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1、1第1页，共145页，编辑于2022年，星期六第第3章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 本章重点讨论门电路的外特性，是对全书各种电路本章重点讨论门电路的外特性，是对全书各种电路进行分析的基础。进行分析的基础。重点内容：重点内容：1.1.半导体二极管、半导体三极管、半导体二极管、半导体三极管、MOS管的开关特性。管的开关特性。2.2.TTL门电路的外特性及其应用。门电路的外特性及其应用。3.CMOS门电路的外特性及其应用。门电路的外特性及其应用。2第2页，共145页，编辑于2022年，星期六w3.1 概述概述w3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路w3.3 TTL集成门电路集成门电路w3.
2、4 CMOS门电路门电路w3.5 各逻辑门的性能比较各逻辑门的性能比较第第3章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路3第3页，共145页，编辑于2022年，星期六3.1 概述概述w用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为为门电路门电路。常用的门电路有与门、或门、非门、与非。常用的门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。门、或非门、与或非门、异或门等。w从制造工艺方面来分类，从制造工艺方面来分类，数字集成电路数字集成电路可分为可分为双双极型、单极型和混合型极型、单极型和混合型三类。三类。4第4页，共145页，编辑于2022年，
3、星期六3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑w在数字电路中，用高、低电平来表示在数字电路中，用高、低电平来表示二值逻辑的二值逻辑的1和和0两种逻辑状态。两种逻辑状态。w获得高、低电平的基本原理电路如图表获得高、低电平的基本原理电路如图表示。示。开关开关S为半导体二极管或三极管为半导体二极管或三极管，通过输入信号控制二极管或三极管工通过输入信号控制二极管或三极管工作在截止和导通两个状态，以输出高作在截止和导通两个状态，以输出高低电平。低电平。5第5页，共145页，编辑于2022年，星期六w若用高电平表示逻辑若用高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑，低电平表
4、示逻辑0，则称这种表，则称这种表示方法为示方法为正逻辑正逻辑；若用高电平表示；若用高电平表示0，低电平表示，低电平表示1，则称这种表示方法为则称这种表示方法为负逻辑负逻辑。w若无特别说明，若无特别说明，w本书中将采用正逻辑本书中将采用正逻辑。3.2.1正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑a）正逻辑）正逻辑 b）负逻辑）负逻辑6第6页，共145页，编辑于2022年，星期六w由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可以知由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可以知道它所表示的逻辑状态了，所以高、低电平都有一个允道它所表示的逻辑状态了，所以高、低电平都有一个允许的范围。许的范围。w正因如此，在数字电路
5、中无论是对元器件参数精度正因如此，在数字电路中无论是对元器件参数精度的要求还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电的要求还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。路要低一些。7第7页，共145页，编辑于2022年，星期六3.2.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性1.二极管的符号二极管的符号正极正极-P极极负极负极-N极极8第8页，共145页，编辑于2022年，星期六2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性600400200 0.1 0.200.40.750100二极管二极管/硅管的伏安特性硅管的伏安特性V/VI/mA正向特性正向特性死区电压死区电压反向特性反向特性反向击穿特反向
6、击穿特性性9第9页，共145页，编辑于2022年，星期六二极管（二极管（PN结）的单向导电性：结）的单向导电性：PN结外加正偏电压结外加正偏电压（P端接电源正极，端接电源正极，N端接电源负极）端接电源负极）时，时，形成较大的正向电流形成较大的正向电流，PN结呈现较小的正向电阻；结呈现较小的正向电阻；外加外加反偏电压时，反向电流很小，反偏电压时，反向电流很小，PN结呈现很大的反向电结呈现很大的反向电阻。阻。2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性-二极管的单向导电性二极管的单向导电性10第10页，共145页，编辑于2022年，星期六3.二极管等效电路二极管等效电路图图3-5 二极管伏安特性的几种等效
7、电路二极管伏安特性的几种等效电路11第11页，共145页，编辑于2022年，星期六导通电压导通电压VON硅管取硅管取0.7V锗管取锗管取0.2V结论：结论：1.只有当外加正向电压（只有当外加正向电压（P极电压大于极电压大于N极电压）极电压）大于大于VON时，二极管才导通。时，二极管才导通。2.二极管导通后具有二极管导通后具有电压箝位电压箝位作用。作用。12第12页，共145页，编辑于2022年，星期六4.二极管的动态特性二极管的动态特性w在动态情况下，亦即加到二极管两端的电压突然反向时，在动态情况下，亦即加到二极管两端的电压突然反向时，电流的变化过程如图所示。电流的变化过程如图所示。Tre为反
8、向恢复时间，是为反向恢复时间，是反向电流衰减到峰值的反向电流衰减到峰值的1/10所经过的时间。所经过的时间。tre数值很小，约几纳秒。数值很小，约几纳秒。Tre13第13页，共145页，编辑于2022年，星期六因为半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，因为半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。制的开关。5.半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性14第14页，共145页，编辑于2022年，星期六VCC=5V当当vI为高电平（取为高电平（取VCC）时，）时
9、，VD截止，截止，vO为高电平。为高电平。5.半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性当当vI为低电平（取为低电平（取0V）时，）时，VD导通，导通，vO=0.7V，为低电平。，为低电平。15第15页，共145页，编辑于2022年，星期六3.2.3 二极管与门电路二极管与门电路A、B是输入逻辑变量，是输入逻辑变量，F是输出逻是输出逻辑函数。辑函数。当当A、B中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平（0V）时，）时，相应的二极管必然导通，输出相应的二极管必然导通，输出F则为低电平（为二极管的导通则为低电平（为二极管的导通电压，取电压，取0.7V）。）。16第16页，共145页，编辑于2022
10、年，星期六3.2.3 二极管与门电路二极管与门电路当输入当输入A、B都同时为高电平都同时为高电平（VCC）时，）时，两个二极管都截止，两个二极管都截止，输出输出F为高电平（为高电平（VCC）。）。17第17页，共145页，编辑于2022年，星期六与门原理分析与门原理分析w当当A、B中只要有一个为低电平时，输出中只要有一个为低电平时，输出F则为低电平；则为低电平；只有当输入只有当输入A、B都同时为高电平时，输出都同时为高电平时，输出F为高电平。为高电平。与门真值表与门真值表w实现了逻辑与的功能，实现了逻辑与的功能，w即：即：F=AB。18第18页，共145页，编辑于2022年，星期六3.2.4二
11、极管或门电路二极管或门电路A、B为输入逻辑变量，为输入逻辑变量，F为输出逻为输出逻辑函数。辑函数。A、B中只要有一个输入高电平中只要有一个输入高电平（VCC）时，）时，相应的二极管导通，使相应的二极管导通，使F输出高电平输出高电平（VCC-0.7V）。）。19第19页，共145页，编辑于2022年，星期六3.2.4二极管或门电路二极管或门电路当当A、B都输入低电平都输入低电平（0V）时，）时，由于由于R接的电源为接的电源为-VEE，两个二极管都导通，两个二极管都导通，F输出为低电平（输出为低电平（-0.7V）。）。20第20页，共145页，编辑于2022年，星期六A、B中只要有一个输入高电平时
12、，相应的二极管导通，使中只要有一个输入高电平时，相应的二极管导通，使F输出高电平，只有当输出高电平，只有当A、B都输入低电平时，都输入低电平时，F输出为低输出为低电平。电平。或门原理分析或门原理分析实现了逻辑或的功能，实现了逻辑或的功能，即：即：F=A+B。或门真值表或门真值表21第21页，共145页，编辑于2022年，星期六3.3 TTL（Transistor-Transistor-Logic)集成门电路集成门电路w由于由于TTL集成门电路中采用双极型三极管作为开关器集成门电路中采用双极型三极管作为开关器件，所以在介绍件，所以在介绍TTL电路之前，我们首先介绍一下双电路之前，我们首先介绍一下
13、双极型三极管的开关特性。极型三极管的开关特性。22第22页，共145页，编辑于2022年，星期六3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性1.双极型三极管的结构双极型三极管的结构w一个双极型三极管含有三个电极，分别为发射极（一个双极型三极管含有三个电极，分别为发射极（e）、）、基极（基极（b）和集电极（）和集电极（c），分为），分为NPN型和型和PNP型两种。型两种。由于它们在工作时有电子和空穴两种极性不同的载流由于它们在工作时有电子和空穴两种极性不同的载流子参与导电，故称为为双极型三极管。子参与导电，故称为为双极型三极管。23第23页，共145页，编辑于2022年，星期六图图3
14、.9 双极型三极管的两种类型双极型三极管的两种类型箭头表示箭头表示PN结的结的正偏正偏 方向方向发射结发射结集电结集电结24第24页，共145页，编辑于2022年，星期六2.双极型三极管的输入特性和输出特性双极型三极管的输入特性和输出特性1）输入特性曲线）输入特性曲线w以以NPN管为例，若以发射极（管为例，若以发射极（e）作为输入回路和输出回）作为输入回路和输出回路的公共电极，则称该电路为共发射极电路。测出表示输路的公共电极，则称该电路为共发射极电路。测出表示输入电压入电压vBE和输入电流和输入电流iB 之间的特性曲线。此曲线称为之间的特性曲线。此曲线称为输输入特性曲线入特性曲线。输入输入回路
15、回路输出输出回路回路25第25页，共145页，编辑于2022年，星期六w测出共射电路在不同测出共射电路在不同iB值下集电极电流值下集电极电流iC和集电极电压和集电极电压vCE之间关系的曲线，此曲线称为之间关系的曲线，此曲线称为输出特性曲线输出特性曲线。2）输出特性曲线）输出特性曲线26第26页，共145页，编辑于2022年，星期六三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 截止区截止区：发射结反：发射结反偏，集电结反偏偏，集电结反偏放大区放大区：发射结正：发射结正偏，集电结反偏偏，集电结反偏饱和区饱和区：发射结正：发射结正偏，集电结正偏。偏，集电结正偏。iC/mAuCE/V0 0
16、放放大大区区iB=0A20A20A40 A40 A截止区截止区饱饱和和区区60 A60 A80 A80 A27第27页，共145页，编辑于2022年，星期六三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 放大区：放大区：iC=iB饱和区：饱和区：UCES=0.3V截止区：截止区：ICEO1AiC/mAuCE/V0 0放放大大区区iB=0A20A20A40 A40 A截止区截止区饱饱和和区区60 A60 A80 A80 A28第28页，共145页，编辑于2022年，星期六3.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路w用用NPN型三极管取代下图中的开关型三极管取代下图中的开关S，就得
17、到了三极管，就得到了三极管开关电路。开关电路。29第29页，共145页，编辑于2022年，星期六当当vI为低电平时，三极管工作在截为低电平时，三极管工作在截止状态（截止区），输出高电平止状态（截止区），输出高电平vO VCC。当当vI为高电平时，三极管工作在饱为高电平时，三极管工作在饱和导通状态（饱和区），输出低电和导通状态（饱和区），输出低电平平vO 0V（VCES）。）。3.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路三极管相当一个受三极管相当一个受vI控制的开关控制的开关30第30页，共145页，编辑于2022年，星期六4.双极型三极管的开关等效电路双极型三极管的开关等效电路截止状态截止
18、状态 饱和导通状态饱和导通状态31第31页，共145页，编辑于2022年，星期六5.双极型三极管的动态开关特性双极型三极管的动态开关特性w在动态情况下，亦即三极管在动态情况下，亦即三极管在截止与饱和导通两种状态间迅在截止与饱和导通两种状态间迅速转换速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流时间，因而集电极电流ic的变化将滞后于输入电压的变化将滞后于输入电压vI的变的变化，在接成三极管开关电路以后，开关电路的输出电压化，在接成三极管开关电路以后，开关电路的输出电压vo的变化也必然滞后于输入电压的变化也必然滞后于输入电压vI的变化
19、。的变化。32第32页，共145页，编辑于2022年，星期六w这种滞后现象是由于三极管的这种滞后现象是由于三极管的b-e间、间、c-e间都间都存在结电存在结电容效应容效应的原因。的原因。33第33页，共145页，编辑于2022年，星期六6.晶体管非门电路晶体管非门电路 w由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门电路由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门电路（反相器）。（反相器）。当输入当输入A为低电平时，三极管截止，为低电平时，三极管截止，F输出为高电平；当输入输出为高电平；当输入A为高电平为高电平时，三极管饱和导通，输出时，三极管饱和导通，输出F为低为低电平。电平。实现了实现了逻辑
20、非逻辑非功能。功能。34第34页，共145页，编辑于2022年，星期六7.二极管晶体管门电路二极管晶体管门电路w将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管三极管与非门电路。二极管三极管与非门电路。（1）与非门电路）与非门电路35第35页，共145页，编辑于2022年，星期六（2）或非门电路）或非门电路w将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接，便构成将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管三极管或非门电路。了二极管三极管或非门电路。36第36页，共145页，编辑于2022年，星期六3.3.2 TTL与非门的电路结构
21、和工作原理与非门的电路结构和工作原理1.电路结构电路结构输入级输入级V1、R1倒相级倒相级V2、R2、R3输出级输出级V4、V5、VD3、R4保护二极管保护二极管:VD1、VD2图图3-18所示所示37第37页，共145页，编辑于2022年，星期六w输入端接有输入端接有用于保护的二极管用于保护的二极管VD1和和VD2。w当输入端加正向电压时，相应二极管处于反向偏置，具当输入端加正向电压时，相应二极管处于反向偏置，具有很高的阻抗，相当于开路；如果一旦在输入端出现负有很高的阻抗，相当于开路；如果一旦在输入端出现负极性的干扰脉冲，极性的干扰脉冲，VD1和和VD2便会导通，使便会导通，使A、B两端的两
22、端的电位被钳制在电位被钳制在-0.7V左右，以保护多发射极晶体管左右，以保护多发射极晶体管V1不致被损坏。不致被损坏。38第38页，共145页，编辑于2022年，星期六2.工作原理工作原理1）任意一个输入端加入）任意一个输入端加入低电平低电平，例如，例如A=vI=0.3V，则，则 vB1=0.3+0.7=1VvB1=1VV2、V5 截截 止止 V4、VD3导导 通通vo=VCC VR2 Vbe4 VVD3 =5 0.7 0.7 =3.6VF=1（高电平）（高电平）较小较小设设PN结导通电压为结导通电压为0.7V，三，三极管饱和管压降为极管饱和管压降为0.3V39第39页，共145页，编辑于20
23、22年，星期六vB1=2.1Vvo=0.3VvC2=1VV2,V5导通，三个导通，三个PN结的箝位作用使结的箝位作用使vB1=2.1V，V1发射发射结反偏。结反偏。vC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使不足以使V4、VD3同时导通同时导通V5导通，导通，V4、VD3截止，截止，vo=0.3V,F=0 低电平低电平2）两输入端同时输入）两输入端同时输入高高电平电平，A=B=vI=3.6V，40第40页，共145页，编辑于2022年，星期六3.3.3 TTL与非门的静态特征与非门的静态特征1.电压传输特性电压传输特性w如果将图如果将图3-3-18所示与非门的输入所示与非门的输入
24、A（或（或B）接高电平）接高电平3.6V，则输出电压随输入端，则输出电压随输入端B（A）所加电压的变化而变化的）所加电压的变化而变化的特征曲线，叫做特征曲线，叫做TTL与非门的与非门的电压传输特性电压传输特性。41第41页，共145页，编辑于2022年，星期六（1）AB段段w当当vI 0.6V时，因时，因V1管已处管已处于极深度饱和状态，饱和于极深度饱和状态，饱和压降只有压降只有0.1V，故使，故使vC10.7V，V2和和V5管都截止，管都截止，VD3和和V4管导通，输出为高管导通，输出为高电平，电平，AB段称为电压传输特性段称为电压传输特性的的截止区截止区。42第42页，共145页，编辑于2
25、022年，星期六（2）BC段段w当当0.6V vI1.3V时，时，0.7VvC11.4V，由于，由于V2管管的发射极电阻的发射极电阻R3直接接地，直接接地，故故V2管开始导通，并处于放管开始导通，并处于放大状态，所以其集电极电压大状态，所以其集电极电压 vC2 和输出电压和输出电压vO 随输入电随输入电压的增高而线性地降低，但压的增高而线性地降低，但V5管仍截止，此段称为管仍截止，此段称为线性线性区区。43第43页，共145页，编辑于2022年，星期六（3）CD段段w当当1.3VvIRON时认为输入为高电平，当时认为输入为高电平，当RIRON时认为输入为低电平。时认为输入为低电平。wTTL与非
26、门的与非门的输入端悬空输入端悬空，相当于在其输入端接一个阻值，相当于在其输入端接一个阻值为无穷大的电阻，也就是为无穷大的电阻，也就是相当于接高电平相当于接高电平。72第72页，共145页，编辑于2022年，星期六6.门电路多余输入端的处理门电路多余输入端的处理wTTL门电路的实际产品在使用时，如果有多余的输入端门电路的实际产品在使用时，如果有多余的输入端不用，一般不应悬空，以防干扰信号的串入，引入错误不用，一般不应悬空，以防干扰信号的串入，引入错误逻辑。逻辑。w不同逻辑门电路的多余输入端有不同的处理方法。不同逻辑门电路的多余输入端有不同的处理方法。73第73页，共145页，编辑于2022年，星
27、期六（1）TTL与门及与非门与门及与非门的多余输入端有以下几种处理方法的多余输入端有以下几种处理方法1）将其经）将其经13k 的电阻接至电源正端。的电阻接至电源正端。2）接输入高电平）接输入高电平VIH。3）与其它信号输入端并接使用。）与其它信号输入端并接使用。74第74页，共145页，编辑于2022年，星期六（2）TTL或门及或非门或门及或非门的多余输入端应接低电平或的多余输入端应接低电平或与其他输入端并接使用。与其他输入端并接使用。（3）与或非门与或非门一般有多个与门，使用时如果有多余一般有多个与门，使用时如果有多余的与门不用，其输入端必须接低电平，否则与或的与门不用，其输入端必须接低电平
28、，否则与或非门的输出将是低电平；如果某个与门有多个输非门的输出将是低电平；如果某个与门有多个输入端不用，其处理方法与与门相同。入端不用，其处理方法与与门相同。75第75页，共145页，编辑于2022年，星期六3.3.4 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性w在门电路的实际应用中，输入端所加的信号总是要不在门电路的实际应用中，输入端所加的信号总是要不断地从一个状态转换到另一个状态，而输出状态是否断地从一个状态转换到另一个状态，而输出状态是否能跟得上输入信号状态的变化？输出电压和输出电流能跟得上输入信号状态的变化？输出电压和输出电流的变化如何？这是门电路实际使用中必须关心的问题。的变化如何？这是
29、门电路实际使用中必须关心的问题。通常将门电路的输出电压和输出电流对输入信号的响通常将门电路的输出电压和输出电流对输入信号的响应曲线，叫做应曲线，叫做门电路的动态特性门电路的动态特性。76第76页，共145页，编辑于2022年，星期六1.传输延迟时间传输延迟时间w如果将理想矩形波的电压信号加到如果将理想矩形波的电压信号加到TTL与非门的输入端，与非门的输入端，由于三极管内部存储电荷的积累和消散都需要时间，而由于三极管内部存储电荷的积累和消散都需要时间，而且二极管、三极管和电阻等元器件都有寄生电容存在，且二极管、三极管和电阻等元器件都有寄生电容存在，故输出电压的波形不仅要比输入电压的波形滞后，而且
30、故输出电压的波形不仅要比输入电压的波形滞后，而且上升沿和下降沿均变得更斜。上升沿和下降沿均变得更斜。（传输延迟时间可从产品手册查出）（传输延迟时间可从产品手册查出）77第77页，共145页，编辑于2022年，星期六对于反相器来说，将输入电压波形上升沿的中点与输出电压波对于反相器来说，将输入电压波形上升沿的中点与输出电压波形下降沿的中点之间的时间差定义为输出由高电平到低电平的形下降沿的中点之间的时间差定义为输出由高电平到低电平的延迟时间，用延迟时间，用tPHL表示；表示；78第78页，共145页，编辑于2022年，星期六将输入电压波形下降沿的中点与输出电压波形上升沿的将输入电压波形下降沿的中点与
31、输出电压波形上升沿的中点之间的时间差，定义为输出由低电平到高电平的延中点之间的时间差，定义为输出由低电平到高电平的延迟时间，用迟时间，用tPLH表示。表示。79第79页，共145页，编辑于2022年，星期六在数字电路中有时也用平均传输延迟时间在数字电路中有时也用平均传输延迟时间tPD=(tPHL+tPLH)/2来表示门电路的传输延迟时间。来表示门电路的传输延迟时间。TTL门电路的平均传输延迟时间一般都小于门电路的平均传输延迟时间一般都小于30ns。80第80页，共145页，编辑于2022年，星期六3.3.5 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门w普通门电路是不允许将输出连接使普通门电路是不
32、允许将输出连接使用，否则当一个门的输出是高电平，用，否则当一个门的输出是高电平，而另一个门的输出低电平时，将产而另一个门的输出低电平时，将产生一个大的输出电流直接流入输出生一个大的输出电流直接流入输出低电平逻辑门的低电平逻辑门的V5管，不仅会使导管，不仅会使导通门通门输出低电平严重抬高输出低电平严重抬高，出现逻，出现逻辑错误，而且输出高电平门的辑错误，而且输出高电平门的V4管管也有被烧坏也有被烧坏的危险。的危险。1.集电极开路门集电极开路门-OC门（门（Open Collector）81第81页，共145页，编辑于2022年，星期六为将输出端连接使用，并增为将输出端连接使用，并增加门电路的驱动
33、能力，加门电路的驱动能力，可以将可以将TTL与非门的有与非门的有源负载去掉，使驱动管源负载去掉，使驱动管V5 改为集电极开路输出，改为集电极开路输出，称其为集电极开路门，称其为集电极开路门，简称简称OC门门。82第82页，共145页，编辑于2022年，星期六w实际使用时，实际使用时，OC门的输出端门的输出端应外接上拉电阻应外接上拉电阻RL至电源至电源VCC。83第83页，共145页，编辑于2022年，星期六如果将多个集电极开路门的输出端并联，便具有与输出如果将多个集电极开路门的输出端并联，便具有与输出功能，因此称为功能，因此称为“线与线与”。84第84页，共145页，编辑于2022年，星期六O
34、C门可用于数据总线系统中，还可用于高压驱动器、门可用于数据总线系统中，还可用于高压驱动器、七段译码驱动器等多种逻辑器件的输出以及电平转换七段译码驱动器等多种逻辑器件的输出以及电平转换电路。电路。OC门门 SN7407最大负载电流最大负载电流40mA，截止时耐压，截止时耐压30V，有较强的驱动能力。有较强的驱动能力。85第85页，共145页，编辑于2022年，星期六w为了使线与输出的高、低电平值能满足所在数字系统的要为了使线与输出的高、低电平值能满足所在数字系统的要求，对求，对RL数值的选择应进行粗略的计算数值的选择应进行粗略的计算。wRL与并联在一起的驱动门的个数与并联在一起的驱动门的个数n、
35、所接负载门的输入、所接负载门的输入端数端数m、负载门的个数、负载门的个数M以及线与输出的逻辑状态有关。以及线与输出的逻辑状态有关。w计算时，在保证线与逻辑电路能正常工作的条件下，计算时，在保证线与逻辑电路能正常工作的条件下，分别求出线与分别求出线与输出高电平时负载电阻值和输出低电平输出高电平时负载电阻值和输出低电平负载电阻值负载电阻值，然后选择一个合适电阻。，然后选择一个合适电阻。86第86页，共145页，编辑于2022年，星期六（1）当驱动门输出高电平时）当驱动门输出高电平时求负载电阻的最大值求负载电阻的最大值RLmax当驱动门输出高电平时，应使得当驱动门输出高电平时，应使得VOH VOHm
36、in驱动门驱动门个数个数负载门负载门输入端数输入端数87第87页，共145页，编辑于2022年，星期六（2）当驱动门输出低电平时）当驱动门输出低电平时 考虑电路工作最不利的情况考虑电路工作最不利的情况:假定只有一个假定只有一个OC门输出低电平，门输出低电平，此时流入此门此时流入此门V5管的集电极电流为最大管的集电极电流为最大求负载电阻的最小值求负载电阻的最小值RLmin当某驱动门输出低电平时，应使得当某驱动门输出低电平时，应使得VOL VOLmax负载门负载门个数个数88第88页，共145页，编辑于2022年，星期六 由以上分析可知，当由以上分析可知，当n个个OC门做线与连接时，门做线与连接时
37、，其上拉电阻其上拉电阻RL的取值应为的取值应为:89第89页，共145页，编辑于2022年，星期六w例例3-1 由三个集电极开路门组成线与输出，三个由三个集电极开路门组成线与输出，三个CT74 w 系列与非门作为负载，其电路连接如图所示。设线系列与非门作为负载，其电路连接如图所示。设线w 与输出的高电平与输出的高电平VOHmin=3.0V，每个集电极开路门，每个集电极开路门w 截止时其输出管流入的漏电流截止时其输出管流入的漏电流 IOH=2 A；w在满足在满足VOL 0.4V的条件下，驱动管的条件下，驱动管V5w饱和导通时所允许的最大灌饱和导通时所允许的最大灌w电流电流IOLmax=16mA。
38、负载门。负载门w的输入特性如图所示。的输入特性如图所示。w试计算线与输出时的试计算线与输出时的w负载电阻负载电阻RL。90第90页，共145页，编辑于2022年，星期六w解：由下图所示输入特性可得解：由下图所示输入特性可得 IIH=40 A,IIL=-1.5mA。91第91页，共145页，编辑于2022年，星期六根据以上计算根据以上计算 0.4kRL 8.1k，故，故可选可选2k 92第92页，共145页，编辑于2022年，星期六2.三态输出门三态输出门-TSL门门（Three State Logic门）门）w在数字系统中，为了使各逻辑部件在总线上能相互在数字系统中，为了使各逻辑部件在总线上能
39、相互分时传输信号，就必须有三态输出逻辑门电路，简分时传输信号，就必须有三态输出逻辑门电路，简称三态门。称三态门。w所谓所谓三态门三态门，即其输出不仅有，即其输出不仅有高电平和低电平高电平和低电平两种状态，两种状态，还有第三种状态还有第三种状态高阻输出状态高阻输出状态。93第93页，共145页，编辑于2022年，星期六1）三态与非门电路及逻辑符号）三态与非门电路及逻辑符号使能端高使能端高电平有效电平有效94第94页，共145页，编辑于2022年，星期六wEN=1时时,附加电路附加电路无作用。电路功能无作用。电路功能同同与非门与非门。wEN=0时时,V4、V5均均截止，电路输出为截止，电路输出为高
40、阻状态高阻状态95第95页，共145页，编辑于2022年，星期六使能端低使能端低电平有效电平有效在数字系统中，当某一逻辑器件被置于高阻状在数字系统中，当某一逻辑器件被置于高阻状态时，就等于把这个器件从系统中除去，而与态时，就等于把这个器件从系统中除去，而与系统之间互不产生任何影响。系统之间互不产生任何影响。96第96页，共145页，编辑于2022年，星期六2）利用三态门构成总线系统）利用三态门构成总线系统97第97页，共145页，编辑于2022年，星期六三态输出四总线缓冲器组成的两数据双向传输电路三态输出四总线缓冲器组成的两数据双向传输电路98第98页，共145页，编辑于2022年，星期六3.
41、4 CMOS门电路门电路 3.4.1MOS管的开关特性管的开关特性以金属以金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（Metal Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称，简称MOS管）管）作为的开关器件，在数字系统中已得到广泛应用。作为的开关器件，在数字系统中已得到广泛应用。与有触点的开关相比，其在速度和可靠性方面都具有优越性。与有触点的开关相比，其在速度和可靠性方面都具有优越性。99第99页，共145页，编辑于2022年，星期六1.1.绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(MOS)开关特性开关特性双极型三极管为电流控制电流源双极型
42、三极管为电流控制电流源MOS型三极管为电压控制电流源型三极管为电压控制电流源D DB BS SG GN N沟道沟道S SG GD DB BP P沟道沟道1 1）MOS管的结构及分类管的结构及分类 N沟道、沟道、P沟道增强型沟道增强型绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管100第100页，共145页，编辑于2022年，星期六2）NMOS管的输出特性管的输出特性101第101页，共145页，编辑于2022年，星期六（1）vI=vGS VTH,恒流区恒流区,放大放大（3）vI 再增加再增加，MOS管的导通管的导通电阻电阻Ron下降下降,当当RD Ron，VOL0 (开关闭合开关闭合)3）MOS三极管的基本开关
43、电路三极管的基本开关电路102第102页，共145页，编辑于2022年，星期六wMOS管相当于一个由栅源电压管相当于一个由栅源电压vGS 控制的无触点开关，控制的无触点开关，当输入信号为低电平时，当输入信号为低电平时，MOS管截止，相当于开关管截止，相当于开关“断断开开”，输出为高电平；，输出为高电平；w当输入信号为高电平时，当输入信号为高电平时，MOS管工作在可变电阻区，相管工作在可变电阻区，相当于开关当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。，输出为低电平。w图中图中Ron为为MOS管导通时的等效电阻，约为管导通时的等效电阻，约为1k。103第103页，共145页，编辑于2022年，星期六图图
44、3-44 MOS管的开关电路管的开关电路4）MOS管开关电路的动态特性管开关电路的动态特性104第104页，共145页，编辑于2022年，星期六5）三极管、）三极管、MOS管的比较管的比较cbNPN +edBsgN沟道沟道(增强型增强型)+sgdBP沟道沟道(增强型增强型)-电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源cbePNP -105第105页，共145页，编辑于2022年，星期六3.4.2CMOS反相器的电路结构及反相器的电路结构及工作原理工作原理wCMOS反相器是组成反相器是组成CMOS数字集成系统最基本的逻辑单元数字集成系统最基本的逻辑单元电路。由电路。由NMOS管和管
45、和PMOS管组合而成。管组合而成。106第106页，共145页，编辑于2022年，星期六当当vI为高电平时，为高电平时，VN导通，导通，VP截止，截止，vO为低电平。为低电平。由于由于CMOS反相器工作时总是只有一个管子导通，而另一反相器工作时总是只有一个管子导通，而另一个管子截止，故通常称之为互补式工作方式，因而把这种个管子截止，故通常称之为互补式工作方式，因而把这种电路叫做电路叫做互补对称式金属互补对称式金属-氧化物氧化物-半导体电路，简称半导体电路，简称CMOS电路电路。当当vI为低电平时，为低电平时，VP导通，导通，VN截止，截止，vO为高电平。为高电平。107第107页，共145页，
46、编辑于2022年，星期六3.4.3COMS反相器的传输特性反相器的传输特性w 用以描述用以描述COMS反相器输出电量与输入电量之间关反相器输出电量与输入电量之间关系的特性曲线，称为系的特性曲线，称为传输特性传输特性。w输出电压输出电压vO随输入电压随输入电压vI 的变化而变化的关系曲线，的变化而变化的关系曲线，叫做叫做电压传输特性电压传输特性。w电源流入反相器的功耗电流电源流入反相器的功耗电流 IDD与输入电压与输入电压vI之间的关之间的关系曲线，叫做系曲线，叫做电流传输特性电流传输特性。108第108页，共145页，编辑于2022年，星期六1.CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性
47、w 电压传输特性分为电压传输特性分为5个个工作区域：工作区域：wAB段，段，vI|VTP|，VP管导通，管导通，输出为高电平。输出为高电平。109第109页，共145页，编辑于2022年，星期六BC段，段，vIVTN，VN管开始管开始导通，但导通，但vO下降不多，而下降不多，而|vGSP|VTP|，VP管导通，管导通，输出为高电平。输出为高电平。110第110页，共145页，编辑于2022年，星期六wCD段段w随着随着vI的继续升高，输出的继续升高，输出vO将将进一步下降，进一步下降，VN和和VP管均导管均导通，并工作在饱和区，所以通，并工作在饱和区，所以vO随随vI改变而急剧变化，这一区改变
48、而急剧变化，这一区段称为传输特性的转折区或段称为传输特性的转折区或放大区。转折区的中点约在放大区。转折区的中点约在vI=1/2VDD,vO=1/2VDD的位置上。的位置上。111第111页，共145页，编辑于2022年，星期六w DE段段wvI继续增加时，继续增加时，vO将进一步下将进一步下降，降，VN管进入了低内阻的线管进入了低内阻的线性区，性区，VP仍工作在饱和区，输仍工作在饱和区，输出出vO趋于低电平。趋于低电平。112第112页，共145页，编辑于2022年，星期六wEF段段w当输入电压增加到高电平当输入电压增加到高电平（如（如VDD）时，）时，VN导通且工导通且工作在线性区，作在线性
49、区，|vGSP|=|vI-VDD|VTP|，VP管截止，输管截止，输出为低电平，近似为出为低电平，近似为0。113第113页，共145页，编辑于2022年，星期六wCMOS器件的电源电压从器件的电源电压从3V到到18V都能正常工作，当电源都能正常工作，当电源电压电压VDD取不同数值时，取不同数值时，CMOS反相器的电压传输特性如反相器的电压传输特性如图所示。图所示。w由图可以看出，随着电源电压由图可以看出，随着电源电压VDD的增加，其噪声容限的增加，其噪声容限VNL和和VNH也都相应地增大。也都相应地增大。114第114页，共145页，编辑于2022年，星期六2.CMOS反相器的电流传输特性反
50、相器的电流传输特性w漏极电流漏极电流iD随输入电压随输入电压vI的的变化而变化的关系曲线，变化而变化的关系曲线，叫做叫做电流传输特性电流传输特性。115第115页，共145页，编辑于2022年，星期六（1）AB段段，VN管截止，管截止，VP管导通，电源管导通，电源经经 VN管和管和VP 管到地只有一个微小的漏管到地只有一个微小的漏电流流过，此电流几乎等于零。电流流过，此电流几乎等于零。（2）BC段段和和DE段段，VN管和管和VP管都同时管都同时导通，所以漏极电流较大，而且在导通，所以漏极电流较大，而且在VDD/2附近达到最大值。附近达到最大值。（3）EF段段，VP管截止，漏极电流近似管截止，漏