数字电子技术之门电路

1、3V（1.8V以上）以上）0.3V（0.8V以下）以下）数字电路中，二极管、三极管工作在开关状态：数字电路中，二极管、三极管工作在开关状态： 正向导通时：导通电阻很小，两端相当于短路；正向导通时：导通电阻很小，两端相当于短路； 反向截止时：等效电阻很大，两端相当于开路。反向截止时：等效电阻很大，两端相当于开路。 当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的每秒可达百万次，这就要求器件的开关转换速度开关转换速度要在微秒要在微秒甚至纳秒内完成。甚至纳秒内完成。 管子开关特性表现在正向导通和反向截止状态之管子开关特性表

2、现在正向导通和反向截止状态之 间的转换过程（即动态特性）：间的转换过程（即动态特性）： PN2.2.1二极管的开关特性：二极管的开关特性：高电平：高电平：VIH=VCC低电平：低电平：VIL=0 R导通导通截止截止S3V0VSRRD3V0V2.2.1二极管的开关特性：二极管的开关特性：2.2 .2 BJT的开关特性的开关特性1.三极管的基本开关电路三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：VI=VIL时，时，T截止，截止，VO=VOH; VI=VIH时，时，T导通，导通，VO=VOL.3、三极管的开关等效电路、三极管的开关等效电路简化等效电路简化等效电路等效电路等效电路等效电路等效电路4

3、、动态开关特性、动态开关特性 从二极管已知，从二极管已知，PN结存在电容效应。结存在电容效应。在饱和与截止两个状在饱和与截止两个状态之间转换时，态之间转换时，iC的的变化将滞后于变化将滞后于VI，则，则VO的变化也滞后于的变化也滞后于VI。规定规定3V左右为左右为10V左右为左右为02.3.12.3.1二极管与门二极管与门设设VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY=AB&2.3.2. 二极管或二极管或门门设设VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7V规定规定2.

4、3V2.3V以上为以上为1 10V左右为左右为0Y=A+BY=A+B A B 1 ABYVL VLVLVLVHVL1 11ABY1 00 10 00000ABY0 10 01 01 1111VL VHVH VLVH VH电平关系电平关系正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑正与正与 = 负或负或正或正或 = 负与负与正与非正与非 = 负或非负或非正或非正或非 = 负与非负与非（与门）（与门）（或门）（或门）正逻辑正逻辑与与负逻辑负逻辑高电平高电平VH用逻辑用逻辑1表示，低电平表示，低电平VL用逻辑用逻辑0表示表示高电平高电平VH用逻辑用逻辑0表示，低电平表示，低电平VL用逻辑用逻辑1表示表示当输入为当输入为

5、逻辑逻辑0 0时时: : VCC Rc Y T Rb A 0 vcc1非逻辑真值表非逻辑真值表 012.3.3 三极管反相器三极管反相器当输入为逻辑当输入为逻辑1 1时时: : VCC Rc Y T Rb A 1 0.3v0非逻辑真值表非逻辑真值表 2.3.3 非门电路非门电路 三极管反相器三极管反相器01102.3.3、三极管反相器、三极管反相器 A 1 Y=A 非逻辑符号非逻辑符号只要电路参数合理只要电路参数合理，VI=VIL时，时，T截止，截止，VO=VOH。VI=VIH时，时，T饱和，饱和，VO=VOL双极型三极管输入双极型三极管输出的逻辑电路。双极型三极管输入双极型三极管输出的逻辑电

6、路。（Transister-Transister-Logic的缩写）的缩写）一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理1. 1. 电路组成电路组成输入级输入级中间级中间级输出级输出级AY (b) A 1 2.0.2V0.9V3.6V（1）当输入为低电平）当输入为低电平 vI低电平低电平(0.2V)T1导通导通T2截止截止T3截止截止T4导通导通vO高电平高电平（3.6V）当输入为高电平（当输入为高电平（vI = 3.6 V） 3.6V 2.1V 4.3V 1.4V 0.2V vI全为高电平全为高电平(3.6V)T1倒置放大倒置放大T2导通导通T3导通导通T4截止截止vO低电平低电平0.2V）

7、VT 时，管子导通，时，管子导通，导通电阻很小，相当于开导通电阻很小，相当于开关闭合关闭合 。当当VGSVT 时，管子截止，时，管子截止，相当于开关断开；相当于开关断开； 同样，对同样，对P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管来说：管来说：当当| |VGS| | | | |VT| |时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。1. CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理2. CMOS反相器的特点反相器的特点3. CMOS反相器的传输特性反相器的传输特性4. CMOS反相器的工作速度反相器的工作速度VVVDDTNTP()图图2.6.1P-93AY

8、(b) A 1 电路结构电路结构 逻辑符号逻辑符号当当vI=0V时时 OFFOFFONDDHORRRVV VGS = 0 VTNT2管管截止截止；|VGSP|=VDDVTP 电路中电流近似为零（忽略电路中电流近似为零（忽略TN的截的截止漏电流）止漏电流）,VDD主要降落在主要降落在TN上，输出上，输出为高电平为高电平VOH。T1管管导通导通。VDD1. CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理 令管子的导通等效电阻为令管子的导通等效电阻为RON，截，截止等效电阻为止等效电阻为ROFF,则有则有：AY (b) A 1 当当vI =VOH= VDD时时 ONOFFONDDLORRRVV AY 1.

9、 CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理VGS =VDD VTNT2管管导通导通；|VGSP|= 0 VTP T1管管截止截止。 此时，此时，VDD主要降在主要降在T1管上，管上，输出为低电平输出为低电平VOL :AY 因而因而CMOS反相器的静态反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）。功耗极小（微瓦数量级）。 T1和和T2只有一个是工作的，只有一个是工作的，AYAY (b) A 1 DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,02121)()(12)(21)( 时，时，参数完全对称，

10、参数完全对称，若若同时导通同时导通段：段：截止截止导通，导通，段：段：截止截止导通，导通，段：段：DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,02121)()(12)(21)( 时，时，参数完全对称，参数完全对称，若若同时导通同时导通段：段：截止截止导通，导通，段：段：截止截止导通，导通，段：段：DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,02121)()(12)(21)(

11、 时，时，参数完全对称，参数完全对称，若若同时导通同时导通段：段：截止截止导通，导通，段：段：截止截止导通，导通，段：段：DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,02121)()(12)(21)( 时，时，参数完全对称，参数完全对称，若若同时导通同时导通段：段：截止截止导通，导通，段：段：截止截止导通，导通，段：段：DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,02121

12、)()(12)(21)( 时，时，参数完全对称，参数完全对称，若若同时导通同时导通段：段：截止截止导通，导通，段：段：截止截止导通，导通，段：段：DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,02121)()(12)(21)( 时时，参参数数完完全全对对称称，若若同同时时导导通通段段：截截止止导导通通，段段：截截止止导导通通，段段：DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,

13、02121)()(12)(21)( 时，时，参数完全对称，参数完全对称，若若同时导通同时导通段：段：截止截止导通，导通，段：段：截止截止导通，导通，段：段：DDODDIPTHGSDDINTHGSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,02121)()(12)(21)( 时，时，参数完全对称，参数完全对称，若若同时导通同时导通段：段：截止截止导通，导通，段：段：截止截止导通，导通，段：段：、电压传输特性、电压传输特性: vo=f(vi)电流传输特性：电流传输特性：iD=f(vi)4、输入噪声容限、输入噪声容限称为输入噪

14、声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内在输出变化允许范围内基本不变；基本不变；的一定范围内，的一定范围内，和和偏离偏离在在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV 称称为为输输入入噪噪声声容容限限，允允许许输输入入的的变变化化范范围围在在输输出出变变化化允允许许范范围围内内基基本本不不变变；的的一一定定范范围围内内，和和偏偏离离在在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV 图图33.16 (a) 74HC系列输入保护电路与输入特性系列输入保

15、护电路与输入特性1、输入特性、输入特性0viVDD+0.7VVi0 当当vi = vih 或或vi = vhL时时，iI只只有很小漏电流。有很小漏电流。 OLGSOLOLOLVVIIfV下下，同同样样的的低低电电平平输输出出特特性性)().1(越越少少下下，同同样样的的高高电电平平输输出出特特性性 OHGSOHOHOHVVIIfV)(.21 1、 组成组成2、工作原理A B0 00 11 01 1 T3 T1 T2 T4Y功能功能特点：特点：1110通通通通通通通通止止止止止止止止T T1 1T T3 3+VDDYT T2 2T T4 4ABY=AB一、一、CMOS与非门与非门2.6.4 其他

16、类型的其他类型的CMOS门电路门电路3、输出逻辑表达式、输出逻辑表达式（以二输入为例）（以二输入为例）两两TN管在下，管在下，串联串联；两两TP管在上，管在上，并联并联；输输0出出1，全，全1出出0（以二输入为例）（以二输入为例）3 3、输出逻辑表达式：、输出逻辑表达式：1 1、 组成组成2 2、工作原理、工作原理输输1出出0，全，全0出出1.功能功能特点：特点：A B0 00 11 01 1T3 T1 T2 T4Y通止通止通通止止止止通通止通止通1000BAT T3 3T1T2T4VDDY二、二、 CMOS或非门或非门BAY 值值不不同同对对应应的的达达到到开开启启电电压压时时，的的、使使也

17、也更更高高越越高高，输输入入端端越越多多，端端数数目目的的影影响响输输出出的的高高低低电电平平受受输输入入则则则则则则则则受受输输入入状状态态影影响响输输出出电电阻阻存存在在的的缺缺点点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR42313142)3()2(0,11,021/0,021,1:)1( 值值不不同同对对应应的的达达到到开开启启电电压压时时，的的、使使也也更更高高越越高高，输输入入端端越越多多，端端数数目目的的影影响响输输出出的的高高低低电电平平受受输输入入则则则则则则则则受受输输入入状状态态影影响响输输

18、出出电电阻阻存存在在的的缺缺点点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR42313142)3()2(0,11,021/0,021,1:)1( 值值不不同同对对应应的的达达到到开开启启电电压压时时，的的、使使也也更更高高越越高高，输输入入端端越越多多，端端数数目目的的影影响响输输出出的的高高低低电电平平受受输输入入则则则则则则则则受受输输入入状状态态影影响响输输出出电电阻阻存存在在的的缺缺点点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBA

19、R42313142)3()2(0,11,021/0,021,1:)1( 值值不不同同对对应应的的达达到到开开启启电电压压时时，的的、使使也也更更高高越越高高，输输入入端端越越多多，端端数数目目的的影影响响输输出出的的高高低低电电平平受受输输入入则则则则则则则则受受输输入入状状态态影影响响输输出出电电阻阻存存在在的的缺缺点点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR42313142)3()2(0,11,021/0,021,1:)1( 值值不不同同对对应应的的达达到到开开启启电电压压时时，的的、使使也也更更高高越越高

20、高，输输入入端端越越多多，端端数数目目的的影影响响输输出出的的高高低低电电平平受受输输入入则则则则则则则则受受输输入入状状态态影影响响输输出出电电阻阻存存在在的的缺缺点点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR42313142)3()2(0, 11,021/0,021, 1:)1( 值值不不同同的的达达到到开开启启电电压压时时，对对应应的的、使使也也更更高高越越高高，输输入入端端越越多多，端端数数目目的的影影响响输输出出的的高高低低电电平平受受输输入入则则则则则则则则受受输输入入状状态态影影响响输输出出电电阻阻

21、存存在在的的缺缺点点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR42313142)3(:)2(0, 11, 021/0, 021, 1:)1( 值值不不同同的的达达到到开开启启电电压压时时，对对应应的的、使使也也更更高高越越高高，输输入入端端越越多多，端端数数目目的的影影响响输输出出的的高高低低电电平平受受输输入入则则则则则则则则受受输输入入状状态态影影响响输输出出电电阻阻存存在在的的缺缺点点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR

22、42313142)3()2(0, 11, 021/0, 021, 1: ) 1 ( .:)3()2(0, 11, 021/0, 021, 1:)1(42313142值不同值不同的的达到开启电压时，对应达到开启电压时，对应的的、使使也更高也更高越高，越高，输入端越多，输入端越多，端数目的影响端数目的影响输出的高低电平受输入输出的高低电平受输入则则则则则则则则受输入状态影响受输入状态影响输出电阻输出电阻存在的缺点：存在的缺点：IGSOHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVTTVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR 与非门与非门缓冲器缓冲器或非门或非门 2.解决方法

23、解决方法图图2.6.20 带缓冲级的带缓冲级的CMOS与非门电路与非门电路 P-105图2.6.22 P-106OD与非门符号与非门符号ABY)(,. 2. 1DDDDDDLVVVR可可以以不不等等于于使使用用时时允允许许外外接接器器或或用用作作电电平平转转换换、驱驱动动现现“线线与与”可可将将输输出出并并联联使使用用，实实)(,. 2. 1DDDDDDLVVVR可可以以不不等等于于使使用用时时允允许许外外接接器器或或用用作作电电平平转转换换、驱驱动动现现“线线与与”可可将将输输出出并并联联使使用用，实实 这个电阻叫这个电阻叫上拉电阻上拉电阻,取值取值需计算。需计算。1.1.CMOS传输门（传

24、输门（TG）组成和逻辑符号组成和逻辑符号当当C=0时，时，C=1时时，当当C=1，时，时C=0时，时，T1、T2总有一个导电，传输门导通。总有一个导电，传输门导通。工作时，要求工作时，要求UI在在0 VDD之间变化。之间变化。CMOS传输门是双向输入和输出器件，两端可以互易使用。传输门是双向输入和输出器件，两端可以互易使用。CT2T1VDDVI/VOVO/VICTGCVI/VOVO/VICT1、T2截止，传输门截止。截止，传输门截止。四四. CMOS传输门传输门2.2. CMOS传输门应用举例传输门应用举例利用CMOS传输门和CMOS非门可以组成各种复杂的逻辑电路。当当C=0时，时，SW截止；

25、截止；CMOS双向模拟开关的组成和符号：双向模拟开关的组成和符号：例如做例如做模拟开关，模拟开关，用来传输模拟信号，用来传输模拟信号，这是一般的逻辑门无法实现的。这是一般的逻辑门无法实现的。TGCVI/VOVO/VI1SWCVI/VOVO/VI当当C=1时，时，SW导通。导通。2、工作原理、工作原理输出逻辑表达式和图形符号：Y =A高阻高阻 0 01 01 1 T1 T1 T2 T2 1 0高阻高阻YEN A通止通止止通止通通通止止通通止止（EN=0 时）（EN=1时）0 1五五、CMOS三态输出门（三态输出门（TS门）门）1、 电路结构电路结构CMOS门电路的性能比较门电路的性能比较课堂练习

26、题课堂练习题1. 三态门输出高阻状态时，三态门输出高阻状态时， 是正确的说法。是正确的说法。 A.测不出电压数值测不出电压数值 B.测得电压较低测得电压较低 C.测得电压较高测得电压较高 D.测得电阻很大测得电阻很大2. 以下电路中不可以实现输出端并联的有以下电路中不可以实现输出端并联的有 。 A.普通门电路普通门电路 B.三态门三态门 C.OC门门 D.OD门门3TTL门电路在正逻辑系统中，以下各种输入端的接法门电路在正逻辑系统中，以下各种输入端的接法 相当于相当于 输输 入逻辑入逻辑“1”的是的是 。 A.悬空悬空 B.通过电阻通过电阻10k接到接到VCC C.通过电阻通过电阻10k接地接

27、地 D.通过电阻通过电阻100接地接地DA4.指出下列门电路的输出：指出下列门电路的输出：A、B、CA15CMOS数字集成电路与数字集成电路与TTL数字集成电路相比数字集成电路相比 的优点是的优点是 。 A.微功耗微功耗 B.高速度高速度 C.高抗干扰能力高抗干扰能力 D.电源范围宽电源范围宽6CMOS电路在正逻辑系统中，以下各种输入中电路在正逻辑系统中，以下各种输入中 相相 当于当于 输输 入逻辑入逻辑“1”。 A.悬空悬空 B.通过电阻通过电阻2.7k接电源接电源 C.通过电阻通过电阻2.7k接地接地 D.通过电阻通过电阻510接地接地A、C、DB7. TTL系列的门电路系列的门电路,当当VI为多少时为多少时,VO发生跳变？此值与直发生跳变？此值与直流电源有关吗？流电源有关吗？8.CMOS系列的门电路系列的门电路,当当VI为多少时为多少时,VO发生跳变？此值与发生跳变？此值与直流电源有关吗？直流电源有关吗？ (1)(1)TTL的的 电源电压应满足在标准值电源电压应