数字电子技术基础——集成逻辑门电路PPT学习教案

1、会计学1数字电子技术基础数字电子技术基础集成逻辑门电路集成逻辑门电路晶体管开关特性晶体管开关特性基本晶体管门电路基本晶体管门电路 第2页/共70页理想开关理想开关 开关闭合时，开关两端电压为开关闭合时，开关两端电压为0； 开关断开时，其流过的电流为开关断开时，其流过的电流为0，其两端间呈现的电阻为无穷大；，其两端间呈现的电阻为无穷大； 且开关的转换在瞬间完成。且开关的转换在瞬间完成。 半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOS管，是构成这种电子开关的基本开关元件。管，是构成这种电子开关的基本开关元件。 可用逻辑变量的可用逻辑变量的“1”“0”来表示。来表示。 导通时，相当于开关闭合；导

2、通时，相当于开关闭合；截止时，相当于开关断开。截止时，相当于开关断开。第3页/共70页1.二极管的开关特性二极管的开关特性（1）静态特性。）静态特性。mAiD/阴极阴极阳极阳极VuD/0.5 0.7( (V VT T) )（a） 电路符号电路符号（b）特性曲线特性曲线二极管当作开关来使用正是利用了二极管的单向导电性。二极管当作开关来使用正是利用了二极管的单向导电性。 第4页/共70页当外加正向电压大于死区电压时，二极管呈现很小的电阻处于导通状态，相当于开关闭合，一般硅管的正向导通压降当外加正向电压大于死区电压时，二极管呈现很小的电阻处于导通状态，相当于开关闭合，一般硅管的正向导通压降UD约为约

3、为0.60.7V，锗管约为，锗管约为0.20.3V。 当二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流极小，二极管处于截止状态，此时相当于开关断开。当二极管两端加上反向电压时，在开始很大范围内，二极管相当于非常大的电阻，反向电流极小，二极管处于截止状态，此时相当于开关断开。 mAiD/uD/0.5 0.7( (V VT T) )V开关等效电路开关等效电路 伏安特性曲线伏安特性曲线 普通二极管反向击穿后，将失去单向导电性。普通二极管反向击穿后，将失去单向导电性。注意：注意：第5页/共70页（2）动态特性。）动态特性。通常情况下，二极管从截止变为导通和从导通变为截止

4、都需要一定的时间，不能象理想开关那样瞬间完成。而且从导通变为截止所需的时间更长一些。通常情况下，二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间，不能象理想开关那样瞬间完成。而且从导通变为截止所需的时间更长一些。一般把二极管从导通到截止所需的时间称为反向恢复时间一般把二极管从导通到截止所需的时间称为反向恢复时间tre。若输入信号频率过高，负半周宽度小于。若输入信号频率过高，负半周宽度小于tre时，二极管会双向导通，失去单向导电作用。时，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需要考虑此参数的影响。因此高频应用时需要考虑此参数的影响。第6页/共70页T T+ +U UCCCCR R

5、B BR RC CCiBiiuouVuCE/放放大大区区饱饱和和区区截止区截止区AiB0AiC/（a） 电路电路（b）特性曲线特性曲线2.三极管的开关特性三极管的开关特性（1）静态特性。）静态特性。第7页/共70页其中其中 为三极管的导通电压，如硅管为三极管的导通电压，如硅管此时，此时， 、 均近似为均近似为0 0，三极管的集电极和发射极之间相当于开关断开，三极管的集电极和发射极之间相当于开关断开 。在开关状态下，三极管主要工作在饱和区（开关闭合）和截止区（开关断开），放大区只是极短暂的过渡状态。在开关状态下，三极管主要工作在饱和区（开关闭合）和截止区（开关断开），放大区只是极短暂的过渡状态。

6、A、截止区、截止区uCE/放放大大区区饱饱和和区区截止区截止区AiB0AiC/VTHBEUuTHUVUTH5 . 0BiCiB、饱和区饱和区BSBIiCCCBSRUI其中，其中， 为临界饱和电流。为临界饱和电流。第8页/共70页三极管的发射结正偏，集电结正偏，集电极和发射极间电压为反向饱和电压三极管的发射结正偏，集电结正偏，集电极和发射极间电压为反向饱和电压UCES（0.20.3V左右）。左右）。饱和越深，饱和越深，UCE越小。三极管的集电极和发射极间相当于短路状态。越小。三极管的集电极和发射极间相当于短路状态。 三极管相当于一个由基极电流控制的开关。三极管相当于一个由基极电流控制的开关。 开

7、关等效电路开关等效电路 第9页/共70页三极管的工作状态处于哪个区域，对应的输出电压三极管的工作状态处于哪个区域，对应的输出电压 为多少？为多少？ 例例1 Ou若三极管导通电压为若三极管导通电压为0.5V0.5V，饱和时，饱和时U UBEBE=0.7V=0.7V，U UCESCES=0.3V=0.3V。求当输入。求当输入 分别为分别为0.3V0.3V和和10V10V时，时，IuIuOuUBB=-8VUCC=12VTRc1KR28.2KR13.9K20 解：分析三极管电路，关键是要抓住三极管三种工作状态的条件和特点。解：分析三极管电路，关键是要抓住三极管三种工作状态的条件和特点。 第10页/共7

8、0页当当 时：时：UBB=-8VR28.2KR13.9KVuI3 . 00BiVuI3 . 0假设三极管已截止，假设三极管已截止，0CBii等效电路等效电路 38. 282 . 82 . 89 . 383 . 0221BBBBIBEVRRRUuU 因为因为UBE 0.5V，三极管截止的假设成立，根据截止时三极管，三极管截止的假设成立，根据截止时三极管，VUuCCO120CBii可求出第11页/共70页当当 时：时： 假设三极管已饱和，则假设三极管已饱和，则UBE=0.7VIuOuUBB=-8VUCC=12VTRc1KR28.2KR13.9K20 UBB=-8VR28.2KR13.9KVuI10

9、BiUBE=0.7V等效电路等效电路 VuI10mARVuRuuiiiBBBEBEIB32. 12 . 887 . 09 . 37 . 0102121又知：又知：mARUVICCESCCBS58. 01203 . 012BSBIi三极管饱和的假设成立，可求出三极管饱和的假设成立，可求出VUuCESO3 . 0。 第12页/共70页（2）动态特性。）动态特性。IHUIuOuCCUCSI9 . 0CSICSI 1 . 0t tr rt ts st td dt tf f( (a a) )( (b b) )( (c c) )t tt tt tCi延迟时间延迟时间td ,上升时间上升时间tr存储时间存储

10、时间ts ,下降时间下降时间tf 从截止到饱和所需的时间。从截止到饱和所需的时间。 从饱和到截止所需的时间。从饱和到截止所需的时间。 开通时间开通时间 ton=td+tr关闭时间关闭时间 toff=ts+tf开关时间越短，开关速度越高，在高频应用时需要特别注意考虑这个问题。开关时间越短，开关速度越高，在高频应用时需要特别注意考虑这个问题。 第13页/共70页电位电位 -指绝对电压的大小。指绝对电压的大小。 电平电平 -指一定的电压范围。指一定的电压范围。 门电路的输入和输出信号都是用电平（或电位）的高低来表示的。门电路的输入和输出信号都是用电平（或电位）的高低来表示的。 高电平和低电平又可用逻

11、辑高电平和低电平又可用逻辑“1”和逻辑和逻辑“0”表示，这样可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。表示，这样可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。 第14页/共70页1.与门与门逻辑状态表逻辑状态表A AB BF F0 0（0V0V）0 0（0V0V）0 0（0.7V0.7V）0 0（0V0V）1 1（5V5V）0 0（0.7V0.7V）1 1（5V5V）0 0（0V0V）0 0（0.7V0.7V）1 1（5V5V）1 1（5V5V）1 1（5V5V）第15页/共70页与门电路波形图与门电路波形图 2.或门或门电路图和符号电路图和符号第16页/共70页或门逻辑状态表或门逻辑状态表

12、A AB BF F0 0（0V0V）0 0（0V0V）0 0（0V0V）0 0（0V0V）1 1（5V5V）1 1（4.3V4.3V）1 1（5V5V）0 0（0V0V）1 1（4.3V4.3V）1 1（5V5V）1 1（5V5V）1 1（4.3V4.3V）电路波形图电路波形图 第17页/共70页3.非门非门逻辑状态表逻辑状态表 A AF F0 0（0V0V）1 1（12V12V）1 1（3V3V）0 0（0.3V0.3V）电路波形图电路波形图 数字电路逻辑符号中，若在输入端加小圆圈，表示输入低电平信号有效。若在输出端加小圆圈，表示输出信号取反。数字电路逻辑符号中，若在输入端加小圆圈，表示输入

13、低电平信号有效。若在输出端加小圆圈，表示输出信号取反。 第18页/共70页与非门电路与非门电路 FTABD1D2D&FAB+5V+12V-12VR R1 1Rc1uR R2 2R R3 3逻辑状态表逻辑状态表 A AB BF F0 0（0V0V）0 0（0V0V）1 1（5.7V5.7V）0 0（0V0V）1 1（5V5V）1 1（5.7V5.7V）1 1（5V5V）0 0（0V0V）1 1（5.7V5.7V）1 1（5V5V）1 1（5V5V）0 0（0.3V0.3V）第19页/共70页与非门电路波形图。与非门电路波形图。 这种分立元件的门电路虽然电路结构简单，但由于二极管正向压降的

14、影响会产生电平偏离，并且速度较低、带负载能力差，现在一般都被集成逻辑门电路所取代。这种分立元件的门电路虽然电路结构简单，但由于二极管正向压降的影响会产生电平偏离，并且速度较低、带负载能力差，现在一般都被集成逻辑门电路所取代。第20页/共70页与非门电路与非门电路集电极开路门和三态门电路集电极开路门和三态门电路集成电路的系列产品集成电路的系列产品第21页/共70页输入级和输出级均采用晶体三极管，称为晶体三极管输入级和输出级均采用晶体三极管，称为晶体三极管-晶体三极管逻辑电路，简称晶体三极管逻辑电路，简称TTL电路。电路。 1.电路结构电路结构R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4T T

15、1 1T T2 2T T3 3T T4 4D D1 1D D2 2D D3 3+ +U UCCCCA AB BF F输入级输入级中间级中间级输出级输出级第22页/共70页（1）输入级。）输入级。对输入变量实现对输入变量实现“与与”运算，输入级相当于一个与门。运算，输入级相当于一个与门。R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4T T1 1T T2 2T T3 3T T4 4D D1 1D D2 2D D3 3+ +U UCCCCA AB BF F输入级输入级中间级中间级输出级输出级R R1 1T T1 1R R1 1（2）中间级。）中间级。实现放大和倒相功能。向后级提供两个相位相反的信号

16、，分别驱动实现放大和倒相功能。向后级提供两个相位相反的信号，分别驱动T3、T4管。管。（3）输出级。）输出级。减小电路的输出电阻，提高输出带负载能力和抗干扰能力。减小电路的输出电阻，提高输出带负载能力和抗干扰能力。T3和和T4管总处于一管导通而另一管截止的工作状态。管总处于一管导通而另一管截止的工作状态。 第23页/共70页2.工作原理工作原理当输入全为高电平，当输入全为高电平，UA=UB=3.6V， T1的两个发射结都反偏，集电结正偏。的两个发射结都反偏，集电结正偏。 T2和和T4饱和导通。饱和导通。 T3和和D3都截止，输出低电平。都截止，输出低电平。 VUuuCESCO3 . 04R R

17、1 1R R2 2R R3 3R R4 4T T1 1T T2 2T T3 3T T4 4D D1 1D D2 2D D3 3+ +U UCCCCA AB BF F当输入中至少有一个为低电平时，当输入中至少有一个为低电平时，T1的两个发射结必然有一个导通，的两个发射结必然有一个导通，T2和和T4均截止，而此时均截止，而此时T3和和D3导通，输出高电平导通，输出高电平 。 VUUUuDBECCO6 . 333即输入输出之间实现了即输入输出之间实现了“与非与非”的逻辑关系。的逻辑关系。第24页/共70页电压传输特性是指输出电压电压传输特性是指输出电压 随输入电压随输入电压 变化的关系曲线，即变化的

18、关系曲线，即 3.TTL与非门传输特性与非门传输特性OuIu)(IOufu1 1. .0 02 2. .0 03 3. .6 60 0. .5 51 1. .0 01 1. .5 5A AB BC CD DE EVuO/VuI/0 0U UTHTH3 32 2. .5 52 2. .0 0AB-截止区 -线性区-转折区-饱和区BCCDDE第25页/共70页4.主要参数主要参数（1）输入和输出的高、低电平。）输入和输出的高、低电平。 输入低电平的上限值输入低电平的上限值UIL（max） 输入高电平的下限值输入高电平的下限值UIH（min）输出低电平的上限值输出低电平的上限值UOL（max）输出高

19、电平的下限值输出高电平的下限值UOH（min）（2）开门电平）开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF。保证输出电压为额定低电平时，所允许的最小输入高电平，即只有当保证输出电压为额定低电平时，所允许的最小输入高电平，即只有当 时，输出才是低电平。时，输出才是低电平。ONIUU 保证输出电压为额定高电平时，所允许的最大输入低电平，即只有当保证输出电压为额定高电平时，所允许的最大输入低电平，即只有当 时，输出才是低电平。时，输出才是低电平。 OFFIUU 第26页/共70页（3）阈值电压）阈值电压UTH。电压传输特性曲线转折区的中点所对应的输入电压值电压传输特性曲线转折区的中点所对应的输入电压值

20、-使输出发生高低电平转换的输入电压值，也称门槛电压。使输出发生高低电平转换的输入电压值，也称门槛电压。 TTL与非门的阈值电压与非门的阈值电压UTH=1.4V左右。左右。（4）噪声容限。）噪声容限。保证电路正常输出的前提下，输入电平允许波动的最大范围。保证电路正常输出的前提下，输入电平允许波动的最大范围。 输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限UNH： 输入高电平时，保证输入高电平时，保证TTL电路仍可正常输出的最大允许负向干扰电压。电路仍可正常输出的最大允许负向干扰电压。 第27页/共70页1 11 11 1输出输出0 0输出输出0 0输入输入1 1输入输入OuIuOuIuUOH(min)UO

21、L(max)UNHUIH(min)UIL(max)UNLUNHUOH（min）UIH（min ） 显然，显然，输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限UNL： 输入低电平时，保证输入低电平时，保证TTL电路仍可正常输出的最大允许正向干扰电压。电路仍可正常输出的最大允许正向干扰电压。UNLUIL（max）UOL（max） 噪声容限越大，集成门电路的抗干扰能力越强。噪声容限越大，集成门电路的抗干扰能力越强。输入噪声容限示意图输入噪声容限示意图第28页/共70页（5）传输延迟时间）传输延迟时间tpd 。 电路在动态脉冲信号作用下，输出脉冲相对于输入脉冲延迟了多长时间。电路在动态脉冲信号作用下，输出脉冲相

22、对于输入脉冲延迟了多长时间。tPHL -输出电压由高变低，输出脉冲的延迟时间；输出电压由高变低，输出脉冲的延迟时间； tPLH -输出电压由低变高，输出脉冲的延迟时间。输出电压由低变高，输出脉冲的延迟时间。 这两个延迟时间的平均值称为平均传输延迟时间这两个延迟时间的平均值称为平均传输延迟时间tpd。 TTL门电路的平均传输延迟时间门电路的平均传输延迟时间tpd一般在一般在20nS左右。左右。 第29页/共70页（6）扇入扇出数。）扇入扇出数。 扇入数：扇入数： -门电路输入端的个数，用门电路输入端的个数，用NI表示。表示。 对于一个对于一个2输入的输入的“或非或非”门，其扇入数门，其扇入数NI

23、2。扇出数：扇出数： -门电路在正常工作时，所能带同类门电路的最大数目，它表示带负载能力。门电路在正常工作时，所能带同类门电路的最大数目，它表示带负载能力。 拉电流负载：拉电流负载： （负载门）（驱动门）IHOHOHIIN& & & &.I IOHOHI IIHIHI IIHIH（存在高电平下限值）。（存在高电平下限值）。第30页/共70页（负载门）（驱动门）ILOLOLIIN灌电流负载：灌电流负载： & & & &.I IOLOLI IILILI IILIL（低电平存在上限值）（低电平存在上限值） 通常逻辑器件扇出数须通过计算或

24、实验的方法求得。通常逻辑器件扇出数须通过计算或实验的方法求得。 若若NOLNOH，一般取两者中的最小值。，一般取两者中的最小值。为了能够保证数字电路或系统能正常工作，在设计时还需要注意要留有一定的余地。为了能够保证数字电路或系统能正常工作，在设计时还需要注意要留有一定的余地。第31页/共70页5.常用常用TTL与非门集成芯片与非门集成芯片74LS004-2输入与非门输入与非门 74LS046反相器反相器74U202-4输入与非门输入与非门 74LS084-2输入与门输入与门74LS024-2输人或非门输人或非门 74LS86异或门异或门 74LS0074LS00引脚图和逻辑符号引脚图和逻辑符号

25、 第32页/共70页例例 如图所示电路，已知如图所示电路，已知74LS00门电路参数为：门电路参数为：& & & &. . . .G GP PG G1 1G G2 2IOH/IOL=1.0mA/-20mA, IIH/IIL=50A/-1.43mA求门求门GP的扇出数是多少？的扇出数是多少？ 解：解： 门门GP输出低电平时，设可带门数为输出低电平时，设可带门数为NL： OLILLIIN1443. 120ILOLLIIN门门G GP P输出高电平时，设可带门数为输出高电平时，设可带门数为N NH H： OHIHHIIN2005. 00 . 1IHOHHIIN取最小值

26、，取最小值，扇出系数扇出系数=14。第33页/共70页1.TTL集电极开路门电路（集电极开路门电路（OC门）门）“线与线与” -将两个以上门电路的输出端直接并联以实现将两个以上门电路的输出端直接并联以实现“与与”逻辑的功能。逻辑的功能。R4R4D3D3T3T3T4T4F FF“1”“0”+5V如图，低阻通路产生很大电流，可能烧坏器件，且无法确定输出是高电平还是低电平。如图，低阻通路产生很大电流，可能烧坏器件，且无法确定输出是高电平还是低电平。 第34页/共70页OC门的输出级三极管门的输出级三极管T4集电极悬空，即输出管集电极悬空，即输出管T4集电极开路，故称为集电极开路门。集电极开路，故称为

27、集电极开路门。 使用时需要外接负载电阻使用时需要外接负载电阻RL（或称上拉电阻）及电源。（或称上拉电阻）及电源。 R R1 1R R2 2R R3 3T T1 1T T2 2T T4 4+ +U UCCCCA AB BF F&AB&CD+ +U UCCCCR RL L线与线与F逻辑符号逻辑符号 CDABF第35页/共70页OC门主要应用于实现线与、电平转换以及用做驱动显示。门主要应用于实现线与、电平转换以及用做驱动显示。 将若干个将若干个OC门输出端连接在一起再接一个上拉电阻和电源，即可构成各输出变量间的门输出端连接在一起再接一个上拉电阻和电源，即可构成各输出变量间的“与与”逻

28、辑逻辑-“线与线与”。OCOC门实现电平转换门实现电平转换 OCOC门驱动发光二极管门驱动发光二极管 第36页/共70页2.三态门输出三态门输出 & ENA BEN FR R1 1R R2 2R R3 3R R4 4T T1 1T T2 2T T3 3T T4 4D D3 3+ +V VCCCCA AB BF F1 11 1ENEND D4 4（a）TTL三态与非门电路三态与非门电路（b）TTL三态与非门逻辑符号三态与非门逻辑符号第37页/共70页当使能输入端当使能输入端EN1时，门电路相当于二输入的与非门；时，门电路相当于二输入的与非门； 当使能输入端当使能输入端EN为低电平时，为低

29、电平时， 从输出端看进去，对地和电源都相当于开路，呈现高阻抗（从输出端看进去，对地和电源都相当于开路，呈现高阻抗（Z状态）。状态）。 高阻态并无逻辑值，仅表示电路与其他电路无关联，所以三态电路仍是二值逻辑电路。高阻态并无逻辑值，仅表示电路与其他电路无关联，所以三态电路仍是二值逻辑电路。 &EN A BF EN低电平有效三态与非门低电平有效三态与非门由于该电路有由于该电路有高电平、低电平和高阻态高电平、低电平和高阻态三种状态，所以称之为三种状态，所以称之为三态门三态门。 第38页/共70页高电平有效的三态高电平有效的三态与非门电路真值表与非门电路真值表 ENENA AB BF F1 10

30、 00 01 11 10 01 11 11 11 10 01 11 11 11 10 00 0高阻高阻门电路的三态输出主要应用于多个门输出共享数据或控制信号总线传输，这样可以减少输出连线。门电路的三态输出主要应用于多个门输出共享数据或控制信号总线传输，这样可以减少输出连线。为避免多个门输出同时占用数据总线，这些门的使能信号（为避免多个门输出同时占用数据总线，这些门的使能信号（EN）中只允许有一个为有效电平（如高电平）。）中只允许有一个为有效电平（如高电平）。第39页/共70页只要保证任何时刻只有一个三态门的使能端有效，即可实现多路数据通过一条总线进行传送的功能。只要保证任何时刻只有一个三态门的

31、使能端有效，即可实现多路数据通过一条总线进行传送的功能。 另外，利用三态门还可以实现数据的双向传输。另外，利用三态门还可以实现数据的双向传输。 1EN1ENENENIDOD10/ DD总总线线G G1 1G G2 2第40页/共70页74系列：中速系列，系列：中速系列，TTL集成电路早期产品，平均传输延迟时间约为集成电路早期产品，平均传输延迟时间约为10ns，但平均功耗每门约，但平均功耗每门约10mW，现已基本淘汰。，现已基本淘汰。74L系列：为低功耗系列：为低功耗TTL系列，又称系列，又称LTTL系列。系列。74H系列：高速系列，采用抗饱和三极管，在工作速度方面得到改善，系列：高速系列，采用

32、抗饱和三极管，在工作速度方面得到改善， 平均传输延迟时间约为普通型的二分之一，约为平均传输延迟时间约为普通型的二分之一，约为6ns，但是平均功耗增加了，每门约为，但是平均功耗增加了，每门约为22mW。74S（又称（又称STTL）系列：为肖特基系列。工作速度和功耗均得到了明显改善。）系列：为肖特基系列。工作速度和功耗均得到了明显改善。第41页/共70页速度和功耗上较前系列进一步提高。速度和功耗上较前系列进一步提高。其速度和功耗介于其速度和功耗介于74AS和和74ALS系列之间，广泛应用于速度要求较高的系列之间，广泛应用于速度要求较高的TTL逻辑电路逻辑电路 。74F系列：系列：74AS和和74A

33、LS系列：系列：第42页/共70页开关及其等效电路开关及其等效电路常用常用CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路逻辑门系列逻辑门系列第43页/共70页-由金属氧化物绝缘栅型场效应（由金属氧化物绝缘栅型场效应（MOS）管构成的单极型集成电路。）管构成的单极型集成电路。 主要有三种类型：主要有三种类型： NMOS门电路、门电路、PMOS门电路和门电路和CMOS门电路。门电路。 CMOS电路较之电路较之TTL电路具有以下优点：电路具有以下优点： 功耗低、静态电流小（约为纳安数量级）、抗干扰能力强、电源电压范围宽、输入阻抗高、负载能力强等，应用广泛。功耗低、静态电流小（约为纳安数量级）、抗干扰能力强、电

34、源电压范围宽、输入阻抗高、负载能力强等，应用广泛。 MOS电路电路第44页/共70页U UDDDDR RD Dd ds sg gIuOuTN1.MOS管开关等效电路管开关等效电路输出特性曲线输出特性曲线电路电路截止区截止区饱和区饱和区可变电阻区可变电阻区TGSDSuuuDiDSu第45页/共70页MOS管截止， ,此时的此时的MOS管相当于受控制的可变电阻，且管相当于受控制的可变电阻，且 越大，输出特性曲线越陡峭，越大，输出特性曲线越陡峭，RON （导通电阻）越小。（导通电阻）越小。 U UDDDDR RD Dd ds sg gIuOuTN当输入电压当输入电压 较小时，有较小时，有 ，当当 增

35、加，使增加，使 ，MOS管工作在可变电阻区。管工作在可变电阻区。 IuTGSUu0DiDDOUu，TGSDSUuuGSuIu即即MOS管分别工作在截止区和可变电阻区时，相当于受管分别工作在截止区和可变电阻区时，相当于受 控制的一个无触点开关控制的一个无触点开关 。+ +U UDDDDR Rd dd ds sg gOu+ +U UDDDDR Rd dd ds sOug gR RONONR Rd dR RONONGSu第46页/共70页2.MOS管开关特性管开关特性由于由于MOS管本身存在电容效应及导通电阻，在输入端加入一个理想脉冲信号时，导通闭合两种状态之间转换会受到电容充放电的影响，使输出波形

36、边沿变得缓慢，输出电压的变化也会滞后于输入电压的变化。管本身存在电容效应及导通电阻，在输入端加入一个理想脉冲信号时，导通闭合两种状态之间转换会受到电容充放电的影响，使输出波形边沿变得缓慢，输出电压的变化也会滞后于输入电压的变化。 为减小开关时间，可以用为减小开关时间，可以用P沟道沟道MOS管来代替电阻管来代替电阻RD，就构成所谓的，就构成所谓的CMOS开关。开关。第47页/共70页1.CMOS反相器反相器（1）工作原理。）工作原理。+ +U UDDDDT TN NT TP PouIuTN管为工作管，管为工作管，N沟道沟道MOS增强型场效应管，开启电压增强型场效应管，开启电压UTN 。TP管为负

37、载管（作漏极负载管为负载管（作漏极负载Rd），），P沟道沟道MOS增强型场效应管，开启电压增强型场效应管，开启电压UTP。 栅极栅极g接在一起，作为输入端接在一起，作为输入端 ；漏极漏极d接在一起，作为输出端接在一起，作为输出端 。 ou电源电源UDD须大于两只须大于两只MOS管的开启电压的绝对值之和管的开启电压的绝对值之和 即即UDD UTN + UTP Iu第48页/共70页+ +U UDDDDT TN NT TP PouIu当输入电压当输入电压 为低电平为低电平“0”时，工作管时，工作管TN因其因其UGS小于开启电压小于开启电压UTN而截止，负载管而截止，负载管TP因其因其UGS小于开启

38、电压小于开启电压UTP而导通。而导通。 工作管工作管TN截止，漏极电流近似为零，输出电压截止，漏极电流近似为零，输出电压 为高电平为高电平“1”。 当输入电压当输入电压 为高电平为高电平“1”时，工作管时，工作管TN因其因其UGS大于开启电压大于开启电压UTN而导通，负载管而导通，负载管TP因其因其UGS大于开启电压大于开启电压UTP而截止，输出电压而截止，输出电压 为低电平为低电平“0”。 ouIuouIu即电路实现反相器功能，工作管即电路实现反相器功能，工作管TN和负载管和负载管TP总是工作在互补的开关工作状态，即总是工作在互补的开关工作状态，即TN 和和TP的工作状态互补，所以的工作状态

39、互补，所以CMOS电路称为互补型电路称为互补型MOS电路。电路。第49页/共70页（2）CMOS反相器电压传输特性和电流传输特性。反相器电压传输特性和电流传输特性。 2DDUB BC C D DE EA AF FmAiD/VuI/A AB BC CD DE EF FVuI/2DDU0 0VuO/第50页/共70页2.漏极开路门（漏极开路门（OD门）门）F FA AB B&FAB3.三态（三态（TSL）输出门电路）输出门电路&11ENENA AB BC CU UDDDDF FAENF1 1（a）三态门电路三态门电路（b）符号符号TNTP第51页/共70页4.CMOS传输门传输门T

40、GTGCCOIuu /IOuu /OIuu /IOuu /CC+ +5 5V V- -5 5V VT TP PT TN N（a）传输门电路传输门电路（b）逻辑符号逻辑符号又称模拟开关，既可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。又称模拟开关，既可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。 第52页/共70页RON小于小于1k，典型值为，典型值为80，漏极和源极之间相当于短路，输出等于输入。，漏极和源极之间相当于短路，输出等于输入。即即C=1时，传输门打开时，传输门打开C=0时，传输门关闭，输入和输出之间呈现出高阻抗状态，不能进行信号传输。时，传输门关闭，输入和输出之间呈现出高阻抗状态，不能进行信号传输。

41、 TGTGCCOIuu /IOuu /C=1时，时，在整个输入电压范围在整个输入电压范围-5V+5V内，至少有一个场效应管导通。场效应管导通，漏源间的沟道导通电阻内，至少有一个场效应管导通。场效应管导通，漏源间的沟道导通电阻 ouIu第53页/共70页4000系列：早期基本的系列：早期基本的CMOS集成逻辑门系列，后来发展为集成逻辑门系列，后来发展为4000B，应用十分广泛。其工作电压宽（，应用十分广泛。其工作电压宽（318V）、功耗低、抗干扰能力强，但工作速度较慢，平均传输延迟时间为几十纳秒，最高工作频率小于）、功耗低、抗干扰能力强，但工作速度较慢，平均传输延迟时间为几十纳秒，最高工作频率小

42、于5MHz，且与，且与TTL不兼容。不兼容。74HC和和74HCT系列：系列：74HC系列的其工作电压为系列的其工作电压为26V。与。与4000B系列相比，其工作速度快，且带负载能力强。系列相比，其工作速度快，且带负载能力强。74HCT系列工作电压为系列工作电压为4.5V5.5V，并可与，并可与TTL兼容。兼容。第54页/共70页74LVC和和74AUC系列：这种系列是近年来随着便携设备的发展，要求使用体积小，功耗低、电池耗电小的半导体器件，因此先后推出了低电压系列：这种系列是近年来随着便携设备的发展，要求使用体积小，功耗低、电池耗电小的半导体器件，因此先后推出了低电压CMOS器件器件74LV

43、C系列，及超低压系列，及超低压CMOS器件器件74AUC系列，并且半导体制造工艺可以使它们的成本更低、速度更快，同时大多数低电压器件的输入输出电平可以与系列，并且半导体制造工艺可以使它们的成本更低、速度更快，同时大多数低电压器件的输入输出电平可以与5V的的CMOS或或TTL电平兼容。电平兼容。74VHC和和74VHCT系列：保持系列：保持74HC和和74HCT系列的功耗低等优点，并且在工作速度达到系列的功耗低等优点，并且在工作速度达到74HC和和74HCT系列的两倍。系列的两倍。第55页/共70页门电路使用注意事项门电路使用注意事项 门电路的使用注意事项门电路的使用注意事项门电路之间的接口问题

44、门电路之间的接口问题需要注意的其他事项需要注意的其他事项第56页/共70页1.电源电压范围电源电压范围TTL集成电路的电源电压允许变化范围较窄，集成电路的电源电压允许变化范围较窄，54系列电源一般为系列电源一般为5V 0.5V；74系列电源为系列电源为5V 0.25V。因此必须使用。因此必须使用+5V稳压电源。稳压电源。2.对多余输入端的处理对多余输入端的处理对于对于TTL电路，多余的输入端是允许悬空。悬空时，该端的逻辑输入状态一般都作为电路，多余的输入端是允许悬空。悬空时，该端的逻辑输入状态一般都作为“1” 高电平对待。但最好不要悬空，这样易受干扰。高电平对待。但最好不要悬空，这样易受干扰。

45、 对多余输入端的处理以不改变逻辑关系及稳定可靠性为前提，要根据实际需要作适当处理。对多余输入端的处理以不改变逻辑关系及稳定可靠性为前提，要根据实际需要作适当处理。 第57页/共70页一种方法是将多余输入端并联使用。但速度会降低，工作速度要求不高时可以采用这种方法。一种方法是将多余输入端并联使用。但速度会降低，工作速度要求不高时可以采用这种方法。 另一种方法可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。另一种方法可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。 与门（与非门）的多余输入端可以通过与门（与非门）的多余输入端可以通过13K电电 阻或直接接到电源正端，阻或直接接到电源正端，或门（或非门）的多余输入端可以接地

46、。或门（或非门）的多余输入端可以接地。3.输出端的处理输出端的处理普通普通TTL门电路输出端不允许直接并联或接电源、接地使用，否则将会使电路的逻辑功能混乱并损坏器件。门电路输出端不允许直接并联或接电源、接地使用，否则将会使电路的逻辑功能混乱并损坏器件。TSL门电路输出端可以并联使用；门电路输出端可以并联使用；OC门输出端也可以并联使用，但公共端与电源间要接有负载门输出端也可以并联使用，但公共端与电源间要接有负载RL。第58页/共70页CMOS电路要求输入信号的幅度满足电路要求输入信号的幅度满足 USS UDD 1.电源电压范围电源电压范围4000系列电源系列电源315V，最大不超过，最大不超过

47、18V；HC系列电源系列电源26V，HCT系列系列4.55.5V，最大不超过，最大不超过7V。此外，此外，CMOS电路接电源时极性不能接反；在实验或调试时，开始先接电源后再通信号源，结束时先关信号源后断电源。电路接电源时极性不能接反；在实验或调试时，开始先接电源后再通信号源，结束时先关信号源后断电源。Iu第59页/共70页2.对多余输入端的处理对多余输入端的处理对于CMOS电路，多余的输入端绝对不能悬空。 对多余输入端的处理可采用输入端并联的方法，此法适应于工作速度要求不高，功耗不太大时。另一种方法也是根据逻辑关系的要求接地或接高电平。对多余输入端的处理可采用输入端并联的方法，此法适应于工作速

48、度要求不高，功耗不太大时。另一种方法也是根据逻辑关系的要求接地或接高电平。 3.输出端的处理输出端的处理普通普通CMOS门电路输出端不允许直接并联或接电源、接地使用。门电路输出端不允许直接并联或接电源、接地使用。只有只有TSL门和门和OD门的输出端可以并联使用，同样的，公共端与电源间要接有负载门的输出端可以并联使用，同样的，公共端与电源间要接有负载RL。第60页/共70页（1）逻辑电平匹配问题）逻辑电平匹配问题 指驱动器件的输出电压要符合负载器件所要求的高电平或低电平输入电压的范围。指驱动器件的输出电压要符合负载器件所要求的高电平或低电平输入电压的范围。 （2）电流匹配问题）电流匹配问题 驱动

49、门要为负载门提供足够大的驱动电流。驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。 （3）噪声容限、输入输出电容、开关速度等）噪声容限、输入输出电容、开关速度等 参数需要是否满足某些设计要求的问题。参数需要是否满足某些设计要求的问题。第61页/共70页1.CMOS门驱动门驱动TTL门电路连接方法门电路连接方法CMOS门电路作为驱动门，门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V；TTL门电路作为负载门，门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。电平匹配符合要求。电平匹配符合要求。 如如CMOS门电路门电路4000系列最大允许灌电流为系列最大允许灌电流为0.4mA，TTL门电路为门电路为1.4 mA，

50、CMOS4000系列驱动电流不足。电流不匹配。系列驱动电流不足。电流不匹配。一是选用一是选用CMOS缓冲器，如缓冲器，如CC4009的驱动电流可达的驱动电流可达4 mA。二是选用高速二是选用高速CMOS系列产品，如系列产品，如CMOS的的54HC/74HC系列产品可以直接驱动系列产品可以直接驱动TTL电路。电路。电平：电平：电流：电流：解决方法解决方法但要注意根据电流大小计算扇出数，但要注意根据电流大小计算扇出数，负载门个数不能超过扇出数负载门个数不能超过扇出数。第62页/共70页2.TTL门驱动门驱动CMOS门的电路连接方法门的电路连接方法AB11&TTLUCCFUDDCMOSCC4

51、049 接上拉电阻作为接口电路接上拉电阻作为接口电路采用电平移动电路作为接口电路采用电平移动电路作为接口电路第63页/共70页1.注意信号干扰问题注意信号干扰问题2.注意设计和安装工艺，增强抗干扰措施注意设计和安装工艺，增强抗干扰措施3.在在CMOS逻辑系统设计中，应尽量减少电容负载。电容负载会降低逻辑系统设计中，应尽量减少电容负载。电容负载会降低CMOS集成电路的工作速度和增加功耗。集成电路的工作速度和增加功耗。 此外由于此外由于CMOS电路输入阻抗高，易受静电感应发生击穿，除电路内部设置保护电路外，在使用和存放时应注意静电屏蔽。电路输入阻抗高，易受静电感应发生击穿，除电路内部设置保护电路外

52、，在使用和存放时应注意静电屏蔽。第64页/共70页1 门电路是构成各种复杂数字电路的基本单元。门电路是构成各种复杂数字电路的基本单元。半导体二极管加正向电压时，相当于开关闭合；加反向电压时，相当于开关断开。（单向导电性）半导体二极管加正向电压时，相当于开关闭合；加反向电压时，相当于开关断开。（单向导电性）2 在门电路中作为开关器件的有二极管、三极管在门电路中作为开关器件的有二极管、三极管 和和MOS管。管。半导体三极管半导体三极管THBEUu-截止，相当于开关断开；截止，相当于开关断开； BSBIi-饱和，相当于开关闭合。饱和，相当于开关闭合。即相当于一个由基极电流控制的开关。即相当于一个由基极电流控制的开关。 第65页/共70页MOS管是一种电压控制器件。在数字电路中管是一种电压控制器件。在数字电路中MOS管工作于可变电阻区和截止区，导通时相当于开关闭合，截止时相当开关断开。管工作于可变电阻区和截止区，导通时相当于开关闭合，截止时相当开关断开。3 分立元件门电路是最简单的门电路，可由半导体二极管、三极管构成基本逻辑电路，是集成逻辑门电路的基础，但体积大、工作可靠性较差。分立元件门电路是最简单的门电路，可由半导体二极管、三极管构成基本逻辑电路，是集成逻辑门电路的基础，但体积大、工作可靠