并联的PMOS管都截止，输出为低电平。
因此，这种电路具有与非的逻辑功能，即
n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。
2.或非门电路
下图是2输入端CMOS或非门电路。其中包括两个并联的N沟道增强型MOS管和两个串联的P沟道增强型MOS管。
当输入端A、B中只要有一个为高电平时，就会使与它相连的NMOS管导通，与它相连的PMOS管截止，输出为低电平；仅当A、B全为低电平时，两个并联NMOS管都截止，两个串联的PMOS管都导通，输出为高电平。
因此，这种电路具有或非的逻辑功能，其逻辑表达式为
显然，n个输入端的或非门必须有n个NMOS管并联和n个PMOS管并联。
比较CMOS与非门和或非门可知，与非门的工作管是彼此串联的，其输出电压随管子个数的增加而增加；或非门则相反，工作管彼此并联，对输出电压不致有明显的影响。因而或非门用得较多。
3.异或门电路
上图为CMOS异或门电路。它由一级或非门和一级与或非门组成。或非门的输出。而与或非门的输出L即为输入A、B的异或
如在异或门的后面增加一级反相器就构成异或非门，由于具有的功能，因而称为同或门。异成门和同或门的逻辑符号如下图所示。
三、BiCMOS门电路
双极型CMOS或BiCMOS的特点在于，利用了双极型器件的速度快和MOSFET的功耗低两方面的优势，因而这种逻辑门电路受到用户的重视
。
1.BiCMOS反相器
上图表示基本的BiCMOS反相器电路，为了清楚起见，MOSFET用符号M表示BJT用T表示。T1和T2构成推拉式输出级。而Mp、MN、M1、M2所组成的输入级与基本的CMOS反相器很相似。输入信号vI同时作用于MP和MN的栅极。当vI为高电压时MN导通而MP截止；而当vI为低电压时,情况则相反，Mp导通，MN截止。当输出端接有同类BiCMOS门电路时，输出级能提供足够大的电流为电容性负载充电。同理，已充电的电容负载也能迅速地通过T2放电。
上述电路中T1和T2的基区存储电荷亦可通过M1和M2释放，以加快
电路的开关速度。当vI为高电压时M1导通，T1基区的存储电荷迅速消散。这种作用与TTL门电路的输入级中T1类似。同理 ，当vI为低电压时，电源电压VDD通过MP以激励M2使M2导通，显然T2基区的存储电荷通过M2而消散。可见，门电路的开关速度可得到改善。
2.BiCMOS门电路
根据前述的CMOS门电路的结构和工作原理，同样可以用BiCMOS技术实现或非门和与非门。如果要实现或非逻辑关系，输入信号用来驱动并联的N沟道MOSFET，而P沟道MOSFET则彼此串联。正如下图所示的
2输入端或非门。
当A和B均为低电平时，则两个MOSFET MPA和MPB均导通，T1导通而MNA和MNB均截止，输出L为高电平。与此同时，M1通过MPA和MpB被VDD所激励，从而为T2的基区存储电荷提供一条释放通路。
另一方面，当两输入端A和B中之一为高电平时 ，则MpA和MpB的通路被断开，并且MNA或MNB导通，将使输出端为低电平。同时，M1A或M1B为T1的基极存储电荷提供一条释放道路。因此 ，只要有一个输入端接高电平，输出即为低电平。
四、CMOS传输门
MOSFET的输出特性在原点附近呈线性对称关系，因而它们常用作模拟开关。模拟开关广泛地用于取样——保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。下面着重介绍CMOS传输门。
所谓传输门（TG）就是一种传输模拟信号的模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成，如上图所示。TP和TN是结构对称的器件，它们的漏极和源极是可互换的。设它们的开启电压|VT|=2V且输入模拟信号的变化范围为-5V到+5V 。为使衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏 ，故TP的衬底接+5V电压，而TN的衬底接-5V电压 。两管的栅极由互补的信号电压（+5V和-5V）来控制，分别用C和表示。
传输门的工作情况如下：当C端接低电压-5V时TN的栅压即为-5V，vI取-5V到+5V范围内的任意值时，TN均不导通。同时,TP的栅压为+5V
，TP亦不导通。可见，当C端接低电压时，开关是断开的。
为使开关接通，可将C端接高电压+5V。此时TN的栅压为+5V ，vI在-5V到+3V的范围内，TN导通。同时TP的棚压为-5V ，vI在-3V到+5V的范围内TP将导通。
由上分析可知，当vI＜-3V时，仅有TN导通，而当vI＞+3V时，仅有TP导通当vI在-3V到+3V的范围内，TN和TP两管均导通。进一步分析
还可看到，一管导通的程度愈深，另一管的导通程度则相应地减小。换句话说，当一管的导通电阻减小，则另一管的导通电阻就增加。由于两管系并联运行，可近似地认为开关的导通电阻近似为一常数。这是CMOS传输出门的优点。
在正常工作时，模拟开关的导通电阻值约为数百欧，当它与输入阻抗为兆欧级的运放串接时，可以忽略不计。
CMOS传输门除了作为传输模拟信号的开关之外，也可作为各种逻辑电路的基本单元电路。
② 电吉他电路加那些是做什么用的
所谓效果器，顾名思义，给音色施加effect(效果、影响)，不仅是电吉他，许多乐器、合唱等都使用它，当您听到的音乐，基本上都是经过加工而制成的。而不经过加工的音乐（no，effector）就给人一种美中不足的感觉。可以说效果器在音乐的构成中，已经是必不可少的了。
在此，就电吉他所使用的代表性的效果器作一解说。作为有效地使用效果器的入门指南，希望在制造出优质音响的同时，能把这作为研究效果器在其他乐器中的蔽掘使用方法，在构成音乐全体中效果器的理想状态等方面问题的第一步。
吉他演奏如果只能弹奏颂伍的话，是不能称为合格的。弹奏曲子、乐句时，必须能迅速定出与弹奏本人的个性相适合的音色来。如果音色、音量错了，好好的乐句就成了毫无意义的东西，又破坏了它的协调性（统一性）。
目前，效果器的品种有增多的趋势，为适应各种流派的摇滚乐队需要，同一品种的效果器又分出许多花式规格，形式也多样化。有的效果器是直接安装在电吉他上的；有的装在音箱里；有的制成挂在腰间使用，多数制成踏板式，各有它的长处又各有不足。
大家知道，电吉他乐手在演奏中，不能有瞬间的中断（脱袖子）、除非乐曲标有休止符，否则是不能伸手去调校效果器的。
实际使用过程中证明，以脚踏式效果器最方便，尤以单个的踏板式效果器最受青睐，它可以自由组合、任意变化。我国市场上常见的效果器牌子有雅马哈（YAMAHA）、博斯（BOSS）、依班挪（IBANEZ）、罗兰（ROLAND）、爱利亚（ARIA）、摇滚巨星（ROCKTEK）、亚里安（ARION）以及国产的野马牌（YEMA）等。有金属外壳和塑壳的，造型各异，品质与性能略有不同，价格相差近信，选购时以实际操作试听妥。多数效果器与使用的电吉他和音箱有关，选购时必须确认电吉他与音箱良好，并调到正常状态，才能作出比较。无论什么牌子的效果器，为适应各种电吉他和音箱的要求，有几项主要电气性能基本上是一致的，例如：电源电压直流9伏（电池用6F22型）、输入阻抗200～470ho．输出阻抗10k民最大输入电子1伏，最大输出电平1伏、噪声电平小于50～110分贝、插孔规格伽．25mm，消耗电流1．5～50毫安培。虽然会有较大误差，但超过许多或试听时出现异常，应考虑是否品质不良造成。
业余条件下选购时应注意以下几点：
（1）外观无损、文字清晰。
（2）各开关、旋钮、插孔可靠、调整顺滑、有效。
（3）效果作用明显、音质好、无较大的杂音、放置平稳（脚踏式）。
现将常用踏板式效果器作用与特点简介如下，供选用时参考：
失真器（Distortion）
俗称沙声器。早期的法鼓器（F。一演变而来。是一种将电吉他声音故意造成严重失真，使声音变成沙哑的装置。电吉他声音通过失真器的调变之后，可产生柔软的沙哑声或清脆刺耳的沙声。持续音很长以延长音符时值。有“电的萨克斯”之称，是摇滚乐用得最多的一种效果器，常在歌曲的前奏、问麦、结尾、华彩独奏中加入，也用于摹仿初、响弦小鼓灯节奏，发“查，查”声，演奏手法多变，不—一列举。近年来，这一效果器又有了新的发展，名堂甚多。例仅超反馈失真、重金属失真、涡轮失真、管爆失真、强烈亮度失真，其主流是音色趋向尖、硬、亮、强、嚎方向发展；以增强刺激。
驱动器（OverDrive）
超速驱动器、激励器。利用适度的畸变（失真）、产生管乐般失真效果，模拟管乐音色。常用于电吉他主旋律领奏、前奏、问奏、结尾等中加入。可产生从柔和圆润到金属般的激昂的管或压缩器（Comvresso，是一种能够压缩高电平、提升低电平，具有改变或放大波形作用的效果器。它与失真器不同的是提供不失真的多种弹奏音色，并能延长音符或缩短音符的时值，可产生打击音或长延音。
合唱（Chorus）
又称和声器，是利用BBD电路，使声波产生延迟后与正常声波混和，通主、右两个声道输出，从而使电吉他的声音左右游移回荡、柔美宽广像混声大合唱的效果。如果只用一个输出端则立体大合唱效果较差。合唱效果器常用于弹奏分解和弦或和弦伴奏。它那轻柔飘逸，缥缈回荡的声音给人以抒情的感受。
移相器（Phaser）
是利用经过移相的声波与原声波之间互相干涉作用，使声音产生颇震、固族飘逸效果。它与合唱器不同的是声音具有颜震感。早期用得较多的效果器之一。
弗兰格（Flanger）
又称哇音器。它的电路原理基本与合唱相同，加了反馈野并或电路。是一种产生额震音响的效果器，它与合唱不同的是声音具有旋转、飘逸、晚代感觉，缓慢时如太空梦幻、悠悠钟声。快速时发水波声或发鸡哇音，也能产生强烈如喷气发动机声。音色变化较多。常用于在乐曲（歌曲伴奏）中添加特效，以增强艺术感染力。
延时器（Delay）
是产生混响或回声的效果器。有模拟延时器，数字延时器、混响器等c它们的原理基本相同，广泛用于舞台音响，卡拉OK。延迟时间可以从50毫秒到1秒以上，电吉他用的延时器一般为20～476毫秒之间，时间短产生混响效果（大厅效应人时间长则产生回声（山谷效应人电吉他通过延时器之后声音丰富、饱满、有空间感。回声，则常用于电吉他演奏最高潮时最末一个音符加入，以便出现几个反射回声，情似对山谷呼喊。
哇音器（WAH）
不同于弗兰格。它的发音好似张嘴与合嘴产生的鸡——哇或哇——鸣声。缓慢时像人们切切丝语，快速时像青蛙叫，用于电吉他演奏诙偕、活泼的乐曲。也可U调出像拉弦乐器的音调，例如：国际朝阳电子乐队演奏的《戈文达》一曲，就用了这种效果。
均衡器（Equalize)
又称频率补偿器、参数均衡器、用于调整电吉他的频响曲线。由于电吉他的频带中心比一般扩音机低二个信频程．哪从业＊E下降到250H助，一般的扩音机音调控制器无法调整电吉他的中、高音区。只有专用的均衡器才能胜任。同时，均衡器可以设定电吉他的音调状态，以便在乐曲中的某一段表现明亮欢快或深沉宽厚的色彩，需要加入时只要踩一下开关即可十分方便。
音色提升（TOneB00Ate）
是提升电吉他高频段的装置、跃升量达20分贝。它不同于均衡器可任意调整全频带而只提升高音。常用于领奏时突出表现电吉他明亮欢快的音色，强调金属音。在用失真器进行迎泰华彩乐段时，同时加入这一效果，更具强烈明亮的金属音色彩。八度音，可将电吉他的音程降低一个或二个八度的装置，以扩展电吉他在低音区的表现，可像电信司那样演奏。
音量踏板（P刨alVolume）
虽然在电吉他面板上或音箱上都有音量控制器，但这里的音量踏板用途有别于一般的音量控制器，它是作为表情踏板使用的。乐谱中标有强弱音记号时如＊《或PPP等。就要用音量踏板控制音量的起伏变化。在摇滚电吉他奏法中在一种volume奏法（音量奏法），是利用音量踏板或用右手小指旋转电吉他上的音量电位器，弹出没有音头而音量渐增的声音，像拉小提琴，有若隐若现的感觉。只要会利用还可产生其他效果。
限幅器（Timiter）
用于排除电吉他信号在传输中出现的过载或不良瞬变发生，当电平仍然超值时，内设的压控放大器（VCA）bo以压缩，使声音不产生严重失真。
噪声门（NOISE-Gate）
当电路接线过长，效果器串联过多，能消除不良哼声和噪声，使电吉他的声音保持纯净优美。
③ 门电路的抗干扰能力取决于什么
门电路的抗干扰能力取决于噪声容限。
噪声容限（英语：Noise Margin）是指在前一极输出为最坏的情况下，专为保证后一极正常工作，所允许的最大噪声幅度。在数字电路中，一般常以“1”态下（上）限噪声容限和“0”态上（下）限噪声容限中的最小值来表示电路（或元件）的噪声容限。噪属声容限越大说明容许的噪声越大，电路的抗干扰性越好。