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1、第三章 门电路,3.1 概述,门电路：实现基本逻辑运算、复合逻辑运算的单元电路。如：与门、与非门、或门,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0,获得高、低电平的基本原理,高/低电平都允许有一定的变化范围,正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1,3.2 半导体二极管门电路半导体二极管（Diode）的结构和外特性,二极管的结构：PN结+引线+封装构成,P,N,3.2.1 二极管的开关特性：,高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V,二极管的开关等效电路：,二极管的动态电流波形：,
2、3.2.2 二极管与门,规定3V以上为1,0.7V以下为0,设VCC=5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,3.2.3 二极管或门,设VCC=5V加到A,B的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时VDF=0.7V,规定2.3V以上为1,0V以下为0,二极管构成的门电路的缺点,电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路,3.3.1 MOS管的开关特性,3.3 CMOS门电路,一、MOS管的结构和工作原理,以N沟道增强型为例：当加+VDS时，,开启电压,1)VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0,2)加上+VGS，且足够大至VGSVGS(th)时,
3、D-S间形成导电沟道（N型层）,二、输入特性和输出特性,输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。输出特性：iD=f(VDS)对应不同的VGS下得一组曲线。,漏极特性曲线（输出特性曲线），分三个区域：,截止区恒流区可变电阻区,截止区：VGS 109,恒流区：iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大,可变电阻区：当VDS 较低（近似为0），VGS 一定时,这个电阻受VGS 控制，可变。,三、MOS管的基本开关电路,四、等效电路,OFF，截止状态 ON，导通状态,五、MOS管的四种类型,增强型耗尽型,大量正离子,导电沟道,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,一
4、、电路结构,设：,二、CMOS反相器的电压、电流传输特性,电流传输特性,电压传输特性,作业:P150 3.2,3.3,三、输入噪声容限,若在输出上叠加上噪声,在不影响逻辑关系的前提下,允许该噪声变化的范围.,在保证输出高、低电平基本不变的条件下，允许输入信号的高、低电平有一个波动范围，这个范围称为输入端的噪声容限。,结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限,VDD对噪声容限的影响,VDD增大,噪声容限变大,3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性,74HC系列的,4000系列的,保证输入电压在一定范围内,保证加于C1,C2的电压VDD+VDF,二、输出特性,VI为高电平,T
5、1截止,T2导通,二、输出特性,VI为低电平,T1导通,T2截止,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间,输出波形比输入波形要滞后一段时间,二、交流噪声容限三、动态功耗,VDD和噪声作用时间tw对交流噪声容限VNA的影响,3.3.5 其它类型的CMOS门电路,一、其它逻辑功能的门电路,1.与非门 2.或非门,一般与非门,带缓冲级的CMOS门,解决方法,输入缓冲器,输出缓冲器,反相器,或非门,二、漏极开路的门电路（OD门）,线与,参见P9596及例,三、CMOS传输门及双向模拟开关,1.传输门,考虑DS间的电位分布,(2)当C=1,C=0,则T1导通,则T2导通,|VGS|=|0
6、-VI|VGS(th)P|,VGS=VDD-VIVGS(th)N,2.双向模拟开关,C=1时,开关导通;C=0时,开关截止.,四、三态输出门,三态门的用途,3.3.6 CMOS电路的正确使用P101,3.3.7 CMOS数字电路的各种系列P104,3.5 TTL门电路 3.5.1 半导体三极管的开关特性,双极型三极管（BJT,Bipolar Junction Transistor）,一、双极型三极管的结构 管芯+三个引出电极+外壳,二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPN）,VON：开启电压硅管，0.5 0.7V锗管，0.2 0.3V 近似认为:若VBE VON，则 iB=
7、0；若VBE VON，则 iB 的大小 由外电路电压和电阻决定：,三极管的输出特性,固定一个IB值，即得一条曲线，在VCE 0.7V以后，基本为水平直线,输出特性曲线分三个部分：放大区：条件VCE 0.7V,iB 0,iC随iB成正比变化，iC=iB。饱和区：条件VCE 0,VCE 很低，iC 随iB增加变缓，趋于“饱和”。截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间相当于“断开”。,三、双极型三极管的基本开关电路,只要参数合理，则：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL,四、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,五、动态开关特性,从二极管已知
8、，PN结存在电容效应。在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。,六、三极管反相器,三极管的基本开关电路就是非门实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在 输入端接入负压。,若参数合理，则:VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL,例：计算参数设计是否合理,=5V,=-8V,3.3K,10K,1K,=20VCE(sat)=0.1V,设VIH=5V VIL=0V,将发射极外接电路化为等效的vB与RB电路,由戴维宁定理,当当又，因此，参数设计合理,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设：,则:(1),
9、(2),二、电压传输特性,饱和区,转折区,线性区,截止区,二、电压传输特性,(电压传输特性),需要说明的几个问题：,2.,3.,1.,三、输入噪声容限,输入特性,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,输出特性,高电平输出等效电路,低电平输出等效电路,3.5.4 TTL反相器的动态特性,一、传输延迟时间 1、现象,二、交流噪声容限,（b）负脉冲噪声容限,（a）正脉冲噪声容限,三、电源的动态尖峰电流,2、动态尖峰电流,见P126,其他类型的TTL门电路,一、其他逻辑功能的门电路1.与非门,2.或非门,3.与或非门,4.异或门,二、集电极开路的门电路,1、推拉式输出电路结构的局限性 输出
10、电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用,OC门,2、OC门的结构特点,OC门实现的线与,3、外接负载电阻RL的计算,IOH,IIH,3、外接负载电阻RL的计算,与P95类似,三、三态输出门（Three State Output Gate,TS）,三态门的用途,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.性能特点速度提高 的同时功耗也增加,3.5.6 TTL电路的改进系列,二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,电路改进采用抗饱和三极管用有源泄放电路代替74H系列中的R3减小电阻值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,三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-Power Schottky TTL）四、74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schottky TTL）3.6 其他类型的双极型数字集成电路*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ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路,3.8 TTL电路与CMOS电路的接口(自学),作业:P154,3.16,3.18,3.19,3.25,
