数字电子技术基础简明教程课件第2章门电路.ppt

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1、（2-1）,肖合九 教授,数字电子技术基础简明教程,（2-2）,第2章 门电路,（2-3）,第2章 门电路,概述2.1 半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性2.2 分立元器件门电路2.3 CMOS集成门电路2.4 TTL集成门电路,（2-4）,1、什么是门电路：实现基本和常用逻辑运算的电子电路，称为逻辑门电路。它是数字电路中最基本的单元。2、门电路的主要类型：门电路的主要类型有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。,概述,一、门电路的概念,二、逻辑变量与两状态开关,在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是0就是1，是一种二值量。在数字电路中，与之对应的是电子开关的两种状态。半导体二

2、极管、三极管和MOS管是构成这种电子开关的基本开关元件。,（2-5）,1、高电平和低电平：高电平和低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。右图2.45V范围内的电压，都称为高电平，用UH表示。00.8V范围内的电压，都称为低电平，用UL表示。2、正逻辑和负逻辑：用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑赋值，简称正逻辑。用1表示低电平，用0表示高电平，称为负逻辑赋值，简称负逻辑。,三、高、低电平与正、负逻辑,（2-6）,四、分立元件门电路和集成门电路,1、用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称为分立元件门电路。2、把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封

3、装起来，便构成了集成门电路。,2、数字集成电路按照集成度分类小规模集成电路(SSI)：100个元器件/片中规模集成电路(MSI)：100999个元器件/片大规模集成电路(LSI)：100099999个元器件/片超大规模集成电路(VLSI)：100000个元器件/片,五、数字集成电路的集成度,1、集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门的个数或元器件的个数，定义为集成度。,（2-7）,2.1 半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性,2.1.1 理想开关的开关特性,一、静态特性 1、断开时，其等效电阻ROFF，通过其中的电流IOFF0。2、闭合时，其等效电阻RON0，其两端电压UAK0。,二、动

4、态特性 1、开通时间ton0，即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。2、关断时间toff0，即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。,（2-8）,半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。,2.1.2 半导体二极管的开关特性,相当于开关断开,相当于开关闭合,3V,0V,3V,0V,（2-9）,一、静态特性 1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性 半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。,（2-10）,2、半导体二极管的开关作用 开关应用举例 下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为uI,其低电平UIL2V,高电平为UIH3V。uI U

5、IL时，半导体二极管反偏，D处于反向截止区，如同一个断开了的开关，直流等效电路如图(b)。uI UIH时，半导体二极管正偏，D工作在正向导通区，如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图(c)。,（2-11）,、静态开关特性 硅半导体二极管具有下列静态开关特性：导通条件及导通时的特点：当外加正向电压UD0.7V时，二极管导通，硅半导体二极管如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关。截止条件及截止时的特点：当外加正向电压UD0.5V时，二极管截止，硅半导体二极管如同一个断开了的开关。,（2-12）,二、动态特性 1、二极管的电容效应 二极管存在结电容Cj和扩散电容CD，Cj和CD的存

6、在极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，伴随着Cj、CD的充、放电过程，都要经过一段延迟时间才能完成。,2、二极管的开关时间 下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的uI和iD的波形。,（2-13）,开通时间 当输入电压uI由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过延迟时间td、上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为：ton=tdtr,关断时间 当输入电压uI由UIH 跳变到UIL时，二极管D要经过存储时间ts、下降时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为：toff=tstf,（2-14）,2.1.3 半

7、导体三极管的开关特性,3V,0V,uO 0,相当于开关断开,相当于开关闭合,uO UCC,3V,0V,（2-15）,一、静态特性 1、结构示意图、符号和输入、输出特性 半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。,（2-16）,半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。,输入特性指的是基极电流iB和基极-发射极间电压uBE之间的关系曲线。输出特性指的是基极电流iC和集电极-发射极间电压uCE之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。,（2-17）,2、半导体三极管的静态开关特性 饱和导通条件及饱和时的特点 饱和导通条件：三极

8、管基极电流iB大于其临界饱和时的数值IBS时，饱和导通。饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后 uBE0.7V，uCEUCES0.3V如同闭合的开关。,（2-18）,截止条件及截止时的特点 截止条件：uBEUo0.5V 式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。截止时的特点：iB0，iC0如同断开的开关。,（2-19）,二、动态特性 半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。,右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时，相应iC和uO的波形。,（2-20）,开通时间 当输入电压uI由UIL2V跳变到UIH3V时，三极管需要经过延

9、迟时间td和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=tdtr,关断时间 当输入电压uI由UIH3V 跳变到UIL2V时，三极管需要经过存储时间ts、下降时间tf之后，才能由饱和导通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为 toff=tstf,半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。由于toffton，所以减少饱和时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其消散过程，即缩短存储时间 tS，是提高半导体三极管开关速度的关键。,（2-21）,MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压uGS控制

10、的开关元件。,一、静态特性 1、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性 N沟道增强型MOS管的结构示意图、符号如下图所示。,2.1.4 MOS管的开关特性,（2-22）,N沟道增强MOS管的漏极特性和转移特性如下图所示。,反映漏极电流iD和漏极-源极电压uDS之间的关系曲线族称为漏极特性。反映漏极电流iD和栅极-源极电压uGS之间的关系曲线称为转移特性。,（2-23）,2、MOS管的静态开关特性,截止条件和截止时的特点 截止条件：当MOS管栅源电压uGS小于其开启电压UTN时，将处于截止状态。截止时的特点：iD0，MOS管如同一个断开了的开关。,（2-24）,导通条件和导通时的特点 导通条件：当

11、uGS大于UTN时，MOS管将处于导通状态。导通时的特点：MOS管导通之后，如同一个具有一定导通电阻RON闭合了的开关。,（2-25）,二、动态特性 1、MOS管极间电容 MOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。在数字电路中，MOS管的动态特性，即开关速度是受这些电容充、放电过程制约的。,2、开关时间 右图所示MOS管开关电路中，当uI为矩形波时，相应iD和uO的波形。,（2-26）,开通时间 当输入电压uI由UIL0V跳变到UIHVDD时，MOS管需要经过导通延迟时间td1和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为

12、ton=td1tr,关断时间 当输入电压uI由UIHVDD跳变到UIL0V时，MOS管需要经过关断延迟td2、下降时间tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。关断时间为 toff=td2tf,MOS管电容上电压不能突变是造成iD(uO)滞后uI变化的主要原因。而且，由于MOS管的导通电阻比三极管的饱和导通电阻要大得多，RD也比RC大，所以它的开通和关断时间也比三极管长，即其动态特性较差。,（2-27）,2.2 分立元器件门电路,2.2.1 二极管与门和或门,一、二极管与门,1、电路与符号,2、工作原理 电压关系表 uA=uB=0时，D1、D2均导通 uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7

13、V=0.7V uA=0、uB=3V时，由于uA、uB电平不同，当D1导通后，使 uY=uA+uD1=0+0.7V=0.7V导致 uD2=uYuB=0.732.3V，故D2截止。D1导通后，uY被钳位在0.7V。uA=3V、uB=0V时，与类似，D2导通，D1截止，D2导通后，uY被钳位在0.7V。uA=3V、uB=3V时，D1、D2都导通。uY被钳位在3.7V。,（2-28）,整理上述估算结果，可得左下表所示电压关系表。,设定变量、状态赋值、列真值表 设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可

14、列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了与的逻辑功能Y=AB，所以是一个二极管与门。,（2-29）,二、二极管或门,1、电路与符号,2、工作原理 电压关系表 uA=uB=0时，D1、D2均导通 uY=00.7V=0.7V。uA=0V、uB=3V时，D2导通，D1截止，uY=30.7V=2.3V。uA=3V、uB=0V时，D1导通，D2截止，uY=30.7V=2.3V。uA=3V、uB=3V时，D1、D2均导通。uY=30.7V=2.3V。整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。,（2-30）,设定变量、状态赋值、列真值表 设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、u

15、Y。状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能Y=A+B，所以是一个二极管或门。,（2-31）,对于图（a）所示电路的电压关系表（如下），在状态赋值时若采用正逻辑，即用1表示高电平、用0表示低电平，就得到前面所讲的正与门逻辑真值表。,若在状态赋值时若采用负逻辑，即用0表示高电平、用1表示低电平，就得到下面的负或门逻辑真值表。,所以说图（a）二极管电路，既是正与门又是负或门。,（2-32）,2.2.2 三极管非门（反相器）,一、半导体三极管非门,1、电路与符号,2、工作原

16、理 uI=uIL=0V时，三极管T截止，iB=0、iC=0，uO=UOHVCC=5V。uI=uIH=5V时，,由于iBIBS，T饱和导通，有uO=UOL UCES 0.3V。整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。,（2-33）,图2.2.3（a）,若用A、Y分别表示uI、uO，用0表示低电平，用1表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所示的真值表。由右下表可知，图（a）所示电路实现了非逻辑功能，是一个三极管组成的非门。,半导体三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发射极高0.3V的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，那么它

17、的发射极电位就被固定在比集电极低0.3V的电位上。,（2-34）,二、MOS三极管非门,1、电路与符号,2、工作原理 uI=uIL=0V时，uGS=uIL=0V，小于开启电压UTN2V，所以MOS管是截止的，故 uO=UOHVDD=10V uI=uIH=10V时，uGS=uIH=10 V，大于开启电压UTN2V，MOS管导通且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧，故,整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。,（2-35）,若用A、Y分别表示uI、uY且采用正逻辑后得到的逻辑真值表如右下表。,由右上表可知，图（a）所示电路确实是MOS三极管非门。,图2.2.4（a）,（2-36）,

18、作业题P135 题2.2P136 题2.3(a),（2-37）,一、填空题,1、三极管截止时的特点是()；三极管饱和导通时的特点是()。,uBE0.7V，uCE=UCES0.3V,iB0，iC0,2、MOS管截止时，iD0，MOS管如同一个()了的开关。MOS管导通后，如同一个具有一定导通电阻RON()了的开关。,断开,闭合,3、正逻辑的与门是负逻辑的()；正逻辑的或门是负逻辑的()。,或门,与门,二、单项选择题,1、如果晶体三极管的（），则该管工作于饱和区。A、发射结正偏，集电结反偏 B、发射结正偏，集电结正偏 C、发射结反偏，集电结正偏 D、发射结反偏，集电结反偏。,B,（2-38）,2.

19、3 CMOS集成门电路,MOS管有N沟道和P沟道之分，每种又有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。CMOS集成电路的许多最基本的逻辑单元都是用P沟道增强型MOS管（称为PMOS管)和N沟道增强型MOS管（称为NMOS管)按照互补对称形式连接起来构成的。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体)。这种电路具有电压控制、功耗极小、连接方便等一系列优点，是目前应用最广泛的集成电路之一。,（2-39）,NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移

20、特性,D接正电源,NMOS管的开关特性,2.3.1 CMOS反相器,（2-40）,PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性,D接负电源,PMOS管的开关特性,（2-41）,一、电路组成及其工作原理,1、电路组成,TP是P沟道增强型MOS管，TN是N沟道增强型MOS管，两者按照互补对称形式连接起来便构成了CMOS反相器。它们的栅极G1、G2连接起来做为信号的输入端，漏极D1、D2连接起来做为信号的输出端，TN的源极S1接地，TP的源极S2接电源VDD。,开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD,（2-42）,2、工作原理,（1）uA0V时，TN截止，TP导通。输出电压uY=VD

21、D=10V。简化等效电路如图(b)所示。（2）uAVDD=10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY=0V。简化等效电路如图(c)所示。,实现了非逻辑运算,（2-43）,3、输入端保护电路,为了保护栅极和沟道之间的二氧化硅绝缘层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。右图是带输入端保护网络的CMOS反相器。图中D1、D2、D3和RS组成二极管保护网络。D1、D2、D3的正向导通压降uDF=0.50.7V，反向击穿电压在30V左右，RS1.52.5k,C1、C2是栅极等效输入电容。,由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。在正常工作时，uA在0V和VDD之间变化，保

22、护二极管均处在截止状态，不影响电路功能。当uA高于VDD uDF或低于uDF时，相应保护二极管就会导通，从而把TN、TP栅极电位限制在 uDF(VDD uDF)范围内，因此不会发生SiO2介质被击穿的现象。,（2-44）,二、静态特性,1、输入特性 反映iI=f(uI)的曲线称为输入伏安特性曲线简称输入特性。,当uI在uDF和VDDuDF之间变化时，iI0；当uIVDDuDF时，D3导通，iI从输入端经D3流入VDD，iI将随着uI的增加而急剧增加，反映了D3正向导通的情况；当uIuDF时，D1导通，iI经D1、RS从输入端流出，输入特性中相应曲线部分的斜率为1/RS。,CMOS反相器输入特性

23、所反映的，实际是输入保护网络的特性。,（2-45）,2、输出特性 反映uO=f(iO)的曲线称为输出伏安特性，简称输出特性。当uI为低电平，即uI=UIL=0V时，TN截止、TP导通，uO为高电平，即uO=UOH，带拉电流负载。电流iO从VDD经TP流出，供给负载RL，由于这时负载RL是向反相器索取电流，所以形象地称为拉电流负载，并把反相器能够输出的最大电流IOH，称为带拉电流负载的能力。特性曲线如图(c)左边部分所示。,（2-46）,当uI为高电平，即uI=UIH=VDD时，TN导通、TP截止，uO为低电平，即uO=UOL，带灌电流负载。电流iO从VDD经负载RL 流入反相器。由于这时负载电

24、流iO是流入反相器的，所以形象地称为灌电流负载，并把反相器能吸收即允许灌入的最大电流IOL，称为带灌电流负载的能力。特性曲线如图(c)右边部分所示。,（2-47）,3、传输特性 反映uO=f(uI)的曲线形象具体地描述了输出电压uO与输入电压uI 的关系,称为电压传输特性。反映iD=f(uI)的曲线形象具体地描述了漏极电流iD与输入电压uI 的关系,称为电流传输特性。,（2-48）,AB段：uIUTN，TN截止，TP导通。uO=VDD、iD=0，功耗极小。BC段：uIUTN，TN导通，但导通电阻较大，故uO略有下降，iD开始出现，并逐渐增加，功耗也随之增加。CD段：uI在0.5VDD附近，TN

25、、TP均导通，且导通电阻都较小，是uO随uI改变而急剧变化的区域，iD也最大，功耗也最大。相应地，把输入电压uI=0.5VDD称为反相器的转折电压或阈值电压，用UTH表示。DE、EF段与BC、AB段是对应的，只不过TN、TP的工作状态，DE和BC段、EF和AB段时的情况正好相反。,输入端噪声容限是指uO为规定值时，允许uI波动的最大范围。UNL：输入为低电平时的噪声容限；UNH：输入为高电平时的噪声容限。,（2-49）,三、动态特性,1、传输延迟时间 下图所示是CMOS反相器带电容性负载时的电路和输入、输出电压波形。当uI改变取值时CMOS反相器的状态转换总是伴随着输入、输出电容的充、放电过程

26、。电容上电压是不能突变的，所以反相器输出电压uO的变化总是滞后于输入电压uI的，尤其是在输出端接有负载电容CL时，滞后时间会更长。,tPHL:输出电压由高电平变为低电平的延迟时间。tPLH:输出电压由低电平变为高电平的延迟时间。,（2-50）,2、输出端状态转换时间 当输入电压uI改变取值时，输出端状态将产生相应变化，相伴随的是CL的充、放电过程，状态转换时间基本上就是CL的充、放电时间。,tTHL:当uI改变取值时，输出电压uO从90下降到10所经历的时间。tTLH:当uI改变取值时，输出电压uO从10上升到90所经历的时间。,（2-51）,3、交流噪声容限 一般地说，干扰噪声都是一些无规则

27、的脉冲信号，用交流噪声容限可以表示反相器对这些脉冲信号的抗干扰能力。反相器对输人信号的响应总是有一定的延时，如果干扰脉冲持续的时间很短，以至于输出端状态还没有任何变化，干扰脉冲就消失了显然这样的脉冲信号对电路不会起作用。所以，反相器对窄脉冲的噪声容限要高于其直流噪声容限。下图是干扰脉冲宽度不同时交流噪声容限的曲线。图中tNW表示干扰脉冲宽度，UNA表示干扰脉冲幅度。,（2-52）,4、动态功耗 在状态转换过程中，CMOS反相器瞬态电流很大，因此会产生所谓动态功耗。动态功耗的大小，与电源电压VDD、uI变化的重复频率，负载电容的容量等因素有关，它们的数值越大，动态功耗也越大。CMOS反相器的静态

28、功耗很小，在常温下只有几个微瓦，常可忽略不计。,（2-53）,2.3.2 CMOS与非门、或非门、与门和或门,一、CMOS与非门,1、电路组成及符号,右图是与非门的电路图，两个P沟道增强型MOS管TP1、TP2 并联，两个N沟道增强型MOS管TN1、TN2串联，TP2、TN2的栅极连接起来成为输入端A，TP1、TN1的栅极连接起来成为输入端B。下图是与非门的逻辑符号。,（2-54）,A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。,只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低

29、电平。,2、工作原理,（2-55）,二、CMOS或非门,1、电路组成及符号,右图是或非门的电路图，串联起来的是两个P沟道增强型MOS管，并联起来的是两个N沟道增强型MOS管，TP1、TN1的栅极连接起来是输入端A，TP2、TN2的栅极连接起来是输入端B。下图是或非门的逻辑符号。,（2-56）,只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。,只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。,2、工作原理,（2-57）,三、CMOS与门和或门,1、CMOS与门,在基本CMO

30、S与非门电路的输出端，再加一个反相器，便构成了与门，逻辑图如下图所示。,2、CMOS或门,在基本CMOS或非门电路的输出端，再加一个反相器，便构成了或门，逻辑图如下图所示。,（2-58）,四、带缓冲的CMOS与非门和或非门,1、基本电路的主要缺点,右图所示CMOS与非门和或非门的基本电路，从输出端看，其结构是不对称的。在与非门中，两个PMOS管是并联起来的，两个NMOS管是串联起来的；而在或非门中，情况正好相反并联起来的是两个NMOS管，串联起来的是两个PMOS管。这种不对称带来两个问题：,使电路的输出特性不对称。使电路的电压传输特性发生偏移，阈值电压不再是0.5VDD，因此导致了噪声容限下降

31、。不难理解，随着输入端数目的增加，电路结构不对称的程度会变大，因而带来的问题也会更突出。一个比较有效的解决办法，就是加缓冲电路,（2-59）,2、带缓冲的门电路 在基本电路的输入端和输出端附加上反相器,便构成了带缓冲的门电路。加了反相器后，其输入、输出特性就与反相器没有区别了，这就改善了电路的电气特性，同时也给使用者带来了方便。,（2-60）,2.3.3 CMOS与或非门和异或门,一、CMOS与或非门,1、电路组成及符号,由三个与非门基本电路和一个反相器构成。图(a)是其电路图，图(b)是它的等效逻辑图，图(c)是其逻辑符号。,（2-61）,2、工作原理,由图(b)可以容易地得到,可见图(a)

32、所示的电路确实实现了与或非运算，是CMOS与或非门。,（2-62）,二、CMOS异或门,1、电路组成及符号,图(a)是CMOS异或门的电路图。TP1、TP2、TN1、TN2组成或非门，其输出P控制着TP5和TN5的状态，当P0时，TP5导通、TN5截止；当P1时，TP5截止、TN5导通。而当TP5导通、TN5截止时，TP3、TP4、TN3、TN4组成与非门；当TP5截止、TN5导通时，Y通过TN5接到公共端地。图(b)是异或门的逻辑符号。,（2-63）,2、工作原理,由图(a)所示电路知当P0时，因为TP5导通，TN5截止，TP3、TP4、TN3、TN4组成了与非门，所以有当P1时，由于TP5

33、截止，TN5导通，故Y0。,整理上述结果，可以列出右表所示的逻辑真值表。,由右表可得所以图(a)所示电路实现了对A、B的异或运算。,（2-64）,直接用与非门也可以很容易地组合起来构成异或门，下图是它的逻辑图。由图可得,（2-65）,C0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。C1、，即C端为高电平（VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。,2.3.4 CMOS传输门、三态门和漏极开路门,一、CMOS传输门,（2-66）,二、CMOS三态门,（2-67

34、）,三、CMOS漏极开路门（OD门）,1、电路组成及符号,图(a)是CMOS漏极开路门的电路图，图(b)是它的逻辑符号。,（2-68）,2、主要特点,（2-69）,作业题P136 题2.4(a)(d)(f)(k)题2.5(a)(b)题2.6(c)(d),（2-70）,一、填空题,1、在CMOS反相器是由()管和()管组成的()电路。,NMOS,互补,2、当MOS门电路输入端通过电阻（不论电阻阻值为多少）接到VDD时，其逻辑状态相当于()；当MOS门电路输入端通过电阻（不论电阻阻值为多少）接到地时，其逻辑状态相当于()。,1,0,二、分析题,1、试写出下图CMOS门电路各个输出信号的逻辑表达式。

35、,PMOS,（2-71）,2.4 TTL集成门电路,2.4.1 TTL反相器,1、电路组成,一、电路组成及其工作原理,TTL是晶体管-晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic)的简称。TTL逻辑门由若干晶体三极管、二极管和电阻组成。,（2-72）,2、工作原理、当电路输入端A接高电平（3.6V）时,3.6V,3.6V,4.3V,0.7V2,1.4V,UBE12.13.61.5V0,T1管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，T1管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。,1V,UC2UCES2Ube40.30.71V,UC21V，该值不足以使T3、D导通，故T

36、3、D截止。,输入为1输出为0,uO0.3V,（2-73）,、当电路输入端接低电平(0V)时,0V,Ub100.70.7V,Ub10.7V，作用于T1 管的集电结和T2、T4管的发射结，不足以让T2、T4导通。故T2、T4截止。,uOVCCUbe3UD50.70.73.6V,输入为0输出为1,由于T2截止，VCC通过R2、T3和D管使之工作在导通状态，T3发射结和D的导通压降均为0.7V。,综上所述可知，图2.4.1(a)所示电路确实实现了非运算，是非门，即反相器。,（2-74）,输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f(uI)的函数关系。典型的输入特性如图所示。,二、静态特性

37、,1、输入特性,（2-75）,输入端短路电流IIS 当uI=UIL=0V时的输入电流称为输入端短路电流IIS，是uI=0即输入端对地短接时，由反相器输入端流出来的电流。数值为：,输入漏电流IIH。当uI=UIH=3.6V时的输入电流称为输入漏电流IIH，即T1倒置工作时的反向漏电流，其电流值很小，倒置时其电流放大系数i=0.010.02，若取i=0.02，则数值为：,（2-76）,输入端负载特性 反映接在反相器输入端电阻Ri两端的电压uI和Ri阻值之间关系的曲线称为输入端负载特性曲线，简称输入端负载特性如图所示。,开门电阻Ron 当Ri=，即输入端悬空时，iB1经T1集电极流入T2基极，使T2

38、饱和导通。进而使T4也饱和导通并导致T3、D截止，反相器处于导通状态，输出电压uO=UOL0.3V，而uB1由于bc1、be2、be4结的钳位作用，被固定在2.1V，因此uI=uB1-uBE1=(2.1-0.7)V=1.4V。实际上，要使反相器工作在导通状态，uO0.3V，Ri只需大于2.5K就可以了，因此把2.5K称为反相器电路的开门电阻Ron。,（2-77）,关门电阻Roff 当Ri=0，iB1全部流向T1发射极，T2、T4截止，T3、D导通，输出电压uO=UOH=3.6V，反相器处于截止状态。而uI=iB1Ri=0V。实际上，只要Ri0.7K，反相器就会截止，输出为高电平，因此又把0.7

39、K称为反相器电路的关门电阻，用Roff表示。,综上所述可知，当RiRon时，其逻辑状态相当于1，反相器导通，输出端逻辑状态为0；当RiRoff时，其逻辑状态相当于0，反相器截止，输出端逻辑状态为1。如果RoffRiRon，则反相器将处于不正常状态，既不是1也不是0，这种情况是不允许的。,（2-78）,例：在下图中，若均为TTL门电路，试写出各个输出信号的逻辑表达式。,解：图(a)中，Ri=10kRon(2.5k)，输入端相当于接“1”，图(b)中，Ri=100Roff(0.7k)，输入端相当于接“0”，,（2-79）,2、输出特性,反映输出电压uO与输出电流iO之间的关系曲线，称为输出特性曲线

40、，简称输出特性，如图所示。,（2-80）,uI=UIH、uO=UOL，带灌电流负载时的特性 当uI=UIH，为高电平时，T2、T4饱和导通，T3、D截止，输出电压uO低电平，带灌电流负载，等效电路如图所示。特性如图2.4.4(b)右边部分所示。RL是负载电阻，由于深度饱和，输出电阻很小，灌电流iO增加时，输出电压上升缓慢。反相器输出为低电平时，带灌电流负载的能力IOL可达16mA。,图2.4.4,（2-81）,图2.4.4,（2-82）,3、电压传输特性 反映输出电压uO与输人电压uI关系的曲线称为电压传输特性曲线，简称电压传输特性，如图2.4.7 所示。,AB段：uI0.6V，T1正向饱和导

41、通，uces10.1V，uC1=0.7V，T2、T4截止，T3、D4导通，输出电压uO=UOH=3.6V，为高电平。称为截止区，电路处于稳定的关态。,（2-83）,CD段：对应uI1.3V，T4开始导通。当uI增加时，输出电压急剧下降，T3和D4趋向截止，T4趋向饱和，电路状态由关态转换为开态。这一段称为转折区。转折区中心点对应的输入电压称为反相器的阈值电压，用Uth表示。Uth1.4V。,DE段：随着uI增加，T1进入倒置工作状态，T2、T4均饱和导通，T3、D4均截止，输出电压uO=UOL=0.3V,为低电平，电路进入稳定的开态。这一段称为饱和区。,由于阈值电压Uth所对应的是电压传输特性

42、转折区的中心点，所以在简化定性分析中，常常把Uth当作决定反相器输出端状态的关键值。认为uIUth时反相器是关断的，输出端为高电平，即uO=UOH；uIUth时反相器是开通的，输出端为低电平，即uO=UOL。,（2-84）,(1)输出逻辑高电平和输出逻辑低电平在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平UOH，典型值是3.6V，UOHmin2.4V。饱和区的输出电压为输出逻辑低电平UOL，典型值是0.3V，UOHmax0.4V。,(2)开门电平(Uon)和关门电平(Uoff)输入低电平UIL的典型值是0.3V，允许的输入低电平的最大值UILmax0.8V，称为关门电平Uoff=0.8V，

43、它是保证反相器处于截止状态所允许的uI的最大值。输入高电平UIH的典型值是3.6V，允许的输入高电平的最小值UIHmin2.0V，称为开门电平Uon=2.0V。,从电压传输特性曲线可以反映出TTL反相器的几个主要特性参数。,（2-85）,(3)抗干扰能力在集成电路中，经常以输入端噪声容限的数值来定量地说明门电路的抗干扰能力。当输入为低电平时，为保证电路处于稳定的关态，输入低电平加上瞬态干扰信号不应超过关门电平Uoff。因此允许的干扰容限为UNL=UILmaxUOLmax(0.80.4)V0.4V，称为低电平噪声容限。当输入为高电平时，为保证电路处于稳定的开态，输入高电平加上瞬态干扰信号不应低于

44、开门电平Uon。因此允许的干扰容限为UNH=UOHminUIHmin(2.42.0)V0.4V，称为高电平噪声容限。,另外，随着温度的升高，输出高电平和输出低电平都会升高，阈值电压却降低。电源电压的变化主要影响输出高电平，对输出低电平影响不大。,（2-86）,1、传输延迟时间,三、动态特性,tPHL：输出电压由高电平变为低电平的传输延迟时间。tPLH：输出电压由低电平变为高电平的传输延迟时间。tpd：平均传输延迟时间。,（2-87）,2、动态尖峰电流,(1)静态电源电流当uI=UIL=0V时，uB1=0.7V，T2、T4截止，在输出无负载情况下,当uI=UIH=3.6V时，uB1=2.1V，T

45、2、T4饱和导通，T3、D截止,（2-88）,(2)动态电源尖峰电流在uI由UIL跳变到UIH过程中，会略有过冲。但是，当uI由UIH跳变到UIL时，电路在状态转换期间会出现很大的动态电源尖峰电流。因为在uIUIH时，T2、T4饱和，尤其是T4，其饱和程度很深，当uI由UIH跳变到UIL时，T2很快截止，使T3、D导通，而T4还来不及退出饱和状态，于是从VCC经R4、T3、D、T4形成了低阻通路，显然在这种情况下，电源电流iCC要出现很大的尖峰，如图所示。,（2-89）,3、交流噪声容限,与CMOS电路相似在TTL电路中由于半导体三极管的开关时间和分布电容的充、放电过程，输入信号变化时，必须有

46、足够的变化幅度和作用时间，才能使输出端状态改变。当uI为窄脉冲，而且其宽度接近于门电路的传输延迟时间时则其幅度只有远大于直流情况，输出端才可能改变状态。显然反相器对这类窄脉冲的噪声容限比直流噪声容限要大。TTL反相器的平均传输延迟时间tpd的典型值是10ns，而绝大多数的TTL门电路的传输延迟时间都在50ns以内，因此，当输入脉冲的宽度达到微秒数量级时，应将其当做直流信号处理。,（2-90）,2.4.2 TTL与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门,1、电路组成及符号,一、TTL与非门,图2.4.12(a)所示电路除了输入级T1采用了多发射极三极管外，其余部分和图2.4.1(a)所示反相

47、器电路没有什么区别。D1、D2 为输入端保护二极管，是为抑制输入电压负向过冲而设置的,（2-91）,、工作原理、当电路输入端A、B、C全部接高电平（3.6V）时,3.6V,3.6V,4.3V,0.7V2,1.4V,UBE12.13.61.5V0,T1管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，T1管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。,1V,UC2UCES2Ube40.30.71V,UC21V，该值不足以使T3、D导通，故T3、D截止。,输入全1输出为0,UY0.3V,（2-92）,、当电路输入端AC中至少有一个接低电平(0.3V)时,0.3V3.6V3.6V,Ub10.30.71V,

48、Ub11V，作用于T1 管的集电结和T2、T4管的发射结，不足以让T2、T4导通。故T2、T4截止。,UYVCCUbe3UD50.70.73.6V,输入有0输出为1,由于T2截止，VCC通过R2、T3和D管使之工作在导通状态，T3发射结和D4的导通压降均为0.7V。,（2-93）,1、电路组成,二、TTL或非门,右图所示电路是TTL或非门的电路图。R1、T1、R1、T1构成输入级；并联着的T2、T2和R2、R3构成中间级；R4、T3、D、T4构成输出级。,2、工作原理,（2-94）,三、TTL与门、或门及与或非门,在TTL与非门的中间级再加一个反相电路，便可得到与门；在TTL 或非门的中间级，

49、再加一个反相电路，所得到的就是或门；至于TTL与或非门，则只要将图2.4.13 所示电路中的T1、T1换成多发射极三极管即可。,图给出了TTL异或门的等效逻辑图及符号。由逻辑图可以很容易地得到,四、TTL异或门,虽然上述几种门电路的逻辑功能各不相同，但是它们的输入级和输出级的电路结构和TTL反相器的输入级和输出级是相同的。,（2-95）,2.4.3 TTL集电极开路门和三态门,一、集电极开路门（OC门）,下图 给出的是集电极开路与非门。电路输出级三极管T4的集电极是开路的，故名集电极开路门(Open Collector Gate),简称OC门。OC门必须外接负载电阻RC和电源VCC才能正常工作

50、。,这两种类型的电路与CMOS门电路中的漏极开路门和三态门是相对应的，逻辑符号也相同。,具有OC结构的TTL门电路，除了与非门外，还有反相器、与门、或非门、异或门等。,OC门的主要特点与OD门相同（见P109110）。,（2-96）,二、输出三态门,1、电路组成及其工作原理,电路组成 三态门是在普通门的基础上，加上使能控制信号和控制电路构成的。左图是三态输出与非门。图(a)是低电平使能的电路。图(b)是高电平使能的电路。,（2-97）,（2-98）,2、应用举例,（2-99）,（2-100）,2.4.4 TTL集成电路和其他双极型集成电路,一、TTL集成电路,TTL逻辑器件根据工作环境温度和电