3-门电路(精)

1、沈阳航空航天大学电子信息工程学院SY1AE ELEC1KUZIC ENGINEFKIZG第昌章门电*33 CMOS门电路3.5 TTL门电路沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING二极常用的TTL门电路和CMOSH电路的工 作原理、逻辑功能及输入输出特性。集成电路（Integrated Circuit,简称IC）：将数字电 路的半导体元、器件、电阻、电容连线制作在同一个半 导体基片（硅片）上，构成一个完整的电路，封装在一 个管壳内。与分立元件电路相比，具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长.功耗小、成本低、工作速度快等优 点。沈阳航空航天大学电子信

2、息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING集成电路的分类:0按照集成度（每一硅片中所含的元、器件数）分为小规模集成电路（Small Scale Integrated ,简称SSI）1-10个门（10-100个元件）；中规模集成电路（Medium Scale Integrated ,简称MSI）10-100个门（100-1000个元件）；大规模集成电路（Large Scale Integrated ,简称LSI）100个门（1000个元件）；超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated ,简称LSI）10万个元件。根据制造工艺的不同，分为双极型

3、和单极型两大类。TTL电路 是目前双极型数字集成电路中用的最多的一种。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.1桃述的单元电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、 与非门、或非门、与或非门和异或门等。逻辑0和电子电路中用高、低电平来表示。获得高、 低电平的基本方法： 利用半导体开关元件 的导通、 截止 （即开、关）两种工作状态。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING单开关电路逻辑门电

4、输入信号开关S断开时，输出电压为高电平;S接通后输出便为低电平。功耗大沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGSnS2开关状态相反；使S接通的同时，使S?断开 ,则裔出V。便为高电平。Vi使S?接通的同时，使S断开 ,则薪出v.便为低电平。开关S由半导体二极管或三极管组成。由输入信号控制 二极管或三极管工作在截止和导通两个状态时就起到开 关作用。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING每一种逻辑都有允许的高低电平的范围。因此数字电 路对元、器件参数精度及供电电源稳定度的要求比模拟 电路要低些。I互补

5、开关电路输出信输入信号正逻辑：以高电平表示逻 辑1,低电平表示逻辑0；负逻辑相反。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.2.1半导体二极管的开关特性3.2.2二极管与门3.2.3二极管或门沈阳航空航天大学电子借息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING|3.2.1半导体二极管的开关特性M_ _+ VD-:二极管符号：阳极o-N-阴极由于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。理想二极管：设Vni=Vcc,VIL=O,D为理想开关元件。 则当V!

6、=VIH时，D截止，vo=VOH= Vcc； 而当卩i=VIL=O3.2半沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING时，D导通，=VQL=OO沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING实际上二极管的特性并不是理想的开关特性，其特性 可近似的用PN结方程和伏安特性曲线表示。伏安特性方程为：i i = = I Ix x(e(ev/Vrv/Vr- 1)d 为流过二极管的电流川为加到二极管两端的电压；厶为反向饱和电流，与二 M 管材料、尺寸等有关；旦.q q左为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度，“为电子电荷.常温

7、VV 26m26m V VOLPUOLPU矶X91KX91K入于电丁1 1甘尼、丄性于阮csjfitswt dPVrf倂rriwzGTl分析二极管组成的电路时，要通过近似分析迅速判断二极管的开关状态。必须利用二极管的近似等效 电路。当外电路的等效电源和等效电阻 都很小I实际二v0.5 V时,极筲导通二极。 近似等效iAiAov(V)匕为开启沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING时，二极管的正向导通压降 和正向电阻都不能忽略。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING源电压相比不能忽略，且与外接电阻

8、相比二极管的正向电阻可以忽略时。 常用这种近似方法。匕W+ 一，当二极管的正向导通压降和正向电 阻与电源电压和外接电阻相比均可以 忽略时，可看作理想开关。沈阳献空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGA B_缺点：将发牛信号的高、低电平的偏移：-i当输岀端对地接上负载电阻时，负载电血的改变有 时会影响输出的高电平。因此，这种门电路仅用作集成电路内部的逻辑单 元，而不用它直接去驱动负载电路。当二极管的正向导通压降和外加电k3.2.2二U管与门Yo ooUY6 D2ov ov0.7V导通导通OV 3V0.7V导通截止3V OV0.7V截止导通3V 3V3.

9、7V导通导通o卜VMH-沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONICENGINEERING3 3 1 MOS管的开关特性3 3 2 CMOS反相器的电路结构和工作原理3 3 3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性3 3 4 CMOS反相器的动态特性3 3 5其它类型的CMOS门电路3.2.3二极管或门O-D|116 也存在电平偏移问题，只能用作龚成电壘内部的Y=A+BABYOO03 AB B3VTERING高于 2.3V为高电平,低于OV 为低电平沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONICENGINEERING3 3 6 CMOS门电路的正确使用3

10、.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列3.3.1 MOS管的开关特性.MOS管的结构和工作原理MOS管是金属一氧化物一半导体场效应管的简称。 结构和符号如图。PEERING二MOS管的输入特性和输出特性工作原理电路转移特性曲线输出辅漏极特性曲线】恒流区：漏电流B的大小基本上由GS决定，变化对b的影响很 小。iiu讦更._较小的 5=59S_JVvGS(th) y划表示b与叱s关系的曲线称为MOS管的转移特性曲线。【DS是VGS= Gs( (th) )时的值GS(th)ERING沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING三、MOS管的基本开关电路只

11、要负载电阻RD远远小于MOS管的截止内阻ROFF，在输出端 即为高电平“OH，OH匕“DD 这时MOS管的D S之间就相当 于一个断开的开关。沈阳航空航天大学电子信息工程学院随着勺的升高b增加，而O随之 下降。当勺继续升高后，MOS管 的导通内阻尺皿变得很小，只要/?ON 心，则开关电路的输出 端将为低电平VOL， 且VOL)o这时MOS管的D S之间就相当于 一个闭合的开关。SYIAESYIAE ELECTKONLCELECTKONLC ENGINEERINGENGINEERING结论:只要合理的选择电路参数,保证当儿输入为低电平时MOS管截止，开关电路输出高电平；而输入儿为高电平时MOS管

12、导通, 开关电路输出低电平。OFF导通状态-oMO=VOLOGS(tli)+VDDDwo=+Voll沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING截止状态导通状态沈阳JK空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING五MC沈阳航空人类型衬底 材料导电沟道开冷 电斥夹斯电压电压极件N Wifi增张中P型N5?+P沟道 増强吃N熨Pffl一民N沟道 耗尽朋PN 民P沟ifi耗尽枣N战+一*沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理

13、| 一、CMOS反相器的电路结构 设T和T2的开启电压分别为VGSUW和VGS(th)N，令VDDIVGS(th)d+ GS(th)N心NNI静态时，无论勺是高电平还是低电平，两 个管子总是一个导通而另一个截止，即所谓 的互补状态，所以把这种电路结构形式称为 互补对称式金属一氧化物一半导体电路(a)电路TN截止、Tp导通(c)TN导通、Tp截止(1 )VX=VIL=OV时，|,故T2截止，输出电压VOHDD=10VO( (2 )引=VIH=10V时，vGS2= VDDVGS(th)NT2导通，IT】截止。输出电压VOLVoY = A，沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTKGS

14、2=oGS(th)pl故T导通9而GS2=、DDVGS(UI)NEERINGvo0VvoTi#1D9+“DDS沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING(Complementary - Symmetery Metal -Oxide一Semiconductor Circuit,简称CMOS电路)。其特点是静态功耗低，因为截止内阻极高,流过管子的静态电流极小。二、电压传输特性和电流传输特性AB段：Vj IVGS“h)pl故T导通，而丁2截止，输 出电压VDDoCD段沙VDD- IVGS(th)pl VGS(lh)N,lvGS1lDVprBC段：VQMZ

15、NVJVDD+VDFI迅速增大*VITN2中有一个或 全部导通，输出丫为 低电平。2只有当A、B 全为彳氐电平时，Tp和Tp2才会都导通，TM和才会都截止，输 由y才会为高电平。_ 、|CM?S与非门| 常用的有与非门、Y = (A + B)沈阳航空航天大学电子信息工程学院tMOS或非门沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGMOS与或耳田SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING二、带缓冲级的CMOS门电路1面的与非门(或非门)存在的缺点*严输出电阻受输入端状态的影响。假定每个管子的导通电阻相 同，输入端状态的不同，可以使输出电阻

16、相差4倍。?+vDD设每个 MOS 管的导通内阻均为8， 截止内阻R) )FFQ 8,贝|若 A = B = 1,贝 IJRO= RON2+ RON4=2RON; 若 A = B = 0,贝!jR。= RON1/ RON3= Ro” 若A = l, B = (),贝!JRO= RON3= RON;若.4 = 0, B = l,贝!JRO=RONI= RONY=(AB)f)f=ABY=(AB)f)f=ABB Y=(A+B)=A+B由与非门和反相器构成DY=(A B) (C D)7)r=(AB +C D)沈阳航空航天大学电子信息工程学院Y =(A T2沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE E

17、LECTRONIC ENGINEERING输入端工作状态不同时对电压传输特性也有一定的影响。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING为克服这些缺点，在CC4000和74HC系列CMOS电路中 在门电路的每个输入端、输出端增加一级具有标准参数的 反相器（缓冲器）的覆冲级输出的高、 低电平受输入端数 目的影响。输入端数目越多，串联的驱动管数目也越多，输出的低电平当输入全入端越多，负载管并联的数目越多，输出的高电平VOH更高。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING蜡构。注意电路的逻辑功能发 生了变化，与

18、非门是在或非门电路的基础上增加了缓冲器 后得到的:或非门是在与非门的基础上增加了缓冲器以后 得到的。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGY=(A Byy=( (A+Bynnrrn-.JY = (A + Byy = (AB)图 3 3 29 带缓冲级的 CMOS 与非门电路沈 阳航 空航 天图 3.3.30 带缓冲级的 CMOS 或非门电路沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING三、漏极开路输出门电路( (OD门)常用于输出缓冲/驱动器中，或者用于实现输出电平的变 换，以满足吸收大负载电流的需要，

19、此外可以用于实现线与逻 辑。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING五.三态输出的CMOSH电路接在集成电路的输出端，成为输出缓冲器1当ENJ0时，若A=l,则G4、G5的输出同为高电平，截止、T2导通，Y=0；若A=0,贝必4、G5的输出同为低 电平，T导通、丁2截止，Y=loY=A反相器处于正常工作状态。2当ENZ=1时，不论A的状态如何，G。输出高电平而 6 输出低电平，T和T2同时截止，输出呈现高阻态。电路的输出有高阻态、高电平和 低电平3种状态，是一种三态门。Y = (AB)(b)符号D01nu ABi 内部逻辑 (a)电路沈阳航空航天

20、大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.3.6 CMOS电路的正确使用一、输入电路的静电防护*在存储和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工 材料和化纤织物包装，最好釆用金属屏蔽层做包装材料。楽组装、调试时应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等 良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。黑不用的输入端不应悬空。沈阳航空駅天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGCMOS数字电路的特点及使用时的注意事项MOS数字电路的特点CMOS电路的工作速度比TTL电路的低o(2) CMOS带负载的能力比TTL

21、电路强。(3) CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V,抗干 扰能力比TTL电路强。(4) CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有 几个QV,中规模集成电路的功耗也不会超过100MWo(5) CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。(6) CMOS电路适合于特殊环境下工作。(7) CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多 余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.5.1双极型三极管的开关特性3 5 2 TTL反相器的电路结构和工作原理3 5 3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性3 5 4 TTL反相器的动态特性3 5 5其他类型的TTL门电路3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列沈阳航空航天大学电子借息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.5.1双极型三极管的开关特性 、双极型三极管的结构有PNP型和NPN型两种，在工作时有电子和空穴两种载流子参与导也过程，因此被称为双极型三极管。PNP 型3.5TT集电极e发射极NPN 型集电极发射极沈阳航空航天大学电子信息工程学院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERIN