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1、第三章第三章 门电路门电路3.1 导论导论3.2 分立元件门电路分立元件门电路3.3 TTL门电路门电路3.4 其它类型其它类型TTL门电路门电路3.5 CMOS逻辑门逻辑门3.1 导论导论逻辑门电路的分类：逻辑门电路的分类：分立元件分立元件 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 双极型双极型 MOS MOS1 1、按所采用的半导体器件进行分类、按所采用的半导体器件进行分类 采用双极型半导体器件作为元件采用双极型半导体器件作为元件采用双极型半导体器件作为元件采用双极型半导体器件作为元件,速度快、负载能力强，但功耗较速度快、负载能力强，但功耗较速度快、负载能力强，但功耗较速度快、负载能力强，但功耗较大、
2、大、大、大、集成度较低。集成度较低。集成度较低。集成度较低。采用金属采用金属采用金属采用金属-氧化物半导体场效应管氧化物半导体场效应管氧化物半导体场效应管氧化物半导体场效应管作为元件。结构简单、制造方便、作为元件。结构简单、制造方便、作为元件。结构简单、制造方便、作为元件。结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。集成度高、功耗低，但速度较慢。集成度高、功耗低，但速度较慢。集成度高、功耗低，但速度较慢。双极型集成电路又可进一步可分为：双极型集成电路又可进一步可分为：DTL晶体管晶体管-晶体管逻辑电路晶体管逻辑电路TTL(Transistor Transistor Logic)；发射极耦
3、合逻辑电路发射极耦合逻辑电路ECL(Emitter Coupled Logic)。集成注入逻辑电路集成注入逻辑电路I I2 2L L(Integrated Injection Logic)TTL电路电路的的“性能价格比性能价格比”佳，应用广泛。佳，应用广泛。MOS集成电路又可进一步分为：集成电路又可进一步分为：PMOS(P-channel Metel Oxide Semiconductor)；NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)；CMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor)。CMOS电电路路应应用用较较普普遍
4、遍，不不但但适适合合通通用用逻辑电路的设计，而且综合性能最好逻辑电路的设计，而且综合性能最好。2、按集成电路规模的大小进行分类、按集成电路规模的大小进行分类数字集成电路数字集成电路数字集成电路数字集成电路两大类工艺技术的特点：两大类工艺技术的特点：速度速度 功耗功耗集成度集成度 TTL 快快 大大 低低 MOS 慢慢 小小 高高目前最常用的工艺目前最常用的工艺:CMOS按封装（外形）分：双列直插、扁平封装、按封装（外形）分：双列直插、扁平封装、表面封装、针式表面封装、针式数字电路中关于高、低电平的概念数字电路中关于高、低电平的概念VH 高电平高电平 1VL 低电平低电平 0逻辑电平：逻辑电平：
5、由半导体电子元器件组成的逻辑电路由半导体电子元器件组成的逻辑电路,表现为表现为“0 0”和和“1 1”两个不同的状态两个不同的状态,常用一个电压范围表示叫做常用一个电压范围表示叫做逻辑逻辑0 0 和和逻辑逻辑1 1,或叫做或叫做0 0态态和和1 1态态，统称逻辑电，统称逻辑电平。平。逻辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。逻辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。表示的是一定的表示的是一定的电压范围，不是电压范围，不是一个固定值一个固定值复习二极管开关特性复习二极管开关特性复习三极管开关特性复习三极管开关特性一、一、PNPN（二极管）的开关特性（二极管）的开关特性PNPN结结外电场 外加的正
6、向电压有一部分降落在外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场结内电场方向相反，削弱了内电场。于是，内电场对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。对多数载流子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。内电场PN内电场内电场IF正向导通正向导通 内电场对多子扩散运内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时大大减小。此时PN结区的结区的少子在内电场作用下形成少子在内电场作用下形成的漂
7、移电流大于扩散电流，的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈结呈现高阻性。现高阻性。PNPN结结内电内电场场IS外电外电场场 在一定的温度条件下，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为小无关，这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流 IS。PN内电场内电场反向截止反向截止饱和饱和截止截止二、二、NPN三极管开关特性三极管开关特性3.2 分立元件门电路分立元件门电路 +12VABDADBRFuA
8、uBuF0V 0V0V0V 3V0V3V 0V0V3V 3V3VA BF0 000 101 001 11F=AB 12VABDADBRFF=A+B晶体管非门电路晶体管非门电路(反相器反相器)F=A+12VRcTRAAF+5VT1R1R2T2T3T4R3R4YWk4W.6k1W130Wk1AD3.3 TTL门电路门电路一、结构与原理一、结构与原理TTL非门非门TTL与非与非门电路二、特性二、特性ui/Vii/mA0121IISIIHIILIIH 输入高电平电流输入高电平电流(输入漏电流输入漏电流40 A)IIS 输入短路电流输入短路电流(1.6mA)IIL 输入低电平电流输入低电平电流1、输入伏
9、安特性输入伏安特性F+5Vuiii12、输入端负载特性输入端负载特性1F+5VRiuiuiRb1T1+5VRiRi较小时，较小时，uiUT，ui=“1”临界时临界时 ui=Ri+Rb1Ri(5Ube)=1.4Ron开门电阻，开门电阻，Ri Ron(2.5K)，ui为高电平。为高电平。Roff 关门电阻，关门电阻，Ri Roff(0.8K)，ui为低电平。为低电平。TTL门电路输入端悬空时为门电路输入端悬空时为“1”。i3、输出特性、输出特性拉电流负载拉电流负载(输出高电平有效输出高电平有效)IOHIOH 输出高电平电流输出高电平电流(拉电流拉电流400 A)灌电流负载灌电流负载(输出低电平有效
10、输出低电平有效)IOLIOL输出低电平电流输出低电平电流(灌电流灌电流16mA)“0”“1”FR1“0”“1”F+5VR14、电压传输特性、电压传输特性Vi1FAVo+5VRuo/V1234ui/V012UOHUOLUOHminUffUon开门电平开门电平(输出低电平的最大值输出低电平的最大值 0.4V)U0LmaxUonUff关门电平关门电平(输输出出高电平的最小值高电平的最小值 2.4V)uiuoUOHUOL理想化理想化UTUT 阈值电压阈值电压(门槛电平门槛电平)UT=1.4V三、门电路级联：三、门电路级联：前一个器件的输出就是后一个前一个器件的输出就是后一个器件的输入，后一个是前一个的
11、负器件的输入，后一个是前一个的负载，两者要相互影响。载，两者要相互影响。“0”“1”“0”II LIOLT4T5+5VT1+5VRb1II LIOLT4T5+5V“1”T1+5VRb1IOHII H11“1”“0”IOHII H11负载能力的计算负载能力的计算“1”IOHII HII HII HII HIOH=N IIHN=IOH/IIH=400/40=10“0”IOLII LII LII LII LIOL=N IILN=IOL/IIL=16/1.6=10N 扇出系数扇出系数1&1&直流参数直流参数低电平输入电流低电平输入电流 IIL1.6 mA高电平输入电流高电平输入电流 IIH 40 A
12、低电平输出电流低电平输出电流 IOL16 mA高电平输出电流高电平输出电流 IOH 400 uA低电平输出电压低电平输出电压 VOL0.4V(10个负载个负载)高电平输出电压高电平输出电压 VOH 2.4V (10个负载个负载)传输延迟时间传输延迟时间AFAF理想波形理想波形实际波形实际波形tPd150%50%tPd2tpd1前沿传输延迟时间前沿传输延迟时间tpd2后沿传输延迟时间后沿传输延迟时间平均传输平均传输延迟时间延迟时间tpd=tpd1+tpd22FA1四、集电极开路（四、集电极开路（OC）与非门）与非门为什么需要为什么需要OC门？门？普通与非门输出不能直接连在一起实现普通与非门输出不
13、能直接连在一起实现“线与线与”！F=F1F2T4T5+5VF1T4T5+5VF2F?FF“1”“0”IT5饱和程度降低，饱和程度降低，输出低电平抬高输出低电平抬高,输输出出“不高不低不高不低”。T5电流过大电流过大被烧毁。被烧毁。F11F21OC门电路门电路+5VABCT1R1R2T2R3T5F+VCCRCOC门必须外接电阻门必须外接电阻RC和电源和电源VCC才能正常工作才能正常工作逻辑符号：逻辑符号：&ABFABF OC门可以实现门可以实现“线与线与”F=F1F2VCCRCF&ABF1&CDF2RC的计算方法的计算方法OC门输出全为门输出全为“1”时：时：UOHIOHIOH T5集电极漏电流
14、集电极漏电流IIHIRCUOH=VCC IRCRC=VCC(nIOH+mIIH)RCRC UOH 当当UOH=UOHmin 时：时：RCmax=VCCUOHminnIOH+mIIHVCCRCn个个m个个&RC的计算方法的计算方法OC门输出中有门输出中有一个为一个为“0”时：时：UOL“0”“1”“1”IOLIILIRCUOL=VCC-(IOL-mIIL)RCRC IOL UOL 当当UOL=UOLmax 时：时：RCmin=VCCUOLmaxIOL-mIILVCCRCn个个m个个&五、输出三态门五、输出三态门主主机机1外设外设23总线总线+5VABT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4FDG
15、1、工作原理、工作原理G=0：F=ABG=1：T2、T5截止截止D导通导通,T3、T4截止截止输出呈现高阻状态。输出呈现高阻状态。2、三态门符号、三态门符号ABENAF&ENENBEN=0：F=ABEN=1：F=Z Z为高阻为高阻AF&ENENBBENAFEN=1：F=ABEN=0：F=Z Z为高阻为高阻ABENBENAF3、三态门应用、三态门应用多路开关多路开关ENA11ENA2F1EN1G1G2三态门应用三态门应用双向总线驱动器，又称收发器双向总线驱动器，又称收发器DIDODBE双向总线双向总线11ENEN六、六、TTL系列系列系系 列列延迟功耗乘延迟功耗乘积积(微微焦耳微微焦耳)传输延传
16、输延迟迟/ns功耗功耗/mW中速中速TTL(74)1001010高速高速TTL(74H)132622肖特基肖特基(甚高速甚高速)TTL(74S)57319低功耗肖特基低功耗肖特基TTL(74LS)199.52*肖特基二极管肖特基二极管利用特殊原理制成利用特殊原理制成的二极管。又称为金属的二极管。又称为金属-半导体二极管半导体二极管这种二极管比这种二极管比pnpn结二极管有更高的使用结二极管有更高的使用频率和开关速度，噪声低，但工作电流频率和开关速度，噪声低，但工作电流较小，反向耐压较低。较小，反向耐压较低。*命名方式命名方式 SN 74 ALS 00 SN 74 ALS 00表明生产者为表明生
17、产者为表明生产者为表明生产者为德州仪器公司德州仪器公司德州仪器公司德州仪器公司54545454：军用（：军用（：军用（：军用（-55-55-55-55125125125125）74747474：商用（：商用（：商用（：商用（0 0 0 0 70707070）子系列子系列子系列子系列逻辑功能：逻辑功能：逻辑功能：逻辑功能：0000：与非门：与非门：与非门：与非门3232：与门：与门：与门：与门0202：或门：或门：或门：或门0404：非门：非门：非门：非门等等等等*封装形式封装形式 双列直插封装双列直插封装 （DIP）扁平封装扁平封装 （QFP）阵列封装列封装 针式式阵列列 （PGA）球球栅阵列
18、列 （BGA）实际的与非门器件实际的与非门器件74LS002输入输入4与非门与非门74LS308输入与非门输入与非门17148&17148&2-5 CMOS逻辑门电路逻辑门电路1 1CMOS非门非门VOVIVDDTPTN设设VDD（VTN+|+|VTP|），），且且VTN=|=|VTP|（1 1）当）当Vi=0=0V时，时，TN截止，截止，TP导通。输出导通。输出VOVDD。（2 2）当）当Vi=VDD时，时，TN导通，导通，TP截止，输出截止，输出VO00V。增强型场效应管增强型场效应管2.CMOS与非门和或非门电路与非门和或非门电路与非门与非门或非门或非门FVDDTP2TP1TN1TN2A
19、BTN1TN2TP1TP2VDDFAB带缓冲极的CMOS门与非门带缓冲极的CMOS门解决方法控制端：控制端：C=0 截止截止 高阻态（断开）高阻态（断开）C=1 导通导通 低阻态低阻态 输入端与输出端对称，双向器件输入端与输出端对称，双向器件 模拟开关：导通时可传输模拟信号模拟开关：导通时可传输模拟信号 3.CMOS传输门传输门CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1）基本的）基本的CMOS 4000系列。系列。（2）高速的）高速的CMOSHC系列。系列。（3）与）与TTL兼容的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。CMOS逻辑门电路主要参数的特点逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（m
20、in）=VDD；VOL（max）=0。所以所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。CMOS门电路功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关门电路功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与速度与TTL接近，易大规模集成，已成为数字集成电路接近，易大规模集成，已成为数字集成电路的发展方向。的发展方向。（2）阈值电压）阈值电压Vth约为约为VDD/2。ViH（min）=VDD/2（3）其高、低电平噪声容限约）其高、低电平噪声容限约 VDD/2。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；门；（5）因）因CMOS电路有极高的输入
21、阻抗，故其扇出系数电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数 很大，达很大，达50 速度速度 功耗功耗噪声容限噪声容限扇出系数扇出系数 集成度集成度 TTL 快快 大大 小小 小小 低低 CMOS 慢慢 小小 大大 大大 高高*集成逻辑门使用中的实际问题集成逻辑门使用中的实际问题一、多余输入端的处理一、多余输入端的处理 (1)TTL门门 TTLTTL门的输入端悬空，相当于输入高电平门的输入端悬空，相当于输入高电平门的输入端悬空，相当于输入高电平门的输入端悬空，相当于输入高电平 但是，为防止引入干扰，通常不允许其输入端悬空。但是，为防止引入干扰，通常不允许其输入端悬空。但是，为防止引入干扰，通常不允许其
22、输入端悬空。但是，为防止引入干扰，通常不允许其输入端悬空。对于对于对于对于与门与门与门与门和和和和与非门与非门与非门与非门的多余输入端，可以使其输入高电的多余输入端，可以使其输入高电的多余输入端，可以使其输入高电的多余输入端，可以使其输入高电平。具体措施是将其通过上拉电阻平。具体措施是将其通过上拉电阻平。具体措施是将其通过上拉电阻平。具体措施是将其通过上拉电阻R R(1K(1K 3K3K ）接接接接+V VCCCC 在前级门的扇出系数有富余的情况下，也可以和有用在前级门的扇出系数有富余的情况下，也可以和有用在前级门的扇出系数有富余的情况下，也可以和有用在前级门的扇出系数有富余的情况下，也可以和
23、有用输入端并联连接。输入端并联连接。输入端并联连接。输入端并联连接。对对于于或或门门及及或或非非门门的的多多余余输输入入端端，可可以以使使其输入低电平。其输入低电平。v具具体体措措施施是是通通过过小小于于500的的电电阻阻接接地地或直接接地。或直接接地。v在在前前级级门门的的扇扇出出系系数数有有富富余余时时，也也可可以和有用输入端并联连接。以和有用输入端并联连接。(2)MOS门门 MOSMOS门的输入端是门的输入端是门的输入端是门的输入端是MOSMOS管的绝缘栅极，管的绝缘栅极，管的绝缘栅极，管的绝缘栅极，它与它与它与它与其它电极间的绝缘层很容易被击穿。虽然内部其它电极间的绝缘层很容易被击穿。
24、虽然内部其它电极间的绝缘层很容易被击穿。虽然内部其它电极间的绝缘层很容易被击穿。虽然内部设置有保护电路，但它只能防止稳态过压，对设置有保护电路，但它只能防止稳态过压，对设置有保护电路，但它只能防止稳态过压，对设置有保护电路，但它只能防止稳态过压，对瞬变过压保护效果差，因此瞬变过压保护效果差，因此瞬变过压保护效果差，因此瞬变过压保护效果差，因此MOSMOS门的多余端不门的多余端不门的多余端不门的多余端不允许悬空。允许悬空。允许悬空。允许悬空。CMOSCMOS输入端悬空会造成输入电平不确定输入端悬空会造成输入电平不确定输入端悬空会造成输入电平不确定输入端悬空会造成输入电平不确定MOSMOS门的多余
25、输入端处理方法与门的多余输入端处理方法与门的多余输入端处理方法与门的多余输入端处理方法与TTLTTL门相同。门相同。门相同。门相同。二、二、接口电路接口电路 接接口口电电路路的的作作用用是是通通过过逻逻辑辑电电平平的的转转换换，把把不不同同逻逻辑辑值值的的电电路路(如如TTL和和MOS门门电电路路)连连接接起起来来；或或者者用用来来驱驱动动集集成成电电路路本本身身驱驱动动不不了了的的大大电电流流及及大大功功率率负负载载；也也可可用用来来切切断断干干扰扰源源通通道道，增增强抗干扰能力。强抗干扰能力。三、使用三、使用MOSFETMOSFET中的注意事项中的注意事项1.结构上漏极和源极可以互换，前提是衬底有引结构上漏极和源极可以互换，前提是衬底有引线引出。线引出。2.原理上原理上MOSFET是绝缘栅输入结构，没有电荷是绝缘栅输入结构，没有电荷的泄放通道，极易造成静电击穿。存取时尤须的泄放通道，极易造成静电击穿。存取时尤须注意。注意。3.MOSFET在焊接时，静电击穿的危险更大。所在焊接时，静电击穿的危险更大。所以无论器件内部是否有静电保护，均须接地良以无论器件内部是否有静电保护，均须接地良好焊接或断电后余热焊接。好焊接或断电后余热焊接。