1、1,第三章 门电路,2,第三章 门电路,3.1 概述 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 3.5 TTL门电路 * 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,用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路。 基本逻辑门电路 与门、或门、非门 常用门电路 与门、或门、非门 与非门、或非门、与或非门、异或、同或 在电子电路中，用高、低电平分别表示1和0两种逻辑状态。,3.1 概述,4,正逻辑与负逻辑 正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0 负逻辑：用低电平表
2、示逻辑1，用高电平表示逻辑0 正负逻辑之间存在着简单的对偶关系，例如正逻辑与门等同于负逻辑或门等。（1表示条件满足、结果发生）,正与门,负或门,用正逻辑,用负逻辑,混合逻辑,与非门,或非门,5,在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管,电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。 今后除非特别说明，一律采用正逻辑。 逻辑电平 高电平VH：大于给定电平值的电压范围（2V5V） 输入高电平VIH 输出高电平VOH 低电平VL：小于给定电平值的电压范围（0V0.8V） 输入低电平VIL 输出低电平VOL,6,高电平和低电平都是
3、对应的一段电压范围，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。,7,VI控制开关S的通、断。 S断开，VO为高电平； S接通，VO为低电平。,用来获得高、低输出电平的基本开关电路：,缺点：功耗比较大。 S接通，输出为VOL时，功耗,改进：采用互补开关电路。 VI同时控制开关S的通、断。 S2断开, S1接通, VO为高电平; S1断开, S2接通,VO为低电平。静态功耗0,互补开关电路在数字集成电路中广泛应用,8,理想开关：,开关闭合时：R=0V=0开关断开时：R=I=0 开关时间：t=0,实际使用的开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件。这
4、些电子器件作为开关使用时，也是从这三个方面讨论其开关特性。,9,1、二极管符号,3.2 半导体二极管门电路,3.2.1 半导体二极管开关特性,二极管特性：单向导电性 在数字电路中，使用二极管的正向导通区（开关闭合）和反向截止区（开关断开）,反向截止,正向导通,反向击穿,2、伏安特性,电流方程：,10,3、二极管开关等效电路,应用于二极管外电路电阻R值与其动态rD 电阻等量级场合。,应用于二极管电路输入电压V正向幅值与VON差别不大，且RrD的场合，数字电路属于此类。,应用于二极管电路输入电压V正向峰值VPPVON，且RrD 的场合。,11,二极管的动态电流波形：,原因： 二极管的电容效应,反向
5、恢复时间,12,导通条件及特点 条件：VD0.7V 特点：相当于0.7V压降的闭合开关,二极管开关特性,开关时间：t 0,截止条件及特点条件：VD0.5V 特点：ID=0，相当于 完全断开的开关,二极管相当于一个受外加电压控制的开关。,开关电路,VI=VIH =VCCD截止，VO=VOH=VCC VI=VIL =0D导通，VO=VOL=0.7V,13,3.2.2 二极管与门,电压功能表,真值表,0.7V 0.7V 0.7V 3.7V,0 0 0 1,VCC=5V,这是一个二极管与门电路,14,3.2.3 二极管或门,电压功能表,真值表,0V 2.3V 2.3V 2.3V,0 1 1 1,这是一
6、个二极管或门电路,15,二极管与门和或门电路的缺点： （1）由于二极管存在导通压降，在多个门串接使用时，会出现输出信号高、低电平的偏移。,（2）带负载能力差，只用于IC内部电路。,16,3.3.1 MOS管的开关特性,一、 MOS管的结构和工作原理MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）,1、N沟道增强型场效应管(NMOS)的结构,源极,栅极,漏极,衬底,IG=0，Ri=,3.3 CMOS门电路,符号,17,2、 N 沟道增强型MOS管的工作原理,UDS=0且 UGS=0时,ID=0,UDS
7、=0且 UGS0时,产生导电沟道,产生导电沟道时的栅源电压UGS称为开启电压，用 UGS(th)表示。,18,UDS增加（未夹断） iD增加UGDUGS(th),UDS再增加到UGD=UGS(th)预夹断,UDS再增加，夹断区加长, iD不再增加。UGDUGS(th),UGSUGS(th) 时 加UDS,UGSUGS(th) 时,导通。,所以，场效应管可以看成是一个由电压VGS控制的开关,19,N沟道增强型场效应管的开关特性：,导通条件： VGS VGS(th) 特点：导通内阻RON1K相当于一个闭合开关,截止条件： VGS VGS(th) 特点：内阻ROFF=，ID0相当于一个断开的开关,C
8、1代表栅极的输入电容。约为几皮法。,20,二、 N沟道增强型MOS管的输入特性和输出特性,输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。,输出特性：iD = f (VDS) 对应不同的VGS下的一族曲线 。 转移特性：,截止区：VGS 109,恒流区,可变 电阻区,21,N沟道耗尽型场效应管(NMOS),22,P沟道增强型场效应管(PMOS),导通条件：| VGS| |VGS(th) | 特点：导通内阻RON1K相当于一个闭合开关,截止条件： | VGS | | VGS(th) | 特点：内阻ROFF=，ID0相当于一个断开的开关,P沟道耗尽型场效应管(PMOS),23,目前
9、，采用MOS管的逻辑集成电路主要有三类：以N沟道增强型管构成的NMOS电路，以P沟道增强型管构成的PMOS电路以及用PMOS和NMOS两种管子构成互补的CMOS电路。,三、MOS管的基本开关电路,NMOS反相器,24,设：VDD=12V，VGS(th)=2V，VIL=0V，VIH=12V,NMOS反相器,当Vi=ViL=0V时，VGS=ViL VGS(th) ，MOS管导通，合理选择VDD和RD，输出VO=VOL,为得到足够低的VOL，要求RD很大，在实际电路中，常用另一个MOS管来做负载。,25,3.3.2 CMOS反向器的电路结构和工作原理,VGSN=0V-0V=0V VGS(th) ，T
10、N截止，iD0； VGSP=0V-10V=-10V,TP导通，输出VO=VDD-IDRON10V。,设VDD（ VGS(th)N +| VGS(th) P|）， 且VGS(th) =2V，VDD=10V,当Vi=10V时,当Vi=0V时，,VGSN=10V-0V=10VVTN，TN导通， VGSP=10V-10V=0V,TP截止,ID0;输出VO=IDRON0V。,一、CMOS反相器的电路结构和工作原理 由N沟道增强型和P沟道增强型MOS互补而成,26,（4）当5VVi8V，TP逐渐变为截止，TN导通 （5）当Vi8V，TP截止，TN导通，输出Vo=0V。,二、电压传输特性：（设: VDD=1
11、0V， VGS(th)N =| VGS(th) P|=2V）,（1）当Vi2V,TN截止,TP导通,输出VoVDD=10V （2）当2VVi5V，TN开始导通，TP导通,（3）当Vi=5V，两管都导通，Vo=（VDD/2）=5V。,CMOS门电路的阈值电压 VTH=VDD/2,27,二、电压传输特性：电流传输特性：,28,三、输入噪声容限,保证输出高、低电平基本不变（在允许的范围内）的条件下，而允许的输入信号的波动范围称为输入端噪声容限,输入低电平噪声容限： VNL=VILmax VOLmax=0.8V-0.3V=0.5V输入高电平噪声容限： VNH=VOHmin-VIHmin=11V-8V=
12、3V,0.3V0V,12V 11V,0.8V0V,12V8V,29,3.3.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性: 一、输入特性：输入端绝缘，输入电流为0，输入端保护电路 必须 避免输入端悬空 。,30,二、输出特性:,1、输出低电平VO= VOL时的输出特性,输出电流流入反相器为正,改变VDD,31,2、输出高电平VO= VOH 时的输出特性,输出电流流入反相器为正 输出电流为负,3.3.4 CMOS反相器的动态特性（略）,32,3.3.5 其他类型的CMOS门电路,P并N串,1. CMOS与非门,一、其他逻辑功能CMOS门电路,1 1 1 0,RON/2,RON,RON,2RON,输
13、出电阻,缺点：,33,2. CMOS或非门,P串N并,1 0 0 0,2RON,RON,RON,RON/2,输出电阻,缺点与CMOS与非门类似,解决方法：用带缓冲级的CMOS门电路,34,3、带缓冲级的CMOS门电路,为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路,35,带缓冲级的二输入端或非门电路：,36,二、漏极开路输出门电路（OD门）,OD 输出的与非门电路结构,特点： 需外接上拉（负载）电阻和电源才能使用,OD 输出的与非门符号：,AB=11时，TN 导通，输出VO=0V AB11时，TN 截止，输出VO=VDD2,VO=VDD2,VO
14、=0,37,OD 门的作用： （1）输出端可以并接实现线与,0 0 0 1,38,OD 门的作用：,（2）实现电平转换。 如图示，可使输出高电平变为VDD2。,（3）用做驱动器。 如图是用来驱动发光二极管的电路。,39,OD门外接电阻RL的计算方法：,（1）当所有OD门同时截止时，输出为高电平VOH,n个OD门，负载门高电平输入电流m个,VOH,IRL,RL不能太大。RL为最大值时要保证输出电压为VOH（min）,IOH：输出漏电流 IIH： 输入漏电流,40,RL不能太小。RL为最小值时要保证输出电压为VOL（max）,RL（min）RLRL（max）,（2）当输出低电平时,VOL,IRL,
15、m|IIL|,当所有OD门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通的那个 OD门，因而RL值不可太小，以确保流入导通OD门的电流不至于超过最大允许的IOL（max）值。,41,例3.3.2(P96)已知IOH(max)=5A, VOL(max)=0.33V, IOL(max)=5.2mA, IIH(max) =|IIL| =1A, n=3, m=6, m=6, VDD=5V , 要求VOH4.4V, VOL0.33V,计算RL的范围.,解：,可取 RL=10K,42,三、 CMOS传输门和双向模拟开关,C和C是一对互补的控制信号,设控制信号的高低电平分别为VDD和0V,那么当C=0时,只要输入
16、信号的变化范围不超出0VDD,则,Vi=0VVDD VGS1=0V -VDD，T1始终截止； VGS2=VDD 0V， T2始终截止。,T1和T2同时截止，输入与输出之间呈高阻态(109)，传输门截止,1、传输门,电路结构：,逻辑符号：,43,反之，若C=1、C=0时：,由于T1、T2管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用。,Vi=0VVDD VGS1=VDD-Vi= VDD 0V，（10V 8V 2V 0V）T1 导通 导通 截止； VGS2=0V-Vi=0V -VDD ，（0V -2V -8V -10V） T2 截止 导
17、通 导通 。,T1、T2至少有一个门导通，VO=Vi，信号可以传输过来。,设：VDD=10V，VGS（TH）=2V，,44,利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如数据选择器、寄存器、计数器等等。,例：P98 利用CMOS传输门和CMOS反相器构成异或门,0 1,1 0,Y=B,Y=B,45,2. 双向模拟开关,电路结构和符号：,传输门的另一个重要用途是作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。,假定接在输出端的电阻为RL,双向模拟开关的导通内阻为RTG。 当C=0时，开关截止，输出与输入之间的联系被切断Vo=0。,当C=1时，开关接通，输出电压为：,电压传输系数,
18、46,四、三态输出的CMOS门电路,电路结构：,逻辑符号：,0,1,0,A,A,A,EN=0时：,Y=A,EN=1时：,Y=Z（高阻态）,1,0,1,A,1,0,三态输出的CMOS门电路有输出高电平、低电平、高阻态三种输出状态。,47,三态门的用途,三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。 （a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.,（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。,48,利用CMOS反相器附加一个PMOS管和一个NMOS管也可以构成三态门电路,49,3.3.6 CMOS电路的正确使用（略）,3.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列及主要参数,1CMOS逻辑门电路的系列 （1）
19、基本的CMOS4000系列。 （2）高速的CMOSHC系列。 （3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。 2CMOS逻辑门电路的主要参数 （1）VOH（min）=0.9VDD； VOL（max）=0.01VDD。CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。 （2）阈值电压Vth约为VDD/2。 （3）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门； （4）因电路有极高的输入阻抗，故扇出系数很大，可达50。,50,3.5.1、双极型三极管的开关特性 一、 双极型三极管的结构和符号：,3.5、TTL门电路,Ic=Ib Ie=Ic+Ib,51,二、 输入特性和输出特性：,1、输入特性,VON ：
20、开启电压 VBE VON 时： iB = 0 VBE VON时：,2、输出特性,52,2、输出特性,饱和区：VbeVON， VbcVON，发射结、集电结均正偏。IcIb,截止区：Vbe0.5V两个PN结反偏Ib0A，Ic0A,放大区： VbeVON， Vbc0；发射结正偏，集电结反偏；Ic=Ib，Ie=Ic+Ib,倒置状态（反偏状态）：发射结加反向电压；集电结加正向电压。即c、e互换，Ie=Ib， Ic=Ie+Ib,但是=0.010.02,53,3、三极管的开关特性：,饱和导通条件及特点 条件：VBE0.7V ，IB Ics/=IBS 特点：VBE= 0.7V, VCES=0.3V相当于两个闭
21、合开关,截止条件及特点条件：VBE0.5V 特点：Ib=0，Ic=0，相当于完全断开的开关,开关时间t 0,54,三极管反相器：,输入电压VIH=5V， VIL=0V，VCC=5V，RC=1K，Rb=3.3k，三极管的VBE=0.7V, Vces=0.3V ，=20。,IBIBS 三极管饱和导通,1. VI = VIH =5V时,假设三极管饱和导通，则有：VBE=0.7V, Vces=0.3V,55,2. VI = VIL= 0V时,VBE=0V - 0V = 0V 0.5V 三极管截止，IB=0，IC=0 VO=VCC - ICRC,VI=VIH=5V时，三极管饱和导通 V0=Vces=0.
22、3V,VI=VIL=0V时，三极管截止 V0=Vcc=5V,总结：,=VCC 0 =5V,56,一、电路结构：以74系列TTL反相器的典型电路为例,其中，D1是输入端钳位二极管，它既可以抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，又可以防止输入电压为负时T1的发射极电流过大，起到保护作用，正常工作时， D1不起作用.,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理,TTL型电路：输入端和输出端都采用了三极管结构，称之为: 三极管-三极管逻辑电路（Transistor Transistor Logic），简称为TTL电路。,57,1、V1=0.2V时 T1能够导通，VB1=0.2+0.7=0.9V,工作原
23、理：,T1深度饱和，VCES10V,T2、T5截止，IB2=IC20 VR20.2V,VB45V-0.2V=4.8V,VO=VCC-VR2-VBE4-VD2=5-0.2-0.7-0.7=3.4(V),0.9V,0.2V,4.8V,0.2V,T4、D2导通,58,2、V1=3.4V时 VB1=3.4V+0.7V=4.1V(不考虑T2、T5),3.4V,2.1V,1.4V,0.7V,1V,显然，由于T2、T5的存在和PN结(VBE) 的钳位作用， T2、T5导通，VB1=2.1V，VC1=1.4V，VE1=3.4V T1管倒置,假设T2饱和导通 则VCES20.3V，VC2=0.3+0.7=1V,
24、T2饱和导通,T2饱和导通VC2=1V， VB2=1V T4、D2截止 IC5=0， T5深度饱和VO=VCES5=0.1V,59,工作特点：输出级在稳定状态下T4和T5总是一个导通而另一个截止，所以，TTL非门电路静态功耗低、驱动负载的能力强。,总结： V1=0.2V时：T1深度饱和，T2、T5截止，T4、D2导通，VO=3.4(V)V1=3.4V时：T1管倒置、T2饱和导通、T4、D2截止、 T5深度饱和VO=VCES5=0.1V,60,AB段: 当Vi0.7v时，Vb20.7v，T2和T5管截止，T4导通，输出为高电平, VoH=Vcc-VR2-Vd2-Vbe4 3.4V故AB段称为截止
25、区.,BC段: 当0.7Vi1.3v时T2管的发射极电阻R3直接接地，故T2管开始导通并处于放大状态，所以Vc2和Vo随Vi的增高而线性地降低。但T5管仍截止。故BC段称为线性区。,A,B,C,三、电压传输特性：,61,CD段:当1.3vVi1.4v时， Vb1=2.1v，使T2和T5管均趋于饱和导通，T4 管截止，所以Vo急剧下降为低电平，Vo=VoL=0.1v， 故称CD段为转折区。,D,E,DE段: Vi大于1.4v以后，Vb1被箝位在2.1v，T2和T5管均饱和，Vo=Vces5=0.1v,故DE段称为饱和区。,62,（1）输出高电平电压VOH在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。V
26、OH的理论值为3.4V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。 （2）输出低电平电压VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。 （3）关门电平电压VOFF是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。规定VIL（max）=0.8V。 （4）开门电平电压VON是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。规定VIH（min）=2
27、V。,几个重要参数,63,（5）阈值电压VTH电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。VTH又常被形象化地称为门槛电压。其值为1.3V1.V,VOH（min）=2.4V,VOL（max）=0.4V,VIL（max）=VOFF=0.8V,VIH（min）=VON=2V,VTH1.V,VOH=3.4V,VOL=0.3V,64,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,为了正确处理门电路之间以及门电路与其他电路之间的连接问题，必须了解门电路的输入特性和输出特性。,一、输入特性：,当ViVTH时，Ii为负值，当Vi0.6v时，T2和T
28、5管截止，Ii= -IR1, 当Vi=ViL=0.2v时输入低电平电流 IIL 为:,VI=0时的输入电流叫做输入短路电流IIS,当VIL增大时，|IIL| 随之减小。当Vi大于1.4v以后，Ii转为正方向。当VI=VIH=3.4v时，此时的输入高电平电流IIH约为10A。,IIH叫做输入漏电流，74系列的IIH40A,65,输入短路电流IIS 流出T1，为负值，Iis= -1.1mA 输入低电平电流 IIL IIL= -1mA Iis 输入漏电流IIH 流入T1 ，为正值，IIH40A,输入特性曲线：,IIS,IIL,IIH,66,二、输出特性：,1、低电平输出特性(灌电流) 输出为低电平时
29、，门电路输出端的T5管饱和导通而T4管截止。,由于T5管饱和导通时c-e间的电阻很小,所以负载电流iL增加时VOL仅稍有升高，在一定范围内基本为线性关系。,把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL,产品规定IOL=16mA。,NOL称为输出低电平时的扇出系数。,67,|IOH|=NOH IIH,NOH称为输出高电平时的扇出系数。,一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用N表示。,一般器件手册所给的高电平最大输出电流 IOH0.4mA,2、高电平输出特性（拉电流）,规定：流入为正 输出电流为负,68,接入电阻RP时，IR1流过RP，RP上必有电压VI,三、输入端负载特
30、性：,RP=0时，VI=0，RP，VI 当VI=1.4V以后，T2、T5都导通，VB1被钳位在2.1V左右，即使RP再增加，VI也不会再升高了。,1.4V,2K,即RPRON时，VI相当于高电平；RPROFF时，VI相当于低电平,输入端串接电阻时对输入电压的影响,VI,对TTL门电路，一般取RON=2K，ROFF=0.7K,69,3.5.4、TTL反相器的动态特性（略） 3.5.5、其他类型的TTL门电路,1与非门,一、其他逻辑功能的门电路,流出电流：|IIS|,流入电流：2IIH,逻辑功能:,输入特性:,输出特性: 与TTL 非门完全相同。,70,2、或非门,流出电流：2|IIS|,流入电流
31、：2IIH,逻辑功能:,输入特性:,输出特性: 与TTL 非门完全相同。,71,3、与或非门,流出电流：2|IIS| 流入电流：4IIH,输入特性:,输出特性: 与TTL 非门完全相同。,72,4、 异或门,73,二、集电极开路输出的门电路（ OC门）,改进：集电极开路门,0 0 0 1,1、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,电流太大，烧坏！,74,集电极开路门（ OC门）,注意：OC门必须外接合适的负载电阻和电源才能正常工作。,VO=VCC ,VO=VCes5,电路结构,图形符号,与OD 门相同,与OD 门相同,75,OC门的线与
32、：,76,（1）实现线与 电路如右图所示，逻辑关系为:,OC门主要有以下几方面的应用：,（2）实现电平转换 如图示，可使输出高电平变为10V。,（3）用做驱动器 如图是用来驱动发光二极管的电路。,与OD 门相同,77,当EN=1时，P=0，D导通， T2、T5都截止。VC2=0.9V， T4、D都截止, 这时从输出端Y看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。,三、三态输出门电路（TS 门）,（1）三态输出门的结构及工作原理。,相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。,当EN=0时，P=1，D截止,符号：,当EN=1时，工作,78,（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.,（b）组
33、成双向总线，实现信号的分时双向传送。,三态门的应用,与CMOS三态门相同,79,574LS系列为低功耗肖特基系列。 674AS系列为改进肖特基系列， 它是74S系列的后继产品。 774ALS系列为改进低功耗肖特基系列，是74LS系列的后继产品。,3.5.6、 TTL集成逻辑门电路系列简介 174系列为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。 274L系列为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。 374H系列为高速TTL系列。 474S系列为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。如图示。,80,（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地。,TTL集成电路多余输入端的处理,（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平。,在前级驱动能力允许时，与有用的输入端并联使用。,通过一个大于2K的电阻接地,与有用的输入端并联使用。,通过一个小于0.7K的电阻接地.,81,TTL与非门举例74LS00,74LS00是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。,逻辑功能：,
