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第二章 门电路(Logic circuit),2.2 半导体器件的开关特性,2.4 TTL逻辑门电路,2.5 MOS逻辑门电路,2.6* 集成逻辑门电路的应用,2.1 概述,2.3 分立元件门电路,基本要求1、了解分立元件与、或、非、或非、与非门的电路组成、 工作原理、逻辑功能及其描述方法；2、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；3、熟练掌握TTL与非门典型电路的分析方法、电压传输特性、输入特性、输入负载特性、输出特性；了解噪声容限、TTL与非门性能的改进方法；4、掌握OC门、三态门的工作原理和使用方法，正确理解OC门负载电阻的计算及线与、线或的概念；5、掌握CMOS反相器、与非门、或非门、三态门的逻辑功能分析，CMOS反相器的电压及电流传输特性；6、熟练掌握CMOS传输门及双向模拟开关。,2.1 概述一、高电平、低电平,低电平,高电平,3.4V,0.2V,二、逻辑赋值,VH-1VL-0,VH-0VL-1,三、高低电平获取方法,开 关,2.2半导体器件的开关特性,理想开关,开关打开时：漏电流为零,开关闭合时：导通电压为零，导通电阻为零,开关动作在瞬时完成,机械开关电子开关,一、二极管的开关特性,1、二极管导通：Vi=0V时，D正向导通，Vo=0.7V，相当于开关闭合。,2、二极管截止：Vi=5V时，D反向截止，Vo=5V，相当于开关打开。,3、动态开关特性,反向恢复时间tre是影响开关速度的主要因素，其原因在于PN结的电容效应。,tre 10nS,二、三极管的开关特性,1、 三极管截止Vi=0V时,T截止,IB=0，IC0，VCEVcc，Vo=5V,三极管CE间相当于断开的开关。,2、 三极管饱和导通Vi=ViH 时, IB =(Vi-0.7)/Rb,ICSVcc/Rc, IBS= ICS /，当IB IBS 时,三极管饱和导通VCE=VCES=0.2V，Vo=0.2V，三极管CE间相当于闭合的开关。,三、MOS管的开关特性,1、MOS管截止Vi=0V时：VGSVGS(th)，MOS管工作在截止区，ID=0，MOS管DS间相当于断开的开关 Vo=VDD,2、MOS管导通Vi=VDD时：VGSVGS(th)， VGDVGS(th)，MOS管工作于可变电阻区，RON1K，MOS管DS间相当于闭合的开关 Vo0V,MOS管内阻大且存在寄生电容，所以开关延迟作用大，其开关特性比三极管差。,2.3 分立元件门电路一、二极管与门,0.7V,0.7V,0.7V,3.7V,二、二极管或门,0V,2.3V,2.3V,2.3V,三、三极管非门,二极管与门和或门电路的缺点：,（2）负载能力差,（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。,解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。,2.4 TTL集成门电路,集成电路：把二极管、三极管、电阻和连线都制作在一块半导体基片上构成具有一定功能的电路。集成电路可分为线性集成电路、数字集成电路、混合集成电路。数字集成电路可分为SSI、MSI、LSI、VLSI。SSI从功能可分为门电路、触发器门电路从集成工艺可分为双极型、MOS型双极型工艺可分为TTL、HTL、ECL、I2LMOS型工艺可分为NMOS、PMOS、CMOS,1）结构 TTL反相器由三部分构成：输入级、中间级和输出级。,1、TTL反相器的结构和原理,一、TTL逻辑门,A为高电平时(3.4V)，VB12.1V ，T1倒置，VB21.4V，T2和T5饱和，T4和D2截止，Y为低电平。,2）原理A为低电平时(0.2V) ，T1饱和，VB10.9V，VB20.2V，T2和T5截止，T4和D2导通，Y为高电平；,2、TTL反相器的电压传输特性,Vo=f(Vi),分为四个区段：AB段：UI0.6伏，截止区；BC段：0.6伏UI1.3伏，线性区；CD段：UI1.4伏，转折区；DE段：UI1.4伏，饱和区。,输出高电平：VOH=3.4V输出低电平：VOL=0.2V阈值电压：VTH=1.4V,VTH,相关参数： 高电平噪声容限VNH 低电平噪声容限VNL,输入端噪声容限示意图,3、TTL反相器的静态输入和输出特性,1）输入伏安特性,Ii=f（Vi）,输入短路电流:IIL=1mA输入漏电流： IH=40A,2）输出特性,Vo=f（IL）,输出为低电平：带灌电流负载,3）输入负载特性 Vi=f（Ri）,输入端短路接地相当于接低电平输入端电阻小于1K时相当于接低电平输入端电阻大于1K时相当于接高电平输入端悬空时相当于接高电平,4、TTL反相器的动态特性,传输延迟时间Tpd,5、其他逻辑功能的TTL门,TTL门电路包括与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种常见的类型。TTL门电路输入端、端出端的电路结构形式与反相器基本相同反相器的特性同样适用所有的TTL门电路,2.4 TTL集成门电路,一、TTL与非门的基本结构及工作原理1TTL与非门的基本结构,2TTL与非门的逻辑关系,（1）输入全为高电平3.4V时。,实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。,T2、T3导通，VB1=0.73=2.1（V ），由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES30.3V这时T2也饱和导通，故有VC2=VE2+ VCE2=1V。使T4和二极管D都截止。,该发射结导通，VB1=0.9V。所以T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的电流较小，可以忽略，所以VB4VCC=5V ，使T4和D导通，则有： VO=VCC-VBE4-VD-VRc4=5-0.7-0.7-VRc4 3.4（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。,（2）输入有低电平0.2V 时。,综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：,二、TTL与非门的开关速度,1TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。,（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。,2TTL与非门传输延迟时间tpd,导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值。即,一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。,三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力,1、电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）,（1）输出高电平电压VOH在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.4V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。,2、几个重要参数,（2）输出低电平电压VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。,（3）关门电平电压VOFF是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。,开门电平电压VON是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。,（5）阈值电压Vth电压传输特性的过渡区所对应的输 入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。 近似地：VthVOFFVON 即ViVth，与非门关门，输出高电平； ViVth，与非门开门，输出低电平。 Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V1.V。,低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL（max）0.8V-0.4V0.4V高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VON2.4V-2.0V0.4V,TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。,3、抗干扰能力,四、TTL与非门的带负载能力,1输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH（1）输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。,可以算出：,产品规定IIL1.6mA。,（2）输入高电平电流IIH是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。,寄生三极管效应：如图（a）所示。这时IIH=PIB1，P为寄生三极管的电流放大系数。,倒置的放大状态：如图（b）所示。这时IIH=iIB1，i为倒置放大的电流放大系数。,由于p和i的值都远小于1，所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH40uA。,（1）灌电流负载,2、带负载能力,当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。,NOL称为输出低电平时的扇出系数。,当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，产品规定IOL=16mA。由此可得出:,（2）拉电流负载,NOH称为输出高电平时的扇出系数。,产品规定IOH=0.4mA。由此可得出：,当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。,一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。,拉电流增大时，RC4上的压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。,五、TTL与非门举例7400,7400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。,六、TTL门电路的其他类型,1、非门,2、或非门,3、与或非门,在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。 为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。,4、集电极开路门（ OC门）,OC门主要有以下几方面的应用：,（2）实现电平转换如图示，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。,（1）实现线与逻辑功能,（1）当输出高电平时， RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由,OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：,得：,得：,（2）当输出低电平时，RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由,所以： RP（min）RPRP（max）,（1）三态输出门的结构及工作原理,5、三态输出门,当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。,当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。,使能端低电平有效,使能端高电平有效,三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。,（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。,（2）三态门的应用,（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.,574LS系列为低功耗肖特基系列。674AS系列为先进肖特基系列，它是74S系列的后继产品。774ALS系列为先进低功耗肖特基系列，是74LS系列的后继产品。,*七、TTL集成逻辑门电路系列简介174系列为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。274L系列为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。374H系列为高速TTL系列。474S系列为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。,所以输出为低电平。,一、 NMOS门电路1NMOS非门,2.5 CMOS集成门电路,逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2 ）（1）当输入Vi为高电平8V时，T1导通，T2也导通。因为gm1gm2，所以两管的导通电阻RDS1RDS2，输出电压为：,（2）当输入Vi为低电平0V时，T1截止，T2导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8V，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。,2NMOS门电路（1）与非门,（2）或非门,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,FET 符号、特性的比较,1、逻辑关系：（设VDD（VthN+|VthP|），且VthN=|VthP|）（1）当Vi=0V时，T2截止，T1导通。输出VOVDD。（2）当Vi=VDD时，T2导通，T1截止，输出VO0V。,二、CMOS非门,CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET(T2)和P沟道MOSFET(T1)互补而成。,（1）当Vi2V，TN截止，TP导通，输出VoVDD=10V。（2）当2VVi5V，TN工作在饱和区，TP工作在可 变电阻区。 （3）当Vi=5V，两管都工作在饱和区， Vo=（VDD/2）=5V。（4）当5VVi8V， TP工作在饱和区， TN工作在可变电阻区。（5）当Vi8V，TP截止， TN导通，输出Vo=0V。 可见： CMOS门电路的阈值电压 Vth=VDD/2,2、电压传输特性：（设: VDD=10V， VthN=|VthP|=2V）,3、工作速度,由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。,（2）或非门,三、其他的CMOS门电路,1CMOS与非门和或非门电路（1）与非门,（3）带缓冲级的门电路 为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。,当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。,3 、CMOS三态门,工作原理：当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出,4、CMOS传输门工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|）（1）当C接高电平VDD，C 接低电平0V时，若Vi在0VVDD的范围变化，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2）当C接低电平0V，C 接高电平VDD，Vi在0VVDD的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。,CMOS双向模拟开关CC4016,1、CMOS逻辑门电路的系列（1）基本的CMOS4000系列。（2）高速的CMOSHC系列。（3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。,四、 CMOS逻辑门电路的系列及主要参数,2、CMOS逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（min）=0.9VDD； VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2）阈值电压Vth约为VDD/2。（3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；（5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。,一、TTL与CMOS器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件： 驱动门的VOH（min）负载门的VIH（min）驱动门的VOL（max）负载门的VIL（max）驱动门的IOH（max）负载门的IIH（总） 驱动门的IOL（max）负载门的IIL（总）,2.6 集成逻辑门电路的应用（补充）,（b）用TTL门电路驱动5V低电流继电器，其中二极管D作保护，用以防止过电压。,二、TTL和CMOS电路带负载时的接口问题,1、对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。（a）用TTL门电路驱动发光二极管LED，这时只要在电路中串接一个约几百W的限流电阻即可。,2、带大电流负载,（a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。,（b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。,（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。,三、多余输入端的处理,（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13kW）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。,本章小结 1最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。 2目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型三极管组成，简称TTL集成电路；另一类由MOSFET构成，简称MOS集成电路。 3TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在TTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。,4MOS集成电路常用的是两种结构。一种是NMOS门电路，另一类是CMOS门电路。与TTL门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与TTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。5为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉TTL和CMOS各个系列产品的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。,习题：,