数字电路课件

1、数 字 电 子 技 术概述概述半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性TTL 集成逻辑门集成逻辑门CMOS 集成逻辑门集成逻辑门集成逻辑门的应用集成逻辑门的应用本章小结本章小结第第 2 章逻辑门电路章逻辑门电路分立元件门电路分立元件门电路数 字 电 子 技 术 概概 述述主要要求：主要要求： 了解逻辑门电路的作用和常用类型。了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。理解高电平信号和低电平信号的含义。 数 字 电 子 技 术 TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semi

2、conductor 一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分按功能特点不同分 普通门普通门( (推拉式输出推拉式输出) ) CMOS传输门传输门 输出输出开路门开路门 三态门三态门 门电路门电路 (Gate Circuit) 指用以实现基本逻辑关系和指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分 与门与门 或门或门 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非门 与或非门与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分 TTL 集成门电路集成门电

3、路 CMOS 集成门电路集成门电路 输入端和输出端都用输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。 用互补对称用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。管构成的逻辑门电路。 数 字 电 子 技 术二、获得高低电平的方法及高电平和二、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义低电平的含义 获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理数 字 电 子 技 术高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定范围的电位值，而非一固定值。的电位值，而非一固定值。 高电平信号是多大的信号？低高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？电平信号又是多大的信号？10高电平高电平低电平低电平0

4、1高电平高电平低电平低电平正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定由门电路种类等决定 数 字 电 子 技 术主要要求：主要要求： 理解二极管、理解二极管、三极管的开关特性。三极管的开关特性。 掌握二极管、三极管开关工作的条件。掌握二极管、三极管开关工作的条件。 2.1半导体器件半导体器件的开关特性的开关特性数 字 电 子 技 术2.1.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性二极管开关电路二极管开关电路uiuo0101数 字 电 子 技 术三极管为什么能用作开关？三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？怎样控制它的开和关？ 当输入当输入 uI 为低电平，使为低电平

5、，使 uBE Uth时，三极管截止。时，三极管截止。 iB 0，iC 0，C、E 间相当间相当于开关断开。于开关断开。 三极管关断的条件和等效电路三极管关断的条件和等效电路ICSQAuCEUCESOiCMNIBSTS负载线负载线临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区一、三极管的开关作用及其条件一、三极管的开关作用及其条件 截止区截止区uBE UthBEC三极管三极管截止状态截止状态等效电路等效电路uI=UILuBE+ +- -Uth为门限电压为门限电压数 字 电 子 技 术IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区

6、 uI 增大增大使使 iB 增大，增大，从而工作点上移，从而工作点上移， iC 增增大大，uCE 减小。减小。截止区截止区uBE Uth时，三极管开始导通，时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大，三极管工作于放大导通状态。导通状态。数 字 电 子 技 术IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区截止区截止区uBE ton二、三极管的动态开关特性二、三极管的动态开关特性 开关时间主要由于开关时间主要由于电电荷存储效应荷存储效应引起，要提高引起，要提高开关速度，必须降低三极开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存管

7、饱和深度，加速基区存储电荷的消散。储电荷的消散。数 字 电 子 技 术图2.3.1 二极管与门返回返回 真值表真值表逻辑电平逻辑电平ABY001101010001A/V B/V Y/V003303030.70.70.73.72.2.1 二极管与门二极管与门缺点：输出电平发生偏移缺点：输出电平发生偏移2.2 最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路数 字 电 子 技 术2.2.2 二极管或门二极管或门图2.3.2 二极管或门返回返回逻辑电平逻辑电平A/VB/V Y/V0033030302.32.32.3 真值表真值表ABY001101010111缺点：输出电平发生偏移缺点：输出电平发生偏

8、移数 字 电 子 技 术2.2.3三极管非门三极管非门图2.3.3 三极管非门（反相器）返回返回 真值表真值表AY0110R2 和和VEE的作用：保证输入为低电平时三极管可靠的作用：保证输入为低电平时三极管可靠截止；输入为高电平时，保证三极管工作在深度饱截止；输入为高电平时，保证三极管工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零。和状态，使输出电平接近于零。数 字 电 子 技 术主要要求：主要要求： 了解了解 TTL 与非门的组成和工作原理。与非门的组成和工作原理。了解了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。集成逻辑门的主要参数和使用常识。2.3TTL 集成逻辑门集成逻辑门 掌握掌握 TTL

9、基本门的逻辑功能和主要外特性。基本门的逻辑功能和主要外特性。掌握掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。数 字 电 子 技 术2.3.12.3.1TTL 与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理 一、电路结构一、电路结构数 字 电 子 技 术二、二、TTL 与非门的工作原理与非门的工作原理（设输入（设输入V VIHIH=3.6V=3.6V，V VILIL=0.3V=0.3V） 输入均为高电平时，输入均为高电平时，输出低电平输出低电平 输入至少有一个为低电平时，输入至少有一个为低电平时，输出高电平输出高电平ABY 数 字 电 子 技 术三、电压传

10、输特性三、电压传输特性和噪声容限和噪声容限 1 1、电压传输特性、电压传输特性: :u uo o随随ui变化而变化的特性曲线变化而变化的特性曲线电压传输特性电压传输特性原理图原理图数 字 电 子 技 术输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为值称为噪声容限噪声容限。噪声容限越大，抗干扰能力越。噪声容限越大，抗干扰能力越强。强。 2 2、噪声容限、噪声容限74系列系列UoH(min)=2.4VUoL(max)=0.4VUIH(min)=2.0VUIL(max)=0.8V数

11、 字 电 子 技 术 输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限 UNH 指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH = UoH(min) UIH(min) 输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限 UNL指输入低电平时，允许的指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。最大正向噪声电压。UNL = UIL(max) UoL(max) 数 字 电 子 技 术2.3.2 静态输入特性和静态输入特性和 输出特性输出特性返回返回研究输入电流随输入电压变化的特性研究输入电流随输入电压变化的特性一、输入特性一、输入特性数 字 电 子 技 术ILI输入低电平时的输入电流称为输

12、入低电平时的输入电流称为低电平输入电流低电平输入电流 ILI当当 时的输入电流成为时的输入电流成为输入高电平电流输入高电平电流 IIL3.6 VuUIHI若将个输入端并联使用，则若将个输入端并联使用，则总总的低电平输入电流与的低电平输入电流与只有一个输入端接低电平时相同，每个输入端的低只有一个输入端接低电平时相同，每个输入端的低电平输入电流相等，为电平输入电流相等，为 ；而总的高电平输；而总的高电平输入电流则为高电平输入电流之和。若每个输入端的入电流则为高电平输入电流之和。若每个输入端的高电平输入电流为高电平输入电流为 ，则个输入端总的高电平输，则个输入端总的高电平输入电流等于入电流等于 。

13、/InILIHIIHnI数 字 电 子 技 术二二. 输入负载特性输入负载特性 当用当用TTL与非门组成一些较复杂的逻辑电路时，有与非门组成一些较复杂的逻辑电路时，有时需要在信号与输入端或输入端与地之间接一电阻。有时需要在信号与输入端或输入端与地之间接一电阻。有电流流过电流流过RI，必然产生电压降，将必然产生电压降，将ui随随RI的变化而变化的的变化而变化的关系曲线叫做门电路的输入负载特性。关系曲线叫做门电路的输入负载特性。输入负载特性输入负载特性曲线曲线0uI /VR1/k UOFF1.4FNROFFRONRONROFFUOFF数 字 电 子 技 术a）RI变化使变化使VT2管未导管未导通以

14、前，通以前，RI增大，增大，ui增大。增大。使使ui=0.7V时的时的RI称为关称为关门电阻，记为门电阻，记为ROFF。b）ui0.7V以后，以后，ui仍随仍随RI的增大而增大，但趋势的增大而增大，但趋势变缓。变缓。c） ui1.4以后，以后，VT4管开始管开始导通，导通，UB1被钳位在被钳位在2.1V，此后此后ui不再随不再随RI的增大而增的增大而增大。此时的大。此时的RI称为开门电阻，称为开门电阻，记为记为RON 。输入负载特性输入负载特性曲线曲线0uI /VR1/k UOFF1.4FNROFFRONRONROFFUOFF数 字 电 子 技 术 例例 下图中，已知下图中，已知 ROFF 8

15、00 ，RON 3 k ，试对应，试对应 输入波形定性画出输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。与非门的输出波形。( (a) )( (b) )tA0.2 V3.4 VO不同不同 TTL 系列，系列， RON、 ROFF 不同。不同。相应输入端相当于输入低电平，相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 0 。逻辑逻辑0因此因此 Ya 输出恒为高电平输出恒为高电平 UOH 。相应输入端相当于输入高电平，相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 1 。逻辑逻辑1AAYb 1YbtOYatUOHO解：图解：图( (a) )中，中，RI = 300 RO

16、N 3 k 数 字 电 子 技 术实际应用实际应用将两个将两个TTL门电路经过一个电阻串接，这个电阻的阻值门电路经过一个电阻串接，这个电阻的阻值不能大于不能大于ROFF。例例2.3 各为多少？各为多少？ 高电平高电平3.6 V； 悬空；悬空； 经经 电阻接地；电阻接地； 低电平低电平0.3 V； 经经 电阻接地。电阻接地。AuBu10 k51 数 字 电 子 技 术a）输出高电平时的输出特性）输出高电平时的输出特性三三. 输出特性输出特性 输出电压输出电压uo随输出电流随输出电流iL的变化而变化的关系曲线。的变化而变化的关系曲线。OHCCCE3D3L4UVUUi R高电平输出电流高电平输出电流

17、 :表示电路的拉电流负载能力，表示电路的拉电流负载能力，TTL门受芯片功耗限制，一般为门受芯片功耗限制，一般为 。 OHI0.4 mA拉电流负载拉电流负载 数 字 电 子 技 术b）输出低电平时的输出特性）输出低电平时的输出特性OLCE LURi灌电流负载灌电流负载 低电平输出电流低电平输出电流 :表示电路的灌电流负载表示电路的灌电流负载能力，能力，TTL门的一般可取门的一般可取 。 OLI16 mA数 字 电 子 技 术TTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力 不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电流都不能超过其最

18、大允许电流，否则将导致电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用实用中常用扇出系数扇出系数 NO 表示电路负载能力。表示电路负载能力。门电路能驱动同类门电路的个数。门电路能驱动同类门电路的个数。 灌电流负载灌电流负载 OLOLIL/NII拉电流负载拉电流负载 OHOHIH/NII数 字 电 子 技 术例例2.4 已知已知TTL与非门与非门CT7410的的 ， ， ， ，求其扇出系数。求其扇出系数。 IL1.6 mAIIH0.04 mAIOL16 mAIOHI0.4 mA取取 和和 中中较小较小的作为门电路的扇出系数。的作为门电路的扇出系数。扇出系数越大，带负

19、载能力越强。通常扇出系数越大，带负载能力越强。通常TTL门门电路有电路有 8，在实际使用中应注意留有一定的，在实际使用中应注意留有一定的余地。余地。OLNOHNONOL16101.6NOH0.4100.04N故故 。 O10N数 字 电 子 技 术 由于三极管存在开关时间，元、器件由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。 输入信号输入信号UOm0.5 UOm0.5 UImUIm输出信号输出信号1、传输延迟时间传输延迟时间 输入电压波形下降沿输入电压波形下降沿 0.

20、5 UIm 处到输出电压上升沿处到输出电压上升沿 0.5 Uom处间处间隔的时间称隔的时间称截止延迟时间截止延迟时间 tPLH。 输入电压波形上升沿输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿处到输出电压下降沿 0.5 Uom处间处间隔的时间称隔的时间称导通延迟时间导通延迟时间 tPHL L。平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd 2PLHPHLpdttt tPHLtPLHtpd 越小，则门电路开越小，则门电路开关速度越高，工作频关速度越高，工作频率越高。率越高。 0.5 UIm0.5 UOm四、四、 TTL门的其他特性门的其他特性数 字 电 子 技 术2、电源的动态尖峰电流、电源

21、的动态尖峰电流通过计算可以发现，输出电平不同时，它从电源所取通过计算可以发现，输出电平不同时，它从电源所取的电流也不一样。的电流也不一样。Uo=UoL时时，VT1倒置，倒置，VT2、VT4饱和导通，饱和导通，VT3截止截止21CBCCLIIIUo=UoH时时，VT1饱和，饱和，VT2、VT4截止，截止，VT3饱和导通饱和导通41RBCCHIII动态工作情况下动态工作情况下，特别是当，特别是当输入信号由高电平转换成低输入信号由高电平转换成低电平的过程中，会出现电平的过程中，会出现 VT3、VT4同时导通的情况，此时同时导通的情况，此时421RRBCCMIIII数 字 电 子 技 术危害：使电源的

22、平均电流和平危害：使电源的平均电流和平均功耗增大，信号频率越高，均功耗增大，信号频率越高，平均电流和平均功耗越大。平均电流和平均功耗越大。措施：电源与措施：电源与 地之间地之间加接高频滤波电容。加接高频滤波电容。图图2.4.17 TTL门门的电源动态尖峰电流的电源动态尖峰电流数 字 电 子 技 术3、功耗、功耗 功耗有静态和动态之分。所谓功耗有静态和动态之分。所谓静态功耗静态功耗指的是当电路无状指的是当电路无状态转换时的功耗，即门电路静态且空载时电源总电流与电态转换时的功耗，即门电路静态且空载时电源总电流与电源电压的乘积。当输出为低电平时的功耗称为空载导通功源电压的乘积。当输出为低电平时的功耗

23、称为空载导通功耗，当输出为高电平时的功耗称为空载截止功耗。耗，当输出为高电平时的功耗称为空载截止功耗。 动态功耗动态功耗发生在状态转换的瞬间，或者电路有电容性发生在状态转换的瞬间，或者电路有电容性负载时。对于中低速负载时。对于中低速TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。4、延迟、延迟-功耗积功耗积 pdDDPtP一个逻辑门电路的一个逻辑门电路的DP值越小，表明它的综合性能值越小，表明它的综合性能越接近于理想情况。越接近于理想情况。 数 字 电 子 技 术返回返回2.3.3 TTL电路的改进系列电路的改进系列 为满足用户在提高工作速度为满足用户在提高工作速度 和降低功

24、耗的和降低功耗的要求，继上述的要求，继上述的74系列之后，又相继研制和生系列之后，又相继研制和生产了产了74H（高速）、（高速）、74S（肖特基）、（肖特基）、74LS（低（低功耗肖特基）、功耗肖特基）、74AS（传输延迟时间更低）、（传输延迟时间更低）、74ALS等改进的等改进的TTL电路。电路。数 字 电 子 技 术图2.25 74H系列与非与非门(74H 00)的电路结构改进措施改进措施优点：优点：工作速度高工作速度高缺点：缺点：功耗大功耗大一、一、74H系列系列（1）输出级采用）输出级采用了达林顿结构；了达林顿结构；（2）电阻阻值降低）电阻阻值降低了将近一倍。了将近一倍。数 字 电 子

25、 技 术图图2.4.35 抗饱和三极管抗饱和三极管返回返回二、二、74S系列（肖特基系列）系列（肖特基系列） 三极管导通时工作在饱和状态是产生传输延迟时间的三极管导通时工作在饱和状态是产生传输延迟时间的一个重要原因。一个重要原因。改进措施改进措施: (1)采用抗饱和三极管采用抗饱和三极管 (2)有源泄放电路代替了有源泄放电路代替了R3数 字 电 子 技 术图2.26 74S系列与非与非门 (74S 00)的电路结构返回返回优点优点:传输延迟时间小传输延迟时间小缺点：缺点：（1）功耗加大）功耗加大（2）输出低电平升高）输出低电平升高图图2.28 74S系列反相器的系列反相器的电压传输特性电压传输

26、特性数 字 电 子 技 术图图2.29 74LS系列与非门系列与非门 (74LS 00)的电路结构的电路结构返回返回优点优点:兼顾速度快兼顾速度快和功耗低和功耗低延迟延迟-功耗积最小功耗积最小三、三、74LS系列系列四、四、74AS、74ALS系列系列数 字 电 子 技 术向高速向高速发展发展 向低功向低功耗发展耗发展 按平均传输延迟时间和平均功耗不同分按平均传输延迟时间和平均功耗不同分 向减小向减小功耗功耗 - -延迟积延迟积发展发展 措施：增大电阻值措施：增大电阻值 措施：措施：( (1) ) 采用采用 SBD 和抗饱和三极管；和抗饱和三极管；( (2) ) 采用有源泄放电路；采用有源泄放

27、电路；( (3) ) 减小电路中的电阻值。减小电路中的电阻值。其中，其中，LSTTL 系列综合性能优越、品种多、系列综合性能优越、品种多、价格便宜；价格便宜； ALSTTL 系列性能优于系列性能优于 LSTTL，但品，但品种少、价格较高，因此种少、价格较高，因此实用中多选用实用中多选用 LSTTL。 CT74 系列系列( (即标准即标准 TTL ) )CT74L 系列系列( (即低功耗即低功耗 TTL简称简称 LTTL) ) CT74H 系列系列( (即高速即高速 TTL简称简称 HTTL) )CT74S 系列系列( (即肖特基即肖特基TTL简称简称 STTL) ) CT74AS 系列系列(

28、(即先进肖特基即先进肖特基TTL简称简称 ASTTL) ) CT74LS 系列系列( (即低功耗肖特基即低功耗肖特基TTL 简称简称 LSTTL) )CT74ALS 系列系列( (即先进低功耗肖特基即先进低功耗肖特基TTL 简称简称 ALSTTL) ) 数 字 电 子 技 术 不同系列不同系列 TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速但工作速度度( (平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd ) )和平均功耗不同。实际使用和平均功耗不同。实际使用时，时， 高速门电高速门电

29、路可以替换低速的；反之则不行。路可以替换低速的；反之则不行。 例如例如 CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00 xx74xx00 引脚图引脚图 双列直插双列直插 14 引脚引脚四四 2 输入与非门输入与非门 数 字 电 子 技 术五、五、54、54H、54S、54LS系列系列54系列与系列与74系列的比较系列的比较相同之处：相同之处：完全相同的电路结构和电器性能参数完全相同的电路结构和电器性能参数.不同之处：不同之处：54系列的工作温度范围更宽，电源允许系列的工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。的工作范围更大。 74工作环

30、境温度工作环境温度070电源工作范围电源工作范围5V5% 54 工作环境温度工作环境温度-55120电源工作范围电源工作范围5V10%数 字 电 子 技 术返回返回图图2.30 TTL非门电路非门电路2.3.4其他逻辑功能的其他逻辑功能的TTL门电路门电路1. 非门非门与与非门的区别：输入端改成了单发射极三极管。与与非门的区别：输入端改成了单发射极三极管。A/V Y/V0.33.63.60.3AY0110数 字 电 子 技 术输出特性：输出特性： 非门输出电路结构与电路参数与与非门相非门输出电路结构与电路参数与与非门相同，所以同，所以与非门的输出特性也适用于与非门的输出特性也适用于非门非门。输

31、入特性输入特性:与与TTL与非门只使用一个输入端与非门只使用一个输入端(其他输入其他输入端悬空端悬空)的情况相同的情况相同 。数 字 电 子 技 术返回返回图图2.31 TTL或非门电路或非门电路2.或非门或非门输出特性：输出特性：与与非门相同与与非门相同输入特性：输入特性：由于每个或输入端是由于每个或输入端是分别接到各自的输入分别接到各自的输入三极管上的，所以将三极管上的，所以将n个或输入端并联使个或输入端并联使用时，无论总的高电用时，无论总的高电平输入电流还是总的平输入电流还是总的低电平输入电流都等低电平输入电流都等于单个输入端输入电于单个输入端输入电流的流的n倍。倍。 数 字 电 子 技

32、 术输出特性输出特性返回返回图图2. 32 TTL与或非门与或非门3 . TTL与或非与或非输入特性输入特性同与非门同与非门同与非门同与非门多发射极三极管相当多发射极三极管相当于与的关系，则只要于与的关系，则只要将将AB和和CD分别代替分别代替或非门电路的或非门电路的A和和B，即可得到即可得到 YABCD数 字 电 子 技 术返回返回1、集电极开路的门电路（、集电极开路的门电路（OC门）门）推拉式输出级存在推拉式输出级存在的三个问题的三个问题：A、输出端不能并接使用；、输出端不能并接使用；B、电源确定后，输出高电平、电源确定后，输出高电平确定，无法满足不同高低电确定，无法满足不同高低电平的需要

33、；平的需要；C、不能驱动大电流、高电压、不能驱动大电流、高电压的负载；的负载；图图2.34 推拉式输出级推拉式输出级并联的情况并联的情况2.3.5 TTL集电极开路门集电极开路门(OC门门)和三态输出门和三态输出门(TS门门)数 字 电 子 技 术图图2.4.26 集电极开路集电极开路与非门的电路和图形符号与非门的电路和图形符号返回返回1、电路结构、逻辑符号、电路结构、逻辑符号和使用方法和使用方法使用注意事项：必须外接负载电阻和电源使用注意事项：必须外接负载电阻和电源数 字 电 子 技 术图图2.4.27 OC门输出并联的接法及逻辑图门输出并联的接法及逻辑图返回返回ABY 1CDY 221YY

34、Y使用方法使用方法数 字 电 子 技 术B. 由于输出的高电平由于输出的高电平VOH=VCC，而，而VCC的值可以不同于的值可以不同于VCC，所以只要根据要求选择，所以只要根据要求选择VCC的大小，就可以得到所的大小，就可以得到所需的需的VOH值；值；C. 有些有些OC门的输出管设计的尺寸较大，足以承受较大电流门的输出管设计的尺寸较大，足以承受较大电流和较高电压。例如和较高电压。例如SN7404输出管允许的最大负载电流为输出管允许的最大负载电流为40mA，截止时耐压，截止时耐压30V，足以直接驱动小型继电器。，足以直接驱动小型继电器。A. Y1、Y2中有一个低电平一个高电平时，可以增大中有一个

35、低电平一个高电平时，可以增大RL，使使管子不致烧坏；管子不致烧坏；数 字 电 子 技 术计算计算OC门负载电阻最大值门负载电阻最大值的工作状态的工作状态返回返回2、外接负载电阻的计算、外接负载电阻的计算每个每个OC门的输入端均有低门的输入端均有低电平，输出为高电平。电平，输出为高电平。RLIHOHImInILOHCCRLRUVIIHOHOHCCLmInIUVR(max)为保证高电平不低于规为保证高电平不低于规定的高电平，定的高电平，RL不能选不能选的太大。的太大。数 字 电 子 技 术计算计算OC门负载电阻最小值的工作门负载电阻最小值的工作状态状态返回返回当当OC门中只有一个门中只有一个导通时

36、，电流的实导通时，电流的实际流向如图所示。际流向如图所示。ILLOLCCOLMIRUVIILOLOLCCLMIIUVR(min)负载电流全部流入导负载电流全部流入导通的通的OC门，门，RL值不值不可太小，以确保流入可太小，以确保流入导通的导通的OC门的电流门的电流不致超过最大允许的不致超过最大允许的负载电流负载电流ILM。数 字 电 子 技 术图图2.4.30 例例 2.4.4 的电路的电路返回返回例例 试为图中电路的试为图中电路的RL选择合适的阻值。选择合适的阻值。已知已知G1、G2为为OC门，输门，输出管截止时的漏电流为出管截止时的漏电流为IOH=200uA，输出管导通，输出管导通时的最大

37、负载电流时的最大负载电流IOLMAX=16mA。G3、G4、G5均为均为74系列与非门，它系列与非门，它们的们的IIL=1mA，IIH=40uA，给定给定V CC=5V，要求，要求OC门输出的高电平门输出的高电平VOH3.0V，低电平低电平VOL RON ，相应输入，相应输入端为高电平。端为高电平。510 RI ROFF ，相应，相应输入端为低电平。输入端为低电平。数 字 电 子 技 术2.5 CMOS门电路门电路 集成集成MOS门电路是继门电路是继TTL门电路之后，开发出的另一门电路之后，开发出的另一类广为应用的数字集成电路，分为类广为应用的数字集成电路，分为N沟道沟道MOS构成的构成的NM

38、OS集成电路集成电路、P沟道沟道MOS构成的构成的PMOS集成电路集成电路以及以及N沟道沟道MOS和和P沟道沟道MOS共同组成的共同组成的CMOS集成电路集成电路。 PMOS集成电路问世较早，但因工作速度低、电源为集成电路问世较早，但因工作速度低、电源为负且电压较高、同其他集成电路配接不方便等原因，现在负且电压较高、同其他集成电路配接不方便等原因，现在几乎被淘汰；几乎被淘汰；NMOS集成电路工作速度快，尺寸小，加之集成电路工作速度快，尺寸小，加之NMOS工艺水平的不断提高，目前在许多高速大规模集成工艺水平的不断提高，目前在许多高速大规模集成电路产品中仍采用；而电路产品中仍采用；而CMOS集成电

39、路功耗小、工作速度集成电路功耗小、工作速度快，应用最为广泛。快，应用最为广泛。数 字 电 子 技 术工作条件工作条件N沟道沟道增强型增强型可变电阻区可变电阻区截止区截止区UGSUGS(TH) UGDUGS(TH)转移特性转移特性输出特性输出特性UGS0数字电路中普遍采用增强型的数字电路中普遍采用增强型的MOS管。管。 数 字 电 子 技 术P沟道沟道增强型增强型 UGS UGS(TH) , UGD UGS(TH) UGS UGS(TH) 可变电阻区可变电阻区截止区截止区输出特性输出特性U GS(TH) UGS(th)N +UGS(th)P且且 UGS(th)N =UGS(th)P AuIYuO

40、VDDSGDDGSBVPVNB2.5.2 CMOS 反相器反相器该电路构成该电路构成 CMOS 非门，又称非门，又称 CMOS 反相器。反相器。数 字 电 子 技 术图2.6.2 CMOS反相器的电压传输特性返回返回电压传输特性电压传输特性（1）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1. 静态电气特性静态电气特性数 字 电 子 技 术图2.6.3 CMOS反相器的电流传输特性返回返回电流传输特性电流传输特性特点：特点：无论输入无论输入低电平还是高电低电平还是高电平，电流均接近平，电流均接近于零，因此功耗于零，因此功耗低。低。数 字 电 子 技 术图图2.6.4 不同不同VDD下

41、下CMOS反相器的噪声容限反相器的噪声容限返回返回输入端噪声容限输入端噪声容限结论：电源结论：电源电压越高，电压越高，抗干扰能力抗干扰能力越强。越强。数 字 电 子 技 术图2.55 CMOS反相器的输入保护电路返回返回（2） CMOS反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性1）输入特性）输入特性因因CMOS反相器用的是绝缘栅场效应管，故反相器用的是绝缘栅场效应管，故Ii0 ，因此，因此输入特性如下图所示。输入特性如下图所示。数 字 电 子 技 术返回返回2）输出特性）输出特性图图2.6.8 vO= VOL时时CMOS反相器的工作状态反相器的工作状态输出低电平特性输出低电平

42、特性图图2.6.9 CMOS反相器反相器的低电平输出特性的低电平输出特性同样的同样的IoL值下，值下，VDD越大，越大，VOL越小。越小。数 字 电 子 技 术图图2.6.10 vO= VOH时时CMOS反相器的工作状态反相器的工作状态返回返回输出高电平特性输出高电平特性图图2.6.11 CMOS反相器反相器的高电平输出特性的高电平输出特性同样的同样的IOH下，下，VDD越大，输出越大，输出高电平越高。高电平越高。数 字 电 子 技 术（3）输入负载特性）输入负载特性 因绝缘栅场效应管的栅极绝缘，因此无输入因绝缘栅场效应管的栅极绝缘，因此无输入负载特性。负载特性。（4）CMOS反相器的功耗反相

43、器的功耗在目前流行的各种集成电路产品中，在目前流行的各种集成电路产品中，CMOS集成集成电路的功耗是最低的，整个封装的静态平均功耗电路的功耗是最低的，整个封装的静态平均功耗小于小于10uW，但随着工作频率的升高，但随着工作频率的升高，CMOS集集成电路的动态功耗显著增大。成电路的动态功耗显著增大。数 字 电 子 技 术3 . CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间二、动态功耗二、动态功耗 例例 下图中，门电路为下图中，门电路为CMOSCMOS系列，系列，试试确定它们的确定它们的输出。输出。( (a) )( (b) )数 字 电 子 技 术图2.6.18 CMO

44、S与非与非门返回返回2.5.4 其他类型的其他类型的CMOS门电路门电路一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的CMOS门电路门电路1. . CMOS 与非门与非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY 每个输入端对应一每个输入端对应一对对 NMOS 管和管和PMOS 管。管。NMOS 管为驱动管，管为驱动管，PMOS 管为负载管。输管为负载管。输入端与它们的栅极相连。入端与它们的栅极相连。与非门结构特点：与非门结构特点：驱动管相串联驱动管相串联，负载管相并联负载管相并联。数 字 电 子 技 术返回返回ABVDDVPBVPAVNAVNBY CMOS 与非门工作原理与非门工作原理11导通导通导通导通

45、截止截止截止截止0 驱动管均导通，驱动管均导通， 负载管均截止，负载管均截止， 输出为低电平。输出为低电平。 当输入均为当输入均为 高电平时：高电平时： 低电平输入端低电平输入端相对应的驱动管截相对应的驱动管截止，负载管导通，止，负载管导通，输出为高电平。输出为高电平。 当输入中有当输入中有 低电平时：低电平时：ABVDDVPBVPAVNAVNBY0截止截止导通导通1因此因此 Y = AB数 字 电 子 技 术2. . CMOS 或非门或非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY或非门结构特点：或非门结构特点：驱动管相并联驱动管相并联，负载管相串联负载管相串联。图2.6.19 CMOS或非或非

46、门数 字 电 子 技 术3. . 带缓冲器的带缓冲器的CMOS 门门 由于结构不对称上述门电路的由于结构不对称上述门电路的输出特性不对输出特性不对称称；电路的；电路的电压传输特性发生偏移电压传输特性发生偏移，阈值电压不，阈值电压不再是再是 ，导致噪声容限下降。当输入端数目增，导致噪声容限下降。当输入端数目增加时，电路结构不对称的程度会更大。加时，电路结构不对称的程度会更大。 实际使用的门电路均采用带缓冲级的结构，实际使用的门电路均采用带缓冲级的结构，即在基本门电路的每个输入、输出端各加一级反即在基本门电路的每个输入、输出端各加一级反相器。相器。DD0.5V数 字 电 子 技 术图图2.60 带

47、缓冲级的带缓冲级的CMOS与非门与非门 输入、输出特性即为反相器的特性输入、输出特性即为反相器的特性，这不，这不仅改善了电路的电气特性，也给使用者带来了仅改善了电路的电气特性，也给使用者带来了方便。方便。 数 字 电 子 技 术二、二、CMOS 传输传输门和双向模拟开关门和双向模拟开关COMS传输门与前面所讲的推拉式输出的传输门与前面所讲的推拉式输出的门电路、门电路、OC门、三态门的区别：门、三态门的区别：推拉式输出的门电路、推拉式输出的门电路、OC门、三态门只能用来门、三态门只能用来传输传输0、1 信号，而传输门可以传输信号，而传输门可以传输0VDD之间的之间的任何信号。任何信号。注意注意数

48、 字 电 子 技 术C、C 为互补为互补控制信号控制信号 由一对参数对称一致的增由一对参数对称一致的增强型强型 NMOS 管和管和 PMOS 管并联管并联构成。构成。 PMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN工作原理工作原理 MOS 管的漏极和源极结构对称，管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此可互换使用，因此 CMOS 传输门的传输门的输出端和输入端也可互换。输出端和输入端也可互换。 uOuIuIuO 当当 C = 0V，uI = 0 VDD 时，时，VN、VP 均截止，输出与输入之间呈现高均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。

49、电阻，相当于开关断开。 uI 不能传输到输出端，称传输门不能传输到输出端，称传输门关闭。关闭。CC 当当 C = VDD，uI = 0 VDD 时，时，VN、VP 中至少有一管导通，输出与输入中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。之间呈现低电阻，相当于开关闭合。 uO = uI，称传输门开通。，称传输门开通。 C = 1，C = 0 时，传输门开通，时，传输门开通，uO = uI； C = 0，C = 1 时，传输门关闭，信号不能传输。时，传输门关闭，信号不能传输。CMOS 传输传输门门结构结构数 字 电 子 技 术PMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电

50、路结构uO/uIVPCNMOSVN 传输门是一个理想的传输门是一个理想的双向开关，双向开关，可传输模拟信号可传输模拟信号，也可传输，也可传输数字信号数字信号。TGuI/uOuO/uICC传输门逻辑符号传输门逻辑符号 TG 即即 Transmission Gate 的缩写的缩写 CMOS 传输门传输门 数 字 电 子 技 术双向模拟开关双向模拟开关图2.6.25 CMOS双向模拟开关的电路结构和符号数 字 电 子 技 术YABvOvIVDD1漏极开路的漏极开路的CMOS与非与非门电路门电路三、漏极开路的三、漏极开路的 CMOS 门门简称简称 OD 门门 与与 OC 门相似，常用作驱动器、电平转换

51、器和实现线与等。门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。Y = AB构成与门构成与门 构成输构成输出端开出端开路的非路的非门门需外接上需外接上拉电阻拉电阻 RD数 字 电 子 技 术图2.6.28 CMOS三态门电路结构之一返回返回四、三态输出的四、三态输出的CMOS门电路门电路(1)反相器反相器上增加一上增加一对对P沟道沟道和和N沟道沟道的的MOS管管组成。组成。数 字 电 子 技 术图2.6.29 CMOS三态门电路结构之二 （a）用或非或非门控制 （b）用与非与非门控制返回返回(2)在反相器的基础上增加一个控制管和一个与在反相器的基础上增加一个控制管和一个与非门或者或非门而形成。非

52、门或者或非门而形成。数 字 电 子 技 术图2.6.30 CMOS三态门电路结构之三返回返回(3)在反相器的输出端串进一个在反相器的输出端串进一个CMOS模拟开关，作为输出状态的控制开关。模拟开关，作为输出状态的控制开关。数 字 电 子 技 术2.5.52.5.5、CMOS 数字集成电路应用要点数字集成电路应用要点 一、一、CMOS 数字集成电路系列数字集成电路系列 CMOS4000 系列系列 功耗极低、抗干扰能力强；功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围宽电源电压范围宽 VDD = 3 15 V；工作频率低，工作频率低，fmax = 5 MHz；驱动能力差驱动能力差。高速高速CMOS 系列系列

53、( (又称又称 HCMOS 系列系列) ) 功耗极低、抗干扰能力强；电功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围源电压范围 VDD = 2 6 V；工作频率高，工作频率高，fmax = 50 MHz；驱动能力强。驱动能力强。 提高速度措施：减小提高速度措施：减小MOS 管的极间电容。管的极间电容。 由于由于CMOS电路电路 UTH VDD / 2，噪声容限，噪声容限UNL UNH VDD / 3，因，因此抗此抗干扰能力很强。电干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能源电压越高，抗干扰能力越强。力越强。数 字 电 子 技 术1. 注意不同系列注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同，电路允许的电源电压范围不同， 一般多用一般多用 +