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1、第三章第三章 门电路门电路n概述概述n分立元件门电路分立元件门电路nTTLTTL门电路门电路nMOSMOS门电路门电路nTTLTTL门电路与门电路与CMOSCMOS门电路门电路n小结小结3.1 概述n门电路门电路实现基本逻辑关系的电子电路实现基本逻辑关系的电子电路n主要构成主要构成 n逻辑门电路的性能和特点逻辑门电路的性能和特点逻辑特性、电气特性逻辑特性、电气特性n本章讨论：本章讨论：内部结构、工作原理、外部特性内部结构、工作原理、外部特性双极性逻辑门电路双极性逻辑门电路DTLDTL二极管、三极管逻辑门电路二极管、三极管逻辑门电路TTLTTL晶体管、晶体管逻辑门电路晶体管、晶体管逻辑门电路EC
2、LECL发射极耦合逻辑门电路发射极耦合逻辑门电路HTLHTL高阈值逻辑门电路高阈值逻辑门电路I I2 2LL高集成度逻辑门电路高集成度逻辑门电路单极性逻辑门电路单极性逻辑门电路（场效应管）（场效应管）NMOSNMOSPMOSPMOSCMOSCMOS互补对称型互补对称型返回3.2 分立元件门电路n分立元件的开关特性：分立元件的开关特性：理想开关特性理想开关特性:开关开关K K断开时，开关两端的电压为外部电压，断开时，开关两端的电压为外部电压，通过开关的电流为通过开关的电流为0 0，开关等效电阻为，开关等效电阻为。开关闭合时，开。开关闭合时，开关两端电压为关两端电压为0 0，开关等效电阻为，开关等
3、效电阻为0 0二极管开关特性二极管开关特性三极管开关特性三极管开关特性MOSMOS管开关特性管开关特性正负逻辑及其它正负逻辑及其它n分立元件门电路分立元件门电路 二极管与门二极管与门 二极管或门二极管或门 三极管反相器三极管反相器 DTLDTL门电路门电路返回3.2.1 二极管开关特性二极管开关特性n二极管符号二极管符号n二极管加正向电压和二极管加正向电压和伏安特性曲线及等效电路伏安特性曲线及等效电路 如如图图a a所示：若所示：若V VCCCCV V0,0,二极管导通二极管导通,二极管导通电压二极管导通电压V VD D=0.7V=0.7V 硅管硅管 （V VD D=0.2V=0.2V 锗管）
4、锗管）n二极管加反向电压二极管加反向电压 如如图图b b所示：若所示：若V VCCCC0 0V V 二极管截止二极管截止 i=0i=0n结论结论二极管具有单向导电性二极管具有单向导电性返回图a 图b二极管开关特性二极管开关特性等效电路等效电路n二极管二极管伏安特性曲线与等效电路伏安特性曲线与等效电路 三种等效电路三种等效电路：(a)-(a)-二极管正向导通压降和正向电阻不能忽略二极管正向导通压降和正向电阻不能忽略(b)-(b)-二极管正向导通压降不能忽略和正向电阻忽略二极管正向导通压降不能忽略和正向电阻忽略(c)-(c)-二极管正向导通压降和正向电阻都忽略二极管正向导通压降和正向电阻都忽略返回
5、3.5.1 三极管开关特性三极管开关特性n三极管符号三极管符号n三极管的工作状态三极管的工作状态 三极管的三个工作状态：三极管的三个工作状态：截止状态、放大状态截止状态、放大状态和和饱和状态饱和状态 分析分析n结论结论:在数字电路中三极管作为开关元件主要工作在在数字电路中三极管作为开关元件主要工作在饱和状态饱和状态（“开开”态）和态）和截止状态截止状态（“关关”态）态）当当V Vi i=V ViLiL（V VBEBE）时，）时，T T截止截止 V VO O =E EC C 当当V Vi i=V ViHiH时（且时（且i iB B i iBSBS），），T T饱和导通饱和导通 V VO O =V
6、 VCESCES0.20.2V V返回三极管工作状态三极管工作状态分析分析n三极管的工作状态三极管的工作状态n截止状态：截止状态：当输入电压当输入电压V Vi i较小时，较小时，V VBEBE0 0，i iB B 、i iE E、i iC C00，R RC C上无压降。上无压降。输出电压输出电压V VCECE等于等于V VCCCCn放大状态：放大状态：当输入电压当输入电压V Vi i上升（上升（0.70.7V V），），三极管导通，有三极管导通，有i iC C=i iB B 、i iE E =i iC C +i iB B ，在放大状态下（在放大状态下（i iB B i iBSBS），），输出电
7、压输出电压V VCECE =V VCC CC-i iC C R RC Cn饱和状态：饱和状态：随着输入电压随着输入电压V Vi i继续上升继续上升，i iB B 、i iE E、i iC C增加，增加，V VCECE =V VCC CC-i iC C R RC C减小，三极管集电极正偏。减小，三极管集电极正偏。i iB B i iBSBS，输出电压，输出电压V VCECE =V VCES CES（0.3V 0.3V 硅硅管）管）返回3.3.1 MOS管开关特性管开关特性nMOSMOS管结构图及逻辑符号管结构图及逻辑符号nNMOSNMOS管工作原理分析管工作原理分析 MOSMOS管工作在管工作在
8、截止截止与与导通导通状态状态 n结论结论:V VGSGS V VTHTH时，时，NMOSNMOS管截止，管截止，V V0 0=V=VDD DD （R R很大）很大）V VGS GS V VTH TH 时，时，NMOSNMOS管导通管导通，V V0 00V 0V （R R较小）较小）（V VTH TH 开启电压或阈值电压）开启电压或阈值电压）返回NMOS管工作原理管工作原理nNMOSNMOS管的工作原理管的工作原理n分析分析 1.1.在栅在栅_ _源极间加正向电压源极间加正向电压V VGSGS ,衬底感应出电子衬底感应出电子,当当V VGSGS较小时较小时,感应的电子被衬感应的电子被衬底空穴中和
9、底空穴中和,i iDSDS=0(=0(i iDSDS:漏漏_ _源极电流源极电流)。称高阻区称高阻区(截止区截止区)返回工作状态工作状态2.2.当当V VGSGS 电子电子 ，产生电子层，产生电子层N N沟道沟道.当当V VGSGS V VTHTH,在外电场在外电场V VDSDS作用下作用下,i iDSDS00。称电称电阻区阻区。NMOSNMOS为导通状态。为导通状态。3.3.由于由于i iDSDS,沿沟道沿沟道D SD S有压降有压降,当当V VDS DS V VGDGD ，使，使V VGDGD V VGSPGSP(D D段）；段）；T T1 1(P)(P)管截止管截止 i iD D =0=
10、0 在在1/2V1/2VDDDD 附近附近,T T1 1,T,T2 2管均导通管均导通,i iD D 最大最大*静态功耗小静态功耗小返回CMOS反相器的输入特性反相器的输入特性n输入保护电路输入保护电路n电路图电路图:当当V Vi i V VDD DD D D1 1导通导通 输入电压被输入电压被钳位在钳位在V VDDDD+V+VD D当当V Vi i 0 D 0 D2 2导通导通 输入电压被输入电压被钳位在钳位在 -V-VD D 返回n输入特性输入特性 在在 -V VD D V Vi i V VDDDD+V+VD D 有：有：i ii i=0 0CMOS反相器的输出特性反相器的输出特性低电平输
11、出特性低电平输出特性(V VOLOL):):负载电流负载电流I IL L注入注入T T2 2(N(N)管，管，称称:灌电流负载灌电流负载当当I IL L I IOL OL 可保证可保证 V VO O=V VOLOL当当I IL L I IOL OL V VOL OL 增高增高I IOL OL 灌电流负载能力灌电流负载能力高电平输出特性高电平输出特性(V VOHOH)负载电流负载电流I IL L从由输出端从由输出端T T1 1(P(P)管流出，管流出，称称:拉电流负载拉电流负载当当I IL L I IOH OH 可保证可保证 V VO O=V VOHOH当当I IL L I IOH OH V V
12、OH OH 下降下降I IOH OH 拉电流负载能力拉电流负载能力返回*V*VDDDD越大越大,灌灌(拉拉)电流负载能力越强电流负载能力越强3.3.5 其它的CMOS门电路nCMOSCMOS与非门与非门n电路特点电路特点 NMOS NMOS管串接，管串接，PMOSPMOS管并接管并接 当两个当两个NMOSNMOS管均导通（管均导通（A=1A=1和和B=1B=1）输出输出Y=0Y=0 实现逻辑功能实现逻辑功能nCMOSCMOS或非门或非门n电路特点电路特点 NMOS NMOS管并接，管并接，PMOSPMOS管串接管串接 当任一当任一NMOSNMOS管导通（管导通（A=1A=1或或B=1B=1）输
13、出输出Y=0Y=0 实现逻辑功能实现逻辑功能返回*输出电阻与输出缓冲器输出电阻与输出缓冲器CMOS输出电阻与输出缓冲器输出电阻与输出缓冲器nCMOSCMOS与非门输出电阻分析：与非门输出电阻分析：*输出电阻由输入状态的不同而不一致输出电阻由输入状态的不同而不一致n带输出缓冲器的带输出缓冲器的CMOSCMOS与非门与非门返回A BT状态 Y 输出电阻RON0 00 11 01 1T1 T3 均导通T1 导通T3 导通T2 T4 均导通1110=RON1/RON3=1/2RON=RON1=RON3=RON2+RON4=2RONCMOS输出缓冲器输出缓冲器n带输出缓冲器的带输出缓冲器的CMOSCMO
14、S与非门与非门n电路特点：电路特点：*输入输入/输出级均为输出级均为CMOSCMOS反相器，使输入反相器，使输入/输出电阻一致输出电阻一致*实现逻辑功能需进行逻辑变换实现逻辑功能需进行逻辑变换返回3.3.5 特殊的CMOS门电路nCMOSCMOS传输门及模拟开关传输门及模拟开关nCMOSCMOS三态门三态门（TSTS门）门）nCMOSCMOS漏极开路门漏极开路门（ODOD门）门）返回3.3.5 CMOS传输门及模拟开关n电路结构与逻辑符号电路结构与逻辑符号组成：组成：NMOSNMOS、PMOSPMOS并联并联源极相接源极相接输入端输入端V VI I漏极相接漏极相接输出端输出端V VO O控制信
15、号控制信号C C为一对互为反相信号为一对互为反相信号n分析分析*当当C=1C=1，在在0 0VVi iVVDDDD范围内，总有范围内，总有T TN N或或T TP P导通导通 称：称：传输门导通传输门导通，V VO O=V=Vi i*当当C=0C=0，在在0 0VVI IVVDDDD范围内，范围内，T TN N、T TP P截止（截止（V VGSNGSN0V0V、V VGSPGSP 0V0V）称：称：传输门截止传输门截止，V VO O为高阻态为高阻态n特点特点返回CMOS传输门及模拟开关_特点n分析分析 *Y=AY=A（V VO O=V=Vi i）当当C=1 C=1 称：称：传输门导通传输门导
16、通 *Y *Y呈高阻态呈高阻态 当当C=0 C=0 称：称：传输门截止传输门截止n特点特点*可双向传输，可双向传输，V VO O V VI I*可传输数字信号、模拟信号可传输数字信号、模拟信号可做模拟开关用可做模拟开关用*静态功耗小、抗干扰能力强、负载能力强，但工作速度静态功耗小、抗干扰能力强、负载能力强，但工作速度较慢较慢返回3.3.5 CMOS三态门n电路结构与逻辑符号电路结构与逻辑符号组成：组成：CMOSCMOS反相器反相器 反相器源极接反相器源极接NMOSTNMOSTN2N2 反相器漏极接反相器漏极接PMOSTPMOSTP2P2n分析分析 当当 ，T TN2N2、T TP2P2导通，输
17、出导通，输出 当当 ，T TN2N2、T TP2P2均截止，均截止，Y Y为高阻态为高阻态n特点：低电平有效的三态门特点：低电平有效的三态门n三态门的逻辑描述三态门的逻辑描述 （逻辑符号与逻辑符号与TTLTTL三态门相同）三态门相同）返回三态门的逻辑描述n逻辑符号逻辑符号n逻辑功能逻辑功能高电平有效高电平有效 低电平有效低电平有效 当当EN=1 EN=1 当当 =0=0 Y Y为高阻态，当为高阻态，当EN=0 YEN=0 Y为高阻态，为高阻态，当当 =1=1 n典型应用典型应用返回3.3.5 CMOS漏极开路门电路（OD门）n电路结构和逻辑符号电路结构和逻辑符号n正确使用：正确使用：需外接电阻
18、及外接电源需外接电阻及外接电源n实现逻辑功能：实现逻辑功能：“线与线与”返回3.3.6 正确使用正确使用CMOS门电路门电路n输入电路的静电防护输入电路的静电防护*在储存和运输在储存和运输CMOSCMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料（用材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料（用铝箔或铝盒）铝箔或铝盒）*组装、调试时，电烙铁和其他工具、仪表等可靠接地组装、调试时，电烙铁和其他工具、仪表等可靠接地*不用的输入端不能悬空，应进行恰当处理（接高电平或低不用的输入端不能悬空，应进行恰当处理（接高电平或低电平
19、，或与其他脚连接）电平，或与其他脚连接）n输入电路的过流保护输入电路的过流保护*输入端接低内阻信号源时，应在信号源与输入端之间串接输入端接低内阻信号源时，应在信号源与输入端之间串接限流电阻限流电阻*不要频繁的从整机机架上拔下插上不要频繁的从整机机架上拔下插上MOSMOS器件器件返回*3.4 其它类型的MOS集成电路nNMOSNMOS电路电路*NMOS*NMOS与非门、或非门和与或非门与非门、或非门和与或非门nPMOSPMOS电路电路*PMOS*PMOS与非门、或非门和与或非门与非门、或非门和与或非门n改进的改进的CMOSCMOS门电路门电路 (详见其他参考书)返回*3.8 TTL门电路与CMO
20、S门电路n性能比较性能比较n主要电气参数的比较主要电气参数的比较n接口电路接口电路 TTL驱动驱动CMOS CMOS驱动驱动TTL返回集成门电路的性能比较返回主要电气参数主要电气参数返回主要参数主要参数TTLCMOSVTHVOLVOH1.4V0.2V 3.6V1/2VDD0 VVDDIILIIH流出门流出门 (-1.6mA)流入门流入门 (0.01mA)0.7V VI VIH 的驱动条件的驱动条件)2.驱动方法驱动方法:*接入上拉电阻接入上拉电阻,提高提高TTL电路输出的高电平电路输出的高电平*用带电平偏移的门电路实现电平变换用带电平偏移的门电路实现电平变换*改造改造CMOS电路的输入高电平下
21、限电路的输入高电平下限(如如:74HCT系列高速系列高速CMOS_ VIH=2V),使使TTL可直接驱动可直接驱动CMOS 返回VOHVOLVIHVILIOHIOLIIHIILTTL(74系列）系列）2.4 V0.4 V2.0V0.8V0.4mA16mA0.04mA1.6mACMOS4.6V0.05V3.5 V1.5 V0.51mA0.51mA0.1mA1103mACMOS 驱动TTL1.CMOS 与与 TTL的比较的比较 CMOS输出高低电平均能满足输出高低电平均能满足TTL输入高低电平的需要。输入高低电平的需要。IOLIIL（不满足灌电流驱动能力的要求）不满足灌电流驱动能力的要求）2.驱动
22、方法：驱动方法：同逻辑门电路输出端并接使用同逻辑门电路输出端并接使用 加大输出驱动电流。加大输出驱动电流。选用选用OD门。门。合理选用合理选用T放大器，加大其输出的电流驱动能力。放大器，加大其输出的电流驱动能力。返回VOHVOLVIHVILIOHIOLIIHIILTTL(74系列）系列）2.4 V0.4 V2.0V0.8V0.4mA16mA0.04mA1.6mACMOS4.6V0.05V3.5 V1.5 V0.51mA0.51mA0.1mA1103mA小结小结n集成逻辑门的分类集成逻辑门的分类 两大类：两大类：TTLTTL、CMOSCMOS （各种功能的门电路：与、或、非、与非、或非等）（各种
23、功能的门电路：与、或、非、与非、或非等）n特殊的门电路、功能及描述特殊的门电路、功能及描述（逻辑符号、表达式等）（逻辑符号、表达式等）三态门、三态门、OCOC门门/ODOD门、传输门门、传输门n电气特性电气特性（输入（输入/输出输出 电压电压/电流）电流）及主要参数及主要参数 电压传输特性、输入特性、输入负载特性、输出特性电压传输特性、输入特性、输入负载特性、输出特性 （TTL TTL 与与 CMOS CMOS 的同异）的同异）nTTLTTL门电路和门电路和CMOSCMOS门电路门电路 逻辑功能与逻辑符号：相同逻辑功能与逻辑符号：相同 特点：特点：TTLTTL门电路门电路工作速度快、驱动能力强工作速度快、驱动能力强 CMOS CMOS门电路门电路功耗小、抗干扰能力强功耗小、抗干扰能力强n计算及分析：计算及分析：输入（高、低电平，输入（高、低电平，R)-R)-输出；输出；N N0 0、R RL L、驱动匹配等驱动匹配等返回