数字电子技术基础ppt课件.ppt

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1、中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路第二章第二章 门电路门电路(Logic circuit)(Logic circuit) 2.2 2.2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性2.4 TTL2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路 2.5 MOS2.5 MOS逻辑门电路逻辑门电路 2.62.6* * 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 2.1 2.1 概述概述 2.3 2.3 分立元件门电路分立元件门电路中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路 基本要求基本要求1、了解分立元件与、或、非、或非、与非门的电路组成、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

2、述方法；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；、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；3、熟练掌握、熟练掌握TTL与非门典型电路的分析方法、电压传输特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、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；与非门性能的改进方法；4、掌握、掌握OC门、三态门的工作原理和使用方法，正确理解门、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；门负载电阻的计算及线与、线或的概念；5、掌握、掌握CMOS反相器、与非门、或非门、三态门的逻辑功反相器

3、、与非门、或非门、三态门的逻辑功能分析，能分析，CMOS反相器的电压及电流传输特性；反相器的电压及电流传输特性；6、熟练掌握、熟练掌握CMOS传输门及双向模拟开关。传输门及双向模拟开关。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路5V2V0V0.8VVHVL2.1 概述概述一、高电平、低电平一、高电平、低电平低电平低电平高电平高电平3.4V0.2V中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路二、逻辑赋值二、逻辑赋值V VH H-1-1V VL L-0-0正逻辑体系正逻辑体系V VH H-0-0V VL L-1-1负逻辑体系负逻辑体系中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路三、高低电平获取方法三、高低电

4、平获取方法开开 关关+5V5VVH1+5V0VVL0中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2.2半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性 理想开关理想开关开关打开时：漏电流为零开关打开时：漏电流为零开关闭合时：导通电压为零，导通电阻为零开关闭合时：导通电压为零，导通电阻为零I=0U=0，R=0开关动作在瞬时完成开关动作在瞬时完成机械开关机械开关电子开关电子开关中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路一一、二极管的开关特性、二极管的开关特性+5V+Vi-D+Vo-R1、二极管导通：二极管导通：Vi=0V时，时，D正向导正向导通，通，Vo=0.7V，相，相当于开关闭合。当于开关闭合。2、二极管截

5、止：二极管截止：Vi=5V时，时，D反向反向截止截止，Vo=5V，相当于开关打开。相当于开关打开。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路3 、 动 态 开 关 特 性动 态 开 关 特 性反向恢复时间反向恢复时间tre是影响开关速度的主要因素，是影响开关速度的主要因素，其原因在于其原因在于PN结的电容效应。结的电容效应。i+Vi-RLtVititretre 10nS中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路二二、三极管的开关特性、三极管的开关特性1、 三极管截止三极管截止Vi=0V时时,T截止截止,IB=0，IC0，VCEVcc，Vo=5V,三极管三极管CE间间相当于断开的开关。相当于断开的开

6、关。+5VRcRbT+Vi-+Vo-IBIC 2、 三极管饱和导通三极管饱和导通Vi=ViH 时时, IB =(Vi-0.7)/Rb,ICSVcc/Rc, IBS= ICS /，当当IB IBS 时时,三极管饱和导通三极管饱和导通VCE=VCES=0.2V，Vo=0.2V，三极管三极管CE间间相当于闭合的开关。相当于闭合的开关。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路三三、MOS管的开关特性管的开关特性+VDDRDRGT+Vi-+Vo-IGID1、MOS管截止管截止Vi=0V时：时：VGSVGS(th)，MOS管工作在截止区，管工作在截止区，ID=0，MOS管管DS间相当于断开的开间相当于断开

7、的开关关 Vo=VDD2、MOS管导通管导通Vi=VDD时：时：VGSVGS(th)， VGDVGS(th)，MOS管工作于可变管工作于可变电阻区，电阻区，RON1K，MOS管管DS间相当于闭合的开间相当于闭合的开关关 Vo0V中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路 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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2.3 分立元件门电路分立元件门电路一、二极管与门一、二极管与门VAVB VY0V0V0V3V3V0V3V3VA BY0000101001110.7V0.7V0.7V3.7V中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路二、

8、二极管或门二、二极管或门VAVB VY0V0V0V3V3V0V3V3VA BY0000111011110V2.3V2.3V2.3V中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路三、三极管非门三、三极管非门ViVo0VVCCVCC0.2VAY0110中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：0V5V+V+VL5VDDDD3k（+5V）RCC211CCR2（+5V）0.7V1.4V3k（2 2）负载能力差）负载能力差（1 1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。值的情况。中南大学信息科学与工

9、程学院第二章 门电路解决办法：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。将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。LAB+VDD3k（+5V）RCC21+VALT123RRbCCC（+5V）中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2.4 TTL集成门电路集成门电路 集成电路：把二极管、三极管、电阻和连线都集成电路：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制作在一块半导体基片上构成具有一定功能的电路。电路。 集成电路可分为线性集成电路、集成电路可分为线性集成电路、数字集成电路数字集成电路、混合集成电路。混合集成电路。 数字集成电路可分为数字

10、集成电路可分为SSI、MSI、LSI、VLSI。 SSI从功能可分为从功能可分为门电路门电路、触发器、触发器 门电路从集成工艺可分为门电路从集成工艺可分为双极型、双极型、MOS型型 双极型工艺可分为双极型工艺可分为TTL、HTL、ECL、I2L MOS型工艺可分为型工艺可分为NMOS、PMOS、CMOS中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路1）结构）结构 TTL反相器由三部反相器由三部分构成：输入级、中分构成：输入级、中间级和输出级。间级和输出级。 1、TTL反相器的结反相器的结构和原理构和原理 一、一、TTL逻辑门逻辑门中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路A为高电平时为高电平时(3.4

11、V)，VB12.1V ，T1倒置，倒置，VB21.4V，T2和和T5饱和，饱和，T4和和D2截止，截止，Y为低电为低电平。平。2）原理）原理A为低电平时为低电平时(0.2V) ，T1饱和，饱和，VB10.9V，VB20.2V，T2和和T5截截止，止，T4和和D2导通，导通，Y为高电平；为高电平；中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2、TTL反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性1+Vi_+Vo_Vo=f(Vi)中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路分为四个区段：分为四个区段：AB段：段：UI0.6伏，截止区；伏，截止区；BC段：段：0.6伏伏UI1.3伏，伏，线性区；线性区；CD段：段

12、：UI1.4伏，转折区；伏，转折区；DE段：段：UI1.4伏，饱和区。伏，饱和区。输出高电平：输出高电平：VOH=3.4V输出低电平：输出低电平：VOL=0.2V阈值电压：阈值电压：VTH=1.4VVTH中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路相关参数：相关参数： 高电平噪声容限高电平噪声容限VNH 低电平噪声容限低电平噪声容限VNL输入端噪声容限示意图输入端噪声容限示意图中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路3、TTL反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性1）输入伏安特性）输入伏安特性1+Vi_IiIi=f（Vi）输入短路电流输入短路电流:IIL=1mA输入漏电流：输入漏电流

13、： IH=40AVi(V)Ii(mA)11.4中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2）输出特性）输出特性 Vo=f（IL）1+Vo_ IL输出为高电平输出为高电平：带拉电流负载带拉电流负载IL(mA)Vo(V)3.6IL(max)中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路输出为低电平输出为低电平：带灌电流负载带灌电流负载1+Vo_ ILIL(mA)Vo(V)中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路3）输入负载特性）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短路接地相当于接低电平输入端电阻小于输入端电阻小于1K时相当于接低电平时相当于接低电平输入端电阻大于输入端电阻大于1

14、K时相当于接高电平时相当于接高电平输入端悬空时相当于接高电平输入端悬空时相当于接高电平1+Vi_RiRi(K)Vi(V)1.4中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路4、TTL反相器的动态特性反相器的动态特性1+Vi_+Vo_VittVo传输延迟时间Tpd中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路5、其他逻辑功能的、其他逻辑功能的TTL门门 TTL门电路包括与门、或门、与非门、或非门电路包括与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种常见的类型。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门电路输入端、端出端的电路结构形式与反相器基本相同与反相器基本相同

15、 反相器的特性同样适用所有的反相器的特性同样适用所有的TTL门电路门电路2.4 2.4 TTL集成集成门电路门电路一、一、TTL与非门与非门的基本结构及工的基本结构及工作原理作原理1TTL与非门的基与非门的基本结构本结构BAC+VRPCC（+5V）PPPNNNN+V13（+5V）CCABCTb1R1+VV123123D12313CC（+5V）R130ABCTTTRT4kRb11243c2c4Re2oVVc2e2输入级中间级输出级1.6k1k中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2 2TTL与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系（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

16、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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路CBAL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

17、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：中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路二、二、TTL与非门的开关速度与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路 （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。+VV+VV123123D123123D（+5V）CCc4o截止T3T4导通导通R充电CLc4CC（+5V）o导通3T4T截止截止R放电CL（a）（b）中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2PHLPLHpdttt2 2TTL

18、与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd导通延迟时间导通延迟时间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。中点所经历的时间。截止延迟时间截止延迟时间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。中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd是是tPHL和和tPLH的平均值。即的平均值。即 一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路三、三、TTL与非门的

19、电压传输特性及抗干扰能力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：、电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路（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、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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路（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

20、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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路 （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。

21、Vth的值为1.3V1.V。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路低电平噪声容限低电平噪声容限 VNLVOFF- -VOL（max）0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVOH（min）- -VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTL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 3、抗干扰能力、抗干扰能力中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路(mA)14151b1BCCILRVVI四、四、TTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力1 1输入低电平电

22、流输入低电平电流I IILIL与输入高电平电流与输入高电平电流I IIHIH（1 1）输入低电平电流输入低电平电流I IILIL是指当门电路的输入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。端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定IIL1.61.6mA。&oV&G0G1G2Gn0.3V+V13b1B1TR1iCC4K1VILI中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路（2 2）输入高电平电流输入高电平电流I IIHIH是指当门电路的输入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。端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。 寄生

23、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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路倒置的放大状态：如图（b）所示。这时IIH=iIB1，i为倒置放大的电流放大系数。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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路 （1 1）灌电流负载）灌电流负载ILOLOLIIN2 2、带负载能力、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。当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。+V+V13D12312313

24、截止3饱和CC（+5V）TTR截止4c4RCC4Kb1b14KR输出低电平IILIILIOLC3I=当负载门的个数增加，灌电流增大，会使当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3 3脱离饱和，输出脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低输出低电平电流电平电流I IOLOL，产品规定产品规定IOL=16=16mA。由此可得出。由此可得出: :中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路IHOHOHIIN （2 2）拉电流负载）拉电流负载 NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定IOH=0.4=0

25、.4mA。由此可得出：。由此可得出： 当驱动门输出高电平时，当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出电流从驱动门拉出, ,流流至负载门的输入端。至负载门的输入端。一般一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用路的扇出系数，用NO表示。表示。+V+V1231312313DRCCR3导通b14K截止T（+5V）b1Tc4R4CC4K导通输出高电平IIHIIHOHE4=II拉电流增大时，拉电流增大时，RC4C4上的上的压降增大，会使输出高电压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定义为出输出端的电流定义为输输出高电平

26、电流出高电平电流I IOHOH。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路五、五、TTL与非门举例与非门举例7400740074007400是一种典型的是一种典型的TTL与非门器件，内部含有与非门器件，内部含有4 4个个2 2输入端输入端与非门，共有与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。个引脚。引脚排列图如图所示。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路六、六、TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1 1、非门、非门L+V123123D12313ATTT123Re21AL=A(a)(b)Rc2RCCRTc4b14中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2、或非门、或非门 L+V1231

27、23D1312312313AL=A+B(a)(b)CC4TR3TT1AT2AT1BT2BR1BR1AR2R43ABB1中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路3、与或非门、与或非门+VL12312313D13 123123CC4TR3T1AT2AT1BT2BTR1BR1AR24R3AB11A2B2中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路在工程实践中，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，称为与逻辑，称为线与线与。普通的普通的TTL门电路不能进行门电路不能进行线与线与。 为此，为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路专门生产了一种可

28、以进行线与的门电路集电极开集电极开路门。路门。4、集电极开路门（、集电极开路门（ OC门）门）+VL12312313CC（+5V）ABTTRT1.6K4K1KRb1123c2Re2ALB&中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路OC门主要有以下几方面的应用：门主要有以下几方面的应用：（2 2）实现电平转换）实现电平转换如图示，可使输出高电平变为如图示，可使输出高电平变为10V10V。（3 3）用做驱动器。）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。如图是用来驱动发光二极管的电路。+VBA&DC&PRCCLLL12+10V&OV+5V&270 （1 1）实现线与逻辑功能）实现线与逻辑功能中南大

29、学信息科学与工程学院第二章 门电路（1）当输出高电平时，当输出高电平时， RP不能太大。不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由由OC门进行线与时，外接上拉电阻门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：的选择：得：得：+V&RCCPVOHIIHIIHIIHnm&中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路得：得：（2）当输出低电平时，当输出低电平时，RP不能太小。不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由，由所以：所以： RP（min）RPRP（max）+V&RPCCOLVIILILIn&m&IOL中南大学信息科

30、学与工程学院第二章 门电路（1）三态输出门的结构及工作原理5 5、三态输出门、三态输出门+VL123123D123D13ABT1b1R3TR4CCTTc2R2VRc2e2c4pEN11G&ENABL&ENABL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中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。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 2）

31、三态门的应用）三态门的应用AEN&BAEN&BAEN&BENENEN111222333总线G1G2G3EN1总线DDIO1EN/IDDOGG12EN（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路5 574LS74LS系列系列为低功耗肖特基系列。为低功耗肖特基系列。6 674AS74AS系列系列为先进肖特基系列，它是为先进肖特基系列，它是74S74S系列的后继产品。系列的后继产品。7 774ALS74ALS系列系列为先进低功耗肖特基系列，是为先进低功耗肖特基系列，是74LS74LS系列的后系列的后继产品。继产品。*七、七、TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑

32、门电路系列简介1 17474系列系列为为TTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTL器件。器件。2 27474L系列系列为低功耗为低功耗TTL系列，又称系列，又称LTTL系列。系列。3 37474H系列系列为高速为高速TTL系列。系列。4 47474S系列系列为肖特基为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。系列，进一步提高了速度。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路所以输出为低电平。所以输出为低电平。一、一、 NMOS门电路门电路1 1NMOS非门非门2.5 C2.5 CMOS集成门电路集成门电路逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2 ）（1）

33、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： VVVTTDD21(+12V)ioVVV1DD2T(+12V)TioVVDS2DS1R(100200k)DD(+12V)R(310k)o中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路（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。2 2NMOS门电路门电路（1 1）与非门）与非门（2）或非门）或非门AL=ABVB1TDD3T(+12V)T2BVL=A+BADD(+12V)3T2TT1N 沟道沟道增强型增

34、强型SGDBiDP 沟道沟道增强型增强型SGDBiD2 2 OuGS /ViD /mAUGS(th)SGDBiDN 沟道耗尽沟道耗尽型型iDSGDBP 沟道耗尽沟道耗尽型型UGS(off)IDSSuGS /ViD /mA 5 O5FET 符号、特性的比较符号、特性的比较中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路1 1、逻辑关系：、逻辑关系：（设（设VDD（VthN+|+|VthP| |），且），且VthN=|=|VthP| |）（1 1）当）当Vi=0=0V时，时，T2截止，截止，T1导通。输出导通。输出VOVDD。（2 2）当）当Vi= =VDD时，时，T2导通，导通，T1截止，输出截止，输出

35、VO00V。二、二、CMOS非门非门CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET(T2)和P沟道MOSFET(T1)互补而成。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路（1 1）当）当Vi2 2V，TN截止，截止，TP导通，输出导通，输出VoVDD=10=10V。（2 2）当）当2 2VVi5 5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作在可工作在可 变电阻区。变电阻区。 （3 3）当）当Vi=5=5V，两管都工作在饱和区，两管都工作在饱和区， Vo= =（VDD/2/2）=5=5V。（4 4）当）当5 5VVi8 8V， TP工作在饱和区，工作在饱和区， TN工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。

36、（5 5）当）当Vi8 8V，TP截止，截止， TN导通，输出导通，输出Vo=0=0V。 可见：可见： CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压 Vth= =VDD/2/22、电压传输特性、电压传输特性：（设：（设: VDD=10V， VthN=|VthP|=2V）中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路3 3、工作速度、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。VVVVVVCCDD(a)PTTN导通截止DDPTNT截止导通(b)i=0i=1O=1O=0LL中南大学信息科学与工程学院第二章 门电

37、路（2）或非门）或非门三、其他的三、其他的CMOS门电路门电路1 1CMOS与非门和或非门电路与非门和或非门电路（1）与非门）与非门中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路（3）带缓冲级的门电路）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。BABAL中南大学信息科学与工程学院第二章 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。AL 3 3 、CMOS三态门三态门工作原理：当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出LVAENDDP2TP1TTN2N1T11ENA

38、L中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路4、CMOS传输门传输门工作原理：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。VVCCV0VDDTNTPi/Voo/ViCCTGVi/VoVoV/i中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路CMOS双向模拟开关双向模拟开关CC4016中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路1 1、CMOS逻

39、辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1 1）基本的）基本的CMOS40004000系列。系列。（2 2）高速的）高速的CMOSHC系列。系列。（3 3）与）与TTL兼容的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。四、四、 CMOS逻辑门电路的系列及主要参数逻辑门电路的系列及主要参数中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2 2、CMOS逻辑门电路主要参数的特点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

40、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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路一、一、TTL与与CMOS器件之间的接口问题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：足下列条件： 驱动门的驱动门的VOH（min）负载门的负载门的VIH（min）驱动门的驱动门的V

41、OL（max）负载门的负载门的VIL（max）驱动门的驱动门的IOH（max）负载门的负载门的IIH（总）（总） 驱动门的驱动门的IOL（max）负载门的负载门的IIL（总）（总） 2.6 2.6 集成逻辑门电路的应用（补充）集成逻辑门电路的应用（补充） 中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路（b）用）用TTL门电路驱动门电路驱动5 5V低电低电流继电器，其中二极管流继电器，其中二极管D作保作保护，用以防止过电压。护，用以防止过电压。二、二、TTL和和CMOS电路带负载时的接口问题电路带负载时的接口问题1 1、对于电流较小、电平能够匹配对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。的负载可以

42、直接驱动。（a a）用）用TTL门电路驱动发光二极门电路驱动发光二极管管LED，这时只要在电路中串接，这时只要在电路中串接一个约几百一个约几百W W的限流电阻即可。的限流电阻即可。VB&ACC（5V）360LEDV（5V）ABCC&继电器D中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路2 2、带大电流负载、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。VA&B&（a）CC继电器DV123（b）ABCC&负载中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路（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

43、以与有用的输入端并联使用。三、多余输入端的处理三、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。V&CCBA&AB（a）（b）1ABBA（a）（b）1中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路 本章小结本章小结 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

44、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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路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。中南大学信息科学与工程学院第二章 门电路 习题：