1、第三章 门电路,3.2 半导体二极管门电路,3.3 CMOS门电路,3.4 其他类型的MOS集成电路*,3.1 概述,3.6 其他类型的双极型数字集成电路*,3.7 Bi-CMOS门电路*,3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*,3.5 TTL门电路,第三章 门电路,熟练掌握常用门电路的符号及逻辑功能；了解TTL与非门的工作原理；熟悉TTL、CMOS集成逻辑门的外部特性、主要参数和使用方法；理解集电极开路门和三态门的主要特点及应用；了解ECL的特点。,一、逻辑门电路的分类,1. 按基本结构分类,按集成度分类小规模集成电路 SSI 中规模集成电路 MSI大规模集成电路 LSI超大规模集成电路
2、VLSI,小规模集成电路 SSI (Small Scale Integration)： 集成度10门/片 或 100个元器件/片， 如逻辑门、触发器等。中规模集成电路 MSI (Medium Scale Integration)： 集成度：10 99门/片 或 100 999元器件/片。如译码器、计数器、寄存器等逻辑功能部件。,大规模集成电路 LSI (Larger Scale Integration)： 集成度：100 1000门/片 或 1000 10000元器件/片。如CPU、存储器、简单的数字逻辑系统等。超大规模集成电路 VLSI (Very Larger Scale Integrat
3、ion)： 集成度： 1000门/片 或 100000元器件/片如单片机、数字逻辑系统等。,3.按逻辑门电路的型号分类（TI）,Page：104,Page：135,54系列军用型：尺寸小、功耗小、可靠性高、工作温度范围大（-55+125 ） 74系列民用型，低成本改进型，在一般场合下使用，工作温度（0+70 ）,4.按逻辑功能分类,5.按结构分类,各种门的符号,OC门（集电极开路输出门）,TS门（三态输出门）,OD门（漏极开路输出门）,TG门（CMOS传输门）,实际的与非门电路（74LS00）,任选一个与非门，其输入端分别通过1k电阻与+5V电源相连，同时与单刀双掷开关公共端连接，开关的两个触
4、点一端接地一端悬空 ，以实现输入0、1转换。输出端接LED正极，LED负极通过100电阻接地。集成电路的VCC端接+5V电源正极， GND接+5V电源负极（地）。,与非门功能测试实验,接线图,逻辑图,实物图,与非门功能测试仿真实验,A=0 B=0 Y=1,与非门功能测试仿真实验,A=0 B=1 Y=1,与非门功能测试仿真实验,A=1 B=0 Y=1,与非门功能测试仿真实验,A=1 B=1 Y=0,图,二、开关电路（门）的原理,晶体三极管开关电路,场效应管开关电路,获得高、低电平的基本原理,高/低电平都允许有一定的变化范围,一、二极管的开关电路,高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0,VI=
5、VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V,3.2 半导体二极管门电路,二、二极管与门,设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3VVIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V,规定3V以上为1,0.7V以下为0,三、二极管或门,设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3VVIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V,规定3V以上为1,0.7V以下为0,四.三极管非门,钳位二极管,逻辑式：,五、与非门,逻辑式：,1. 体积大、工作不可靠。,2. 需要不同电源。,3. 各种门的输入、输出电平不匹配。,分立元件门电路的缺点：,采用类似的方法还可以构成或非
6、门、异或门等。,3.3 CMOS集成门电路,一、MOS管反相器的原理,开门,开门电平 关门电平,开门电阻 关门电阻,关门,输出低电平 输出高电平,MOS (Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导体)，其 特点是结构简单，集成度高，广泛地采用在LSI、VLSI 中。,二、 CMOS反相器的工作原理,开门 Vo=0,关门Vo=1,以上仅考虑反相器的开关特性，实际应用时还要考虑其电气特性,CMOS反相器是CMOS集成门的重要组成部分,外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。外部特性包含两个内容： 一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包
7、括电压传输特性、输入特性、输出特性等。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。,CMOS反相器的外特性及主要参数,一、电压传输特性、电流传输特性,A,B,C,D,E,F,理想情况下：输出高电平UOHUDD，输出低电平UOL0,输入高电平UIHUDD，输入低电平UIL0,高电平噪声容限UNH,低电平噪声容限UNL,输出状态转换的阀值电压UTUDD,关于电压传输特性的深入探讨,噪声容限的计算方法：,输入低电平时噪声容限：,输入高电平时噪声容限：,噪声容限衡量门电路的抗干扰能力。 噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。,结论：可以通
8、过提高VDD来提高噪声容限,提高噪声容限的方法？,1. 静态输入特性,CMOS门电路的输入阻抗非常大。,优点：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电流IIH1A，低电平输入电流IIL1A。,缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。,措施：输入级一般都加了保护电路。,二. 静态特性(包括输入特性、输出特性),根据静态输入特性讨论：CMOS门电路多余引脚的处理,将2输入的CMOS逻辑门转换成CMOS反相器（非门），其中的一个引脚多余，请分析以下4种处理方法是否正确。,结论：CMOS门电路多余引脚不能悬空；输入引脚接一电阻到地相当于输入低电平。,（1）当门电路输出低电平时 即开门时,I O L max：使
9、输出电压不大于VO L max 时的最大灌电流值。,（2）当门电路输出高电平时，即关门时,I O H max：使输出电压不小于V O H min时的最大拉电流值。,2.静态输出特性,（1）当门电路输出低电平时，即开门时,结论：灌电流使低电平输出电压VOL升高,（2）当门电路输出高电平时，即关门时,结论：拉电流使高电平输出电压VOH降低,（2）高电平输出特性（拉电流负载特性）,随着负载电流增加，VOH下降。,（1）低电平输出特性（灌电流负载特性）,当负载电流增加时，VOL逐渐升高。,静态输出特性小结：,扇出系数驱动同类门的个数。,灌电流工作时：,拉电流工作时：,扇出系数NO取NOL、 NOH中较
10、小的一个。,扇出系数衡量门电路的带负载能力。,平均传输延迟时间,三、CMOS门电路的动态特性,1.传输延迟时间（Propagation Delay）,负载电容,2. 交流噪声容限,噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。,3. 动态功耗,反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。,动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率PC和PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT。,在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗 要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。,1、漏极开路输出门电路（OD门）,为什么需要OD门？ 普通与非门输出不
11、能 直接连在一起实现“线与”！,产生一个很大的电流,可将一个MOS管的漏极开路构成OD门。,四、特殊功能的CMOS门电路,OD输出与非门的逻辑符号及函数式,OD门输出端可直接连接实现线与。,上拉电阻RL的选择：,IOH,IIH,n个,m个,VOH,n是并联OD门的数目， m是负载门电路高电平输入电流的数目。,RL的上限：,VOL,m个,IOL,IIL,m是负载门电路低电平输入电流的数目。在负载门为CMOS门电路的情况下，m和m相等。,2. CMOS传输门及双向模拟开关,传输门原理及符号：,当C=0，C=1时，TG门截止； 当C=1，C=0时，TG门导通；,（1）构成组合逻辑电路,当S=0时，Z
12、=X；当S=1时，Z=Y。为2选1数据选择器。,传输门的应用：,（1）构成组合逻辑电路,（2）构成模拟开关,控制模拟信号传输的一种电子开关，通与断是由数字信号控制的。,当C=0时，开关截止 当C=1时，开关接通,3.三态输出门,三态门的应用,单向总线,双向总线,CMOS电路的特点,1. 功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；,2. CMOS集成电路功耗低内部发热量小，集成度可大大提高；,3. 抗幅射能力强，MOS管是多数载流子工作，射线辐 射对多数载流子浓度影响不大；,4. 电压范围宽：CMOS门电路输出高电平VOH VDD，低电平VOL 0V；
13、,5. 输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可以大于50；,6. 在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。,一、 TTL反相器的电路结构和工作原理,设,0.9V,不足以让 T2、T5导通,（1）当VI=VIL,3.5 TTL门电路,T2 、T5 ： 截止,0.9V,VO=5 UD2-UBE4 -UR23.4V 高电平！,A=0 Y=1,当VI=VIL时，,3.4V,反偏,电位被嵌 在2.1V,0.9V,（2）当VI=VIH时,3.4V,反偏,VO 0.2V 低电平！,A=0 Y=1,电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。,TTL反相器电路的电压传输特性,1.电压传
14、输特性,T5饱和，称开门,T5截止，称关门,二、TTL反相器电气特性,Ui和Uo之间传输特性曲线可以通过实际测量得到。,输出高电平VOH、输出低电平VOL,VOH2.4V VOL 0.4V 便认为合格。,典型值VOH=3.4V VOL =0.3V 。,阈值电压VTH(门槛电压),vIVTH时，认为vI是低电平。,vIVTH时，认为vI是高电平。,VTH=1.4V,2、输入特性,输入电压和输入电流之间的关系曲线。,输入短路电流IIS(IIL),高电平输入电流IIH,负载电流不可过大，否则输出高电平会降低。,拉电流负载，一般负载电流较小,3. 输出特性,指输出电压与输出电流之间的关系曲线。,(1)
15、 输出高电平时的输出特性,由于受到功耗的限制手册上给出的高电平输出电流的最大值要比5mA小得多。,74系列IOH(max)=0.4mA,负载电流不可过大，否则输出低电平会升高。,一般灌电流在20 mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。,灌电流负载,(2) 输出低电平时的输出特性,IOL(max),思考：以下是用门电路来驱动LED的两种接法，哪一种较为合理？,+5V,LED,R,LED,R,输出高有效,限流电阻R的选择如下：,输出低有效,限流电阻R的选择如下：,灌电流负载,拉电流负载,4、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
16、的变化而变化的关系曲线。,RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。,RI 较小时，关门，输出高电平；关门电阻ROFF ： ROFF 0.7k,RI 较大时，开门，输出低电平；开门电阻RON： RON 2k,ROFF,RON,RI 悬空时？,(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RIRON或RIROFF ， 否则输入信号将不在高低电平范围内。
17、振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。,1、以下电路均为TTL电路，试写出各电路的输出表达式；,51,UIH,F1,30k,UIL,F2,1M,F3,510,A,F4,2、若以下电路均为CMOS电路,写出各电路的输出表达式。,X,悬空,F6,A,10K,F5,（1）TTL电路悬空相当于接高电平；,（2）当输出端通过一个电阻接到下级输入时，当这个电阻R1k时，低电平可能无法传送到下级电路。,0.8V,0.2V,输入端负载特性小结,TTL与非门主要参数,（1）输出高电平UOH：TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平USH2.4V。（2
18、）高电平输出电流IOH：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。（3）输出低电平UOL：TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL0.4V，标准低电平USL0.4V。（4）低电平输出电流IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。,TTL与非门主要参数,（5）扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般TTL门电路NO8，功率驱动门的NO可达25。（6）最大工作频率fmax：超过此频率电路就不能正常工作。（7）输入开
19、门电平UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般TTL门电路的UON1.8V。（8）输入关门电平UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般TTL门电路的UOFF0.8V。,（9）高电平输入电流IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。（10）低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。（11）平均传输时间tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高
20、的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。（12）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。,TTL与非门主要参数,集电极开路的门电路,（1）推拉式输出电路结构的局限性 输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用,三、 特殊功能的TTL门电路1,OC门,（3） OC门实现的线与,等效逻辑符号,相当于与逻辑,（4）OC门应用-电平转换器,OC 门需外接电阻，所以电源UCC可以选5V30V。OC 门作为TTL电路可以和其它不同类型、不同电平的逻辑电路进行连接。,当UDD=UCC时 ，如CMOS电源电压UDD = 5V，一般TT
21、L门可以直接驱动CMOS门。,TTL电路驱动CMOS电路图,当UDDUCC时 ，如CMOS的UDD = 5V18V，特别是UDDUCC时，可以选用TTL的OC门电路实现电平变换。,（三）OC门应用-驱动感性器件,在数字设备中，常会碰到用门电路驱动大电流的情况，例如驱动感性器件，利用OC门可以实现大电流的驱动。合理选择UC，使驱动电流小于OC门中T5所能承受的最大值。,驱动干簧继电器的电路连接,驱动脉冲变压器的电路连接,三态输出门（Three state Output Gate ,TS）,三、 特殊功能的TTL门电路2,低电平使能,高电平使能,CMOS电路与TTL电路比较：,（1）CMOS电路的
22、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。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。,（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。 （6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，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电路与TTL电路比较：,使用TTL和CMOS门电路应注意的问题,一 使用TTL应注意,1、 多余函数或不用输入
23、端的处理方法（与门）, 悬空 适合干扰小的场合, 并联 加重前级门的负载, 接电源 电气性能比较好,？,或门、与非门等的不用输入端？,处理原则： 不能影响输入与输出之间的逻辑关系 。,二 使用CMOS应注意,2、TTL的不同系列,74系列（民用）：74、74LS、74AS、74ALS等,54系列（军用）：54、54LS、54AS、54ALS等,1 、多余端的处理：不允许悬空，按功能接“1”或“0”,2 、防静电,3、CMOS的不同系列：CMOS4000 、CMOS74HC、CMOS74HCT,TTL门驱动CMOS门,系统设计的需要，将从速度、复杂性和功能等方面选择合适的系列芯片，或者从几种系列
24、中选择性能最佳的芯片，组装起来。在不同逻辑器件混合使用的系统中，常常碰到不同系列逻辑芯片的接口问题。,CMOS门驱动TTL门,门电路带负载的接口电路,三、TTL电路与CMOS电路的接口,（1）驱动能力： 驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流驱动门与负载门电流之间的驱动应满足：IOH(max)nIIH(max) ，IOL(max)mIIL(max)（n和m是负载电流的个数）,1、接口电路应考虑的问题,（2）电平匹配： 驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内。驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足：UOH(min)UIH(min)，UOL(max)UIL(max)。,2、TTL门驱动CM
25、OS门,TTL采用74LS系列，CMOS采用74HC系列，且电源电压相同都为5V。只有一个条件不满足，TTL门电路输出高电平2.7V，CMOS电路的输入高电平要求高于3.5V。,接一上拉电阻Rx，使TTL门电路的输出高电平升高至电源电压，以实现与74HC电路的兼容。,TTL门驱动CMOS门,CMOS电源UDD高于TTL电源UCC,3、CMOS门驱动TTL门,4000系列CMOS电路驱动74系列TTL电路：CMOS门的驱动能力不满足TTL门的要求。为解决这个问题，有多种方法。4000系列CMOS电路驱动74LS系列TTL电路：驱动一个TTL门时，可以直接相连。如果驱动门数增加，需要提高CMOS的
26、驱动能力。74HC系列、74HCT系列CMOS电路驱动TTL电路：无论负载门是74系列还是74LS系列，都可以直接相连，应计算驱动门的个数。,CMOS门驱动TTL门,增加一级CMOS驱动器，如选择同相驱动器CC4010 。,采用漏极开路的CMOS驱动器，如CC40107 。,将CMOS门输出经分立元件驱动电路，实现电流的放大，再驱动TTL负载门。,本章小结,门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。 外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。 本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。,
