第2章_逻辑门电路--tang2稿

1、第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路2.1 二极管和三极管的开关特性2.2 TTL门电路2.3 CMOS门电路 实现输入逻辑变量与输出逻辑变量之间某种基本逻辑运算或实现输入逻辑变量与输出逻辑变量之间某种基本逻辑运算或复合复合逻辑运算的逻辑运算的电路电路称为逻辑称为逻辑门电路门电路，简称门电路。，简称门电路。 常用的逻辑门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、常用的逻辑门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门和同或门等。与或非门、异或门和同或门等。 逻辑门电路通常是集成电路，分为双极型和逻辑门电路通常是集成电路，分为双极型和MOSMOS 。TTLTTL门和门和CMOSCMOS

2、门特性优良，是集成电路的主流产品门特性优良，是集成电路的主流产品。 在门电路中，晶体管和在门电路中，晶体管和MOSMOS管工作开关状态。管工作开关状态。2.1二极管和三极管的开关特性二极管和三极管的开关特性2.1.1 二极管的开关特性2.1.2 三极管的开关特性逻辑输入信号（高电平或低电平）使门电路中的二极管双极型三极管场效应管工作在开关开关状态导致输出亦为逻辑信号（高电平或低电平）。因此，电子元件的开关特性是实现逻辑门电路的基础电子元件的开关特性是实现逻辑门电路的基础。2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性1二极管的开关作用二极管的开关作用当当 ，二极管截止，等效为开关断开，二极管截止

3、，等效为开关断开0iVvVthBR时，当当 ，二极管导通，二极管导通，等效为开关闭合等效为开关闭合0iVvth时，2 二极管的开关时间二极管的开关时间 由于由于PN结具有等效电容，二结具有等效电容，二极管的通断就伴随着电容的充放极管的通断就伴随着电容的充放电，所以，二极管的通断转换需电，所以，二极管的通断转换需要一定时间。即开关时间。要一定时间。即开关时间。1 1）开通时间）开通时间t tonon：二极管从截止转：二极管从截止转为导通所需的时间。为导通所需的时间。 + v - i RL + Iv- 图图 2.1.2 二极管的开关二极管的开关时间时间 （a） 二极管开关电路二极管开关电路 (b)

4、 二极管的电流波形二极管的电流波形 O O Iv VF -VR IF -IR t t i IS ts tt ton 它由它由2 2段时间组成，即存储时间段时间组成，即存储时间t ts s和渡越时间和渡越时间t tt t t trere=t=ts s+t+tt t。2 2）反向恢复时间）反向恢复时间t trere：二极管从导通：二极管从导通转为截止所需的时间。转为截止所需的时间。3PN结的存储电荷结的存储电荷 正向电压削弱正向电压削弱PNPN结的势垒电结的势垒电场，场，N N区的电子向区的电子向P P区扩散并建立区扩散并建立电子浓度分布电子浓度分布，P P区的空穴向区的空穴向N N区区扩散并建立

5、扩散并建立空穴浓度分布空穴浓度分布。存储电荷：存储电荷：距距PN结越远，电荷浓度越低；结越远，电荷浓度越低；正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。 图图2.1.3 PN结的存储电荷结的存储电荷 + - IF P区区 N区区 n-存储电荷浓度存储电荷浓度 nN电子浓度电子浓度 nP空穴浓度空穴浓度 x距离距离 o LN LP 从截止形成稳定的正向电流的从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间过程就是二极管的导通时间ton 。PNPN结的结的正向导通正向导通过程：过程： 由于浓度不同，穿越由于浓度不同，穿越PN结的结的电荷继续扩散

6、，形成连续的正向电荷继续扩散，形成连续的正向电流。电流。 + - iR P区区 N区区 图图2.1.4 PN存储电荷的驱散存储电荷的驱散 N区的空穴存储电荷被电场赶回到区的空穴存储电荷被电场赶回到P区区P区的电子存储电荷被电场赶回到区的电子存储电荷被电场赶回到N区区 通常，开通时间通常，开通时间ton和反向恢复时间和反向恢复时间tre为为纳秒级纳秒级，tre= ts+ttton , tstt。PN结截止过程：结截止过程：驱散存储电荷的时间就是驱散存储电荷的时间就是存储时间存储时间ts 。 在存储电荷驱散后，在存储电荷驱散后，PN结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到PN结

7、通过反向饱和电流结通过反向饱和电流IS，这段时间就是，这段时间就是渡越时间渡越时间tt。 在反向电压的作用下：在反向电压的作用下：驱散存储电荷，形成反驱散存储电荷，形成反向电流。向电流。所以，所以，二极管的开关时间主要取决于二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间存储电荷的驱散时间ts。2.1.2三极管的开关作用特性三极管的开关作用特性 1. 三极管的开关作用三极管的开关作用电路电路输入特性输入特性输出特性输出特性 ( a ) ( b ) ( c )Vth BEv Bi O VCES CEv Ci O VCC cCCRV 0= =Bi IB4 IB3=IBS IB2 IB1 A B I

8、v CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 当输入电压为低电平，使当输入电压为低电平，使 三极管处于截止状态，三极管处于截止状态，ce之间等效为开关断开。之间等效为开关断开。时，thBEVv 当输入电压为高电平，使当输入电压为高电平，使 ，使三极管工作在输出，使三极管工作在输出特性的特性的B点，处于临界饱和状态。点，处于临界饱和状态。ce之间等效为开关闭合。之间等效为开关闭合。时BSBIi = 在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态，称为开关状态。截止或饱和状态，称为开关状态。CSBSBBIIii=饱和条件：截止条件：0

9、cCCcCESCCCSRVRVVI= Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 表表2.2.1 NPN三极管的工作状态及特点三极管的工作状态及特点工作状态工作状态 截截 止止 放放 大大 饱饱 和和 条条 件件 0 Bi CSBSBIIi= = 0 CSBSBIIi= = PNPN 结偏置结偏置 发射结反偏发射结反偏 集电结反偏集电结反偏 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏 发射结正偏发射结正偏 集电结正偏集电结正偏 集电极电流集电极电流 0 Ci BCii CSBSBIIi= = 集射电压集射电压 图图 2.12.1. .5 5(a)(a) CCCEVv cCCCCER

10、iVv = = VVvCESCE3 . 02 . 0 = = 特特 点点 集射等效电阻集射等效电阻 约为数约为数百百千欧千欧 等效为开关断开等效为开关断开 可变可变 约为数百约为数百欧姆欧姆 等效为开关闭合等效为开关闭合 2 三极管的开关时间三极管的开关时间 三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换需要一定的时间。需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间。三极管

11、的开关时间。Iv CEvCi Bi CCV BEv Rb RcO Iv VIH VIL ICS 0.9ICS t t ts tf td O tr 0.1ICS Ci 设输入电压的高电平设输入电压的高电平VIH和低电平和低电平VIL满足下述条件：满足下述条件：截止饱和thILBEbBSIHVVVRIV 根据集电极电流波形，三极管的开关根据集电极电流波形，三极管的开关时间用下述参数描述：时间用下述参数描述：1)1)延迟时间延迟时间t td d：从正跳变开始到从：从正跳变开始到从0 0上升至上升至0.10.1I ICSCS所需的时间；所需的时间；2)2)上升时间上升时间t tr r：从：从0.1I0

12、.1ICSCS上升至上升至0.9I0.9ICSCS所需的时间；所需的时间；5）开通时间开通时间t tonon：从截止转换到饱和所需的时间，：从截止转换到饱和所需的时间，t tonon=t=td d+t+tr r；6）关闭时间关闭时间toff：从饱和转换为截止所需的时间，：从饱和转换为截止所需的时间，toff=ts+tf。O Iv VIH VIL ICS 0.9ICS t t ts tftd O 0.1ICS Ci tr3)3)存储时间存储时间t ts s：从负跳变开始到从：从负跳变开始到从I ICSCS下降至下降至0.9I0.9ICSCS所需的时间；所需的时间；4）下降时间）下降时间t tf

13、f：从：从0.9I0.9ICSCS下降至下降至0.1I0.1ICSCS所需的时间；所需的时间； 三极管的开关时间一般为三极管的开关时间一般为ns数量级，并且数量级，并且toffton、tstf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。 提高开关速度的方法是：提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流开通时加大基极驱动电流，关断，关断时快速泄放存储电荷。时快速泄放存储电荷。2.2 TTL门电路2.2.1 TTL非门的工作原理2.2.2 TTL非门的特性非门的特性2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门2.2.4 TTL 集电极开路门集电极开路门

14、和三态门三态门*2.2.5 TTL 门电路的产品系列TTL-Transistor Transistor Logic TTL TTL有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或非等逻辑门，它们的工作原理相似。非等逻辑门，它们的工作原理相似。 2.2.1 TTL非门的工作原理非门的工作原理 图图 2.2.1 TTL 非门非门 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1.电路组成电路组成TTL门一般由3级组成：输入级、中间级和输出级输入级、中间

15、级和输出级输入级输入级输入级：信号缓冲输入中间级中间级：输出两个相位相反的倒相信号 中间级输出级输出级输出级：推拉式输出电路，无论输出高电平或低电平，输出级的输出电阻都很低，带负载能力强。2.2.1 TTL非门的工作原理非门的工作原理 图图 2.2.1 TTL 非门非门 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1 1）输入低电平）输入低电平（V VILIL=0.3 V=0.3 V）输入低电平时，输出为高电平。输入低电平时，输出为高电平。2.工作原理工作原理=0110YAYAAY

16、VIL=0.3 V1 V0.4V5 V4.3 3.6VT T1 1深饱和深饱和T T2 2、T T5 5截止截止T T3 3 临界饱和，临界饱和，T T4 4放大，形成射放大，形成射极输出器，输出电阻小。极输出器，输出电阻小。 图图 2.2.1 TTL 非门非门 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 输入高电平输入高电平（VIH=3.6 V）mARVVIBCC131 . 25111=输入高电平，输出为低电平。输入高电平，输出为低电平。 VIH=3.6 V2.1V1.4V0.7

17、V0.3V1V0.3T T2 2、T T5 5饱和饱和T T1 1处于倒置状态处于倒置状态T T3 3放大状态，放大状态，T T4 4截止截止综上所述，输入低电平综上所述，输入低电平时，输出为高电平；输时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低入高电平时，输出为低电平。实现了逻辑非电平。实现了逻辑非AY = 无论输出低电平或是高电平，无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强。而且均很小，带负载能力强。而且T4和和T5总是一个导通、另一个就截总是一个导通、另一个就截止。止。 图图 2.2.1 TTL 非门非门 A VVCC5= = R1

18、3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 3工作速度的提高工作速度的提高输入输入T1T2、T5T3T4输出低电平低电平深饱和深饱和截止截止临界饱和临界饱和放大(射极)高电平高电平倒置放大倒置放大饱和放大截止低电平VIH=3.6 V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.31） vI: VIHVIL ， T1放大 T1吸取吸取T2管饱和时管饱和时的超量存储电荷，使的超量存储电荷，使T2管快速脱离饱和管快速脱离饱和，转换到截止状态。 2） TTL门具有推拉输出级，其输出电阻很小，与分布电容形成的时间常数小，故输

19、出状态转换快输出状态转换快。 2.2.2 TTL非门的特性非门的特性1.电压传输特性电压传输特性截止区截止区ab段段：vI0.5 V。T1饱和，饱和，VC1=+VCES10.6V ,T2、T5截止，截止，T3和和T4组成复合管射极输出器，组成复合管射极输出器，vo=3.6V。线性区线性区bc段段:0.5 V vI 1.1 V。T1饱和，饱和，0.6VVC1=+VCES11.2V , T2处于放处于放大状态，大状态，T5仍然截止，仍然截止，T3和和T4仍然是射极输出器，仍然是射极输出器，vo随随vI线性减少，斜率为线性减少，斜率为T2级的放大倍数：级的放大倍数： 1 . 232=RRdvdvIO

20、 图图2.2. 1 TTL非门非门 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 转转折区折区cdcd段：段：1.2 V1.2 VvI1.3 V1.3 V。T T1 1饱和，饱和，1.3VV1.3VVC1C1= = vI +V+VCES1CES11.4V, 2V2V输出低电平值域输出低电平值域：0.1V0.1V，V VOLmaxOLmax ，V VOLmaxOLmax 0.5V0.5V输入低电平值域：输入低电平值域：0.0V,V0.0V,VILmaxILmax VILmax是对应于输

21、出电平为是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为的输入电平，亦称为关门电关门电平平（T5截止）；截止）；VIHmin是对应于输出电平为是对应于输出电平为VOLmax的输的输入电平，亦称为入电平，亦称为开门电平开门电平（T5饱饱和）。和）。输入高电平值域：输入高电平值域：VVIHminIHmin,5.0V,5.0V适当选择适当选择VOLmax、VILmax、VIHmin 和和VOHmin，获得最佳的噪声容限，获得最佳的噪声容限一个门的输出常常是另一个门的输入，如图2.2.3所示。 G G2 2门门输入低电平输入低电平允许的允许的干扰脉冲幅度为：干扰脉冲幅度为：VNL = VILmax -

22、 VOLmax G G2 2门门输入高电平输入高电平允许的允许的干扰脉冲幅度为：干扰脉冲幅度为：VNH = VOHmin - VIHmin3.输入特性输入特性 输入伏安特性输入伏安特性输入负载特性。输入负载特性。 1)输入伏安特性输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线输入电流与输入电压之间的关系曲线 图图2.2. 1 TTL非门非门 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 当当 （即（即vI=VIL）时，）时，T1发射结导通，发射结导通，T2、T5截止，截止， max0

23、ILIVv ISILccIImARVVi=6 . 13051I IISIS称为输入短路电流称为输入短路电流。VvVIIH5min当当 （即（即vI=VIH）时，）时， T T1 1发射结截止发射结截止，T T2 2、T T5 5饱和，其反向饱和，其反向电流即为高电平输入电流电流即为高电平输入电流I IIH IH , ,约为约为40A40A。当当 随随v vI I增加，即从增加，即从-1.6mA-1.6mA增加至增加至40A40A。IIHIILiVvV时，minmax 1 Ii 2 Iv(V) 4 IIH= 40 A -IIS 0 VIL max Iv Ii -1.0mA -2.0mA 图2.2

24、. 4非门的输入伏安特性非门的输入伏安特性 VIH min 2)输入负载特性输入负载特性 TTL门的输入端与参考电位之间接电阻门的输入端与参考电位之间接电阻R，输入电压与电阻输入电压与电阻之间的关系之间的关系曲线称为输入负载特性。曲线称为输入负载特性。 当电阻当电阻R很小，使很小，使 时，时，maxILIVv A VVCC5= =R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RT1发射结导通，发射结导通，T2、T5截止截止kRRRRRVVvBECCI33 . 4)(11=对应于对应于vI=VIL=0.8V

25、的电阻的电阻称为称为关门（关门（T5截止）电阻截止）电阻Roff。即当即当 时，时，RRoff Ron=2.0k时时T5饱和导通，故称饱和导通，故称Ron为开门电阻。为开门电阻。综述综述: 当当RRon=2.0k时，由上式，时，由上式， ，VvI7 . 1T1集电结导通，集电结导通，T2、T5饱和，限制饱和，限制VvI4 . 1 当当RRon时（包括时（包括R，即输入端悬空），非门输出低电平，即输入端悬空），非门输出低电平，即即等效输入为高电平等效输入为高电平（逻辑（逻辑1）4.输出特性：输出特性：带上负载后，负载电流与输出电压的关系曲线带上负载后，负载电流与输出电压的关系曲线 。1）低电平输

26、出特性）低电平输出特性 图图2.2. 1 TTL 非门非门 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 当输入为高电平（即当输入为高电平（即vI=VIH）时，输出为低电平。）时，输出为低电平。此时，此时， CCV R3 T5 RL Li VOL 非门非门 图图 2.2.2.2.6 6 TTL TTL 门低电平输出等效电路门低电平输出等效电路 T4截止，截止，T2、T5饱和导通，等效电路如图饱和导通，等效电路如图2.2.6。T5可以吸入可以吸入负载电流，称为负载电流，称为灌电流。灌电

27、流。有有低电平输出特性和高低电平输出特性和高电平输出特性输出特性 T5饱和时，其集射极之间的饱和时，其集射极之间的等效电阻小等效电阻小（大约（大约20），），且基本不变，故输出电压随负载电流线性增加且基本不变，故输出电压随负载电流线性增加, 低电平输出低电平输出特性如图特性如图2.2.7所示。所示。 CCV R3 T5 RL Li VOL 非门非门 图图 2.2.2.2.6 6 TTL TTL门低电平输出电路门低电平输出电路 图图 2.2.2.2.7 TTL7 TTL门门低电平输出特性低电平输出特性 VOL(V) Li(mA) 0 20 10 0.2 0.6 ILLmax VOLmax 2）高

28、电平输出特性）高电平输出特性 输入低电平（即输入低电平（即vI=VIL）时，输出高电平。）时，输出高电平。此时，此时，T2、T5截止，截止，T3、T4组成射极输出器组成射极输出器, 等效电路如图等效电路如图2.2.8。T4向负载输出电流，称为向负载输出电流，称为拉电流。拉电流。 图图2.2. 1 TTL非门非门 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 图图 2.2.8 TTL2.2.8 TTL 门高电平输出等效电路门高电平输出等效电路 CCV RL Li VOH 非门非门 T3

29、 T4 R4 100 当当负载电流较小负载电流较小（负载电阻大）时，由于射极输出器输（负载电阻大）时，由于射极输出器输出电阻小，输出电压基本不变。出电阻小，输出电压基本不变。 当当负载电流较大负载电流较大（负载电阻小）时，（负载电阻小）时，R4上的电压较大上的电压较大，使使T3、T4饱和，故输出电压基本上随负载电流线性下降。所饱和，故输出电压基本上随负载电流线性下降。所以，以，R4的作用是限制输出电流的作用是限制输出电流。 图图2.2.2.2.9 9 TTL TTL门门高电平输出特性高电平输出特性 VOH(V) Li(mA) 0 -5 -10 2 4 图图 2.2.8 TTL2.2.8 TTL

30、门高电平输出等效电路门高电平输出等效电路 CCV RL Li VOH 非门非门 T3 T4 R4 100 5.扇出系数扇出系数:驱动相同系列的驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数门的个数称为扇出系数,记为记为N。 图图2.2. 10 非门的扇出系数非门的扇出系数 1 1 1 . . . G1 Ii 当驱动门当驱动门G G1 1输出低电平输出低电平时，负载门的输入电流近似等于输入时，负载门的输入电流近似等于输入短路电流短路电流I IISIS。如果。如果G G1 1吸入的最大低电平电流为吸入的最大低电平电流为I ILLmaxLLmax，则驱动负，则驱动负载门的最大个数为：载门的最大个数为： 1

31、 Ii 2 Iv(V) 4 IIH= 40 A -IIS 0 VIL max Iv Ii -10mA -20mA 图图2.2. 4非门的输入伏安特性非门的输入伏安特性 VIH min 图图2.2.2.2. 7 TTL7 TTL 门低电平输出特性门低电平输出特性 VOL(V) Li(mA) 0 20 10 0.2 0.6 ILLmax VOLmax ISLLLIINmax= 当驱动门当驱动门G1输出高电平输出高电平时，负载门的输入电流近似等于高时，负载门的输入电流近似等于高电平输入电流电平输入电流IIH。如果。如果G1输出的最大高电平电流为输出的最大高电平电流为ILHmax，则驱，则驱动负载门的

32、最大个数为：动负载门的最大个数为：IHLHHIINmax=扇出系数为：扇出系数为：例如，例如，74H系列门电路的参数：系列门电路的参数：IIS=1.6mA, IIH=0.04mA, ILLmax=16mA, ILHmax=0.4mA,则则=ISLLIHLHLHIIIINNNmaxmax,min,min106 . 116,04. 04 . 0min,minmaxmax=ISLLIHLHIIIIN6.传输延迟时间传输延迟时间1 A Y A Y t PHL t PLH 50% 50% (1)输出高电平转换为低电平的传输延迟时间输出高电平转换为低电平的传输延迟时间tPHL： - 从输入上升沿幅值的从输

33、入上升沿幅值的50%对应的时刻起，到输出下降对应的时刻起，到输出下降沿幅值的沿幅值的50% 对应的时刻止所需的时间。对应的时刻止所需的时间。 在在tPHL期间，期间，T5管由截止转换到饱和，管由截止转换到饱和，主要对应于主要对应于T5管管的开通时间。的开通时间。2PLHPHLpdttt=(2)输出低电平转换为高电平的传输输出低电平转换为高电平的传输延迟时间延迟时间tPLH：-从输入下降沿幅值的从输入下降沿幅值的50%对应的对应的时刻起，到输出上升沿幅值的时刻起，到输出上升沿幅值的50% 对应的时刻止所需的时间。对应的时刻止所需的时间。 (3)平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd： 在在tPL

34、H期间，期间，T5管由饱和转换到管由饱和转换到截止，截止，主要对应于主要对应于T5管的关断时间管的关断时间。所以，所以，tPLH大于大于tPHL。2.2.3 TTL与非门与非门/或非门或非门/与或非门与或非门1TTL与非门与非门 图图 2.2.12 TTL 与非门与非门 (a) 电路电路 (b) 多发射极三极管等效电路多发射极三极管等效电路 （c）输入级等效电路）输入级等效电路 A B VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 b1 T2 T3 T4 T5 c1 A B T1 b1 c1 c1 b1 (a) (b) （c） A B c1 VV

35、CC5= = R1 3k X X 当当A A、B B都是高电平时都是高电平时，T T1 1的个发射结都截止，的个发射结都截止，T T2 2、T T5 5饱饱和，输出低电平；和，输出低电平； 当当A A、B B中任何一个为低电平中任何一个为低电平时，时，T T1 1中与低电平相连的发射中与低电平相连的发射结导通，结导通，T T2 2、T T5 5截止，输出高电平；电路实现与非逻辑。截止，输出高电平；电路实现与非逻辑。ABY =X=AB PNN2TTL或非门或非门 图图2.2.13 TTL 或非或非门门 A R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T

36、4 T5 T1 B T2 R?1 3k VVCC5= = (3)当当A为高电平时为高电平时，T1的发射结截止，的发射结截止，T2、T5饱和，饱和，输出低电平；输出低电平； (1) 当当A、B都是低电平时，都是低电平时，T1和和T1的发射结都导通，的发射结都导通，T2 、T2和和T5截止，输出高电平；截止，输出高电平； (2) 当当B为高电平时为高电平时，T1的发射结截止，的发射结截止，T2、T5饱和，输出饱和，输出低电平；低电平； (4)当当A和和B都为高电平都为高电平时，时，T1和和T1的发射结都截的发射结都截止，止，T2、T2、T5饱和，输饱和，输出低电平。出低电平。 电路实现或非逻辑电路

37、实现或非逻辑BAY=3TTL与或非门与或非门 图图 2.2.13 TTL 或非或非门门 A R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 B T2 R1 3k VVCC5= = 图图 2.2.14 TTL 与与或非门或非门 A B R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 C D T2 R1 3k VVCC5= = X Z BAY= 或非门电路比较可知，或非门电路比较可知， T1和和T1改为多发射极改为多发射极三极管，分别实现三极管，分别实现X=AB、Z=CD。所以。所以

38、:CDABZXY=2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门 图图 2.2.15 TTL 与非门与非门并联并联 - 电路烧坏电路烧坏！ A B VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 C D VVCC5= = R1 3k R4 100 X R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 G1 G2 AB=0CD=1普通TTL门输出端不能并联！ 实际中希望并联。因为通过并联可以扩展或增强的路的功能。TTL 集电极开路门和三态门的输出端可以并联。集电极开路门和三态门的输出端可以并联

39、。 符号符号“”表示集电极开路表示集电极开路, OC门正常使用时，门正常使用时，必须外接电必须外接电阻阻R，与，与T5形成反相器。整个电路实现与非逻辑功能形成反相器。整个电路实现与非逻辑功能ABY = OC OC与非门输出端可以并联，如图（与非门输出端可以并联，如图（b b）。只有）。只有Y Y1 1和和Y Y2 2同时为同时为高电平时，高电平时，Y Y才为高电平，即才为高电平，即Y= YY= Y1 1Y Y2 2，OCOC门的并联线实现门的并联线实现逻辑逻辑与与，简称为，简称为线与线与。所以。所以CDABCDABYYY=211.集电极开路门（集电极开路门（OC门门) )图图2.2.18 OC

40、 与非门外接电阻的计算与非门外接电阻的计算 当当OC输出高电平时，输出输出高电平时，输出电流为电流为IOH（等于（等于T5管的穿透电管的穿透电流流）,负载门输入电流为负载门输入电流为IIH, 上拉电阻上拉电阻R的计算的计算（1）当输出高电平时，）当输出高电平时， R不能太大。不能太大。R为最大值为最大值时时要保证输出电压为要保证输出电压为VOHmin。 设设n为为OC门并联个数；门并联个数； m为为负载门的总输入端数；负载门的总输入端数；VCC-VOH（min）= ( nI0H +mIIH)RL由：由：IHminOHmax+=mInVVRIOHCC)(-得：得：n+V&IIHVOH11

41、mLRCC&IOHIOHOC门截止时的电流 当当OC门输出低电平时，灌入一个门输出低电平时，灌入一个OC 门的电流不超过其最门的电流不超过其最大允许值大允许值IOLmax。此时负载门的输入电流近似为输入短路电流。此时负载门的输入电流近似为输入短路电流-IIS,maxminRRR（2）当输出低电平时当输出低电平时 故：故： R不能太小。不能太小。R为最小值为最小值时要保证输出电压为时要保证输出电压为VOLmax。所以：所以： 当线与当线与OC门中一个导通其余截止。门中一个导通其余截止。VOLmax=VCC-IRR=VCC-（IOLmax-mIIS)RmOC门导通时的灌电流图2.2.18

42、计算R最小值示意图IIL1n+V&VOLIR&mLRCC&IOLmaxISO LO LCCm IIVVR-maxmaxmin=2. 三态三态TTL门门 图图 2.2.19 TTL TSL 与非门与非门 A B VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 EN R6 3k R7 T6 T7 T8 TSL钳位电路钳位电路 & EN & EN (a) (b) (c) 三态门三态门,简称为简称为TSL门（门（Tristate Logic）。它的输出除了常）。它的输出除了常规的规的高高电平电

43、平、低、低电平外电平外，还有，还有高阻高阻抗状态。抗状态。当当使能输入端使能输入端 EN=1(EN=1(高电平高电平) )时，时，T T7 7饱和，饱和，T T8 8截止：截止：ABABENABY=1“”表示表示3态输出态输出1饱和0.3V截止 当当EN=0(低电平低电平)时时，T7截止截止，T8饱和，导致饱和，导致T3、T4、T2和和T5截止截止，输出电阻大，即为，输出电阻大，即为高阻态高阻态，记为，记为X。 图图 2.2.19 TTL TSL 与非门与非门 A B VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 EN R

44、6 3k R7 T6 T7 T8 TSL钳位电路钳位电路 & EN & EN (a) (b) (c) 0饱和0.3V 截止饱和0.3V截止截止TSL门的应用门的应用 X1XnijXXjji=EN=1，G1工作，工作，DO输入到总线。输入到总线。EN=0， G2工作，总线向共功能电路工作，总线向共功能电路 输入信息。输入信息。*2.2.5 TTL 门电路的产品系列1、TTL门的产品系列号为：74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、 74AS/54AS和74ALS/54ALS。2、在系列号后的数字则是品种代号，品种代号相同的门功能相同。例如，7400和74H

45、00都是2输入与非门，仅是系列不同。3、而74和54系列的区别仅是工作温度和电源电压的变化范围不同，其他相同。 74系列的工作环境温度规定为070 oC 电源电压的工作范围是5V5% 54系列的工作环境温度规定为-55-+125 oC 电源电压的工作范围是5V10% 说明54系列比74系列性能好。 表2.2.2 不同系列TTL门的特性比较74/5474H/54H74S/54S74LS/54LS74AS/54AS74ALS/54ALS平均传输时间tpd (nS)1064101.54每门功耗P(mW)1022.5202201延时功耗积(nSmW)1001358020304不同系列TTL门的特性和电

46、路见教材和手册2.3 CMOS门电路门电路2.3.1 MOS管的开关特性2.3.2 CMOS反相器的工作原理2.3.3 CMOS反相器的特性2.3.4 CMOS与非门/或非门2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门*2.3.6 BiCMOS 门电路 由于CMOS和BiCMOS门电路性能优秀，成为门电路的主流产品。本节主要介绍CMOS门电路，然后简要介绍BiCMOS门电路。 同时包含NMOS管和PMOS管的门电路称为互补对称MOS门电路，即CMOS门电路。 CMOS工艺与双极型工艺相结合形成的门电路称为BiCMOS门。 2.3.1 MOS管的开关特管的开关特1NMOS管的开关特性管的开关特性

47、 为了使为了使P型衬底和源区及漏区间的型衬底和源区及漏区间的PN结结截止截止，P型衬底必须型衬底必须接电位最低的节点（通常是接电位最低的节点（通常是NMOS管的源极）。管的源极）。 在很多情况下，在很多情况下，P型衬底直接接电位最低的节点，而不与源型衬底直接接电位最低的节点，而不与源极相连，这时漏极与源极可以互换使用。极相连，这时漏极与源极可以互换使用。 图 2.3.1 NMOS 管的结构、电路符号、转移特性和输出特性 N+ P 型衬底 S G D -GSv+ N+ - DSv + VTN GSv Di(mA) O DSv Di(mA) O TNV3 TNV5 . 2 TNV2 TNV Di

48、D G S B Di B SiO2 1 4 IDN 截止区 可变电阻区 D G S Di 标准符号 简化符号 2.3.1 MOS管的开关特管的开关特1NMOS管的开关特性管的开关特性 图 2.3.1 NMOS 管的结构、电路符号、转移特性和输出特性 N+ P 型衬底 S G D -GSv+ N+ - DSv + VTN GSv Di(mA) O DSv Di(mA) O TNV3 TNV5 . 2 TNV2 TNV Di D G S B Di B SiO2 1 4 IDN 截止区 可变电阻区 D G S Di 标准符号 简化符号 当 时,无导电沟道，源漏之间2个背靠背的PN结总有一个截止 (n

49、A级)，DS之间的截止电阻可达108量级，等效为开关断开。 TNGSVvTNGSVvDSv0Di 当 时, P型衬底中的电子受栅极上正电荷的吸引在栅极下形成导电层，连接个2个N+岛形成N型导电沟道，在 的作用下形成电流， (mA),工作在可变电阻区，等效为开关闭合。TNDSTNGSTNGSONVvVvVvKR=,)(21K是常数，与沟道的宽长比和半导体材料有关。Ron约为1k。可变电阻区导通电阻与 vGS成反比 图 2.3.2 NMOS 管的开关特性 D G S R Iv VDD=5V Ov CL 电容放电 电容充电 Iv Ov 因为因为Ron约为1k。为确保输出电压小于为确保输出电压小于0.

50、3V（低电平），（低电平），电阻电阻R必须大于必须大于20k。 当当 时，时，NMOS管导通，电容放电，时间常数管导通，电容放电，时间常数达达nS级。级。TNIHIVVv= 当当 时，时，NMOS管截止，电容充电，充电时间管截止，电容充电，充电时间常数大于放电时间常数，达常数大于放电时间常数，达100nS左右左右,故输出的上升沿比下降故输出的上升沿比下降沿慢。沿慢。TNILIVVv=2PMOS管的开关特性管的开关特性 PMOSPMOS管的特性亦与管的特性亦与NMOSNMOS管相似。区别是，开启电压管相似。区别是，开启电压V VTPTP为为负值，即栅极电位低于源极电位负值，即栅极电位低于源极电位

51、|V|VTPTP|,PMOS|,PMOS管导通管导通, ,否则截止。否则截止。源极电位高于漏极电位，形成流出漏极的导通电流。源极电位高于漏极电位，形成流出漏极的导通电流。N N型衬底型衬底必须接电位最高的节点（通常是必须接电位最高的节点（通常是PMOSPMOS管的源极）。管的源极）。2.3.2 CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理 当当 时，时， ， NMOS管截止管截止，PMOS导通导通（可变电阻区）。即（可变电阻区）。即 ， ，输出高电平输出高电平0=IvDDGSPGSNVvv= ，0810NR310PR 当当 时，时， ，NMOSNMOS管导通管导通（可变电（可变电阻区），阻区），P

52、MOSPMOS截止截止。即。即 ， ，输出低电平输出低电平DDIVv =0=GSPDDGSNvVv，310NR810PR综上所述，电路实现逻辑非综上所述，电路实现逻辑非AY =DDDDPNNOVVRRRv=0=DDPNNOVRRRvTNTPTNDDVVVV2=IGSNvv=DDIGSPVvv=DDPNNOVRRRv=电源电压：由电路，得2.3.3 CMOS反相器的特性反相器的特性 1电压传输特性电压传输特性 ab段：段： ,TNIVv TPGSPTNGSNVvVv，,TN截止截止,TP导通导通 , DDOVv de段：段： |,|TPDDIVVvTPGSPTNGSNVvVv，,TN导通导通,T

53、P截止截止, 0Ovbcd段：段： TPGSPTNGSNVvVv，,TN和和TP都导通都导通,|,|TPDDITNVVvV导通电阻与栅源电压的绝对值成反比。导通电阻与栅源电压的绝对值成反比。 vI增加，使增加，使 增加，增加， 的绝对值减小的绝对值减小，导致，导致RN减小减小，RP增大。因增大。因此，此，vI增加使增加使vo减小。减小。 )(IGSNvv=)(DDIGSPVvv=DDPNNOVRRRv=当 DDIVv21=时，DDGSPGSNVvv21|=PNRR =DDOVv21=传输特性的中点c ，阈值电压为VDD/2。CMOS门的输入噪声容限大，近似为：DDNLNHVVV%30= 在中点

54、，电源到地的等效电阻最小，电源电流最大，这正是产生动态尖峰电流的原因。转折区电压变化率大，可以作为放大器。2输入伏安特性输入伏安特性增加输入保护等电路，即构成实际的增加输入保护等电路，即构成实际的CMOS门电路。门电路。 当当 时，时，D1导通，输入电流等于其导通电流，导通，输入电流等于其导通电流，MOS管栅极电位近似等于管栅极电位近似等于VF+VDD； FDDIVVv 设设VF是二极管的正向导通电压，则是二极管的正向导通电压，则当当 时时 ，FDDIFVVvV二极管截止，输入电流近似等于零，二极管截止，输入电流近似等于零，MOS管栅极电位等于输入电压管栅极电位等于输入电压 当当 时，时，D2

55、导通，输入电流等于其导通电流，导通，输入电流等于其导通电流，MOS管管栅极电位近似等于栅极电位近似等于-VF。 FIVv因此，因此，MOS管栅极电位被限制在管栅极电位被限制在-VF，VDD+VF3输出特性输出特性（1）低电平输出特性）低电平输出特性DSOLvV=DLii = 当电源电压改变时，TN的栅源电压变化，所以，绘出了多只曲线。 输入高电平（vI= VDD）时，输出为低电平。此时，TP截止，TN导通。低电平输出特性是低电平输出特性是TN的输出特性的输出特性（2）高电平输出特性）高电平输出特性 输入低电平（即vI= 0V）时，输出为高电平。此时，TP导通，TN截止。DDDSOHVvV=DL

56、ii =高电平输出特性是高电平输出特性是TP 的输出特性的输出特性 当电源电压改变时，输出高电平向上平移，所以，绘出了多只曲线。CMOS门的其他特性与TTL门类似（只是参数不同），不再赘述。2.3.4 CMOS与非门与非门/或非门或非门 CMOS逻辑同样可以实现各种逻辑功能的门(与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、漏极开路门等) 1CMOS与非门与非门 当A=B=1时，TN1和TN2导通，TP1和TP2截止，输出低电平，Y=0。 当输入有一个为低电平时，栅极接低电平的NMOS管截止、PMOS管导通，输出高电平，Y=1。ABY =1CMOS与非门与非门2. CMOS或非门或非门

57、 当输入全为低电平，即（A=B=0）时，TN1和TN2截止，TP1和TP2导通，输出高电平，Y=1。 当输入有高电平时，栅极接高电平的NMOS管导通、PMOS管截止，输出低电平，Y=0。BAY=3. 带缓冲级的带缓冲级的CMOS与非门与非门 在与非门中，由于PMOS管并联，NMOS管串联，致使输出电阻在高低电平时输出电阻不同，并且抬高了低电平电位。 为了克服这些缺点，在每个输入端、输出端各增设一级反相器组成带缓冲级的CMOS与非门 。ABBAXY=2.3.5 CMOS 传输门传输门/三态门三态门/异或门异或门1. CMOS 传输门传输门 门电路只能将数字信号从输入端传递到输出端，而传输门电路只能将数字信号从输入端传递到输出端，而传输门则可进行门则可进行双向传递双向传递。 当控制信号当控制信号C=0时，时， 。NMOS和和PMOS管均截止，管均截止，输入端与输出端断开。输入端与输出端断开。1=C当当C=1时，时， ，NMOS和和PMOS管总有一管总有一个导通，可以传递双向电个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合。流，等效为开关闭合。0=C2.3.5 CMOS 传输门传输门/三态门三态门/异或门异或门1. CMOS 传输门传输门当当C=1时，时， ，NMOS和和PMOS管总有一管总有一个导通，可以传递双向电个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合。流，等效为开