第三章 逻辑门

1、1 1 第三章第三章 逻辑门电路逻辑门电路 2 2本章基本内容本章基本内容MOSMOS管的基本工作原理和开关特性管的基本工作原理和开关特性 CMOSCMOS门电路结构、工作原理和电气特性门电路结构、工作原理和电气特性双极型三极管的工作原理和开关特性双极型三极管的工作原理和开关特性 TTLTTL门电路的结构、工作原理和电气特性门电路的结构、工作原理和电气特性3 33. 1 MOS的管的开关特性的管的开关特性3.1.1 N3.1.1 N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的结构和符号管的结构和符号N沟道沟道MOS管结构管结构N沟道沟道MOS符号符号4 43.1.2 N3.1.2 N沟道增强型沟道增强

2、型MOSMOS管的开关状态管的开关状态 当当V VGSGS=0 =0 时，时，MOSMOS管管处于截止状态，相当处于截止状态，相当DSDS间断开。间断开。 当当V VGSGSVVT T 时，时，MOSMOS管管处于导通状态，相当处于导通状态，相当DSDS间接通。间接通。导通电阻很小，几十几导通电阻很小，几十几百欧姆。百欧姆。截止时，截止时，DSDS间电阻很大，间电阻很大，一般在一般在10106 6以上以上。5 53.1.3 P3.1.3 P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的结构和符号管的结构和符号P沟道沟道MOS管结构管结构P沟道沟道MOS管符号管符号6 63.1.4 P3.1.4 P沟道增

3、强型沟道增强型MOSMOS管的开关状态管的开关状态 当当V VGSGS=0 =0 时，时，MOSMOS管管处于截止状态，相当处于截止状态，相当DSDS间断开。间断开。 当当| |V VGSGS| |VVT T 时，时，MOSMOS管处于导通状态，相管处于导通状态，相当当DSDS间接通。间接通。截止时，截止时，DSDS间电阻很大，间电阻很大，一般在一般在10106 6以上以上。导通电阻很小，几十几导通电阻很小，几十几百欧姆。百欧姆。7 73.1.5 3.1.5 耗尽型耗尽型MOSMOS管的开关状态管的开关状态 耗尽型耗尽型 MOSMOS管在管在V VGSGS=0 =0 时，即存在导电沟道，在时，

4、即存在导电沟道，在标准画法中是将源极、漏极以及衬底是相连的。简标准画法中是将源极、漏极以及衬底是相连的。简化画法中是将漏源间的连线加粗，以表示耗尽型。化画法中是将漏源间的连线加粗，以表示耗尽型。N N沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管的符号管的符号P P沟道耗尽型沟道耗尽型MOSMOS管的符号管的符号导电沟道消失需栅极施加的电压称为夹断电压导电沟道消失需栅极施加的电压称为夹断电压V VP P。8 83.2 CMOS3.2 CMOS门电路门电路3.2.1 CMOS3.2.1 CMOS反相器和传输门反相器和传输门1.CMOS反相器反相器9 9工作原理工作原理：“0”截止截止导通导通“1”“0”截止

5、截止导通导通“1”)();(ioiovfivfv10传输特性：传输特性： 为了降低反相器的功率损耗，应尽量避免输入为了降低反相器的功率损耗，应尽量避免输入信号长时间停留在高、低电平之间。信号长时间停留在高、低电平之间。11112.CMOS传输门传输门 当当P=0VP=0V，N=VN=VDDDD时。两个时。两个MOSMOS管均导通，管均导通，A-BA-B相当相当接通，导通电阻在接通，导通电阻在1010以内。以内。 当当P=VP=VDDDD，N=0VN=0V时。两个时。两个MOSMOS管均截止，管均截止，A-BA-B相当相当断开。断开。P沟道沟道MOS管管N沟道沟道MOS管管表示符号表示符号121

6、23.2.2 CMOS3.2.2 CMOS与非门、或非门和异或门与非门、或非门和异或门与非门电路结构和工作原理与非门电路结构和工作原理逻辑符号逻辑符号 T T1 1、T T2 2为为N N沟道沟道MOSMOS管，管，T T3 3、T T4 4为为P P沟道沟道MOSMOS管。管。00截止截止截止截止导通导通导通导通1110)(ABY 1313或非门电路结构和工作原理或非门电路结构和工作原理逻辑符号逻辑符号 T T1 1、T T2 2为为N N沟道沟道MOSMOS管，管，T T3 3、T T4 4为为P P沟道沟道MOSMOS管。管。1414异或门电路结构和工作原理异或门电路结构和工作原理逻辑符

7、号逻辑符号0101011100011000111011100BAY1515异或非（同或）门电路结构和工作原理异或非（同或）门电路结构和工作原理逻辑符号逻辑符号)(BAY1616CMOS与门、或门和同相缓冲器与门、或门和同相缓冲器CMOS或门或门CMOS同相缓冲器同相缓冲器CMOS与门与门1717输入、输出端有反相器的或非门和与非门输入、输出端有反相器的或非门和与非门输入端有反相器的输入端有反相器的或非门或非门输出端有反相器的输出端有反相器的与非门与非门18183.2.3 3.2.3 三态输出和漏极开路输出的三态输出和漏极开路输出的CMOSCMOS门电路门电路1. 三态输出的三态输出的CMOS反

8、相器电路和工作原理反相器电路和工作原理001AAAEN=0 Y=AEN=1 高阻态高阻态AA111截止截止截止截止00逻辑符号逻辑符号EN称为使能端称为使能端 低电平有效低电平有效1919用三态输出门实现总线连接用三态输出门实现总线连接 只要轮流地令只要轮流地令EN1、EN2、EN3为为1，就可以在，就可以在总线（总线（Bus)轮流传输轮流传输A、B、C三个数字信号。三个数字信号。2020 2. 漏极开路输出的与非门（漏极开路输出的与非门（OD门）门）逻辑符号逻辑符号电路结构电路结构电路特点电路特点 它的特有功能是可以将它们的输出端直接相连，它的特有功能是可以将它们的输出端直接相连，实现输出信

9、号之间的逻辑与运算（实现输出信号之间的逻辑与运算（“线与线与”）。）。2121漏极开路输出门的漏极开路输出门的“线与线与”连接连接21)()()(CDABCDABYYY 在使用这种门电路时必需外接一个上拉电阻在使用这种门电路时必需外接一个上拉电阻RP，其值应远小于其值应远小于T1或或T2的截止电阻的截止电阻ROFF，而又远大于，而又远大于T1和和T2的导通电阻的导通电阻RON，以保证输出的高低电平分，以保证输出的高低电平分别为别为VOH=VDD、VOL=0。2222RP 阻值的计算方法阻值的计算方法 当输出为高电平当输出为高电平VOH ，所有所有OD门输出端的门输出端的MOS管全处于截止状态。

10、管全处于截止状态。 为保证输出为高电平，为保证输出为高电平，RP上的压降不能太大，即上的压降不能太大，即RP 阻阻值不能太大。值不能太大。OHpLOHDDVRInIV|(max)|)|/()(pLOHOHDDpRInIVVR2323 当输出为低电平当输出为低电平VOL时，只要有一个时，只要有一个OD门输门输出管导通时出管导通时 ，负载电流，负载电流IL和流过和流过 RP 的电流全部的电流全部流过这个流过这个MOS管。管。 为保证输出为低电平，为保证输出为低电平，IL不不能太大，即能太大，即RP 阻值不能太小。阻值不能太小。(max)/ )(OLpOLDDLIRVVI(min)(max)/()(

11、pLOLOLDDpRIIVVR2424例例计算电路中计算电路中OD门上拉电阻门上拉电阻RP 的取值范围。的取值范围。 已知已知VDD=5V，OD门门G1G3输出端输出端MOS管截止时漏电流管截止时漏电流IOH=5uA，导通时允许输入最大负载电流，导通时允许输入最大负载电流 IOL(max) =4mA。负载。负载G4G7是四个反相器，它们的高电平输入电流是四个反相器，它们的高电平输入电流IIH=1uA,低电平低电平输入电流输入电流IIL=-1uA,(从输出端流出）。要求输出高、低电平满足从输出端流出）。要求输出高、低电平满足VOH4.4V，VOL0.2V。解解|)|/()(max)LOHOHDD

12、PInIVVR661041053/()4 . 45(k1 .36)/()(max)0(min)LLOLDDPIIVVR)104104/()2 . 05(63k2 . 1RP的取值范围为的取值范围为1.2k 36.1k。2525利用漏极开路输出门接成总线结构利用漏极开路输出门接成总线结构 将三个漏极开路的与非门接到同一条总线上。只要将三个漏极开路的与非门接到同一条总线上。只要任何时候任何时候C C1 1、C2C2、C C3 3，当中只有一个为，当中只有一个为1 1，就可以在同，就可以在同一条总线上分时传送一条总线上分时传送A A1 1、A A2 2、A A3 3信号。信号。漏极开路的输出门换可以

13、很方便的实现电平转移。漏极开路的输出门换可以很方便的实现电平转移。2626普通的普通的CMOS门电路绝对不允许门电路绝对不允许”线与线与”连接。连接。 如图所示，当如图所示，当V VILIL输入为输入为0 0，V VIHIH输入输入为为1 1时时 ，则，则T T3 3、T T4 4、T T5 5、T T6 6将导通，此将导通，此时，负载电流时，负载电流I IL L将将很大，门电路将被很大，门电路将被烧毁。烧毁。27273.2.4 CMOS3.2.4 CMOS电路的静电防护和锁定效应电路的静电防护和锁定效应 由于由于 MOSMOS管管 的的SiOSiO2 2层极薄（约层极薄（约4040100nm

14、100nm范范围），所以当栅极上积累一定数量的电荷后，将围），所以当栅极上积累一定数量的电荷后，将形成很强的电场将氧化层击穿，造成器件损坏。形成很强的电场将氧化层击穿，造成器件损坏。为此，为此，CMOSCMOS集成电路都设置了输入保护电路。集成电路都设置了输入保护电路。2828 当当CMOS电路的输入或输出端出现瞬时高压（高于电源电路的输入或输出端出现瞬时高压（高于电源电压电压VDD）时，有可能使电路进入这样一种状态，）时，有可能使电路进入这样一种状态， 即电源至即电源至公共端之间有很大的电流流过，使输入端失去控制作用。公共端之间有很大的电流流过，使输入端失去控制作用。 目前在高速目前在高速C

15、MOS集成电路中，通过改进工艺尽量避集成电路中，通过改进工艺尽量避免锁定效应，但还是不能全部避免。免锁定效应，但还是不能全部避免。锁定效应锁定效应29293.2.5 CMOS3.2.5 CMOS门电路电气特性和参数门电路电气特性和参数1. 直流电气特性和参数直流电气特性和参数 输入高电平输入高电平V VIH IH 和输入低电平和输入低电平V VILIL 在保证输出电平在保证输出电平基本不变的情况下，基本不变的情况下，允许输入高、低电平允许输入高、低电平有一定范围变化。一有一定范围变化。一般都给出输入高电平般都给出输入高电平的最小值的最小值V VIL(min)IL(min)和输和输入低电平的最大

16、值入低电平的最大值V VIH(max)IH(max)。3030 输出高电平输出高电平V VOH OH 和输出低电平和输出低电平V VOLOL V VOH OH 和和V VOLOL同样也各有一个允许的数值范围，同样同样也各有一个允许的数值范围，同样也给出输出高电平的最小值也给出输出高电平的最小值V VOH(min) 和输出低电平和输出低电平的最大值的最大值VOL(max) 。噪声噪声容限容限VNH和和VNL 将两个门电路互相连接使用时，前一个门的输出将两个门电路互相连接使用时，前一个门的输出即为下一个门的输入，由于即为下一个门的输入，由于G1输出高、低电平有输出高、低电平有一定的允许范围，一定的

17、允许范围，G2输入高、低电平也有一定的输入高、低电平也有一定的允许范围，他们的差值即为噪声容限。允许范围，他们的差值即为噪声容限。3131高电平噪声容限高电平噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限(min)(min)IHOHNHVVV(max)(max)OLILNLVVV如图可求出：如图可求出： VNH=4.4-3.5=0.9V VNL=1.5-0.33=1.17V3232 高电平输入电流高电平输入电流 和低电平输入电流和低电平输入电流V VOLOL 无论输入电压无论输入电压是高电平是高电平(V(VDDDD) )还还是低电（是低电（0V0V），），保护二极管都不保护二极管都不导通，因此输入导通，

18、因此输入电流很小，一般电流很小，一般都在都在1 1A A以下。以下。 当输入当输入ViVi高于高于V VDDDD+0.7V+0.7V或低于或低于-0.7V-0.7V时，二极管时，二极管将导通，电流会很大，为此，输入端必需串接保护将导通，电流会很大，为此，输入端必需串接保护电阻。电阻。 输入端悬空状态下，栅极上会造成电荷积累，使栅输入端悬空状态下，栅极上会造成电荷积累，使栅极击穿，为此，多余的栅极应正确处理。极击穿，为此，多余的栅极应正确处理。3333 高电平输出电流高电平输出电流 和低电平输出电流和低电平输出电流 空载时，空载时，CMOSCMOS门电路输出的高电平接近于门电路输出的高电平接近于

19、V VDDDD，输出的低电平接近于输出的低电平接近于0 0。当带负载时，情况如下：当带负载时，情况如下：输出高电平时：输出高电平时：输出低电平时：输出低电平时：(min)OHOHVV(min)OLOLVV34342. 开关电气特性和参数开关电气特性和参数 传输延迟时间传输延迟时间2PLHPHLpdttt平均传输时间平均传输时间3535 动态功耗动态功耗静态功耗可以忽静态功耗可以忽略不计。略不计。 当当V VO O由低电平变为高电平时，电源经由低电平变为高电平时，电源经T T2 2向向C CL L充电，充电，充电电流产生功率损耗。当充电电流产生功率损耗。当V VO O由高电平变为低电平由高电平变

20、为低电平时，时，C CL L经经T T1 1放电，放电电流也产生功率损耗。放电，放电电流也产生功率损耗。T2T1由于由于C CL L充放电产生的功耗充放电产生的功耗P PL L可由下式计算：可由下式计算：fVCPDDLL2f 为为输出电压变化的频率为为输出电压变化的频率3636 电路在输出电平转换过程中，必定在一个短暂电路在输出电平转换过程中，必定在一个短暂的瞬时的瞬时T T1 1和和T T2 2同时导通，产生一个尖峰电流，于同时导通，产生一个尖峰电流，于是有一个瞬变功耗是有一个瞬变功耗P PT T。fVCPDDpdT2Cpd Cpd 称为功耗电容，手册中查出。称为功耗电容，手册中查出。 输入

21、电容输入电容 C1 输入电容输入电容C C1 1包括输入级一对包括输入级一对MOSMOS管的栅极电容以管的栅极电容以及输入保护电路的接线电容。及输入保护电路的接线电容。37第三章作业第三章作业第六次作业第六次作业 3.1 3.2 3.3 3.438383.3 3.3 双极型半导体二极管和三极管的开关特性双极型半导体二极管和三极管的开关特性 静态特性静态特性1. 外加正向电压外加正向电压( (正偏正偏) )二极管导通二极管导通( (相当于开关闭合相当于开关闭合) )V D7 . 0V2. 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) )V 5 . 0DV二极管截止二极管截止( (相当于开关断开相当于

22、开关断开) ) 0D I阴极阴极A阳极阳极KPN结结- -AK+ +DVDIP区区N区区+- - - - -正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区0.5 0.7/ /mADI/ /V0(BR)VDV3. 3. 1 3. 3. 1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性3939vYvAvBR0D2D1+VCC+10V3. 3. 2 二极管与门和或门二极管与门和或门一、一、二极管与门二极管与门3V0V符号符号:与门与门（AND gate)ABY&0 V0 VVD = 0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 V真值表真值表A BY0 00 11 01 10001Y =

23、 AB电压关系表电压关系表vA/VvB/VvY/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通0.7导通导通 截止截止0.7截止截止 导通导通0.7导通导通 导通导通3.74040二、二、二极管或门二极管或门vY/V3V0V符号符号:或门或门（OR gate)ABY10 V0 VVD = 0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 VvYvAvBROD2D1-VSS-10V真值表真值表A BY0 00 11 01 10111电压关系表电压关系表vA/VvB/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通 0.7截止截止 导通导通2.3导通导通 截止截止2.3导通导通 导通导通2

24、.3Y = A + BABY4141NPN3. 3. 3 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性发射结发射结集电结集电结发射极发射极emitter基极基极base集电极集电极collectorbiBiCec1. 结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性( (2) ) 符号符号NNP( (Transistor) )( (1) ) 结构结构 (以以NPN管为例）管为例）4242( (3) ) 输入特性输入特性CE)(BEBvvfi (4) 输出特性输出特性B)(CECivfi iC / mAvCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB = 00 2 4 6 8 4321

25、放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0CEvV1CE u0vBE /ViB / A发射结正偏发射结正偏放大放大i C= iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS= IBS临界临界截止截止iB 0, iC 0两个结反偏两个结反偏电流关系电流关系状态状态 条条 件件43432. 开关应用举例开关应用举例V 2 ) 1 (L IIVvV 3 )2(H IIVv发射结反偏发射结反偏 T 截止截止0 0CB iiV 12CCOVv发射结正偏发射结正偏 T 导通导通+ RcRb+VCC (12V)+vo iBiCTvI3V-2V2 k 100 2.3 k 放大还是放大还是

26、饱和？饱和？4444bBEIBRvvicCESCCCSBSRVVIIBSB Ii 饱饱和和 T饱和导通条件：饱和导通条件：cCCBSB RVIi + RcRb+VCC +12V+vo iBiCTvI3V-2V2 k 100 2.3 k mA 1mA3 . 27 . 03 mA 06. 0mA210012 cCC RV V) 7 . 0(BEvV 3 . 0CESOVv因为因为所以所以45453.4 TTL3.4 TTL门电路门电路3.4.1 TTL3.4.1 TTL反相器反相器1.1.电路结构和工作原理电路结构和工作原理电路组成：输入级、倒相级、输出级三部分组成。电路组成：输入级、倒相级、输出

27、级三部分组成。4646工作原理：工作原理： 输入低电平输入低电平VIL=0.2V0.2V0.9V3.6V截止截止导通导通截止截止222DBERCCOHVvvVVVVOH6 . 37 . 07 . 05输出高电平为：输出高电平为：忽略忽略R2上的压降，可得：上的压降，可得：深饱和深饱和0.3V4747 输入高电平输入高电平VIH=3.6V输出低电平为：输出低电平为：VVOL2 . 0导通导通导通导通截止截止倒置倒置3.6V0.2V2.1V1.4V0.7V1V)(iovfv 48TTL反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性阈值电压阈值电压V VTHTH： 电压传输特性转折区中点所对应的输入电压。

28、电压传输特性转折区中点所对应的输入电压。大约为：大约为：VTH=1.4V。49492.2.输入特性输入特性 TTL TTL门电路与门电路与MOSMOS门电路不同，无论输入高电平还门电路不同，无论输入高电平还是低电平都需要输入电流，而是低电平都需要输入电流，而MOSMOS门则不需要输入门则不需要输入电流。如图所示。电流。如图所示。 输入低电平输入低电平输入高电平输入高电平5050 当输入端经过接一电阻当输入端经过接一电阻RP时，输入电位将不等于时，输入电位将不等于0，而，而是随电阻是随电阻RP的增大而升高。的增大而升高。ppBEcciRRRvVv11)( 当当Vi升高到升高到1.4V以后，以后，

29、T1的的bc结和结和T2、T4的的be结同结同时导通，输入电压时导通，输入电压Vi也不也不会再增高。由此可知当会再增高。由此可知当RP过大或输入端悬空时，输过大或输入端悬空时，输出必为低电平。出必为低电平。因此，输入端接高电平和输入因此，输入端接高电平和输入端悬空是等效的。端悬空是等效的。 对于对于CMOS电路中，输入端接一电阻接地时，由于没有电流电路中，输入端接一电阻接地时，由于没有电流流过，故输入始终为零。流过，故输入始终为零。51513.3.输出特性输出特性 输出为高电平输出为高电平时的等效电路时的等效电路此时，对于输出驱动门所带此时，对于输出驱动门所带的负载为拉电流负载。的负载为拉电流

30、负载。 输出为低电平输出为低电平时的等效电路时的等效电路此时，对于输出驱动门所带此时，对于输出驱动门所带的负载为灌电流负载。的负载为灌电流负载。52523.4.2 TTL3.4.2 TTL与非门、或非门、与或非门和异或门与非门、或非门、与或非门和异或门1.1.与非门与非门+5V)(ABY 53532.2.或非门或非门)(BAY54543.3.与或非门与或非门)(CDABY5555BAY 用真值表可求用真值表可求出输出出输出Y Y与输入与输入A A、B B 之间的逻之间的逻辑关系，例如：辑关系，例如：4.4.异或门异或门00饱和饱和饱和饱和饱和饱和0截止截止截止截止截止截止截止截止饱和饱和饱和饱

31、和 改变改变A A、B B变量变量的取值的取值 ，列出，列出真值表真值表 ，即可，即可求出输出求出输出Y Y与输与输入入A A、B B 之间的之间的逻辑关系。逻辑关系。56563.4.3 3.4.3 三态输出和集电极开路输出的三态输出和集电极开路输出的TTLTTL门电路门电路1.1.三态输出的门电路三态输出的门电路0截止截止导通导通0截止截止11截止截止逻辑符号逻辑符号 EN=1 Y=高阻态高阻态EN=0 Y=A截止截止057572.2.集电极开路输出的门电路集电极开路输出的门电路12逻辑符号逻辑符号 它与它与MOS门电路中的门电路中的 漏极开路门电路相同，同漏极开路门电路相同，同样，该电路可

32、以实现样，该电路可以实现“线与线与”的逻辑关系。的逻辑关系。5858 由于由于TTLTTL门电路的高电平输入电流和低电平的输入门电路的高电平输入电流和低电平的输入电流不等，故电流不等，故OCOC门的输出带有门的输出带有TTLTTL门作为负载时，其门作为负载时，其计算上拉电阻要复杂一些。计算上拉电阻要复杂一些。例例如图电路，三个如图电路，三个OCOC门接成门接成“线与线与”形式，驱形式，驱动三个动三个TTLTTL与非门电路。与非门电路。 已知已知OCOC门输出端三极管截止时的漏电流门输出端三极管截止时的漏电流I IOHOH=0.1mA=0.1mA，导通时允许流过的最大电流导通时允许流过的最大电流I IOL(ma