单元12 门电路

1、电子技术教案第十三单元 门电路（101112）第十三单元 门电路（3学时第3941学时）主要内容：门电路的构成与逻辑功能分析教学重点：门电路的逻辑功能教学难点：门电路的逻辑功能分析教学方法：启发式教学、探究式教学教学手段：实验、理论、实际应用相结合第一部分 知识点一、基本逻辑门电路1、二极管与门输入A、B、C有一个为低电平0时，低电平对应的二极管正偏导通，其余二极管反偏截止，使得输出Y为低电平0；只有全部输入A、B、C均为高电平1时，所有二极管均反偏截止，使得输出Y为高电平1。2、二极管或门输入A、B、C有一个为高电平1时，高电平对应的二极管正偏导通，其余二极管反偏截止，使得输出Y为高电平1；

2、只有全部输入A、B、C均为低电平0时，所有二极管均正偏导通，使得输出Y为低电平0。3、三极管非门输入A为高电平1时，三极管处于饱和导通状态，输出Y为低电平0；输入A为低电平0时，三极管处于截止状态，输出Y为高电平1。4、MOS管非门输入A为低电平0时，栅源电压小于开启电压，场效应管处于截止状态，输出Y为高电平1；输入A为高电平1时（高于开启电压），场效应管处于导通状态，输出Y为低电平0。二、 CMOS集成门电路CMOS集成门由P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管互补对称构成。1、CMOS反相器（1）基本点路反相器即非门。假设MOS管开启电压UTNUTPN2V。输入A为低电平0V时，UGS

3、N0VUTN、TN截止，UGSP10VUTP、TP导通，输出Y为高电平1；输入A为高电平10V时, UGSN10VUTN、TN导通，UGSP0VUTP、TP截止，输出Y为低电平0。（2）带输入端保护功能点路栅极与沟道之间的SiO2绝缘层厚度约为10-8米，容易受干扰影响（所以输入端不得悬空）、电压超标时容易击穿损坏。为此加入保护电路。R、D1、D2、D3构成抗干扰电路。若输入高于VDDUD或低于UD时，相应二极管导通，使栅源电压控制在UD（UDVDD）之间。 R、C1、C2构成积分电路，消除输入干扰信号。（3）静态特性 输入特性输入端所加电压uI与输入电流iI之间的关系。当A在UD（UDVDD

4、）时，iI0MOS管输入电流为0；当A（UDVDD）时，保护二级管D3导通，iI从输入端流入而流向VDD相当于二级管正向导通特性；当AUD时，保护二级管D1导通，iI自D1、R流出输入端。输入电流关系实际上是保护网络的电流关系近似为二级管的正向特性。CMOS电路的输入端不得悬空，否则TN、TP无法工作而导致逻辑混乱。 输出特性输出端电压uo与输出电流io之间的关系。当A0时，输出为1，输出电流由门向外流向负载此时负载为拉电流负载，反向器能输出的最大电流IOH称为“带拉电流负载的能力”；当A1时，输出为0，输出电流由负载向内流入门此时负载为灌电流负载，反向器能灌入的最大电流IOL称为“带灌电流负

5、载的能力”。若VDD降低，导电沟道变窄，使得UOH下降、UOL上升，带负载能力变差。 传输特性输入端电压与输出端电压之间的关系及输入端电压与漏极电流（由VDD经TP、TN流向地的电流）之间的关系。AB段：uIUTN，TN截止、TP导通，uOVDD、iD0；BC段：uIUTN，TN开始导通，但导通电阻较大，uO略有下降、iD开始增加；CD段：uI在0.5VDD附近，TN、TP均导通，uO急剧下降、iD增至最大；DE、EF段与AB、BC段相反。uI0.5VDD叫作反向器的转折电压或阈值电压，用UT表示。（4）动态特性 传输延迟时间输入电压与输出电压之间的关系传输关系。tPHL：输出由高电平变为低电

6、平的传输延迟时间；tPLH：输出由低电平变为高电平的传输延迟时间；平均传输延迟时间：。 输出端状态转换时间输入信号变化时，输出信号发生变化，输出电压高低转换时间称为输出端状态转换时间。tTHL：输出由高电平到低电平的转换时间；tTLH：输出由低电平到高电平的转换时间。2、CMOS与门、或门、与非门、或非门出逻辑功能外，其他性质类似非门。3、CMOS传输门、三态门（1）传输门传输门是一种传送模拟信号的压控开关（可双向传送）。靠控制信号、来控制传输情况：（1）C=1、=0，两MOS门均导通传输门导通，uo=ui（2）C=0、=1，两MOS门均截止传输门截至，输入与输出断开。（2）三态门三态门是一种

7、具有使能控制端的逻辑门，具有高1、低0、高阻Z三种状态。使能时电路具有正常逻辑功能，否则为高阻（相当于输出端悬空）。低电平有效三态门具体逻辑功能如下：，TP1、TN1导通，TP2、TN2构成反向器，TP1、TN1截止，TP2、TN2进一步也截止高电平有效三态门具体逻辑功能如下： ， ，三态门分为三态非门（反向器）、三态与非门、三态缓冲门等。（3）漏极开路门（OD门）输出MOS管的漏极是开路的，使用时必须加上上拉电阻及电源（否则不能工作）。OD门可以实现线与的逻辑门（但使用时必须加上上拉电阻及电源）。4、CMOS集成逻辑门主要特点（1）功耗极低（一般不超过100uW）；（2）电源电压范围宽（可达

8、几V十几V之间）；（3）高干扰能力强；（4）逻辑电平差别大（低电平约为0V、高电平约为VDD）（5）输入电阻极高（可达108以上）；（6）扇出系数（可带同类门的数目）大（可达几十）；（7）集成度高；（8）抗辐射能力强；（9）成本低。5、CMOS集成逻辑门使用注意事项（1）输入端不可悬空；（2）输入端接有电阻时，电阻可视为短路。三、TTL与非门1、TTL反向器（非门）（1）电路构成输入低电平0V时，T1基极电流流入发射极（电流自反向器输入端流出），使得IB2为0，则T2截止，进一步T4也截止，而T3和D饱和导通（因为流经R2的电流几乎全部流向T3），输出为高电平。因为输出三极管T4截止，电路此时

9、状态叫做截止状态（输入低电平、输出高电平）；输入高电平3.6V时，T1处于倒置状态（发射极和集电极颠倒），电流自反向器输入端流入，进而较大电流流入T2基极，使得T2饱和导通，进一步T4也导通，而T3基极电位较低，使得T3和D截止（因为流经R2的电流几乎全部流向T2），输出为低电平。因为输出三极管T4导通，电路此时状态叫做导通状态（输入高电平、输出低电平）；由以上分析看出，电路为反向器（非门）。（2）静态特性 输入特性输入伏安特性：输入端电压和输入电流之间的关系。当uI0（0V）时，称为输入端短路电流，由反向器输入端流出的电流；当uI1（3.6V）时，iSISH0.01mA，称为输入端漏电流，又

10、叫输入高电平电流，流入反向器输入端的电流。 输入端负载特性：输入端电阻和电压之间的关系。当Ri时（输入端悬空），uOUOL0.3V，反向器处于导通状态。实际上，只需Ri2.5k，既可保证反向器处于导通状态（输出低电平），常将2.5k称作开门电阻，记作Ron当Ri0时，uOUOH3.6V，反向器处于截止状态或关断状态（输出高电平）。实际上，只需Ri0.7k，既可保证反向器处于截止状态，常将0.7k称作关门电阻，记作Roff若RoffRiRon，反向器处于不正常工作状态逻辑混乱，要禁止。 输出特性（输出伏安特性）输出电压和输出电流之间的关系。带灌电流负载特性（uI1，uO0）：此时电路处于导通状态

11、T4导通、 T3和D截止。负载外加电源形成电流，流向反向器内部（灌入电流）。带灌负载能力IOL可达16mA。带灌电流负载时，输出低平有所上升（串联分压所致）。带拉电流负载特性（uI0，uO1）：此时电路处于截止状态T4截止、 T3和D导通。在负载上形成电流，由反向器流向负载（拉出电流）。带拉负载能力IOH一般为400uA。当RL0（输出短路）时，IOH可达33mA，IOS33 mA叫输出短路电流，但短路时间不得超过1s，否则烧坏器件。带拉电流负载时，输出高电平有所下降（串联分压所致）。 电压传输特性输入电压和输出电压之间的关系。AB段：uI0.6V时，uB11.3V ，T2、T4截止，T3、D

12、导通，输出高电平3.6V截止区。BC段：uI0.6V后，uB1升高 ，T2导通、T4处于放大状态，输出随uI 增加而线性下降线性区。CD段：uI1.4V，T2导通、T4也导通，使得输出急剧下降转折区。转折区中心对应的电压称作反向器的阈值电压或门槛电压，用Uth表示。Uth1.4V。DE段：uI1.5V后，T2、T4导通，T3、D截止，输出低电平0.3V饱和区。（3）动态特性传输延迟时间输入电压和输出电压之间的关系。tPHL：输出有高电平变为低电平的传输延迟时间；tPLH：输出有低电平变为高电平的传输延迟时间；：平均传输延迟时间产品规定典型值：tPHL8ns、tPLH12ns，最大值tPHL15

13、ns、tPLH22ns2、TTL与非门、或非门等（1）TTL与非门输入A、B有一个（或全部）为低电平时，T1基极电流流入发射极（电流自反向器输入端流出），使得IB2为0，则T2截止，进一步T4也截止，而T3和D饱和导通，输出为高电平。因为输出三极管T4截止，电路此时状态叫做截止状态（输入低电平、输出高电平）；输入A、B均为高电平时，T1处于倒置状态（发射极和集电极颠倒），电流自反向器输入端流入，进而较大电流流入T2基极，使得T2饱和导通，进一步T4也导通，而T3基极电位较低，使得T3和D截止，输出为低电平。因为输出三极管T4导通，电路此时状态叫做导通状态（输入高电平、输出低电平）；由以上分析看

14、出，电路为与非逻辑。（2）TTL或非门略。（3）TTL集电极开路门（OC门）输出三极管T4集电极开路，使用时必须外接负载和直流电源。OC门可实现线与。（4）TTL三态门三态门是一种具有使能控制端的非门。使能时电路具有正常逻辑功能，否则为高阻（相当于输出端开路悬空）。三态门分为三态与非门、三态非门（反向器）、三态缓冲门等。三态门应用举例： 用作多路开关根据的取值，让G0或G1工作，使得数据A0或A1反向后传输到输出端。 用于信号双向传输根据的取值，让G0或G1工作，使得数据或，实现数据双向传输。 构成数据总线工作时每次只传送一个数据。为此只让某一个门Gi使能，使得数据Ai传送到数据总线上。3、T

15、TL集成逻辑门使用注意事项（1）输入端可悬空，悬空时该输入端视为高电平（但一般不做悬空处理）；（2）输入端可接电阻，但所接电阻应该是大电阻大于Ron（约2.5k）或小电阻小于Roff（约0.7k）。且：某输入端所接电阻大于Ron（约2.5k）时，该电阻可视为无限大，或输入端视为悬空，输入端为高电平；某输入端所接电阻小于Roff（约0.7k）时，该电阻可视为0，该输入端视为短路，视为高电平；输入端不可接中值，即若RoffRiRon，反向器处于不正常工作状态逻辑混乱，要禁止。第二部分 题目分析题1：图中各电路均有TTL逻辑门构成，Ron1k、Roff0.7k。分别写出各电路表达式；若a、d是COMS门，再写出其表达式（西安电子科技大学2005年试题）解：TTL门： （a）门1对应3k输入端相当于高电平1、门2对应0.3k输入端相当于低电平0，故（b）C0时，门1输出、门2为高阻，仅有门1输出；C1时，门1为高阻、门2输出，仅有门2输出。故 （c）两个OC门线与，（d）门2的3k输入端相当于悬空高电平。故 COMS门（a）3k、0.3k对应输入端均为低电平。故 （d）3k输入端相当于低电平。故 要点：TTL门输入端悬空或接大电阻（一般大于2.5k）相当于高电平；解小电阻（小于0.7k）相当于短路；COMS门接任意电阻均