第三章门电路

1、第三章第三章 门电路门电路3.1 概述概述 集成电路集成电路(Integrated Circuit)就是将所有的元件和连线都制作在同一就是将所有的元件和连线都制作在同一块半导体基片块半导体基片(芯片芯片)上。上。集成电路分模拟和数字两大类。集成电路分模拟和数字两大类。在数字集成逻辑电路中，常以在数字集成逻辑电路中，常以“门门”为最小单位。我们可按其为最小单位。我们可按其“集成集成度度”(一定大小的芯片上所含门的数量多少一定大小的芯片上所含门的数量多少)分成：分成：小规模集成电路小规模集成电路(SSI：Small Scale Integrating)，一块芯片上含，一块芯片上含150个门。个门。

2、中规模集成电路中规模集成电路(MSI：Medium Scale Integrating),一块芯片上含一块芯片上含50100个门。个门。 大规模集成电路大规模集成电路(LSI：Large Scale Integrating),一块芯片上含一块芯片上含10010000个门。个门。 超大规模集成电路超大规模集成电路(VLSI：Very Large Scale Integrating),一块芯片一块芯片上含上含104106个门。个门。 Intel做出做出45纳米一个门，正在研制纳米一个门，正在研制20纳米一个门纳米一个门的芯片，极限的芯片，极限9纳米一个门。纳米一个门。摩尔定律的基本内容是：集成电路

3、的集成度每摩尔定律的基本内容是：集成电路的集成度每18个月就翻一番，特征个月就翻一番，特征尺寸每尺寸每3年缩小年缩小1/2。计算机界对于摩尔定律的两点推论是：计算机界对于摩尔定律的两点推论是： 微处理器的性能每隔微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降了一半。用一个月提高一倍，而价格下降了一半。用一美元所能买到的计算机性能，每隔美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两番。个月翻两番。 集成逻辑门是以双极型晶体管集成逻辑门是以双极型晶体管(电子和空穴两种载流电子和空穴两种载流子均参与导电子均参与导电)为基础的，称为双极型集成逻辑门电路。为基础的，称为双极型集成逻辑门电路。它主要有下列几种

4、类型：它主要有下列几种类型： 晶体管晶体管晶体管逻辑晶体管逻辑(TTL：Transistor-Transistor Logic)； 高阈值逻辑高阈值逻辑(HTL：High Threshold Logic)； 射极耦合逻辑射极耦合逻辑(ECL：Emitter Coupled Logic)； 集成注入逻辑集成注入逻辑(I2L：Integrated Injection Logic)。 集成逻辑门是以单极型晶体管集成逻辑门是以单极型晶体管(只有一种极性的载流只有一种极性的载流子：电子或空穴子：电子或空穴)为基础的，称为单极型集成逻辑门电路。为基础的，称为单极型集成逻辑门电路。目前应用得最广泛的是金属目

5、前应用得最广泛的是金属氧化物氧化物半导体场效应管逻半导体场效应管逻辑电路辑电路(MOS：Metal Oxide Semiconductor)。MOS电电路又可分为：路又可分为： PMOS(P沟道沟道MOS)； NMOS(N沟道沟道MOS)； CMOS(PMOSNMOS互补互补)。在逻辑门电路中：在逻辑门电路中：正逻辑用高电平表示正逻辑用高电平表示1，低电平表示，低电平表示0状态。状态。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状态。状态。CMOS门用正逻辑，门用正逻辑，PMOS用负逻辑。用负逻辑。单开关电路单开关电路互补开关电路互补开关电路基本开关电路基本开关电路3.2二

6、极管门电路二极管门电路 半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOS管管都用在都用在开关开关状态。状态。二极管的开关特性：二极管的开关特性：导通导通=短路，有短路，有0.7V压降，压降，截止截止=断路，电阻断路，电阻=1二极管与门二极管与门 二极管与门由二极二极管与门由二极管和电阻组成，管和电阻组成，Vcc=5V，A、B输入高输入高电平为电平为VIH=3V、低电平、低电平VIL=0V， 二极管导通压降二极管导通压降VD=0.7V。 A、B中只要有一个中只要有一个是低电平，必有一个二是低电平，必有一个二极管导通，使输出钳位极管导通，使输出钳位为为0.7V，逻辑，逻辑0。 A、B同时为同时为

7、1，两个二，两个二极管都截止，输出极管都截止，输出3.7V ，逻辑逻辑1。 Y=ABA/VB/V Y/V003303030.70.70.73.7二极管与门的逻辑电平和真值表二极管与门的逻辑电平和真值表ABY00110101000100.7V113.7V2二极管或门二极管或门 二极管或门由二极管二极管或门由二极管和电阻组成，和电阻组成，Vcc=5V，A、B输入高为输入高为VIH=3V、低电、低电平平VIL=0V。 A、B中有一个是高电中有一个是高电平，输出端电位为平，输出端电位为2.3V，逻辑逻辑1； A、B同时为低电平时，同时为低电平时，输出才是输出才是0。 Y=A+BA/V B/VY/V00

8、33030302.32.32.3 二极管或门的逻辑电平二极管或门的逻辑电平ABY00110101011132.3V000V3.3 CMOS门电路门电路1MOS管的开关特性管的开关特性 金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管作半导体场效应晶体管作为开关器件为开关器件1）MOS管工作原理管工作原理 在漏极和源极之间加电压在漏极和源极之间加电压vDS，令，令栅、源极间的电压栅、源极间的电压VGS=0，漏极、源极，漏极、源极间相当于两个间相当于两个PN结反向串联，结反向串联，D-S间间不导通，不导通，iD=0。 在栅源之间加正电压在栅源之间加正电压VGS，VGS大大于于VGS(th)时，形成一个时

9、，形成一个N型的反型层，型的反型层，D-S间的导电沟道形成。间的导电沟道形成。VGS升高，导升高，导电沟道的截面积加大，电沟道的截面积加大，iD增加增加。VGS控控制制iD的大小。的大小。 SiO2绝缘层电阻绝缘层电阻1012欧姆，没有欧姆，没有iG电电流流 2）MOS管的输出特性管的输出特性 栅极电流等于栅极电流等于0，没有输入特性，没有输入特性曲线。曲线。 漏极输出特性曲线分为三个工作漏极输出特性曲线分为三个工作区区 a)截止状态：当截止状态：当 VGSVGS(th)，漏，漏源之间没有导电沟道，源之间没有导电沟道，iD0，D-S间的内阻非常大，间的内阻非常大，109，开关断开。开关断开。V

10、GSVGS(th)，出现导电沟道，出现导电沟道，iD产生，分成两个区。产生，分成两个区。 VGS一定时，一定时，iD与与VDS之比近似为常数，之比近似为常数，具有线性电阻的性质，称为可变电阻区。具有线性电阻的性质，称为可变电阻区。在在VDS0时，导通电阻时，导通电阻RON和和VGS的关系：的关系：表明当表明当VGSVGS(th)，RON近似地与近似地与VGS成反比，成反比， 若要若要RON小，取小，取VGS大。大。在恒流区，在恒流区，iD大小由大小由VGS决定，决定，VDS的变化对的变化对iD的影响很小。的影响很小。iD与与VGS的关系：的关系：)(21|)(0thGSGSDSvONVvKR2

11、)() 1(thGSGSDSDVvIi其中其中IDS是是VGS=2 VGS(TH)时的时的iD值。值。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，关系的曲线称为转移特性曲线，在恒流区在恒流区VDS对转移特性的影响不大。对转移特性的影响不大。了解了解3）MOS管的开关等效电路管的开关等效电路 MOS管截止时漏、源之间的内阻管截止时漏、源之间的内阻ROFF非常大，开关断开；非常大，开关断开； MOS管导通时内阻管导通时内阻RON大约大约1k，阻值，阻值较小，与较小，与VGS有关，开关闭合。有关，开关闭合。 CI代表栅极电容，几皮法

12、。代表栅极电容，几皮法。P沟道增强型沟道增强型MOS管的结构管的结构2CMOS反相器反相器1）电路结构）电路结构T1是是P沟道增强型沟道增强型MOS管，管，T2是是N沟道增强型沟道增强型MOS管，管，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于电路正常工作必须满足于 VDD VGS(th)N+|VGS(th)p|。当当vI=VIL=0时，时，|VGS1|=VDD|VGS(th)p|； VGS2=0 VGS(th)N；T1导通，内阻小；导通，内阻小；T2截止，内阻大。截止，内阻大。输出高电平输出高电平VOHVDD当当vI=VOH=VDD时，

13、时，VGS1=0VGS(th)N；T1截止，截止，T2导通，导通，输出低电平输出低电平VOL0T1和和T2总是工作在一个导通一个截止的状态，互补状态，总是工作在一个导通一个截止的状态，互补状态，静态静态功耗低功耗低。CMOS互补对称式金属互补对称式金属-氧化物氧化物-半导体电路。半导体电路。0VDD2）电压传输特性和电流传输特性）电压传输特性和电流传输特性设设VDD VGS(th)N+|VGS(th)p|，且，且VGS(th)N=|VGS(th)p|，T1和和T2具有同样的导通内阻具有同样的导通内阻RON和截止内阻和截止内阻ROFF。AB段：段：vI|VGS(th)p| T2截止，分压结果输出

14、高电平，截止，分压结果输出高电平，vo=VOHVDDCD段：段：vIVDD-|VGS(th)p| 使使|VGS1|VGS(th)N T2导通导通vo=VOL0。BC段：段：VGS(th)N vIVGS(th)N ，|VGS1|VGS(th)p| 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，将电压传输特性转折区的中点称为电压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，接近理想开电压传输特性转折区曲线陡峭，接近理想开关特性。关特性。VGS(th)NVGS(th)p 电流传输特性：电流传输特性：

15、AB段：段：T2截止截止 CD段：段：T1截止，截止， 漏极电流几乎为漏极电流几乎为0； BC段段T1、T2同时导通，有同时导通，有iD 流过流过T1、T2，在，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。3）输入噪声容限）输入噪声容限 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，允许输入信号的不变的条件下，允许输入信号的高、低电平有一个波动范围。高、低电平有一个波动范围。输入高电平的噪声容限输入高电平的噪声容限 VNH=VOH(min)-VIH(min)输入低电平的噪声容限输入低电平的噪声容限 VNL=VIL(max)-VOL

16、(max) 规定规定VOH(min)= VDD -0.1V ， VOL(max)= VSS+0.1V。 VSS是是N沟道沟道MOS管的源极电位，管的源极电位，源极接地，源极接地， VOL(max)= 0.1V。 测试结果在输出高、低电平的变化不大于限定的测试结果在输出高、低电平的变化不大于限定的10% VDD情况下，输入信号情况下，输入信号高、低电平允许的变化量大于高、低电平允许的变化量大于30% VDD，得到，得到VNH =VNL=30% VDD。VDD越高，越高，噪声容限越大。噪声容限越大。0VOH(min)VIH(min)01VOL(max)VIL(max)1VNH、VNL随随VDD变化

17、曲线变化曲线不同不同VDD下的电压传输特性下的电压传输特性CMOS反相器输入噪声容限与反相器输入噪声容限与VDD的关系的关系3传输延迟时间传输延迟时间 输出电压变化落后于输入输出电压变化落后于输入电压变化的时间。电压变化的时间。 输出高电平跳变低电平的输出高电平跳变低电平的传输延迟时间传输延迟时间tPHL 输出低电平跳变高电平的输出低电平跳变高电平的传输延迟时间传输延迟时间tPLHCMOS电路的电路的tPHL、tPLH是相等的是相等的平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd=1/2(tPHL+tPLH) tpd是是几几ns量级量级tPHLtPLH4CMOS与非门与非门CMOS或非门或非门与非逻

18、辑与非逻辑A BY0 00 11 01 1111001110或非逻辑或非逻辑A BY0 00 11 01 11000100015漏极开路输出门电路漏极开路输出门电路 （OD门）门） OD门输出电路是一个漏极开门输出电路是一个漏极开路的路的N沟道增强型沟道增强型MOS管管TN，OD门工作时输出端必须经上拉电阻门工作时输出端必须经上拉电阻接电源，满足接电源，满足 ROFFRLRON。 TN截止时截止时vO=VOHVDD2 TN导通时导通时vO=VOL0。 VDD2选为不同于选为不同于VDD1的数值，的数值，可以将输入高、低电平可以将输入高、低电平VDD1/0V变变换为输出高、低电平换为输出高、低电

19、平VDD2/0V。1110001线与逻辑：将几个线与逻辑：将几个OD门的输门的输出端直接相连，实现线与出端直接相连，实现线与逻辑。逻辑。 当当Y1或或Y2任何一个为低电任何一个为低电平时，平时，Y都为低电平；都为低电平； 只有只有Y1、Y2同时为高电平，同时为高电平，Y才为高电平。才为高电平。 Y=Y1Y2 CDABCDABYY1Y2GHCDABGHCDAB 当所有当所有OD门截止，漏电门截止，漏电流流IOH和负载门高电平输入电和负载门高电平输入电流流IIH流过流过RL 要求保证输出高电平不低要求保证输出高电平不低于于VOH VDD-(nIOH+mIIH)RLVOH RL(max)= (VDD

20、- VOH)/(nIOH+mIIH)外接电阻的计算方法：外接电阻的计算方法：n是并联是并联OD门的数目，门的数目，m是负载门电路高电平输入电流的数是负载门电路高电平输入电流的数目。目。 当输出为低电平，并联当输出为低电平，并联OD门中只有一个门的输出门中只有一个门的输出MOS管管导通，负载电流全流入导通管，导通，负载电流全流入导通管，为保证负载电流不超过输出为保证负载电流不超过输出MOS管允许的最大电流，管允许的最大电流，RL不能太小。不能太小。 最大负载电流最大负载电流IOL(max) ， 低电平输入电流低电平输入电流IIL(VDD- VOL)/ RL+m|IIL|IOL(max) RL(m

21、in)= (VDD- VOL)/ (IOL(max) -m|IIL|)m是负载门低电平输入电流的数目，负载门为是负载门低电平输入电流的数目，负载门为CMOS门电路，门电路，m=m取取RL(max)RLRL(min)10IOL(max)IIL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时允许的最大负载电流时允许的最大负载电流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)= (V

22、DD- VOH)/(nIOH+mIIH)=(5-4.4)/(3510-6+610-6)=28.6kRL(min)= (VDD- VOL)/ (IOL(max) -m|IIL(max)|)=(5-0.33)/(5.210-3-610-6)=0.9k28.6kRL0.9k6.CMOS传输门传输门T1是是N沟道增强型沟道增强型MOS管，管，T2是是P沟道增强型沟道增强型MOS管，管， T1和和T2的源极和漏极结构上完全对的源极和漏极结构上完全对称，栅极引出端在中间，称，栅极引出端在中间，T1和和T2源极和源极和漏极相连作为传输门的输入和输出端，漏极相连作为传输门的输入和输出端，C和和C是一对互补的控

23、制信号。是一对互补的控制信号。 传输门的一端接输入正电压传输门的一端接输入正电压vI，另，另一端接负载电阻一端接负载电阻RL,设控制信号设控制信号C、C的的高电平高电平VDD、低电平、低电平0V；当当C=0，C=1时，输入信号时，输入信号vI的变化范围不超过的变化范围不超过0-VDD，T1和和T2同时截止。同时截止。输入与输出间高阻态输入与输出间高阻态(109)，传输门截止。，传输门截止。01当当C=1，C=0时，时，RL T1、T2的导通电阻，的导通电阻，0vI VDD - VGS(TH)N，T1导通；导通；|VGS(TH)p|vI VDD，T2导通。导通。 vI在在0- VDD之间变化时，

24、之间变化时，T1和和T2至少有一个是导通的，至少有一个是导通的，vI与与vo之间呈低阻态之间呈低阻态(1k)，传，传输门导通。输门导通。由于由于T1、T2结构是对称的，漏极和源结构是对称的，漏极和源极可以互用，因此极可以互用，因此CMOS传输门是双传输门是双向器件，输入端和输出端也可以互易向器件，输入端和输出端也可以互易使用。使用。10VDD01 用用CMOS传输门和传输门和CMOS反相器可反相器可以构成各种复杂的逻辑电路，构以构成各种复杂的逻辑电路，构成异或门：成异或门：当当A=1、B=0时，时，TG1截止、截止、TG2导导通，通， ；当当A=0、B=1时，时，TG1导通、导通、TG2截截止

25、，止，Y=B=1；当当A=B=0时，时，TG1导通、导通、TG2截止，截止， Y=B=0；当当A=B=1时，时，TG1截止、截止、TG2导导通，通， ；异或逻辑异或逻辑Y=A BA BY0 00 11 01 1011010011 BY0 BYB 7.三态输出的三态输出的CMOS门电路门电路 三态输出门的输出有高、低电三态输出门的输出有高、低电平和高阻态。平和高阻态。 三态门总是接在集成电路的输出三态门总是接在集成电路的输出端，称为输出缓冲器，端，称为输出缓冲器，三态控制端三态控制端 。 ，A=1，G4、G5的输出同时为高电的输出同时为高电平，平，T1截止、截止、T2导通导通Y=0；A=0，G4

26、、G5的输出同时为低电的输出同时为低电平，平，T1导通、导通、T2截止截止Y=1。Y=反相器正常工作。反相器正常工作。0EN ，不管，不管A的状态如何，的状态如何，G4输出高电平、输出高电平、G5输出低电平，输出低电平，T1和和T2截止，输出高阻态。截止，输出高阻态。01111000011高阻态高阻态EN1EN0ENA 输入处的圆圈表示低电平输入处的圆圈表示低电平有效，有效， 低电平时电路正常工低电平时电路正常工作，作， EN高电平时电路正常工作。高电平时电路正常工作。ENEN总线结构总线结构EN不能同时为不能同时为1。EN1EN2+EN1EN3+EN2EN3+=0双向传输双向传输EN=1，G

27、1工作工作G2高阻态，数据高阻态，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。NNENAENAENAY22113.4 TTL门电路门电路(transistor-transistor-logic)1双极性三极管的开关特性双极性三极管的开关特性双极型三极管的开关等效电路：双极型三极管的开关等效电路： (a)截止状态：截止状态：VBE0.7V，iBIBS ，VBE=0.7V=VON，VON开启电压，开启电压，集电极和发射极近似短路，集电极和发射极近似短路，饱和压降饱和压降VCE(sat)，开关接通。

28、，开关接通。 bce3. TTL反相器电路结构及工作原理反相器电路结构及工作原理1） TTL反相器的电路结构反相器的电路结构由三部分组成：由三部分组成：输入级：由输入级：由T1、D1和电阻和电阻R1组成。组成。中间级：由中间级：由T2、R2、R3组成。组成。T2的集电极和发射极为的集电极和发射极为T4、T5提提供了两个相位相反的信号，所供了两个相位相反的信号，所以这级又称倒相级。以这级又称倒相级。输出级：由输出级：由T4、T5、R4、D2组成。组成。T5为反相器，为反相器，T4是是T5的有源负载，的有源负载，完成逻辑上的完成逻辑上的“非非”。输入级输入级中间级中间级输出级输出级由中间级提供的两

29、个相位相反的信号，使由中间级提供的两个相位相反的信号，使T4、T5总是一管导通总是一管导通而另一管截止的工作状态。输出电路的形式称为而另一管截止的工作状态。输出电路的形式称为“推拉式输出推拉式输出”电路，或称电路，或称“图腾输出图腾输出”。 +- 2）工作原理）工作原理 Vcc=5V、 VIH=3.4V 、VIL=0.2V、 VON=0.7V (1)当当vi=VIL输入低电平输入低电平(0.2V)时，时，T1的发射结导通，的发射结导通，T1基极电压基极电压VB1被钳位在被钳位在 VB1=Vi+VBE1=0.2+0.7=0.9V VB1不能使不能使T1集电结、集电结、T2、T5导导通，通，T1集

30、电结，集电结，T2、T5截止。截止。 由于由于T2的的b-c结反向电阻大，结反向电阻大， T1工作在深度饱和状态。工作在深度饱和状态。VCE10，VC2=高电平，高电平， VE2=低电平，低电平， VB1VC2VE2T4导通、导通、T5截止，截止， 输出高电平输出高电平VOH0.2V0.9V10VOH (2)当当vi=VIH输入高电平输入高电平(3.4V)或悬空或悬空时，时， VB1=VIH+VON=4.1V， 因为因为T1的集电结、的集电结、T2、T5导通导通的电压是的电压是2.1V，T1的的VB1被钳位在被钳位在2.1V上，上， T1的发射结反偏。的发射结反偏。 电源电源VCC通过通过R1，T1的集电结的集电结 向向T2、T5提供基流，使提供基流，使T2导通饱和，导通饱和， VC2、VE2，T4截止、截止、T5导通，导通， 输出输出Y为为 低电平低电平VOL。 Y=VCES5=0.2V Y= 输出级的特点是：输出级的特点是： 无论输出是高电平还是低电平，输出电阻都比较低。无论输出是高电平还是低电平，输出电阻都比较低。 这是因为当输出为低电平时，这是因为当输出为低电平时，T5