数字逻辑第二章

1、1第二章第二章 逻辑门电路逻辑门电路2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类 集成电路按内部器件类型分类：集成电路按内部器件类型分类：双极型晶体管集成电路（TTL电路、TTL电平）（ECL电路、ECL电平）：工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低绝缘栅场效应管集成电路（NMOS、CMOS集成电路）（CMOS电平或TTL电平）。集成度高、功耗低、但工作速度略低。2集成电路按集成度分类：集成电路按集成度分类：小规模：每片组件内包含有10100个元件（1020个等效门）（SSI）；中规模：每片组件内包含有1001000个元件（20100个等效门）（MSI）；大规模：每片组件内包含

2、有100010000个元件（1001000个等效门）（LSI）；超大规模：每片组件内含有10000个以上的元件（或1000个等效门以上）（VLSI）。3常用的中、小规模集成电路组件：常用的中、小规模集成电路组件：集成门电路、集成触发器、译码器、多路选择器、加法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器等。常见的大规模、超大规模集成电路组件常见的大规模、超大规模集成电路组件：只读存储器、随机存取寄存器、可编程逻辑器件、大规模的移位寄存器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器。通用和专用的数字信号处理器等。4集成电路按照芯片的设计方法分类：集成电路按照芯片的设计方法分类： 通用

3、芯片，如大，中，小规模集成的各种市售功能确定的商品。优点是价格低廉，缺点是受器件技术指标的限制，所实现的数字系统体积和功耗都较大。 可编程逻辑器件。如 PROM、EPROM、FPLA和PAL器件，它们的共同特点是可以由用户对器件内部的连线进行编程，使器件达到预期的逻辑功能。同通用的产品相比，使用更灵活，减少了系统的芯片数量和功耗。5 半制定集成电路。如门阵列、标准单元等构成的集成电路。其器件的内部连线是生产厂家针对用户提出的要求专门进行设计和制作的，而其余工艺是通用的。当器件的需求较大时，采用半定制设计较前两种方法更经济，性能也更好。 全定制集成电路。这种器件是针对用户的技术要求由器件生产厂家

4、专门进行设计和制作的，其设计时间和费用都很高，只适用于生产批量很大的情况。62.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性 直流等效电路 二极管的伏安特性如下页图所示。在数字电路中二极管常常工作在开关状态：截止，或导通。二极管在导通时，伏安特性曲线的斜率很陡，硅管正向压降在0.7V左右（锗：0.2-0.3V)，这时硅二极管可以看成是一个0.7V恒压源；在截止时，硅二极管反向电流很小，一般在1A以下，近似一个断开的开关。 7 二极管的伏安特性二极管的伏安特性+iDvD-R0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/m

5、A死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示。二极管的伏安特性曲线可用下式表示。硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性；锗二极管特性；锗二极管2AP15的的V-I 特性。特性。8半导体二极管模型 1. 理想模型理想模型3. 折线模型折线模型 2. 恒压降模型恒压降模型92 . 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性 在数字电路

6、中，二极管、晶体管和场效应管一般是工作在在数字电路中，二极管、晶体管和场效应管一般是工作在开关状态，其开关特性表现在导通（放大区或饱和区）与截开关状态，其开关特性表现在导通（放大区或饱和区）与截止这两种不同状态之间的转换过程。它表现在完成两种状态止这两种不同状态之间的转换过程。它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间之间的转换需要一定的时间,决定了器件可以工作的决定了器件可以工作的最大速最大速度度。图2.2.1 存储电荷分布变化图 当管子正向导通时，当管子正向导通时，PN结处结处于正偏状态，多数载流子的扩于正偏状态，多数载流子的扩散运动得到加强，散运动得到加强，P区中的多数区中的多数载流子

7、空穴和载流子空穴和N区中的多数载流区中的多数载流子电子不断向对方区域扩散，子电子不断向对方区域扩散，并在对方区域内建立起一定的并在对方区域内建立起一定的非平衡载流子浓度梯度分布。非平衡载流子浓度梯度分布。这种非平衡载流子的积累现象这种非平衡载流子的积累现象叫做叫做电荷存储效应电荷存储效应。10二极管的开关特性二极管的开关特性 右图所示是典型的二极管开关电路及其右图所示是典型的二极管开关电路及其工作波形。工作波形。当当VI=VF为正值时：为正值时：IF=(VF-VD)/RL与正向电流相对应的在与正向电流相对应的在PN结的扩散区有结的扩散区有一定浓度电荷分布，电流越大，存储电一定浓度电荷分布，电流

8、越大，存储电荷就越多。荷就越多。 当当VI=-VR为负值时：由于二极管结电容为负值时：由于二极管结电容的作用，在的作用，在ts时间内有：时间内有：-IR=-VR/RLts: 存储时间，存储时间，即为反向电流维持时间。即为反向电流维持时间。11 之后，反向电流不仅使存储电荷继续之后，反向电流不仅使存储电荷继续消失，而且使空间电荷区逐渐变宽，消失，而且使空间电荷区逐渐变宽，PN结由正偏开始转为反偏，反向电流结由正偏开始转为反偏，反向电流也基本上趋于也基本上趋于 （反向漏电流）。这（反向漏电流）。这段时间为段时间为下降时间下降时间tf 。 0I 二极管由导通转为截止的二极管由导通转为截止的反向恢反向

9、恢复时间复时间：fsRttt 和管子本身的特性有关。正向电和管子本身的特性有关。正向电流越大，存储电荷越多，反向恢复时间流越大，存储电荷越多，反向恢复时间越长；反向电压越大，存储电荷消失得越长；反向电压越大，存储电荷消失得越快，反向恢复时间越短。越快，反向恢复时间越短。 Rt12 二极管由反向截止转为正向二极管由反向截止转为正向导通所需时间称为导通所需时间称为开通时间开通时间。由于正向压降很小，电路中的由于正向压降很小，电路中的正向电流主要由外电路参数决正向电流主要由外电路参数决定，几乎与二极管无关。所以定，几乎与二极管无关。所以二极管的开通时间比二极管的开通时间比 短得短得多多，可以忽略不计

10、。，可以忽略不计。 影响二极管开关速度的主要影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间因素是反向恢复时间 。 RtRt133.二极管开关参数二极管开关参数 最大正向电流： 二极管正向电流的最大允许值。 正向电压降：二极管工作在一定的正向电流下的正向电压。硅管约为0.7V。 反向击穿电压：当管子的反向电流增加到100A时所对应的反向电压值。 反向电流: 一般小于1A。温度每升高10，反向电流增加一倍。 反向恢复时间: 在一定负载上,一定的反向电流条件下测定的反向恢复时间,一般为几纳秒。142.2.2晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态 截止状态截止状态

11、: 发射结和集电极都处于反向偏置状态，Ib=0, Ic=0, Vbe0，Ic=Ib，管子有电流放大能力。 饱和状态饱和状态：发射结和集电极均正向偏置的导通状态，IcIBS=ICS/饱和深度：S=iB/IBSS越大，带灌电流负载能力越强。越大，带灌电流负载能力越强。 18波形参数：延迟时间td: ic从0上升到0.1ICS的时间发射结面积越小，势垒电容越小，充放电时间越快，延迟时间越短；晶体管在截止状态时，反偏电压越大，空间电荷区越宽，延迟时间越长；同理，正向驱动电流越大，延迟时间越短。上升时间tr: ic从0.1ICS上升到0.9ICS的时间晶体管基区越薄，正向驱动电流越大，上升时间越短。 开

12、通时间ton: ton=td+tr19波形参数：存储时间ts: ic从ICS下降到0.9ICS的时间晶体管基区越薄，基区存储电荷越少，存储时间越短；晶体管饱和得越深，存储的多余电荷就越多，存储时间越长。 下降时间tf: ic从0.9ICS下降到0.1ICS的时间晶体管基区越薄，反向驱动能力越大，下降时间就越短。 关断时间toff: toff=ts+tf一般：toffton当饱和深度较深时， 时间延长，成为影响工作速度的主要因素。ts202.3 二极管逻辑门二极管逻辑门利用二极管的开关特性可以构成二极管与门电路和二极管或门电路。1 二极管与门电路二极管与门电路 A、B是信号输入端，F为输出端。输

13、入信号电平为:低电平（0V）和高电平（5V）。当当输入有一个或一个以上为低电平0V时，输出F就为低电平（0.7V左右）。 A、B均为高电平5V时，两个二极管均不导通，输出F为5V。21下表为电平和逻辑关系，该电路可完成与操作，称为二极管与门电路。表达式为：F=ABVAVBVF000.7050.7500.7555ABF00001010011122 A、B是两个信号输入端，F为信号输出端。 输入低电平（0V）和高电平（5V）。 当输入信号中，有一个或一个以上为高电平5V时，相应的二极管导通，输出F就为高电平4.3V左右。 A、B均为低电平0V时，两个二极管均截止，输出F为低电平0V。2. 二极管或

14、门电路二极管或门电路23二极管或门电路。表达式为：F=A+BVAVBVF000054.3504.3554.3ABF000011101111242.4 反相器反相器1. 三极管反相器的组成和工作原理三极管反相器的组成和工作原理要求晶体三极管工作在开关状态。输入为低电平（0V）时，三极管截止；输出为高电平输入为高电平（3V）时，三极管饱和，输出为低电平。Ec=12V25；121RRREVVVbiLiLbVVb92. 0VEVCOH12可见：晶体管截止。加入负电源Eb 是使输入低电平时发射极反偏，保证VT可以可靠截止。电路输出高电平为：反相器的基本工作状态和参数反相器的基本工作状态和参数 输入低电平

15、0V时，若基极电位Vb满足条件：VbIbs时晶体管饱和导通。 （Ibs为基极临界饱和电流。）可计算基极电流： （集电极临界饱和电流）Ec=12V27mAREIccbs4 . 0bsbII 由于：VVVcesoL3 . 0则Ib=0.82mA； 而晶体管进入饱和状态，输出低电平：VVbes7 . 0其中发射结正向压降：30电路放大系数饱和压降VVces3 . 0Ec=12V完成了反相器的功能。完成了反相器的功能。 28bsbIIS 饱和深度：饱和深度越深，表明晶体管反相器带负载能力（灌电流负载）越强。292.反相器性能的改进：电路增加了加速电容Cj和钳位二极管VDq，以改善反相器的动态特性。 当

16、输入信号正向跳变时，由于加速电容相当于短路，驱动信号可以通过电容瞬时提供一个较大的基极电流，因而加快了管子的开启时间。电容也同时被充电。当输入信号负跳变时，电容将通过发射结反向放电，从而产生一个较大的反向基极电流，大大缩短了管子的关闭时间。因而加速了管子开关速度。30qDqqOHVEV二极管 VDq和电源Eq组成钳位电路。它可以使输出高电平稳定在规定的标准值上：当晶体管截止时，流经Rc的电流分为两部分。一部分流经二极管VDq到Eq，另一部分流入负载RL当负载加重时，流入负载的电流增加，流经二极管的电流减少。只要负载的变化不足以使VO下降到VOH以下，即只要VDq导通，输出的高电平将被钳制在这个

17、电平上。这样既改善了输出波形的上升沿，同时也提高了反相器的负载能力。313. 反相器的负载能力反相器的负载能力灌电流负载：负载电流流进反相器拉电流负载：负载电流流出反相器 灌电流负载 ：见图 当晶体管当晶体管VT饱和时，基极电流饱和时，基极电流 。灌电流IL流入集电极 ，IC=IRC+ILIL/bCIICCRCREI其中饱和深度会随着IL的增加而减小，当IL进一步增加，VT将退出饱和，Vo将不再保持为低电平。32bbsIImAIIbscs6 .2482. 03030灌电流负载能力为三极管从饱和退到临界饱和时所允许灌入的最大负载电流ILMAX 例如, 输入高电平VIH=3V时，基极电流为Ib=0

18、.82mA加灌电流负载后，在临界饱和时: 则Ec=12VIL33因此，在保证管子饱和的前提下最大可能的集电极电流是24.6mAmAREICCRC12由于：mAIIIRCCLMAX6 .12126 .24所以：Ec=12VIL34Ec=12VIL当输出为高电平时，灌电流负载对输出电平没有影响352 .拉电流负载 当反相器输入低电平时三极管截止，输出为高电平，负载电流IL从反相器中流出来，形成拉电流，三极管截止，所以IC=0。ILLVDqRCIII流经电阻RC的电流IRC分为两部分，一部分为流入钳位二极管的电流IVDq另一部分流入负载成为IL。即： 36ILmARUEEICDqqCRC3 . 8

19、式中：EC=12V;Eq=3V; UDq=0.7V;RC=1K当负载电流IL增加时，IVDq将相应的减小。为了保证电路正常工作，高电平输出稳定，钳位二极管必须始终导通，有电流通过。IVDq0时流过负载的电流是允许的最大拉电流。即：RCLIImax37CDqqCRCLMAXRUEEII拉电流：RC越小，带拉电流负载能力越大CDqqCbRCbLMAXRUEEIIII灌电流：RC越大，带灌电流负载能力越强382.5.1TTL与非门工作原理与非门工作原理下图是74H系列的一个TTL与非门电路,其输入输出部分主要由晶体管电路组成 。3k750360100Vcc393k750360100Vcc输入级：输入

20、级：主要由多发射极晶体管T1和电阻R1组成，其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与 。 输入级等效电路：钳位二极管Dl，D2，D3的作用是限制输入端可能出现的负极性干扰脉冲 。40设等效二极管V1V4的正向导通压降为0.7V。当输入信号A、B、C中有一个或一个以上为低电平(0.3V)时，基极电位Vb=1V，此时T1晶体管饱和，设Vces=0.1V，则集电极电位Vc=0.4V； 当A、B、C全部为高电平(3.6V)时，由于T1的集电极电位受到T2、T5发射结电压的限制，T1的集电极电位Vc=1.4V；T1的集电结正向导通，T1的基极电位Vb=2.1V，T1的发射结反偏, 因此，T1工作于 于倒置

21、（反向）工作状态。 3k750360100VccT1相当于一个与门。 413k750360100Vcc 中间级（反相级）中间级（反相级）：由T2、R2、R3组成，它的作用是从T2的集电极和发射极同时输出两个电压变化方向相反的信号，作为输出级中三极管T3、T4和T5的驱动信号，且T2将前级电流放大以供给T5足够的基极电流。 输出级：输出级：由三极管T3、T4、T5和R4、R5组成推挽输出电路。T5导通时T4截止，T5截止时T4导通。由于采用了推挽输出(又称图腾输出)，它不仅输出阻抗低，带负载能力强，而且可以提高工作速度，降低功耗。42 若输入（如A）端悬空（即什么都不接时），对应的发射结偏置电压

22、为0，VT1工作在截止状态，即悬空端等效于接“1”。 若输入（如B）端经电阻R接地时，该输入端B处的电平将视其余各输入端电平及R值的大小而定。输入端的处理：输入端的处理：43当其余各输入端中至少有一端接低电平 时，基极电位就被钳制在 ，与R值大小无关；当其余各输入端都接高电平时，B处电平的大小就决定于电阻R的取值。若R的值小于0.1R1时，该输入端B相当于接低电平；若R的值大于0.5R1时，该输入端B相当于接高电平。iLV442. TTL与非门工作原理与非门工作原理（1）输入全部为高电平(3.6V) ：3k750360100Vcc此时的T1处于倒置(反向)工作状态， T1的基极电压Vb1最多不

23、能超过2.1V。 T2、T5管饱和。 T2的集电极电平为：2250.30.71ccesbeVVVV T4截止，输出为低电平50.3OOLcesVVVV 453k750360100Vcc（2）输入端至少有一个为低电平(0.3V)T1的基极电位Vb1被钳位在1V， T1处于深饱和状态：110.1 ,0.4cescVV VV 因而T2、T5均截止。 T3、T4导通，输出为高电平。23450.70.73.6OOHcbebeVVVVVV。 当输入端全部为高当输入端全部为高电平：电平：开门状态开门状态 当输入端至少有一当输入端至少有一个为低电平：个为低电平：关门关门状态状态 FABC463. TTL电路的

24、工作特点电路的工作特点 TTL与非门具有较高的开关速度：与非门具有较高的开关速度：采用了多射极管T1，它缩短了T2和T5的开关时间；采用推挽式输出电路，加速了T5管存储电荷的消散过程。 TTL与非门具有很强的带负载能力：与非门具有很强的带负载能力： 3k750360100Vcc当与非门输出低电平时，T5处于深饱和状态，输出电阻很低；当与非门输出高电平时T3、T4导通，组成射极跟随器，其输出电阻也很低。 472.5.2 TTL与非门的特性参数与非门的特性参数TTL集成门电路的主要工作特性包括电压传输特性，静态输入、输出特性和动态特性，与这些工作特性息息相关的外部特性参数，包括逻辑电平逻辑电平、开

25、门电平开门电平、关门电平关门电平、高（低）高（低）电平噪声容限电平噪声容限、扇入（扇出）系数扇入（扇出）系数、平均传输延迟平均传输延迟等等。481. 电压传输特性电压传输特性输出电压随输入电压变化的曲线输出电压随输入电压变化的曲线 。AVOHBCDEUOLVI(V)0.22.8VOFFVTVONVo(V) 图2.5.3 TTL与非门的电压传输特性曲线 AB段（截止区）段（截止区）：VI0.7V，T2、T5截止，T3、T4导通，VO=VOH=3.6V BC段段 (线性区线性区)：当0.7VVI1.3V时，T2线性导通而T5依然截止，Vc2随Vi增加而线性下降，并通过T3、T4射极跟随器使输出电压

26、VO也下降 ，下降斜率近似等于-R2/R3。 49AVOHBCDEUOLVI(V)0.22.8VOFFVTVONVo(V)CD段段(转折区转折区)：1.3VVI1.4V，当VI略大于1.3V时，T5开始导通，此时T2发射极到地的等效电阻为R3rbe5，比T5截止时的R3小得多，因而T2放大倍数增加，近似为-R2/(R3rbe5)，因此Vc2迅速下降，输出电压VO也迅速下降，最后T3、T4截止，T5进入饱和状态。DE段段(饱和区饱和区)：当VI1.4V时，随着VI增加T1进入倒置工作状态，T3导通，T4截止，T2、T5饱和，因而输出低电平VOL=0.2V。 50几个重要参数：几个重要参数： 输出

27、高电平输出高电平VOH和输出低电平和输出低电平VOL 一般产品规定VOH2.4V（输出高电平的最低值）、VOL0.4V（输出低电平的最高值）。 阈值电压阈值电压VT（门限电压）（门限电压） 对应电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压，一般VT1.4V，可以将VT看成与非门导通(输出低电平)和截止(输出高电平)的分界线。 AVOHBCDEUOLVI(V)0.22.8VOFFVTVONVo(V)51 开门电平开门电平VON和关门电平和关门电平VOFF 开门电平开门电平VON是是保证T5饱和导通，反相器达到稳定输出低电平时的最小输入高电平。一般产品VON1.8 关门电平关门电平VOFF是保证T5截

28、至，反相器达到稳定输出高电平时的最大输入低电平。一般产品要求VOFF0.8V，AVOHBCDEUOLVI(V)0.22.8VOFFVTVONVo(V)VON越接近VT，器件噪声容限越大。VOFF越接近VT，器件噪声容限越大。52 噪声容限噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)：例如，前级的输出低电平为VIL=0.4V，器件的关门电平VOFF=0.8V，则其 高电平噪声容限高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，例如，前级的输出高电平为VIH=2.4V，器件的开门电平

29、VON=1.8V，则其 NLOFFILVVV0.4NLOFFILVVVVNHIHONVVV0.6NHIHONVVVV532. 静态输入特性静态输入特性（1）静态输入电流与输入电压之间的关系 设输入电流iI由信号源流入T1发射极时方向为正，反之为负。图2.5.4 输入特性曲线 当VIVT（VT1.4V）时iI为负，对信号源形成灌电流负载。 当VIVT时iI为正，iI流入TTL门，对信号源形成拉电流负载。54当VI=VIL=0.2V时，输入端等效电路如图2.5.5所示，此时输入电流 11150.70.21.33 CCBEILbI LVvVIImARK负号表示输入电流流出门，流向电源。R1VCCVI

30、VB1Ib1T2T5R3R1T13kT1be2be5VCCDVI=0.2VIb1图2.5.5 VI=0时的输入端等效电路输入短路电输入短路电流流IIS: 当VI=0时的输入电流称为输入短路电流，典型值约为-1.4mA。 55当VI=VIH=3.4V时，输入端等效电路如图2.5.6所示，此时T1处于倒置放大状态，此时输入电流 1152.10.019.73CCBI HFBFVVIIARKR1VCCVIVB1Ib1T2T5R3R1T13kT1be2be5VCCDVI=3.4VIb1IIH图2.5.6 VI=3.4V时输入端等效电路 输入漏电流输入漏电流IIH:当VIVT时的输入电流称为输入漏电流，即

31、V1倒置工作时的反向电流，其电流值很小，约为10A。56（2）输入负载特性R1I1VCCVIRiVB1Ib1T2T5R3Ribe2be5VCCR1Ib1VB1 图2.5.7 输入负载等效电路 当Ri较小时，VI随Ri增加而升高，此时T5截止11CCbeIiiVVVRRR若VOFF=0.8V，R1=3k，可求得Ri 0.7k，这个电阻值称为关门关门电阻电阻ROFF。关门电阻ROFF是保证TTL与非门输出为高电平，即T5管截止时容许的最大阻值。 57R1I1VCCVIRiVB1Ib1T2T5R3Ribe2be5VCCR1Ib1VB1当Ri较大时，VI进一步增加，但它不能一直随Ri增加而升高。因为当

32、VI=1.4V左右时，T1的基极电位被钳位在Vb1=2.1V，致使VI不会超过1.4V。为了保证与非门稳定地输出低电平，应该有VIVON，此时输入端接入的电阻称为开门电阻开门电阻RON，开门电阻是保证TTL与非门输出为低电平，即T5管饱和导通时容许的最小阻值。令VI=VON=1.8V，可得到RON=2.16k。一般对TTL要求RON2k,即RiRON时才能保证与非门输出为低电平。11CCbeIiiVVVRRR583. 静态输出特性静态输出特性反映输出电压随负载（输出）电流的变化情况。T3T4ILRLVCCVO(V)IL(mA)5101520123IR5R50R2高电平输出特性：高电平输出特性：

33、与非门输出高电平时T5截止，T3浅饱和，T4导通，负载电流为拉电流，由IR5IL，VOH=VCC-Vces3-Vbe4-ILR5。 当拉电流IL5mA时，T3、T4相当于射极跟随器，因而输出高电平VOH变化不大。当IL5mA时，T3进入深饱和，VOH将随着IL的增加而降低。因此，为了保证稳定地输出高电平，要求负载电流IL14mA。考虑到功耗，实际使用时负载电流一般不能超过0.4mA。 59T2T5ILRLVCCVO(V )IL(mA )5101520123R30.2低电平输出特性低电平输出特性：与非门输出低电平时T5饱和导通，T4截止，输出电流IL从负载流入T5，形成灌电流。当灌电流增加时，T

34、5饱和程度减轻，因而VOL随IL增加略有增加。当IL=16mA时，VOL=0.2V；若灌电流进一步加大，使T5脱离饱和进入放大状态，VOL将很快增加，这是不允许的。通常为了保证VOL0.3V，应使IL22mA。 60带负载能力：带负载能力：反映TTL驱动下级负载的能力，包括灌灌电流能力电流能力和拉电流能力。拉电流能力。 灌电流能力是指输出在低电平（VOL）时,允许负载电流流入输出端电流的能力； 拉电流能力是指输出在高电平（VOH）时,输出端能够提供给负载电流的能力。& & & &1 1扇出系数扇出系数(N(No o) ) 输出端允许驱动的同输出端允许驱动的同类门

35、电路的最大数目。类门电路的最大数目。61例2.5.1(*) ：门电路的输入特性曲线和输出特性曲线分别由图2.5.4、图2.5.8、图2.5.9给出。对于下图所示的电路，要求G1的输出高电平满足VOH3.2V，输出低电平满足VOL0.2V。试问与非门G1最多可驱动几个非门? &G1 与非门111.NVOLiILiL&G1 与非门111.NVOLiILiLVOLiILiLiILiL62解：输出低电平时从低电平输出特性看， VOL0.2V时，iL15mA从输入特性看，VI=0.2V时，iIL=-1.3mA 15111.3ILLLILNiiiNi要求63 输出高电平时从高电平输出特性看

36、，VOH3.2V时，iH7.5mA 但考虑到功耗，一般手册给出输出高电平时的最大输出电流iH10； ECL门输出可直接相连，实现线或（WIRED-OR）逻辑 ;电路功耗很大; 抗干扰能力也很弱。 952.7 CMOS反相器反相器2.7.1 MOS管的开关特性管的开关特性1. MOS管的开关时间管的开关时间GDSBiVoVWkRD20VVDD10GDSiVoVWkRD20VVDD10GDSiVoVWkRD20VVDD10onRTiVV TiVV （a）MOS管开关电路（b）MOS管截止时的等效电路（c）MOS管导通时的等效电路N沟道增强型沟道增强型MOS管管96Vi和ID、VD的波形开通时间 ：

37、ontrdonttt1关断时间 ：offt offt2dtft=+ MOS管的开通和关闭时间比双极型晶体管长，即其动态特性相对要差一些 。972.7.2 CMOS反相器反相器 CMOS反相器由一个NMOS管VT1和一个PMOS管VT2构成。两个互补管的栅极连在一起作为输入端，两个管的漏极连在一起作为输出端，电源电压VDD需大于VT1和VT2管开启电压的绝对值之和，即：TPTNDDVVV98TPGSVV2DDOHVV CMOS反相器的工作原理当输入低电平为0V时， VGS1=0V，VT1截止，而此时VT2导通，输出为高电平；当输入为高电平5V时，VT1通，VT2止，输出为低电平。0OLV99 C

38、MOS反相器的性能电压与电流传输特性电压与电流传输特性在Vi较小时，ViVTN，时，VT1开始导通，电路开始有较小的电流通过。于是输出电压开始下降，对应曲线的第II段。VDDVoVi12DDVIDSVi(a)(b)oo101输入电压再增大，达到图中0.5VDD附近，VT1和VT2都工作在饱和区，有较大电流通过。为曲线的III段。曲线的IV段和V段类似曲线II段和I段。 VDDVoVi12DDVIDSVi(a)(b)oo102 由图可见，特性曲线在=0.5VDD附近几乎是垂直的，因此高、低电平噪声容限都比较大。 由于目前CMOS工艺水平不断提高，反相器两个互补管的一致性越来越好，所以高、低电平噪

39、声容限都比较大。 CMOS反相器的噪声容限可达电源电压的45%左右，具有较高的抗干扰能力。因此CMOS很适合于要求抗干扰能力高的场合。 从CMOS的电流与电压关系曲线可知，反相器只在过渡区域出现较大的电流。输出高电平和低电平时，电流几乎为零。因此CMOS静态功耗极小。 103静态输入特性静态输入特性（反映vI和iI关系曲线） 若vI正向过大，vIVDD+0.7V，则D2导通，vG=VDD+0.7V，保证加到C2上的电压不会超过VDD+0.7V，不会被击穿。若vI负向过大，vI0.7V，则D1导通，vG=0.7V，保证加到C1上的电压不会高于-0.7V，不会被击穿。 CMOS反相器的输入电路 1

40、04iI/-0.7VIViI/mAvIVDD+0.7V0.7VvIVDD+0.7V时，D2导通，iI0；vI 0.7V时，D1导通，iI0。输入电流基本为0，故CMOS门带同类负载门的扇出系数很大。 CMOS输入端通过电阻接地时，对电阻值无限制；输入端悬空时，输出1/2VDD，故CMOS门输入端不允许悬空。 105静态输出特性静态输出特性（1）低电平输出特性）低电平输出特性 TVDDVOLVIH=VDDRLiDIOLT1VDDVOLVIH=VDDRLiDIOLDS1=V= 15 V=V= 10 V=V= 5 V=V= 15 V=V= 10 V=VDD= 5 V=V= 15 V=V= 10 VV

41、GS=V= 5 V()15V10VV =5V()OL15V10VV =5VO()15V10VV =5VVOL(DS)I15V10VVDD=5VOVDSi i i iD1DDDDVGSVGSV(iD1)负载加重（RL减小）使IOL增加，输出低电平会被抬高；VDD越大越好。 106VIL=0VDDVOHLIOHiDVIL=0VDDVOHRIOHiDVIL=0T2VDDVOHIOHiD2SD(2) 高电平输出特性高电平输出特性负载加重（RL减小）使|IOH|增加，输出高电平会下降；VDD越大越好。 107 CMOS反相器具有输入阻抗高的特点，加上对电容负载充、放电都很快，因此CMOS反相器带同类门负

42、载时比TTL电路具有更大的扇出系数。一般一个输出端可带50个同类门电路。但是若用CMOS门来带动纯电阻负载或TTL门电路（注意电平），负载能力还是较小的。这时需要用CMOS驱动器，提供输出较大的负载电流。108fVCPDDLD2动态特性动态特性（动态功耗） CMOS反相器处于静态时，无论输出高电平还是输出低电平，总有一个管截止，电源向反相器只提供很小的漏电流，故静态功耗很小。但在动态转换时，在极短时间内有相对较大的电流通过电路。根据理论计算，CMOS反相器的动态功耗： 设工作频率f=1MHZ，CL =50Pf，VDD=5V,则PD=1.2mW，可见总功耗决定于动态功耗。通常在一个数字系统中，始

43、终高速率工作的单元不多，就整个系统来说，CMOS集成电路功耗是微小的，集成度越高，系统功耗越小。 1092.7.3 CMOS门电路门电路 与非门 由两个串联的NMOS管VT1和VT2以及两个并联的PMOS管VT3，VT4组成。 当输入均为高电平时，VT1和VT2导通，VT3和VT4截止，输出F为低电平。 当A、B中只要有一个为低电平，VT1和VT2中有一个截止，VT3，VT4有一个导通，输出为高电平。完成与非门与非门功能。110 或非门 当输入均为低电平时，VT1和VT2均截止，VT3，VT4均导通，输出高电平。 当A、B中只要有一个为高电平，VT1和VT2中必有一个导通，VT3，VT4中必有

44、一个截止，使输出低电平，完成或非门或非门功能。111（3） 与或非门只有输入A、B都为高电平或C、D都为高电平，输出为低电平；否则，输出为高电平，因而是一个与或非与或非门门。 1122.7.4 漏极开路的与非门电路（漏极开路的与非门电路（OD门）门）双2输入与非缓冲电路 输出是一个漏极开路的N沟道增强型MOS管，用于输出缓冲驱动或输出电平的转换。OD门也可实现“线与线与”逻辑。外接上拉电阻的计算方法与TTL的集电极开路（OC）电路相同。 1132.7.5 传输门电路传输门电路2T1TCCDDVOIvv /IOvv /IOvv /CCOIvv /TG1) 当C=0，VI在0 VDD之间变化时，由

45、于两个MOS管的衬底和栅极间电压为0，T1、T2均不导通，传输门截止，输出呈高阻态。2）当C=1，0VIVI|VTP|时，T2线性导通，VOVI。1142.7.6 三态门三态门（A）在反相器基础上增加一个P沟道和N沟道MOS管VT1、 VT2 。当 =1时， VT1和 VT2同时截止，输出呈高阻态；当 =0时， VT1和 VT2同时导通，反相器正常工作。ENEN115(B)在反相器基础上增加一级CMOS传输门，作为反相器的控制开关。当 =1时，传输门截止，输出呈高阻态；当 =0时，传输门导通，输出F= 。ENEN FA1162.8 不同工艺逻辑门的互联不同工艺逻辑门的互联（1）逻辑电平的配合）

46、逻辑电平的配合 类型高电平（V）低电平（V）传输时延（ns）功耗（mW/门）TTL2.40.5910LS TTL2.40.592F TTL2.40.524HC CMOS3.518140.125HCT CMOS2.40.59150.1510k ECL-0.8-1.6225100k ECL-0.8-1.60.7540117不同工艺电路之间互连时，驱动门的输出电压和被驱动门的输入电压之间必须同时满足以下规则： 第一，驱动门高电平输出时的最小值不能低于被驱动门输入高电平的最低值，即VOHmin（驱动门）VIHmin（被驱动门）。 第二，驱动门输出低电平的最高值不能大于被驱动门输入低电平的最高值，即VOLmax（驱动门）VILmax（被驱动门）。 例如：TTL电路的高电平最小值为2.4V；低电平最大值为0.8V。ECL电路的高电平为-0.8V，低电平为-1.6V。因此TTL电路与ECL电路不能直接相连，必须经过转接电路。118CMOS电路在电源电压为5V时，阈值电压为2.5V，高电平接近5V，