数电课 第三章门电路讲义讲解

1、 逻辑门电路是数字电路学习的基础，既是数字电路学习逻辑门电路是数字电路学习的基础，既是数字电路学习 的一个难点也是数字电路学习的一个重点。的一个难点也是数字电路学习的一个重点。 本章本章重点重点是掌握判断二级管、三级管的工作状态及电路的是掌握判断二级管、三级管的工作状态及电路的 分析计算；掌握分析计算；掌握TTL和和CM0S逻辑门电路的外特性、主要逻辑门电路的外特性、主要 参数及使用方法；参数及使用方法； 本章本章难点难点是是TTL、CMOS集成逻辑门的电路结构、参数计集成逻辑门的电路结构、参数计 算及输入算及输入/输出特性的应用。这是历届学生普遍反映的主输出特性的应用。这是历届学生普遍反映的

2、主 要难点之一但不作重点要求。要难点之一但不作重点要求。 第三章 门电路 3.1.13.1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 3.1.2 3.1.2 杂质半导体杂质半导体 3.1.3 PN 3.1.3 PN 结结 3.1.4 3.1.4 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型 3.1.5 3.1.5 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.1.6 3.1.6 正、负逻辑正、负逻辑 一.基础知识 一.基础知识 半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。 载流子载流子 自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。 本征半导体本征半导体 纯净的半导

3、体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。 本征激发：本征激发： 复复 合：合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合自由电子和空穴在运动中相遇重新结合 成对消失的过程。成对消失的过程。 漂漂 移：移： 自由电子和空穴在电场作用下的定向运自由电子和空穴在电场作用下的定向运 动。动。 在室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆 脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键 中留下一个空位中留下一个空位( (空穴空穴) )的过程。的过程。 第第 1 章章半导体二极管半导体二极管 两种载流子两种载流子 电子电子( (自由电子自由电子)

4、) 空穴空穴 两种载流子的运动两种载流子的运动 自由电子自由电子( (在共价键以外在共价键以外) )的运动的运动 空穴空穴( (在共价键以内在共价键以内) )的运动的运动 结论结论： 1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。 3.1.2 杂质半导体杂质半导体 一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 N 型型 +5 +4+4+4 +4+4 磷原子磷原子 自由电子自由电子

5、电子为电子为多多数载流数载流子子 空穴为空穴为少少数载流数载流子子 载流子数载流子数 电子数电子数 P 型型 +3 +4+4+4 +4+4 硼原子硼原子 空穴空穴 空穴空穴 多子多子 电子电子 少子少子 载流子数载流子数 空穴数空穴数 施主施主 离子离子 施主施主 原子原子 受主受主 离子离子 受主受主 原子原子 3.1.3 PN 结结 一、一、PN 结结( (PN Junction) )的形成的形成 1. 载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散 2. 复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区( (耗尽层耗尽层) ) 空间电荷区特点空间电荷区特点: 无载流子，无载

6、流子， 阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。 3. 扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡 扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流， 总电流总电流 I = 0。 内建电场内建电场 P区区N区区 二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性 1. 外加正向电压外加正向电压( (正向偏置正向偏置) ) forward bias P 区区N 区区 内电场内电场 + UR 外电场外电场 外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动, 中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。 IF 限流电阻限流电阻 扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电

7、流 IF 。 。 IF = I多子 多子 I少子少子 I多子多子 2. 外加反向电压外加反向电压( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 区区N 区区 + UR 内电场内电场 外电场外电场 外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动， 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。 IR PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。 漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IR IR = I少子 少子 0 3.1.4 半导体二极管的结构和类型半导体

8、二极管的结构和类型 构成：构成： PN 结结 + 引线引线 + 管壳管壳 = 二极管二极管( (Diode) ) 符号：符号： A( (anode) )C ( (cathode) ) 分类：分类： 按材料分按材料分 硅二极管硅二极管 锗二极管锗二极管 按结构分按结构分 点接触型点接触型 面接触型面接触型 点接触型点接触型 正极正极 引线引线 触丝触丝 N 型锗片型锗片 外壳外壳 负极负极 引线引线 负极引线负极引线 面接触型面接触型 N型锗型锗 PN 结结 正极引线正极引线铝合金铝合金 小球小球 底座底座 金锑金锑 合金合金 平面型平面型 正极正极 引线引线 负极负极 引线引线 集成电路中平面

9、型集成电路中平面型 P N P 型支持衬底型支持衬底 P区区 3.1.6 正、负逻辑正、负逻辑 门电路的作用：门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电是用以实现逻辑关系的电子电 路，与基本逻辑关系相对应。路，与基本逻辑关系相对应。 门电路的主要类型：门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或与门、或门、与非门、或 非门、异或门等。非门、异或门等。 门电路的输出状态与赋值对应关系：门电路的输出状态与赋值对应关系： 正逻辑：正逻辑：高电位对应高电位对应“1”；低电位对应；低电位对应“0”。 混合逻辑：混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输 入用负逻辑、输出用正

10、逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。 一般采用一般采用 正逻辑正逻辑 负逻辑：负逻辑：高电位对应高电位对应“0”；低电位对应；低电位对应“1”。 1 0 0V Vcc 在数字电路中，对电压值为多少并不重要，在数字电路中，对电压值为多少并不重要， 只要能判断高低电平即可。只要能判断高低电平即可。 K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1” 。 K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0” 。 VO K Vcc R V V 第三章 门电路 3.1 3.1 半导体的基础知识半导体的基础知识 3.2 3.2 二极管门电路二极管门电路 3.3 CMOS3.3 CMOS门电路门电路 3.5 TT

11、L3.5 TTL门电路门电路 3.2.1 理想二极管及二极管特性的折线近似理想二极管及二极管特性的折线近似 一、理想二极管一、理想二极管 特性特性 uD iD 符号及符号及 等效模型等效模型 正偏导通，正偏导通，uD = 0；反偏截止，；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 二、二极管的恒压降模型（外电路电源电压低，电阻大）二、二极管的恒压降模型（外电路电源电压低，电阻大） uD iD UD(on) uD = UD(on) 0.7 V (Si) 0.2 V (Ge) UD(on) 三、二极管的折线近似模型（外电路电源和电阻都很小时）三、二极管的折线近似模型（外电路电源和电阻都很小时） uD

12、 iD UD(on) U I I U r D 斜率斜率1/ rD rD UD(on) 3.2 二极管门电路二极管门电路 在逻辑门电路中：正逻辑用高电平表示在逻辑门电路中：正逻辑用高电平表示1，低电平表示，低电平表示0 负逻辑用高电平表示负逻辑用高电平表示0，低电平表示，低电平表示1 CMOSCMOS门用正逻辑门用正逻辑 PMOSPMOS门用负逻辑门用负逻辑 基本开关电路基本开关电路 单开关电路 互补开关电路 获得高、低电平的基本方法获得高、低电平的基本方法： 利用半导体开关元件的利用半导体开关元件的导通导通、截止截止 （即开、关）两种工作状态。（即开、关）两种工作状态。 1 1 0 0 3.2

13、 3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 3.2.1 3.2.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性 IF 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 伏安特性 UBR 0 Ui0.5V 二极管导通二极管导通 Ui0时时vGSVGS(th)，形成电，形成电 场场GB,把衬底中的把衬底中的 电子吸引到上表面，电子吸引到上表面， 除复合外，剩余的除复合外，剩余的 电子在上表面形成电子在上表面形成 了了N型层（反型层）型层（反型层） 为为D、S间的导通提间的导通提 供了通道。供了通道。 VGS(th)称为阈值电压称为阈值电压(开启电压）开启电压） 源源 极极 与与 衬衬 底底 接接 在

14、在 一一 起起N沟道沟道 VGS升高，导电沟道的截面积加大，升高，导电沟道的截面积加大，iD增加增加。VGS控制控制iD的大的大 小。小。可以通过改变可以通过改变vGS的大小来控制的大小来控制iD的大小。的大小。 二、MOS管的输入、输出特性管的输入、输出特性 对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层 隔离，所以隔离，所以栅极电流为零栅极电流为零。 输出特性曲线（漏极特性曲线）输出特性曲线（漏极特性曲线） 夹断区（截止区）夹断区（截止区） 条件条件：整个沟道都夹断：整个沟道都夹断 )(thGSGS vv 0 D i 特点：特点：

15、用途：用途：做无触点的、断开状态的做无触点的、断开状态的电子开关电子开关。 可变电阻区可变电阻区 条件：条件：源端与漏端沟道都不夹断源端与漏端沟道都不夹断 特点特点:(1):(1)当vGS 为定值时为定值时,iD 是是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈的线性函数，管子的漏源间呈 现为线性电阻，且其阻值受现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。控制。 （2）管压降管压降vDS 很小。很小。 用途用途：做压控线性电阻压控线性电阻和无触点的、闭合状态的和无触点的、闭合状态的电子开关电子开关。 在在VDS0时，导通电阻时，导通电阻RON和和VGS的关系：的关系： 恒流区：恒流区：(又称饱和区或放大区

16、）又称饱和区或放大区） 特点特点:(1)受控性：受控性： 输入电压输入电压 vGS控制输出电流控制输出电流 2 )( 1 thGS GS DSD V v Ii (2)恒流性：输出电流恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压基本上不受输出电压vDS的影响。的影响。 条件条件:(1)源极端沟道未夹断源极端沟道未夹断 (2)漏极端沟道予夹断漏极端沟道予夹断 用途用途:可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。 在在VGS VGS(th) ，iD近似与近似与VGS2成正比。成正比。 iD与与VGS关系的曲线称为转移特性曲线，在恒流区关系的曲线称为转移特性曲线，在恒流区VDS对转移特对转移特 性的影响不大。

17、性的影响不大。 IDS是是VGS=2 VGS(th) 的的iD值值 三、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路 当当vI=vGSVGS(th)， ，且 且vI继续升高时，继续升高时，MOS管管 工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。MOS管导通内阻管导通内阻 RON很小，很小，D-S间相当于闭合的开关间相当于闭合的开关。 vOvDD vO0 MOS管截止时，漏、源之间管截止时，漏、源之间 的内阻非常大，开关断开；的内阻非常大，开关断开； MOS管导通时，内阻管导通时，内阻RON大大 约约1k，阻值较小，与，阻值较小，与VGS有关，有关， 开关闭合。开关闭合。 P沟道增强型沟道增强型MOS管的结构

18、管的结构 四、四、MOS管的开关等效电路管的开关等效电路 五、五、MOS管的四种基本类型管的四种基本类型 G S D N沟道增强型沟道增强型 G S D N 沟道耗尽型沟道耗尽型 G S D P 沟道增强型沟道增强型 G S D P 沟道耗尽型沟道耗尽型 在数字电路中，多采用增强型。在数字电路中，多采用增强型。 CI代表栅极电容代表栅极电容 3.3.2 CMOS3.3.2 CMOS反相器工作原理反相器工作原理 PMOS管管 NMOS管管 CMOS电路电路 VDD T1 T2 vI I vO 一、电路结构一、电路结构 当当NMOS管和管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互管成对出现在电

19、路中，且二者在工作中互 补，称为补，称为CMOS管管(意为互补意为互补)。 vI=0 导导 通通 截止截止 vo=“” vI=1 截止截止 导导 通通 vo=“” T1 、T2开启电压分别为开启电压分别为VGS(th)p 、VGS(th)N，电路正常工作必须满足，电路正常工作必须满足 VDDV GS(th)N+|VGS(th)p| T1和和T2总是工作在一个导通一个截止的互补状态，总是工作在一个导通一个截止的互补状态，静静 态功耗极小态功耗极小。这是。这是CMOS电路最突出的一大优点。电路最突出的一大优点。 二、电压传输特性和电流传输特性二、电压传输特性和电流传输特性 电电 压压 传传 输输

20、特特 性性 阈值电压阈值电压VTH T1导通导通T2截止截止 T2导通导通T1截止截止 T1T2同时导通同时导通 T1、T2同时导通，参数对称，同时导通，参数对称，vI=1/2VDD vo=1/2VDD，将电压，将电压 传输特性转折区的中点称为传输特性转折区的中点称为阈值电压阈值电压VTH VTH=1/2 VDD电压传输特性转折区曲线陡峭，接近理想开关特性。电压传输特性转折区曲线陡峭，接近理想开关特性。 电电 流流 传传 输输 特特 性性 T2截止截止 T1截止截止 应尽量避免长应尽量避免长 期工作在期工作在BCBC段段 BC段段T1、T2同时导通，有同时导通，有iD 流过流过T1、T2， 在

21、在vi=1/2VDD附近附近iD最大。最大。 工作在工作在BC段，段，动态功耗大动态功耗大。 0VOH(min)VIH(min)0 1 VOL(max)VIL(max) 1 三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限 在保证输出高、低电平基本在保证输出高、低电平基本 不变的条件下不变的条件下,输入电平的允许波输入电平的允许波 动范围称为动范围称为输入端噪声容限。输入端噪声容限。 (min)(min)IHOHNH VVV 输入高电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限： (max)(max)OLILNL VVV 输入低电平时噪声容限：输入低电平时噪声容限： 测试表明：测试表明：CMOS电路噪声容限电路噪声

22、容限VNH=VNL30VDD，且随，且随VDD 的增加而加大。的增加而加大。 噪声容限衡量门电路的噪声容限衡量门电路的抗干扰能力。抗干扰能力。噪声容限越大，表明噪声容限越大，表明 电路抗干扰能力越强。电路抗干扰能力越强。 3.3.3 CMOS反相器的静态输入输出特性反相器的静态输入输出特性 一、输入特性一、输入特性 从反相器输入看进去的输入从反相器输入看进去的输入 电压与输入电流的关系电压与输入电流的关系 MOS管的栅极和衬底间存在着以管的栅极和衬底间存在着以SiO2为介质的输入电为介质的输入电 容，绝缘介质非常薄，易被击穿，所以应采取保护措施。容，绝缘介质非常薄，易被击穿，所以应采取保护措施

23、。 是一种分布式二是一种分布式二 极管结构，可以极管结构，可以 通过较大的电流通过较大的电流 栅极等效电容栅极等效电容 在输入信号电压的正常工作范围内保护电路不起作用。在输入信号电压的正常工作范围内保护电路不起作用。 在输入端出现瞬时的过冲电压时，在输入端出现瞬时的过冲电压时，输入保护电路保证加在输入保护电路保证加在C1和和 C2上的电压不会超过上的电压不会超过(VDD+VDF)V 二极管反向二极管反向 击穿电压击穿电压30V30V 输入保护电压输入保护电压V VDD DD + + V VDFDF iI (mA) -0.7 0 VDD + 0.7 vI (V) 在在0.7V vI (VDD+0

24、.7)V时输时输 入电流入电流iI 0。(CMOS门电路的门电路的GS 间有一层绝缘的间有一层绝缘的SiO2薄层薄层) 在在0.7V (VDD+0.7)V以外的以外的 区域，区域， iI的绝对值开始增大，并随的绝对值开始增大，并随 vI增加急剧变化（保护电路中的二增加急剧变化（保护电路中的二 极管进入导通状态）极管进入导通状态） 注意：注意： 门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在 悬空的输入端产生不定的电位。悬空的输入端产生不定的电位。CMOSCMOS门电路的输入端不允许悬空门电路的输入端不允许悬空。 根据输入保护电路图（

25、根据输入保护电路图（a）画出的输入特性曲线）画出的输入特性曲线 二、输出特性二、输出特性 低电平输出特性低电平输出特性 高电平输出特性高电平输出特性 VOL0VOHVDD 在在VO= VOH时，随负载时，随负载 电流的增加，电流的增加， VOH值下降。值下降。 在在VO= VOL时，随负载时，随负载 电流的增加，电流的增加， VOL值上升。值上升。 3.3.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性 一、传输延迟时间一、传输延迟时间 t vi o t vo o 50% 50% tpdHL tpdLH 平均传输时间平均传输时间 )( 2 1 pHLpLHpd ttt 二、交流噪声容限二、交流噪

26、声容限 反相器对窄脉冲的噪声容限反相器对窄脉冲的噪声容限-交流噪声容限远高于直流交流噪声容限远高于直流 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。容限越大。 三、动态功耗三、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，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。将产生附加的功耗，即为动态功耗。 动态功耗：动态功耗： 在工作频率较高的情况下，在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗要比静态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。功耗大

27、得多，静态功耗可忽略不计。 负载电容充放电所消耗的功率负载电容充放电所消耗的功率PC PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT。 3.3.5 其他类型其他类型CMOS门电路门电路 1.与非门与非门 )(BAY 一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的CMOS门电路门电路 任一输入端为低，设任一输入端为低，设vA=0 vA=0 vO=1 断开断开 导通导通 输入全为高电平输入全为高电平 vA=1 vB=1 导通导通 断开断开 vO=0 两 个 并 联 的两 个 并 联 的 PMOSPMOS管管T T3 3、T T1 1 任一输入端为高，设任一输入端为高，设vA=

28、1 vA=1 导通导通 断开断开 vO=0 2.或非门或非门 输入端全为低输入端全为低 vA=0 vB=0 断开断开 导通导通 vO=1 )(BAY 3. 带缓冲级的带缓冲级的CMOS门电路门电路 )()(BABAY)()( BABAY 带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及电压传输带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及电压传输 特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。 二、漏极开路输出门电路（二、漏极开路输出门电路（OD门）门） 普通与非门输出不能直接连在一起实现普通与非门输出不能直接连在一起实现

29、“线与线与” A B Y C D )()( CDABY 1 0 产生产生 一个一个 很大很大 的电的电 流流 将将MOS管的管的 漏极开路构漏极开路构 成成OD门门 (AB) (CD) “线与线与” 1 1 1 0 0 0 1 A B Y OD输出与非门的逻辑符号输出与非门的逻辑符号 上上 拉拉 电电 阻阻 ODOD门输出端可直接连接实现线与门输出端可直接连接实现线与 )( )()( 21 CDAB CDABYYY A B Y C D VDD RL Y1 Y2 RL的选择：的选择： IOH IIH n个 m个 VDD VIL VIL VIL RL VOH OHLIHOHDD VRmInIV)(

30、 n是并联是并联OD 门的数目，门的数目，m 是负载门电路是负载门电路 高电平输入电高电平输入电 流的数目。流的数目。 高电平输高电平输 入电流入电流 输出管截止输出管截止 时的漏电流时的漏电流 (max)L IHOH OHDD L R mInI VV R 加一个上加一个上 拉电阻拉电阻 VIH VIL VIL VDD RL VOL IOL IIL (max) / )( OLILLOLDD IImRVV (min) (max) | L ILOL OLDD L R ImI VV R m是负载门电路低电平输入电流是负载门电路低电平输入电流 的数目。在负载门为的数目。在负载门为CMOS门电路的门电路

31、的 情况下，情况下，m和和m相等。相等。 例例: 输出高电平的漏电流输出高电平的漏电流IOH(max)=5A, VOL(max) =0.33V时允许的最时允许的最 大负载电流大负载电流IOL(max)=5.2mA；负载门的输入电流；负载门的输入电流IIH(max) IIL(max)均为均为 1A，VDD =5V, VOH4.4V ,VOL0.33V 求求RL取值范围？取值范围？ 解：解：RL(max)= (VDD- VOH)/(nIOH+mIIH) =(5-4.4)/(3510-6+610-6)=28.6k RL(min)= (VDD- VOL)/ (IOL(max) -m|IIL(max)|

32、) =(5-0.33)/(5.210-3-610-6)=0.9k 28.6kRL0.9k m个 C、C 为互为互 补控制信号补控制信号 由一对参数对称一致的增强型由一对参数对称一致的增强型 NMOS 管和管和 PMOS 管并联构成管并联构成 PMOS C uI/uO VDD CMOS传输传输门电路结构门电路结构 uO/uI VP C NMOS VN 工作原理工作原理 MOS 管的漏极和源极结构对称，管的漏极和源极结构对称， 可互换使用，因此可互换使用，因此 CMOS 传输门的传输门的 输出端和输入端也可互换。输出端和输入端也可互换。 uOuIuIuO 当当 C = 0V，uI = 0 VDD

33、时，时，VN、 VP 均截止，输出与输入之间呈现高均截止，输出与输入之间呈现高 电阻，相当于开关断开。电阻，相当于开关断开。 uI 不能传输到输出端，称传输门不能传输到输出端，称传输门 关闭。关闭。 C C 当当 C = VDD，uI = 0 VDD 时，时，VN、 VP 中至少有一管导通，输出与输入中至少有一管导通，输出与输入 之间呈现低电阻，相当于开关闭合。之间呈现低电阻，相当于开关闭合。 uO = uI，称传输门开通。，称传输门开通。 三、三、CMOS传输门传输门 TG uI/uOuO/uI C C 传输门逻辑符号传输门逻辑符号 TG （ Transmission Gate） 传输门是一

34、个理想的传输门是一个理想的双向开关，可传双向开关，可传 输模拟信号输模拟信号，也可传输，也可传输数字信号数字信号。 C = 1，C = 0 时，传输门时，传输门 开通，开通，uO = uI； C = 0，C = 1 时，传输门时，传输门 关闭，信号不能传输。关闭，信号不能传输。 用用CMOS传输门和传输门和CMOS反相器可以构成各种复杂的逻辑电路反相器可以构成各种复杂的逻辑电路 构成异或门：构成异或门： 当当A=1、B=0时，时，TG1截止、截止、TG2导通，导通，Y=B=1； 当当A=0、B=1时，时，TG1导通、导通、TG2截止，截止，Y=B=1； 当当A=B=0时，时，TG1导通、导通、

35、TG2截止，截止， Y=B=0； 当当A=B=1时，时，TG1截止、截止、TG2导通，导通， Y=B=0； 异或逻辑异或逻辑 Y=A B 1 0 0 1 B A BY 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 双向模拟开关双向模拟开关 这这 一点是无法用一般的逻辑门实现的一点是无法用一般的逻辑门实现的 三态门总是接在集成电三态门总是接在集成电 路的输出端，称为输出缓冲路的输出端，称为输出缓冲 器。输出除了高、低电平这器。输出除了高、低电平这 两个状态以外，还有第三个两个状态以外，还有第三个 状态状态-高阻状态。高阻状态。 EN=0 A=1，G4、G5的输出同时为的输出同时为 高电平，高电

36、平，T1截止、截止、T2导通导通Y=0； A=0，G4、G5的输出同时为的输出同时为 低电平，低电平，T1导通、导通、T2截止截止Y=1。 Y=A反相器正常工作。反相器正常工作。 ) 1( )0( NEZ NEA Y EN=1 不管不管A的状态如何，的状态如何，G4输出高电输出高电 平、平、G5输出低电平，输出低电平，T1和和T2截止，截止， 输出高阻态。输出高阻态。 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 高高 阻阻 态态 A Y EN 逻辑符号逻辑符号 四、三态输出的四、三态输出的COMS门电路门电路 三三 态态 控控 制制 端端 低电平有效低电平有效 A Y EN 高电平有效高电平有

37、效 )0( )1( ENZ ENA Y )1( )0( NEZ NEA Y 总线结构总线结构EN不能同时为不能同时为1 Y=A1EN1+A2EN2+ANENN EN1EN2+EN1EN3+EN2EN3+=0 双向传输双向传输 EN=1，G1工作工作G2高阻态，高阻态， 数据数据DO反相后送到总线；反相后送到总线； EN=0，G2工作工作G1高阻态，高阻态， 来自总线的数据来自总线的数据DI反相后送入电路反相后送入电路。 3.3.6 CMOS电路的特点电路的特点 CMOSCMOS电路的优点电路的优点 静态功耗小；静态功耗小； 允许电源电压范围宽允许电源电压范围宽(3(3 18V18V）；）； 扇

38、出系数大，扇出系数大， 噪声容限大。噪声容限大。 CMOSCMOS电路的正确使用电路的正确使用 1 1输入电路的静电保护输入电路的静电保护 CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从 而击穿而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。应注意：管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。应注意： （1 1）所有与）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。 （2 2）存储和运输）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。 2 2多余

39、的输入端不能悬空多余的输入端不能悬空 可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。 3输入电路需过流保护输入电路需过流保护 3.5 TTL门电路门电路 3.5.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 一、双极型三极管的结构一、双极型三极管的结构 B E C N N P 基极基极 发射极发射极 集电极集电极 B E C NPN型三极管型三极管 P N P 集电极集电极 基极基极 发射极发射极 B C E B E C PNP型三极管型三极管 二、双极型三极管的输入特性和输出特性二、双极型三极管的输入特性和输出特性 IC(mA

40、 ) 1 2 3 4 UCE(V) 36912 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A IB( A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 输入特性曲线输入特性曲线输出特性曲线输出特性曲线 开启电压开启电压 饱饱 和和 区区 截止区截止区 放大区放大区 硅管：硅管：0.50.7V 锗管：锗管：0.20.3V VON 三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和饱和 和和截止截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。两种开关状态，放大区只是极短暂的

41、过渡状态。 工作状态工作状态截截 止止放放 大大饱饱 和和 条件条件i iB B00 0 i 0 iB B I IBS BS 工工 作作 特特 点点 偏置情况偏置情况 发射结和集电结发射结和集电结 均为反偏均为反偏 发射结正偏，发射结正偏， 集电结反偏集电结反偏 发射结和集电结均发射结和集电结均 为正偏为正偏 集电极集电极 电流电流 i iC C 0 0I Ic c i iB B且不随且不随i iB B增加而增加增加而增加 管压降管压降V VCEO CEO V VCC CC V VCE CE V VCC CC i iC CR Rc cV VCES CES 0.20.3 V 0.20.3 V c

42、 c、e e间等效间等效 内阻内阻 很大，约为数百千很大，约为数百千 欧，欧，相当于开关断相当于开关断 开开 可变可变 很小，约数百欧，很小，约数百欧，相相 当于开关闭合当于开关闭合 三极管临界饱和时三极管临界饱和时 的基极电流：的基极电流： mA094. 0 mA 150 3 . 05 c CESCC BS R UV I ui=1V时，三极管导通，基极电流：时，三极管导通，基极电流： mA03. 0mA 10 7 . 01 b BEi B R uu i uo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5V ui= =0.3V时，因为时，因为uBE 0.5V， iB=0=0，三极管工作

43、在截止状态，三极管工作在截止状态， ic=0=0。所以输出电压：。所以输出电压： uo=VCC=5V 截止状态截止状态 ui=UIL0.7V 0.7V T T2 2放大，随着放大，随着 I I 升高升高 O O线性减少线性减少 转折区：转折区： I I=1.4v=1.4v，T T2 2 、 T T3 3饱和，饱和， T T4 4截止，输截止，输 出电压急剧下降为低出电压急剧下降为低 电平电平 O O 0.3V0.3V 饱和区饱和区: : I I再继续增加，再继续增加， 输出保持输出保持 O O= 0.3V= 0.3V不变。不变。 -表征输出电压与输入电压之间的关系曲线。表征输出电压与输入电压之

44、间的关系曲线。 截止区：截止区： I I0.6V0.6V， O O=3.4V=3.4V。 二、电压传输特性二、电压传输特性 阈值电压阈值电压V VTH TH( (门槛电压 门槛电压) ) v vI I V VTH TH时，认为 时，认为v vI I是高电平是高电平 V VTH TH=1.4V =1.4V OLILNL VVV 输入低电平时噪声容限：输入低电平时噪声容限： IHOHNH VVV 输入高电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限： 三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限 一一.输入特性输入特性: 3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性 输入短路电输入

45、短路电 流流I IIS IS( (I IILIL) ) 高电平输高电平输 入电流入电流IIH A40 01. 0 ,V1 . 2V6 . 3 IH(max) IH 1 B1IHI I I T vVV 非非常常小小输输入入电电流流 小小于于处处于于“倒倒置置”状状态态， 时时，当当 mA1 104/ )2 . 07 . 05( / )( V2 . 0 3 1ILBE1CCIL ILI RVvVI VV时时，当当 左左右右维维持持在在 ，以以后后，升升至至 的的增增加加而而升升高高将将随随 接接地地，若若将将输输入入端端经经过过电电阻阻 V4 . 1 V1 . 2V4 . 1 )/()( I B1

46、 P1P1BECCI PI P v v RRRvVv Rv R 结论：结论：TTLTTL输入端悬空和接逻辑输入端悬空和接逻辑1 1电平效果相同电平效果相同 注意：注意：CMOSCMOS电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零 二二.输出特性输出特性 TTL反相器高电平输出特性反相器高电平输出特性 受功耗的限制受功耗的限制 手册上给出的手册上给出的 高电平输出电高电平输出电 流的最大值要流的最大值要 比比5mA小得多小得多 74系列系列 IOH(max)=0.4mA TTL反相器低电平输出特性反相器低电平输出特性 IOL(max) . . 反相器接有负

47、载电路时，输出的高低电平随负载电流的变反相器接有负载电路时，输出的高低电平随负载电流的变 化而改变，且变化不大。化而改变，且变化不大。 2. 2. 需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。 T4 T5 前后级之间电流的联系前后级之间电流的联系 ？ 前级（驱动门前级（驱动门）后级（负载门）后级（负载门） 1 前级流出电流前级流出电流I IOH OH （拉电流）（拉电流） 发射结反偏发射结反偏,输输 入电流入电流IIH很小很小 (几十几十A) 前级输出为前级输出为 高电平时高电平时 前级输出为前级输出为 低电平时低电平时 前级（驱动门）前

48、级（驱动门） 后级（负载门）后级（负载门） 0 流入前级流入前级 的电流的电流IOL (灌电流灌电流) 输入低电平输入低电平 时的输入电时的输入电 流流I IIL IL，大约 ，大约 为为1mA1mA。 扇出系数扇出系数驱动同类门的个数。驱动同类门的个数。 灌电流工作时：灌电流工作时： IL OL OL I I N 拉电流工作时：拉电流工作时： IH OH OH I I N 扇出系数扇出系数NO取取NOL、 NOH中较小的一个。中较小的一个。 扇出系数衡量门电路的扇出系数衡量门电路的带负载能力带负载能力。 IIL IOL IIH IOH 1 1？0 0？ 三三. 输入端负载特性输入端负载特性

49、1.4 在一定范围内，在一定范围内，u uI I随随R RP P的增大而的增大而 升高。但当输入电压升高。但当输入电压u uI I达到达到1.4V1.4V 后，后，u uB1 B1 = 2.1V = 2.1V，R RP P增大，因增大，因u uB1 B1 不变，故不变，故u uI I = 1.4V= 1.4V也不变。这时也不变。这时 T T2 2和和T T5 5饱和导通，输出为低电平。饱和导通，输出为低电平。 开门电阻开门电阻 RON 2K左左 右右 关门电阻：关门电阻：在保证门电路输出在保证门电路输出 为额定高电平的条件下，所允为额定高电平的条件下，所允 许许RP 的最大值。的最大值。 典型

50、的典型的TTL门电路门电路ROFF 0.7k 开门电阻：开门电阻：在保证门电路输出在保证门电路输出 为额定低电平的条件下，所允为额定低电平的条件下，所允 许许RP 的最小值。的最小值。 数字电路中要求输入负载电数字电路中要求输入负载电 阻阻RP RON或或RP ROFF ，否则输，否则输 入信号将不在高低电平范围。入信号将不在高低电平范围。 振荡电路则令振荡电路则令 ROFF RP RON使电路处于转折区使电路处于转折区。 10K 判断判断TTLTTL电路输出为何状态？电路输出为何状态？ Y0=0 1 0 Y1=1 Y0 1 1 10 Y1 Y2=0 1 0 VCC Y2 10K 3.5.4

51、TTL反相器的动态特性反相器的动态特性 一、传输延迟时间一、传输延迟时间 t vi o t vo o 50% 50% tpdHL tpdLH 平均传输时间平均传输时间 )( 2 1 pdHLpdLHpd ttt 平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd表征表征 了门电路的开关速度。了门电路的开关速度。 二二. .功耗功耗 静态功耗和静态功耗和动态功耗动态功耗 静态功耗静态功耗指的是当电路没有状态指的是当电路没有状态 转换时的功耗转换时的功耗 动态功耗动态功耗只发生在状态转换只发生在状态转换 的瞬间的瞬间 对于对于TTL电路静态功耗是主电路静态功耗是主 要的，用要的，用PD表示表示 。 3.5.5

52、 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 一一. . 其他逻辑功能的门电路其他逻辑功能的门电路 )(BAY1.与非门与非门 多发射极多发射极BJTBJT T1 e e b c e e b c 多发射极三多发射极三 极管实现极管实现ABAB。 当当A A和和B B有一有一 个或同时为个或同时为 0.2V0.2V时，时， V VB1B1=0.9V,=0.9V, V VO O=1=1。 当当A和和B同为同为 3.6V时，时， VB1=2.1V, VO=0 方框中电路相同方框中电路相同 A为高电平时，为高电平时， T2、T5同时导通，同时导通， T4截止，输出截止，输出Y 为低电平。为低电平。 B为高电平时，为高电平时， T2、T5同时导通，同时导通， T4截止，输出截止，输出Y 为低电平。为低电平。 A A、B B都为低电平都为低电平 时，时，T T2 2、T T2 2同同 时截止，时截止，T T5 5截止，截止， T T4 4导通，输出导通，输出Y Y为为 高电平。高电平。 )(BAY 2.或非门或非门 )(DCBAY 3.与或非门与或非门 多发射极多发射极 三极管三极管 4.异或门异或门 A、B同时为同时为 高电平，高电平，T6