第3章 门电路1

1、1第三章第三章 门电路门电路2第三章第三章 门电路门电路 3.1 概述概述 3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 3.3 CMOS门电路门电路 * 3.4 其他类型的其他类型的MOS集成电路集成电路 3.5 TTL门电路门电路 * 3.6 其他类型的双极型数字集成电路其他类型的双极型数字集成电路 3.7 Bi-CMOS门电路门电路 3.8 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路的接口3 用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路。通称为门电路。 基本逻辑门电路基本逻辑门电路与门、或门、非门与门、或门、非门 常用门电路常用门电路

2、与门、或门、非门与门、或门、非门与非门、或非门、与或非门、异或、同或与非门、或非门、与或非门、异或、同或在电子电路中，用高、低电平分别表示在电子电路中，用高、低电平分别表示1 1和和0 0两种两种逻辑状态。逻辑状态。3.1 概述概述4正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑正逻辑：正逻辑：用高电平表示逻辑用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑，用低电平表示逻辑0负逻辑：负逻辑：用低电平表示逻辑用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑，用高电平表示逻辑0正负逻辑之间存在着简单的对偶关系，例如正逻辑与门等同于正负逻辑之间存在着简单的对偶关系，例如正逻辑与门等同于负逻辑或门等。（负逻辑或门等。（1表示条件满足、结果发

3、生）表示条件满足、结果发生）ABY000010100111ABY111101011000正与门正与门负或门负或门VAVBVY0V0V0V0V3V0V3V0V0V3V3V3V用正逻辑用正逻辑用负逻辑用负逻辑ABY001011101110混合逻辑混合逻辑与非门与非门ABY110100010001或非门或非门5 在数字系统的逻辑设计中，若采用在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和晶体管和NMOS管管,电源电压是正值，一般采用正逻辑。电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是若采用的是PNP管和管和PMOS管，电源电压为负值，则采用管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。负逻辑比较方便。 今

4、后除非特别说明，一律采用正逻辑。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。 逻辑电平逻辑电平高电平高电平VH：大于给定电平值的电压范围（大于给定电平值的电压范围（2V5V） 输入高电平输入高电平VIH 输出高电平输出高电平VOH 低电平低电平VL：小于给定电平值的电压范围（小于给定电平值的电压范围（0V0.8V） 输入低电平输入低电平VIL 输出低电平输出低电平VOL6 高电平和低电平都是对应的一段电压范围，因此在高电平和低电平都是对应的一段电压范围，因此在数字电路中，对数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。源的稳定度的要求比

5、模拟电路要低。正逻辑正逻辑015V2V0.8V 0V负逻辑负逻辑015V2V0.8V 0V7VI控制开关控制开关S的通、断。的通、断。S断开，断开，VO为高电平；为高电平；S接通，接通，VO为低电平。为低电平。 用来获得高、低输出电平的基本开关电路用来获得高、低输出电平的基本开关电路：缺点：功耗比较大。缺点：功耗比较大。S接通，输出为接通，输出为VOL时，功耗时，功耗 RVCC/2改进：采用互补开关电路。改进：采用互补开关电路。VI同时控制开关同时控制开关S的通、断。的通、断。S2断开断开, S1接通接通, VO为高电平为高电平;S1断开断开, S2接通接通,VO为低电平。为低电平。 静态功耗

6、静态功耗0 0互补开关电路互补开关电路在数字集成电在数字集成电路中广泛应用路中广泛应用8VISVIS理想开关：理想开关：开关闭合时：开关闭合时：R=0 V=0开关断开时：开关断开时：R= I=0开关时间：开关时间：t=0 实际使用的开关为晶体二极管、三极管以及场效应管实际使用的开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件。等电子器件。 这些电子器件作为开关使用时，也是从这三个方面这些电子器件作为开关使用时，也是从这三个方面讨论其开关特性。讨论其开关特性。 91、二极管符号、二极管符号3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1 半导体二极管开关特性半导体二极管开关特性二极管特性：单

7、向导电性二极管特性：单向导电性 在数字电路中，使用二极管的正向导通区（开关闭合）和在数字电路中，使用二极管的正向导通区（开关闭合）和反向截止区（开关断开）反向截止区（开关断开）vi反向截止反向截止正正向向导导通通反反向向击击穿穿VON2、伏安特性、伏安特性)1(/ TVvseIi电流方程：电流方程：103、二极管开关等效电路、二极管开关等效电路 应用于二极管应用于二极管外电路电阻外电路电阻R R值与值与其动态其动态r rD D 电阻等量电阻等量级场合。级场合。 应用于二极管电应用于二极管电路输入电压路输入电压V正向正向幅值与幅值与VON差别不差别不大，且大，且RrD的场的场合，合，数字电路属于

8、数字电路属于此类。此类。应用于二极管应用于二极管电路输入电压电路输入电压V V正向峰值正向峰值V VPPPPVVONON，且，且RrRrD D 的场合。的场合。11二极管的动态电流波形：二极管的动态电流波形：ovtoit原因：原因：二极管的电容效应二极管的电容效应反向恢复时间反向恢复时间12导通条件及特点导通条件及特点条件：条件：VD0.7V 特点：相当于特点：相当于0.7V压降压降的闭合开关的闭合开关二极管开关特性二极管开关特性VI=0SVONIS开关时间：开关时间：t 0截止条件及特点截止条件及特点 条件：条件：VD0时时产生导电沟道产生导电沟道产生导电沟道时的栅源电压产生导电沟道时的栅源

9、电压UGS称为称为开启电压开启电压，用，用 UGS(th)表示表示。ID018UDS增加（未增加（未夹断）夹断） iD增加增加UGDUGS(th) UDS再增加到再增加到UGD=UGS(th)预夹断预夹断UDS再增加，夹断再增加，夹断区加长区加长, iD不再增不再增加。加。UGDUGS(th) 时时加加UDSUGSUGS(th) 时时,导通。导通。所以，场效应管可以看成是一个由电压所以，场效应管可以看成是一个由电压VGS控制的开关控制的开关19 N沟道增强型场效应管的开关特性：沟道增强型场效应管的开关特性：导通条件：导通条件： VGS VGS(th)特点：特点：导通内阻导通内阻RON1K1K相

10、当于一个闭合开关相当于一个闭合开关截止条件：截止条件： VGS 109，ID0相当于一个断开的开关相当于一个断开的开关C1代表栅极的输入电容。约为几皮法。代表栅极的输入电容。约为几皮法。20二、二、 N沟道增强型沟道增强型MOS管的管的输入特性和输出特性输入特性和输出特性 输入特性：直流电流为输入特性：直流电流为0 0，看进去，看进去有一个输入电容有一个输入电容CI，对动态有影响。，对动态有影响。输出特性：输出特性：iD = f (VDS) 对应不同的对应不同的VGS下的一族曲线下的一族曲线 。 转移特性：转移特性：截止区：截止区：VGS 109恒流区恒流区可变可变电阻区电阻区2122P沟道增

11、强型场效应管沟道增强型场效应管( (PMOS) )导通条件：导通条件：| VGS| |VGS(th) |特点：特点：导通内阻导通内阻RON1K1K相当于一个闭合开关相当于一个闭合开关截止条件：截止条件： | VGS | | VGS(th) |特点：特点：内阻内阻ROFF=，ID0相相当于一个断开的开关当于一个断开的开关P沟道耗尽型场效应管沟道耗尽型场效应管( (PMOS) )23目前，采用目前，采用MOS管的逻辑集成电路主要有三类：以管的逻辑集成电路主要有三类：以N沟道增沟道增强型管构成的强型管构成的NMOS电路，以电路，以P沟道增强型管构成的沟道增强型管构成的PMOS电路电路以及以及用用PM

12、OS和和NMOS两种管子构成互补的两种管子构成互补的CMOS电路电路。三、三、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路NMOS反相器反相器OFFDONONOFFRRRKRR 1,10924DDONDONOVRRRV 设：设：VDD=12V，VGS(th)=2V，VIL=0V，VIH=12VNMOS反相器反相器OFFDONONOFFRRRKRR 1,109当当Vi=ViL=0V时时，VGS=ViL VGS(th) ，MOS管导通，合理管导通，合理选择选择VDD和和RD，输出，输出VO=VOL为得到足够低的为得到足够低的VOL，要求，要求RD很大，在实很大，在实际电路中，常用另一个际电路中，常用另一

13、个MOS管来做负载。管来做负载。253.3.2 CMOS反向器的电路结构和工作原理反向器的电路结构和工作原理VGSN=0V-0V=0V VTN，TN导通导通，V VGSPGSP=10V-10V=0V,=10V-10V=0V,TP截止截止, ,I ID D0 0; ;输出输出VO=I=ID DR RONON0 0V。N沟道沟道P沟道沟道一、一、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由由N沟道增强型和沟道增强型和P沟道增强型沟道增强型MOS互补而成互补而成26（4 4）当）当5 5VVi8 8V， TP逐渐变为截止，逐渐变为截止， TN导通导通（5 5）当）当Vi8 8V，T

14、P截止，截止，TN导通，输出导通，输出Vo=0=0V。 二、电压传输特性二、电压传输特性：（设：（设: VDD=10V， VGS(th)N =| VGS(th) P|=2V）（1）当）当Vi2V,TN截止截止,TP导通导通,输出输出VoVDD=10V（2）当）当2VVi5V，TN开始导通，开始导通，TP导通导通（3）当）当Vi=5V，两管都导通，两管都导通，Vo=（VDD/2）=5V。CMOS门电路的阈值门电路的阈值电压电压(电压传输特性转折区电压传输特性转折区中点所对应的输入电压中点所对应的输入电压） VTH=VDD/2N沟道沟道P沟道沟道27二、电压传输特性二、电压传输特性： 电流传输特性

15、：电流传输特性：N沟道沟道P沟道沟道28三、输入噪声容限三、输入噪声容限保证输出高、低电平基本不变（在允许的范围内）的条件保证输出高、低电平基本不变（在允许的范围内）的条件下，而允许的输入信号的波动范围称为输入端噪声容限下，而允许的输入信号的波动范围称为输入端噪声容限输入低电平噪声容限：输入低电平噪声容限：VNL=VILmax VOLmax =0.8V-0.3V =0.5V输入高电平噪声容限：输入高电平噪声容限：VNH=VOHmin-VIHmin =11V-8V =3V0.3V 0V12V11V0.8V 0V12V 8V293.3.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性:一、输入特性：一、输入特性：输入端绝缘，输入电流为输入端绝缘，输入电流为0，输入端保护电路，输入端保护电路,必须必须,避免输入端悬空避免输入端悬空 (Vi被限制在-0.7VDD+0.7V)。30二、输出特性二、输出特性:1 1、输出低电平、输出低电平VO= VOL时的输出特性时的输出特性输出电流流入反相器为正输出电流流入反相器为正改变改变VDD312、输出高电平、输出高电平V VO O= = V VOH OH 时的输出特性时的输出特性输出