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1、数字电子技术经典教程门电路第1页，本讲稿共37页与非门与非门的逻辑功能：的逻辑功能：输入有输入有“0”，输出为，输出为“1”输入全为输入全为“1”，输出才为，输出才为“0”F1=AB或非门或非门的逻辑功能：的逻辑功能：输入有输入有“1”，输出为，输出为“0”输入全为输入全为“0”，输出才为，输出才为“1”F2=A+B问题的提出问题的提出第2页，本讲稿共37页内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？异或门异或门的逻辑功能：的逻辑功能：输入相同，输出为输入相同，输出为
2、“0”输入不同，输出为输入不同，输出为“1”ABF=1F=A B问题的提出问题的提出第3页，本讲稿共37页本章的教学目标本章的教学目标 理解理解CMOS门电路结构与工作原理门电路结构与工作原理 掌握掌握CMOSCMOS门电路外特性，正确使用门电路外特性，正确使用CMOSCMOS门电路门电路 理解理解TTL门电路结构与工作原理门电路结构与工作原理 掌握掌握TTLTTL门电路外特性，正确使用门电路外特性，正确使用TTLTTL门电路门电路第4页，本讲稿共37页门电路的分类门电路的分类集集成成逻逻辑辑门门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PMOSNMOS
3、CMOS按集成度分按集成度分SSI（10个等效门）个等效门）MSI（100100个等效门）个等效门）LSI（10104 4个等效门）个等效门）VLSI（10104 4个以上等效门）个以上等效门）TTL、ECLI2L、HTL第5页，本讲稿共37页2.1 CMOS2.1 CMOS门电路门电路MOSMOS管的开关特性管的开关特性CMOSCMOS反相器反相器CMOSCMOS与非门和或非门与非门和或非门CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性CMOSCMOS传输门传输门改进型改进型CMOSCMOS门电路门电路第6页，本讲稿共37页MOSMOS管的开关特性管的开关特性 MOS管又称为绝缘栅型场效应
4、三极管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisteor,MOSFET）MOS管分为N沟道MOS管（NMOS）和P沟道MOS管（PMOS），它们的工作原理基本相同。第7页，本讲稿共37页 取一块取一块P型半导体作为衬底，用型半导体作为衬底，用B表表示。示。用氧化工艺生成一层用氧化工艺生成一层SiO2 薄膜薄膜绝缘层。绝缘层。用光刻工艺腐蚀出两个孔。用光刻工艺腐蚀出两个孔。扩散两个高掺杂的扩散两个高掺杂的N型区。从型区。从而形成两个而形成两个PN结。（绿色部分）结。（绿色部分）从从N型区引出电极，一个是漏型区引出电极，一个是漏极极D，一个是源极
5、，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极一层金属铝作为栅极G。NMOS管的结构和符号管的结构和符号第8页，本讲稿共37页 1 1 vDS=0，vGS0 vGS0将在绝缘层产生电场，将在绝缘层产生电场，该电场将该电场将SiO2绝缘层下方的空穴绝缘层下方的空穴推走，同时将衬底的电子吸引到下方，形成导电沟道。推走，同时将衬底的电子吸引到下方，形成导电沟道。反型层 产生有漏极电流产生有漏极电流ID。这说明这说明vGS对对ID的控制作用。的控制作用。MOS管的工作原理管的工作原理 2 2 vDS0，vGS0 思考：思考：何谓反型层？何谓开启电压何谓反型层
6、？何谓开启电压？第9页，本讲稿共37页NMOS管和管和PMOS管的通断条件管的通断条件NMOS当当vGSVTN时导通时导通当当vGSVTN时截止时截止PMOS当当vGSVTP时导通时导通 当当vGSVTP时截止时截止 第10页，本讲稿共37页 （1）当当vGS=0时时，rds可可达达到到106。当当vGS增增加加时时，rds减减小小，最最小小可达到可达到10左右，因此，左右，因此，MOS管可看成由电压控制的电阻。管可看成由电压控制的电阻。（2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。管的门极有非常高的输入阻抗。MOS管的电路模型管的电路模型第11页，本讲稿共37页 CMOS反相器的电路结构反相器的电
7、路结构CMOSCMOS反相器反相器漏极相连漏极相连做输出端做输出端PMOSNMOS柵柵极极相相连连做输入端做输入端第12页，本讲稿共37页 CMOS非门的工作原理非门的工作原理CMOSCMOS反相器反相器 如果将如果将0V定义为定义为0，逻辑，逻辑VDD定义为逻辑定义为逻辑1，将实现逻辑将实现逻辑“非非”功能功能 。1.1.当当vI=0V时时，vGSN=0V，VTN截截 止止，vGSP=VDD，VTP导导通通，vOVDD，门门电电路路输出输出高电平；输出输出高电平；2.当当vI=VDD时时，VGSN=VDD，VTN导导通通，VGSP=0V，VTP截截止止，vO0V，门门电电路输出低电平路输出低
8、电平。第13页，本讲稿共37页 CMOS与非门与非门CMOSCMOS或非门和与非门或非门和与非门00通通通通止止止止1第14页，本讲稿共37页CMOSCMOS或非门和与非门或非门和与非门止止止止100通通通通 CMOS二输入或非门二输入或非门第15页，本讲稿共37页思思 考考 题题 CMOS门电路结构上有什么特点？门电路结构上有什么特点？如何分析如何分析CMOS门电路的逻辑功能？门电路的逻辑功能？第16页，本讲稿共37页1 1电压传输特性电压传输特性 用用来来描描述述输输入入电电压压和和输输出出电电压压关关系系的的曲曲线线，就就称称为为门门电电路路的的电压传输特性电压传输特性。V2vIvOV1
9、1CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性测量电路测量电路vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/V第17页，本讲稿共37页AB段段：vI1.5V，VTN截止，截止，VTP导通，输出电压导通，输出电压vOVDD CD段段：vI3.5V，VTN导通，导通，VTP截止，输出电压截止，输出电压vO0V BC段段：1.5VvI3.5V，VTP、VTN均均导导通通。当当vI=VDD2时时，VTP和和VTN 导通程度相当。导通程度相当。CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/V第18页，本讲稿共37页AB段段：VTN管管截截止止，电电
10、阻阻非非常常大大，所所以以流流过过VTN和和VTP管管的的漏漏极极电电流几乎为流几乎为0。CD段段：VTP管管截截止止，电电阻阻非非常常大大，所所以以流流过过VTN和和VTP管管的的漏漏极极电电流也几乎为流也几乎为0。BC段段：两两个个管管均均导导通通，电电阻阻很很小小，所所以以流流过过VTN和和VTP管管的的漏漏极极电电流流也也很大。很大。CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性动态尖峰电流动态尖峰电流 第19页，本讲稿共37页CD4000 系列门电路的系列门电路的极限参数（极限参数（VDD=5V）输出高电平电压输出高电平电压VOH，VOH（min）=VDD-0.1V输出低电平电压输
11、出低电平电压VOL，VOL（max）=0.1V输入高电平电压输入高电平电压VIH，VIH（min）=70%VDD输入低电平电压输入低电平电压VIL，VIL（max）=30%VDD 阈值电压阈值电压VTH=1/2VDDCMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性第20页，本讲稿共37页噪声容限噪声容限 低电平噪声容限低电平噪声容限高电平噪声容限高电平噪声容限CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性VNL=VIL（max）VOL（max）VNH=VOH（min）VIH（min）G111G2VOL（max）VIH（min）VOH（min）VIL（max）第21页，本讲稿共37页VNL=V
12、IL（max）VOL（max）=1.5V0.1V=1.4V CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性例例：某某集集成成电电路路芯芯片片，查查手手册册知知其其最最大大输输出出低低电电平平VOL（max）=0.1V，最最大大输输入入低低电电平平VIL（max）=1.5V，最最小小输输出出高高电电平平 VOH（max）=4.9V，最最小小输输入高电平入高电平VIH（max）=3.5V，则其低电平噪声容限，则其低电平噪声容限VNL=。（1）2.0V （2）1.4V （3）1.6V （4）1.2V 第22页，本讲稿共37页2.2.静态输入特性静态输入特性 CMOS门电路的输入阻抗非常大。门电路的
13、输入阻抗非常大。优优点点：几几乎乎不不吸吸收收电电流流。一一般般来来说说，高高电电平平输输入入电电流流IIH1A，低低电电平平输输入入电电流流IIL1A。缺点缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。：容易接收干扰甚至损坏门电路。措施措施：输入级一般都加了保护电路。：输入级一般都加了保护电路。CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性第23页，本讲稿共37页3.3.静态输出特性静态输出特性 当门电路输出低电平时当门电路输出低电平时 结论：灌电流（结论：灌电流（sinking current）负载提高了低电平输出电压）负载提高了低电平输出电压VOL。IOL：参参数数由由厂厂商商提提供供，对对于于C
14、D4011，当当VDD=5V，VO=0.4V时时，IOL（min）=0.44mACMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性第24页，本讲稿共37页 当门电路输出高电平时当门电路输出高电平时 结结论论：拉拉电电流流（sourcing current）负负载载降降低低了了高高电电平平输输出出电电压压VOH。CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性IOH：参参数数由由厂厂商商提提供供，对对于于CD4011，当当VDD=5V，VO=4.6V时时，IOHmin=0.44mA第25页，本讲稿共37页 扇出系数扇出系数 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性低电平时扇出系数：低电平时
15、扇出系数：高电平时扇出系数：高电平时扇出系数：第26页，本讲稿共37页 传输传输延迟时间（延迟时间（Popagation Delay）平均传输延迟时间平均传输延迟时间 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性tPHLtPLHvIvO4.4.动态特性动态特性 第27页，本讲稿共37页 动态功耗动态功耗 CMOS门电路的静态功耗非常低。门电路的静态功耗非常低。CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性（1）由负载电容产生的动态功耗）由负载电容产生的动态功耗 第28页，本讲稿共37页 动态功耗动态功耗 CMOSCMOS门电路的电气特性门电路的电气特性（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功
16、耗）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗（3）总的动态功耗）总的动态功耗 第29页，本讲稿共37页CMOSCMOS电路的特点电路的特点1.功功耗耗小小：CMOS门门工工作作时时，总总是是一一管管导导通通另另一一管管截截止止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；2.2.CMOS集集成成电电路路功功耗耗低低内内部部发发热热量量小小，集集成成度度可可大大大大提高；提高；3.3.抗抗幅幅射射能能力力强强，MOS管管是是多多数数载载流流子子工工作作，射射线线辐辐 射射对对多数载流子浓度影响不大；多数载流子浓度影响不大；4.4.电电压压范范围围宽宽：CMOS门门电电路路输输
17、出出高高电电平平VOH VDD，低低电电平平VOL 0V；5.5.输输出出驱驱动动电电流流比比较较大大：扇扇出出能能力力较较大大，一一般般可可以以大大于于5050；6.6.在在使使用用和和存存放放时时应应注注意意静静电电屏屏蔽蔽，焊焊接接时时电电烙烙铁铁应应接接地地良好。良好。第30页，本讲稿共37页电路结构和工作原理：电路结构和工作原理：当当C为低电平时，为低电平时，VTN、VTP截止，传输门断开；截止，传输门断开；当当C为为高高电电平平时时，VTN、VTP中中至至少少有有一一只只管管子子导导通通，使使vO=vI，传输门接通。，传输门接通。传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。传输门
18、相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。CMOSCMOS传输门传输门第31页，本讲稿共37页（1）构成组合逻辑电路构成组合逻辑电路CMOSCMOS传输门传输门当当S=0时，时，Z=X；当；当S=1时，时，Z=Y。为。为2选选1数据选择器。数据选择器。传输门的应用：传输门的应用：第32页，本讲稿共37页（2）构成构成模拟开关模拟开关CMOSCMOS传输门传输门 控控制制模模拟拟信信号号传传输输的的一一种种电电子子开开关关，通通与与断断是是由由数数字字信号控制的。信号控制的。第33页，本讲稿共37页改进型改进型CMOSCMOS门电路门电路CMOS门电路几种常见系列：门电路几种常见系列：（1）CD4
19、000系列：基本系列，速度较慢系列：基本系列，速度较慢（2）74HC系列：速度比系列：速度比CD4000系列提高近系列提高近10倍倍（3）74HCT系列：与系列：与LSTTL门电路兼容门电路兼容（4）LVC系列：低电压系列系列：低电压系列（5）BiCMOS系列系列第34页，本讲稿共37页改进型改进型CMOSCMOS门电路门电路BiCMOS反相器反相器 当vI输入高电平时，VTN1、VTN2和VT2导通，VTP、VTN3和VT1截止，vO输出低电平。当vI输入低电平时，VTP1、VTN3和VT1导通，VTN1、VTN2和VT2截止，vO输出高电平。输入和输出实现非逻辑。第35页，本讲稿共37页改
20、进型改进型CMOSCMOS门电路门电路BiCMOS门电路的结构特点门电路的结构特点（1）BiCMOS门的输出电路总是由两个门的输出电路总是由两个NPN晶体管组成推拉式结晶体管组成推拉式结构。构。（2）连接上方（射随输出）晶体管基极的内部电路总是该门电路的基）连接上方（射随输出）晶体管基极的内部电路总是该门电路的基本功能电路部分。本功能电路部分。（3）下方（反相输出）晶体管基极上的信号总是上方晶体管基极信号）下方（反相输出）晶体管基极上的信号总是上方晶体管基极信号的反。的反。第36页，本讲稿共37页BiCMOS是继是继CMOS后的新一代高性能后的新一代高性能VLSI工艺。工艺。CMOS以低功耗、
21、高密度成为以低功耗、高密度成为80年年VLSI的主流工艺。随着尺寸的的主流工艺。随着尺寸的逐步缩小，电路性能不断得到提高，但是当尺寸降到逐步缩小，电路性能不断得到提高，但是当尺寸降到1um以以下时，由于载流子速度饱和等原因，它的潜力受到很大的限下时，由于载流子速度饱和等原因，它的潜力受到很大的限制。把制。把CMOS和和Bipolar集成在同一芯片上，发挥各自的优集成在同一芯片上，发挥各自的优势，克服缺点，可以使电路达到高速度、低功耗。势，克服缺点，可以使电路达到高速度、低功耗。BiCMOS工艺一般以工艺一般以CMOS工艺为基础，增加少量的工艺步骤而成。工艺为基础，增加少量的工艺步骤而成。BiCMOS（Bipolar CMOS）是）是CMOS和双极器件同时和双极器件同时集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以集成在同一块芯片上的技术，其基本思想是以CMOS器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处器件为主要单元电路，而在要求驱动大电容负载之处加入双极器件或电路。因此加入双极器件或电路。因此BiCMOS电路既具有电路既具有CMOS电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高集成度、低功耗的优点，又获得了双极电路高速、强电流驱动能力的优势。电路高速、强电流驱动能力的优势。第37页，本讲稿共37页