1、第二章 门电路,概述 半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性 分立元器件门电路 CMOS集成门电路 TTL集成门电路,概 述,门电路的概念用来实现基本和常用逻辑运算的电子电路 逻辑变量与两状态开关逻辑功能通过开关的通断实现。 分立元件门电路和集成门电路 数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门的个数或元器件的个数。按集成度分为SSI、MSI、LSI、VLSI四类。,门电路,分立元件门电路,集成门电路,用分立的元器件（晶体二极管、三极管、MOS管、电阻）和导线连接起来构成的门电路。,把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上封装起来。使用最广泛的是CMOS和TTL集成门电路。,&#
2、167;2.1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性,理想开关的开关特性 半导体二级管的开关特性 半导体三极管的开关特性 MOS管的开关特性,§2.1.1 理想开关的开关特性,静态特性 1、开关断开时 等效电阻ROFF=，流过开关的电流IOFF=0。 2、开关闭合时 等效电阻RON=0，两端电压UAK =0。 动态特性 1、开通时间ton=0。 2、关断时间toff=0。,§2.1.2 半导体二极管的开关特性,半导体二极管是一种两层（P型层和N型层）、一结（PN结）、两端（阳极A和阴极K）的器件。,静态特性 1、伏安特性,工作状态分析： （1）外加正向电压 UD小于死
3、区电压二极管截止，ID=0； UD大于死区电压二极管导通，产生电流ID； UD UD(on)（ UD(on)：正向导通电压、门限电压）ID随UD的增加按指数规律显著增长。 （2）外加反向电压 | UD |U(BR)|二极管反向击穿。,2、静态开关特性 （1）导通 导通条件： UD UD(on) ，即UD0.7V 导通特点：二极管导通后， UD0.7V ，相当于一个具有0.7V压降的闭合开关。（2）截止 截止条件： UD0.5V 截止特点： ID=0，相当于断开的开关。,当输入电压频率较低，且幅度远大于0.7V时，可以忽略二极管的导通压降，即认为二极管工作在理想状态。二极管的伏安特性曲线理想化为
4、垂直的二段折线。,3、二极管开关的应用 （1）理想开关,（2）二极管限幅电路限幅电路又称为限幅器，其功能是将输入波形的一部分传送到输出端，而将其余部分抑制掉，实现对波形的变换或整形。常用的限幅器有：二极管串联上限幅器、串联下限幅器、串联双向限幅器；二极管并联上限幅器、并联下限幅器、并联双向限幅器。串联限幅器是利用二极管的截止状态起限幅作用；并联限幅器是利用二极管的导通状态起限幅作用。,串联下限幅器 串联上限幅器,串联双向限幅器,作业：画出输出电压波形，并说明限幅器作用。,UIHUR2UR1,动态特性 1、二极管的电容效应（1）结电容Cj （2）扩散电容CD由于电容Cj 、CD的充放电，使二极管
5、的导通和截止发生延时，影响二极管的动态特性。,（2）二极管的开关时间,开通时间：ton =td+tr 关断时间：toff =ts+tf,§2.1.3 半导体三极管的开关特性,半导体三极管是一种具有三层（发射区、基区、集电区）、两结（集电结J1、发射结J2）、三端（发射极e、基极b、集电极c）的具有放大特性的基极电流控制的开关元件。,静态特性 1、输入、输出特性,2、静态开关特性,截止,动态特性,开通时间ton ton=td+tr,关断时间toff toff=ts+tf,MOS管是由金属氧化物半导体构成，具有源极S、漏极D、栅极G，并由栅极电压控制漏源电流的开关元件。,§2.
6、1.4 MOS管的开关特性,静态特性1、漏极特性 2、转移特性,3、静态开关特性,二极管与门和或门 三极管非门（反相器）,§2.2 分立元器件门电路,二极管与门,§2.2.1 二极管与门和或门,工作原理：,与门逻辑真值表：,二极管或门,工作原理：,或门逻辑真值表：,半导体三极管非门,§2.2.2 三极管非门（反相器）,uI是输入电压，低电平为0V，高电平为5V，uO是输出电压，VCC是电源电压。,工作原理：,三极管临界饱和时的基极电流为：,uI0V时，三极管截止，iB0，iC0， 输出电压 uOVCC5V,uI5V时，三极管导通。基极电流为：,因为iBIBS，所以
7、三极管工作在饱和状态。 输出电压 uOUCES0.3V,MOS三极管非门,uI是输入电压，低电平为0V，高电平为10V，uO是输出电压，VDD是电源电压。,工作原理：非门真值表：逻辑运算：,当uI0V时，由于uGSuA0V，小于开启电压UTN，所以MOS管截止。输出电压为uOVDD10V。,当uI10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UTN，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uO0V。,CMOS反相器 CMOS与非门、或非门、与门和或门 CMOS与或非门和异或门 CMOS传输门、三态门和漏极开路门 CMOS电路产品系列、主要特点和使用中应注意的几
8、个问题,§2.3 CMOS集成门电路,电路组成及工作原理,§2.3.1 CMOS反相器,CMOS反相器由P沟道增强型MOS管TP和N沟道增强型MOS管TN按互补对称的形式连接构成。,工作原理：,（1）uA0V时，TN截止，TP导通。输出电压uYVDD10V。 （2）uA10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY0V。,输入端保护电路,D1、D2是保护二极管，正向压降1V， 反向击穿电压30V。,C1、C2是TP、TN管栅极等效电容。,R是限流电阻，阻值13K。,加保护电路的输入特性:, 当输入 0 VI VDD ：输入电流 i I = 0,在正常工作范围内，保护二极管不起作
9、用。, 当输入VIVDD+VD时：保护二极管D1导通，输入电流 i I 迅速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于VDD+VD。保证加在C2上的电压，不超过其耐压极限。,静态特性 1、输入特性2、输出特性,当输入VIVD时：保护二极管D1导通，|i I| 随|VI|增加而增大。其变化斜率由R决定。,低电平输出特性是灌流负载,高电平输出特性是拉流负载,当输入VI为高电平时，负载管截止，输入管导通。因此负载电流灌入输入端。,当输入VI为低电平时，负载管导通，输入管截止。因此负载电流是拉电流。,3、传输特性,电压传输特性,电流传输特性,AB段：截止区iD为0,BC段：转折区 阈值电压UTHVDD/2
10、 转折区中点：电流最大,CD段：导通区,CMOS与非门,§2.3.2 CMOS与非门、或非门、与门和或门,负载管并联 （并联开关）,驱动管串联 （串联开关）,电路结构：,工作原理：, A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。, 只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。,逻辑运算：,COMS或非门,负载管串联 （串联开关）,驱动管并联 （并联开关）,电路结构：,工作原理：, 只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN
11、1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。, 只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。,逻辑运算：,CMOS与门和或门 1、CMOS与门2、CMOS或门,带缓冲的COMS与非门和或非门,COMS与非门和或非门基本电路从输出端看，结构不对称，带来的问题： 使电路输出特性不对称 使电路的电压传输特性发生偏移，阈值电压不再是0.5VDD，因此导致噪声容限下降。,解决上述缺点的方法：,采用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点，在或非门的输入、输出端加具有标准参数的倒相器构成。,COMS与或非门CMOS异或门,§2.3.2 CMOS与或
12、非门和异或门,CMOS传输门,§2.3.4 CMOS传输门、三态门和漏极开路门,工作原理：,C和C是一对互补的控制信号。 C0、 ，即C端为低电平（0V）、 端为高电平（VDD）时， TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。 C1、 ，即C端为高电平（VDD）、 端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。,CMOS三态门,CMOS漏极开路门,输出MOS管的漏极开路，工作时必须外接电源VDD和电阻RD，电路才能工作，实现,CMOS集成电路的主要特点,§2.3.5 CMOS电路产品系列、主要特点 和
13、使用中应注意的几个问题,（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。 （2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。 （3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。 （4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。 （5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。 （6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。 （7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。,CMOS电路使用中应注意的几个问题,（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。,（2）数字集成电路中多余
14、的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。,（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。,TTL反相器 TTL与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门 TTL集电极开路门和三态门 TTL集成电路和其他双极型集成电路,§2.4 TTL集成门电路,电路组成及其工作原理,§2.4.1
15、 TTL反相器,工作原理：,当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导通， uB1=1.0V当输入高电平时， uI=3.6V，VT1倒置，集电结正偏，发射结反偏。 uB1=0.7V×3=2.1V 。,输 入 级,反相输出,同相输出,向后级提供反相与同相输出,中间级作用,输出级工作原理,（1）当输入高电平时， uI=3.6V，VT1处于倒置工作状态，VT2和VT4饱和，输出低电平uO=0.3V。,（2） 当输入低电平时， uI=0.3V，VT1导通，VT2和VT4均截止，VT3和VD导通。 输出高电平uO =VCC -UBE3-UD5V-0.7V-0.7V=3.6V,总结：,静态特
16、性 1、输入特性 （1）输入伏安特性,输入电压和输入电流之间的关系曲线。,（2）输入端负载特性,TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。,(1) 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。,(2) 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 2k。数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。,2、输出特性,指输出电压与输出电流之间的关系曲线。,(1) 输出
17、高电平时的输出特性,拉电流负载,(2) 输出低电平时的输出特性,灌电流负载,3、电压传输特性输电压出uO与输入电压uI的关系曲线。,VT4截止，称关门,VT4饱和，称开门,动态特性,平均传输延迟时间tpd,平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。,tpd = （tpLH +tpHL）/2,TTL反相器的主要参数和常用型号,TTL与非门,§2.4.2 TTL与非门、或非门、与门、或门、 与或非门和异或门,全1,输出0,有0,输出1,TTL或非门,TTL与门、或门和异或门,与 门或 门异 或 门,集电极开路门（OC门）,§2.4.3 TTL集电极开路门和三态门,集电极开路
18、,OC门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号,输出三态门,增加了控制输入端（Enable）,EN = 0时，电路为正常的与非门，称控制端低电平有效。,1,0,导通,1.0V,1.0V,截止,截止,悬空,三态门的主要应用实现总线传输,要求各门的控制端EN轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。,TTL集成电路,§2.4.4 TTL集成电路和其他双极型电路,TTL集成电路,54/74通用系列,54/74H高速系列,54/74S肖特基系列,54/74LS低功耗肖特基系列,54/74LS系列具有便于与CMOS电路连接、工作可靠、平均功耗小等优点，是市场上供应最多、实际应用中最广泛的系列。,
