《数字电子技术基础 第5版》 课件 第3章 集成逻辑门电路 完整版

第3章集成逻辑门电路目录3.1概述3.2半导体二极管门电路3.3

TTL集成门电路3.4

CMOS门电路3.5各类逻辑门的性能比较3.6不同类型数字集成电路的接口23.1概述用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为门电路。常用的门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。从制造工艺方面来分类，数字集成电路可分为双极型、单极型和混合型三类。正逻辑、负逻辑3一、半导体半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。常用半电体材料为硅（Si）和锗（Ge），四价元素半导体具有特殊性质：光敏特性、热敏特性及掺杂特性等3.2.1半导体器件基础4把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。

硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+41.本征半导体5+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合成对出现成对消失本征激发和复合本征半导体中的两种载流子电子和空穴1.本征半导体6+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴移动方向

电子移动方向

在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电形成两种电流：电子电流，空穴电流价电子填补空穴1.本征半导体7+4+4+4+4+4+4+4+42.杂质半导体（1）N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体。

磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子N型半导体8

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导体中,电子是多数载流子（多子）,空穴是少数载流子（少子），但仍是电中性2.杂质半导体9+4+4+4+4+4+4+4空穴（2）P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。

+4+4硼原子填补空位+3负离子2.杂质半导体10电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子在P型半导中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。2.杂质半导体（2）P型半导体111.

PN结的形成在同一块半导体单晶上,形成P型半导体和N型半导体,在这两种半导体的交界处就形成了一个PN结。二、PN结多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区12

由于载流子的浓度差，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。这种由于浓度差引起的运动称为扩散运动。

随着扩散运动的进行，N区出现正离子区，P区出现负离子区，这个不能移动的电荷区叫空间电荷区。因没有载流子，也叫耗尽层、势垒区、阻挡层。1.

PN结的形成二、PN结13

由空间电荷区产生的、方向为N区指向P区的内建电场阻碍了扩散运动，同时使少子产生漂移运动，即N区的空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。

当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时，扩散电流等于漂移电流且方向相反，PN结中电流为零，PN结宽度及电位差Uho为恒定值。硅：（0.6～0.8）V；锗：（0.1～0.3）V。1.

PN结的形成二、PN结硅：0.7V；锗：0.2

V14内电场方向2.

PN结的特性（1）PN结的单向导电性PN结单向导电性：PN结在不同极性的外加电压作用时，其导电能力有显著差异。15内电场方向E外电场方向RIP区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄扩散运动增强，形成较大的正向电流I外加正向电压(正偏)（P端接电源正极）PN结两端不能直接接电源两端（1）PN结的单向导电性16P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IRII外加反向电压(反偏)（N端接电源正极）少数载流子越过PN结形成很小的反向电流（1）PN结的单向导电性17PN结的单向导电性PN结正向偏置时靠多子导电，产生的正向电流数值较大，此时容易导电；PN结反向偏置时靠少子导电，产生的反向电流数值很小，几乎不导电。18（2）PN结的伏安特性及其表达式I/mAU/VI为流过PN结的电流，U为PN结两端的外加电压。Is为反向饱和电流，UT为“温度电压当量”，常温时，UT≈26mVPN结的伏安特性是指PN结两端的外加电压与流过PN结的电流之间的关系曲线。19PN加正向电压，且U

>>UT时，PN加反向电压，且

U

>>UT时，I/mAU/V（2）PN结的伏安特性及其表达式20（3）PN结的击穿特性当PN结反向电压超过一定数值UBR后，反向电流急剧增加，该现象称为反向击穿，UBR称为反向击穿电

雪崩击穿2.齐纳击穿当PN结反向电压增加时，可能会发生反向击穿。要保证PN结不因电流过大产生过热而损坏。当反向电压下降到击穿电压（绝对值）以下时，PN结的性能便可恢复击穿前状态。21PN结电容势垒电容扩散电容（4）PN结的电容效应PN结除有单向导电性外，还有电容效应。空间电荷区P区N区223.2.2半导体二极管的开关特性

1.二极管的符号正极-P极负极-N极232.二极管的伏安特性600400200–0.1–0.200.40.7–50–100二极管/硅管的伏安特性V/VI/mA正向特性反向特性反向击穿特性24二极管（PN结）的单向导电性：PN结外加正偏电压（P端接电源正极，N端接电源负极）时，形成较大的正向电流，PN结呈现较小的正向电阻；外加反偏电压时，反向电流很小，PN结呈现很大的反向电阻。2.二极管的伏安特性-二极管的单向导电性正极-P极负极-N极25263.二极管等效电路导通电压VON硅管取0.7V锗管取0.2V结论：只有当外加正向电压（P极电压大于N极电压）大于VON

(硅管0.7V）时，二极管才导通。二极管导通后具有电压箝位作用。27284.二极管的动态特性在动态情况下，亦即加到二极管两端的电压突然反向时，电流的变化过程如图所示。29因为半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。5.

半导体二极管的开关特性VCC=5V当vI为高电平VIH时，VD可能截止，可能导通，vO为高电平：VCC或者VIH+VON。当vI为低电平VIL时，VD导通，vO=VIL+VON，为低电平。5.

半导体二极管的开关特性303.2.3二极管与门电路二极管与门电路及逻辑符号与门真值表313.2.4二极管或门电路二极管或门电路及逻辑符号或门真值表32在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，三个区分别叫发射区、基区和集电区。引出的三个电极分别为：发射极e、基极b和集电极c。基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。3.3.1双极型晶体管1.基本结构集电区集电结基区发射结发射区集电极c基极b发射极eNNP33集电区集电结基区发射结发射区NN集电极c基极b发射极ePecb符号

按照掺杂方式的不同分为NPN型和PNP型两种类型NPN型3.3.1双极型晶体管箭头方向：PN结正偏方向34集电区集电结基区发射结发射区PP集电极c基极b发射极eNecb符号PNP型351.基本结构（1）两个PN结（发射结和集电结）均无外加电压载流子运动处于动平衡，净电流为零（2）发射结加正向电压，集电结加反向电压

（e结正偏，c结反偏：放大区）2.晶体管中的电流控制作用（以NPN型为例说明）36PNNRBRCVBBVCC发射区向基区发射电子发射结正偏，集电结反偏IEN电源负极向发射区补充电子产生流出发射极电流IEN电子在基区扩散与复合电源正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IBNIBN集电区收集电子电子流向电源正极形成ICNICNIEPICBO37（1）发射区向基区发射电子发射区的多子电子扩散到基区，形成流出发射极的电流IEN；基区的多子空穴扩散到发射区，形成流出发射极的电流IEP。发射极电流：IE=IEN+IEP38NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶体管的电流控制作用（2）电子在基区的扩散与复合发射区的电子发射到基区后，少量的被复合，形成流入基区电流IBN；基区的多子空穴扩散到发射区，VBB电源拉走电子，形成流入基极的电流IEP；集电结反偏形成流出基极的饱和电流ICBO。基极电流：IB=IBN+IEP

-

ICBO39NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶体管的电流控制作用（3）电子被集电极收集由于集电结反偏，发射到基区的大量电子被集电极收集，形成流入集电极电流ICN；集电结反偏形成流入集电极的饱和电流ICBO。集电极电流：IC=ICN+ICBO402.晶体管的电流控制作用NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC推导可得:三个极的电流关系41NPNIEPIBNICBOICNIENIEIBIC2.晶体管的电流控制作用ecb422.晶体管的电流控制作用双极型三极管实现电流放大或控制的条件（１）内因晶体管结构上的保证：三个浓度不同的掺杂区、基区薄，掺杂浓度低；集电结面积大。（２）外因外加直流电源保证：发射结正向偏置，集电结反向偏置。432.晶体管的电流控制作用根据材料分为硅管和锗管；根据三个区的掺杂方式分为NPN和PNP；根据使用的频率范围分为低频管和高频管；根据允许的功率损耗分为小功率管、中功率管和大功率管443.晶体管类型4.共射接法晶体管的特性曲线

(以NPN管共射接法为例）公共端共射极45（1）输入特性曲线（2）输出特性曲线输入回路输出回路（1）输入特性曲线输入特性曲线与PN结的伏安特性类似；数字电路应用分析时，如果输入端加入高电平，则管子导通，并且具有电压箝位的作用；否则截止。4.共射接法晶体管的特性曲线

(以NPN管共射接法为例）

46截止区：发射结反偏iB≈0集电结反偏ICEO≤1µA截止，开关断开iC/mAvCE/V0放大区iB=0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA(2)输出特性曲线：集电极电流iC和集电极电压vCE之间关系的曲线截止区47iC/mAvCE/V0放大区iB=0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA放大区：发射结正偏集电结反偏iC

=

iB用于放大(2)输出特性曲线：集电极电流iC和集电极电压vCE之间关系的曲线放大区48iC/mAvCE/V0放大区iB=0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA饱和区：发射结正偏集电结正偏VCES

≈0.3V导通，开关闭合(2)输出特性曲线：集电极电流iC和集电极电压vCE之间关系的曲线饱和区4950三极管输出特性上的三个工作区放大区：iC=

·iB饱和区：VCES=0.3V截止区：ICEO≤1µAiC/mAvCE/V0放大区iB=0µA20µA40µA截止区饱和区60µA80µA515.双极型三极管的开关电路用NPN型三极管取代下图中的开关S，就得到了三极管开关电路。52当vI为低电平时，三极管工作在截止状态（截止区），输出高电平vO

VCC

。当vI为高电平时，三极管工作在饱和导通状态（饱和区），输出低电平vOL（VCES

）。5.双极型三极管的开关电路三极管相当一个受vI控制的开关6.三极管非门电路由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门电路（反相器）。当输入A为低电平时，三极管截止，F输出为高电平；当输入A为高电平时，三极管饱和导通，输F为低电平。实现了逻辑非功能。533.2.3二极管与门电路二极管与门电路及逻辑符号与门真值表543.2.4二极管或门电路二极管或门电路及逻辑符号或门真值表555.二极管－三极管门电路

(1)与非门电路将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管－三极管与非门电路。F15657（2）或非门电路将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管－三极管或非门电路。583.2.4TTL反相器1.电路结构输入级VT1、R1倒相级VT2、R2

、R3输出级VT4、VT5、VD2

、R4保护二极管:VD1592.工作原理当A为低电平时，

vB1=0.3+0.7=1VvB1=1VVT2、VT5截止

VT4、VD3导通vo=VCC–VR2–

Vbe4–VVD3

5–0.7–0.7=3.6VF=1(高电平）较小设PN结导通电压为0.7V电源电压VCC=5V三极管饱和压降以及低电平为0.3V高电平为3.6V60vB1=2.1VvC2=1VvC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使V4、VD3同时导通VT5导通，VT4

、VD3截止，vo=0.3V,F=0

低电平2）当输入A为高电平3.6V时，VT2,VT5导通，三个PN结的箝位作用使vB1=2.1V，V1发射结反偏。vo=0.3V613.

TTL反相器的静态特性（1）电压传输特性

输出电压随输入电压的变化特征曲线，叫做门电路的电压传输特性。621)AB段当vI<0.6V时，

VT2和VT5管都截止，VD2和VT4管导通，输出为高电平。故段称为电压传输特性的截止区。632)BC段当0.6V<vI<1.3V时，

VT2管开始导通，处于放大状态，所以其集电极电压vC2

和输出电压vO

随输入电压的增高而线性下降，此时VT5管仍截止，此段称为线性区。643)CD段当1.3V<vI<1.4V时，VT5管由截止过渡到饱和导通，VT4管和VD2管开始截止，输出急剧下降为低电平，vO=vces5=0.3V，故称此段为转折区D点对应的输入电压VTH

叫阈值电压，VTH

1.4V。654）DE段当vI大于1.4V以后，vb1被钳位在2.1V，VT2和VT5管均饱和,vO=vces5=0.3V，故此段称为饱和区。66从电压传输特性上可以看反相器的三个主要参数：输出高电平VOH≈3.6V，输出低电平VOL≈0.3V；阈值电压VTH≈1.4V。67（2）TTL反相器的噪声容限门电路在使用中，其输入端有时会受到杂散电磁场和其它环境干扰源的影响，当上述噪声电压超过一定限度时，就会破坏输出与输入之间正常的逻辑关系，通常将不致影响输出逻辑状态时输入端所允许的最大噪声电压，叫做门电路的噪声容限。68图3-24说明直流噪声容限定义的示意图69高电平的噪声容限低电平的噪声容限70（3）

输入特性和输出特性为了能正确使用门电路，必须了解其电气特性，下面将分别讨论TTL反相器的输入特性和输出特性。711）输入特性约定vI和iI的方向如图所示。把输入电流iI与输入电压vI之间的关系曲线，叫做门电路的输入特性曲线。+-iI72IISIILIIS：输入短路电流。IIL:输入低电平电流73VTHIIHIIH：输入高电平电流（输入漏电流）VTH：阈值电压(1.4V)。742）输出特性输出电压vO随输出负载电流的变化而变化的关系曲线，叫做输出特性。输出特性说明了电路带负载的能力。由于逻辑门电路输出可为高电平，也可为低电平，因此，输出特性也应分为输出高电平时的输出特性和输出低电平时的输出特性两种情况来讨论。75

①输出高电平时的输出特性当反相器输入低电平时，则VT2和VT5管都截止，VT4管和VD2管都导通，输出为高电平。76负载电流由VT4管的发射极经二极管VD2流入负载，故称这类负载为拉电流负载。在实际使用时，应将这类门电路输出高电平时的负载电流限制在400

A以内。77②输出低电平时的输出特性当反相器的输入端为高电平时，VT2和VT5管都饱和导通，VT4管截止，输出低电平。78由于输出低电平时负载电流是由负载流入VT5管，故称这类负载为灌电流负载。79空载时的输出低电平常小于0.3V，带有负载时的输出低电平与VT5管的饱和电阻值有关，在环境温度25

C时，VT5管的饱和电阻值约为8

左右，所以，随着负载电流绝对值的增加，输出低电平会稍有升高，iL通常小于12mA。与输出特性有关的参数是：输出高电平VOH

输出高电平电流

IOH

输出低电平

VOL

输出低电平电流

IOL

扇出系数

NO8081(4)输入负载特性当用TTL反相器组成一些较复杂的逻辑电路时，有时需要在信号与输入端或输入端与地之间接一电阻。82TTL反相器输入负载特性如图所示。83开门电阻：为保证与非门输出为额定低电平所允许的RI的最小阻值，定义为开门电阻，用RON表示，该阻值一般可通过实验测得。一般取RON=2k

，当RI>RON时认为输入为高电平，当RI<<RON时认为输入为低电平。TTL反相器的输入端悬空，相当于在其输入端接一个阻值为无穷大的电阻，也就是相当于接高电平。(4)输入负载特性为保证输入低电平不超过输入低电平的上限，对应输入负载电阻值为关门电阻ROFF。若取VIL(max)=0.8V，则ROFF=0.91k

。84853.3.5

TTL或非门和与非门二输入或非门电路结构图或非门真值表1.或非门863.3.5

TTL或非门和与非门二输入与非门电路结构图2.与非门873.3.5

TTL或非门和与非门二输入与非门电路结构图与非门真值表2.与非门88门电路的扇出系数扇出系数NO的定义是：“一个门电路能驱动与其同类门的个数”。它标志着一个门电路的带负载能力。89门电路的扇出系数计算扇出系数分为输出高电平时的扇出系数及输出低电平时的扇出系数，并取两者较小的作为电路的扇出系数。90驱动门，输出高电平的最大负载电流为IOH驱动门，输出低电平的最大负载电流为IOL负载门，输入端数为m负载门，输入高电平时的漏电流为IIH负载门，输入低电平的电流为IIL门电路的扇出系数911.反相器门电路的扇出系数NO=min(IOH/IIH

,

IOL/IIL)高电平：IOH/IIH低电平：IOL/IIL922.与非门门电路的扇出系数NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/IIL)高电平：IOH/

(mIIH)

低电平：IOL/IILVIL=0.3V①②933.或非门门电路的扇出系数NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/(mIIL))1.反相器NO=min(IOH/IIH

,

IOL/IIL)门电路的扇出系数2.与非门NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/IIL)3.或非门NO=min(IOH/

(mIIH)

,

IOL/(mIIL))94953.3.6集电极开路门集电极开路门高电平低电平OC门：Open

Collector963.3.6集电极开路门集电极开路门OC门97多个OC门的输出端并联，可实现“线与”。98影响因素：并联在一起的开路门（驱动门）的个数n所接负载门的输入端数m负载门的个数M线与输出的逻辑状态：高/低电平上拉电阻RL选择nMm99（1）驱动门输出高电平RL的最大值RLmax当驱动门输出高电平时，应使得VOH

VOHmin负载门输入端数驱动门个数100（2）驱动门输出低电平RL的最小值RLmin当驱动门输出低电平时，应使得VOL

VOLmax负载门数上拉电阻RL的取值101【例3-1】三个集电极开路门组成线与输出电路，TTL反相器和与非门作为负载，其电路连接如左图所示。设线与输出的高电平VOHmin=3.0V，每个OC门截止时其输出管VT5流入的漏电流IOH=2uA；在满足VOL

0.4V的条件下，驱动管VT5饱和导通时所允许的最大灌电流IOLmax=16mA。负载门的输入特性如右图所示。

试确定线与输出时的上拉电阻RL的取值情况，已知V’CC=VCC=5V。1023.3.6TTL集电极开路门上拉电阻取值解：上拉电阻取值范围1033.3.6TTL集电极开路门上拉电阻取值IOLmax=16mAV‘CC=VCC=5VVOHmin=3.0VIOH=2uAVOLmax=0.4V由输入特性可得IIH=40A1040.43.3.6TTL集电极开路门上拉电阻取值VOLmax=0.4VIIL=-1.5mA解：上拉电阻取值范围1053.3.6TTL集电极开路门上拉电阻取值M：负载门的数目M：3m：负载门的输入端数m：6n：驱动门的数目n：4解：上拉电阻取值范围3.3.6TTL集电极开路门上拉电阻取值根据以上计算，0.4k

RL8.1k，故可选2k106解：上拉电阻取值范围3.3.6TTL集电极开路门上拉电阻取值如果用4IOLmax，则RLmin为80

，那么当只有一个输出为低电平时，流入该门的电流I’OL

61mA>IOLmax(16mA)1071083.3.7三态门三态门电路及逻辑符号三态门：TS门，Three-State-Logic

使能端高电平有效109EN=1，使能有效时，附加电路不影响输出。电路功能为与非门。3.3.7三态门F1F21110EN=0，使能无效时,V4、V5均截止，电路输出为高阻状态3.3.7三态门F1F2使能端高电平有效1V1V111使能端低电平有效3.3.7三态门使能端高电平有效1123.3.7三态门利用三态门构成总线系统XX1133.3.7三态门利用三态门构成总线系统1143.4.1

MOS管场效应管（Field

Effect

Transistor，FET）：是利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，为电压控制电流源。按结构不同分为：结型(JFET)

绝缘栅型(IGFET)，MOS管按导电沟通类型不同分为：N沟道和P沟道按上电时导电沟道是否存在分为：耗尽型和增强型1153.4.1

MOS管N沟道增强型MOS管源极s漏极d栅极g1.结构116D与S之间是两个反向串联的PN结，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。1)VGS=03.4.1

MOS管2.工作原理X117导电沟道—N型半导体2)vGS>

03.4.1

MOS管2.工作原理N型半导体N沟道增强型MOS管118开启电压VTH：刚刚开始出现N沟道或者是产生漏极电流时的vGSNMOS管，VTNPMOS管，VTP2)vGS>

0，vGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理119可变电阻区：vGS>VTH，vGD>VTH（vGD=vGS

–vDS）2)vGS>

0，vGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理vDSvGS120饱和区：vGS>VTH，vGD<VTH2)VGS>

0，VGD>

03.4.1

MOS管2.工作原理vDSvGS121截止区（又称夹断区）

vGS<VTH(2)

可变电阻区

vGD>VTH，vGD>VTH(3)

饱和区

vGD>VTH，vGD<VTH3.4.1

MOS管3.增强型NMOS管输出特性曲线截止区（又称夹断区）可变电阻区饱和区vGSvDSiD1223.4.2

MOS管的开关特性MOS管的开关特性NMOS反相器vI为低电平：MOS管工作在截止区，输出vO为高电平。vI为高电平：MOS管工作在可变电阻区，输出vO为低电平。123CMOS反相器由NMOS管和PMOS管组合而成。3.4.3

CMOS反相器1.电路结构MOS管导通条件：|VGS|>|VTH|1243.4.3

CMOS反相器CMOS反相器当输入低电平时，输出高电平；当输入高电平时，输出低电平。0X1由于CMOS反相器工作时，总是只有一个管子导通，而另一个管子截止，故通常称之为互补式工作方式，因而把这种电路CMOS(Complementary-MOS)电路。125

用以描述COMS反相器输出电量与输入电量之间关系的特性曲线，称为传输特性。输出电压vO随输入电压vI

的变化而变化的关系曲线，叫做电压传输特性。电源流入反相器的功耗电流ID与输入电压vI之间的关系曲线，叫做电流传输特性。3.4.3

CMOS反相器2.传输特性126（1）CMOS反相器的电压传输特性AB段vI<VTN，VN管截止，而|vGSP|=|vI-VDD|>|VTP|，VP管导通，输出为高电平。3.4.3

CMOS反相器

设CMOS反相器的电源电压

VDD>VTN+|VTP|127（1）CMOS反相器的电压传输特性BC段vI>VTN，VN管开始导通，但vO下降不多，而|vGSP|>|VTP|，VP管导通，输出为高电平。CD段vI>VTN，VN和VP管都工作在放大区，vO随vI增加而快速下降3.4.3

CMOS反相器128（1）CMOS反相器的电压传输特性DE段VN管导通，VP管工作在放大区，输出趋于低电平EF段VN管导通，VP管截止，输出低电平3.4.3

CMOS反相器129CMOS器件的电源电压从3V到18V都能正常工作。3.4.3

CMOS反相器130（2）COMS反相器的电流传输特性电流传输特性：漏极电流iD随输入电压vI的变化而变化的关系曲线。3.4.3

CMOS反相器1313.4.4

CMOS与非门及或非门1.

CMOS与非门MOS管导通条件：|VGS|>|VTH|与非门真值表1323.4.4

CMOS与非门及或非门2.

CMOS或非门或非门真值表1333.4.5

CMOS传输门和双向模拟开关1.

CMOS传输门设输入信号vI在0V～VDD之间变化，VTN+|