级数电ch31资料教学课件

第3章逻辑门门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门……门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0正逻辑：高电平表示1，低电平表示0

负逻辑：高电平表示0，低电平表示1获得高、低电平的基本原理0V5V2.4V0.8V013.1MOS管的开关特性S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底一.N沟道增强型MOS管的结构和符号PN结半导体层SiO2绝缘层将MOS管的S极和衬底B相连，并在D-S间加正电压VDD，则D-S间相当于是一个受VI控制的开关二、N沟道增强型MOS管的开关状态(1)VIL=0时，D-S间不导通，MOS管截止，ROFF>106Ω，开关断开(2)加上足够高的+VIH，且>VT,D-S间形成n型导电沟道，MOS管导通，ROFF<1KΩ，开关接通所以，D-S间相当于是一个受VI控制的开关三、NMOS管的基本开关电路+VDD+10VRD20kBGDSuIuO+VDD+10VRD20kGDSuIuO开启电压VT=2ViD+VDD+10VRD20kGDSuIuORONRD对于增强型PMOS管则与NMOS管相反，其开启电压为负。即只有VT为负，且其绝对值大于开启电压的绝对值，此时PMOS管导通（即越负越通）。3.2

CMOS门电路（Complementary）3.2.1CMOS反相器及传输门一、CMOS反相器1.电路组成：强调低电平有效(1)开关等效电路设定：VDD=+5V，VIH=5V，VIL=0V，且VDD>|VTN|+|VTP|

当VIL=0时，T1的VGS=0，T1截止；T2的VGS=-VDD，T2导通；故VOH=VDD

。当VIH=VDD时，T2的VGS=0，T2截止；T1的VGS=VDD，T1导通；故VOL=0。1)无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有一个处于导通，一个处于截止(互补输出)。2）同时流过T1、T2的电流iD始终很小，可视为0。(2)电压、电流传输特性二.CMOS传输门(双向模拟开关)开关状态由加在P和N的控制信号决定。当P=0V，N=VDD时，两个MOS管均导通，A-B接通。当P=VDD，N=0V时，两个MOS管均截止，A-B断开。一对互反信号当N=0~VDD之间时，两个MOS管至少一个导通，实现(TG门—TransmissionGate)3.2.2CMOS与非门、或非门1.与非门2.或非门逻辑符号？在反相器、传输门、与非门及或非门这四种基本的电路基础上可以组成其他逻辑门电路。3.异或门同或门自行分析。4.与门、或门和同相缓冲器由反相器、传输门、与非门、或非门可以组成其他逻辑功能的门电路或逻辑电路。

与非门+反相器或非门+反相器反相器+反相器缓冲器不进行任何逻辑运算，用于集成电路芯片内部电路和引出端间的隔离。5.输入、输出端有反相器的或非门和与非门通常在集成电路芯片的每个输入和输出端内部都接有标准参数的反相器。1、三态输出门P703.2.3三态输出和漏极开路输出CMOS门电路1)特点：输出有1、0以及高阻态Z三种状态。EN’端称为使能端，倒三角形“▽”表示逻辑门是三态输出EN’AYY与上、下都断开Y=Z(高阻态—非1非0)(1或0)2)三态门的用途使能端高电平有效2.漏极开路输出的门电路（OD门）菱形表示OD门结构，还有漏极开路的或非门电路等。1）电路结构（1)输出并联使用，实现线与运算使用时必须外接上拉电阻Rp及VDD。注：普通的CMOS门输出端不能并联,有可能导致NMOS和PMOS器件同时导通，形成大电流。2）应用（2）实现电平转换。如图所示，可使输出高电平变为10V。（3）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。3.2.4CMOS电路的静电防护当栅极上积累一定的静电电荷，会形成强电场，将氧化层击穿，使器件损坏。为了防止静电击穿，在CMOS集成电路的每个输入端都会设置输入保护电路。CMOS门电路输入悬空时可能会感应电荷，使栅极击穿，所以其输入端不允许悬空3.2.5

CMOS门电路的电气特性和参数一、直流（静态）特性：电路处于稳定时的电压电流特性。

1.输入低电平VIL

、输入高电平VIH

输入为高、低电平时电压变化范围。即：0~VIL(max),VIH(min)~VDD

VIL（max)：允许输入低电平的最大值，典型值1.5V；

VIH（min)：允许输入高电平的最小值，典型值3.5V；（74HC系列典型值，下同）

2.输出高电平VOH、输出低电平VOL

输出电压的允许范围

0~VOL(max),VOH(min)~VDD

VOH（min)：允许输出高电平的最小值；典型值4.4V

VOL（max)：允许输出低电平的最大值;典型值0.33V3.高电平噪声容限（VNH）、低电平噪声容限（VNL）

输入端噪声容限：在保证输出高低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平允许的波动范围。当前一级门带动相同的后一级门时:高电平噪声容限：

VNH=VOH（min)

－VIH（min)

=4.4－3.5=0.9V低电平噪声容限：

VNL=VIL（max)

－VOL（max)=1.5－0.33=1.17V二、开关电气特性（动态特性）和参数

---------传输延迟时间tpd

由于CMOS门电路内存在电容且输出端还有负载电容，所以输入电压突变时，输出电压变化会延迟一时间。典型值：9ns三、CMOS门电路系列型号及命名法

目前有4000系列、HC/HCT系列和AHC/AHCT等系列。

如CC4030R表示温度范围：-55~85℃表示器件品种：四-2输入异或门表示器件系列代号表示中国制造的CMOS器件再如，74HC863.3双极型半导体二极管和三极管的开关特性

3.3.1双极型二极管的开关特性和二极管门电路1.二极管的结构和伏安特性：

PN结+引线+封装构成2.二极管的开关等效电路：3.二极管门电路1）二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=4VVIL=0.3V二极管导通时VDF=0.7VABY0.3V0.3V1.0V0.3V4.0V1.0V4.0V0.3V1.0V4.0V4.0V4.7VABY000010100111规定4V以上为11V以下为02）二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=4VVIL=0.3V二极管导通时VDF=0.7VABY0.3V0.3V0V0.3V4.0V3.3V4.0V0.3V3.3V4.0V4.0V3.3VABY000011101111规定3.3V以上为10.3V以下为0二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路1.双极型三极管的结构示意图和符号

npn型三极管pnp型三极管3.3.2三极管的开关特性2.npn型三极管开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL3.三极管的开关等效电路3.4TTL门电路（Transistor-TransistorLogic）3.4.1TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构中间级是反相级，由T2、R2和R3组成，T2的集电极C2和发射极E2可以分提供两个变化相反的电压信号。输出级：由T4、T5、D2和R4组成推拉式输出结构。T4、T5总是一个导通一个截止。D2的作用：确保T5饱和导通时，T4可靠截止。

输入级由T1和R1组成，提供驱动信号，可看成两个二极管。D1为钳位二极管，抑制输入端可能出现过大负电压，起保护作用。

1.输入为低电平(0.2V)时0.2V不足以使T2、T5导通三个PN结导通需2.1V0.9V(+5V)vo=5-uR2-ube4-uD23.4V高电平！T4、D2导通2.输入为高电平(3.6V)时3.6V(+5V)0.8V截止全导通钳位在2.1V反偏饱和vO=0.2V,低电平二.电压的传输特性阈值电压VTH约为1.4V三.输入特性以反相器SN7404为例

结论：TTL输入端悬空和接逻辑1电平效果相同注意：CMOS电路中若输入端经过电阻接地，输入端电位为零四、输出特性1.反相器接有负载电路时，输出的高低电平随负载电流的变化而改变，且变化不大。2.需要驱动较大的负载电流时，总是用输出低电平去驱动。输出特性：输出电压随负载电流变化的特性

1、高电平输出特性

VO＝

VOH时，输出端等效电路为：拉电流TTL反相器高电平输出特性2、低电平输出特性曲线

输出端等效电路灌电流IOL(max)=16mA3.4.2TTL与非门、或非门、与或非门和异或门1.与非门2.或非门3.与或非门4.异或门3.4.3三态输出和集电极开路输出的TTL门电路

1.三态输出的门电路AYEN′AYEN高电平有效低电平有效EN′AYB2.集电极开路输出的门电路（opencollector）结构图和逻辑符号1)推拉式输出电路结构的局限性①输出高低电平固定（不可调）②高电平输出负载能力不强③输出端不能并联使用两个OC门的输出端并联实现“线与”，并可将OC门用于信号到总线的连接。为了获得输出的高低电平，需要将OC门的输出端经过一个上拉电阻接至电源。1.直流电气特性和参数(1)输入高电平VIH和输入低电平VIL

在74系列中，电源电压+5V，VIH(min)为2V，VIH(max)为0.8V。(2)输出高电平VOH和输出低电平VOL

在74系列中，VOH(min)为2.4V（当负载电流为－0.4mA），

VOL(max)为0.4V（当负载电流为16mA）。3.4.4TTL门电路的电气特性和参数(3)噪声容限VNH和VNL

VNH＝VOH(min)－VIH(min)＝0.4V

VNL＝VIL(max)－VOL(max)＝0.4V(4)高电平输出电流IOH和低电平输出电流IOL

IOH(max)<<IOL(max)

在74系列中，IOL(max)＝16mA，IOH(max)＝－0.4mA。(5)高电平输入电流IIH和低电平输入电流IIL

IIH(max)<<IIL(max)

在74系列中，IIH(max)＝0.04mA，IIL(max)＝－1.6mA。(6)输出高电平时的电源电流ICCH和输出低电平时的电源电流ICCL

2.开关电气特性和参数(1)传输延迟时间tpd

tPLH

>tPHL

在74系列中，tPHL＝8ns，tPLH＝12ns，平均传输延迟时间tpd在10ns左右。

(2)电源动态尖峰电流成因：输出电平转换中，瞬时T3和T4同时导通影响：iP较大，流过公共电源线形成干扰源TTL系列门电路①74：标准系列；②74H：高速系列；③74S：肖特基系列；④74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗—延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗—延迟积越小，门电路的综合性能就越好。⑤74AS：先进肖特基系列；④74ALS：先进低功耗肖特基系列。74/54系列（普通/军用）：如7400SN74XX00CD陶瓷封装直插工作温度范围：0~70度器件系列和品种代号生产厂商无论是哪一系列器件，只要品名相同，功能就相同，只是参数不同。

集成TTL门电路产品介绍

常用TTL门电路型号型号逻辑功能型号逻辑功能74LS00/0174LS02/0374LS04/0574LS06/0774LS0874LS1074LS2174LS20/2274LS2774LS30四2输入与非门/OC四2输入或非门/OC六反相器/OC高电平六反相器/OC四2输入与门三3输入与非门二4输入与门二4输入与非门/OC三3输入或非门

8输入与非门74LS3774LS4074LS5474LS86/13674LS12674LS13274LS244四