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1、第三章第三章 逻辑门电路逻辑门电路 3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路 3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路 3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题1 3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介 3.1.2 逻辑电路的一般特性逻辑电路的一般特性 3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路 3.1.4 CMOS反相器反相器 3.1.5 CMOS逻辑门电路逻辑门电路 3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路漏极开路门和三态输出门电路 3.1.7 CMOS传输门传输门 3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参
2、数逻辑门电路的技术参数 3.1.9 NMOS门电路门电路3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路21、逻辑门、逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，如与门，与非门，或门等等。如与门，与非门，或门等等。门电路中以高门电路中以高/低电平表示逻辑低电平表示逻辑状态的状态的1/0。2、逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3v数字集成电路产
3、品的种类有很多种。数字集成电路构成了数字集成电路产品的种类有很多种。数字集成电路构成了各种逻辑电路，如各种门电路、编译码器、各种逻辑电路，如各种门电路、编译码器、触发器、计数触发器、计数器、寄存器等。他们广泛应用在生活中的各个方面，小至器、寄存器等。他们广泛应用在生活中的各个方面，小至电子表，大至计算机，都是由数字集成电路构成。电子表，大至计算机，都是由数字集成电路构成。v从集成结构上来分，数字集成电路分为双极型电路（从集成结构上来分，数字集成电路分为双极型电路（TTL、ECL、HTL等）、等）、MOS型（型（PMOS、NMOS、CMOS）、）、BiMOS型（型（BiMOS和和BiCMOS）。
4、）。vCMOS电路相比于电路相比于TTL，具有功耗低、工作电压范围宽、，具有功耗低、工作电压范围宽、抗干扰能力强等优点，工作速度也已经赶上甚至超过抗干扰能力强等优点，工作速度也已经赶上甚至超过TTL电路，因此几乎所有超大规模存储器以及电路，因此几乎所有超大规模存储器以及PLD器件均采用器件均采用CMOS工艺制造，且成本较低。工艺制造，且成本较低。4双极型集成电路双极型集成电路双极型数字双极型数字集成电路集成电路饱和型集成饱和型集成电路电路抗饱和型集成电路抗饱和型集成电路-非饱和型集成电路非饱和型集成电路-直接耦合晶体管集成电路（直接耦合晶体管集成电路（DCTL）电阻电阻-晶体管集成电路（晶体管
5、集成电路（RTL）二极管二极管-晶体管集成电路（晶体管集成电路（DTL）高阀值晶体管集成电路（高阀值晶体管集成电路（HTL）晶体管晶体管-晶体管集成电路（晶体管集成电路（TTL）集成注入集成电路（集成注入集成电路（I2L）肖特基晶体管肖特基晶体管-晶体管集成电路晶体管集成电路（STTL）发射极耦合集成电路（发射极耦合集成电路（ECL）5双极型集成电路双极型集成电路 TTL系列系列TTL电路是晶体管电路是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写（晶体管逻辑电路的英文缩写（Transistor-Transistor-Logic），是），是数字集成电路的一大门类。它采用双极型工艺制造，具有高速度低功耗和品种
6、多等数字集成电路的一大门类。它采用双极型工艺制造，具有高速度低功耗和品种多等特点。特点。从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品：从六十年代开发成功第一代产品以来现有以下几代产品：第一代第一代TTL包括包括SN54/74系列，（其中系列，（其中54系列工作温度为系列工作温度为-55+125，74系列系列工作温度为工作温度为0+75)，低功耗系列简称，低功耗系列简称LTTL，高速系列简称，高速系列简称HTTL。第二代第二代TTL包括肖特基箝位系列（包括肖特基箝位系列（STTL)和低功耗肖特基系列（和低功耗肖特基系列（LSTTL）。）。第三代为采用平面工艺制造的第三代为采用平面工艺制造的S
7、TTL(ASTTL)和低功耗和低功耗STTL（ALSTTL）。由于）。由于LSTTL和和ALSTTL的电路延时功耗积较小，的电路延时功耗积较小，STTL和和ASTTL速度很快，因此获得了速度很快，因此获得了广泛的应用。广泛的应用。电路类型电路类型TTL数字集成电路约有数字集成电路约有400多个品种，大致可以分为以下几类：多个品种，大致可以分为以下几类：门电路、译码器门电路、译码器/驱动器、触发器、计数器、移位寄存器、单稳驱动器、触发器、计数器、移位寄存器、单稳/双稳电路和多谐振双稳电路和多谐振荡器、荡器、加法器、乘法器、奇偶校验器、加法器、乘法器、奇偶校验器、码制转换器、线驱动器码制转换器、线
8、驱动器/线接收器、多路开线接收器、多路开关、存储器关、存储器6CMOS集成电路集成电路CMOS，全称，全称Complementary Metal Oxide Semiconductor，即互补金属氧，即互补金属氧化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用化物半导体，是一种大规模应用于集成电路芯片制造的原料。采用CMOS技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管（技术可以将成对的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）集成在）集成在一块硅片上。该技术通常用于生产一块硅片上。该技术通常用于生产RAM和交换应用系统，在计算机领域和交换应用系统，在计算机领域里通常指保存计算机基本
9、启动信息里通常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等如日期、时间、启动设置等)的的ROM芯芯片。片。CMOS由由PMOS管和管和NMOS管共同构成，它的特点是低功耗。由于管共同构成，它的特点是低功耗。由于CMOS中一对中一对MOS组成的门电路在瞬间要么组成的门电路在瞬间要么PMOS导通、要么导通、要么NMOS导通、要导通、要么都截至，比线性的三极管么都截至，比线性的三极管(BJT)效率要高得多，因此功耗很低。效率要高得多，因此功耗很低。相对于其他逻辑系列相对于其他逻辑系列,CMOS逻辑电路具有以下优点逻辑电路具有以下优点:1、允许的电源电压范围宽，方便电源电路的设计、允许的电源电压
10、范围宽，方便电源电路的设计2、逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强、逻辑摆幅大，使电路抗干扰能力强3、静态功耗低、静态功耗低4、隔离栅结构使、隔离栅结构使CMOS器件的输入电阻极大，从而使器件的输入电阻极大，从而使CMOS器件驱动器件驱动同类逻辑门的能力比其他系列强得多。同类逻辑门的能力比其他系列强得多。7CMOS电路的优势电路的优势CMOS发展比发展比TTL晚，但是以其较高的优越性在很多场合逐晚，但是以其较高的优越性在很多场合逐渐取代了渐取代了TTL。以下比较两者性能，大家就知道其中原因。以下比较两者性能，大家就知道其中原因。1.CMOS是场效应管构成，是场效应管构成，TTL为双极晶体管构成；为双
11、极晶体管构成；2.CMOS的逻辑电平范围比较大（的逻辑电平范围比较大（515V），），TTL只能只能在在5V下工作；下工作；3.CMOS的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，的高低电平之间相差比较大、抗干扰性强，TTL则相差小，抗干扰能力差；则相差小，抗干扰能力差；4.CMOS功耗很小，功耗很小，TTL功耗较大（功耗较大（15mA/门）；门）；5.CMOS的工作频率较的工作频率较TTL略低，但是高速略低，但是高速CMOS的速的速度与度与TTL相当。相当。81.CMOS集成电路集成电路:广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000系列系列74HC 74HCT
12、74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不兼容不兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低(超低超低)电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 74系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路:广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路CMOS和和TTL集成集成电路的电路的发展及应用发展及应用93.1.2 逻辑电路
13、的一般特性逻辑电路的一般特性输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平噪声容限噪声容限传输延迟时间传输延迟时间功耗（静态和动态）功耗（静态和动态）延时延时功耗积功耗积扇入数与扇出数扇入数与扇出数101.1.输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIH(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOL(max)1输出输出0输出输出1输入输入0输入输入111.VH 和和 VL都是对具体门输入输出高、低电平电压值的要都是对具体门输入输出高、低电
14、平电压值的要求。求。2.在正逻辑体制中，用逻辑在正逻辑体制中，用逻辑1和和0分别表示高分别表示高、低电平。、低电平。3.高电平表示逻辑状态高电平表示逻辑状态1，低电平表示逻辑状态，低电平表示逻辑状态0，一种状态，一种状态对应一定的电压范围，而不是一个固定值。对应一定的电压范围，而不是一个固定值。当逻辑电路的当逻辑电路的输入信号在一定范围内变化时，输出电压并不会改变。输入信号在一定范围内变化时，输出电压并不会改变。注意：注意：12VNH 当前级门输出高电平的最小值当前级门输出高电平的最小值时时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声
15、容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2.噪声容限噪声容限VNH=VOH(min)VIH(min)VNL=VIL(max)VOL(max)噪声容限噪声容限表示门电路的抗干扰能力，指表示门电路的抗干扰能力，指在保证输出电平不变的条在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。件下，输入电平允许波动的范围。13类型类型参数参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)782.1
16、0.93.传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间144.4.功耗功耗静态功耗：静态功耗：指的是当电路的输出没有状态转换时的功耗，即门指的是当电路的输出没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流电路空载时电源总电流ID与电源电压与电源电压VDD的乘积。的乘积。动态功耗：动态功耗：指的是电路在输出发生状态转换时的功耗。指的是电路在输出发生
17、状态转换时的功耗。CMOS电路的动态功耗主要由两部分组成：电路的动态功耗主要由两部分组成：由状态转换瞬间大电流引起：由状态转换瞬间大电流引起：由由CMOS管的电容性负载充放电引起：管的电容性负载充放电引起：CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功门电路有动态功耗，动态功耗正比于转换频率和电源电压的平方。耗，动态功耗正比于转换频率和电源电压的平方。对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。155.延时延时 功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标-延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP表示表示扇入数：取决于逻辑
18、门的输入端的个数。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。6.扇入与扇出数扇入与扇出数扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。的最大数目。扇出数的计算分两种情况扇出数的计算分两种情况:(a)拉电流和拉电流和(b)灌电流灌电流16（a）带拉电流负载（高电平输出）带拉电流负载（高电平输出）当驱动门的输出端为高电平时，将有电流当驱动门的输出端为高电平时，将有电流IOH从驱动门拉出而流入负载门，从驱动门拉出而流入负载门，负载门的输入电流为负载门的输入电流为IIH，当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，当负载门的个数增加时，总的拉电流将增
19、加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。了负载门的个数。高电平高电平扇出数扇出数:IOH:驱动门的输出端为高电平时的电流驱动门的输出端为高电平时的电流IIH:负载门的输入电流负载门的输入电流（驱动门）（驱动门）（负载门）（负载门）17（b）带灌电流负载（低电平输出）带灌电流负载（低电平输出）当驱动门的输出端为低电平时，负载电流当驱动门的输出端为低电平时，负载电流IOL流入驱动门，它是负载门流入驱动门，它是负载门输入端电流输入端电流IIL之和。当之和。当负载门的个数增加时，总的灌电流负载门的个
20、数增加时，总的灌电流IOL将增加，将增加，同时也将引起输出低电压同时也将引起输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。过输出低电平的上限值。IOL：驱动门的输出端为低电平时的电流驱动门的输出端为低电平时的电流IIL：负载门输入端电流负载门输入端电流（驱动门）（驱动门）（负载门）（负载门）低电平低电平扇出数扇出数:18电路类型电路类型电源电电源电压压/V传输延传输延迟时间迟时间/ns静态功耗静态功耗/mW功耗延迟积功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限直流噪声容限 输出逻输出逻辑摆幅辑摆幅/VVNL/V VNH/VTTLCT54/7
21、4510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较193.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路MOS管的定义及分类管的定义及分类MOS
22、管是金属管是金属(metal)氧化物氧化物(oxid)半导体半导体(semiconductor)场场效应晶体管效应晶体管，利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。，利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。MOS管分类管分类PMOS管管:结构简单，工作速度低，负电源工作。结构简单，工作速度低，负电源工作。NMOS管管:工艺复杂，正电源工作。工艺复杂，正电源工作。CMOS管管:PMOS管和管和NMOS管管组成互补电路。组成互补电路。20MOS：金属：金属-氧化层氧化层-半导体结构的电容结构半导体结构的电容结构21N沟道沟道MOS管的截面图管的截面图箭头方向由衬底指向沟道箭头方向由衬底指向沟道电
23、路符号电路符号22N沟道沟道增强型增强型MOS的工作原理的工作原理23当当VGS=0V，VDS=0V时，漏源之间相当两个背靠背时，漏源之间相当两个背靠背的的PN结结，MOS管处于管处于截止区截止区。24 当VDS=0V，VGS较小较小时，虽然在时，虽然在P型衬底表面形成一层型衬底表面形成一层耗尽耗尽层层，但负离子不能导电。，但负离子不能导电。当当VDS=0V，当，当VGS=VT时，在时，在P型衬底表面形成一层型衬底表面形成一层电子层电子层，形成形成N型导电沟道。型导电沟道。25当VGSVT时时,沟道加厚，沟道加厚，外加较小的外加较小的VDS时，时，ID随着随着VDS迅速增加，由于沟道存在电位梯
24、度，沟道厚度不均迅速增加，由于沟道存在电位梯度，沟道厚度不均匀，其形状为楔形，此时匀，其形状为楔形，此时MOS管进入管进入可变电阻区可变电阻区。2627VDS增加到使增加到使VGD=VGSVDS=VT时，时，导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为导电沟道在靠近漏极的一点刚开始出现夹断，称为预夹断预夹断。此时的漏极电流此时的漏极电流ID 基本饱和基本饱和。VDS继续增加使继续增加使VGD=VGSVDS VT导电沟道夹断的区域向源极方导电沟道夹断的区域向源极方向延伸，对应特性曲线的向延伸，对应特性曲线的饱和饱和区区，VDS增加的部分基本降落增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，在随之加长
25、的夹断沟道上，ID基本趋于不变。基本趋于不变。28N增强型增强型MOS管输出特性管输出特性29MOS开关及其等效电路开关及其等效电路MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平iD=0，MOS管截止，输出高电平管截止，输出高电平当当I VT30MOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的控制的无触点开关。无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区，相当于开关相当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止，管截止，相当于开关相当于开关“断开断开”输出为高电平。输出为高电平。当输入为当输入为低电平低电平时：时：当输入为当输入为高电平高电平时：
26、时：在导通和闭合两种状态之间转换时，在导通和闭合两种状态之间转换时，由于极间电容充放电的影响，输出电由于极间电容充放电的影响，输出电压的变化滞后于输入电压变化。压的变化滞后于输入电压变化。31NMOS管管驱动管驱动管PMOS管管负载管负载管3.1.4 CMOS反相器反相器Vo漏极相连漏极相连做输出端做输出端PMOSPMOS管的衬底总是接到管的衬底总是接到电路的电路的最高电位最高电位NMOSNMOS管的衬底总是接到管的衬底总是接到电路的电路的最低电位最低电位柵柵极极相相连连做做输入端输入端 电路电路VDDVivSDPTPiDPvGSNTN+-vSGP+-iDNvDSN+-+-vi=vGSN，v0
27、=vDSNiDN=iDP=iD322.工作原理工作原理Vi=VDDVo=0iD=0vGSN=VDDvSGP=0VDDTPTN1）输入为高电平）输入为高电平截止截止导通导通33PMOS管输出特性曲线的坐标变换管输出特性曲线的坐标变换输入高电平时的工作情况输入高电平时的工作情况NMOS管的输管的输出特性曲线出特性曲线PMOS管的输管的输出特性曲线出特性曲线34Vi=0Vo=VDDiD=0vGSN=0vSGP=VDDVDDTPTN2）输入为低电平）输入为低电平 Vi TP TN V0 0（0V）导通导通 截止截止 1 1（5V）截止截止 导通导通 0 结论结论：导通导通截止截止35PMOS管输出特性
28、曲线的坐标变换管输出特性曲线的坐标变换输入低电平时的工作情况输入低电平时的工作情况PMOS管的输管的输出特性曲线出特性曲线NMOS管的输管的输出特性曲线出特性曲线36AL1逻辑图逻辑图逻辑表达式逻辑表达式vi(A)0v0(L)1逻辑真值表逻辑真值表105V5VvivGSNvGSPTNTPv00V 0V-5V截止截止导通导通5V 0V导通导通截止截止0VVDDViVovSDPTPiDPvGSNTN+-vSGP+-iDNvDSN+-+-3.逻辑功能逻辑功能374.电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性AB或或EF段：其中一个管截止段：其中一个管截止BC或或DE段：两管，一个工作在饱和
29、区，另一个工作在可变电阻区段：两管，一个工作在饱和区，另一个工作在可变电阻区CD段：两管均工作在饱和区。段：两管均工作在饱和区。VTN=-VTP=VT=1V385.CMOS反相器的工作速度反相器的工作速度由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间：时间是相等的。平均延迟时间：10 ns。CMOS反相器在电容负载下的工作情况反相器在电容负载下的工作情况1.vI=0，负载，负载电容充电电容充电2.vI=1，负载，负载电容放电电容放电39一、一、CMOS与非与非门（以二输入为例）门（以二输入为例）1、组成组成两两两两T TP
30、 P管在上，管在上，管在上，管在上，并联并联并联并联；两两两两T TNN管在下，管在下，管在下，管在下，串联串联串联串联；2、工作原理、工作原理只有当只有当AB同为同为1、使使串联的串联的TN管同时导通时，管同时导通时，输输出才为出才为0，其它情况输出为其它情况输出为1。A B0 00 11 01 1TP1 TP2 TN2 TN1LBA3、功能、功能特点：特点：4、输出逻辑表达式、输出逻辑表达式1110通通通通通通通通通通通通通通通通止止止止止止止止止止止止止止止止TP2TP1+VDDLTN2TN1ABY=AB Y=ABCMOS逻辑门电路逻辑门电路 n个个输输入端的与非门必须有入端的与非门必须
31、有n个个NMOS管串联和管串联和n个个PMOS管并联管并联40二、二、CMOS或非门（以二输入为例）或非门（以二输入为例）4、输出逻辑表达式：、输出逻辑表达式：Y=AB1、组成组成两两两两T TP P管在上，管在上，管在上，管在上，串联串联串联串联；两两两两T TNN管在下，管在下，管在下，管在下，并联并联并联并联；2、工作原理、工作原理只有当只有当AB同为同为0、使串联的使串联的TP管同时导通时管同时导通时，输出才为输出才为1，其它情况输出为其它情况输出为0。3、功能功能特点：特点：A B0 00 11 01 1TP1 TP2 TN2 TN1LBA通通止止通通止止通通通通止止止止止止止止通通
32、通通止止通通止止通通1000BATP1TP2TN2TN1VDDL=A+B41三三.CMOS异或门异或门四四.CMOS同或门：在异或门后面增加一级反相同或门：在异或门后面增加一级反相器就构成异或非门，也就是同或门器就构成异或非门，也就是同或门42问题：输入端的数目对问题：输入端的数目对CMOS门电路的影响门电路的影响v 输入端的数目越多，则串联的管子也越多；输入端的数目越多，则串联的管子也越多；v 若串联的管子全部导通时，其总的导通电阻会增加，若串联的管子全部导通时，其总的导通电阻会增加，从而影响输出电平；使与非门的低电平升高；而使从而影响输出电平；使与非门的低电平升高；而使或非门的高电平降低；
33、或非门的高电平降低；v 因此输入端的数目不宜过多，通过在因此输入端的数目不宜过多，通过在CMOS电路的电路的输入和输出端增加缓冲电路，即输入和输出端增加缓冲电路，即CMOS反相器，以反相器，以规范电路的输入和输出逻辑电平。规范电路的输入和输出逻辑电平。43五五.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。具有相同的输入和输出特性。44（1 1）输入端保护电路）输入端保护电路:(1)0 vI VDD+vDF 二极管导通电压：二极管导通电压：vDF(3)vI vDF 当
34、输入电压不在正常电压范围时，二极管导通，限制了电容两端电压的当输入电压不在正常电压范围时，二极管导通，限制了电容两端电压的增加，使栅极的增加，使栅极的SiO2层不会被击穿，保护了输入电路。层不会被击穿，保护了输入电路。D1、D2截止截止保护电路不起作用保护电路不起作用D1导通导通,D2截止截止vG=VDD+vDFD2导通导通,D1截止截止 vG=vDFRS和和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且衰减后作用到栅极。衰减后作用到栅极。D2-分布式二极管分布式二极管(iD大大)CN和和CP分别表示分别表示TN和和TP的栅极等效
35、电容的栅极等效电容45为了克服上述缺点，可在门电路的输入、输出端增设为了克服上述缺点，可在门电路的输入、输出端增设“缓冲器缓冲器”。CMOS门电路的优点门电路的优点：电路结构简单：电路结构简单CMOS门电路的缺点门电路的缺点：1）输出电阻）输出电阻R0的大小，受输入端状态的影响的大小，受输入端状态的影响2）输出电平）输出电平vOL、vOH，受输入端数目的影响受输入端数目的影响缓冲器可由缓冲器可由CMOS非门（即反相器）非门（即反相器）组成。组成。增加缓冲器后，电路的逻辑功能将改变：增加缓冲器后，电路的逻辑功能将改变：&111ABL111ABL1（2）带缓冲级的）带缓冲级的CMOS门电路门电路4
36、61.CMOS漏极开路门电路漏极开路门电路1）CMOS漏极开路门的提出漏极开路门的提出输出短接，在一定情况下输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流会产生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，有可能导致器件的损毁，并且无法确定输出是高电并且无法确定输出是高电平还是低电平。平还是低电平。3.1.6 CMOS漏极开路（漏极开路（OD）门和门和三态输出门电路三态输出门电路CMOS或非或非门门47(c)(c)可以实现线与功能可以实现线与功能;电路电路逻辑符号逻辑符号(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变;漏极开路门输出连接漏极开路门输出连接(a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻
37、;（2）漏极开路）漏极开路(OD)门的结构与逻辑符号门的结构与逻辑符号LAB漏极开路输出漏极开路输出TN1TN248Rp的值愈小，负载电容的充电时间的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大但功耗大,且可能使输出电流超过允且可能使输出电流超过允许的最大值许的最大值IOL(max）。）。电路带电容负载电路带电容负载逻辑图逻辑图Rp的值大，可保证输出电流不能超的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值过允许的最大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢开关速度因而愈慢。
38、（3）上拉电阻对）上拉电阻对OD门动态性能的影响门动态性能的影响49（3）上拉电阻对）上拉电阻对OD门动态性能的影响门动态性能的影响（a）OD门输出由高电平变为低电平，此时电路工作在灌电流状态，门输出由高电平变为低电平，此时电路工作在灌电流状态，NMOS管导通时的等效电阻管导通时的等效电阻RNon=100W W，负载电容的放电时间常数为，负载电容的放电时间常数为t tHL=RNonCL=100W W100pF=10ns。（a）输出为低电）输出为低电平时的等效电路平时的等效电路（b）输出为高电）输出为高电平时的等效电路平时的等效电路（b）OD门输出由低电平变为高电平，此时电路工作在拉电流状态，电
39、源通过门输出由低电平变为高电平，此时电路工作在拉电流状态，电源通过RP向向CL充电，负载电容的充电时间常数为充电，负载电容的充电时间常数为t tLH=RPCL=1.5kW W100pF=150ns。50最不利的情况：最不利的情况：只有一个只有一个OD门导通，输出为低电平；门导通，输出为低电平；其它门均截止，输出为高电平；其它门均截止，输出为高电平；负载电流将全部流向导通的负载电流将全部流向导通的OD门。门。110为保证低电平输出为保证低电平输出OD门的输出电流门的输出电流不能超过允许的最大值不能超过允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max），RP不能太小不能太小。（a）当）当VO
40、=VOL（灌电流工作情况）（灌电流工作情况）+V DDIILRP&n&m&kIIL（total)IOL（max)（4）上拉电阻的计算）上拉电阻的计算对于输出高电平的驱动门，其输出对于输出高电平的驱动门，其输出NMOS管截止，流过截止管的漏电流管截止，流过截止管的漏电流IOZ忽略为零。忽略为零。IOZIOZ51（b）当）当VO=VOH（拉电流工作情况）（拉电流工作情况）+V DDRP&n&m&111IIH（total)I0H（total)当所有当所有OD门输出均为高电平时，门输出均为高电平时，为使得高电平不低于规定的为使得高电平不低于规定的VIH的的最小值，则最小值，则Rp的选择不能过大。的选择
41、不能过大。Rp的最大值的最大值Rp(max)：IOZIOZIOZ522.三态三态(TSL)输出门电路输出门电路10111高阻高阻0输出输出L输入输入A使能使能EN00110X逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门用途：用于总线传输用途：用于总线传输0导通导通101截止截止000截止截止导通导通1101截止截止截止截止高阻高阻533.1.7 CMOS传输门传输门（双向模拟开关（双向模拟开关）1 1.CMOS传输门电路传输门电路I /00/IC等效电路等效电路CTPTNVDDVI/VOVO/VICTGCVI/VOVO/VIC电路电路逻辑符号逻辑符号T TP P和和T TN
42、 N是结构对称的器件，它们的源极和漏极可以互是结构对称的器件，它们的源极和漏极可以互换，输入和输出端可以互换，称为双向器件。换，输入和输出端可以互换，称为双向器件。542、CMOS传输门电路的工作原理传输门电路的工作原理 设开启电压设开启电压TP:|VTP|=2V，TN:VTN=2V I的变化范围为的变化范围为0 +5V 5V+5V 5V到到+5V GSN0,TP截止截止（1）C 端接低电平（端接低电平（-5V），），C 端接端接+5V0 055 GSP=5V (+3 +5V)=8 10V GSN=5V (0 +3V)=(52)V b、I=+3 +5V GSNVTN,TN导通导通a、I=0 +
43、3V GSP|VT|,TP导通导通（2）C 端接高电平（端接高电平（+5V），），C 端接端接-5VC+5V 0V C+5V5VvI /vovo/vITPTN GSP=-5V (0 +3V)=(-5 -8)V GSP|VT|,TP导通导通 GSN=5V (+3 +5V)=(2 0)V GSNVTN,TN导通导通 GSP|VT|,TP导通导通 GSP=-5V (-3 0V)=(-2 -5)V d、I=-5 -3VTN导通，导通，TP截止截止56CMOS传输门的优点及应用传输门的优点及应用优点：优点：PMOS管和管和NMOS管的等效电阻随输入电压的变化管的等效电阻随输入电压的变化而变化，一管的等效
44、电阻减小，另一管的等效电阻就增加。而变化，一管的等效电阻减小，另一管的等效电阻就增加。由于互补作用的两管并联在一起，使传输门导通电阻的变由于互补作用的两管并联在一起，使传输门导通电阻的变化相对各单管等效电阻的变化小得多。化相对各单管等效电阻的变化小得多。C=0TG1导通导通,TG2断开断开 L=XTG2导通导通,TG1断开断开 L=YC=1CMOS传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器1257CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过到或者超过TTLTTL器件的水平。器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，器件的
45、功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。参数参数系列系列传输延迟时间传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗功耗(mW)延时功耗积延时功耗积(pJ)4000B751(1MHz)7574HC101.5(1MHz)1574HCT131(1MHz)13BiCMOS2.90.00037.50.00087223.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数CMOS门电路各系列的性能比较门电路各系列的性能比较583.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.2.1 BJT的开关特性的开关特性3.2.2 基本基本BJ
46、T反相器的动态特性反相器的动态特性3.2.3 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.2.5 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门3.2.6 BiMOS门电路门电路59NPN和和PNP型型BJTNPN管管PNP管管结构图结构图结构图结构图电路符号电路符号电路符号电路符号603.2.1 BJT的开关特性的开关特性iB 0，iC 0，vOVCEVCC，c、e极之间近似于开路，极之间近似于开路，输出高电平，输出高电平，BJT截止。截止。(发射结零偏，集电结反偏）发射结零偏，集电结反偏）vI=0V时时:iB iBS，iC iCS，vOVCE0.2V，c、e极
47、之间近似于短极之间近似于短路，开关闭合，输出为低电平。路，开关闭合，输出为低电平。(发射结和集电结均处于正偏发射结和集电结均处于正偏)vI=5V时时:1.BJT的开关作用的开关作用截止区饱和区放放大大区区61iCICS很小，约为数很小，约为数百欧，相当于百欧，相当于开关闭合开关闭合可变可变 很大，约为很大，约为数百千欧，相数百千欧，相当于开关断开当于开关断开 c、e间等间等效内阻效内阻VCES 0.2 VVCEVCCiCRcVCEO VCC管压降管压降IC=ICSVCC/RC且不随且不随iB增加而增加而增加增加iC iBiC 0集电极电集电极电流流 发射结和集电发射结和集电结均为正偏结均为正偏
48、 发射结正偏，发射结正偏，集电结反偏集电结反偏 发射结零偏发射结零偏或反偏，集电或反偏，集电结反偏结反偏偏置情况偏置情况工工作作特特点点 iB iB0条件条件饱饱 和和放放 大大截截 止止工作状态工作状态NPN型型BJT截止、放大、饱和工作状态截止、放大、饱和工作状态的特点的特点 0 iB 622.BJT的开关时间的开关时间从截止到导通从截止到导通开通开通时间时间ton(=td+tr)从导通到截止从导通到截止关闭时间关闭时间toff(=ts+tf)BJT饱和与截止两种状态的相饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。互转换需要一定的时间才能完成。63CL的充、放电过程均需经历一定的充
49、、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压的时间，必然会增加输出电压 O波波形的上升时间和下降时间，导致基形的上升时间和下降时间，导致基本的本的BJT反相器的开关速度不高。反相器的开关速度不高。3.2.2 基本基本BJT反相器的动态性能反相器的动态性能若带电容负载若带电容负载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。门电路。64输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电结和发射的集电结和发射结同时
50、输出两个相结同时输出两个相位相反的信号，作位相反的信号，作为为T T3 3和和T T4 4输出级的输出级的驱动信号；驱动信号；Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 3.2.3 TTL反相器的基本反相器的基本电路电路1.1.电路组成电路组成输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提高组成。用于提高电路的开关速度电路的开关速度652.TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）（1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平