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1、第三章第三章 门电路门电路3.1 概述概述3.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性 3.3 CMOS门电路门电路3.4 TTL集成门电路集成门电路（全书对电路进行分析的基础）内容：基本门的内、外特性和应用 3.1 概述概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：门电路主要有：与门与门、或门或门、与非门与非门、或或非门非门、异或门异或门等。等。双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门按制造工艺分按制造工艺分TTLECLI2LHTLPMOSNMOSCMOS
2、SSISSI：小规模集成电路：小规模集成电路MSIMSI：中规模集成电路：中规模集成电路LSILSI：大规模集成电路：大规模集成电路VLSIVLSI：超大规模集成电路（：超大规模集成电路（-困难可编程逻辑器困难可编程逻辑器件件-现场可编程逻辑器件）现场可编程逻辑器件）按门的规模分类按门的规模分类在数字电路中，一般用高电平代表在数字电路中，一般用高电平代表1、低、低电平代表电平代表0，即所谓的，即所谓的正逻辑系统正逻辑系统。反之，用高电平代表反之，用高电平代表0、低电平代表、低电平代表1，即所谓的即所谓的负逻辑系统负逻辑系统。获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理(a)(b)缺陷？缺陷
3、？数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。逻辑变量两状态开关：在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；电子开关有两种状态：闭合、断开。半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1 二极管的开关特性：二极管的开关特性：正向导通时UD(ON)0.7V（硅）0.3V（锗）RD几 几十相当于开关闭合 二极管的伏安特性曲线反向截止时反向饱和电流微小反向电阻很大（约几百k）相当于开关断开 二极管的伏安特性曲线二极管伏安特性的几种近似二极管伏安特性的几种近似导通：导
4、通：ui 死区电压（死区电压（0.5V），正向），正向压降压降UD（0.7V）相当于开关导通。相当于开关导通。截止截止：ui VGS(th)（开（开启电压）产生有漏极电流启电压）产生有漏极电流iD。这说。这说明明vGS对对iD的限制作用。的限制作用。二二 MOS管的输入特性和输出特性：管的输入特性和输出特性：恒流区截止区：vGSvGSth，iD产生产生,D、S间相当于开关闭间相当于开关闭合合VGS(th)截止区2VGS(th)转移特性曲线转移特性曲线uItuOt+VDD0V栅栅漏漏源源几十几十K Ui=0,UiUGS(th),UO=0三三 MOS管的基本开关电路管的基本开关电路五五 P沟道增加
5、型沟道增加型MOS管管输出特性曲线输出特性曲线Ui=0,UiUGS(th),UO=VDDUi=VDD,UiUGS(th),UO=0NMOS管和管和PMOS管的通断条件管的通断条件NMOS当当vGSVGS(th)时导通时导通当当vGSVGS(th)时截止时截止PMOS当当vGS VGS(th)时导通时导通 当当vGS VGS(th)时截止时截止 3.3.2 CMOS3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理NMOS管管PMOS管管CMOS电路电路一、反相器的电路结构一、反相器的电路结构PMOSNMOS 衬衬底底与与漏漏源源间间的的PNPN结结始始终终处处于于反反偏偏
6、，NMOSNMOS管管的的衬衬底底总总是是接接到到电电路路的的最最低低电电位位，PMOSPMOS管管的的衬衬底底总是接到电路的总是接到电路的最高电位。最高电位。柵柵极极相相连连作输入端作输入端漏极相漏极相连作输连作输出端出端 VDD=515V典型典型10VPMOS管管vGS1=0VGS(th)T1截止截止ROFF 100M；NMOS管管VGS=VDD T2导通导通RON 1K ；1.当当Vi=VIH=VDD时时工作原理：工作原理：GGDDSS1.当当Vi=0时时PMOS管管VGS=VDDT1导通，导通，RON 1K NMOS管管VGS=0 T2截截止，止，ROFF 100M ；实现逻辑实现逻辑
7、“非非”功能功能二二、传输特性传输特性 当当vi=VDD/2=VTH阈值时阈值时通常通常:viVTH算输入高电平算输入高电平viVTH算输入低电平算输入低电平T1通通 T2止止,T1,2通通,T1止止 T2通通当当vi=VDD/2=VTH时时VGS1=5VVTN，T2通通此时功耗剧增此时功耗剧增vi 应避开应避开“半高半高”输入输入无半高无半高下下,CMOS电路电路微功耗微功耗三三.输入端噪声容限输入端噪声容限输入高电平噪声允输入高电平噪声允许范围许范围VNH输入低电平噪声允输入低电平噪声允许范围许范围VNLVNH=VOH(min)-VIH(min)VNL=VIL(max)-VOL(max)V
8、OH(min)=VDD-0.1VVOL(max)=VSS+0.1V VDD：5 18VViHmin=VDD70%阈值阈值VTH=VDD50%ViLmax=VDD30%74HC系列系列输入爱护电压输入爱护电压VDD+VD1 工作区工作区 D1通通D2通通一、输入特性一、输入特性3.3.3.CMOS非门静态输入非门静态输入(出出)特性特性 保护区保护区 二二、输出特性输出特性 RLVDDRL以以74HC为例：为例：VDD=5V时时，IO|4mA|4mAVOHmin=4.4V+4mAVOLmax=0.1V4mAVOHmin=4.4V+4mAVOLmax=0.1VVOH=5VVOL0不同系列的结构和参
9、数有所不同不同系列的结构和参数有所不同“0”“1”有有0出出1全全1出出0全全0出出1有有1出出0(全全0出出1)(全全1出出0)(全全0出出1)(全全1出出0)优点：简洁优点：简洁影响负载实力影响负载实力N值值3.3.5 其它类型的其它类型的CMOS门门一、基本门一、基本门改进改进或非或非全全0出出1有有1出出0与非与非有有0出出1全全1出出0二、二、OD门门(漏极漏极D开路开路)及应用及应用 电平转换芯片：电平转换芯片：“1”=3.4V“0”=0.3V=5VAB=18V“1”=18V“0”=0V适于适于TTL驱动驱动CMOS 逻辑符号：实现实现线与线与功能功能线与连接方法：线与逻辑符号：V
10、OH=VDD IRLRL=VDD(nIOH+mIIH)RLRL的计算的计算(1)输出高电平输出高电平VOH时时计算计算RLmaxn为为并并联联驱驱动动OD门门的的总总数数;m为负载门电路输入电流的数目为负载门电路输入电流的数目IOH是是OD门门输输出出管管截截止止时时的的漏电流漏电流IIH是是每每个个输输入入端端的的高高电电平平输输入电流入电流总电流总电流IRL等于分电流之和等于分电流之和nIOH+mIIH；R=VR/IR总总分分1分分2RLmax=(2)输出低电平输出低电平VOL时时计算计算RLminVOL=VDDIRLRL=VDD(IOLMmIIL)RLRLmin=m为为负负载载门门电电路
11、路输输入入电电流的数目流的数目IOLM是是OD门门最最大大允允许许负负载电流载电流IIL是是每每个个输输入入端端的的低低电电平输入电流平输入电流总电流总电流IOLM等于分电流之和等于分电流之和IRL+mIIL；R=VR/IR总总分分1分分2例：如图所示电路，G1,G2,G3为OD输出的与非门74HC03，输出高电平的漏电流最大值为IOH(max)=5uA，输出低电平为VOL(max)=0.33V允许的最大负载电流为IOL=5.2mA.负载门74HC00的高电平输入电流最大值IIH(max)和低电平输入电流最大值IIl(max)均为1uA。其它参数：VDD=5V,VOH 4.4V,VOL 0.3
12、3V。求RL的取值范围三三.双向模拟开关、传输门双向模拟开关、传输门(TG)控制信号控制信号N沟道沟道P沟道沟道 C=0，N沟沟道道T1截截止止，同同时时 =1，P沟道沟道T2截止截止，表示，表示阻断阻断(ROFF109)低电平有效低电平有效C=1，同同时时 =0，T1，T2至至少少一一个个导通导通,表示表示传输传输(RON200)利用利用CMOSCMOS传输门及传输门及CMOSCMOS反相器可构成各种困难的逻辑电路，反相器可构成各种困难的逻辑电路，如数据选择器、寄存器及计数器等，也可构成模拟开关。如数据选择器、寄存器及计数器等，也可构成模拟开关。四、四、TS三态门三态门低电平有效三态非门低电
13、平有效三态非门 P沟道沟道 N沟道沟道低电平有效三态低电平有效三态单向单向传输门传输门 P沟道沟道 N沟道沟道 高电平有效三态高电平有效三态单向单向传输门传输门 P沟道沟道 N沟道沟道低电平有效三态非门低电平有效三态非门 练习：如图所示，求输出端的表达式练习：如图所示，求输出端的表达式即：即：X=A，则，则Y=X B=A B解解:ATG X 0 1 X通断三态门广泛用于数据总线结构三态门广泛用于数据总线结构要求:任何时刻只能有一个限制端有效，即只有一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。当EN=0时，门1工作，门2高阻，数据D0经门1反相后送到总线上当EN=1时，门1高阻，门2工作，数据D1经
14、门2反相后送入电路内部。双向传输双向传输解解:(1)输入电压输入电压uI为为0V时，时，三极管反偏截止，三极管反偏截止，uO=UCC=5V(2)当输入电压当输入电压uI为为5V时，时，设三极管饱和设三极管饱和，所需基极饱，所需基极饱和电流：和电流：实际基极电流实际基极电流:假设三极管假设三极管饱和饱和导通导通成立成立，uO=0.3V3.5 TTL门电路门电路求求UI=0V和和5V时输出时输出UO电平电平3.5.1 三极管的开关特性三极管的开关特性(三极管反相器)3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理5V输入爱护输入爱护T1Ui不低于不低于Vimin=0.7VID1
15、=20mA一一.电路结构电路结构1、输入为低电平、输入为低电平“0”=0.3V时时“0”1VTTL门电路门电路5V0.3V三个三个PN结导通需结导通需2.1V T2、T5截止截止截止截止通常：通常：uO=5-uR2-ube4-uD2 3.4V(高电平高电平)深饱和深饱和(RC1为反向为反向PN结结大电阻大电阻ROFF)0.4V2、输入为高电平、输入为高电平“1”=3.4V时时+VCC(Uo)(Ui)D2D1AYR14KT1R21.6KR4130T5T4T2R31KTTL门电路门电路3.4V2.1V1.4V0.7V1V=5V饱和饱和VCES=0.3VVCVB1.4V,VB1=2.1V,T1倒置倒
16、置T2及及T5饱和饱和T4截止截止转折区转折区:Vi=1.4V,VB1=2.1v,VB2=1.4V T1导通导通T2及及T5导导通通T4趋向截止趋向截止,vo速降速降线性区线性区BC:Vi=0.6-1.3V,VB1=1.3-2.0V,VB2=0.6-1.3V T1导通导通,T2线性放大线性放大,VC2下降下降,T5截止截止,T4导通导通 截止区截止区AB:Vi=0-0.6V,VB1T1深饱和深饱和,T2、T5,截止截止T4导通，导通，VOH=3.4V阈值阈值UT=1.4V实实际际电电压压传传输输特特性性二、电压传输特性1、输出高电输出高电UOH、输出低电平输出低电平UOL UOH 2.4;UO
17、L 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值UOH=3.4V UOL 0.3V。uiUT时，认为时，认为ui是高电平。是高电平。TTL门电路门电路三三.输入端噪声输入端噪声(N)容限容限输入高电平噪声允输入高电平噪声允许范围许范围VNH=0.4V输入低电平噪声允输入低电平噪声允许范围许范围VNL=0.4V2.阈值阈值UT=1.4V？前后级之间电流的联系前后级之间电流的联系:进进(+)出出(-)后级有输入特性后级有输入特性(V/A)规定规定:流进为正流进为正(+),流出为负流出为负(-)TTL门电路门电路前级有输出特性前级有输出特性(V/A)规定规定:流进为正流进为正(+),流出为负流出为
18、负(-)3.5.3TTL非门静态输入、输出特性非门静态输入、输出特性TTLTTL门电路门电路T1倒置产生倒置产生iI(+)一一.输入特性输入特性T1深饱深饱和产生和产生iI()状态二、输出特性二、输出特性T4放大工作区放大工作区1、VCC=ILR4+VCE4+VD2+VOH（重重量量电电压压叠叠加加等等于于电电源源VCC）1.高电平输出高电平输出(T5截止截止)TTL门电路门电路2、T4通通常常工工作作在在放放大大区区：IL低低VCE4高高，IL高高VCE4低低，使使VOH平平稳；而当稳；而当T4饱和时饱和时,VCE4=0.3V恒定恒定,此时此时IL大大VOH低低VCEICTTL门电路门电路2
19、.低电平输出（低电平输出（T5饱和饱和）特性）特性T4截止截止T5饱和，饱和，RCE510VOlmax=0.4V(74系列系列)，ILmax=0.4V/10=40mA留意：留意：TTL逻辑门低电平驱动实力比高电平强逻辑门低电平驱动实力比高电平强前级前级前级输出为前级输出为 低电平常低电平常后级后级求门电路输出驱动同类负载门的个数（求门电路输出驱动同类负载门的个数（扇出系数扇出系数N）练习练习1 IOL=10mAVOL=0.3V，VCC=5V求求NL前级输出为前级输出为 高电平常高电平常前级前级后级后级倒置倒置求门电路输出驱动同类负载门的个数（求门电路输出驱动同类负载门的个数（扇出系数扇出系数N
20、）TTLTTL门电路门电路TTL门电路门电路三、输入端负载特性三、输入端负载特性（Vi/Ri）RP小小uiNH（2）若将电路中的芯片改为）若将电路中的芯片改为74S20(4与非二与非二),其门其门参数同参数同74S00，此时，此时GP的扇出系数的扇出系数N又为多少？又为多少？共发：输入基极，输出集电极，反相共发：输入基极，输出集电极，反相共集：输入基极，输动身射极，同相共集：输入基极，输动身射极，同相共基：输入放射极，输出集电极，同相共基：输入放射极，输出集电极，同相2、或非门、或非门GPG1Gn 22 54 止止 止止 止止 通通 1 止止 通通 通通 止止 通通 止止 通通 止止 通通 通
21、通 通通 止止 有有1出出0全全0出出1独立、并联呈或关系独立、并联呈或关系T1个数个数发射极数发射极数3、与或非门、与或非门（1.,2.结合）结合）TTLTTL门电路门电路发射极数发射极数T1个数个数TTLTTL门电路门电路4、异或门、异或门&GPG1Gn发射极数发射极数T1个数个数 TTL门输出端并联问题门输出端并联问题留留意意：推推拉拉式式任任何何门门的的输输出出端端禁禁止止干干脆脆并并联联,否否则则易易过过流流损损坏坏器件（器件（32mA）10与非门与非门1输出高输出高电平，电平，T5截止。截止。VccR4门门1的的T4门门2的的T5产生一个很产生一个很大的电流。大的电流。与非门与非门
22、2输出低输出低电平，电平，T5导通。导通。二、二、集电极开路集电极开路的与非门（的与非门（OC门）门）当当将将两两个个TTL“与与非非”门输出端干脆并联时：门输出端干脆并联时：产产生生一一个个大大电电流流（相相当当电电源源尖尖峰峰电电流流ICCM）1.抬抬高高门门2输输出出低低电电平平;2.会会因因功功耗耗过过大大损损坏坏门器件。门器件。无无T3,D集电极悬空集电极悬空二、二、集电极开路集电极开路的与非门（的与非门（OC门）门）&符号符号！+5VYR2R13kT2R3T1T5b1c1ABCT3D+5VYR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC应用时输出端要接一上拉电阻应用时输出端要接一上拉电
23、阻R RL LRLUCCA,B,C有有0,VB1=0.9V,VOHA,B,C全全1,VB1=2.1V,VOL即：即：Y=1、OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能功能相当于相当于“与门与门”逻辑等逻辑等效符号效符号0001111000 1 1 0 101 1 1 0 111 0 0 0 010 1 1 0 1优优点点:省省1个个与与门门;缺缺点点:多多电电阻阻RL,且且要要计计算算取取值值;特特点点:驱驱动动实实力力大大(40mA);用途用途:电平转换电平转换,功率输出功率输出有有0出出1全全1出出0 YVOH=VCC IRLRL=VCC(nIOH+mIIH)RL2.RL的计算的计算(1)输
24、出高电平输出高电平VOH时时计算计算RLmaxn为为驱驱动动门门的的总总数数;m为为负负载载门输入端放射极的总数门输入端放射极的总数IOH是是T5截截止止时时的的穿穿透透电电流流(ICEO)IIH是是T1倒倒置置时时的的高高电电平平输输入电流入电流弄清弄清max,min的关系的关系总电流总电流IRL等于分电流之和等于分电流之和nIOH+mIIH；R=VR/IR总总分分1分分2RLmax=(2)输出低电平输出低电平VOL时时计算计算RLminVOL=VCCIRLRL=VCC(IOLMmIIL)RLRLmin=m为负载门为负载门T1的的总数总数IOLM是是OC门门最最大大允允许许电电流流(手册规定
25、手册规定)IIL是门低电平输入电流是门低电平输入电流弄清弄清max,minmax,min的关系的关系总电流总电流IOLM等于分电流之和等于分电流之和IRL+mIIL；R=VR/IR总总分分1分分2例：例：练习练习9 求求RLm为负载门输入端放射极的总数为负载门输入端放射极的总数m为负载门为负载门T1的的总数总数三、三态输出门（三、三态输出门（TSL门）门）DEN限制端限制端-+5VYR4R2R1T2R3T1T5A BT4D201截止截止DEN+5VYR4R2R1T2R3T1T5A BT4D210导通导通截止截止截止截止高阻态高阻态DEN+5VYR4R2R1T2R3T1T5A BT4D2功能表功
26、能表低电平有效低电平有效&ABYEN输出输出Y端处于高阻状态记为端处于高阻状态记为Z。当当 EN=1时，时，当当 EN=0时，电路执行正常与非功能时，电路执行正常与非功能Y=AB。EN使能端使能端TSL门门输输出出具具有有高高、低低电电平平状状态态外外，还还有有第第三三种种输输出出状状态态 高高阻状态阻状态，又称，又称禁止态或失效态。禁止态或失效态。三态门三态门特点特点P=EN=1，D止止EN=1EN=0Y悬空悬空EN=0,D通通,VB1=VB4=1V&GPG1GnC(同济同济2001)应用应用1：两式合一要乘限制条件两式合一要乘限制条件EN Y=T2,T5止止;T4止止即即:Y悬悬空空-高高
27、阻阻态态功能功能:高电平有效高电平有效三态与非门三态与非门EN限制端上无小圈限制端上无小圈(用原变量用原变量)三态门广泛用于数据总线结构三态门广泛用于数据总线结构应用应用2：要求要求:任何时刻只能有一个限制端有效，即只有一个任何时刻只能有一个限制端有效，即只有一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。门处于数据传输，其它门处于禁止状态。EN1EN2EN3公公用用总总线线BUSENENEN 控控制制信信号号EN1、EN2、EN3分时接入高电平分时接入高电平 0 1t当当EN=0时，门时，门1工作，门工作，门2禁止，数据从禁止，数据从A反向反向送送到到B当当EN=1时，门时，门1禁止，门禁止，门2工作，数据从工作，数据从B反向反向送送到到A。应用应用3：双向传输：双向传输ENVCCABCDINHYC有有0出出1全全1出出0有有1出出0全全0出出1