第3章逻辑门电路

1《电子技术基础

数字部分》第三章逻辑门电路23.1逻辑门电路简介3.2基本CMOS逻辑门电路3.3.3CMOS门电路的重要技术参数第三章逻辑门电路3.7逻辑描述中的几个问题33.1逻辑门电路简介

3.1.1各种逻辑门电路系列简介门电路:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。MOS型CMOS，NMOS，PMOS双极型TTL，ECL混合型BiCMOS4数字电路目前的主流技术是CMOS。模拟电路可以用CMOS器件，也可以用Bipolar器件，也可以混用，因此对应的工艺就是CMOS工艺，Bipolar工艺，和BiCMOS工艺。TTL是基于Bipolar工艺的集成电路，是应用最早、技术比较成熟的集成电路，曾被广泛使用，现已退出主导地位，目前主要应用于教育或是中小规模数字电路。54000HC/HCTAHC/AHCTVDD=3~18V速度慢与TTL不兼容LVC典型VDD=5V速度加快与TTL兼容典型VDD=5V速度两倍于HC与TTL兼容典型VDD=3.3V速度比AHC快功耗比AHC低部分典型CMOS逻辑系列ALVC典型VDD=2.5V速度是LVC的两倍AUC，AUP典型VDD=1.8V速度更快功耗更低63.1.2开关电路vO=VCCRVCCSvO=0RVCCS输出逻辑1输出逻辑0开关S可用半导体三极管(BJT)，或MOS晶体管构成。vIvI73.1逻辑门电路简介3.2基本CMOS逻辑门电路3.3.3CMOS门电路的重要技术参数第三章逻辑门电路3.7逻辑描述中的几个问题补充：半导体基础知识半导体基础知识（1）本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。常用：硅Si，锗Ge两种载流子掺杂半导体N型半导体多子：自由电子少子：空穴半导体基础知识（2）掺杂半导体P型半导体多子：空穴少子：自由电子半导体基础知识（3）PN结的形成空间电荷区（耗尽层）扩散和漂移半导体基础知识（4）PN结的单向导电性外加正向电压PN结的单向导电性外加反向电压PN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷半导体基础知识（5）163.2基本CMOS逻辑门电路

3.2.1

MOS管及其开关特性N+N+SGDSiO2P型衬底(B)N沟道增强型MOS管的结构GBSD符号简化画法N沟道增强型MOS管的结构和工作原理17N+N+SGD-+vGSP型衬底(B)vDS源漏间不导通，iD=0vGS≥VthnvGS↑iD↑N+N+SGD-+vGSP型衬底(B)开启电压工作原理vGS<Vthn++vDS源漏间导通，有vDS

>0则iD>018输入输出特性截止区饱和区可变电阻区vDSOiDvDS=vGS-VthnvGS>VthnVthn>0输出特性曲线vGS+-+-vDSiDDGSMOS管的共源接法VGS<Vthn时，D、S间不导通，没有电流，MOS管处于截止区；VGS≥Vthn时，但VDS较小时，沟道电流随VDS的增加而增加，MOS管处于可变电阻区；VGS≥Vthn时，VDS继续增加到VDS=VGS-Vthn时，沟道电流不再增加，MOS管处于饱和区；19转移特性曲线vGS+-+-vDSiDDGSMOS管的栅漏短接iDvGSvGS(th)NO转移特性曲线MOS二极管20P+P+SGDSiO2N型衬底(B)P沟道增强型MOS管GBSDMOS管的符号P沟道增强型MOS管的结构和工作原理简化画法21vGS+-+-vDSiDDGSMOS管的共源接法vDSOiD输出特性曲线VGS=-5V-4V-3V-2V输入输出特性iDvGSvthpO转移特性曲线22MOS管的基本开关电路vI+-+-vOiD+VDDRDDGS截止状态导通状态MOS管相当于一个由vGS控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。MOS管截止，相当于开关“断开”输出为高电平。当输入为低电平时：当输入为高电平时：23MOS管开关电路的动态特性vI+-+-vOiD+VDDRDDGS当输入电压为高时，电路静态功耗很大243.2.2

CMOS反相器设：TP和TN的开启电压分别为VthP和VthN，当vI=VIL=0时TP导通，TN截止，vO=VOH≈VDD当vI=VIH=VDD时TP截止，TN导通，vO=VOL≈0VDDvOvITPTNGSDS静态下无论VI是高电平还是低电平，TP和TN总有一个截止，而且截止电阻极高，所以通过TP和TN的静态电流很小。因而COMS反相器的静态功耗几乎为零。25CMOS反相器的电压传输特性TP和TN具有相同的RON和ROFF设：AB段TP导通，TN截止，vO=VOH≈VDDEF段TP截止，TN导通，vO=VOL≈0TP和TN均导通CD、BC、DE段VDDvOvITPTNGSDSvOOvIABEFVDD1/2VDDVthNVthPVDD/2VDDCD26CMOS反相器的电流传输特性AB段或EF段TP和TN总有一个截止，id≈0TP和TN均工作在饱和区，id最大CD段TP和TN一个工作在饱和区，一个工作在可变电阻区，id较大BC段或DE段CMOS反相器的静态功耗几乎为零。但是在状态翻转时会产生动态功耗。27输入逻辑电平vOOvIVDD输入低电平范围VIH(min)VDDVIL(max)输入高电平范围无定义区28输出逻辑电平vOOvIVDD输出低电平范围VOH(min)VDDVIL(max)输出高电平范围VIH(min)VOL(max)无定义区VDDVOLVIHRLTNIOL输出高电平等效电路VDDTPRLIOHVOHVIL输出低电平等效电路29工作速度VDDvOvIGSDSCLTPTNiDPiDN负载电容充电VDDvI=0VCLvOiDPvI=VDDCLvOiDNvO负载电容放电303.2.3其他基本CMOS逻辑门电路与非门电路VDDABYTP2TP1TN1TN2ABTN1TP1TN2TP2Y00110101截止截止导通导通导通导通截止截止截止导通截止导通导通截止导通截止111031或非门电路ABTN1TP1TN2TP2Y00110101截止截止导通导通导通导通截止截止截止导通截止导通导通截止导通截止1110VDDABYTP2TP1TN1TN232异或门电路333.2.4

CMOS传输门TGCCvI/vOvO/vICCTPTNVDDvO/vIvI/vO设VTN=|VTP|=VTC和C是一对互补的控制信号34CMOS传输门工作原理CCTPTNVDDvOvIG1S1D1G2S2D2vGSN≤0<VTN,TN截止传输门断开，不能转送信号vGSP≥0>VTP,TP截止当C=0，C=VDDvi=0~+VDD35CCTPTNVDDvOvIG1S1D1G2S2D2vGSN

>

VTN,TN导通当C=VDD，C=0vi=0~+(VDD-VT)时CMOS传输门工作原理vGSP

<

VTP,TP导通vi=+VT~+VDD时TN和TP至少一个导通，传输门导通36模拟开关TGCvI/vOvO/vI1SWCvI/vOvO/vIOVTHNVDDviRON2（N沟道管）RON1（P沟道管）RTGRON1RON2RTGVTHP组成数据选择器C=0TG1导通,TG2断开，L=XTG2导通,TG1断开，L=YC=1传输门的应用1238CMOS三态门ENAF0010101×ZVDDFA1ENT3T4T1T21EN393.1逻辑门电路简介3.2基本CMOS逻辑门电路3.3.3CMOS门电路的重要技术参数第三章逻辑门电路3.7逻辑描述中的几个问题403.3.3

CMOS门电路的重要技术参数1.输入和输出的高低电平vOO关门区vI开门区VHVOHminVOLmax转换区VILmaxVIHminVLV*门电路的电压传输特性（反相）高电平VH、低电平VL输入高电平下限VIHmin输入低电平上限VILmax输出高电平下限VOHmin输出低电平上限VOLma

转换电平V*412.噪声容限VNL=VILmax-VOLmaxVNH=VOHmin-VIHmin低电平噪声容限高电平噪声容限门电路1门电路2vOvI在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力。423.传输延迟时间内因载流子渡越时间，存储效应外因电容的充放电效应半幅点tPHLtPLHvivo门电路延迟时间平均延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。434.功耗静态功耗门电路稳定输出某个逻辑电平时消耗的功率动态功耗门电路在输出电平由0变1、由1变0过程中所消耗的功率的平均值5.延时-功耗积电路的延时功耗积越小，它的性能越理想。446.扇入与扇出数扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。带拉电流负载当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。 高电平扇出数:IOH:驱动门的输出端的高电平电流IIH:负载门的输入电流带灌电流负载当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。IOL

：驱动门的输出端为低电平电流 IIL：负载门输入端电流 低电平扇出数:463.1逻辑门电路简介3.2基本CMOS逻辑门电路3.3.3CMOS门电路的重要技术参数第三章逻辑门电路3.7逻辑描述中的几个问题473.7逻辑描述中的几个问题

3.7.1正负逻辑问题正逻辑：高电平-逻辑1，低电平-逻辑0负逻辑：高电平-逻辑0，低电平-逻辑1VAVBVL0v0v0v0v3v