第三章 门电路

1、第 三 章 门电路 共 需 6 学时授课课题3.1概述3.2半导体二极管门电路学时2授课时间年 月 日 星期 第 节（第 周）教学目的与要求掌握二极管与门、二极管或门、三极管非门教学重点二极管组成的门电路教学难点二极管组成的门电路授课方法讲授法教具仪器教案 多媒体课件教学过程、内容分析、授课提纲组织教学考勤讲授新课第三章 门电路3.1 概述TTL电路问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成电路领域的半壁江山。把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。若它完成的功能是逻辑功能或数字功

2、能， 则称为逻辑集成电路或数字集成电路。最简单的数字集成电路是集成逻辑门。 集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类： 一类是双极性晶体管逻辑门；另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称MOS门。 双极性晶体管逻辑门主要有TTL门(晶体管-晶体管逻辑门)、ECL门(射极耦合逻辑门)和I2L门(集成注入逻辑门)等。 单极性MOS门主要有PMOS门(P沟道增强型MOS管构成的逻辑门)、NMOS门(N沟道增强型MOS管构成的逻辑门)和CMOS门(利用PMOS管和NMOS管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补MOS门门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 门电路中

3、以高/低电平表示逻辑状态的1/0 获得高、低电平的基本原理如图1所示。 图 1 高/低电平都允许有一定的变化范围如图2所示。正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1 图 23.2 半导体二极管门电路二极管的结构如图3所示： PN结 + 引线 + 封装构成 图3二极管的开关特性如图4，高电平：VIH=VCC，低电平：VIL=0 图43.2.2二极管与门最简单的与门可以用二极管和电阻组成,图5是有两个输入端的与门电路。图中A，B为两个输入变量，Y为输出变量。图5 二极管与门电路 及图形符号设VCC=5V，A，B输入端的高、低电平分别为VIH=3V，VIL=0V，二极管D

4、1，D2的正向导通压降VDF=0.7V。由图可见，A，B当中只要有一个是低电平0V，则必有一个二极管导通，使Y=0.7V。只有A，B同时为高电平3V时，Y才为3.7V。将输出与输入逻辑电平的关系列表，即得如表1电路的逻辑电平表 电路的真值表 如果规定3V以上为高电平,用逻辑1表示,0.7V以下为低电平,用逻辑0表示,则可将电平表改成电路真值表。显然，Y和A，B是与逻辑关系。这种与门电路虽然简单，但是存在着严重的问题。首先，输出的高，低电平的数值和输入的高，低电平数值不相等，相差一个二极管的导通压降。如果把这个门的输出作为下一级门的输入信号，将发生信号高，低电平的偏移。其次，当输出端对地接上负载

5、电阻时，负载电阻的改变有时会影响输出的高电平。因此，这种二极管与门电路仅用作集成电路内部的逻辑单元，而不用它直接去驱动负载电路。3.2.3 二极管或门最简单的或门电路如图6所示，它也是由二极管和电阻组成的。A，B是两个输入变量，Y是输出变量。若A，B输入端的高、低电平分别为VIH=3V，VIL=0V，二极管D1，D2的正向导通压降VDF=0.7V。则只要A，B当中有一个是高电平输出就是2.3V。只有当A，B同时为低电平时，输出才是0V。因此，可以列出电平关系表如表1：图6 二极管或门电路及图形符号表1 电路的逻辑电平表 表2 电路的真值表 如果规定2.3V为高电平,用逻辑1表示,而低于0V为低

6、电平,用逻辑0表示,则可将电平表改写成真值表如表2. 显然Y和A,B之间是或逻辑关系。二极管或门同样存在着输出电平偏移的问题，所以这种电路结构也只用于集成电路内部的逻辑单元。小结：1、半导体二极管的开关特性。2、二极管与门。3、二极管或门。作业：3.1 3.2 第 三章 门电路共 需 6 学时授课课题3.3 CMOS门电路学时2授课时间年 月 日 星期 第 节（第 周）教学目的与要求1、 掌握MOS管的开关特性2、熟练掌握CMOS门电路3、掌握CMOS 反相器的静态输入/出特性4、掌握CMOS反相器的动态特性3、其他逻辑功能的CMOS门电路4、了解其他类型的MOS集成电路教学重点1、MOS管的

7、开关特性2、CMOS门电路、OC门电路、TS门电路教学难点其他类型的MOS集成电路授课方法讲授法教具仪器教案教学过程、内容分析、授课提纲组织教学考勤复习TTL门电路讲授新课3.3 CMOS门电路 CMOS反相器电路结构和工作原理一、电路结构电路结构如图1所示。 图1 电路结构二、电压、电流传输特性CMOS反相器电压、电流传输特性如图2所示 图2 电压、电流传输特性3.3.2 CMOS 反相器的静态输入/出特性一、输入特性输入特性如图3所示。 图3二、输出特性低电平输出特性如图4所示。 图4 低电平输出特性高电平输出特性如图5所示。 图5 高电平输出特性3.3.3 其他类型的CMOS门电路一、其

8、他逻辑功能的门电路1. 与非门 2.或非门 图6 与非门 图7或非门二、带缓冲极的CMOS门电路如图8所示。 图8 带缓冲极的CMOS门三、漏极开路的门电路（OD门）漏极开路的门电路（OD门）电路结构如图9所示。 图9四、CMOS传输门及双向模拟开关1. 传输门 图102. 双向模拟开关 图11五、三态输出门 图123.3.4 CMOS电路的正确使用1. 输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几

9、点： （1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。 （2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2. 多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。3. 输入电路需过流保护小结：1、MOS管的开关特性2、CMOS门电路3、CMOS 反相器的静态输入/出特性4、CMOS反相器的动态特性5、其他逻辑功能的CMOS门电路6、其他类型的MOS集成电路作业：3.5 3.7 3.9 第 三章 门电路 共 需 6 学时授课课题3.4 TTL反相器的电路结构和工作原理学时2授

10、课时间年 月 日 星期 第 节（第 周）教学目的与要求1、 熟练掌握TTL反相器的工作原理2、 掌握TTL反相器的电气特性3、 了解TTL反相器的动态特性4、 掌握TTL反相器的带负载能力5、其他类型的TTL门电路教学重点TTL反相器的工作原理、电气特性TTL反相器的带负载能力教学难点TTL反相器的工作原理掌握TTL反相器的带负载能力授课方法讲授法教具仪器教案教学过程、内容分析、授课提纲组织教学考勤复习二极管、三极管的开关特性讲授新课3.5 TTL 门电路3.5.1双极型三极管的结构双极型三极管的结构如图1所示，管芯 + 三个引出电极 + 外壳 图1发射区高参杂,基区薄低参杂,集电区低参杂3.

11、5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一TTL与非门的基本结构TTL与非门的基本结构如图2所示。图2 TTL与非门的基本结构当输入高电平时， UI=3.6V，VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，UB1=0.7V×3=2.1V， IB2=(5-2.1)/4=0.725mA；假定 b2>10，若T2工作于放大状态，则IC2>7.25mA,所以 VC2<VCC-IC2R2=-6.6V,故T2不可能工作于放大状态和截止状态，只可能是饱和状态。 因VB4=VCES2+VBE5=1V,VT4截止。VT5状态取决于外电路，在输出电流小于IOLmax时，输出为低电平U

12、O=00.3V。二、TTL反相器的电压传输特性 图3 TTL反相器的电压传输特性3.5.3 TTL反相器的输入特性和输出特性 图4 输入特性 图5 输出特性3.5.4 其他类型的TTL门电路 一. 其他逻辑功能的门电路1.与非门图6 与非门2.或非门 图7 或非门 3.与或非门 图8 与或非门4.异或门图9 异或门二.集电极开路输出门电路（OC门） 图10 集电极开路输出门电路结构三. 三态输出门电路 （TS门) 图11 三态输出门电路结构3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列 74H系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的，效果不够理想。74S系列：肖特基系列。采用抗饱和三极管，提高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。74LS系列：低功耗肖特基系列。兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟功耗积。74AS系列：电路结构与74LS系列相似，采用低 阻值，提高了工作速度，但功耗较大。74ALS系列：其延迟功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。54、54H、54S、54LS系列：54