03第三章门电路要点

1、授课 内容 概要3.1简单门电路（3.1、3.2）, 3.3.13.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理，333 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性，3.3.3CMOS反相器的静态输入特性和输出特性，3.3.5其他类型的CMOS门电路，3.5.1双极性三极管的开关特性，3.5.23.5.3 TTL反相器的电路结构和工作原理、静态输入特性和输出特性、负载特 性3.5.5其他类型的TTL门电路TTL门电路和CMOS门电路的基本概念及电路分析方法的讨论目的要求理解三极管（包括双极性和 MOS型）的开关特性；熟练掌握TTL反相器的电路结 构及工作原理，理解主要参数的含义和其他 TTL门电路实

2、现的功能；掌握 CMOS 反相器的电路结构和工作原理，理解其他CMOS门电路的连接规律，学会分析电路结构。重点半导体二极管和三极管（包括双极型和MOS型）开关状态下的等效电路和外特性； TTL的外特性及其应用；CMOS电路的外特性及其应用。难点TTL和CMOS门电路的内部结构和工作原理作业布置3.13.7，3.123.1，63.8，3.9, 3.13（a,b.d）本章（节）参考 书数字电子技术基础（第五版）教学方法演讲法、启发式主要教具多媒体课件备注授课过程及内容第三章门电路 3.1简单门电路（3.1、3.2）一、概述二、二极管、三极管开关特性三、最简单门电路1、二极管与门2、二极管或门3、三

3、极管非门概述1、门电路：是用以实现逻辑关系的单元电路，与基本逻辑关系相对应2、主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。3、正负逻辑体制概念：在电子电路中，用高低电平表示 0和1两种逻辑状态。VccS开Vo输出高电平,PV o输出低电平正逻辑：高电位对应“ 1”；低电位对应“ 0”负逻辑：高电位对应“ 0”；低电位对应“ 1例:ABF111101011000负或门混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑 在数字电路中，电压值具体值多少不重要，只要能判断高低电平即可。、二极管、三极管开关特性1、二极管开关特性一个PN结，具有单向导电性。外加正向电压时导通，相当于

4、开关闭合； 外加反向电压时截止，相当于开关断开。正向导通压降：硅管0.7V，锗管0.3V2、三极管开关特性反向截止，开关断开饱和导通，开关闭合ce最简单门电路1、二极管与门(3V以上为高电平，0.7V以下为低电平)Vcc设 Vcc = 5V, Vih = 3V, Vil = 0VI二极管导通压降0.7VD2Y=ABDiD22、二极管或门(2.3V以上为高电平)Vih = 3V,Y=A+B思考题：这些电路虽然结构简单，但不常用。原因是什么？(发生了电平偏移、级数越多偏移越大，误差也越大，可靠性不高)3.5 TTL门电路3.5.1双极性三极管的开关特性 三极管非门R,分立元件门电路的缺点：(1)

5、体积大、工作不可靠。(2) 需要不同电源。(3) 各种门的输入、输出电平不匹配。根据集成度分为：SSI（100以下）、MSI（几百个）、LSI（几千个）、VLSI（ 万个以上） 介绍一种用的最多的双极型数字集成电路 TTL电路。3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构二、原理（输出级特点、Di、D2作用）三、电压传输特性曲线、电路结构四、相关参数Vcc=5V, Vih=3.4V, Vil=0.2V二极管压降0.7V二、工作原理1、Vi=Vil=0.2V（A=0）时 Ti发射结导通，Vbi=0.9V T2、T5均截止T4导通（饱和导通）Vo= Vcc Vr2 0.7 0.7=3.

6、4V （根据设计参数可得到） A = 0, Y = 12、Vi= Vih=3.4V (A=1 )时Ti集电结导通，Vbi=2.1V，发射结反向截止T2、T5均饱和导通VC2= Vces2+0.7=0.3+0.7=1V T4截止Vo= Vces3=0.3V即 A = 1, Y = 0从上面的原理可知：T4、T5总是一个导通而另一个截止，故也称为推拉式电 路。D1的作用：钳位二极管，抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，防止输入为负时T1发射结电流过大，起保护作用。D2的作用：确保T5饱和导通时，T4可靠截止。三、电压传输特性曲线 AB段（截止区）：Vi<0.6V，门截止（T5的状态）T1发射

7、结导通T2、T5均截止T4导通（饱和导通）Vo= VohBC 段（线性区）：0.6V <Viv1.3VTi集电结导通，T2线性放大，T5仍截止随着 ViVbi Vb2Vc2Vo JCD 段："1.4VVi稍微增大到1.4V时，Vbi=2.1VT2、T5迅速饱和导通T4 截止，Vo= Vol所以称1.4V为转折电压或阈值电压，记为：Vth = 1.4VDE段（饱和区）：Vi>1.4V,门导通T4 截止，Vo= Vol四、输入端噪声容限1）单独的门：输入为高电平的噪声容限为:输入为低电平的噪声容限为:InT2、T5饱和导通VNH = ViH V IH(min)Vnl = V

8、iL(max) Vil2)对于n门：输入为高电平的噪声容限为：VNH = V OH(min) V iH(min)输入为低电平的噪声容限为：V NL = V IL(max) V OL(max)3.5.3 TTL反相器的静态输入、输出及输入端负载特性一、输入特性曲线二、输出特性曲线三、输入端负载特性曲线四、输入特性曲线一、输入特性曲线输入特性：输入电流随输入电压变化 的特性。仅考虑输入信号是高电平和低电平，则 输人端的等效电路如图：设流入发射结的电流为正方向，（1）当 Vi=ViL 时：IiLVcc '0.7 ViLR1当Vi=0时，IiL =_Vcc 0.7=iis (输入短路电流)R1

9、（2）当Vi>Vth时，iiH0。74系列反相器在40卩A以下故输入特性曲线如图:输入电压介于高低电 平之间的情况比较复 杂，不作分析。输出特性曲线输出特性曲线：输出电压随负载电流变化的曲线（1）高电平输出特性曲线Vo= Voh时，输出端等效电路为:输入电压介于高低电平之间的情况比较复杂，不 作分析。高电平输出特性曲线为：由于功耗的限制，高电平输出时负载电 流的最大值应该参照手册的参数值。另外，从等效电路上看，负载电流实际 是流出门电路，我们称之为拉电流，负载为 带拉电流负载。（2）低电平输出特性曲线Vo= Vol时，输出端等效电路为:T5饱和导通，c e间内阻很小（10Q） Il增加，

10、Vol仅有稍微升高，且呈 线性关系低电平输出特性曲线为:另外，从等效电路上看，负载 电流是流入门电路，我们称之为灌 电流，负载为带灌电流负载。注意一个概念，扇出系数：74系列反相器可驱动同类型反相器的最大数目一、输入端负载特性曲线输入端负载特性曲线：输入电压随输入端负载变化的曲线。 等效电路：(1) VV.4V 时：r-"%Vi - Rp (Vcc 0.7)阴Ri+Rp”若RxvRi,则Vi与Rp成正比关系。?丄、F be：(2) Vl>1.4V 时：水。、金T2、T5迅速饱和导通，Vbi=2.1V，被工t钳位。即使RpT, Vi不再变化 Vi= 1.4V故输入端负载特性曲线为

11、：讪VjRoff=650700Q丄RoN=1.45k Qm 卜V IL(max)卜彳凶，1 ”_Roff 0 RON 也 °3,0 尺“阳总结一下本节的相关参数：IlL :低电平输入电流Ils:输入短路电流IlH :高电平输入电流扇出系数N :Roff：关门电阻Ron :开门电阻丫 =AB CD3.5.5其它类型的TTL门电路一、TTL与非门二、TTL或非门三、TTL与或非门四、TTL异或门五、集电极开路的门电路（0C门）六、三态输出门电路（TS门）、TTL与非门电路图为:将TTL反相器的输入端改为 多发射极三极管。工作原理：只有当A、B同 时为高电平时，T2和T5才同时导 通，并使

12、输出为低电平Vol。Y =AB、TTL或非门电路图为:工作原理：只有A、B都 为低电平时，T2和T' 2同时截 止，T5截止而T4饱和导通，从 而输出高电平。Y =A B三、与或非门电路图为:工作原理：当A、B同时为咼电平 时，T2、T5导通而T4截止，丫为低电 平。同理，当C、D同时为高电平时，丫 也为低电平。只有A、B和C、D每一 组输入都不同时为高电平时，T2和T' 2 同时截止，使T5截止而T4导通，丫为 咼电平。四、异或门 电路图为：工作原理：(1) A=O,B=O 时：T6截止，T4、T5截止，T7、T9饱和导通，T8截止 Y=0(2) A=1,B=1 时：T4、T

13、5饱和导通，T7截止T6、T9饱和导通，T8截止 Y=0(3) A=0,B=1 时：T6截止，T4饱和导通、T5截止，T7截止 T9截止，T8饱和导通(4) 同理,A=1,B=0 时：T6截止，T5饱和导通、T4截止，T7截止 T9截止，T8饱和导通故丫=1 Y =A 二 B五、集电极开路的门电路(0C门)1、问题的提出标准TTL门电路如何进行与运算？能否直接将门电路的输出直接接在一起即“线与”？ 不能。原因是：如图，若Gi输出高电平而G2的输出低电平，则“线与”后 必然有很大的负载电流同时流过这两个门的输出级。这个 电流将远远超过正常工作电流，可能使门电路损坏。另外，单个的标准TTL门电路的

14、局限性有：(1) 无法满足对不同输出电平的需要。因为电源一经确定，输出的高电平也就固定。(2) 不能驱动满足驱动较大电流、较高电压的负载的要求。a) 0C 门(1) 0C门：将输出级改为集电极开路的三极管结构。 电路结构如图所示：应用时输出端要外接一上拉负载电阻Rl和电源Vcc，只要根据要求选择不同 Vcc值,就可以得到所需的 Voh值。应用时输出端要外接一上拉负载电阻Rl和电源Vcc ,只要根据要求选择不同Vcc值，就可以得到所需的 VOH值。（2）OC门如何实现“线与”OC门输出并联的接法及逻辑图如下：Ab cdA B c D分析：丫1、丫2任一导通，则丫=0。 丫1、丫2全截止，则丫=1

15、 。:.丫 二丫 界2 =AB JCD =AB CD六、三态输出门电路（TS门）1、TS门是在普通门电路的基础上附加控制电路构成的'（1）控制端高电平有效的电路结构：（以与非门为例）工作原理：当EN=1时，P点高，D截止，普通与非门。当EN=0时，P点低，T2、T5截止同时D导通，T4也截止，故输出呈高阻状态 （2）控制端低电平有效的电路结构：2、TS门的应用（1）可以作为TTL电路与总线间的接口电路线总U工作时，EN1、EN2、EN3分 时接入高电平，可以将多个输出信 号轮流送到总线上，而互不干扰。(2)实现数据的双向传输EN=1 时：Gi工作、G2高阻，数据Do经Gi反相后送到总线

16、。EN=0 时：G2工作、Gi高阻，来自总线的 数据经G2反相后由Di送出。3.3 CMOS门电路MOS管开关电路知识回顾 3.3.1 CMOS反相器的工作原理一、电路结构及工作原理二、电压、电流传输特性曲线三、噪声容限 3.3.2 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性一、输入端保护措施和输入特性二、输出特性MOS管开关电路知识回顾1、MOS管的基本开关电路 2、MOS管的开关特性当V|=VgsV VGS(th)(开启电压)为低电平时：MOS管工作在截止区，内阻极高(108 109Q) D S间相当于一个断开的开关，其 等效电路为图(a);-V OH = V DDNMOS增强型当Vl=VGS

17、>VGS(th)为高电平时:D S间导通电阻很小(1k Q以下)，等效电路为(bllajMOS管工作在可变电阻区, 图(b);若 Rd»Ron，则 Voh = 03.3.1 CMOS反相器的工作原理将NMOS管和PMOS管同时制造在一块晶片上的所谓互补器件，简称CMOS(Complementary -Symmetry MOS)。、电路结构及工作原理1电路图为：Ti为增强型PMOS，T2为增强型NMOS。 T1、T2的开启电压分别为VGS(th)P和VGS(th)N。(1) Vi=0 时：I VGS1 I = Vdd> I VGS(th)P IVGS2= 0<VGS(

18、th)N T1导通，T2截止 -V OH V DD(2) Vi= Vdd 时： VGS1= 0< I VGS(th)P I VgS2=V DD>V GS(th)N T1截止，T2导通 二 V°H= 0电路特点：、T2总是一个导通而另一个截止，即所谓互补状态2、突出优点：静态功耗极小、电压、电流传输特性曲线3、电压传输特性曲线设 VDD> VGS(th)N+ I VGS(th)P I 且 VGS(th)N= I VGS(th)P I 并设 Vil =Vol=0V， Vih =Voh= Vdd 并且 VGS(th)N 用 Vtn 表示，VGS(th)P 用 Vtp 表示

19、。电压传输特性曲线如图：AB 段: Viv VGS(th)NI Vgsi I = Vdd V i> I VGS(th)p I Ti导通，T2截止 故 Vo= Voh = VddCD 段：Vi> Vdd I VGS(th)p I I Vgsi I < I VGS(th)p I, Ti截止，T2导通 故 Vo= Vol = 0V I>V GS(th)NBC 段：VGS(th)N <V i< Vdd 'I VgS1 I > I VGS(th)P I , Ti、T2同时导通 则电路的等效图为：I VGS(th)P IVGS2>VGS(th)NVd

20、d若Ti、T2参数完全对称,RdnpVoRonn1VoV DD2Ronp= RonnVi/ 时, CMOS反相器的阈值电压4、电流传输特性曲线电流传输特性曲线如图:三、输入端噪声容限阈值电压Vth =Vdd2贝 U V IH(min) = 2 VDD ,V IL(max)-1VDD (2 ，1Vth = Vdd2AB、CD段漏极电流几乎为0,BC段V| =丄Vdd附近电流最大，2故不能使CMOS器件长期工作在BC段，防止 因功耗过大而损坏器件。Voh=Vdd , Vol = 01 VNH = Voh VlH(min) =? Vdd1VNL = V IL(max) Vol = Vdd1输入端保护

21、电路P96P128 练习 2.162、输入特性o屁3.3.2 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性 一、输入端保护措施和输入特性当OW Vi< Vdd时，保护电路不起作用当 Vi > Vdd+ Vdf 时，Di导通，Vi被钳位为Vdd + Vdf 当 Vi V Vdf 时，D2导通，Vi被钳位为Vdf从而保证加到Ci、C2上的电压不会超过允许 的耐压极限。0.7VIVdd+0.7V VI、输出特性1、低电平输出(1) v Vol = IolRon二随着 Iol T Vol t(2) 在同 一一 Iol 下，Vdd t Ron J Vol J低电平输出特性为:2、高电平输出(1)

22、v Voh = Vdd I Ioh I Ron二随着I Ioh It Voh略有降低(2) 在同一 Ioh Vdd高电平输出特性为:小结一下：3.3.4其它类型的CMOS门电路一、CMOS与非门和或非门二、带缓冲级的CMOS与非门和或非门三、CMOS OD 门四、CMOS传输门五、CMOS三态门要求：（1）CMOS门电路的连接规律；（2）学会分析电路结构。CMOS与非门和或非门 电路图为：二者对比，规律：与非门：NMOS串，PMOS 并; 或非门：NMOS 并, PMOS串。工作原理：（1）与非门：Y =AB（2）或非门：Y=A，BA BT1 T2T3T4Y0 0导通截止导通截止11A BT1

23、T2T3T 4Y0 1导通截止截止导通11 0 0导通截止导通截止11 0截止导通导通截止1 0 1导通截止截止导通01 1截止导通截止导通0 1 0截止导通导通截止01 1截止导通截止导通0此类门电路的缺点：（1）输出电阻Ro受输入状态影响；（2）输出的高低电平受输入端数目的影响。二、带缓冲级的CMOS与非门和或非门即在门电路的每个输入端和输出端各增设一级反相器（缓冲器）。电路图为:（1）带缓冲级的CMOS与非门nruy三、OD门即漏极开路门电路，与TTL门电路中的0C门类似。电路图为:Rii"一一一 CC40107Im J 群逻辑符号TrV/wTTiyg./vpCV|/VoV|/VoCSWV|/Vo四、CMOS传输门1、电路图：c设控制信号C、C的高、低电平分别为Vdd和0V2、工作原理：（1）当 C=0， C=1 时Ti、