信号强度与电压源

信号的强度可以通过它与理想电压源的接近程度来衡量。通常，信号越强，它能提供或吸收的电流就越大。电源（VDD）和地（GND）是数字信号中“1”和“0”的来源。

NMOS与PMOS晶体管简介及反相器电路回顾

NMOS晶体管几乎是一个完美的开关，当输入为“0”时导通，输出为“0”（强0）。然而，请注意只是"几乎"，NMOS晶体管在输入为“1”时表现不完美，高电压水平会略低于VDD，这将在后续文章中详细解释。我们称之为“退化1”或“弱1”。

PMOS晶体管则具有相反的特性，当输入为“0”时导通，输出为“1”（强1），但当输入为“1”时，输出会是“退化0”。

上图总结了晶体管的符号和行为，其中g、s和d分别表示栅极、源极和漏极

在CMOS逻辑电路中，输入信号通常同时驱动下拉网络中的NMOS晶体管栅极和互补上拉网络中的PMOS晶体管栅极。这种配置确保了NMOS晶体管在导通时能提供稳定的“0”电平，PMOS晶体管在导通时能提供稳定的“1”电平，从而保证输出信号的强驱动能力和电平的无退化。我们将这种特性称为“完全恢复逻辑门”，它显著简化了电路设计，并降低了设计复杂性。下图为典型的CMOS逻辑电路原理图及典型的版图设计，也称为反相器电路。

传输门

当NMOS或PMOS单独使用时，它们是不完美的开关，我们称之为“传输晶体管”或“直通门”。通过将NMOS和PMOS晶体管并联（下图(a)），我们得到一个当输入为“1”时导通的开关（下图(b)），并且在“0”和“1”两种情况下都能完美导通（下图(c)）。我们称之为“传输门”或“直通门”。

在某些电路中，如果只有单个“0”或“1”信号，则可以删除相应的传输晶体管（n管或p管），退化为单个NMOS或PMOS器件。

为什么要用传输门/传输门存在的意义是？

静态CMOS逻辑电路（反相器）设计的输入和输出必须是反相的。当输入为“1”时，NMOS下拉网络导通，输出为“0”；当输入为“0”时，PMOS上拉网络导通，输出为“1”。我们可能会尝试将晶体管倒置以构建非反相门。例如，下图显示了一个非反相缓冲器。为什么在下图打X，因为这种设计存在问题。

虽然这种设计可以使输入输出相同，但是NMOS和PMOS晶体管都会产生退化的输出（详见上文NMOS与PMOS晶体管简介及反相器电路回顾章节描述），因此应避免这种技术。

传输门的功能像一个电子开关， 它可以根据控制信号来选择性地“接通”或“断开”一条信号通路，从而控制输入信号是否能够传递到输出端。 当它“接通”时，输入信号几乎无改变地通过；当它“断开”时，输出端处于高阻态（High-Z），相当于断路。另外，传输门可以双向传输信号，而反相器只能单向传输信号。

总结

简单来说，可以将反相器想象成一个“唱反调”的设备，你给它“1”，它就输出“0”。而传输门则像一个“水龙头”，通过一个开关（控制信号）来决定是让水流（输入信号）通过，还是关掉。

传输门本质上是一个三态电路，它的三个状态是：

导通（ON）：当使能信号有效时（例如 EN=1），它像一个闭合的开关，允许输入信号 A 通过，此时输出 Y = A。

截止（OFF）/高阻态（High-Z）：当使能信号无效时（例如 EN=0），它像一个断开的开关。此时输出端与输入端断开，呈现高阻抗状态。这就是它的“第三态”。

（注：严格来说，传输门只有导通和高阻态两个由控制信号决定的状态。但因为它能输出高阻态，所以被归类为三态逻辑电路。）