第五章集成门电路

1、第第3章章 集成逻辑门集成逻辑门 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门3.3 ECL门与门与IIL电路电路3.4 MOS逻辑门逻辑门 3.5 CMOS电路电路 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性和分立元件门电路和分立元件门电路半导体器件简介半导体器件简介PN结结二极管二极管三极管三极管场效应管场效应管半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性第三章概述第三章概述半导体器件简介半导体器件简介 PN结 采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结结。PN结具有单向导结具有单向导电性电性。 （PN

2、junction）4PN结 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的 。 N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。 当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。 P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。PN结 在PN结

3、上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电流可以顺利通过。 如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。 PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。 半导体器件简介半导体器件简介 二极管D（Diode） 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在

4、其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。 当不存在外加电压时，处于电平衡状态。 当外界有正向电压偏置时，引起正向电流。 当外界有反向电压偏置时，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 当外加的反向电压高到一定程度时，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。 二极管正向特性正向特性 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。 必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管

5、约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。 导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。 反向特性反向特性 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。 二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。 半导体器件简介半导体器件简介 三极管T（Triode） 三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个

6、PN结把半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种 从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。半导体器件简介半导体器件简介 MOS场效应管 MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效应管，英文缩写为MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor），属于绝缘栅型。 其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。 场效应管 它也分N沟道管和P沟道管， 它和三极管一样，也有三个引脚，分别是 栅极Gate，G 源极Source，S 漏极Drain

7、，D逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。正逻辑：高电平表示逻辑1，低电平表示0 负逻辑：低电平表示逻辑1，高电平表示00V+Vcc逻辑1逻辑00V+Vcc逻辑0逻辑1半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。1 1、二极管的开关特性二极管的开关特性二极管符号：正极负极uD 理想开关的特性： 开关S断开时，通过开关的电流i=0,这时开关两端点间呈现的电阻为无穷大 开关

8、S闭合时，开关两端的电压v=0,这时开关两端点间呈现的电阻为零 开关S的接通或断开动作瞬间完成 上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响 理想开关p 二极管的稳态开关特性二极管的稳态开关特性ViVth时，二极管导通。ViVth时，二极管截止，iD=0。二极管伏安特性二极管伏安特性理想二极管开关特性理想二极管开关特性二极管特性折线简化二极管特性折线简化1/kTqvsDDeIip 二极管的瞬态开关特性二极管的瞬态开关特性理想二极管开关特性理想二极管开关特性二极管瞬态开关特性二极管瞬态开关特性2 2、三、三极管的开关特性极管的开关特性 NPN型三极管截止、放大、饱和3 种工作状态的特点工作状态截

9、止放 大饱 和条 件iB00iBIBSiBIBS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集电极电流iC0iCiBiCICSce间电压uCEVCCuCEVCCiCRcuCEUCES0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合p 三极管的稳态开关特性三极管的稳态开关特性基本单管共射电路基本单管共射电路单管共射电路直流传输特性单管共射电路直流传输特性p 三极管的瞬态开关特性三极管的瞬态开关特性3 3、场效应、场效应管的开关特性管的开关特性工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiU

10、Tuo0 集成电路(Integrated Circuit)就是将所有的元件和连线都制作在同一块半导体基片(芯片)上。集成电路分模拟和数字两大类。 在数字集成逻辑电路中，常以“门”为最小单位。我们可按其“集成度”(一定大小的芯片上所含门的数量多少)分成： 小规模集成电路(SSI：Small Scale Integrating)，一块芯片上含150个门。 中规模集成电路(MSI：Medium Scale Integrating),一块芯片上含50100个门。 大规模集成电路(LSI：Large Scale Integrating),一块芯片上含10010000个门。 超大规模集成电路(VLSI：V

11、ery Large Scale Integrating),一块芯片上含10+410+6个门。第三章概述第三章概述 如果集成逻辑门是以双极型晶体管(电子和空穴两种载流子均参与导电)为基础的，则称为双极型集成逻辑门电路。它主要有下列几种类型： 晶体管晶体管逻辑(TTL：Transistor-Transistor Logic)； 高阈值逻辑(HTL：High Threshold Logic)； 射极耦合逻辑(ECL：Emitter Coupled Logic； ECL门又叫做电流开关逻辑门，即Current Switching Logic,CSL)； 集成注入逻辑(I2L ：Integrated I

12、njection Logic)。 如果集成逻辑门是以单极型晶体管(只有一种极性的载流子：电子或空穴)为基础的，则称为单极型集成逻辑门电路。目前应用得最广泛的是金属氧化物半导 体 场 效 应 管 逻 辑 电 路 ( M O S ： M e t a l O x i d e Semiconductor)。 MOS电路又可分为： PMOS(P沟道MOS)； NMOS(N沟道MOS)； CMOS(PMOSNMOS互补)。3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 门：具有开关作用。门：具有开关作用。门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。一、器件的开关作用一

13、、器件的开关作用开关特性开关特性体现开关作用体现开关作用静态特性静态特性转换过程转换过程动态特性动态特性理想开关特性理想开关特性Z0 短路、相当开关闭合短路、相当开关闭合Z 断路、相当开关断开断路、相当开关断开二、半导体二极管的开关特性二、半导体二极管的开关特性DRDUiV+开关作用开关作用D正偏正偏导通导通UD很小很小电路导通电路导通 UD 0.7V,硅管硅管 UD 0.3V,锗管锗管D反偏反偏截止截止UD很大很大电路断开电路断开注注:讲课如不特殊说明讲课如不特殊说明,均以硅管为例均以硅管为例.动态特性动态特性D正偏时，正偏时，PN结电阻较小。加上反结电阻较小。加上反压后，形成较大的压后，形

14、成较大的I2；尔后，随着结；尔后，随着结电阻的增加，反向电流逐渐减小，直电阻的增加，反向电流逐渐减小，直至漏电流至漏电流Is。DRDUiV+iVt1V2VDIt1I2Iret21 . 0 IIs反向恢复过程反向恢复过程:反向恢复时间反向恢复时间 tre说明说明: 转换时间：截止导通 较小 导通截止较大 故D的开关时间以tre来衡量。 Vi的最高频率以10 tre来取值。所需的时间。电流由,I 1 . 0RVI2223.3.二极管开关应用电路二极管开关应用电路（1）限幅电路。限幅电路是将输入波形的一部分传送到输出端，而将其余部分抑制，从而实现对脉冲波形的变换或整形。从输出波形来看，可分为上限幅、

15、下限幅、上下限幅几种。从电路结构结构上看，限幅电路可分为串联、并联限幅两种。 3.3.二极管开关应用电路（续）二极管开关应用电路（续）（2）钳位电路。钳位电路是将脉冲波形的顶部或底部钳定在某一选定电平上。其实质是由二极管的通断来改变RC电路的充放电时间常数，使得电容C实现快充慢放或者慢充快放，达到钳位波形的目的。三、半导体三极管的开关特性三、半导体三极管的开关特性开关作用开关作用10KVcc=5V1k Vo =30iVT截止截止饱和饱和放大放大Vbe Vbc反偏反偏， ibic 0，开关断开。正偏反偏， ic ib， 线性放大。正偏正偏， ib Ibs ， 开关闭合。VVRRVIicesCcc

16、Ccesccbsb3 . 0 , VV开关作用（续）开关作用（续）临界饱和临界饱和：饱和系数饱和系数：10KVcc=5V1k Y =30iVTbsbIiB B越大，饱和越深；越大，饱和越深；反之饱和则浅反之饱和则浅VVRVIIicesCcescccbsb3 . 0 , VCcccbsbRIIi3 . 0V 说明：说明：因所以，临界饱和电流是由外电路（Rc）决定的， Rc不同，临界饱和电流是不一样的。Vbc0 V 时，时，T处于临界饱和处于临界饱和例例1:计算图示电路的临界饱和电流。计算图示电路的临界饱和电流。 =30Vces=0.3VRbiVTRcReicibieVccVocc 11ccces

17、eesCsCeecccesbsCbsecccescccesbsCeVVI RIRI RI RVVI RI RVVVVIRR解：即：（ ）（ ）动态特性动态特性T从：从：截止导通 ，建立电荷需要时间 ton导通截止存储电荷消散需要时间 toff 开关时间开关时间:说明说明: 转换时间：截止导通 时间ton较小 导通截止时间toff较大 toff中 ts占主要部分。max9 . 0cImax1 . 0cIdtrtstftcit0iVt0fsoffrdontttttt开启 延时 上升关闭 存储 下降四、基本门电路四、基本门电路对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路二极管与门（二极管与门（D与门）与门

18、）电路电路 5V A0V BFRD1D2Vcc（5V）原理原理VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 通通 通通0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止要分析输入的各种状态要分析输入的各种状态电位表：电位表：二极管与门二极管与门(续续)VA VB VF D1 D20V 0V 0.7V 通通 通通0V 5V 0.7V 通通 止止5V 0V 0.7V 止止 通通5V 5V 5 V 止止 止止0低电位低电位1高电位高电位真值表真值表: A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1实现实现了与了与逻辑逻辑功能功能实现实现了与

19、了与逻辑逻辑功能功能符号符号ABF&国标国标 惯用惯用 国外国外ABFABF 二极管或门（二极管或门（D或门）或门）电路电路 5V A0V BFRD1D2原理原理VA VB VF D1 D20V 0V 0V 止止 止止0V 5V 4.3V 止止 通通5V 0V 4.3V 通通 止止5V 5V 4.3V 通通 通通电位表：电位表：0低电位低电位1高电位高电位真值表真值表: A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能实现实现了或了或逻辑逻辑功能功能符号符号国标国标 惯用惯用 国外国外FAB1ABFABF 晶体管非门晶体管非门 (反相器反相器)

20、符号符号电路电路原理原理VA VF T0V 5V 止止5V 0.3V 通通电位表：电位表：真值表真值表: A F 0 1 1 0实现实现了非了非逻辑逻辑功能功能实现实现了非了非逻辑逻辑功能功能ARbRcVcc( 5V)FT国标国标 惯用惯用 国外国外FA1AFFA 复合门复合门把单级门电路把单级门电路级联级联起来起来,构成复合门构成复合门,如如:与非门、或非门等等与非门、或非门等等。异或门YY与非门YABY或非门异或非门YYYY国标国标 惯用惯用 国外国外ABABABABABABABY&Y1Y=1Y=ABABABAB3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门 二极管-晶体三极管逻辑门（DTL）

21、集集 晶体三极管-晶体三极管逻辑门 （TTL）成成 双极型 射极耦合逻辑门 （ECL）逻逻 集成注入逻辑门电路 （ ）辑辑 N沟道MOS门 (NMOS)门门 单极型(MOS型) P 沟道MOS门 (PMOS) 互补MOS门 (CMOS)LI2集成门电路按开关元件分类集成门电路按开关元件分类集成：集成：把晶体管、电阻、和导线等封装在一个芯片上。一、电路一、电路CBAF+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 多发射极多发射极输入级输入级中间中间倒相级倒相级推挽推挽输出级输出级输入级由多发射极晶体管输入级由多发射极晶体管T1和基极电组和基极电组R1组成，它组成，它实现了输

22、入变量实现了输入变量A、B、C的与运算。的与运算。BFRD1D3Vcc（5V）D2ACD4中间级是放大中间级是放大级，由级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和和发射极发射极E2可以可以分提供两个相分提供两个相位相反的电压位相反的电压信号信号C2E2输出级：由输出级：由T3、T4、T5和和R4、R5组成，其中组成，其中T3、T4构成复合构成复合管，与管，与T5组成推拉式输出结构组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。，具有较强的负载能力。“0”1VVb1=0.3+0.7=1VVb1=0.3+0.7=1V三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R

23、3T3T4T1T5b1c1VVV 3.63.60.3二、工作原理二、工作原理T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止1. 输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube4 3.6V高电平！高电平！ 1. 输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时(续续)T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T5T5截止截止T3T3微饱和微饱和T4T4放大放大结论结论1:输入有低时输入有低时,输出为高输出为高T1:T1:倒置倒置全饱和导通全饱和导通Vb1=2.1VVc

24、1=1.4V全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时2.1V1.4VT1管管:Ve1=3.6V Vb1=2.1V Vc1=1.4VT1管在倒置工作状态管在倒置工作状态3.6VT2,T5管饱和导通,Vce2=0.3V所以:Vc2=1VT3:放大 Vb4=0.3V T4:截止0.3VT2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止放大放大+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC饱和饱和uF=0.3V 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时

25、）时(续续)饱和饱和3.6VT1:T1:倒置倒置T2:T2:饱和饱和T5:T5:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止结论结论2:输入全高时输入全高时,输出为低输出为低T5饱和,Vce5=0.3V工作原理小结工作原理小结:1. 输入有低电平（输入有低电平（0.3V）时）时 V VF F=3.6V=3.6V2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.6V）时）时 V VF F=0.3V=0.3VT1:T1:倒置倒置T2:T2:饱和饱和T3:T3:放大放大T4:T4:截止截止T5:T5:饱和饱和T1T1深饱和深饱和T2T2截止截止T3T3微饱和微饱和T4T4放大放大T5T5截止截止CBAF

26、3. 逻辑功能逻辑功能3. 输入多发射极的作用输入多发射极的作用 TTLTTL集成门在输入级采用集成门在输入级采用晶体管晶体管多发射极多发射极，其作用是其作用是: :1.1.参数一致性好参数一致性好; ;2.2.缩小体积缩小体积; ;3.3.缩短缩短T2T2从饱和向截止的转换时间从饱和向截止的转换时间加速转换过程加速转换过程。 ( (即加速输入有全即加速输入有全“1”1”输入有输入有“0”0”的转换过程的转换过程) )输入多发射极的作用（续）输入多发射极的作用（续）+5V3.60.3FR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5b1c13.6VVc3.6V饱和饱和饱和饱和饱和到截止，需要基区电荷消

27、散时间饱和到截止，需要基区电荷消散时间1V放大区放大区集电极电流集电极电流1.4V基区电荷迅速消散基区电荷迅速消散T2截止，截止，Vc2电压升高，电压升高，T3导通，做导通，做电压跟随电压跟随T4进入放大。进入放大。集电极电流加大，集电极电流加大，T5迅速截止迅速截止由于输入级的存在，由于输入级的存在，T1在转换瞬间进入放大状态，加速了在转换瞬间进入放大状态，加速了T2的状态转的状态转换，从而加速了整个电路的工作速度。换，从而加速了整个电路的工作速度。VA=VB=三、电压传输特性三、电压传输特性ViVo&VVVCC输出电压输出电压V VO O随输入电压随输入电压V Vi i变化的关系曲

28、线，即变化的关系曲线，即 V VO O = = f f(V(Vi i) )。测试电路测试电路传输特性曲线传输特性曲线1233.6VBCDE0.6V 1.4V0A 电压传输特性电压传输特性VuO/VuI/电压传输特性分析电压传输特性分析V0(V)Vi(V)1233.6VBCDE0.6V 1.4V0ABCBC段：段：线性区，当线性区，当0.6VV0.6VVi i1.3V1.3V，0.7VV0.7VV b2 b21.4V1.4V时，时，T T2 2开始导通，开始导通，T T5 5仍截止，仍截止，V VC2C2随随V Vb2b2升高而下降，经升高而下降，经T T3 3、T T4 4两级射随器使两级射随

29、器使V VO O下降。下降。ABAB段：段：截止区截止区, ,当当V VI I0.6V0.6V，V Vb1b11.3V1.3V时，时，T T2 2、T T5 5截止，输出高电平截止，输出高电平V VOH OH = 3.6V= 3.6VCDCD段：段：转折转折,V Vi i=1.4V,T2=1.4V,T2、T5T5饱和。饱和。DEDE段：段：饱和区饱和区,V Vi i1.4V1.4VV VO O0.3V0.3V 产品规范值产品规范值:VOH2.4V典典 型型 值值: VOH3.5V标准高电平标准高电平: VOH=VSH=2.4V 产品规范值产品规范值:VOL0.4V典典 型型 值值: VOL0.

30、3V标准低电平标准低电平: VOL=VSL=0.4V几个参数几个参数VOH输出高电平：输出高电平：VOL输出低电平：输出低电平：与非门输入有低时，与非门输入有低时，Vo VOH与非门输入全高时，与非门输入全高时，Vo VOL1. VOH 和和 VOL都是对具体门输出高、低电平都是对具体门输出高、低电平电压值电压值的的 要求。要求。2.高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态，高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态， 一种状态对应一定的电压范围，而不是一个固定值。一种状态对应一定的电压范围，而不是一个固定值。说明：说明：0V5V2.4VVSLVSH0.4V几个参数（续）几个参数（续）VOFF关

31、门电平：关门电平：VON开门电平：开门电平：VT门坎电平：门坎电平：与非门在保证输出为高电平时，与非门在保证输出为高电平时，允许的最大输入低电平值。允许的最大输入低电平值。 VOFF0.8V与非门在保证输出为低电平时，与非门在保证输出为低电平时，允许的最小输入高电平值。允许的最小输入高电平值。 VON2 VVVVVOFFONT4 . 12此时输入有低此时输入有低此时输入全高此时输入全高噪声容限噪声容限VSHVONVOFFVSLVNHVNL1100定义：定义：高电平噪声容限高电平噪声容限VNH VSH VON 2.420.4V低电平噪声容限低电平噪声容限VNL VOFF VSL 0.80.4V0

32、.4V在保证输出高、低电平基本不变在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动的条件下，输入电平的允许波动范围称为范围称为输入端噪声容限输入端噪声容限。四、输入四、输入/ /输出特性输出特性 输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲线，输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲线，即即ii = f（Vi）+5VR2R13kT2T1ViIR1Ii-1.4mA1.4Vii3.6ViVIISIIH=50A测试电路测试电路特性曲线特性曲线输入伏安特性输入伏安特性(续续1) 输入短路电流输入短路电流IISVi = 0V时由输入端流出的电流。时由输入端流出的电流。 mA. K.RVVIb

33、eCCIS413705 11+5VR2R13kT2T1ViIR1IiIIS-1.4mAVi = 01.4V时时, IC1变化很小变化很小, Ii的的绝对值也只略有绝对值也只略有减少。减少。ii3.6ViV1.4V设定设定正方正方向向输入有低输入有低,T2截止。截止。输入伏安特性输入伏安特性(续续2)输入漏电流输入漏电流IIH（输入高电平电流）（输入高电平电流）+5VR2R13kT2T1ViIR1Ii-1.4mAIC1假定假定正方正方向向Vi = 3.6V时时,由输入端流入的电流。由输入端流入的电流。IIH=50Aii3.6ViVIIS1.4VIIHVi 1.4V时时, T2始始导通，导通，IC

34、1迅速增迅速增大大 Ii迅速减小。迅速减小。= 3.6V条件：前级输出为条件：前级输出为 低电平。低电平。R1T1+5V前级前级后级后级对前级而言，电流对前级而言，电流灌入，称灌入，称灌电流，灌电流，约约1.4mA（IIS）+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1 输入伏安特性输入伏安特性(续续3)灌电流灌电流R1T1+5V前级前级后级后级反偏反偏+5VR4R2R5T3T4 拉拉电流电流输入伏安特性输入伏安特性(续续4)条件：前级输出为条件：前级输出为 高电平。高电平。对前级而言，电流对前级而言，电流流出，称流出，称拉电流，拉电流，约约50A （IIH）3.6V即输入端通过电阻即输入端通过电

35、阻R接地时的特性接地时的特性输入端输入端“1”,“0”？+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 输入负载特性输入负载特性ViRIVi1K），由于分布），由于分布电容电容Co的存在，电平高低变化时充放电较慢，影的存在，电平高低变化时充放电较慢，影响其工作速度。响其工作速度。NMOS管管驱动管驱动管PMOS管管负载管负载管一、一、CMOS反相器反相器VDDAFSPDNGPVPVNDPSNGN漏极相连漏极相连做输出端做输出端PMOSPMOS管的衬底总是接到管的衬底总是接到电路的电路的最高电位最高电位NMOSNMOS管的衬底总是接到管的衬底总是接到电路的电路的最低电位最低电

36、位柵 极 相 连柵 极 相 连做输入端做输入端电路电路A=1导通导通截止截止V=0V即即F0VDDAFVPVN工作原理工作原理设设VDD10V，A1时，时，VA10V A0时，时，VA0 VVgsP=0 VVgsN=10 V工作原理（续）工作原理（续）A=0截止截止导通导通V=10V即即F1VDDAFVPVN设设VDD10V，A1时，时，VA10V A0时，时，VA0 VVgsP=10 VVgsN=0 VA VP VN Y 0 导通导通 截止截止 1 1 截止截止 导通导通 0 结论：结论：VDDCDAB1/2VDD1/2VDDVDDOvOvIVTPVTN电压传输特性电压传输特性AB段：段：V

37、P导通，导通， VN截止。截止。 VO=VOHVDDCD段：段： VN导通，导通， VP截止。截止。 VO=VOL0CMOS反相器的电压传输特性接近于理想的反相器。反相器的电压传输特性接近于理想的反相器。BC段：段： VP、VN都导通，都导通， VP 、VN内阻变化，内阻变化， VO=VDD0电压电流传输特性电压电流传输特性)( , )(iDioVfiVfV电流传输特性：电流传输特性：ABCD1/2VDDVDDvIiDOVTN VTPAB段、段、CD段：段： 曲线对应曲线对应VP、VN中只有中只有一管导通的情况，一管导通的情况，CMOS管截止状态的漏极电流极管截止状态的漏极电流极小，接近于零。

38、小，接近于零。BC段：段： VP、VN两管都导通，工两管都导通，工作在饱和区（作在饱和区（放大状态放大状态），），VI=1/2VDD时电阻最小，电时电阻最小，电流达到最大值。流达到最大值。二、二、CMOS与非门与非门VDDVP2VP1VN2VN1ABF电路电路负载管并联负载管并联驱动管串联驱动管串联工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABFA=0,B=0:设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VVgsP1= VgsP2 = 10 VVgsN1= VgsN2 = 0 VVN1、VN2：截止：截止VP1、VP2：导通：导通F=1001工作原理工作原理V

39、DDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VA=0,B=0:VN1、VN2：截止：截止VP1、VP2：导通：导通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=1011工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VA=0,B=0:VN1、VN2：截止：截止VP1、VP2：导通：导通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=1101A=1,B=0:VP1、VN2：截止：截止VN1、VP

40、2：导通：导通F=1工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 V110A=0,B=0:VN1、VN2：截止：截止VP1、VP2：导通：导通F=1A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=1A=1,B=0:VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通：导通F=1A=1,B=1:VP1、VP2：截止：截止VN1、VN2：导通：导通F=0工作原理（续）工作原理（续）_ABY 逻辑关系逻辑关系:A B VP1 VP2 VN1 VN2 F 0 0 导通导通 导通导通 截止截止 截止截止 1

41、0 1 导通导通 截止截止 截止截止 导通导通 11 0 截止截止 导通导通 导通导通 截止截止 11 1 截止截止 截止截止 导通导通 导通导通 0负载管负载管驱动管驱动管三、三、CMOS或非门或非门电路电路VDDVP2VP1VN2VN1ABF负载管串联负载管串联驱动管并联驱动管并联工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VA=0,B=0:VP1、VP2：导通：导通F=1VN1、VN2：截止：截止VgsN1= VgsN2 = 0 VVgsP1= VgsP2 = 10 V001工作原理工作原理VDDVP2VP

42、1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 VA=0,B=0:VP1、VP2：导通：导通F=1VN1、VN2：截止：截止010A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=0工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 V100A=0,B=0:VP1、VP2：导通：导通F=1VN1、VN2：截止：截止A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=0A=1,B=0:F=0VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通

43、：导通工作原理工作原理VDDVP2VP1VN2VN1ABF设设VDD10V，AB1时，时，VAVB10V AB0时，时，VAVB0 V110A=0,B=0:VP1、VP2：导通：导通F=1VN1、VN2：截止：截止A=0,B=1:VN1、VP2：截止：截止VP1、VN2：导通：导通F=0A=1,B=0:F=0VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通：导通A=1,B=0:VP1、VN2：截止：截止VN1、VP2：导通：导通F=0工作原理（续）工作原理（续）_BAY逻辑关系逻辑关系:A B VP1 VP2 VN1 VN2 F 0 0 导通导通 导通导通 截止截止 截止截止 10 1 导通导通

44、 截止截止 截止截止 导通导通 01 0 截止截止 导通导通 导通导通 截止截止 01 1 截止截止 截止截止 导通导通 导通导通 0负载管负载管驱动管驱动管四、四、CMOS传输门传输门(TG) 由两个对称的由两个对称的MOS管组成。管组成。传输模拟信号的模拟开关：传输模拟信号的模拟开关：VOVI+5V-5VVPVNCCvIvOvIvOCCTG1. 电路电路栅极（栅极（g）：控制端）：控制端源极（源极（S）：输入）：输入漏极（漏极（D）：输出）：输出符号：符号：ggSD工作原理工作原理 C=5V , C= +5V:所以：所以：VP，VN都都截止截止。即：。即： VI无论如何变化，无论如何变化，

45、VI, VO 之间呈现高阻状态，传输门断开。之间呈现高阻状态，传输门断开。设设: VI5V 5VTNgsNVVVV100)55(5TPgsPVVVV010)55(55V5V+5V-5VVPVNCCvIvOgsgVP : VGSP VTP=2VVN : VGSN VTN =2V导通条件导通条件工作原理（续工作原理（续1） C=5V , C= 5V:设设: VI5V 5VVVVgsN010)55(5VVVgsP100)55(55V5VVV210 VV02 V VN N 导通导通V VN N 截止截止VV20VV102V VP P 截止截止V VP P 导通导通VI5V 3VVI3V 5VVI5V

46、3VVI 3V 5V+5V-5VVPVNCCvIvOgsgVP : VGSP VTP=2VVN : VGSN VTN =2V导通条件导通条件导通导通截止截止3V 5V 5V截止截止导通导通5V 3V5V工作原理（续工作原理（续2）v vI I0VN管管VP管管结论：结论： C=5V , C= 5V时，在时，在v vI I 5V 5V范围内，范围内， VN和和VP 总有一个管子导通，所以总有一个管子导通，所以 VOVI 。3. CMOS双向模拟开关双向模拟开关TGCvI/vOvO/vICvI/vOvO/vISW由由CMOS反相器和反相器和 CMOS传输门组成传输门组成MOS管结构对称，漏极和管结

47、构对称，漏极和源极可以互换源极可以互换,CMOS具有双具有双向传输特性。向传输特性。功能：功能： C1时，传输门导通，时，传输门导通， 内阻内阻 R1K。 C0时，传输门截止，时，传输门截止， 内阻内阻 R109。1五、五、CMOSCMOS系列器件系列器件4000系列系列 :基本基本CMOS门电路门电路4000B / 4500 / 5000 系列系列 :改进改进CMOS门电路门电路74HC/74HCT系列系列 :高速高速CMOS门电路，引脚与门电路，引脚与TTL兼容兼容Bi-CMOS (74BCT)系列门电路系列门电路: 输入部分使用输入部分使用CMOS电路，输出部分使用电路，输出部分使用TT

48、L电路，同时具有电路，同时具有CMOS门电路的低功耗和门电路的低功耗和TTL电路的高速度，兼容电路的高速度，兼容TTL门电路，传输延门电路，传输延迟可以低到迟可以低到1ns以下。以下。CC4011 中国造MC4011 美,摩托罗拉CD4011 美,无线电公司HD4011 日,日立公司（4011：2输入端4与非门）六、逻辑门电路应用中的几个问题逻辑门电路应用中的几个问题接口的原则：接口的原则：无论何种门电路互连，都需要满足电压和电流的接口条件。无论何种门电路互连，都需要满足电压和电流的接口条件。驱动门驱动门(前前) 负载门负载门(后后)VOH VIH VOL nIIL 灌电流灌电流IOH nII

49、H 拉电流拉电流电压接口电压接口电流接口电流接口1. CMOS门电路与门电路与TTL门电路的接口门电路的接口以上数据是在以上数据是在VCC=VDD=+5V时的值时的值可以看出在可以看出在TTL门驱动门驱动CMOS门门时时VOH(TTL)VIH(CMOS),电压电压不匹配，其他情况的电压都是匹配的。不匹配，其他情况的电压都是匹配的。CMOS门驱动门驱动TTL门门时，时，IOL(CMOS)VCC时时ROC门门CMOS门门3）加晶体管驱动）加晶体管驱动VDDVCCR4R5T3T4T5RCRbTT：采用：采用NPN管，管，100RC：5001.5K Rb ： 4.7K 10K CMOS门驱动门驱动TT

50、L门门 IOL(CMOS)3.2mA的的 CC4010， IOL16mA的的CC40107等。等。3) 使用分立元件自行搭制电流放大电路（电路同前）。使用分立元件自行搭制电流放大电路（电路同前）。4）74HCT/74HC系列系列CMOS门电路可以直接驱动门电路可以直接驱动TTL门电路。门电路。门电路驱动其它负载门电路驱动其它负载驱动驱动LEDTTLTTL门电路门电路I IOHOH很小很小, , 不适于不适于用拉电流驱动。用拉电流驱动。关键是要向关键是要向LED提供足够的电流，才能使提供足够的电流，才能使LED点亮点亮设设LEDLED需要的点亮电流为需要的点亮电流为I ID D。拉电流拉电流:DFOHIVVR 灌电流：灌电流：DOLFCCIVVVR R=?拉电流驱动拉电流驱动1VCCR=?灌电流驱动灌电流驱动1加晶体管驱动加晶体管驱动LEDVCCR1RbTT：采用：采用NPN管，管，100R：200 500Rb ： 4.7K 10K 感性负载主要指继电器，主要是感性负载主要指继电器，主要是驱动电流驱动电流能力不足。能力不足。1 1）可以