CMOS傳輸門工作特性的Multisim分析

馬敬敏

（渤海大學 實驗管理中心，遼寧 錦州 121000）

CMOS傳輸門是由NMOS管、PMOS管組成的一種特殊的門電路。CMOS傳輸門的導通、截止不但與控制電平有關，還與傳輸信號的電平有關。CMOS傳輸門具有輸入端輸出端可互換使用、輸入信號即可為數字信號也可為模擬信號及有高阻輸出狀態的特點[1-2]。

本文用Multisim10仿真軟件對CMOS傳輸門電路進行仿真實驗測試，分析研究了CMOS傳輸門的工作特性，實驗結論有利于全面地研究電路的原理及使用條件。

1 CMOS傳輸門的工作特性

NMOS管、PMOS管按圖1連接組成CMOS傳輸門。其中，uI為輸入電壓，uO為輸出電壓，C和C為互反的控制信號。

輸入電壓uI的變化范圍為0～VDD，互反控制信號C和C的高電平為 VDD（邏輯 1）、低電平為 0V（邏輯 0）。

當控制信號C=1、C=0時，輸入電壓uI為0～VDD的變化范圍內NMOS管和PMOS管至少有一個導通，uO=uI。

當控制信號C=0、C=1時，輸入電壓uI在0～VDD的變化范圍內NMOS管和PMOS管T均截止，輸出端呈高阻態Z，傳輸門截止。

圖1 CMOS傳輸門的電路組成Fig.1 Build-up of the CMOS transmission gate

輸出信號的表達式為

2 CMOS傳輸門工作特性的仿真

2.1 仿真方案設計

在Multisim仿真軟件中進行CMOS傳輸門工作特性分析時，選擇以波形圖的形式描述CMOS傳輸門傳輸數字信號、模擬信號等類型輸入信號及高阻輸出的特性，可以直觀、定量描述電路的工作過程；用虛擬儀器中的函數發生器提供正弦信號、三角信號和脈沖數字信號，用虛擬儀器中的雙蹤示波器顯示輸入信號、輸出信號的波形[3-8]。

2.2 仿真電路構建及仿真運行

在Multisim10中構建CMOS傳輸門工作特性仿真電路如圖2所示。MOS管從元件工具欄晶體管庫的TRANSISTORS-VITR…中找出；單刀雙擲開關從元件工具欄的基本元件庫找出；電壓源及接地端從元件工具欄的電源/信號源庫中找出。或使用快捷鍵Ctrl+W調出選用元件的對話框再找出相應的元件。雙蹤示波器XSC1、函數發生器XFG1從虛擬儀器欄中找出。

圖2 CMOS傳輸門工作特性仿真電路Fig.2 Simulation circuit for the work properties of the CMOS transmission gate

選擇電壓源VDD=10 V，單刀雙擲開關提供CMOS傳輸門的互反控制信號C和C。

雙擊函數發生器的圖標打開面板圖，選擇分別輸出正弦信號、三角信號和脈沖數字信號，選擇輸出幅度為±5 V。

函數發生器的±5 V輸出信號與5 V直流電壓源串聯，使CMOS傳輸門的輸入信號為uI=5 V±5 V=0 V～10 V，即輸入電壓uI在0～VDD的變化范圍內。

按下仿真開關，雙擊雙蹤示波器的圖標打開面板圖顯示波形如圖3～5所示，在Channel區通過通道選擇旋鈕調整各通道波形的位置及顯示幅度，各通道均設置為DC耦合方式，在Time base區設置Scale的數值使顯示波形的個數合適，Y/T顯示方式，在仿真過程中改變單刀雙擲開關的位置分別使C=0、C=1 和 C=1、C=0。

2.3 仿真結果分析

圖3～5所示雙蹤示波器顯示的波形中，由上至下依次為輸入信號為uI、輸出信號uO的波形。

顯示的各波形中，前部分為控制信號C=0、C=1時的波形，可看出傳輸門輸出端呈高阻態，不傳輸輸入信號；后部分為控制信號C=0、C=1時的波形，可看出傳輸門的輸出信號與輸入信號相同，而無論輸入信號是模擬信號還是數字信號。

圖3～5顯示的波形與CMOS傳輸門的特性一致。

圖3 CMOS傳輸門輸入正弦波時的仿真波形Fig.3 The simulated waveshape for an input sinusoidal input wave of the CMOS transmission gate

圖4 CMOS傳輸門輸入三角波時的仿真波形Fig.4 The simulated waveshape for an input triangle input wave of the CMOS transmission gate

圖5 CMOS傳輸門輸入脈沖波時的仿真波形Fig.5 The simulated waveshape for an input pulse input wave of the CMOS transmission gate

3 結束語

由于仿真方案中CMOS傳輸門有高阻輸出狀態及模擬信號，因此波形顯示波形只能用雙蹤示波器或四蹤示波器，而不能用邏輯分析儀。

用Multisim軟件仿真可直觀描述CMOS傳輸門的傳輸、禁止工作特性，所述方法的創新點是解決了CMOS傳輸門的工作波形無法用電子實驗儀器進行分析驗證的問題。

所述方法具有實際應用意義。

[1]閻石．數字電子技術基礎[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[2]任駿原，騰香，馬敬敏．數字電子技術實驗[M]．沈陽：東北大學出版社，2010．

[3]任駿原．用Multisim仿真軟件分析觸發器的狀態變化過程[J]．實驗科學與技術，2011，9（1）：53-56．REN Jun-yuan．The state transition analyzing of flip-flop by multisim[J]．Experiment Science&Technology，2011，9（1）：53-56．

[4]任駿原．Multisim在觸發器工作波形分析中的應用[J]．現代電子技術，2010，33（15）：184-186．REN Jun-yuan．An application of multisim to the working wave analyzing of flip-flop[J]．Modern Electronics Technique，2010，33（15）：184-186．

[5]任駿原．74LS161異步置零法構成任意進制計數器的Multisim仿真[J]．電子設計工程，2011，19（14）:135-137．REN Jun-yuan.Multisim simulation for modulo-N counter composed by 74LS161With asynchronous reset method[J]．Electronic Design Engineering，2011，19（14）:135-137．

[6]任駿原．RC橋式正弦波振蕩電路的輸出幅值分析[J]．電子設計工程，2013，21（14）:107-108．REN Jun-yuan.Study on the amplitude of RC-bridge oscillator[J]．Electronic Design Engineering，2013，21（14）:107-108．

[7]騰香.二進制譯碼器邏輯功能的Multisim仿真方案 [J]．現代電子技術，2010，33（20）：11-13．TENG Xiang.Multisim simulation program of Binary decoder logic function[J].Modern Electronics Technique，2010，33（20）：11-13．

[8]馬敬敏.基本RS觸發器工作狀態的Multisim仿真[J].電子設計工程，2011，19（17）:24-26．MA Jing-min.Multisim simulation of basic RS flip-flop working conditions[J].Electronic Design Engineering，2011 ，19（14）:24-26．