数电学习第2章

1、第第2 2章章 逻辑门电路逻辑门电路 门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们门电路是用以实现逻辑关系的电子电路，与我们所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：所讲过的基本逻辑关系相对应，门电路主要有：与门与门、或门或门、与非门与非门、或非门或非门、异或门异或门等。等。在数字电路中，一般用高电平代表在数字电路中，一般用高电平代表1 1、低电平代表、低电平代表0 0，即所谓的即所谓的正逻辑系统正逻辑系统。100VVcc只要能判断高只要能判断高低电平即可低电平即可正逻辑正逻辑+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCCBAF 2 21 1 二极管的开关特性二极管的开关特

2、性 第第2 2章章 逻辑门电路逻辑门电路 数字集成电路绝大多数都是由双极型二极管、三数字集成电路绝大多数都是由双极型二极管、三极管或单极型场效应管组成。这些晶体管大部分工作在极管或单极型场效应管组成。这些晶体管大部分工作在导通和截止状态，相当于开关的导通和截止状态，相当于开关的“接通接通”和和“断开断开” 。2 21 11 1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性 静态开关特性静态开关特性 ：什么条件下导通，什么条：什么条件下导通，什么条件下截止件下截止 动态开关特性动态开关特性 ：导通与截止两种状态之间导通与截止两种状态之间转换过程的特性转换过程的特性 2 21 1 双极型晶体管的开关特

3、性及简单门双极型晶体管的开关特性及简单门 2 21 11 1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性 1 1、晶体二极管静态开关特性、晶体二极管静态开关特性 （1 1）二极管正向导通时的特点及导通条件）二极管正向导通时的特点及导通条件 V VONON ：门槛电压或称阈值电压、开启电压门槛电压或称阈值电压、开启电压 V VD D ：导导通压降通压降 VD =0.7V 视为硅二极管导通的条件视为硅二极管导通的条件二极管正向导通时的等效电路二极管正向导通时的等效电路 2 21 1 双极型晶体管的开关特性及简单门双极型晶体管的开关特性及简单门 2 21 11 1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关

4、特性 1 1、晶体二极管静态开关特性、晶体二极管静态开关特性 （1 1）二极管正向导通时的特点及导通条件）二极管正向导通时的特点及导通条件 （2 2）二极管反向截止时的特点及截止条件）二极管反向截止时的特点及截止条件 A. 截止条件：截止条件：v vD D V VONON B. 实际：实际：v vD00，保证二极管可靠截止，保证二极管可靠截止 C. V VZ Z：二极管的反向击穿电压：二极管的反向击穿电压 二极管截止时的等效电路二极管截止时的等效电路 VIVonVon：阈值：阈值( (开启开启) )电压电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。V VD D: :导通压降导通压降 硅管硅管0.6

5、0.7V,锗管锗管0.20.3V。VZ: 反向反向击穿电压击穿电压PNIs: 反向反向饱和电流饱和电流静态特性：静态特性： + ui RL +uo D开关电路 IF 0.5 0.7iD(mA) uD(V)伏安特性UBR0 + ui=0V RL +uo Dui=0V时的等效电路 + + ui=5V RL +uo D 0.7Vui=5V 时的等效电路uououi0V时，二极管截止，时，二极管截止，如同开关断开，如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如时，二极管导通，如同同0.7V的电压源，的电压源，uo4.3V。Ui0.5V时，时，二极管导通二极管导通。2 21 11 1 晶体二极管的开

6、关特性晶体二极管的开关特性 2 2、晶体二极管动态开关特性、晶体二极管动态开关特性 动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程。t re反向恢复时间：二极管反向恢复时间：二极管从导通到截止所需时间。从导通到截止所需时间。 若二极管两端输入电压的若二极管两端输入电压的频率过高，会使输入负电频率过高，会使输入负电压的持续时间小于它的反压的持续时间小于它的反向恢复时间，此时二极管向恢复时间，此时二极管将失去其单向导电性。将失去其单向导电性。 反向恢复时间：反向恢复时间：从导通到截止所需时间。从导通到截止所需时间。 tre= ts + ttV

7、IiV1V2I1I2tretIs: 反向反向饱和电流饱和电流0动态特性：动态特性：ttsttts存储时间存储时间 tt渡越时间渡越时间（由于（由于PN结电容中存有电荷结电容中存有电荷电荷存储效应）电荷存储效应）二极管开通时间很短二极管开通时间很短 , 可忽略不计。可忽略不计。二极管的反二极管的反向恢复时间向恢复时间限制了二极限制了二极管的开关速管的开关速度。度。2 22 2 双极型晶体三极管双极型晶体三极管(BJT)(BJT)的开关特性的开关特性 三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态，在三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态，在数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态数字电路中，静态主要工作

8、于饱和和截止状态 。NPN型硅三极管开关电路及其特性型硅三极管开关电路及其特性 2 22 2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性 （1 1）三极管的截止状态和可靠截止的条件）三极管的截止状态和可靠截止的条件 当当v vI I很小，如很小，如v vI I0.5V0.5V时时 ：A.vA.vBEBE小于开启电压，小于开启电压，B BE E 间，间，C CE E间都截止间都截止 B.B.C.C.三极管工作在三极管工作在Q Q1 1点或点或Q Q1 1点以下位置，三极管的这点以下位置，三极管的这种工作状态叫截止状态种工作状态叫截止状态 NPNNPN硅三极管截止的条件为硅三极管截止的条

9、件为v vBEBE0.5V0.5V，可靠截止的条件为，可靠截止的条件为v vBEBE0V0V。 2 22 2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性 （2 2）三极管的放大状态）三极管的放大状态 当输入电压当输入电压v vI I0.7V0.7V时时 ：A. vA. vBEBE大于开启电压，大于开启电压，B BE E 间导通间导通 B. B. v vBEBE被钳在约被钳在约0.70.7V V， C.C.三极管工作在三极管工作在Q Q2 2点附近点附近, ,于于Q Q1 1和和Q Q3 3之间之间, ,三极管的三极管的 这种工作这种工作状态称为放大状态。状态称为放大状态。 2 22

10、2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性 （3 3）三极管的饱和状态和可靠饱和的条件）三极管的饱和状态和可靠饱和的条件 当输入电压当输入电压v vI I增加增加 ：A. iA. iB B增加，工作点上移，当工作点上移至增加，工作点上移，当工作点上移至Q Q3 3点时，三点时，三极管进入临界饱和状态。极管进入临界饱和状态。 B. iB. iB B再增加，输出再增加，输出i iC C将不再明显变化将不再明显变化 。 C.C.工作点向上移至工作点向上移至Q Q3 3点以上，饱和深度增加，进入可靠点以上，饱和深度增加，进入可靠饱和状态。饱和状态。 V VCECE= =V VCESCES

11、0.3V0.3V 当输入电压当输入电压v vI I增加增加 ：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 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Q2ui iB e Rb biC (mA) 直流负载线 VCC Rc 0+VCCiC uo工作原理电路输出特性曲线80A60A40A20AiB=00 UCES VCC

12、uCE(V) 0 0.5 uBE(V)输入特性曲线iB(A)Q1Q Rc cRbRc+VCCb ce截止状态截止状态饱和状态饱和状态iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCb ce0.7V0.3V饱和区饱和区截止区截止区放放大大区区 10k ui iB e Rb b +VCC=+5V iC uo Rc 1k c =50 ui=0.3V时，因为时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状，三极管工作在截止状态，态，ic=0。因为。因为ic=0，所以输，所以输出电压：出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：时，三极管导通，基极电流：因为因为

13、0iBIBS，三极管工作，三极管工作在饱和状态。输出电压：在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3V2 22 2 双极型晶体三极管的开关特性双极型晶体三极管的开关特性 三极管的截止状态三极管的截止状态三极管的饱和状态三极管的饱和状态NPNNPN型硅三极管开关等效电路型硅三极管开关等效电路 三极管作为开关使用时只需要：饱和状态和截止状态三极管作为开关使用时只需要：饱和状态和截止状态 输入信号为高电压时，应使三极管可靠地饱和；输入信号为高电压时，应使三极管可靠地饱和； 输入信号为低电压时，应使三极管可靠地截止。输入信号为低电压时，应使三极管可靠地截止。 2 22 2 双极型晶体三极管的开关特性双极

14、型晶体三极管的开关特性 （4 4）三极管开关的过渡过程）三极管开关的过渡过程 ton = td +tr ton开通时间开通时间 toff = ts +tf toff关断时间关断时间 td：延迟时间，上升到延迟时间，上升到0.1Icmaxtr：上升时间，上升时间， 0.1Icmax到到0.9Icmaxts：存储时间，下降到存储时间，下降到0.9Icmaxtf：下降时间，下降到下降时间，下降到0.1Icmaxtd-延迟时间延迟时间(Delay time)，为从输入信号正跃变，为从输入信号正跃变瞬间到瞬间到iC 上升到上升到0.1ICmax所需的时间。所需的时间。 开通时间开通时间 ton :为从输

15、入信号正跃变瞬间到为从输入信号正跃变瞬间到iC 上升上升到最大值到最大值ICmax的的90所经历的时间。所经历的时间。ton = td +trtr-上升时间上升时间(Rise time)，是集电极电流，是集电极电流iC 从从0.1ICmax上升到上升到0.9ICmax所需的时间。所需的时间。ts-存储时间存储时间 (Storage time)：从输入信号的负跃：从输入信号的负跃变瞬间到变瞬间到iC 下降到下降到0.9ICmax所需的时间。所需的时间。关断时间关断时间toff ：从输入信号负跃变的瞬间，到：从输入信号负跃变的瞬间，到iC 下降到下降到0.1ICmax所经历的时间。所经历的时间。t

16、off = ts +tftf-下降时间下降时间(Fall time)：从：从0.9ICmax下降到下降到0.1ICmax所需的时间。所需的时间。 ton和和toff一般约在几十纳秒（一般约在几十纳秒（ns=10-9 s）范围。）范围。通常都有通常都有toff ton，而且，而且ts tf 。 ts 的大小是影响三极管速度的最主要因素，的大小是影响三极管速度的最主要因素，要提高三极管的开关速度就要设法缩短要提高三极管的开关速度就要设法缩短ton与与toff ，特别是要缩短特别是要缩短ts 。2 23 3 基本逻辑门电路基本逻辑门电路 2 23 31 1 二极管与门及或门电路二极管与门及或门电路

17、晶体管门电路晶体管门电路( (分立元件分立元件) ) 集成电路集成电路 ( (TTLTTL和和MOS)MOS)可编程逻辑器件可编程逻辑器件(CPLD、FPGA)数字数字电路电路1、二极管、二极管“与与”门电路门电路 D D1 1D D2 2导通导通D D1 1D D2 2导通导通D D1 1截止截止D D2 2导通导通D D1 1导通导通D D2 2截止截止2 2、二极管、二极管“或或”门电路门电路 BAYD D1 1D D2 2导通导通D D1 1D D2 2导通导通D D1 1截止截止D D2 2导通导通D D1 1导通导通D D2 2截止截止例：已知二极管三输入与门和三输入或门以及三个例

18、：已知二极管三输入与门和三输入或门以及三个输入信号的波形，根据与逻辑和或逻辑的功能，对输入信号的波形，根据与逻辑和或逻辑的功能，对应输入信号分别画出与门和或门的输出信号波形。应输入信号分别画出与门和或门的输出信号波形。 2 23 31 1 三极管非门三极管非门 R1DR2AF+12V +3V三极管非门三极管非门uA uF 3V 0.3 0V 3.7 钳位二极管钳位二极管AF T T导通导通T T截止截止R1DR2F+12V +3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门DTL与非门与非门ABP 例：例：由图所示电路，根据输入波形，画出输出由图所示电路，根据输入波形，画出输出

19、Y Y的波形。的波形。解：由图可以看出，输出解：由图可以看出，输出Y Y= =Y Y1 1+ +Y Y2 2= =ABAB+ +CDCD，根据，根据“与与”逻辑和逻辑和“或或”逻辑的性质，画出输出逻辑的性质，画出输出Y Y的波形的波形 2 24 4 TTLTTL门电路门电路晶体管门电路晶体管门电路( (分立元件分立元件) ) 集成电路集成电路 ( (TTLTTL和和MOS)MOS)可编程逻辑器件可编程逻辑器件(CPLD、FPGA)数字数字电路电路集成电路优点集成电路优点: :体积小、耗电少、重量轻、可靠性高等。体积小、耗电少、重量轻、可靠性高等。 RTL（Resister-Transistor

20、 Logic）电阻晶体管逻辑；）电阻晶体管逻辑；DTL（Diode-Transistor Logic）二极管晶体管逻辑；）二极管晶体管逻辑；HTL（High-Threshold Logic）高阈值逻辑；）高阈值逻辑；TTL（Transistor -Transistor Logic）晶体管晶体管逻辑）晶体管晶体管逻辑；ECL（Emitter Coupled Logic）发射极耦合逻辑；）发射极耦合逻辑；I2L（Integrated Injection Logic）集成注入逻辑）集成注入逻辑(IIL)。 常见的数字集成电路分为双极型和单极型两大工艺类常见的数字集成电路分为双极型和单极型两大工艺类

21、双双极极型型PMOS型型;NMOS型型;CMOS型型 单单极极型型2 24 4 TTLTTL门电路门电路2 24 41 TTL1 TTL与非门与非门 （1 1）输入级）输入级 1 1、TTLTTL与非门的电路结构与工作原理与非门的电路结构与工作原理 输出级输出级组成组成: : V V1 1和和R R1 1多发射极三多发射极三极管极管, ,实现实现与逻辑与逻辑 D D1 1D D2 2保护保护（2 2）分相级）分相级 输入级输入级组成组成: : V V2 2和和R R2 2、R R3 3（3 3）输出级）输出级 分相级分相级组成组成 ：V V3 3、V V4 4和和R R4 4、D D3 3T1

22、ABCB1C1ABCB1(a)(b) (1) 输入级：由多发射极管输入级：由多发射极管V1和电阻和电阻R1组成。作用是对输入变量组成。作用是对输入变量A、B、C实现与逻辑，实现与逻辑，V1可以等效为二极管与门的形式。可以等效为二极管与门的形式。在流过在流过R R1 1的电流相同的电流相同的情况下，使输出的情况下，使输出管管V V4 4有更大的基极电有更大的基极电流，提高了带负载流，提高了带负载能力并提高了开关能力并提高了开关速度。速度。 (2) 中间级：由中间级：由V2、 R2和和R3组成。组成。V2的集电极和发射极输的集电极和发射极输出两个相位相反的信号，作为出两个相位相反的信号，作为V3和

23、和V5的驱动信号。的驱动信号。V V3 3和和V V4 4：推拉式电路。：推拉式电路。总是一个导通而另一总是一个导通而另一个截止，有效地降低个截止，有效地降低了输出级的静态功耗，了输出级的静态功耗，提高了与非门的负载提高了与非门的负载能力。能力。(3) 输出级：由输出级：由V3、V4、D3和和R4组成，这种电路形式称组成，这种电路形式称为为推拉式电路（推挽式电路）推拉式电路（推挽式电路）。 1 1、任一输入为低电平（、任一输入为低电平（0.30.3V V）时）时“0”1.4V不足以让不足以让T2、T5导通导通三个三个PN结结导通需导通需2.1VTTL与非门的工作原理与非门的工作原理 “0”1.

24、4VvoVo=5-VR2-Vbe3-VD3 3.6V 输出输出高电平！高电平！1 1、任一输入为低电平（、任一输入为低电平（0.30.3V V）时）时TTL与非门的工作原理与非门的工作原理 2 2、输入全为高电平（、输入全为高电平（3.63.6V V）时）时“1”全导通全导通电位被钳电位被钳在在2.1V全反偏截止全反偏截止 1V截止截止TTL与非门的工作原理与非门的工作原理 2 2、输入全为高电平（、输入全为高电平（3.63.6V V）时）时TTL与非门的工作原理与非门的工作原理 全反偏全反偏“1”饱和饱和vo=0.3VABY Vo=0.3V 输出输出低电平！低电平！D D1 1D D2 2保

25、护保护- -0.7V2 24 4 TTLTTL门电路门电路2 24 41 TTL1 TTL与非门与非门 2 2、TTLTTL与非门的电气特性及参数与非门的电气特性及参数 TTLTTL与非门的电气特性主要包括电压传输特性、输入输出特性和动态特性。与非门的电气特性主要包括电压传输特性、输入输出特性和动态特性。 （1 1）电压传输特性）电压传输特性 v0(V)vi(V)123VOH(3.6V)VOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线v0(V)vi(V)123VOH“1”VOL(0.3V)阈值阈值Vth=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平电压传输特性电压传输

26、特性截止区截止区线性区线性区转折区转折区饱和区饱和区 空载时，输出高电压空载时，输出高电压VOH3.6V， 带载后，其输出电压有所带载后，其输出电压有所下降。下降。（a） 输出高电压输出高电压VOHTTL产品规定产品规定:标准值标准值VOSH=3V，下限值下限值VOH（min）=2.4V。VOH当输入为低电压当输入为低电压VIL时，输时，输出为高电压出为高电压VOH 。空载时，空载时，T4工作于深饱和状工作于深饱和状态，输出低电压态，输出低电压VOL0，带，带负载后，负载后，T4的饱和程度降低的饱和程度降低，VOL随之上升。随之上升。（b）输出低电压）输出低电压VOL TTL产品规定产品规定:

27、标准值标准值VOSL=0.3V，上限值上限值VOL（max）=0.5V。VOL 当输入全为高电压当输入全为高电压VIH时，时，输出为低电压输出为低电压VOL。 传输特性曲线上转折区中点传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压，既是所对应的输入电压，既是T4截止截止和导通的分界线，也是输出高、和导通的分界线，也是输出高、低电平的分界线。称此输入电压低电平的分界线。称此输入电压为为阈值电压或门坎电压阈值电压或门坎电压Vth。（c）阈值电压）阈值电压 Vth Vth VBE2VBE40.70.71.4 V 在分析中，常将在分析中，常将Vth视为决定与非门工作状视为决定与非门工作状态的关键值态的关键值

28、(转折点转折点)。认为：。认为：当当VIVth时，与非门处于开门状态，输出为低时，与非门处于开门状态，输出为低电压电压VOL。当当VIVth时，与非门处于关门状态，输出为高时，与非门处于关门状态，输出为高电压电压VOH；&（d）噪声容限）噪声容限在保证输出为高电平的条件下，在保证输出为高电平的条件下，输入端低电平上允许的最大干扰输入端低电平上允许的最大干扰电压为电压为低电平噪声容限低电平噪声容限VNL在保证输出为低电平的条件下，在保证输出为低电平的条件下，输入端高电平上允许的最大干扰输入端高电平上允许的最大干扰电压为电压为高电平噪声容限高电平噪声容限VNHVNL越大，表明与非门输入低越

29、大，表明与非门输入低电平时，抗正向干扰的能力越电平时，抗正向干扰的能力越强。标准产品的噪声容限为：强。标准产品的噪声容限为：VNLVILVOL VNH越大，表明与非门输入高越大，表明与非门输入高电平时，抗负向干扰的能力越电平时，抗负向干扰的能力越强。标准产品的噪声容限为：强。标准产品的噪声容限为： VNHVOHVIH2 2、TTLTTL与非门的电气特性及参数与非门的电气特性及参数 （1 1）电压传输特性）电压传输特性 （2 2）输入、输出特性）输入、输出特性 &？前级输出为高电平时前级输出为高电平时前级前级后级后级流出前级流出前级电流电流I IOHOH（拉电流）（拉电流）R1v1+5V

30、前级输出为低电平时前级输出为低电平时R1T1+5V前级前级后级后级流入前级的电流流入前级的电流I IIL IL 约约 1 1.6mA.6mA ( (灌电流灌电流) )扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数+5VR4R2V3V1前级前级V1V1IiH1IiH3IiH2IOH前级输出为前级输出为 高电平时高电平时后级后级+5VR2R14kV2R3T1V4b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为前级输出为 低电平时低电平时扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数扇出系数与门电路输出驱动同类门的个数输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出低电平时，流入

31、前级的电流（灌电流）： 2iL1iLOLIII输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）： 2iH1iHOHIII标准标准TTL系列器件，系列器件，规范值为规范值为NO8 。I IOLOL（maxmax）越大越大, ,带灌电流负载能力越强带灌电流负载能力越强; ; I IOHOH（maxmax）越大越大, ,带拉电流负载能力越强。带拉电流负载能力越强。 （3 3）、平均传输延迟时间）、平均传输延迟时间tviotvoo50%50%tPLHtPHL平均传输延迟时间平均传输延迟时间)(21PHLPLHpdttt输出波形相对输入波形的滞后时间称为传输延迟时间输出波形

32、相对输入波形的滞后时间称为传输延迟时间 tpd集成电路的平均传输延集成电路的平均传输延迟时间的单位是纳秒迟时间的单位是纳秒（3-403-40nsns）。）。 空载功耗是指与非门空载时电源总电流空载功耗是指与非门空载时电源总电流ICC与电源与电源电压电压VCC的乘积。的乘积。（4）、空载功耗）、空载功耗标准标准TTL门，空载导通功耗门，空载导通功耗PON 32mW。输出高电平时的功耗称为输出高电平时的功耗称为空载截止功耗空载截止功耗POFF ，输出低电平时的功耗称为输出低电平时的功耗称为空载导通功耗空载导通功耗PON 。POFF VCCICCH，PON VCCICCL，显然，显然，PONPOFF

33、。Rvi“1”,“0”？注意：悬空的输入端注意：悬空的输入端?？R R较小时较小时v vi iV0时时VGS足够大时足够大时（VGSVT），），电子导电为主电子导电为主N型导电沟道。型导电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压PNNGSDVDSVGSVGS较小时，较小时，导电沟道相当导电沟道相当于电阻将于电阻将D-S连接起来，连接起来，VGS越大此电越大此电阻越小。阻越小。PNNGSDVDSVGS当当VDS不太大不太大时，导电沟时，导电沟道在两个道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。当当VDS较较大时，靠大时，靠近近D区的区的导电沟道导电沟道变窄。变窄。PNNGSDVDSVGS

34、VDS增加，增加，VGD=VT时，时，靠近靠近D端的沟端的沟道被夹断，道被夹断，称为予夹断。称为予夹断。夹断后夹断后ID呈呈恒流特性。恒流特性。ID1. NMOS管的开关特性管的开关特性转移特性曲线转移特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 符号符号 当当vGS VT ，且，且vDS0，若，若vGD VT ，且，且vDS0，若，若vGDVT时，时， D-S间有间有导通沟道，呈低阻状态，导通沟道，呈低阻状态， iD随随vDS增大线性上升，则增大线性上升，则MOS管工作于线性区，管工作于线性区，vGS不同，斜率不同。不同，斜率不同。vGS 越大，曲线越越大，曲线越陡，陡，D-S之间的等效电阻越小。之间

35、的等效电阻越小。rDS(on)一般在一般在1k以下。线以下。线性区也称为可变电阻区、未饱和区，相当于双极型三极管性区也称为可变电阻区、未饱和区，相当于双极型三极管的饱和区。的饱和区。（3）线性区：）线性区：（4）NMOS管的开关特性管的开关特性（a）当）当vIvGS 109），），传输门处于截止传输门处于截止（断开）状态。（断开）状态。1C当当C = 0， 时，时，若若0VIVDDVTN，则，则TN导通；导通；若若|VTP|VIVDD，则，则TP导通。导通。因此，当因此，当vI在在0 VDD之间变化时，之间变化时，TN和和 TP必有一个导必有一个导通，使通，使vI与与vO间呈低阻态（间呈低阻态

36、（1k），），传输门处于导通传输门处于导通（传输）状态。（传输）状态。0C当当C = 1， 时时 最简单的三态输出的电路即是在逻辑门的输出最简单的三态输出的电路即是在逻辑门的输出端串接一个传输门，用使能端控制传输门的传输控端串接一个传输门，用使能端控制传输门的传输控制端，那么输出端就有逻辑制端，那么输出端就有逻辑1、逻辑、逻辑0和高阻三种状和高阻三种状态了。态了。 4、CMOS三态门三态门 从逻辑功能和应用的角度上讲，从逻辑功能和应用的角度上讲，CMOS三态门和三态门和TTL三态门没什么区别。但在电路结构上，三态门没什么区别。但在电路结构上，CMOS三三态门电路要简单得多。态门电路要简单得多。

37、EN=1,Y高阻高阻EN=0,Y=A如如 O C 门 那 样 ，门 那 样 ，CMOS输出电路也输出电路也可以做成漏极开路可以做成漏极开路的形式。这种结构的形式。这种结构常用在输出缓冲常用在输出缓冲驱动器中，或用于驱动器中，或用于电平转换电平转换。此外也。此外也可用于实现可用于实现“线与线与”逻辑。逻辑。5、CMOS漏极开路门（漏极开路门（OD门）门）6、CMOS集成电路使用注意事项集成电路使用注意事项 （1）注意检查）注意检查电源电压电源电压应在允许范围内应在允许范围内 （2）负载适配问题（）负载适配问题（带载能力带载能力） （3）连线连线应尽可能短（信号畸变、相互干扰）应尽可能短（信号畸变

38、、相互干扰） （4）如果）如果环境温度环境温度变化剧烈，应选用温度性能优良的变化剧烈，应选用温度性能优良的器件器件 （5）防静电防静电（感应电势会将栅极击穿）（感应电势会将栅极击穿） （6）焊接焊接（接地、防过热、防时间过长）（接地、防过热、防时间过长）（7）输入输出端：）输入输出端：CMOS电路不用的输入端，不电路不用的输入端，不允许悬空，必须按逻辑要求接允许悬空，必须按逻辑要求接VDD 或或VSS 。 输出端不允许直接与输出端不允许直接与VDD 或或VSS 连接，否则将导致连接，否则将导致器件损坏。器件损坏。（8）电源：）电源： VDD 接电源正极，接电源正极，VSS 接电源负极接电源负极

39、 （通常接地），不允许反接，严禁带电操作。通常接地），不允许反接，严禁带电操作。（9）输入信号：）输入信号： 输入信号输入信号vI不允许超出电源电压范不允许超出电源电压范围（围（VDDVSS ），输入端的电流不得超过），输入端的电流不得超过10mA。 先接电源，再接信号源，先接电源，再接信号源，（10）接地：）接地： 所有测试仪器，外壳必须有良好的接所有测试仪器，外壳必须有良好的接地。地。晶体管门电路晶体管门电路( (分立元件分立元件) ) 集成电路集成电路 (TTL(TTL和和MOS)(MOS)(单极型和双极型）单极型和双极型）可编程逻辑器件可编程逻辑器件(CPLD、FPGA)数字数字电路电

40、路2 22 2 晶体管晶体管- -晶体管逻辑门晶体管逻辑门( (TTL)TTL) 2 22 23 TTL3 TTL集成电路的系列产品集成电路的系列产品 2 23 3 其他类型双极型数字集成电路其他类型双极型数字集成电路 2 24 MOS4 MOS集成门电路集成门电路 PMOS型型;NMOS型型;CMOS型型 单单极极型型2 24 MOS4 MOS集成门电路集成门电路 2 24 41 1 NMOS NMOS管和管和PMOSPMOS管管 1 1、NMOSNMOS管的开关特性管的开关特性 G G：栅极或称控制极：栅极或称控制极D D：漏极：漏极S S：源极：源极B B：衬底：衬底晶体管的三个区：截止

41、区、放大区、饱和区晶体管的三个区：截止区、放大区、饱和区MOS管的三个区：管的三个区：截止区截止区、恒流区和、恒流区和线性区线性区V VT T：开启电压，也叫阈值电压，一般为（：开启电压，也叫阈值电压，一般为（2 23 3V V） 1 1、NMOSNMOS管的开关特性管的开关特性 特性曲线特性曲线（1 1）当）当v vI Iv vGSGS V VT T时，截止区时，截止区i iD D0mA0mA，v vO O V VDDDDi iD D R RD DV VDDDDR RDSDS（offoff）极大，约为极大，约为10109 9以上以上（2 2）当）当v vI Iv vGSGSV VT T时，恒

42、流区时，恒流区 （3 3）当）当v vI Iv vm m时，线性区时，线性区 v vO O0V0V，i iD D很大，很大，等效电阻等效电阻R RDSDS（onon）很小，约为几百欧姆很小，约为几百欧姆 2 2、PMOSPMOS管的开关特性管的开关特性 （1 1）当）当v vI I= =0V0V，v vSG SG = -= -v vI I=0V-=0V-= 10V-V VT T，线性区，线性区 )(onDSDRRVvO0VVvDDO10RDS（off）2 24 MOS4 MOS集成门电路集成门电路 2 24 41 1 NMOS NMOS管和管和PMOSPMOS管管 2 24 42 2 CMOS

43、CMOS集成逻辑门集成逻辑门 1 1、CMOSCMOS反相器反相器 CMOS CMOS反相器是由反相器是由NMOSNMOS管管T T1 1和和PMOSPMOS管管T T2 2组成的组成的互补式电路互补式电路。通常。通常以以PMOSPMOS管作负载管管作负载管，NMOSNMOS管作驱动管作驱动管管。采用单一正电源供电。采用单一正电源供电。 T T1 1和和T T2 2的的栅极栅极G G并联并联为反相器为反相器的的输入端输入端，漏极漏极D D并联并联作为反相器作为反相器的的输出端输出端。工作时，。工作时，T T2 2的源极接的源极接电源正极电源正极，T T1 1的源极接地的源极接地。 （1 1）电

44、路结构）电路结构 1 1、CMOSCMOS反相器反相器 （2 2）工作原理）工作原理 A.A.当输入信号当输入信号V VI I= =V VILIL=0V=0V时时NMOSNMOS管的栅源电压管的栅源电压v vGS1GS1=0=0V VT1T1，所以，所以T T1 1管截止管截止, ,内阻高达内阻高达10108 8；PMOSPMOS管的栅源电压管的栅源电压v vGS2GS2= -= -V VDDDDV VT2T2，即即| |v vGS2GS2|V VT2T2| |，T T2 2管导通管导通，导通，导通电阻电阻小于小于1 1kk。V VOHOHV VDDDDB.B.当输入信号当输入信号v vI I

45、= =V VIHIH= =V VDDDD时时NMOSNMOS管的栅源电压管的栅源电压v vGS1GS1= =V VDDDD V VT1 T1 ，所，所以以T T1 1管导通管导通, ,导通电阻导通电阻小于小于1 1k k ；PMOSPMOS管的栅源电压管的栅源电压| |v vGS2GS2|=0|=010109 9）。（3 3）当）当C C = =1 1， 时时, ,0CA.A.若若0 0V VI IV VDDDDV VT1T1，则，则T T1 1导通导通；B.B.若若| |V VT2T2|V VI IV VDDDD， 则则T T2 2导通导通。 CMOS电路电路的优点的优点、静态功耗小。、静态

46、功耗小。、允许电源电压范围宽（、允许电源电压范围宽（3 18V）。）。3、扇出系数大，抗噪容限大。、扇出系数大，抗噪容限大。CMOS电路电路的注意：的注意： CMOS CMOS电路不用的输入端，电路不用的输入端，不允许悬空不允许悬空，必须按逻辑要求接必须按逻辑要求接V VDD DD 或或V VSS SS 。 7、CMOS集成电路系列产品集成电路系列产品 （1）4000/4500系列系列 （2）54/74HC系列系列 54 HC /74 HC MOS系列系列（简称简称54/74 HC）是高速）是高速CMOS系列集系列集成电路，具有成电路，具有54/74LS系列的工作速度系列的工作速度和和CMOS

47、固有的低功耗及工作电压范围固有的低功耗及工作电压范围宽的特点。宽的特点。 2.5逻辑门电路使用中的几个问题逻辑门电路使用中的几个问题1、TTL驱动驱动CMOS：&CMOS采用采用+5V电源时，可以直接驱动：电源时，可以直接驱动：&TTLCMOSCMOS电源较高时，不能直接驱动：电源较高时，不能直接驱动：&+VDD（318V）&TTLOC门门CMOSR普通普通TTL可采用电平转换器可采用电平转换器二、二、CMOS驱动驱动TTL：&CMOS采用采用+5V电源时，可以直接驱动电源时，可以直接驱动TTL：&TTLCMOSCMOS电源较高时，不能直接驱动电

48、源较高时，不能直接驱动TTL，可，可采用电平转换器。采用电平转换器。三、三、TTL和和CMOS驱动负载驱动负载：&1。可以直接驱动小电流负载：。可以直接驱动小电流负载：TTL或或CMOS+5V220 2。大电流负载可以加驱动电路：。大电流负载可以加驱动电路：3。多余输入端的处理：。多余输入端的处理：TTL门电路：门电路：悬空的输入端相当于接高电平，为悬空的输入端相当于接高电平，为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。CMOS电路：电路：多余多余输入端不能悬空，必须相应地输入端不能悬空，必须相应地接高电平或低电平。接高电平或低电平。1、二极管具有单向

49、导电性，可作为开关使用。、二极管具有单向导电性，可作为开关使用。硅二极管导通压降约硅二极管导通压降约0.7V，锗二极管约为锗二极管约为0.3V。若忽略导通压降，可近似看作理想开关。若忽略导通压降，可近似看作理想开关。小结小结PN2、三极管是双极型、电流控制元件，输出特性曲线、三极管是双极型、电流控制元件，输出特性曲线有三个区，截止区、放大区和饱和区。有三个区，截止区、放大区和饱和区。NPN型三极管，当型三极管，当vBE0.5V时，截止，时，截止，iB0，iC0，C-E之间相当于断开的开关。之间相当于断开的开关。当当vBE0.5V，且，且iBIBS时，饱和，时，饱和，vBE=VBES0.7V，vCE=VCES0.3V，C-E之间相当于闭合的开关。之间相当于闭合的开关。当当vBE0.5V，且，且iBIBS时，放大状态，时，放大状态，vBE=0.50.7V，iC=iB， vCE=VCC-iCRC。数字电路中，三极管主要工作在截止区和饱和区。