《逻辑门电路》PPT课件.ppt

1、第2章 集成逻辑门电路,本章主要内容 介绍基本门电路的概念 讨论数字集成电路的几种主要类型，重点是双极型TTL集成门电路 MOS型数字集成电路,第2章 集成逻辑门电路,集成逻辑门电路，是把门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上构成的。 它属于小规模集成电路(SSI)，它是组成一个较大数字系统的基本单元。,第2章 集成逻辑门电路,小规模(Small Scale Integrated Circuit ,SSI)是由十几个门电路构成的。 中规模(Medium Scale Integrated Circuit, MSI)是由上百个门电路构成的。 大规模(Large Scale Integ

2、rated Circuit ,LSI)是由几百个至几千个门电路构成的。 超大规模(Very Large Scale Integrated Circuit ,VLSI)是由一万个以上门电路构成的。,第2章 集成逻辑门电路,目前，广泛使用的逻辑门有TTL (Transistor-Transistor Logic)和CMOS两个系列。 TTL门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是三极管结构，故称TTL。 CMOS门电路是由NMOS管和PMOS管组成的互补MOS集成电路，属单极性数字集成电路。,第2章 集成逻辑门电路,我国TTL系列数字集成电路型号与国际型号对应列入表2-1中,获得高低电平的

3、基本原理,电子电路中用高、低电平分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态。,二极管的开关特性,二极管导通条件： 正向电压VF0.7V(0.2V)。 二极管截止条件： VF0.5V(锗管0.1V)。 二极管反向恢复时间tre,二极管的开关特性,二极管反向恢复时间tre 产生反向恢复时间tre的原因,反向恢复时间tre为纳秒数量级， tre值愈小，开关速度愈快，允许信号频率愈高。,三极管的开关特性,截止、饱和的条件 截止：VBE 0V(0.5V) 饱和：IBIBS 临界饱和：VCE=VBE 此时：,一般VCES=0.10.3V,三极管的开关特性,三极管的开关时间,0.9ICS,0.1ICS,延迟时间t

4、d,上升时间tr,开启时间ton=td+tr,存储时间ts,下降时间tf,关闭时间toff=ts+tf,一般地tofton，ts tf 并且开关时间为纳秒数量极,2.1 基本逻辑门电路,二极管与门 实现与逻辑功能的电路，称为与门。,VA=VB=3V。由于R接 到电源+12V上，故DA、DB均导通,VF= 3+0.7V=3.7V3V,2.1 基本逻辑门电路,二极管与门 实现与逻辑功能的电路，称为与门。,VA=3V，VB=0V 由于DB导通，VF=0.7V，因而DA截止,通常将DB导通，使VF=0+0.7V=0.7V0V称为箝位。,2.1 基本逻辑门电路,二极管与门 实现与逻辑功能的电路，称为与门

5、。,VA=0V，VB=3V 由于DA导通VF=0+0.7V=0.7V0V，DB截止。,2.1 基本逻辑门电路,二极管与门 实现与逻辑功能的电路，称为与门。,VA=VB=0V VF=0.7V，此时DA、DB均导通。 VF=0+0.7V=0.7V0V,2.1 基本逻辑门电路,二极管与门 实现与逻辑功能的电路，称为与门。,结论： (1)VA=VB=0V，VF0V (2)VA=0V, VB=3V，VF0V (3)VA=3V, VB=0V， VF0V (4)VA=VB=3V VF3V,2.1 基本逻辑门电路,二极管与门 实现与逻辑功能的电路，称为与门。,2.1 基本逻辑门电路,二极管与门 实现与逻辑功能

6、的电路，称为与门。,2.1 基本逻辑门电路,或门 实现逻辑或功能的电路，称为或门。,VA=VB=3V，由于R接到电源-VEE（-12V）上，故DA、DB均导通。VF因此为VA-VD=2.3V 3V 。,2.1 基本逻辑门电路,或门 实现逻辑或功能的电路，称为或门。,VA=0V，VB=3V，此时DB导通，将VF钳位在2.3V，DA加反向电压截止。因此 VF=VB-VD=2.3V3V 。,2.1 基本逻辑门电路,或门 实现逻辑或功能的电路，称为或门。,VA=3V，VB=0V，此时DA导通，DB截止，VF=VA-VD=2.3V 3V 。,2.1 基本逻辑门电路,或门 实现逻辑或功能的电路，称为或门。

7、,VA=VB=0V，DA、DB均导通，VF=0-VD=-0.7V 0V 。,2.1 基本逻辑门电路,或门 实现逻辑或功能的电路，称为或门。,结论 (1)VA=VB=0V:VF0V (2) VA=0V, VB=3V: VF3V (3) VA=3V, VB=0V: VF3V (4)VA=VB=3V: VF3V,2.1 基本逻辑门电路,或门 实现逻辑或功能的电路，称为或门。,2.1 基本逻辑门电路,或门 实现逻辑或功能的电路，称为或门。,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,数字电路中，二极管，三极管均工作在开关状态。三极管工作在饱和状态和截止状态。,2.1 基本

8、逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,饱和时，其集电极输出为低电平（VO=Vces）； 截止时，其集电极输出高电平（无箝位时，VO=VCC，有箝位电路时，VO高电平将使DQ导通，由于VQ=2.5V，故VO=2.5V+0.7V=3.2V）。,-12V,12V,2.5V,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,VI=0.3V时，一般硅管死区电压为0.5V，故T可能截止，只考虑到VEE时,只考虑到VI时,-12V,12V,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,总的VB=-0.646V，T截止，VO为高电平。

9、由于此时钳位二极管DQ导通，故VO=VQ+VDQ=3.2V 3V。,-12V,12V,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,或：,-12V,12V,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,当VI=3.2V时，输入高电平，T应饱和，即,-12V,12V,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,在本例中,-12V,12V,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,实际上,-12V,12V,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,I

10、BIBS，三极管饱和。输出为低电平 VO=Vces=0.3V0V 采用正逻辑，可列出非门的真值表。,-12V,12V,2.1 基本逻辑门电路,非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门,-12V,12V,2.1 基本逻辑门电路,4.与非门电路,2.1 基本逻辑门电路,5.或非门电路,2.2 TTL集成逻辑门电路, TTL与非门的工作原理 TTL与非门的典型电路,TTL与非门的典型电路如图2-6所示，它分成输入级、中间级和输出级三个部分。,输出级, TTL与非门的典型电路,输入级由多发射极晶体管T1和电阻R1组成，通过T1的各个发射极实现与逻辑功能。,多发射极晶体管 T1 的等效电路, T

11、TL与非门的典型电路,中间级由T2、R2、R3组成。 其主要作用是从T2管的集电极c2和发射极e2同时输出两个相位相反的信号，分别驱动T3和T5管，来保证T4和T5管有一个导通时，另一个就截止。, TTL与非门的典型电路,输出级由R4、R5、T3、T4、T5组成，T5是反相器，T3、T4组成复合管构成一个射随器，作为T5管的有源负载，并与T5组成推拉式电路，使输出无论是高电平或是低电平，输出电阻都很小，提高了带负载能力。,工作原理,则VB1=VIL+VBE1 =0.3+0.7=1V VB2 =VC1=VCES1+VIL =0.1+0.3=0.4V,设A=0 B=1 C=1 (VIL=0.3V)

12、 ，,所以：T2 、T5 截止,T3 、T4 导通,VF = 5UBE3UBE4 50.70.7 = 3.6V,拉电流,F = 1,工作原理,设A = B = C =1，即VA=VB=VC=VIH=3.6V，,3.6V 3.6V 3.6V,2.1V,T1管的基极电位升高，使T1管的集电结、T2和T5的发射结正向偏置而导通，T1管的基极电位VB1被箝位在2.1V。,1.4V,故T1管处于倒置工作状态：发射结和集电结反向运用状态，发射结反向偏置、集电结正向偏置。,T3 导通 ，T4 截止,VF = 0.3V ， F = 0,VF =0.3V,灌电流,结论：,电路只要输入有一个为低电平时，输出就为高

13、电平；只有输入全为高电平时，输出才为低电平。该门为与非门。即 1.输入不全为1时，输出为1 2.输入全为1时，输出为0 真值表为：,2.TTL与非门的电压传输特性及 抗干扰能力,电压传输特性 电压传输特性是描述输出电压vO与输入电压vI之间对应关系的曲线，如图2-7所示。, TTL与非门的电压传输特性,AB段（截止区）： vI0.6V，输出电压vO不随输入电压vI变化，保持在高电平VH。 VC10.7V，T2和T5管截止，T3、T4管导通，输出高电平，VOH=3.6V。 由于T2和T5管截止，故称截止区。, TTL与非门的电压传输特性,BC段(线性区)： 0.6VvI1.3V，0.7VVC11

14、.4V。 这时T2管开始导通并处于放大状态，T2管的集电极电压VC2和输出电压vO随输入电压vI的增大而线性降低，故该段称为线性区。,由于T5管的基极电位还低于0.7V，故T5管仍截止。T3、T4管还是处于导通状态。, TTL与非门的电压传输特性,CD段(过渡区)： 1.3VvI1.4V，T5管开始导通，T2、T3、T4管也都处于导通状态，T4、T5管有一小段时间同时导通，故有很大电流流过R4电阻，T2管提供T5管很大的基极电流;,T2、T5管趋于饱和导通，T4管趋于截止，输出电压vO急剧下降到低电平vO=0.3V。,由于vI的微小变化而引起输出电压vO的急剧下降，故此段称为过渡区或转折区。,

15、 TTL与非门的电压传输特性,CD段(过渡区)： CD段中点对应的输入电压，既是T5管截止和导通的分界线，又是输出高、低电平的分界线，故此电压称阈值电压VT（门槛电压），VT=1.4V。,VT是决定与非门状态的重要参数。当vIVT时，与非门截止，输出高电平。,当vIVT时，与非门饱和导通，输出低电平。, TTL与非门的电压传输特性,DE段（饱和区）： vI1.4V以后，T1管处于倒置工作状态，VB1被箝位在2.1V，T2、T5管进入饱和导通状态，T3管微导通，T4管截止。 由于T2、T5管饱和导通，故称该段为饱和区。,抗干扰能力(输入噪声容限),关门电平VOFF：输出为标准高电平VSH时所允许

16、的最大输入低电平值。通常VOFF=0.8V。 开门电平VON：输出为标准低电平VSL时所允许的最小输入高电平值。通常VON=1.8V。,抗干扰能力（输入噪声容限）：不破坏与非门输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。,输入低电平的抗干扰能力,输入高电平的抗干扰能力,抗干扰能力(输入噪声容限),VNL=VILmax-VOLmax,VNH=VOHmin-VIHmin,TTL与非门的输入特性、输出特性和带负载能力,了解输入输出特性，可正确处理TTL与非门之间和其它电路之间的连接问题。只要输入端、输出端的电路结构形式和参数与TTL与非门相同，输入、输出特性对其它TTL电路也适用。,TTL与非门的输入特性,输

17、入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系曲线，如图2-8所示的特性曲线。规定输入电流流入输入端为正，而从输入端流出为负。,TTL与非门的输入特性,当vI小于0.6V时T2是截止的，T1基极电流均经其发射极流出（因集电极的负载电阻很大，IC1可以忽略不计），这时电流大小可以近似计算为 iI=-(VCC-VBE1-vI)/R1。,TTL与非门的输入特性,当vI=0时，相当于输入端接地，故将此时的输入电流称为输入短路电流IIS，IIS=(VCC-VBE1)/R1=(5-0.7)/31.4mA。,输入短路电流IIS=1.4mA,TTL与非门的输入特性,当vI等于0.6V时T2管开始导通，T2管导通以后

18、IB1一部分就要流入T2管的基极，iI的绝对值随之略有减小；vI继续增加，IB2要继续增大，而iI的绝对值继续减小。,TTL与非门的输入特性,当vI增加到1.3V以后，T5管开始导通，VB1被箝位在2.1V左右；此后，iI的绝对值随vI的增大而迅速减小。,TTL与非门的输入特性,IB1绝大部分经T1集电结流入T2的基极。当vI大于1.4V以后，T1就进入倒置工作状态，iI的方向由负变为正，就是说iI由e1端流入输入端，此时的输入电流称为输入漏电流IIH，其值约为10A。,TTL与非门的输入特性,输入短路电流IIS1.4mA。 输入漏（高电平）电流IIH10A。,TTL与非门的输入特性,在实际应

19、用中，有时与非门的输入端需要经外接电阻RI接地。如图2-9(a)图所示。 此时就有电流II流过RI，并在其上产生电压降vI。,TTL与非门的输入特性,当输入端所接电阻RI=0时，即输入端接地时，输出为高电平； 而RI=时，输入电流没有通路，与输入端加高电平等效，此时输出为低电平。,TTL与非门的输入特性,即RI比较小时，与非门截止，输出高电平；RI较大时，与非门饱和，输出为低电平；RI不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。,TTL与非门的输入特性,TTL门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。 vI和RI之间的关系曲线叫做输入端负载特性。,TTL与非门的输入特性,发射结导通时,TTL与非门的输

20、入特性,在RIR1条件下，vI几乎和RI成正比，vI随RI增加而增加。如图2-9(b)所示。,RI ，vI=1.4V，T5管导通，VB1被箝位在2.1V。,RI，vI=1.4V。则公式不再适用。,TTL与非门的输入特性,关门电阻ROFF：保证TTL与非门关闭，输出为标准高电平时，所允许的RI最大值。一般ROFF=0.8k。,RIROFF时，与非门输出高电平。,TTL与非门的输入特性,开门电阻RON：保证TTL与非门导通，输出为标准低电平时，所允许的RI最小值。一般RON=2k。,RIRON时，与非门输出低电平。,输入负载特性是TTL与非门特有的，不能用于CMOS门。,TTL与非门的输入特性,与

21、非门多余端的处理：输入信号数目少于与非门输入端个数，出现多余端。 与非门输入端悬空相当于接高电平 实际使用时，不采用悬空的方法，防止干扰信号引入 多余输入端 接电源的正端或固定高电平 并联使用,TTL与非门的输出特性,TTL与非门实际工作时，输出端总要接负载，产生负载电流，此电流也在影响输出电压的大小。 输出电压与负载电流之间的关系曲线，称为输出特性。输出电压有高电平、低电平两种状态，所以有两种输出特性。,TTL与非门的输出特性,与非门输入全为高电平时，输出为低电平。 T1管倒置工作， T2、T5管饱和导通， T3管微导通，T4管截止。 这时输出级等效电路如图2-10(a)所示，其基极电流很大

22、，是灌电流负载。,输出为低电平时的输出特性,TTL与非门的输出特性,输出为低电平时的输出特性,是三极管在基极电流为某一值时共射极接法的输出特性曲线如图2-10(b)所示。,T5饱和，其导通电阻rce很小（十几欧姆），所以iL增加时vO仅稍有增加，输出低电平VOL。,当iL增加到大于某值后，T5管退出饱和进入放大，vO迅速上升，破坏了输出为低电平的逻辑关系，因此对灌电流值要有限制。,IOLmax,VOLmax,TTL与非门的输出特性,输出为高电平时的输出特性,当与非门输入端其中有一端为低电平时，输出为高电平。 T1管处于饱和状态， T2、T5管截止， T3、T4管导通。 这时输出级等效电路如图2

23、-11(a)所示，负载是拉电流负载。,TTL与非门的输出特性,输出为高电平时的输出特性,在iL较小时，T3处于饱和边缘，T4管放大，T3、T4组成的复合管有一定的放大作用，,输出特性曲线如图2-11(b)所示。,输出电阻很小，TTL与非门的输出电压vO 随iL变化不大，故输出高电平VOH。,当iL增加到大于某值后，R4上压降增大，VC3下降，使T3进入深饱和，,复合管跟随器处于饱和状态，失去跟随作用，,输出电压vO随负载电流的增加而迅速下降， vOVCC-VCES3-VBE4-iLR4。,为了保证vO为标准高电平。对拉电流值要有限制。,IOHmax,VOHmin,带负载能力,TTL与非门的输出

24、端接上负载后，负载有灌电流负载和拉电流负载。图2-12分别表示灌电流负载和拉电流负载。,拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降；,灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升。,IL=NOIIS,IL=NOIIH,带负载能力,电路输出高、低电平时有输出电阻，所以输出的高、低电平随负载电流改变，变化小，说明门的带负载能力强。 用输出电平变化不超过某一规定值（高电平不低于高电平下限值VOHmin，低电平不高于低电平的上限值VOLmax）时的最大负载电流，来定量描述门电路的带负载能力大小。,带负载能力,负载电流大，带负载能力强；反之，带负载能力弱。 一个门的输出电平有高电平、低电平之分，因此，说这个门

25、的带负载能力，必须综合考虑输出高电平时的带负载能力和输出低电平时的带负载能力。,带负载能力,扇出系数：门电路驱动同类门的最大数目。 输出高电平时的扇出系数,输出低电平时的扇出系数,一个门的扇出系数只能是一个。若NOH和NOL不同时，应取NOH和NOL中小的一个。,TTL与非门的动态特性,平均传输延迟时间,二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极管构成的TTL电路的状态转换需要一定的时间，即输出不能立即响应输入信号的变化，而有一定的延迟。如图2-13所示。,而电阻、二极管、三极管等元器件寄生电容的存在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得不那么陡。,导通传输延迟时间,截止传输延迟时间,平均传

26、输延迟时间,传输延迟时间小，表明门的工作速度可以高，反之，门的工作速度必须降低。,TTL与非门的动态特性,动态尖峰电流 静态时TTL与非门电路的电源电流比较小，在10mA左右。在动态情况下，由于T5工作在深饱和状态，T4必定在T5截止之前就导通了。这样就出现了瞬间T4和T5都导通的状态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持续时间较短，故称之为尖峰电流或浪涌电流。输出由高电平变为低电平时，也会出现T4、T5都导通，导致ICC出现尖峰。,TTL与非门的动态特性,动态尖峰电流 如图2-14所示。,在工作频率较高时，尖峰电流对电源平均电流影响不可忽略。它使电源的平均电流增大，这就要求加大电源的容

27、量。,电源的尖峰电流在电路内部流通时，会在电源线和地线上产生电压降，形成一个干扰源，为此，要采取合理的接地和去耦措施，使之在允许范围内。,2.3 其他类型的TTL门电路,TTL门电路除了与非门外，还有其它逻辑功能的门电路，如与门、或门、或非门、与或非门、异或门、同或门、集电极开路门和三态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩展器等。 主要介绍集电极开路门和三态门。,集电极开路门(OC门),线与 ：把几个逻辑门的输出端直接连在一起实现逻辑与。 TTL与非门直接线与出现的问题：,F1=1，F2=0就会在电源和地之间形成一个低阻通路，破坏了逻辑关系，而且还会把截止门中的导通管T4烧坏。,集电极开路门(

28、OC门),集电极开路门(OC门) 电路结构：把TTL与非门电路的推拉输出级改为三极管集电极开路输出,称为集电极开路(Open Collector)门电路。,RL,上拉电阻,集电极开路门(OC门),集电极开路门(OC门) 逻辑符号如图(b)所示。,逻辑功能：,几个OC门的输出端直接并联后可共用一个集电极负载电阻RL和电源VCC。,只要恰当地选择电源电压和负载电阻，就可以保证输出电平的高、低要求，而又有效地防止输出管电流过大。,集电极开路门(OC门),集电极负载电阻RL的选择 利用OC门可以实现线与功能。 当有m个OC门直接并联，并带有n个与非门作负载时，只要公共外接负载电阻RL选择适当，就可以保

29、证输出高电平不低于规定的VOHmin值；又可以保证输出低电平不高于规定的VOLmax。而且也不会在电源和地之间形成低阻通路。,集电极开路门(OC门),集电极负载电阻RL的选择 若m个OC与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结果为高电平，如图2-17所示。,为保证并联输出高电平不低于规定的VOHmin值，则要求RL取值不能太大，才能保证 VCC-IRLRLVOHmin。,OC门个数,TTL与非门输入端的个数,OC门输出管截止时的漏电流,负载门每个输入端为高电平时的输入漏电流,IRL=mIOH+pIIH,VCC-(mIOH+pIIH)RLVOHmin,RL最大值RLmax为：,VCC-IRLRL

30、VOHmin,集电极开路门(OC门),当OC门线与输出为低电平时，从最不利情况考虑，设只有一个OC门处于导通状态，而其它的OC门均截止，如图2-18所示。,RL不能太小，应保证在所有的负载电流全部流入唯一导通的OC门时，线与输出低电平仍能低于规定的VOLmax值，即 VCC-IRLRLVOLmax。,OC门导通时的最大负载电流,TTL与非门输入短路电流,注：无论一个门有几个输入端接在VOL上，IIS都是同样大。,IRL=IOL-nIIS,VCC-IRLRLVOLmax,VCC-(IOL-nIIS)RLVOLmax,RL最小值RLmin为：,RLminRLRLmax,集电极开路门(OC门),OC

31、门的应用：实现与或非逻辑(线与) 将几个OC门的输出直接并联在一起，然后通过一个公共上拉电阻RL接到电源VCC上，如图2-19所示。,，,，,实现了与或非的功能,集电极开路门(OC门),OC门的应用：实现电平转移 在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）需要有电平转换的时候，常用OC门实现，如图2-20所示电路。,，,，,集电极开路门(OC门),OC门的应用：用作驱动器 用OC门驱动指示灯、继电器和脉冲变压器等。 当用于驱动指示灯时，上拉电阻由指示灯代替，指示灯的一端于OC门的输出相连，另一端接上电源。 如果电流过大，可串入一个适当的限流电阻。,，,，,集电极开路门(OC门),用作驱动器 例

32、 试用74LS系列逻辑门，驱动一只VD=1.5V，ID=6mA的发光二极管。 解：与非门74LS00的IOL为4mA，不能驱动ID=6mA的发光二极管。集电极开路与非门74LS01的IOL为6mA，故可选用74LS01来驱动发光二极管，其电路如图所示。,，,，,限流电阻,三态输出门（TSL门）,三态逻辑（Three State Logic）输出门，简称TSL门。它是在一般门电路的基础上增加控制电路和控制端构成的。 三态输出是指三态门处于工作状态 高电平 低电平 非工作状态的高阻态(禁止态、开路态),三态输出门（TSL门）,三态与非门的电路结构如图(a) 所示。,EN,三态输出门（TSL门）,V

33、EN=0.3V (EN=0), VB1=1.0V,VB3=1.0V, T4、T5截止。 输出为高阻态,工作原理,VEN=3.6V(EN=1), D截止，就是与非门。,1.0V,1.0V,三态输出门（TSL门）,三态门的用途：在总线传输中的应用,利用三态门向同一个总线MN上轮流传输信号不会互相干扰。 工作条件是：在任何时间里只能有一个三态门处于工作状态，其余的门处于高阻态。,三态输出门（TSL门）,三态门的用途：实现数据双向传输,EN=0，G1高阻，N经G2向M送数据。,EN=1，G2高阻，M经G1向N送数据。,2.4 MOS逻辑门,单极型MOS(Metal Oxide Semiconducto

34、r)集成电路分PMOS、NMOS和CMOS三种。 NMOS电气性能较好，工艺较简单，适合制作高性能的存储器、微处理器等大规模集成电路。 而由NMOS和PMOS构成的互补型CMOS电路以其性能好、功耗低等显著特点，得到愈来愈广泛的应用。 主要介绍NMOS和CMOS门电路。,2.4 MOS逻辑门,MOS管截止时漏极和源极之间的内阻ROFF非常大，截止状态下的等效电路可以用断开的开关代替，如图所示。,MOS管导通状态下漏极和源极之间的内阻RON约在1k以内，且与vGS的数值有关，有时不能忽略，导通状态下的等效电路画出了导通电阻，如图所示。,电容是栅极输入电容，约为几个皮法。开关电路的输出端不可避免地

35、会带有负载电容，在动态工作情况下，漏极电流和输出电压的变化都滞后于输入电压的变化。,NMOS管的开关特性,当用增强型NMOS做工作管时，如输入电压vI为高电平（大于开启电压VT）则NMOS管导通，开关闭合，若满足RDRON，输出电压vO为低电平。,vIVT,NMOS管的开关特性,输入电压vI为低电平时则NMOS管截止，开关断开，若满足RDROFF，输出电压vO为高电平。,PMOS管的开关特性,A=1，开关断开，F=0 VI=0，管子截止，VOVDD,A=0，开关闭合，F=1 VIVT，管子导通，VO0,如果导通，需要加负电压。, NMOS 门电路,NMOS 反相器 NMOS 与非门 NMOS

36、或非门 NMOS 与或非门 NMOS 异或门 NMOS 三态门,NMOS反相器,T1管为工作管(驱动管、控制管)，T2管为负载管，故此电路称为有源负载反相器。,vI为高电平且vIVT1时，T1、T2管同时导通，输出电压vO为两个管子的导通电阻对VDD的分压，即,当输入电压vI为低电平时(vIVT1)，T1管截止，输出为高电平(vO=VOH=VDD-VT2)。,为满足RDS1RDS2，制造时使T1、T2在结构上有不同的宽长比，即W1/L1W2/L2。,VGD=VGS-VDS=0VT T2管工作在饱和区，称饱和型负载管，总是处于导通态。,NMOS反相器,饱和型负载反相器有两个缺点：,输出高电平低。

37、由于负载管T2导通时，栅源间至少要保持等于开启电压VT2的电压，所以输出高电平较电源电压低一个开启电压值。为了保证有足够高的输出高电平，必须增大电源电压。,为了保证输出低电平足够低，要求RDS2相应的增大，造成工作管关闭时，输出端杂散电容或负载电容CO的充电时间较长，使输出电压上升沿拖长，降低了工作速度。,对同一个MOS负载管，若要提高电路的速度，就必须减小其导通电阻，让它工作在非饱和区，即工作在可变电阻区。这样，可以提高电路的工作速度，降低电路的功率损耗。,NMOS反相器,非饱和型有源负载反相器如图2-26所示。,该反相器负载管的栅极采用独立电源VGG，当VGG-VDDVT2时，负载管T2工

38、作在非饱和区。输出电平可接近VDD值，电路的工作速度提高，功率损耗降低。 缺点是增加了一个电源。,NMOS与非门,具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图2-27所示。,当输入A、B都为高电平时，串联的两个工作管T1、T2都导通，电路的输出即为低电平；,NMOS与非门,具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图2-27所示。,当输入A、B中有一个为低电平时，则串联的两个工作管T1、T2中必有一个截止，则使电路输出为高电平。,NMOS或非门,NMOS 或非门电路如图2-28所示。,NMOS或非门,因为两个工作管T1、T2相并联，所以只要输入A、B中有一个为高电平时，则相应的工作管必导通，使电路的输

39、出为低电平；,工作原理,NMOS或非门,工作原理,只有输入A、B中都为低电平时，则并联的两个工作管T1、T2都截止，则使电路输出为高电平。,NMOS 与或非门,NMOS 与或非门电路如图2-29所示。,工作原理：,A=B=1,F=0,NMOS 与或非门,NMOS 与或非门电路如图2-29所示。,工作原理：,A=B=1,C=D=1,F=0,NMOS 与或非门,工作原理：,当两组输入(A、B和C、D)中都有低电平时，则每组串联的工作管中必有相应的工作管截止，则F=1。,NMOS异或门,图2-30是NMOS异或门。,同或门,非门,NMOS异或门,图2-30是NMOS异或门。,当A、B都为高电平或都为

40、低电平时，T1、T2都截止，F1为高电平，F为低电平；,当A、B中有一个为高电平而另一个为低电平时，T1和T2中必有一个管导通，致使F1为低电平，F为高电平。,NMOS三态门,图2-31所示电路为NMOS三态门。,数据输入端,控制端,输出端,当E为高电平时，两个或非门G1、G2输出均为低电平，致使T1、T2管都截止，电路输出F呈现高阻状态；,若E为低电平时，两个或非门G1、G2都起非门作用，若A为低电平时，或非门G1输出为高电平，使T1管导通，同时使G2输出为低电平，使T2管截止，电路输出为低电平，F=A。 电路具有三态输出功能。, CMOS门电路,CMOS: Complementary-Sy

41、mmetry Metal-Oxide Semiconductor CMOS反相器 CMOS与非门 CMOS或非门 CMOS三态门 CMOS传输门,CMOS反相器,CMOS反相器是构成CMOS集成电路的基本单元。 CMOS 电路的结构特点是：一个N沟道管和一个P沟道管配对使用，即N、P互补（Complementary）。 如图2-32为CMOS反相器电路，是由互补的增强型NMOS管T1和PMOS管T2串联组成的。,CMOS反相器,电源电压条件：CMOS反相器要求电源电压大于两个管子开启电压的绝对值之和，即 VDD|VT1|+|VT2|。,CMOS反相器,工作原理：,vI输入低电平时： vI=VI

42、L|VT2|，因此T2充分导通。 反相器输出高电平 VOHVDD。,CMOS反相器,工作原理：,vI=VIHVT1，T1管导通。 VG2较高，使|VGS|VT2|，因此T2管截止。 反相器输出低电平且很低，VOL0V。,特点（1）,CMOS反相器的静态功耗非常小(TTL静态功耗单位mW)。 静态：总是一管导通和一管截止，漏电流很小(nA)，静态功耗非常小(W)。 动态：转换时电流大(若工作频率高，功耗mW左右）,特点（2）,CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小，电路的工作速度大为提高。 原因：由于CMOS反相器的工作管和负载管不同时导通，因此其输出电压不取决于两管的导通电阻之比。

43、这样，通常可使PMOS负载管和NMOS工作管的导通电阻都较小。所以，CMOS反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小，电路的工作速度大为提高。,CMOS与非门,工作原理：,图2-33所示电路为两个输入端的CMOS与非门。,当输入A、B都为高电平时，串联的NMOS管 T1、T2管都导通，并联的PMOS管T3、T4都截止，因此输出为低电平；,工作管,负载管,CMOS与非门,工作原理：,图2-33所示电路为两个输入端的CMOS与非门。,当输入A、B中有一个为低电平时，两个串联的NMOS管中必有一个截止，于是电路输出为高电平。,CMOS或非门,图2-34所示电路为两个输入端的CMOS或非门。,当输入

44、A、B至少有一个高电平时，并联的NMOS管T1和T2中至少有一个导通，串联的PMOS管T3、T4至少有一个截止，因此输出为低电平；,CMOS或非门,图2-34所示电路为两个输入端的CMOS或非门。,当输入A、B都为低电平时，并联NMOS管T1和T2都截止，串联PMOS管T3和T4都导通，于是电路输出为高电平。 电路的输入和输出之间是或非逻辑关系。,CMOS三态门,图2-35所示为三态输出门电路。,输出端,控制端,输入端,当控制端E为高电平时，NMOS管T1和PMOS管T4均截止，电路输出端F呈现高阻态；,CMOS三态门,图2-35所示为三态输出门电路。,当控制端E为低电平时，T1和T4管同时导通，T2和T3管构成的CMOS 反相器正常工作。,CMOS三态门,如图所示为在反相器基础上增加控制管和或非门或与非门构成的三态输出门电路。,CMOS传输门,CMOS传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，其功能是一种传输信号可控开关电路。 CMOS传输门电路如图2-36所示。,它是利用结构上完全对称的NMOS管和PMOS