第三章门电路

《数字电子技术基础》教学课件

西安工程大学

杨幸芳3.1概述门电路：实现基本逻辑运算、复合逻辑运算的单元电路，如与门、与非门、或门

······门电路中以高/低电平表示二值逻辑状态的1/0获得高、低电平的基本原理单开关电路互补开关电路单开关电路的缺点是功耗较大。表现在输出低电平时，电源电压全部加在电阻R上，使消耗在R上的功耗为。互补开关电路无论输出是高电平还是低电平，S1和S2总有一个是断开的，故流过两开关的电流始终为零，电路的功耗极小。因此得到广泛应用。实际工作时，只要能区分出高/低电平就可知道它所表示的逻辑状态了，所以高/低电平都允许有一定的变化范围。数字集成电路：用来处理数字信号的集成电路1.集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)

集成电路就是把电路中的半导体器件、电阻、电容及导线制作在一块半导体基片(芯片)上，并封装在一个壳体内所构成的完整电路。

与分立元件电路相比，集成电路具有重量轻、体积小、功耗低、成本低、可靠性高和工作速度高等优点。2.集成电路的特点3.数字集成电路的分类：(1)按电路内部有源器件的不同可分为a.双极型晶体管集成电路:晶体管—晶体管逻辑(TTL-TransistorTransistorLogic)射极耦合逻辑(ECL-EmitterCoupledLogic)集成注入逻辑(I2L-IntegratedInjectionLogic)主要有:b.MOS(MetalOxideSemiconductor)集成电路主要有：NMOS、PMOS和CMOS等几种类型。

目前已生产了Bi-CMOS器件，它由双极型晶体管电路和CMOS集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势，缺点是制造工艺复杂。TTL和CMOS集成电路的特点：TTL集成电路工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；MOS集成电路集成度高、功耗低，但工作速度略低，超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路。(2)按集成度可分为a.小规模集成电路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片组件内包含10~100个元件(或10~20个等效门)。b.中规模集成电路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片组件内含100~1000个元件(或20~100个等效门)。逻辑门和触发器是目前常用的SSI。

译码器、数据选择器、加法器、计数器、移位寄存器等组件是常用的MSI。c.大规模集成电路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片组件内含1000~100，000个元件(或100~1000个等效门)。d.超大规模集成电路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片组件内含100，000个元件以上(或1000个以上等效门)。

常见的LSI、VLSI有只读存储器、随机存取存储器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器等。此外还有专用集成电路ASIC，如可编程逻辑器件PLD。PLD是近十几年来迅速发展的新型数字器件，目前应用十分广泛，4.集成逻辑门

集成逻辑门是最基本的数字集成电路，是组成数字逻辑的基础。

常用的集成门电路，大多采用双列直插式封装（Dual-In-linePackage，缩写成DIP）。

集成芯片表面有一个缺口（引脚编号的参考标志），如果将芯片插在实验板上且缺口朝左边，则引脚的排列规律为：左下管脚为1引脚，其余以逆时针方向从小到大顺序排列。一般引脚数为：14、16、20等。

绝大多数情况下，电源从芯片左上角的引脚接入，地接右下引脚。

一块芯片中可集成若干个（1、2、4、6等）同样功能但又各自独立的门电路，每个门电路则具有若干个（1、2、3等）输入端。输入端数有时称为扇入（Fan-in）数。3.2.1二极管的开关特性假定：高电平VIH=VCC低电平VIL=0二极管理想

VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D导通，VO=VOL=03.2半导体二极管门电路

1.二极管的开关特性

二极管最重要的特性是单向导电性，即正向导通，反向截止。所以，二极管相当于一个受电压控制的开关。2.二极管的开关等效电路二极管伏安特性的几种近似方法二极管特性并不是理想的开关特性。近似为3.二极管的动态电流波形

当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后，才开始有扩散电流形成。因而正向导通电流的建立要稍微滞后。当外哀加电胀压由湿正向忧突然园变为税反向采时，因全为PN结内愉尚有星一定苦数量疾的存勿储电只荷，槐所以怒有较尝大的贷瞬态看反向登电流餐流过(该电膨流是PN正偏迅时的色多子踢被反雁向电削压驱沈使而黑向相勉反方船向运蚀动，文即形蝇成较墙大的鞋瞬态录反向离电流)。随坦着存耐储电剖荷消碎散，川反向赞电流纳迅速劈燕衰减瘦并趋搁于稳渐态时母的反痰向饱忆和电均流。其大份小和丹持续梁时间同的长琴短取续决于偿正向滤导通扇时的粒电流吵大小护、反吓向电北压和眉外电律路电娱阻的拜阻值犯，而敬且与腹二极淘管本粥身的约特性旨有关惠。瞬态期反向迅电流反向泼电流能持续问时间朽用反授向恢狸复时翠间tre来定战量描壳述。tre指反敬向电狠流从稼它的僻峰值涂衰减乏到十浮分之焦一所浴经过风的时届间。其值成很小列，在登几纳棚秒以性内。tre3.特2.可2二极坟管与肌门设VCC=洞5V加到A,B的VIH=3街VVIL=0掩V二极涝管导滤通秧压降VDF=0彼.7姻VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为0电路似的逻阵辑电器平电路宰的真各值表3.杠2.厨3二极剃管或篇门加到A,B的VIH=3佩VVIL=0宫V二极柏管导钻通压腐降VDF=0留.7赴VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为0电路甩的逻肤辑电售平电路机的真卧值表二极躲管构廊成的戴门电年路虽任然简虫单但痰存在罢以下叨缺点持：输出奸高、逐低电粉平与辆输入依高、森低电变平数脖值不此等。润即发生织电平肃偏移坝现象。当输庙出端废对地妹接负倒载时刚，负袄载电派阻的逗改变赶有时弱会影捷响输侦出的固高电咐平（翠负载帜与门交电路殿输出欠电阻缩慧分压惜或分伶流的捆结果伟）。尺即带负灰载能腊力差。只能盾用于超集成毁电路奖内部黑的逻蔬辑单格元3.徒5平T桃TL门电环路3.晨5厨T阳TL门电嗽路晶体洋管—晶体和管逻晶辑(T若TL印-T忍ra番ns亦is景to窃r款Tr形an满si押st齿or失L财og娘ic插)3.穷5.帐1半导敬体三柄极管涛的开邪关特纵性一、吩三极匹管的亡输入忽特性矛和输斧出特如性三极食管的播输入边特性泊曲线朝（NP文N）VON

：开启电压硅管，0.5~0.7V锗管，0.2~0.3V近似认为:VBE<VONiB=0VBE≥

VONiB

的大小

由外电路电压，电阻决定。

三极衣管的夸输出肺特性固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE>0.7V以后，基本为水平直线特性旋曲线董分三命个部按分放大熊区：逮条件VCE>圣0.晶7V扣,iB>0糖,iC随iB成正改比变土化，ΔiC=βΔiB。饱和珠区：轧条件VCE<谢0.谊7V咸,iB>0专,VCE很低锡，ΔiC随ΔiB增加身变缓遭，趋颤于“乡丰饱和棍”，c—晶e间“宇短路肠”。截止悬区：铅条件VBE=蜜0V泰,iB=浙0,iC=梳0,访c幕—e间“诊断开汉”碑。二、瓣双极胡型三辛极管领的基疏本开款关电骨路只要格参数花合理岩：vI=VIL时，T截止翻，vO=VOHvI=VIH时，T导通乡丰，vO=VOL开关道原理痕电路可以苍用图剖解分悲析法趟确定浆开关统电路碌实际钳所处浇的工育作点工作根状态扎分析教：当三揪极管讲工作港在饱洽和状冶态时扶，若狠以VCE尖(s傍at)表示翻管子吊的饱东和压钓降，棵则深殿度饱稻和时卖三极勿管需盏要的钢基极素电流辽为：为使讨三极雾管处久于饱他和工乳作状判态，遗开关揭电路眯输出艳低电绩平，呆必须炎满足iB≥IBS。此秀条件赞可作摄为三慈极管套工作矛状态碎的判撤断依差据。检即：满足iB≥IBS，三津极管饺工作榴在饱驶和状歉态；满足iB＜IBS，三兽极管杰工作光在放晚大状抢态；满足VBE≤0援V,三极挖管工扬作在吉截止挨状态购。四、客三极旁管的糟开关牢等效隐电路截止抹状态饱和磁导通中状态五、枕动态妖开关慕特性从二雄极管广已知粪，PN结存柔在电奖容效午应。在饱畜和与易截止赖两个仍状态斩之间呢转换套时，iC的变洪化将衔滞后滔于vI，则vO的变穿化也妥滞后丘于vI。由图青可见叮，BJ炮T在由宇饱和疮态转芽变为缴截止恳态时洽的延流迟时懂间大盒于由蓄截止瓜态转亡变为安饱和甲态时煤的延缺迟时纪间。六吨、三辰极管题反相浆器三极迟管的铜基本骄开关辫电路皱就是非门实际员应用赢中，蜘为保习证vI=VIL时T可靠筛截止增，常在起输入显端接影入负来压。参数绍合理vI=VIL时，T截止什，vO=VOHvI=VIH时，T饱和摔，vO=VOL例：雀计算悔输入殊高、旬低电割平时帐对应女的输宫出电云压，锻并说明电叨路参姻数设夸计是购否合纸理。解：1.将发栋射极熔外接使电路顺化为示等效榴的VB与RB串联安电路3.雁5.程2臭TT右L反相敌器的递电路嘱结构叠和工默作原样理一、携电路桶结构输入放级由胁晶体向管T1、基坚极电昆组R1和输世入端球钳位摊二极斥管D1组成鞭。(1裙)输入秆级中间秋级是酬放大今级，锻由T2、R2和R3组成管，T2的集院电极C2和发躺射极E2可以堂分别巨提供竞两个角相位将相反净的电色压信盖号（故取称倒日相级枕），以大满足灭输出同级的地需要手。(2奶)中间竹级输出门级由T4、T5、D2和R4组成主，其先中T4、D2作为葬由T5组成透的反永相器姻的有计源负吨载。T4与T5组成棍推拉脑式输丧出结照构，浩具有改较强古的带予负载梨能力荣。(3唉)输出补级工作灿原理0.祝9V3.虚4V4.醒1V2.资1V以上慢分析镜可见顾：输入vI与输速出vO之间凡是反银相关馆系。输出vO的高患、低坡电平谱与T2管的央发射相极电隙位变化vE2也反相勒。输出猪级的丝式工作商特点驰：在稳厕定状膛态下T4和T5总是丙一个阵导通吐而另饮一个骗截止，枪有效帝地降低燥了输熄出级的静喜态功钟耗并寄提高轿了驱锄动负载现的能妨力。常将废这种锦形式的讽电路混称为蝴推拉牧式电屯路或图扁腾柱巷输出裹电路岩。反相茅器输舅出低石电平游时T5处于做深饱脱和状墓态，余输出今电阻坊很低类；而彩输出加高电亮平时T4、D2导通篇，组粒成射佳极跟缎随器麦，其辛输出钟电阻沟也很悟低，蔽因此垂无论宽哪种洁状态眠输出仇电阻血在负巧载电姑流变剑化的宜一定膏范围奇内都多很低咏，具毁有较丸强的斧带负堆载能格力，解还可拦加快胡开关小速度浮。二极柏管的桃作用:为确楚保T5饱和脊导通演时T4可靠岭截止打，所犯以在T4的发射纱极下栋面串掩进二姿极管D2。二极突管D1，既置可以房诚抑制盒输入管端可适能出凝现的够负极芬性干喷扰脉冲，预又可绞以防煎止输酸入电型压为月负时T1的发慌射极校电流液过大阀而造雕成三极锅管损削坏。敞该二础极管帝允许领通过捧的最右大电灰流约钱为20毒mA。二、咸电压棚传输拼特性二、之电压滴传输逼特性三、葛输入冰噪声鹅容限三、苏输入兼噪声养容限3.盖5.供3敬TT概L反相胀器的渣静态趁输入肚特性位和输矛出特各性一、某输入娱特性输入染端等金效电够路3.物5.均3善TT惨L反相去器的锈静态凑输入洽特性弃和输向出特丽性一、字输入沙特性二、命输出蜻特性1.高电吩平输霉出特时性T4工作惯在射钉极输喘出状瞒态，碌输出船电阻小，摄故在顿负载匀电流驶的较煤小范尸围内兵，负载电附流的协变化衫对VOH的影削响很楼小。随着渔负载张电流iL绝对摇值的豪增加渣，R4上的台压降疼加大掌，最缘瑞终将铜使T4的集鉴电结办变为正男向偏助置，T4进入无饱和猪态。割将失堆去射极跟裹随能体力，秀故VOH随iL绝对础值增嘴加几乎线柴性下祖降。由于扎受功爷耗限缓制，岩所以辜手册胆上给出的散高电哭平输洗出电钞流的蜘最大薄值比5m来A小得棚多。74系列刚门电亡路的底运用剖条件泳规定，约输出吃为高照电平舞时，春最大而负载庙电流不得薪超过0.艘4m拆A。拉电豪流二、饱输出俭特性2.低电歼平输腥出特凤性灌电躁流由于T5饱和集导通棋时，C-丛E间的望电阻志很小粘（<1情0Ω)，所病以负慨载电在流增傲加时著，输堡出的陷低电漠平VOL仅稍岂有升亡高。VOL与iL在较崇大范健围内得基本盲呈线逃性关照系。例：扇出园系数摸（Fa亿n-堆ou哪t）试计餐算门G1能驱捧动多里少个筝同样牧的门溉电路版负载挖。即两疫者之稼中取尽其小遵的做灵为总呈扇出稻系数N。结论血：TT绘L反相满器总蚊扇出甩系数N=mi能n{NL,NH}N越大紫，说鸣明驱动倦同类疤门的推个数衰越多耍，门电路的带励负载员能力犬越强铸。标准TT蓬L系列蚊典型济值一轿般为10。三、桶输入藏端的服负载悉特性在具蛋体使遇用门恶电路扶时，舞有时需要闻在输朋入端移与地死之间掏接入贝电阻舞。由图疫可知洽，因挥为输燥入电由流流过RP，必阵然会哨在RP上产要生压降而锻形成田输入缠端电慈位vI。而谦且，RP越大vI也越彩高。+得--任+3.引5.傻4丈TT嘉L反相退器的海动态例特性一、宿传输街延迟检时间1、现军象a.组件域本身坑的结求构和拍制造某工艺;b.输出兆端所禁接的条其它刻逻辑另电路却的输阶入电漂容和烟寄生外的接线电魂容等巷。c.门的礼输出室等效跪电容势愈大夜，tpd愈大安。典型TT否L与非竹门的这平均蛇传输永延迟趋时间2、原逐因3.宫5.挂5其他爷类型登的TT冰L门电酱路一、嫁其他党逻辑茫功能笑的门里电路1.与非算门与反梯相器盒的区绘别在肉于将T1管换掘成多愚发射裕极三进极管猎。可见圈，与惜逻辑泼关系轧是利嗽用T1的多续发射宇极结蛋构实卧现的什。2.或非拣门3.与或槽非门ABCDAB+CD4.异或花门AB该与尾非门医输出丧低电平挑，T5导通凉。该与抓非门缸输出顽高电平梢，T5截止鸡。当将刘两个TT纪L“与非聪”门必输出孙端直滑接并最联时继：注：TT准L输出卫端不滔能直嘱接并联牵。产生暴一个仍大电龙流a.抬高汪门2输出斗低电筋平;b.会因拳功耗稍过大旗损坏放门器佛件电译路。VCC→R4→门1的T4→门2的T5产生刑一个挥很大的电小流。二、峡集电跪极开贩路的袋门电云路(O促C)10二、目集电及极开晌路的吩门电嫩路1、推淡拉式售输出告电路委结构击的局页限性①输出弹电平劝不可华调②诵不能保满足璃驱动课较大沙电流骗，较滤高电压稿的负载扯要求③输出输端不何能并洗联使袋用OC门2、OC门的好结构扇特点RL菱形篮记号罩表示OC输出汪结构督，菱孙形下栋方的衡横线肝表示色输出店低电雄平时朱为低骄输出垂电阻蝇。OC门实悦现的框线与3、外绘接负姑载电欲阻RL的计忘算当输兴入为缸低电平时暗的电腾流当输轻入为霞高电平时高的电鞠流3、外析接负呈载电烧阻RL的计饼算此时，m和不相等。

m为负载门的输入端数；为负载门的个数。“与”输入计端并相联时的汗总输核入电阳流“或”输入拥端并旧联时的秩总输姓入电搞流所以谷，将冒输入朴端并份联后总的毯低电基平输高入电顾流：算与非喜门为俱负载仍门的萌个数悟乘以IIL,或非门为咏负载恋门的贱输入穿端个稀数乘萄以IIL。总的姨高电伐平输趋入电兼流：欣与非仗门和咬或非悔门均彻为负皇载门拦的输船入端个数孤乘以IIH。三、焦三态施输出勿门（Th弓re斗e耍st仆at舌e勤Ou迁tp格ut先G描at京e滨,T转S）三态拒门的作用途社：实凉现总降线结倒构、辆实现西数据常的双沉向传允递。0111000截止截止D导通D截止3.状5.故6TT渗L数字提集成刮电路锡的各疲种系纵列54系列肝比74系列虚的工谜作环奔境温档度范声围更吩宽，寒允许筑的电霜源电压工尺作范初围更塌大。74：0~惕70◦C，5V切±5缸%；54：-5服5~欣+1举25◦C，5V顶±1权0%。CM勾OS（Co犯mp我le冲me设nt抛ar众y炉MO掘S）逻控辑门求电路斗是继TT辆L之后言开发扇的一袜种数板字集万成器探件。由于CM排OS的工虎作速劳度可知与TT依L相媲栋美，茫而CM蔬OS的功孔耗和雅扇出谎系数都则远创优于TT倍L，CM贿OS的抗帜干扰丝式能力淡也比TT摆L强。份因此框，CM风OS电路腐可能流超越TT温L而成约为占劣主导告地位巧的逻恋辑器草件。存目前受，大舞规模休集成请电路渔基本超都采泻用CM方OS工艺阀制造选，其五费用猾较低匪。3.厅3.漆2壁CM真OS反相草器的暑电路霸结构贼和工漂作原易理噪声呈容限神是用举来说明障门电追路抗改干扰哭能力大标小的颠。高电点平容订限的纱大小限悔制了扮门电去路输读入端所造允许睛的最棵大负霜向干扰宪幅度冠。低电午平容警限的柄大小限毙制了母门电鞋路输据入端所萌允许威的最环大正希向干扰炕幅度浑。VNHVNL3.签5.膏3自TT抓L反相落器的逼静态远输入明特性负和输形出特逮性从输程入波手形上稀升沿湖的50联%到输赖出波翅形下鞋降沿扑的50固%之间袄的延惯迟时婆间，蛙称为券门的船输出欠由高倍电平陷降到矛低电约平的稀传输绪时延tPH富L；从输浙入波乞形下顾降沿材的50雾%到输雄出波鼓形上社升沿犯的50终%之间鞋的延销迟时宽间，川称为器门的波输出翼由低须电平刺升到兽高电骡平的贯传输茄时延tPL尽H。RL的计册算方紫法n是并姐联OD门的惰数目衡，m是负制载门怠电路忆高电虎平输垃入电争流的虚数目果。当所取有的OD门同吃时截纱止、愈输出缎为高罚电平秤时，弹由于OD门输穿出端MO晌S管截派止时拣的漏顺电流曾和负良载门全的高游电平柔输入晕电流膝同时爽流过RL，并墨在RL上产疼生压盒降，丧所以夸为保估证输剩出高正电平训不低粪于规撑定的辨数值访，RL不能祖取得维过大末。由丢此可亚计算掘出RL的最锄大允掠许值RL(勾ma掀x)。m′是负河载门商电路紫低电悠平输队入电津流的渠数目潮。在轨负载湾为CM港OS门电削路的皂情况省下，m和m′相等疗。当输亲入为腰低电威平，骡而且锁并联致的OD门当伤中只甩有一怖个门当的输滔出MO疑S管导并通时睁，负字载电中流将恒全部刷流入减这个诉导通肚管。它为保度证负统载电猫流不制超过测输出MO距S管允半许的码最大惭电流忧，RL的阻姨值不厉能太茫小。药据此腔又可唱以计馋算出RL的最蛙小允沟许值RL(黑mi候n)。3.他3愈CM执OS门电职路3.亿3.遗1疲MO箩S管的摇开关域特性一、MO住S管的鸣结构碗和工链作原葵理S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层当加+vDS时，vGS=0时，D-忍S间相腿当两递个PN结背左向串行联，击不导裁通，iD=0。加上+vGS，且究足够耐大至vGS>VGS(th)，D-滩S间形寻成导键电沟皮道（N型层夏）。昂此时薄在D-劫S间加vDS电压弄便可秧形成悄漏极异电流iD。开启柜电压以N沟道筑增强丹型为例别：二、萝输入戏特性使和输夫出特积性(共源减接法捞）输入杨特性低：栅积极和绣衬底熟间被Si思O2所隔饲离，痰加vGS电压食不会爸有栅铃极电流芳流通洋，即iG=0。输出澡特性堵：iD=f(vDS)对应去不同炒的VGS下得劫一族彼曲线笼。输出充特性眠（漏扛极特江性）杆曲线分三抬个区茶域：截止叔区恒流谦区可变畏电阻由区截止区可变电阻区恒流区截止束区：vGS<VGS扰(t着h)，沟沾道未些形成牙，iD=森0,桃D刃-S间等碗效电咸阻ROF斑F>广109Ω。输出对特性象（漏监极特雹性）萌曲线分三安个区堤域：截止区恒流去区：iD基本脉上由vGS决定险，与vDS关系呀不大利。恒流区当vGS>VGS铃(t斑h)以后求，沟永道已愉形成嫂，此稻时又狮可分即成两那个区刺域。可变佳电阻掉区：寺当vDS较低怠，vGS一定茄时，vDS/iD≈常数错（类似线码性电灰阻）映，这兆个电钉阻受vGS控制展、可愤变。可变电阻区三、MO主S管的叔基本姑开关震电路四、臭等效胀电路OF孟F，截东止状惧态ON，导头通状领态五、MO雅S管的轮四种催类型(P者79告)增强滥型耗尽象型CM买OS（Co蹈mp己le劫me陡nt弟ar械y软MO选S）逻些辑门街电路搞是继TT渔L之后侵开发趋的一瞒种数厘字集作成器郊件。由于CM圣OS的工傻作速络度可咸与TT局L相媲汤美，巾而CM拘OS的功婆耗和皱扇出嫌系数笼则远草优于TT灶L，CM然OS的抗笑干扰蕉能力吨也比TT百L强。加因此截，CM棚OS电路岔可能恶超越TT苍L而成练为占之主导蓄地位崇的逻害辑器其件。唯目前被，几沙乎所亲有的圈大规铃模集怪成电红路都志采用CM膜OS工艺找制造守，且胜费用婶较低犹。3.票3.附2橡CM绍OS反相或器的泥电路穴结构虫和工贫作原椅理一、旬电路扔结构因为PM四OS和NM杀OS在电浑气和逻辑搭特性旦上互弟补，骂即PM讨OS的电服压极性谎以及苹电流凶方向碍都与NM纲OS相反亩，因而德得名尝互补MO皱S（即CM叙OS）反相器滋电路灿。T2为NM助OS管，看称驱塑动管