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1、门电路,第三章,本章总的要求：熟练掌握TTL和CMOS集成门电路输出与输入间的逻辑关系、外部电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性和动态特性等；掌握各类集成电子器件正确的使用方法。重点：TTL电路与CMOS电路的结构与特点.,3.1 概述,门电路是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。,正逻辑：高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。,负逻辑：高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。,获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的 导通、截止（即开、关）两种工作状态。,3.2 半导体二极管门电路,
2、3.2.1 半导体二极管的开关特性,Ui0.5V时，二极管导通。,Ui0.5V时，二极管截止，iD=0。,ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。,ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。,当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过ts后，存储电荷显著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。,当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。,反向恢复时间（几纳秒内）,反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，它远大于正向导通所需要的时间。这就是
3、说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小，以致可以忽略不计。,因此，影响二极管的开关时间主要是反向恢复时间，而不是开通时间。,3.2.2 二极管与门,Y=AB,3.2.3 二极管或门,Y=A+B,3.3 CMOS门电路,3.3.1 MOS管的开关特性,在CMOS集成电路中，以金属氧化物半导体场效应管（MOS管)作为开关器件。,一、MOS管的结构和工作原理,金属铝,两个N区,SiO2绝缘层,P型衬底,导电沟道,N沟道增强型,源极,栅极,漏极,vGS=0时,D、S间相当于两个背靠背的PN结,不论D、S间有无电压，均无法导通，不能导电。,vGS0时,vGS足够大时（vGSVGS(th)）
4、，形成电场GB,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余的电子在上表面形成了N型层（反型层）为D、S间的导通提供了通道。,VGS(th)称为阈值电压(开启电压）,源极与衬底接在一起,N沟道,可以通过改变vGS的大小来控制iD的大小。,二、MOS管的输入、输出特性,对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零。,输出特性曲线（漏极特性曲线）,夹断区（截止区）,用途：做无触点的、断开状态的电子开关。,条件：整个沟道都夹断,特点：,可变电阻区,特点:(1)当vGS 为定值时,iD 是 vDS 的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受 vGS 控制。,（2）管
5、压降vDS 很小。,用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。,条件：源端与漏端沟道都不夹断,恒流区：(又称饱和区或放大区）,特点:(1)受控性：输入电压vGS控制输出电流,(2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS的影响。,条件:(1)源端沟道未夹断(2)漏端沟道予夹断,用途:可做放大器和恒流源。,三、MOS管的基本开关电路,当vI=vGSVGS(th)时，MOS管工作在截止区。D-S间相当于断开的开关，vOvDD.,当vIVGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合的开关,vO0。,四、MOS管的四种基本类型,
6、在数字电路中，多采用增强型。,3.3.2 CMOS反相器工作原理,一、电路结构,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(意为互补)。,vI=0,vo=“”,vI=1,vo=“”,静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。,二、电压传输特性和电流传输特性,电压传输特性,阈值电压VTH,T1导通T2截止,T2导通T1截止,T1T2同时导通,电流传输特性,T2截止,T1截止,CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。,输入低电平时噪声容限：,在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称
7、为输入端噪声容限。,输入高电平时噪声容限：,三、输入端噪声容限,噪声容限衡量门电路的抗干扰能力。噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。,测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL30VDD，且随VDD的增加而加大。,因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。,3.3.3 CMOS反相器的静态输入输出特性,一、输入特性,在正常的输入信号范围内，即0.7V vI(VDD+0.7)V时输入电流iI 0。(因为CMOS门电路的GS间有一层绝缘的SiO2薄层。),在0.7V(VDD+0.7)V以外的区域，iI从零开始增大，并随vI增
8、加急剧上升，原因是保护电路中的二极管已进入导通状态。,注意：由于门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故CMOS门电路的输入端不允许悬空。,二、输出特性,低电平输出特性,高电平输出特性,VOL0,VOHVDD,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间,tpdHL,tpdLH,平均传输时间,二、交流噪声容限,噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。,三、动态功耗,反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。,动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率PC和PMOS、NMOS同时导通所消耗
9、的瞬时导通功耗PT。,在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。,3.3.5 其他类型CMOS门电路,1.与非门,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,任一输入端为低，设vA=0,vA=0,vO=1,输入全为高电平,vO=0,2.或非门,任一输入端为高，设vA=1,vA=1,vO=0,输入端全为低,vO=1,3.带缓冲级的CMOS门电路,带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。,二、漏极开路输出门电路（OD门）,为什么需要OD门？普通与非门输出不能直接连在一起实现“线与”！,产生
10、一个很大的电流,需将一个MOS管的漏极开路构成OD门。,OD输出与非门的逻辑符号及函数式,OD门输出端可直接连接实现线与。,RL的选择：,IOH,IIH,n个,m个,VOH,n是并联OD门的数目，m是负载门电路高电平输入电流的数目。,VOL,m个,IOL,IIL,例3.3.2,m是负载门电路低电平输入电流的数目。在负载门为CMOS门电路的情况下，m和m相等。,C0、，即C 端为低电平（0V）、端为高电平（VDD）时，T1和T2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，呈高阻态。,三、CMOS传输门,C1、，即C 端为高电平（VDD）、端为低电平（0V）时，T1和T2至少有一个导
11、通，输入和输出之间相当于开关接通一样，呈低阻态，vovi。,A=0、B=1时，TG2截止，TG1导通，Y=B=1;,A=0、B=0时，TG2截止，TG1导通，Y=B=0;,双向模拟开关,G4输出高电平，G5输出低电平，T1、T2 同时截止，输出呈高阻态；,四、三态门,1,0,1,1,0,0,1,0,若A=1，则G4、G5输出均为高电平，T1截止、T2导通，Y=0；,若A=0，则G4、G5输出均为低电平，T1导通、T2截止，Y=1；,三态门有三种状态:高电平、低电平、高阻态。,3.3.6 CMOS电路的特点,CMOS电路的优点,1.静态功耗小。,2.允许电源电压范围宽(318V）。,3.扇出系数
12、大，噪声容限大。,1输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几点：,CMOS电路的正确使用,（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。,2多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。,3输入电路需过流保护,3.5
13、TTL门电路,3.5.1 双极型三极管的开关特性,一、双极型三极管的结构,二、双极型三极管的输入特性和输出特性,输出特性曲线,开启电压,饱和区,截止区,放大区,三、双极型三极管的基本开关电路,在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,三极管临界饱和时的基极电流：,ui=1V时，三极管导通，基极电流：,uo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5V,ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在 截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：,uo=VCC=5V,截止状态,ui=UIL0.5V,uo=+VCC,
14、ui3V时，三极管导通，基极电流：,uoUCES0.3V,三极管饱和,饱和状态,iBIBS,ui=UIH,uo=0.3V,四、双极型三极管的开关等效电路,开关等效电路,(1)截止状态,条件：发射结反偏特点：电流约为0,(2)饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅,三极管开关等效电路(a)截止时(b)饱和时,+Vcc,0.3V,五、双极型三极管的动态开关特性,BJT的开关时间：是指BJT管由截止到饱和导通 或者由饱和导通到截止所需要的时间。,延迟时间td从+VB2加到集电极电流ic上升到0.1ICS所需要的时间；,上升时间tric从0.1ICS到0
15、.9ICS所需要的时间；,开通时间ton=td+tr就是建立基区电荷时间,存储时间ts从输入信号降到-VB1到ic降到0.9ICS 所需要的时间；,下降时间tfic从0.9ICS降到0.1ICS所需要的时间。,关闭时间toff=ts+tf就是存储电荷消散的时间,加入VEE的目的是确保即使输入低电平信号稍大于零时，也能使三极管基极为负电位，从而使三极管 可靠截止，输出为高电平。,六、三极管反相器,TTL 晶体管-晶体管逻辑集成电路,MOS 金属氧化物半导体场效应管集成电路,3.5.2 TTL反相器,输入级,倒相级,输出级,称为推拉式电路或图腾柱输出电路,一、TTL反相器的电路结构和工作原理,1.
16、输入为低电平（0.2V）时,0.9V,不足以让T2、T5导通,T2、T5截止,1.输入为低电平（0.2V）时,vo=5vR2vbe4vD23.4V 输出高电平,2.输入为高电平（3.4V）时,电位被嵌在2.1V,vB1=VIH+VON=4.1V,发射结反偏,1V,T2、T5饱和导通,2.输入为高电平（3.4V）时,vo=VCE50.3V 输出低电平,可见，无论输入如何，T4和T5总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。,二、电压传输特性,二、电压传输特性,二、电压传输特性,二、电压传输特性,输出高电平VOH、输出低电平VOL,VOH2.4V VOL 0.4V 便认为合格。
17、,典型值VOH=3.4V VOL 0.3V。,阈值电压VTH(门槛电压),vIVTH时，认为vI是低电平。,vIVTH时，认为vI是高电平。,VTH=1.4V,输入低电平时噪声容限：,输入高电平时噪声容限：,三、输入端噪声容限,一.输入特性:,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,输入短路电流IIS(IIL),高电平输入电流IIH,二.输出特性,由于受到功耗的限制手册上给出的高电平输出电流的最大值要比5mA小得多。,74系列IOH(max)=0.4mA,二.输出特性,IOL(max),前后级之间电流的联系,前级输出为 高电平时,前级（驱动门）,后级（负载门）,1,前级输出为 低电平
18、时,前级（驱动门）,后级（负载门）,0,流入前级的电流IOL(灌电流),输入低电平时的输入电流IIL，大约为1mA。,扇出系数驱动同类门的个数。,灌电流工作时：,拉电流工作时：,扇出系数NO取NOL、NOH中较小的一个。,扇出系数衡量门电路的带负载能力。,例3.5.2 解：,VOL=0.2V时，驱动门输出电流IOL=16mA,每个负载门的输入电流为IIL=1mA。,VOH=3.2V时，驱动门输出电流IOH=7.5mA,但手册规定|IOH|0.4mA,故取|IOH|=0.4mA;每个负载门的输入电流为IIH=40A。,扇出系数NO=10,输入端“1”,“0”？,三.输入端负载特性,在一定范围内，
19、uI随RP的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RP增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时T2和T5饱和导通，输出为低电平。,开门电阻RON(2K左右）,(1)关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RP 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。,(2)开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RP 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 2k。,数字电路中要求输入负载电阻RP RON或RP ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令 ROFF RP RON使电路处于转折区
20、。,例：判断如图TTL电路输出为何状态？,Y0=0,1,0,Y1=1,Y0,Y2=0,1,0,1.悬空的输入端相当于接高电平。,2.为了防止干扰，一般应将悬空的输入端接高电平。,说明,例3.5.3,解：vO1=VOH、vI2VIH(min)时,应满足：VOHIIHRPVIH(min),vO1=VOL、vI2VIL(max)时,因此，RP不应大于690.,3.5.4 TTL反相器的动态特性,一、传输延迟时间,tpdHL,tpdLH,平均传输时间,平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。,二.功耗：,有静态功耗和动态功耗。静态功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗;动态功耗只发生在状态转换的瞬
21、间。对于TTL电路静态功耗是主要的，用PD表示。,3.5.5 其他类型的TTL门电路,一.其他逻辑功能的门电路,输入端改成多发射极三极管,1.与非门,TTL集成门电路的封装：双列直插式,如：TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00),地GND,外 形,电源VCC（+5V）,74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。,例：如图电路，已知 74S00门电路GP参数为：IOH/IOL=-1.0mA/20mAIIH/IIL=50A/-1.43mA试求门GP能驱动多少同类门？若将电路中的芯片改为74S20，其门电路参数同74S00，问此时GP能驱动多少同类门？,门GP
22、输出低电平时，设可带同类门数为NOL：,解：,门GP输出的高电平时，设可带同类门数为NOH：,扇出系数=10,74S20为4输入与非门，所以,门GP输出低电平时，设可带同类门数为NOL：,门GP输出高电平时，设可带同类门数为NOH：,扇出系数No=5,两方框中电路相同,A为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。,B为高电平时，T2、T5同时导通，T4截止，输出Y为低电平。,A、B都为低电平时，T2、T2同时截止，T5截止，T4导通，输出Y为高电平。,2.或非门,或非门,与或非门,3.与或非门,4.异或门,若A、B同时为高电平，T6、T9导通，T8截止，输出低电平；A、B同时为
23、低电平，T4、T5同时截止，使T7、T9导通，T8截止，输出也为低电平。,A、B不同时，T1正向饱和导通，T6截止；T4、T5中必有一个导通，从而使T7截止。T6、T7同时截止，使得T8导通，T9截止，输出为高电平。,74LS86,二.集电极开路门（OC门）,为什么需要OC门？普通与非门输出不能直接连在一起实现“线与”！,产生一个很大的电流,OC门输出端可直接连接实现线与。,RL的选择：,IOH,IIH,n个,m个,VOH,负载门输入端个数,VOL,m个,IOL,IIL,负载门个数,由于与非门的输入端为多发射极，当前一级门输出低电平时，负载门只要一个输入端为低电平，T2、T5就截止。,若为或非
24、门，m是输入端的个数，而不是负载门的数目。,例3.5.5,三.三态门（TS门),三态输出门(Three-State Output Gate)是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的。,3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列,74H系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的，效果不够理想。,从提高工作速度、降低功耗两方面考虑进行改进。,74S系列：肖特基系列。采用抗饱和三极管，提高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。,74LS系列：低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟功耗积。,74AS系列：电路结构与74LS系列相似，采用低 阻值，提高了工作速
25、度，但功耗较大。,74ALS系列：其延迟功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。,54、54H、54S、54LS系列：54系列与74系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。54系列工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。74系列：温度070，电源电压5V5%;54系列:温度-55+125，电源电压5V10%。,TTL集成门电路系列,CMOS电路与TTL电路比较：,（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在 318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功
26、耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。,（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和 存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地 良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不 能悬空，应根据需要接地或接高电平。,CMOS电路与TTL电路比较：,多余输入端的处理措施,处理原则：不能影响输入与输出之间的逻辑关系。,数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。,对于TTL
27、门，一般可将多余的输入端通过上拉电阻（13 K）接电源正端；也可利用反相器将其输入端接地;通过大电阻接地（逻辑1的处理）。直接把多余端接地（逻辑0的处理）。对于CMOS电路，对于输入端可根据需要直接接地（逻辑0的处理）；或直接接VDD（逻辑1的处理）。,要实现Y=A，输入端B应如何连接？,B=0时可实现Y=A，B端应接低电平(接地）。,本章小结,门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。,
