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1、第三章 门电路,概述 分立元件门电路 TTL门电路 MOS门电路 TTL门电路与CMOS门电路 小结,3.1 概述,门电路实现基本逻辑关系的电子电路 主要构成 逻辑门电路的性能和特点逻辑特性、电气特性 本章讨论：内部结构、工作原理、外部特性,3.2 分立元件门电路,分立元件的开关特性： * 理想开关特性: 开关K断开时，开关两端的电压为外部电压，通过开关的电流为0，开关等效电阻为。开关闭合时，开关两端电压为0，开关等效电阻为0 * 二极管开关特性 * 三极管开关特性 * MOS管开关特性 * 正负逻辑及其它 分立元件门电路 * 二极管与门 * 二极管或门 * 三极管反相器 * DTL门电路,3

2、.2.1 二极管开关特性,二极管 *二极管符号,图a (加正向电压）,图b (加反向电压）,结论二极管具有单向导电性(正向导通,反向截止),* 二极管加正向电压和伏安特性曲线及等效电路 如图a所示：若VCCV0,二极管导通,二极管导通电压VD=0.7V 硅管 （VD=0.2V 锗管）,* 二极管加反向电压 如图b所示：若VCC0V 二极管截止 i=0,二极管开关特性等效电路,二极管伏安特性曲线与等效电路 三种等效电路： (a)-二极管正向导通压降和正向电阻不能忽略 (b)-二极管正向导通压降不能忽略和正向电阻忽略 (c)-二极管正向导通压降和正向电阻都忽略,3.5.1 三极管开关特性,三极管电

3、路结构与符号（NPN型 和 PNP型）,三极管的工作状态 三极管的三个工作状态：截止状态、放大状态和饱和状态 分析,结论: 在数字电路中三极管作为开关元件主要工作在 饱和状态（“开”态）和截止状态（“关”态）,当Vi= ViL（ V BE）时，T截止 VO = VCC 当Vi= ViH时（且iB iBS），T饱和导通 VO = VCES0.2V,集电极c,发射极e,基极b,一、双极型三极管的结构 管芯 + 三个引出电极 + 外壳,基区薄 低掺杂,发射区高掺杂,集电区低掺杂,* 三极管电路结构,*双极型三极管的结构,管芯 + 三个引出电极 + 外壳,*双极型三极管工作状态分析 1. 三极管基本开

4、关电路,只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL,三极管工作状态分析,2. 三极管的工作状态-截止状态,*截止状态： 当输入电压Vi较小时， VBE 0.7 V，T截止 iB 、iE、iC0，VRC =0 ; 输出电压VCE VCC,等效电路,三极管工作状态分析,2. 三极管的工作状态-放大状态,* 放大状态： 当输入电压Vi 上升（0.7V），T导通， 有: iC= iB 、 iE = iC + iB ， 在放大状态下（ iB iBS），输出电压VCE = VCC - iC RC,等效电路,三极管工作状态分析,2.三极管的工作状态-饱和状态,

5、*饱和状态： 随着输入电压Vi继续上升， iB 、iE 、iC 增加， V CE = V CC i C RC 减小，三极管集电极正偏。 i B i BS，输出电压V CE = V CES （ 0.3V 硅管）,等效电路,3.、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,3.3.1 MOS管开关特性,MOS管结构图及逻辑符号,NMOS管工作原理分析 MOS管工作在截止与导通状态,结论: VGS V (thN) 时，NMOS管截止，ROFF 很大 VGS V (thN) 时，NMOS管导通，RON 较小 （ V (thN) NMOS开启电压或阈值电压） MOS管的四种类型,* MOS管结构图,*

6、 MOS管的结构 (金属-氧化物-半导体场效应管),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,PN结,NMOS管,PMOS管,NMOS管工作原理,NMOS管的工作原理,*NMOS管的基本开关电路,分析 1.在栅_源极间加正向电压VGS ,衬底感应出电子,当VGS较小时,感应的电子被衬底空穴中和, iDS =0( iDS :漏_源极电流)。 称高阻区(截止区),NMOS管的基本开关电路,NMOS管的基本开关电路,OFF ，截止状态 ON，导通状态,* MOS管的四种类型,增强型 耗尽型,大量正离子,

7、导电沟道,正负逻辑及其它,数字电路中的高电平与低电平 数字电路中的正负逻辑问题,*正负逻辑的定义： 设定： 低电平(VL)为0，高电平(VH)为1 正逻辑 低电平(VL)为1，高电平(VH) 为0 负逻辑 *正负逻辑的描述:,电路中能区分高、低电平既可使门电路导通或截止。 一般地，其取值有允许的范围由电路特性决定。,正负逻辑及其它,*正负逻辑的描述: 正与逻辑 *真值表： *真值表: *表达式： *表达式： *逻辑图 *逻辑图,负或逻辑,负逻辑,3.2.2 二极管与门,二极管与门能实现与逻辑功能的电路称为与门 二极管与门电路 分析 逻辑真值表、逻辑符号与表达式,二极管与门_原理分析,二极管与门

8、电路 分析：设输入高电平为3V，输入低电平为0V。VCC=5V,*当VA、VB =0V ,二极管DA、DB均导通，VY =VA +VDA =0+0.7=0.7V,*当VA =3V、VB =0V ,二极管DB导通，VY =VB +VDB =0+0.7=0.7V 结论：实现与关系,*当VA =0V、VB =3V ,二极管DA导通，VY =VA +VDA =0+0.7=0.7V,*当VA、VB =3V ,二极管DA、DB均导通，VY =VA +VDA =3+0.7=3.7V,3.2.3 二极管或门,二极管或门能实现或逻辑功能的电路称为或门 二极管或门电路 分析 逻辑真值表、逻辑符号与表达式,二极管或

9、门_原理分析,二极管或门电路 分析：设输入高电平为3V，输入低电平为0V,*当VA、VB =0V ,二极管DA、DB均截止，VY =0V,*当VA =3V、VB =0V ,二极管DA导通，VY =VA -VDA =3-0.7=2.3V 结论：实现或关系,*当VA =0V、VB =3V ,二极管DB导通，VY =VB -VDB =3-0.7=2.3V,*当VA、VB =3V ,二极管DA、DB均导通，VY =VA -VDA =3-0.7=2.3V,三极管反相器,三极管反相器能实现非逻辑功能的电路称为非门， 亦称反相器 非门电路 分析 三极管反相器之2 逻辑真值表、逻辑表达式和逻辑符号,三极管反相

10、器_原理分析,非门电路 分析,* 输入电压为低电平Vi=ViL=0.3V,* 输入电压为高电平Vi=ViH=3.2V,教材P114 图3.5.7,三极管反相器_之2,三极管反相器之2 非门电路如图： 分析: 输出端加入: VQ、D 功能：使输出高电平钳位在：VY= VD + VQ,DTL门电路,DTL与非门 电路图： 二极管与门+三极管反相器 实现逻辑功能： 实现与非功能,DTL或非门 电路图： 二极管或门+三极管反相器 实现逻辑功能： 实现或非功能,3.5 TTL门电路,TTL反相器及电气特性 其他的TTL门电路 特殊的TTL门电路 TTL门电路的改进 其他双极型门电路,3.5.2 TTL反

11、相器,TTL反相器 TTL反相器的电气特性 *传输特性 *输入特性 *输入负载特性 *输出特性 TTL反相器的动态特性 例题(A) 例题(B),TTL反相器_电路结构,TTL反相器的结构 TTL反相器的工作原理 结论：实现非功能,T4、D2、T5、R4为输出级,T2、R2、R3为中间级 （倒相级）,T1、R1构成输入级,TTL反相器的工作原理,TTL反相器的工作原理,当输入为高电平Vi= ViH时，T1倒置、T2导通、T5为深度饱和状态，,当输入为低电平Vi= ViL，T1导通、T2截止、T5截止，输出通路由T4、D2构成,ViL,ViH,viL,ViH,VO=3.6V,VO=0.2V,TTL

12、反相器的传输特性,电压传输特性 阈值电压：VTH= 1.4V,典型参数：* 输入低电平的最大值ViL(max) 0.8V - (又称关门电压VOFF :确保输出为高电平的输入信号) * 输入高电平的最小值ViH(min) 2.0V - (又称开门电压VON :确保输出为低电平的输入信号),阈值电压: V TH 1.4 V,T2、T5截止，T4、D2导通,T2放大导通、T5截止T4、D2导通,T2、T5导通，T4、D2截止,T2、T5饱和导通，T4、D2截止,TTL反相器的静态输入特性,静态输入特性,TTL反相器的输入负载特性,输入负载特性,输入负载R 当Ri ROFF关门电阻 相当于Vi =

13、ViL 当Ri RON 开门电阻 相当于Vi = ViH,（一般有 ROFF = 0.8K ，RON = 2K ）,RON,TTL反相器的输出特性,输出为低电平VOL：,输出为高电平VOH：,有电流IL从T5流入门， 称: 灌电流负载,有电流IL从T3、T4流出门， 称: 拉电流负载,IOL 灌电流负载能力,IOH 拉电流负载能力,当IL IOL 可保证 VO = VOL 当IL IOL VO 上升,当IL IOH 可保证 VO = VOH 当IL IOH VO 下降,TTL反相器的动态特性,反相器平均传输延迟时间tPd,三极管动态开关特性,输出低电平转换为高电平的传输延迟时间tPLH,TTL

14、反相器的动态特性,反相器平均传输延迟时间tPd,输出高电平转换为低电平的传输延迟时间tPHL,TTL反相器_举例(A),例1: CMOS电路如图所示, V DD分别为5V、10V, V 为3.5V,求 VO1? VO2? VO3? 例2: 已知TTL电路如图所示,其参数: VTH=1.4V, ROFF=0.8K, RON=3K, 求 VO1? VO2? VO3?,TTL反相器_举例,例3: 计算G可带多少个相同的门电路。已知门电路参数：IOH/IOL=-1.0mA /20mA，IIH/IIL=50uA /-1.43mA。求G的扇出系数N。,解: (1) 当G1输出高电平V0=VOH,(3) N

15、= NH、NL（min),(2) 当G1输出低电平V0=VOL,其它,VO=VOH,VO=VOL,Vi=ViH,Vi=ViL,=IOH,=IOL,驱动门,负载门,TTL反相器_举例2,例4:如图中所示电路,要保证Y=(A+B ) ，若在VO与VCC之间接R1 ，R1取何值? 若在V0与地之间接R2 ，R2 取何值？ 例5: TTL门电路如图所示。已知其参数：VOH/VOL=3.6V/0.3V, IOH/IOL=-0.1mA/20mA，R C=1K,VC =10V，=40。 要实现P =(AB ) 、Y=P =(AB ) 。试确定RB的取值范围。,3.5.5 其他类型的TTL门电路,TTL门电路

16、 集成TTL门电路有：与门、或门、非门、与非门、或非门、 与或非门、异或门、同或门 TTL与非门 TTL或非门 TTL与或非门 TTL异或门 逻辑符号、逻辑功能、电气特性 逻辑符号、逻辑功能与前介绍同 电气特性参考TTL反相器 常用的TTL集成门电路器件 （详见教材叙述及相关手册查询）,3.5.5 其他类型的TTL门电路,TTL与非门,TTL与非门的结构,TTL与非门的改进与特点： T1 多发射极三极管，构成与输入 T3、T4 达林顿结构减低输出阻值 T3、T4、T5 推拉式输出提高输出驱动能力,实现与非逻辑功能,TTL或非门,TTL或非门的结构,分析: T1、R1 ；T1 、R1 为相同结构

17、 T2、T2并接发射极T5，集电极接R2 构成中间级 T2、T2 任一导通，T5导通,结论：实现或非功能,TTL与或非门,TTL与或非门的结构,T1实现与关系（AB） T1实现与关系（CD）,T2、T2 构成或非关系与或非关系,结论：实现与或非功能,TTL异或门,TTL异或门的电路结构 （P130 图3.5.31） 特点： T1构成： T2、T3、T4、T5构成： T6、T7为： 逻辑表达式： 结论：实现异或功能,Y1,Y2,3.5.5 特殊的TTL门电路,集电极开路门电路（OC门） 三态门（TS门）,3.5.5 特殊的TTL门电路,集电极开路门电路OC门,电路结构和逻辑符号,正确使用：需外接

18、电阻及外接电源 实现逻辑功能：“线与”,外接负载电阻RL的计算,集电极开路门电路OC门(计算RL),外接负载电阻RL的计算,(计算RL (max),(计算RL (min),集电极开路门电路OC门(计算RL(max),外接负载电阻RL的计算,集电极开路门电路OC门(计算RL(min),外接负载电阻RL的计算,三态门,电路 典型应用,逻辑符号,逻辑功能,三态门典型应用,实现总线传输,实现双向传输,*在任何时候，n个三态门仅允 许其中一个门控制端有效，其 他门处于高阻态，被选择有效 的门将数据送上总线。,*当EN=1时，数据送入总线 当EN=0时，数据由总线送出,3.5.6 TTL集成电路及改进,高

19、速系列 电路特点：输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）、减少 各电阻值 优点： 提高开关速度 有源泄放电路 电路特点：增加T6通路，为T5基极回路提供低阻泄放回路 优点：提高开关速度、提高抗干扰能力 抗饱和电路 电路特点：改用抗饱和三极管、带肖特基二极管钳位的 三极管 优点： 提高开关速度,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 电路的改进 (1) 输出级采用复合管（减小输出电阻Ro） (2) 减少各电阻值 2. 性能特点,3.5.6 TTL电路的改进系列,二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,1. 电路改进 采用抗饱和三极管 用有源泄放电路代替74H

20、系列中的R3 减小电阻值,三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL）,2. 性能特点 速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大,3.6 其他双极型门电路,DTL： 输入为二极管门电路，速度低，已经不用 HTL： 电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代 射极耦合逻辑电路（ECL） 主要特点：电路速度快、负载能力强 缺点：功耗大、噪声容限低 集成注入逻辑电路（I2L） 主要特点：电路简单，功耗低， 便于大规模集成能在低电压、微电流下工作，

21、 缺点： 各晶体管输入特性不一致， 基极电路分配出现不均匀现象, 噪声容限较低,3.4 MOS门电路,电阻负载NMOS反相器 CMOS反相器及电气特性 其它的CMOS门电路 特殊的CMOS门电路 正确使用CMOS门电路 其它的有源负载MOS门电路,电阻负载NMOS反相器,电路 NMOS管驱动管 R L 负载 分析,* 为使其输出低电平等于0V，负载电阻RD的阻值必须很大，使集成度下降，并影响C的充放电速度。改进采取有源负载 * 负载能力强，功耗低，但工作速度较慢,* 当输入为高电平，Vi=10V VGSVTN，T管导通，输出 Vo电平为：,* 当输入为低电平，Vi=0V VGSVTN，T管工作

22、在截止区，输出Vo=VDD=10V,设: VDD=10V，NMOS管的开启电压 VTN = 4V，导通时漏电阻rDS=1K,特点,MOS反相器的主要类型,电阻负载反相器 负载电阻 驱动MOS管 同型反相器 负载、驱动同型MOS管 E/E MOS （增强型增强型） E/D MOS （增强型耗尽型） （NNMOS、PPMOS反相器） 互补对称型反相器 负载PMOS管 驱动NMOS管 （CMOS反相器）,3.3.2 CMOS反相器,CMOS反相器及工作原理 电气特性 * 电压传输特性 * 电流传输特性 * 输入保护电路与输入特性 * 输出特性 例题(A) 例题(B),3.3.2 CMOS反相器,CM

23、OS反相器及工作原理,电路 组成： NMOS管T1（驱动管） PMOS管T2（负载管） 分析： 设 NMOS管的开启电压为VTN（0）;PMOS管的开启电压为VTP （0） 且 VDD VTN +|VTP| *当输入为低电平， VI=0V， *当输入为高电平， VI= VDD =10V， 特点,VGS2 =0V VTN，NMOS管截止，VGS1 =0-10V VTP，PMOS管 导通，输出VOVDD=10V 输出高电平,VGS2 =10V VTN，NMOS管导通， VGS1 =0V VTP，PMOS管截止，输出VO=0V 输出低电平,CMOS反相器_特点,分析： *当Vi =ViL，NMOS管

24、截止，PMOS管导通，输出VOVDD =VOH *当Vi =ViH，NMOS管导通，PMOS管截止，输出VO=0V =VOL 特点,* 电路由NMOS和PMOS构成互补MOS反相器 * NMOS管和PMOS管总有一个处于截止状态 （VI =VIL NMOS管截止，VI =VIH PMOS管截止） 因此静态功耗小 * PMOS管视为可变电阻，导通时R很小，截止时R很大 有源负载,CMOS反相器的电压传输特性,电压传输特性,阈值电压： V TH= 1/2 V DD （当TN、TP参数完全对称时）,CMOS反相器的电流传输特性,电流传输特性 输入电平ViVGSN (A段）；T2 (N)管截止 iD

25、= 0 输入电平Vi VGSP (D段）；T1 (P)管截止 iD = 0 在1/2VDD 附近,T1,T2管均导通, iD 最大 * 静态功耗小,CMOS反相器的输入特性,输入保护电路 电路图: 当Vi VDD D1导通 输入电压被钳位在VDD+VD 当Vi 0 D2导通 输入电压被钳位在 -VD,输入特性,在 -VD Vi VDD+ VD 有： ii = 0,D2导通(下限),D1导通(上限),CMOS反相器的输出特性,低电平输出特性(VOL):,高电平输出特性(VOH),*VDD越大, 灌(拉)电流负载能力越强*,有电流IL 注入T2(N)管， 称: 灌电流负载,有电流IL 由输出端T1

26、(P)管流出， 称: 拉电流负载,IOL 灌电流负载能力,IOH 拉电流负载能力,当IL IOL 可保证 VO = VOL 当IL IOL VO 上升,当IL IOH 可保证VO = VOH 当IL IOH VO 下降,3.3.5 其它的CMOS门电路,CMOS或非门,*输出电阻与输出缓冲器,NMOS管并接，PMOS管串接 当任一NMOS管导通（A=1或B=1）输出Y=0 实现逻辑功能,电路特点,CMOS与非门,NMOS管串接，PMOS管并接 当两个NMOS管均导通（A=1或B=1）输出Y=0 实现逻辑功能,电路特点,CMOS输出电阻与输出缓冲器,CMOS与非门输出电阻分析：,带输出缓冲器的C

27、MOS与非门,* 输出电阻由输入状态的不同而不一致,=RON1 / RON3 =1/2RON,=RON1,=RON3,=RON2+RON4 =2RON,1,1,1,0,CMOS输出缓冲器,带输出缓冲器的CMOS与非门 电路特点：,* 输入/输出级均为CMOS反相器，使输入/输出电阻一致 * 实现逻辑功能需进行逻辑变换,3.3.5 特殊的CMOS门电路,CMOS传输门及模拟开关 CMOS三态门（TS门） CMOS漏极开路门（OD门）,3.3.5 CMOS传输门及模拟开关,分析 特点,电路结构与逻辑符号,组成： NMOS、PMOS并联 源极相接输入端VI， 漏极相接输出端VO 控制信号C,C为一对

28、 互为反相信号,*当C=0，在0VIVDD范围内，TN、TP截止（VGSN0V、VGSP 0V） 称：传输门截止，VO为高阻态,*当C=1，在0ViVDD范围内，总有TN或TP导通 称：传输门导通， VO=Vi,符号,逻辑符号,CMOS传输门及模拟开关_特点,分析 * Y=A（VO=Vi） 当C=1 称：传输门导通 * Y呈高阻态 当C=0 称：传输门截止 特点,3.3.5 CMOS三态门,电路结构与逻辑符号 组成： CMOS反相器 反相器源极接NMOST2 反相器漏极接PMOST1 分析 特点： 三态门的逻辑描述 （逻辑符号与TTL三态门相同）,低电平有效的三态门,三态门的逻辑描述,逻辑符号

29、 逻辑功能 典型应用,3.3.5 CMOS漏极开路门电路（OD门）,电路结构和逻辑符号,逻辑符号,“线与”,正确使用：需外接电阻及外接电源 实现逻辑功能：“线与”,3.3.6 正确使用CMOS门电路,输入电路的静电防护 * 在储存和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料（用铝箔或铝盒） * 组装、调试时，电烙铁和其他工具、仪表等可靠接地 * 不用的输入端不能悬空，应进行恰当处理（接高电平或低电平，或与其他脚连接） 输入电路的过流保护 * 输入端接低内阻信号源时，应在信号源与输入端之间串接限流电阻 * 不要频繁的从整机机架上拔下插上MOS器

30、件,*3.4 其它类型的MOS集成电路,NMOS电路 * NMOS与非门、或非门和与或非门 PMOS电路 * PMOS与非门、或非门和与或非门 改进的CMOS门电路 (详见其他参考书),*3.8 TTL门电路与CMOS门电路,性能比较 主要电气参数的比较 接口电路 *TTL驱动CMOS *CMOS驱动TTL,集成门电路的性能比较,TTL、CMOS主要电气参数比较,其它参见：P106 表3.3.2 CMOS系列门电路性能 P138 表3.5.1 TTL系列门电路性能,TTL驱动CMOS,1.TTL 与CMOS 的比较,(不满足VOH VIH 的驱动条件) 2.驱动方法: *接入上拉电阻,提高TT

31、L电路输出的高电平 *用带电平偏移的门电路实现电平变换 *改造CMOS电路的输入高电平下限(如:74HCT系列高速CMOS_ VIH=2V),使TTL可直接驱动CMOS,CMOS 驱动TTL,1.CMOS 与 TTL的比较,CMOS输出高低电平均能满足TTL输入高低电平的需要。 (对4000系列: IOL(=0.51mA) IIL 不满足灌电流驱动能力的要求) 2.驱动方法： 同逻辑门电路输出端并接使用 加大输出驱动电流。 选用OD门。 合理选用T放大器，加大其输出的电流驱动能力。,小结,学习和掌握集成逻辑门的分类 学习和理解逻辑门电路的电气特性，理解电气参数意义 学习和理解特殊门电路类型、功

32、能及描述 了解各种TTL和CMOS门电路的基本构成和原理、电路特点、逻辑符号。 （重点了解：二极管与门、或门；三极管反相器；CMOS反相器；CMOS与非门、或非门；TTL反相器； TTL与非门、或非门等基本结构） 分析电路输入输出，计算,学习要点,小结,集成逻辑门的分类 两大类：TTL、CMOS （各种功能的门电路：与、或、非、与非、或非等） 特殊的门电路、功能及描述（逻辑符号、逻辑功能、表达式等） 三态门、OC门/OD门、传输门 电气特性（输入/输出、电压/电流）及主要参数 电压传输特性、输入特性、输入负载特性、输出特性 （TTL 与 CMOS 的同异） TTL门电路和CMOS门电路 逻辑功能与逻辑符号：相同 特点：TTL门电路 工作速度快、驱动能力强 CMOS门电路 功耗小、抗干扰能力强 计算及分析： 输入（高、低电平，R)输出；N 0、R L、驱动匹配等,练习,分析如下TTL（74系列）电路，指出其输出状态,练习,分析如下CMOS（74HC系列）电路，指出其输出状态,