CMOS传输门工作特性的Multisim分析

马敬敏

（渤海大学 实验管理中心，辽宁 锦州 121000）

CMOS传输门是由NMOS管、PMOS管组成的一种特殊的门电路。CMOS传输门的导通、截止不但与控制电平有关，还与传输信号的电平有关。CMOS传输门具有输入端输出端可互换使用、输入信号即可为数字信号也可为模拟信号及有高阻输出状态的特点[1-2]。

本文用Multisim10仿真软件对CMOS传输门电路进行仿真实验测试，分析研究了CMOS传输门的工作特性，实验结论有利于全面地研究电路的原理及使用条件。

1 CMOS传输门的工作特性

NMOS管、PMOS管按图1连接组成CMOS传输门。其中，uI为输入电压，uO为输出电压，C和C为互反的控制信号。

输入电压uI的变化范围为0～VDD，互反控制信号C和C的高电平为 VDD（逻辑 1）、低电平为 0V（逻辑 0）。

当控制信号C=1、C=0时，输入电压uI为0～VDD的变化范围内NMOS管和PMOS管至少有一个导通，uO=uI。

当控制信号C=0、C=1时，输入电压uI在0～VDD的变化范围内NMOS管和PMOS管T均截止，输出端呈高阻态Z，传输门截止。

图1 CMOS传输门的电路组成Fig.1 Build-up of the CMOS transmission gate

输出信号的表达式为

2 CMOS传输门工作特性的仿真

2.1 仿真方案设计

在Multisim仿真软件中进行CMOS传输门工作特性分析时，选择以波形图的形式描述CMOS传输门传输数字信号、模拟信号等类型输入信号及高阻输出的特性，可以直观、定量描述电路的工作过程；用虚拟仪器中的函数发生器提供正弦信号、三角信号和脉冲数字信号，用虚拟仪器中的双踪示波器显示输入信号、输出信号的波形[3-8]。

2.2 仿真电路构建及仿真运行

在Multisim10中构建CMOS传输门工作特性仿真电路如图2所示。MOS管从元件工具栏晶体管库的TRANSISTORS-VITR…中找出；单刀双掷开关从元件工具栏的基本元件库找出；电压源及接地端从元件工具栏的电源/信号源库中找出。或使用快捷键Ctrl+W调出选用元件的对话框再找出相应的元件。双踪示波器XSC1、函数发生器XFG1从虚拟仪器栏中找出。

图2 CMOS传输门工作特性仿真电路Fig.2 Simulation circuit for the work properties of the CMOS transmission gate

选择电压源VDD=10 V，单刀双掷开关提供CMOS传输门的互反控制信号C和C。

双击函数发生器的图标打开面板图，选择分别输出正弦信号、三角信号和脉冲数字信号，选择输出幅度为±5 V。

函数发生器的±5 V输出信号与5 V直流电压源串联，使CMOS传输门的输入信号为uI=5 V±5 V=0 V～10 V，即输入电压uI在0～VDD的变化范围内。

按下仿真开关，双击双踪示波器的图标打开面板图显示波形如图3～5所示，在Channel区通过通道选择旋钮调整各通道波形的位置及显示幅度，各通道均设置为DC耦合方式，在Time base区设置Scale的数值使显示波形的个数合适，Y/T显示方式，在仿真过程中改变单刀双掷开关的位置分别使C=0、C=1 和 C=1、C=0。

2.3 仿真结果分析

图3～5所示双踪示波器显示的波形中，由上至下依次为输入信号为uI、输出信号uO的波形。

显示的各波形中，前部分为控制信号C=0、C=1时的波形，可看出传输门输出端呈高阻态，不传输输入信号；后部分为控制信号C=0、C=1时的波形，可看出传输门的输出信号与输入信号相同，而无论输入信号是模拟信号还是数字信号。

图3～5显示的波形与CMOS传输门的特性一致。

图3 CMOS传输门输入正弦波时的仿真波形Fig.3 The simulated waveshape for an input sinusoidal input wave of the CMOS transmission gate

图4 CMOS传输门输入三角波时的仿真波形Fig.4 The simulated waveshape for an input triangle input wave of the CMOS transmission gate

图5 CMOS传输门输入脉冲波时的仿真波形Fig.5 The simulated waveshape for an input pulse input wave of the CMOS transmission gate

3 结束语

由于仿真方案中CMOS传输门有高阻输出状态及模拟信号，因此波形显示波形只能用双踪示波器或四踪示波器，而不能用逻辑分析仪。

用Multisim软件仿真可直观描述CMOS传输门的传输、禁止工作特性，所述方法的创新点是解决了CMOS传输门的工作波形无法用电子实验仪器进行分析验证的问题。

所述方法具有实际应用意义。

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