AND gate两个输入比特如何转为1个输出比特？逻辑门供电原理疑问

一、AND门双输入转单输出的实现逻辑 #

商用数字电路的逻辑门基本都采用CMOS工艺实现，AND门的核心结构是NAND门（与非门）+ 反相器，输入到输出的转换完全由MOS管的通断控制实现：

• NAND门内部共4个MOS管：2个NMOS管串联在输出端和地之间，2个PMOS管并联在供电电源Vcc和输出端之间，两个输入比特分别接到4个管子的栅极作为控制信号
• 当两个输入均为高电平（比特1）时，两个串联的NMOS全部导通，并联的PMOS全部关断，输出端直接接地，输出低电平（比特0），这是NAND的输出结果
• 只要有一个输入为低电平（比特0），对应的NMOS关断、对应的PMOS导通，输出端直接连到Vcc，输出高电平（比特1）
• 后端加一级反相器把NAND的输出翻转，就得到AND门的最终结果：只有两个输入全为1时输出才为1，其余情况输出为0

二、双输入关断时输出导通的器件供电原理 #

你提到的“两个输入均为关断状态时输出为导通状态”的器件属于有源逻辑器件（典型如NOR门、或非门），所有这类器件的电能都来自独立的供电引脚，和输入信号无关，具体工作机制如下：

• 所有CMOS逻辑门都会单独连接全局供电引脚Vcc（对应高电平）和Vss（对应地、低电平），输入比特只负责控制MOS管栅极的电压，决定管子的通断状态，几乎不从输入信号取电流，也不会直接把输入的电能传导到输出端
• 以NOR门为例，它的内部结构是2个PMOS串联在Vcc和输出端之间，2个NMOS并联在输出端和地之间：当两个输入均为低电平（关断状态）时，两个PMOS的栅极收到低电平信号全部导通，两个NMOS全部关断，输出端直接通过导通的PMOS和Vcc连通，输出的高电平电能完全由Vcc提供，不需要输入有电流
• 这套供电机制的设计逻辑就是把输入作为控制信号，输出的驱动能力完全由供电电源提供，才能实现逻辑转换的同时保证输出带负载能力，不会出现输入信号弱就导致输出失效的问题

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ravi Garg