第3章 门电路

1、第第3章章 门门 电电 路路 门电路是实现逻辑的电路，常由门电路是实现逻辑的电路，常由二极管、三极管或场效应管组成。二极管、三极管或场效应管组成。 逻辑门是所有数字电路的基础，逻辑门是所有数字电路的基础，本章介绍本章介绍CMOS与与TTL逻辑逻辑门电路门电路的基的基本工作原理与技术参数。本工作原理与技术参数。3.1 3.1 数字逻辑信号数字逻辑信号1.1.正逻辑正逻辑约定约定: : 逻辑逻辑“0”0”用用低电平低电平信号表示；信号表示； 逻辑逻辑“1”1”用用高电平高电平信号表示，信号表示， 符合人们的习惯思维。符合人们的习惯思维。 负逻辑负逻辑约定约定: : 逻辑逻辑“0”0”用用高电平高电

2、平信号表示；信号表示； 逻辑逻辑“1 1”用用低电平低电平信号表示，信号表示， 不太符合人们的习惯思维。不太符合人们的习惯思维。2 2数字逻辑信号电平数字逻辑信号电平高电平高电平H(HIGH)：以：以高于某个电压值的电压范围高于某个电压值的电压范围表示。表示。低电平低电平L( (LOW) )：以：以小于某个电压值的电压范围小于某个电压值的电压范围表示。表示。 逻辑高电平和低电平都是一个范围，在高低电平逻辑高电平和低电平都是一个范围，在高低电平之间，有一个不确定区域。之间，有一个不确定区域。 输入信号电平应该为逻辑门电路输入端可以辨认输入信号电平应该为逻辑门电路输入端可以辨认的输入逻辑电平。的输

3、入逻辑电平。3.2 CMOS门电路门电路3.2.1 MOS晶体管晶体管 MOS管管金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管）：半导体场效应晶体管）： 是外加电压控制导电沟道宽窄的器件。是外加电压控制导电沟道宽窄的器件。 依据参与导电的载流子分类：依据参与导电的载流子分类： PMOS管：管：空穴空穴参与参与导电导电， NMOS管：管：电子电子参与参与导电导电。 由于导电沟道的宽窄与导电沟道呈现的电阻成由于导电沟道的宽窄与导电沟道呈现的电阻成比例，所以比例，所以MOS管可以模型化为输入电压控制的可管可以模型化为输入电压控制的可变电阻，其输入电压可以控制电阻阻值的大小。变电阻，其输入电压可以控制电

4、阻阻值的大小。 确定的输入电压可以使确定的输入电压可以使:电阻的电阻的阻值很大阻值很大，使，使MOS管管夹断（夹断（off）；或是使电；或是使电阻的阻的阻值很小阻值很小，使，使MOS管管导通（导通（on）。 增强型增强型MOS管：在无控制电压时，不具有导电管：在无控制电压时，不具有导电沟道，加控制电压形成导电沟道；沟道，加控制电压形成导电沟道； 耗尽型耗尽型MOS管：在无控制电压时，具有导电沟管：在无控制电压时，具有导电沟道，加控制电压使导电沟道变窄。道，加控制电压使导电沟道变窄。 3.2.1 3.2.1 MOS晶体管晶体管增强型增强型NMOS管：管：栅极栅极G，源极，源极S，漏极，漏极D M

5、OS管的栅极与漏极、源极之间绝缘，所以栅极与漏极、源极管的栅极与漏极、源极之间绝缘，所以栅极与漏极、源极之间有很高的阻抗；在栅极与源极（衬底）之间加电压之间有很高的阻抗；在栅极与源极（衬底）之间加电压Vgs产产生电场，可以吸引生电场，可以吸引P型半导体衬底内的电子形成型半导体衬底内的电子形成N型导电沟道，型导电沟道，一旦形成导电沟道就可以连通源极与漏极相连的一旦形成导电沟道就可以连通源极与漏极相连的N+区域，使源区域，使源极与漏级之间形成导电电阻，这时加有电压极与漏级之间形成导电电阻，这时加有电压Vds的漏级与源极的漏级与源极之间可形成漏源电流之间可形成漏源电流Ids。由于是依靠电场来控制漏极

6、和源极之。由于是依靠电场来控制漏极和源极之间的沟道，进而控制导电电阻，因此称为间的沟道，进而控制导电电阻，因此称为“场效应场效应”。增强型增强型NMOS管管 控制栅极和源极之间的电压控制栅极和源极之间的电压Vgs，就可以控制，就可以控制漏极和源极之间的电阻漏极和源极之间的电阻Rds。 Vgs=0时，时，Rds电阻电阻很大很大，至少有，至少有106 ； Vgs增加到足够大增加到足够大时时，Rds电阻电阻可以可以很小。很小。 增强型增强型NMOS管：管：增强型增强型PMOS管管 当当Vgs=0时，时，Rds电阻很大，至少有电阻很大，至少有106 ； 当当Vgs减小到足够大的负值，减小到足够大的负值

7、，Rds电阻很小电阻很小。 简化符号中简化符号中栅极上的小圈栅极上的小圈表示栅极电压低于源表示栅极电压低于源极电压时，极电压时，PMOS管导通。管导通。3.2.2 基本基本CMOS非门非门 CMOS电路电路:NMOS管和管和PMOS管一起组成的管一起组成的互补互补MOS电路。电路。反相器（非门）：由一个反相器（非门）：由一个NMOS和一个和一个PMOS管组成。管组成。 电源电压范围电源电压范围VDD为为26 V，为方便常选择和，为方便常选择和TTL电路兼电路兼容的电源电压，就是选择容的电源电压，就是选择VDD=5 V。如图如图3-5所示所示 当当VIN是是0 V时，时，VOUT=VDD=5 V

8、 。NMOS管管Q1的的Vgs=0 V，所以截止；而，所以截止；而PMOS管管Q2由于由于Vgs=-5 V，所以导通。导通后的，所以导通。导通后的Q2管呈现小的管呈现小的电阻值。电阻值。 当当VIN是是5 V时时， VOUT=0 V。 NMOS管管Q1的的Vgs=5 V，所以导通；而，所以导通；而PMOS管管Q2由于由于Vgs=0 V，所以截止。导通后的，所以截止。导通后的Q1管呈现小的管呈现小的电阻值，使输出端与地之间相连。电阻值，使输出端与地之间相连。具有动作电平表示的具有动作电平表示的MOS管非门电路管非门电路 PMOS管管 简化符号：简化符号：栅极加一个小圈栅极加一个小圈； 表示：在输

9、入电压为低电平表示：在输入电压为低电平L时漏极和源极导通时漏极和源极导通。 NMOS管管 简化符号：简化符号：栅极无小圈栅极无小圈。 表示：在输入电压为高电平表示：在输入电压为高电平H时漏极和源极导通时漏极和源极导通。 VIN=L时，时，Q2导通，导通，Q1截止，截止，VOUT=H； VIN=H时，时，Q1导通，导通，Q2截止，截止，VOUT=L。3.2.3 3.2.3 CMOS与非门和或非门与非门和或非门1 1CMOS与非门与非门2CMOS或非门或非门3.3 74HC3.3 74HC系列门电路的电特性系列门电路的电特性 理解和熟悉理解和熟悉CMOSCMOS门电路的电特性，是使用门电路的电特性

10、，是使用CMOS门电路设计数字电路的基础。门电路设计数字电路的基础。3.3.1 74HC3.3.1 74HC系列门电路的极限电参数系列门电路的极限电参数 当芯片使用条件超出极限电参数时，就会使芯当芯片使用条件超出极限电参数时，就会使芯片特性变差，甚至造成永久的损坏。片特性变差，甚至造成永久的损坏。符符 号号参参 数数数数 值值单单 位位VCC电源电压电源电压-0.57VVI直流输入电压直流输入电压-0.5VCC+0.5VVO直流输出电压直流输出电压-0.5VCC+0.5VIIK输入保护二极管电流输入保护二极管电流20mAIOK输出保护二极管电流输出保护二极管电流20mAIO直流输出电流直流输出

11、电流25mA符符 号号参参 数数数数 值值单单 位位VCC电源电压电源电压-0.57VVI直流输入电压直流输入电压-0.5VCC+0.5VVO直流输出电压直流输出电压-0.5VCC+0.5VIIK输入保护二极管电流输入保护二极管电流20mAIOK输出保护二极管电流输出保护二极管电流20mAIO直流输出电流直流输出电流25mA3.3.2 74HC3.3.2 74HC系列门电路的推荐工作条件系列门电路的推荐工作条件 推荐工作条件是芯片制造厂向芯片用户提推荐工作条件是芯片制造厂向芯片用户提供的芯片正常工作条件供的芯片正常工作条件 只要保证芯片在推荐工作条件下工作，芯只要保证芯片在推荐工作条件下工作，

12、芯片就能够实现正确的逻辑功能。从推荐工作条片就能够实现正确的逻辑功能。从推荐工作条件可以看出，件可以看出，74HC系列芯片正常工作的电源系列芯片正常工作的电源电压范围是电压范围是26 V符符 号号参参 数数数数 值值单单 位位VCC电源电压范围电源电压范围26VVI直流输入电压范围直流输入电压范围0VCCVVO直流输出电压范围直流输出电压范围0VCCV3.3.3 74HC系列门电路的静态电特性系列门电路的静态电特性1 1静态电特性静态电特性 静态电特性有时又称为直流特性，静态电特性给出芯片静态电特性有时又称为直流特性，静态电特性给出芯片的输入电平、输入电流、输出电平以及负载特性等参数的输入电平

13、、输入电流、输出电平以及负载特性等参数符号符号参参 数数实验条件（环实验条件（环境温度为境温度为25）最小最小值值典型典型值值最大最大值值单单位位VIH 输入高电平输入高电平2 V1.5V4.5 V3.15V6 V4.2VVIL输入低电平输入低电平2 V0.5V4.5 V1.35V6 V1.8VVOH输出高电平输出高电平2 V-20 mA1.92.0V 符号符号参参 数数实验条件（环境温度为实验条件（环境温度为25）最小值最小值典型值典型值最大值最大值单位单位VIH 输入高电平输入高电平2 V1.5V4.5 V3.15V6 V4.2VVIL输入低电平输入低电平2 V0.5V4.5 V1.35V

14、6 V1.8VVOH输出高电平输出高电平2 V-20 mA1.92.0V4.5 V-20 mA4.44.5V6 V-20 mA5.96.0V4.5 V-4 mA4.184.31V6 V-5.2 mA5.685.8VVOL 输出低电平输出低电平2 V-20 mA0.00.1V4.5 V-20 mA0.00.1V6 V-20 mA0.00.1V4.5 V-4 mA0.170.26V6 V-5.2 mA0.180.26VIIH输入高电平电流输入高电平电流6 V250.1mAIIL输入低电平电流输入低电平电流6 V250.1mAICC静态电源电流静态电源电流6 V251mA静静态态电电特特性性（1）输

15、入高低电平：）输入高低电平：VIHmin：输入高电平的最小电压值；：输入高电平的最小电压值； VILmax：输入低电平的最大电压值。：输入低电平的最大电压值。（2）输出高低电平：）输出高低电平：VOLma：低电平输出时的最大输出电压：低电平输出时的最大输出电压 VOHmin：高电平输出时的最小输出电压：高电平输出时的最小输出电压 电源轨道：电源电压电源轨道：电源电压VCC与地线像两根轨道，称为与地线像两根轨道，称为。 VIHmin=70%VCC ；VILmax=30%VCC ； VOHmin=VCC - 0.1 V；VOLmax=地线电平地线电平+0.1 V 在最坏情况下电源电压在最坏情况下电

16、源电压VCC降落降落10%，为，为4.5 V，VOHmin最小最小为为4.4 V。5 V电源电压时电源电压时74HC04的输出、输入高低电平如图。的输出、输入高低电平如图。（3）输入高电平电流）输入高电平电流IIH与输入低电平电流与输入低电平电流IILIIH为为输入在高电平输入在高电平状态（简称高态）时状态（简称高态）时流入流入输入端的电流。输入端的电流。IIL为为输入在低电平输入在低电平状态（简称低态）时状态（简称低态）时流入流入输入端的电流。输入端的电流。（4）静态电源电流）静态电源电流ICC 静态电源电流静态电源电流ICC是在输入信号接地或是接电源时的电源电是在输入信号接地或是接电源时的

17、电源电流。在温度为流。在温度为25时，时，74HC04的静态电源电流的静态电源电流ICC为为1 uA。2 2传输特性传输特性（1 1）输入）输入- -输出电压传输特性输出电压传输特性电压传输特性是逻辑门的输入电压与输出电压之间的关系曲线。电压传输特性是逻辑门的输入电压与输出电压之间的关系曲线。 （2）输入电压）输入电压-MOS管电流特性管电流特性是输入电压与流过非门中两是输入电压与流过非门中两MOS管电流特性曲线。管电流特性曲线。 IPN（3）不满足输入高低电平参数时的）不满足输入高低电平参数时的CMOS门特性门特性 当非门的输入电压满足高电平或低电平电压参当非门的输入电压满足高电平或低电平电

18、压参数时，数时，MOS管中总有一个是在夹断状态，使流过管中总有一个是在夹断状态，使流过两两MOS管的电流近乎为管的电流近乎为0。 若是输入电压不是很接近电源轨道，则导通的若是输入电压不是很接近电源轨道，则导通的MOS管不能充分导通，截止的管不能充分导通，截止的MOS管不能充分截管不能充分截止，使止，使CMOS非门输出电压远离电源轨道。非门输出电压远离电源轨道。 当当输入电压为输入电压为1.5 V时时，可以计算出流过两个，可以计算出流过两个MOS管的电管的电流为流为1.72 mA，输出电压为，输出电压为4.31 V。由于流过两个。由于流过两个MOS管的管的电流太大，不仅增大了功耗，也降低了拉电流

19、负载能力。电流太大，不仅增大了功耗，也降低了拉电流负载能力。 当当输入电压为输入电压为3.5 V时时，可以计算出输出电压为，可以计算出输出电压为0.24 V。这时流过两个这时流过两个MOS管的电流为管的电流为1.19 mA。由于流过两个。由于流过两个MOS管的电流太大，因此降低了灌电流能力，并增加了功耗。管的电流太大，因此降低了灌电流能力，并增加了功耗。k 3噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限就是对噪声的容忍程度，或者说是在前级输出信号上就是对噪声的容忍程度，或者说是在前级输出信号上可以叠加的噪声电压幅度是多少。可以叠加的噪声电压幅度是多少。噪声容限定义噪声容限定义为：为：最小高电平噪声容限最小

20、高电平噪声容限 VNH = VOHmin - VIHmin最小低电平噪声容限最小低电平噪声容限 VNL= VILmax- VOLmax74HC04连接同类电路的噪声容限等于（电源电压取最坏情况连接同类电路的噪声容限等于（电源电压取最坏情况4.5 V，环境温度，环境温度25）：）：高电平噪声容限高电平噪声容限VNH = VOHmin - VIHmin =4.4 V - 3.15 V=1.25 V低电平噪声容限低电平噪声容限VNL= VILmax - VOLmax =1.35 V - 0.1 V=1.25 V4输出特性输出特性（1）电阻性负载）电阻性负载CMOS门与电阻性负载相连的等效电路如图门与

21、电阻性负载相连的等效电路如图3-16所示所示 IOLmax：保证输出电压小于：保证输出电压小于VOLmax的的最大灌入电流最大灌入电流。若是电流大。若是电流大于于IOLmax，则输出低电平电压可能大于，则输出低电平电压可能大于VOLmax，主要是灌入电流在电阻，主要是灌入电流在电阻Rn上压降的影响。上压降的影响。 IOHmax：保证输出电压大于：保证输出电压大于VOHmin的的最大拉出电流最大拉出电流。若是电流大。若是电流大于于IOHmax，则输出高电平电压可能小于，则输出高电平电压可能小于VOHmin，主要是拉出电流在电阻，主要是拉出电流在电阻Rp上压降的影响。上压降的影响。 图图3-163

22、-16（a a）是）是灌电流负载灌电流负载情况情况 图图3-163-16（b b）是）是拉电流负载拉电流负载情况。情况。 （2）输出电压与电流之间的关系）输出电压与电流之间的关系 实际上由于实际上由于MOS管导通电阻的影响管导通电阻的影响，CMOS门输出的电压门输出的电压随电流的变化而变化随电流的变化而变化，输出电压随电流的变化曲线为输出特性，输出电压随电流的变化曲线为输出特性曲线。曲线。 74HC04非门非门的典型输出特性曲线如图的典型输出特性曲线如图3-17所示。所示。图图3-173-17（a a）是）是低电平输出特性低电平输出特性 图图3-173-17（b b）是）是高电平输出特性高电平

23、输出特性 （3）CMOS门驱动逻辑门电路门驱动逻辑门电路 74HC04在在4.5 V电源时，表电源时，表3-7给出了保证输出电压的条件下的最大输给出了保证输出电压的条件下的最大输出电流值。驱动出电流值。驱动CMOS负载、负载、TTL负载的情况负载的情况参参 数数CMOS负载负载TTL负载负载名名 称称数数 值值名名 称称数数 值值最大低电平输出电流（最大低电平输出电流（mA）IOLmaxC0.02 mAIOLmaxT4 mA最大低电平输出电压（最大低电平输出电压（V）VOLmaxC0.1 VVOLmaxT0.26 V最大高电平输出电流（最大高电平输出电流（mA）IOHmaxC-0.02 mAI

24、OHmaxT-4 mA最小高电平输出电压（最小高电平输出电压（V）VOHminC4.4 VVOHminT4.18 V当负载门的输入端数超出了前级门的扇出能力，当负载门的输入端数超出了前级门的扇出能力，则有如下影响则有如下影响： 在低电平，前级门输出电压在低电平，前级门输出电压VOL可能增加并超过可能增加并超过VOLmax。 在高电平，前级门输出电压在高电平，前级门输出电压VOH可能减小并低于可能减小并低于VOHmin。 传播延迟时间可能增加。传播延迟时间可能增加。 输出上升时间和下降时间增加。输出上升时间和下降时间增加。 器件的工作温度上升，减小器件的可靠性并渐渐损坏器件。器件的工作温度上升，

25、减小器件的可靠性并渐渐损坏器件。CMOS门驱动门驱动CMOS门，因输入电阻很大，驱动电流很小。门，因输入电阻很大，驱动电流很小。CMOS门驱动门驱动TTL门，门， TTL电路的输入电流较大，类似驱动电阻性负载电路的输入电流较大，类似驱动电阻性负载。3.3.4 74HC系列门电路的动态特性系列门电路的动态特性74HC04的数据说明书中给出了该芯片的动态特性如表的数据说明书中给出了该芯片的动态特性如表3-8所所示。示。符符 号号参参 数数实验条件（环实验条件（环境温度为境温度为25）最小最小典型典型最大最大单位单位tTLH tTHL输出瞬态时间输出瞬态时间2 V6 ns3875ns4.5 V815

26、ns6 V613nstPLH tPHL传播延迟时间传播延迟时间2 V4595ns4.5 V919ns6 V816ns1输出瞬变时间输出瞬变时间 输出瞬变时间输出瞬变时间门电路的输出从一个状态转换成另外一个状态所门电路的输出从一个状态转换成另外一个状态所需的时间。需的时间。 理想的转换不需要时间。图理想的转换不需要时间。图3-18（a）所示。）所示。 实际上，转换需要时间，这是因为需要向导线和元件等电路形成的实际上，转换需要时间，这是因为需要向导线和元件等电路形成的等效电容充电。等效电容充电。 图图3-18（b）是转换曲线，其中从低态向高态转换需要上）是转换曲线，其中从低态向高态转换需要上升时间

27、升时间tr，而从高态向低态转换需要下降时间，而从高态向低态转换需要下降时间tf。 图图3-18（c）所示的是实际瞬态上升和下降时间）所示的是实际瞬态上升和下降时间图图3-182传输延迟时间传输延迟时间 传输延迟时间传输延迟时间tp在信号通道上，从输入信号的变化在信号通道上，从输入信号的变化到输出信号的变化所需的时间。对于多输入输出器件可能到输出信号的变化所需的时间。对于多输入输出器件可能有多个传输延迟时间。有多个传输延迟时间。 tPHL为当输出从高电平向低电平变化时，从门电路的输入变为当输出从高电平向低电平变化时，从门电路的输入变化到引起门电路的输出变化所需要的时间。化到引起门电路的输出变化所

28、需要的时间。 tPLH为当输出从低电平向高电平变化时，从门电路输入变为当输出从低电平向高电平变化时，从门电路输入变化到引起门电路输出变化所需要的时间。化到引起门电路输出变化所需要的时间。3功率耗散功率耗散静态功耗如果CMOS器件的输出不发生变化，则这时的功耗为静态功耗。CMOS器件的静态功耗很小。动态功耗动态功耗的一个原因是，动态功耗的一个原因是，当输入信号变化时，总有一段时间CMOS器件输入电压既不是高态，也不是低态，因而MOS管似通非通，引起电源与地线之间的等效电阻减小形成的内部功耗。内部功耗与VCC的大小以及输出状态的变化率有关。 输出状态变化引起的内部功耗PT：2TPDCCPCVf电容

29、电容CPD由下式计算：由下式计算：PT1=CPD(VCC)2f1=ICC1VCCPT2=CPD(VCC)2f2=ICC2VCCT2T1PD2CC21()PPCVff动态功耗的另一个原因是由负载电容引起的：动态功耗的另一个原因是由负载电容引起的： 2LLCCPCVf全部动态功耗等于全部动态功耗等于：222DTLPDCCLCCPDLCC()PPPCVfCVfCCVf符号符号参参 数数实验条件（环境温实验条件（环境温度为度为25）最小最小典型典型最大最大单位单位CIN输入电容输入电容VCC=5 V510pFCPD功耗电容功耗电容VCC=5 V22pF3.4 其他类型的其他类型的CMOS电路电路1 1

30、传输门传输门 传输门由控制端传输门由控制端EN_L和和EN控制，控制，EN_L和和EN是互补信号。是互补信号。当当EN_L=L、EN=H时，传输门导通，时，传输门导通，A、B两端之间呈现很两端之间呈现很小的电阻（几欧到几十欧之间），相当于导通；小的电阻（几欧到几十欧之间），相当于导通；当当EN_L=H、EN=L时，传输门不导通，时，传输门不导通，A、B两端之间呈现两端之间呈现很大的电阻。很大的电阻。 当控制端当控制端C为高电平时为高电平时，Q4、Q5管组成的开关接通，端管组成的开关接通，端口口A和和B之间呈现小电阻值，同时之间呈现小电阻值，同时Q3管夹断，管夹断，Q1、Q2组成的传组成的传输门

31、接通，使输门接通，使Q5的衬底电压与的衬底电压与A端相同，提高开关传输信号的端相同，提高开关传输信号的线性度。线性度。 当控制端当控制端C为低电平时为低电平时，Q4、Q5管组成的开关断开，端口管组成的开关断开，端口A和和B之间呈现大的电阻，同时之间呈现大的电阻，同时Q3管导通，管导通，Q1、Q2组成的传输组成的传输门断开，使门断开，使Q5管衬底电位与地电平相连，尽可能地增加开关断管衬底电位与地电平相连，尽可能地增加开关断开电阻。开电阻。图图3-21是基于是基于CMOS传输门组成的四双向模拟开关传输门组成的四双向模拟开关74AHC40662 2三态门三态门 三态门三态门的输出具有三种输出状态的输

32、出具有三种输出状态，逻辑，逻辑“0”0”、逻辑、逻辑“1”1”和高阻状态和高阻状态“Z”Z”。 三态门输出的三态门输出的高阻状态高阻状态：若是忽略流入或流出门电路的极小泄漏电流，：若是忽略流入或流出门电路的极小泄漏电流，门电路的输出就像与其他电路没有连接门电路的输出就像与其他电路没有连接 ENABCDQ1Q2OUTLLHHL断断断断高阻高阻LHHHL断断断断高阻高阻HLLHH断断通通LHHLLL通通断断H 三态输出的三态输出的8总线缓冲总线缓冲/驱动器驱动器74HC244该芯片内部电路分为两组，每组有该芯片内部电路分为两组，每组有4个三态门，并有单独的个三态门，并有单独的低电平有效使能信号。低

33、电平有效使能信号。图图3-243-24是三态输出的是三态输出的8 8总线缓冲总线缓冲/ /驱动器驱动器74HC24474HC2443 3开漏输出门开漏输出门（1 1）开漏门工作原理）开漏门工作原理ABQ1Q2OUTLL断断断断开路开路LH断断通通开路开路HL通通断断开路开路HH通通通通L开漏输出需要开漏输出需要外接上拉电阻将开漏输出无源上拉到高电平外接上拉电阻将开漏输出无源上拉到高电平才能正常工作才能正常工作。图图3-26具有无源上拉电具有无源上拉电阻推动负载的开阻推动负载的开漏与非门电路漏与非门电路（2 2）开漏输出驱动发光二极管）开漏输出驱动发光二极管 开漏输出驱动发光二极管的电路开漏输出

34、驱动发光二极管的电路发光二极管的工作电流取发光二极管的工作电流取10 mA就有相当的亮度就有相当的亮度发光二极管串联的限流电阻的计算：发光二极管串联的限流电阻的计算：若取发光二极管的工作电若取发光二极管的工作电流流ILED为为10 mA，发光二极管的正向压降，发光二极管的正向压降VLED为为1.8 V，电源电源电电压为压为12 V。根据图。根据图3-27所示的电路有所示的电路有 VOL+4VLED+(ILEDR) =VCCCCLEDLED4(127.2)480 10 mAVVRI图图3-27（3 3）线与逻辑）线与逻辑线与线与逻辑逻辑将几个具有开漏将几个具有开漏输出与门的输出端连接在一起，输出

35、与门的输出端连接在一起，就形成就形成 。如果所有与门的输。如果所有与门的输出都开路，则输出为高电平；出都开路，则输出为高电平；如果有一个与门输出低电平，如果有一个与门输出低电平，则输出低电平，显然这是则输出低电平，显然这是与逻与逻辑辑。 注意注意：两个具两个具有有源上拉门有有源上拉门的输出端是不的输出端是不能直接连在一能直接连在一起实现线与起实现线与图图3-29在图示的电路中在图示的电路中HCT开漏输出门组成线与逻辑推动开漏输出门组成线与逻辑推动74LS门门取取HCT开漏输出门的典型数据：开漏输出门的典型数据：低电平的低电平的最大灌电流最大灌电流IOLmax是是4 mA，输出输出最大低电平最大

36、低电平VOLmax为为0.26 V，74LS门的门的低电平输入电流低电平输入电流IILmax=0.4 mA。线与逻辑的线与逻辑的最小最小上拉电阻值计算上拉电阻值计算：流过电阻流过电阻R的电流的电流IR和和线与逻辑低态时线与逻辑低态时所驱动门输入端的电流所驱动门输入端的电流IIL之之和不能超过最大低电平灌入电流和不能超过最大低电平灌入电流IOLmaxIRmaxIILIILIOLmaxVOLmax线与逻辑输出低态时线与逻辑输出低态时:线与逻辑的线与逻辑的最大最大上拉电阻值计算：上拉电阻值计算：线与逻辑输出高态时线与逻辑输出高态时:HCT开漏输出门开漏输出门: 输出最小高电平输出最小高电平VOHmi

37、n为为2.4 V 夹断时漏电流夹断时漏电流IOHmax为为5uA;74LS门的高电平输入电流门的高电平输入电流IIHmax为为20 uAIOHmaxIIHmaxVOHminIRleak保证保证VOHmin值值3.5 常用常用CMOS门电路系列门电路系列1CMOS 4000系列系列第一个商业上成功的第一个商业上成功的CMOS系列是系列是4000系列（包括系列（包括4500系列），虽然系列），虽然4000系列的功耗低，但是具有速度慢和与系列的功耗低，但是具有速度慢和与TTL（有关（有关TTL系列的内容在后面介绍）系列不容易接口系列的内容在后面介绍）系列不容易接口的缺点。的缺点。4000系列具有以下

38、系列具有以下优点优点： 电源电压范围宽（电源电压范围宽（318 V）；）； 功耗低；功耗低； 高噪声容限。高噪声容限。但是也有如下但是也有如下缺点缺点： 传输延迟时间长（在传输延迟时间长（在100 ns左右）；左右）； 输出驱动能力小，只能达到输出驱动能力小，只能达到1个个74LS门的驱动能力，门的驱动能力，这里一个这里一个74LS门的驱动能力是门的驱动能力是0.4 mA； 容易出现芯片自锁；容易出现芯片自锁； 对静电敏感，易受静电损坏。对静电敏感，易受静电损坏。274系列中的系列中的CMOS芯片芯片 74系列器件的命名格式是系列器件的命名格式是74FAMnn，这里，这里FAM表示器件所属的系

39、列，而数字表示器件所属的系列，而数字nn表示器件的功能。只要表示器件的功能。只要nn相同，就说明这些器件的功能相同相同，就说明这些器件的功能相同。例如。例如74HC30、74HCT30、74AC30、74ACT31、74AHC30都是都是8输入端与非门。输入端与非门。（1）HC和和HCT系列系列 早期早期74系列中的系列中的CMOS芯片是芯片是HC（High speed CMOS）和）和HCT（High speed CMOS，TTL compatible），与），与4000系列比较，它们具有更高的灌电流、拉电流系列比较，它们具有更高的灌电流、拉电流能力和速度，而且能力和速度，而且HCT系列使用

40、系列使用5 V电源，与使用电源，与使用5 V电源的电源的TTL器件完全兼容器件完全兼容，可，可以混合使用。以混合使用。 74HC系列主要用于都是系列主要用于都是74HC系列的系统设计，它的电源电压范围为系列的系统设计，它的电源电压范围为26 V，电，电源电压越高允许使用的速度越高，而低的电源电压可以减小功耗。源电压越高允许使用的速度越高，而低的电源电压可以减小功耗。图3-32 74HC和74HCT系列的输入输出电平（2）VHC和和VHCT系列系列 20世纪世纪80年代，又开发出了年代，又开发出了VHC（Very High Speed CMOS）和）和VHCT（Very High Speed C

41、MOS，TTL compatible）系列的）系列的CMOS芯片芯片。这两个系列的速度是。这两个系列的速度是HC和和HCT系列的两倍。像系列的两倍。像HC和和HCT系列一样，系列一样，VHC和和VHCT的区别是它们能够辨认的输入电平不同，而输出特性是完全的区别是它们能够辨认的输入电平不同，而输出特性是完全相同的。该系列具有相同的。该系列具有肖特基肖特基TTL逻辑电路的速度逻辑电路的速度以及以及CMOS电路的功耗电路的功耗，以及，以及灌电流和拉电流能力相同灌电流和拉电流能力相同的特点。的特点。（3）AHC、AHCT系列系列 以上叙述的以上叙述的VHC和和VHCT系列器件由系列器件由Mototol

42、a、Fairchild和和Toshiba公司制作，而公司制作，而AHC和和AHCT系列是系列是Texas Instruments和和Philips公司生产的兼容产品。其技术公司生产的兼容产品。其技术指标与指标与VHC和和VHCT系列器件基本相同。系列器件基本相同。（4）AC、ACT系列系列 该系列除具有以上各系列的优点外，还具有该系列除具有以上各系列的优点外，还具有24 mA的灌的灌电流和拉电流负载能力电流和拉电流负载能力。 3CMOS各系列芯片的电特性各系列芯片的电特性（1）电源电压范围）电源电压范围不同不同CMOS系列芯片的工作电源电压如表系列芯片的工作电源电压如表3-12所示所示HCHC

43、TVHCVHCTACACTAHCAHCT4000B电源电压范围电源电压范围（V）264.55.525.54.55.5264.55.525.54.55.5318（2）输入特性）输入特性CMOS各系列芯片的输入特性如表各系列芯片的输入特性如表3-13所示所示说说 明明符号符号条条 件件HCHCTVHCVHCTACACTAHCAHCT4000B输入漏电流输入漏电流（ A）IImax输入电压为输入电压为任何值任何值典型输入电容典型输入电容（pF）CINmax3.53.5444.54.5335低电平输入电压低电平输入电压（V）VILmax（电源电压（电源电压为为5 V）1.50.81.50.81.50.

44、81.50.81.5高电平输入电压高电平输入电压（V）VIHmin（电源电压（电源电压为为5 V）3.52.03.52.03.52.03.523.5（3）输出特性）输出特性CMOS各系列芯片的输出特性如表各系列芯片的输出特性如表3-14所示。所示。 说说 明明符号符号条条 件件HCHCTVHCVHCTACACTAHCAHCT4000B低电平输出低电平输出电流（电流（mA）IOLmaxCIOLmaxTCMOS负载负载TTL负载负载0.024.00.024.00.058.00.058.00.0524.00.0524.00.058.00.058.00.51低电平输出低电平输出电压（电压（V）VOLm

45、axCVOLmaxTIOUTIOLmaxCIOUTIOLmaxT0.10.260.10.260.10.360.10.360.10.360.10.360.10.360.10.360.050.4高电平输出高电平输出电流（电流（mA）IOHmaxCIOHmaxTCMOS负载负载TTL负载负载 0.02 4.0 0.02 4.0 0.05 8.0 0.05 8.00.0524.00.0524.0 0.05 8.0 0.05 8.0 0.16 3.2高电平输出高电平输出电压（电压（V）VOHmaxCVOHmaxT|IOUT|IOHmaxC|IOUT|IOLmaxT|4.43.984.43.984.43.

46、943.152.54.43.864.43.864.43.944.43.944.62.5（4）传输延迟）传输延迟CMOS各系列中四各系列中四2输入与非门的传输延迟时间如表输入与非门的传输延迟时间如表3-15所示所示 系系 列列HCHCTVHCVHCTACACTAHCAHCT4000B典型传输延迟时间典型传输延迟时间tPHL/tPLH（ns）7103.75.56.05.53.23.3125测试条件：负载电容测试条件：负载电容CL151515155050151550(5)功耗电容功耗电容CMOS各系列中四各系列中四2输入与非门的典型功耗电容如表输入与非门的典型功耗电容如表3-16系系 列列HCHCT

47、VHCVHCTACACTAHCAHCT典型功耗电典型功耗电容容CPD222219173030773.6 低电压低电压CMOS器件器件有两个原因使有两个原因使CMOS器件的电压越来越小：器件的电压越来越小： 由由CMOS器件功耗的计算公式器件功耗的计算公式CV2f可知，只有可知，只有减小电源减小电源电压，才能减小功耗。电压，才能减小功耗。 因为因为MOS管的体积越来越小，绝缘层越来越薄，绝缘强管的体积越来越小，绝缘层越来越薄，绝缘强度不能忍受度不能忍受5 V电压电压。所以所以IC工业标准委员会（工业标准委员会（JEDEC），选择了），选择了3.3、2.5和和1.8三个电源电压标准三个电源电压标准

48、，同时还给出了在这些电压下的输入和输，同时还给出了在这些电压下的输入和输出逻辑电平。出逻辑电平。1低压器件中的新电路结构低压器件中的新电路结构在低压器件中，使用了一些新的电路结构在低压器件中，使用了一些新的电路结构（1）忍受）忍受5 V电压的输入端电压的输入端图图3-33（a）所示的）所示的HC、HCT系列输入电路系列输入电路,在高在高于于VCC+0.5 V的输入信的输入信号到达输入端后，电路号到达输入端后，电路中的二极管将导通，产中的二极管将导通，产生比较大的正向电流。生比较大的正向电流。而图而图3-33（b）所示的）所示的VHC、VHCT系列输入系列输入电路，由于没有钳位二电路，由于没有钳

49、位二极管极管D2，所以就不会在，所以就不会在输入信号过高时出现经输入信号过高时出现经过二极管流入电源的电过二极管流入电源的电流。流。图3-33 HC、HCT与VHC、VHCT （2 2）忍受）忍受5 5 V V电压的输出端电压的输出端图图3-34（a）所示的是一般的）所示的是一般的CMOS器件输出电路器件输出电路图图3-34（b）所示的是能够忍受）所示的是能够忍受5 V电压的输出结构。电压的输出结构。图3-342常用低压常用低压CMOS系列系列（1）LVC系列系列LVC（Low_Voltage_CMOS Logic）是低压）是低压CMOS系列产系列产品，该系列主要用于品，该系列主要用于3.3

50、V、2.5 V和和1.8 V电源电压的逻辑系电源电压的逻辑系统。该系列具有对称负载能力、总线保持，统。该系列具有对称负载能力、总线保持，I/O引脚能够忍引脚能够忍受受5 V电压，支持部分电源断电和可选串联阻尼电阻等功能。电压，支持部分电源断电和可选串联阻尼电阻等功能。（2）LV与与LV-A系列系列LV（Low_Voltage_CMOS Logic）系列可用于）系列可用于3.3 V或或5 V逻辑系统设计中，而逻辑系统设计中，而LV-A是改进产品，主要用于是改进产品，主要用于3.3 V、2.5 V和和2.5 V电源电压的逻辑系统。该系列具有忍受电源电压的逻辑系统。该系列具有忍受5 V的的I/O引脚

51、、对称驱动能力，并支持部分电路断电。引脚、对称驱动能力，并支持部分电路断电。（3）ALVC系列系列ALVC（Advanced Low_Voltage_CMOS Logic）是）是先进低电压先进低电压CMOS逻辑，主要用于电源电压为逻辑，主要用于电源电压为3.3 V、2.5 V和和1.8 V的逻辑系统。该系列具有总线保持功能和的逻辑系统。该系列具有总线保持功能和灌电流拉电流负载能力相同的特点。灌电流拉电流负载能力相同的特点。（4）LVT系列系列LVT（Low_Voltage Technology），该系列主要用于），该系列主要用于3.3V系统设计，极限灌电流负载系统设计，极限灌电流负载64 mA

52、、拉电流负载、拉电流负载32 mA，传输延迟最快达到，传输延迟最快达到4 ns，而且输入端兼容，而且输入端兼容TTL逻辑电平，并能忍受逻辑电平，并能忍受5.5 V的输入信号。的输入信号。3.7 分立元件门电路分立元件门电路3.7.1 二极管与二极管逻辑门二极管与二极管逻辑门1半导体二极管工作原理半导体二极管工作原理 半导体二极管是由半导体二极管是由P型（空穴）和型（空穴）和N型（电子）半导体型（电子）半导体互相接触形成的互相接触形成的PN结构成。结构成。 PN结具有单向导电性结具有单向导电性: P区加正电压、区加正电压、N区加负电压时，区加负电压时，PN结导通结导通； P区加负电压，区加负电压

53、，N区加正电压时，区加正电压时，PN结截止结截止。 PN结正向导通时，其两端的压降结正向导通时，其两端的压降VD通常在通常在0.60.7 V之间。之间。 二极管两端的电压二极管两端的电压VD与电流与电流ID之间的伏安特性曲线。之间的伏安特性曲线。 正向特性正向特性: 在二极管压降在二极管压降VD大于大于0.7 V后，二极管电流后，二极管电流ID与与VD之间呈指数关系之间呈指数关系； 反向特性反向特性: 反偏电流很小反偏电流很小、基本、基本不随反向电压变化不随反向电压变化； 击穿特性击穿特性: 反向电流变化很大，反向电压变化很小反向电流变化很大，反向电压变化很小。 图图3-37（a）显示的是在）

54、显示的是在二极管两端正向电压（又称为管压降）小于二极管两端正向电压（又称为管压降）小于0.7 V时的等效电路，这时二极管就像开关断开，不导通时的等效电路，这时二极管就像开关断开，不导通； 图图3-37（b）显示的是当二极管两端）显示的是当二极管两端正向电压大于正向电压大于0.7 V时时，可看做一个，可看做一个正向导通正向导通电阻电阻rD与与0.7 V的电压源串联，这里正向导通电阻的电压源串联，这里正向导通电阻rD为为 。 图图3-37（c）所示的等效伏安特性表明）所示的等效伏安特性表明当二极管正向端电压小于当二极管正向端电压小于0.7 V，二极管不导通；当二极管正向端电压大于二极管不导通；当二

55、极管正向端电压大于0.7 V，二极管导通，二极管导通，但由于电阻，但由于电阻rD的影响，流经二极管的电流与电压呈正比例关系。的影响，流经二极管的电流与电压呈正比例关系。 如果二极管逻辑电路中串联的其他电阻比电阻如果二极管逻辑电路中串联的其他电阻比电阻rD的阻值（典型值为的阻值（典型值为25 ）大很多，则可以忽略电阻）大很多，则可以忽略电阻rD，使二极管电路分析起来更简单，这时，使二极管电路分析起来更简单，这时的等效伏安特性如图的等效伏安特性如图3-37（d）所示。）所示。DD/VI等效电路等效电路2 2用二极管实现简单门电路用二极管实现简单门电路（1 1）二极管）二极管或门或门（2 2）二极管

56、）二极管与门与门ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3VABY000011101111Y=A+BABY0V0V0.7V0V5V0.7V5V0V0.7V5V5V5VABY000010100111Y=AB3.7.2 双极性三极管双极性三极管 TTL逻辑电路使用双极性晶体三极管（由于采用空穴与电子逻辑电路使用双极性晶体三极管（由于采用空穴与电子两种极性的载流子工作，所以称为双极性晶体管，简称三极两种极性的载流子工作，所以称为双极性晶体管，简称三极管）。管）。 三极管实际就是两个背靠背的三极管实际就是两个背靠背的PN结连接在一起，结连接在一起，NPN三个三个区引出三个电极：基

57、极区引出三个电极：基极B、集电极、集电极C和发射极和发射极E。而两个。而两个PN结分结分别称为基极别称为基极-发射极之间的发射结和基极发射极之间的发射结和基极-集电极之间的集电结。集电极之间的集电结。这样排列的三极管称为这样排列的三极管称为NPN型三极管型三极管 IE=IB+IC。IC=IB，称为电流放大倍数，典型值为称为电流放大倍数，典型值为200。 三极管就像是一个电流控制开关：三极管就像是一个电流控制开关： 如果从它的基极流入一个小电流如果从它的基极流入一个小电流IB，它的发射极和集电极之间将有，它的发射极和集电极之间将有电流电流IC流动，就像开关被接通；流动，就像开关被接通； 若是基极

58、上没有流入电流若是基极上没有流入电流IB，则它的发射极与集电极之间没有电流，则它的发射极与集电极之间没有电流IC，就像开关被断开。，就像开关被断开。 三极管就是电流三极管就是电流IB控制电流控制电流IC的电流开关。的电流开关。 若三极管电路中的输入输出信号回路共用发射极作为公共端，则称若三极管电路中的输入输出信号回路共用发射极作为公共端，则称为共发射极电路。为共发射极电路。 三极管的工作状态分为放大、截止和饱和三种。三极管的工作状态分为放大、截止和饱和三种。放大状态：放大状态： 集电极电流集电极电流IC与基极电流与基极电流IB之间的关系为之间的关系为IC=IB，由于，由于为常数，所以基为常数，

59、所以基极电流极电流IB与与IC之间呈线性关系，弱电流信号之间呈线性关系，弱电流信号IB被线性放大，得到集电极电流被线性放大，得到集电极电流IC。截止状态：截止状态： 如果输入信号如果输入信号VIN小于小于0.7 V，则发射结电压，则发射结电压VBE太低，因此基极电流太低，因此基极电流IB=0，由关系由关系IC=IB可知集电极电流可知集电极电流IC为为0，R2上压降为上压降为0，VCE等于等于VCC，这时的，这时的晶体管处于截止状态，集电极与发射极之间没有电流，就像开关断开一样。晶体管处于截止状态，集电极与发射极之间没有电流，就像开关断开一样。 饱和状态饱和状态： 如果如果VIN超过超过0.7

60、V，则发射结电压，则发射结电压VBE为正向电压，形成为正向电压，形成IB电流：电流： 而集电极与发射极之间的电压而集电极与发射极之间的电压VCE为：为： 该方程成立的条件是该方程成立的条件是VCE不能小于零。在不能小于零。在VCE为为0时，最大时，最大ICmax=VCC/R2，只要，只要基极电流基极电流IB足够大，使足够大，使IBICmax，就可以使，就可以使VCE足够小，达到饱和足够小，达到饱和VCE（sat），VCE（sat）的典型值是的典型值是0.10.3V。 如果如果VCE等于等于VCE（sat），则说明三极管处于饱和状态，这时集电极电流，则说明三极管处于饱和状态，这时集电极电流IC由