数字逻辑A3李

1、2022-6-15GUET School of Information & Communications1数字逻辑A主讲：信息与通信学院主讲：信息与通信学院 谢跃雷谢跃雷 2022-6-15GUET School of Information & Communications2第第3 3章章 门电路门电路3.1 概述概述3.2 半导体二极管和半导体二极管和 三极管的开关特性三极管的开关特性3.3 分立元件门电路分立元件门电路3.4 TTL门电路门电路3.5 其它结构双极型门电路其它结构双极型门电路3.6 CMOS门电路门电路2022-6-15GUET School of Information

2、 & Communications33.1 3.1 概述概述1.定义：定义：门电路门电路是用以实现基本是用以实现基本逻辑运算逻辑运算和和复合逻辑复合逻辑运算的运算的电子电路。电子电路。门电路门电路分立元件门电路分立元件门电路（分立元器件，容、阻形成）（分立元器件，容、阻形成）集成门电路集成门电路双极型集成门双极型集成门（TTL 、 DTL ）MOS集成门集成门 NMOSPMOSCMOS2.分类分类:2022-6-15GUET School of Information & Communications4集集成成逻逻辑辑门门双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门按器件类型分按

3、器件类型分PMOSNMOSCMOS按集成度分按集成度分SSI（100以下以下个元件）个元件）MSI（10103 3个元件）个元件）LSI （10105 5个以上元件）个以上元件）1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文Integrated Circuit,简称简称IC。 集成电路的优点：集成电路的优点：体积小体积小、重量轻重量轻、可靠性高可靠性高，功耗低功耗低。目前。目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方毫米。毫米。TTL、ECLI2L、HTL2022-6-

4、15GUET School of Information & Communications53、逻辑电平、逻辑电平 门电路的两种门电路的两种输入、输出输入、输出电平：电平：高电平高电平、低电平低电平。它们分别。它们分别对应逻辑电路的对应逻辑电路的1,0状态。状态。 正逻辑正逻辑：高电平高电平1；低电平；低电平0。 负逻辑负逻辑：高电平高电平0；低电平；低电平1 。电子电路中使用开关电路获取高、低电平，如下电子电路中使用开关电路获取高、低电平，如下图：图：2022-6-15GUET School of Information & Communications6lUI控制开关控制开关S的断、通情况

5、。的断、通情况。lS断开，断开，UO为高电平为高电平；S接通，接通，UO为低电平为低电平。 UI S Vcc Uo 实际开关为晶体二极管、实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电三极管以及场效应管等电子器件子器件逻辑逻辑“0”和逻辑和逻辑“1”对应的电压对应的电压范范围宽围宽，因此在数字电路中，对电子，因此在数字电路中，对电子元件、器件元件、器件参数精度的要求及其电参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低源的稳定度的要求比模拟电路要低。2022-6-15GUET School of Information & Communications7互补开关电路互补开关电路 UI S Vc

6、c Uo S 12 UI S Vcc Uo 单开关电路单开关电路功耗高功耗高低功耗低功耗2022-6-15GUET School of Information & Communications8一、二极管伏安特性一、二极管伏安特性3.2 3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 0.5 0.7 iD(mA) uD(V) 硅硅 PN结伏安特性结伏安特性 UBR 0 开启电压Uth反向击穿电压二极管的单向导电性：二极管的单向导电性：外加正向电压（外加正向电压（UUthth），二极），二极管导通，导通压降约为管导通，导通压降约为0.7V0.7V；外加反向电压，二极管截止。外加反向电压，二极管截止

7、。iDuDiDuDUthO二极管特性折线简化二极管特性折线简化2022-6-15GUET School of Information & Communications9 利用二极管的单向导电利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。极性控制的开关。当当V VI I=V=VILIL时，时，D D导通，导通，V VO O=0.7=V=0.7=VOLOL 开关闭合开关闭合 VI 二极管开关电路二极管开关电路 Vcc Vo D R 二、二极管开关特性二、二极管开关特性假定：假定：V VIHIH=V=VCC CC ，V VILIL=0=0当当V VI I=V=V

8、IHIH时，时，D D截止，截止，V Vo o=V=VCCCC=V=VOHOH 开关断开开关断开 iDvDOiDvDVthO图3- -2- -1 二极管伏安特性(c) 理想理想二极管开关特性二极管开关特性(d) 二极管特性折线简化二极管特性折线简化 1. 1.二极管的稳态特性二极管的稳态特性2022-6-15GUET School of Information & Communications10三二极管瞬态开关特性三二极管瞬态开关特性电路处于瞬变状态下晶体电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性。具体的管所呈现的开关特性。具体的说，就是晶体管在大信号作用说，就是晶体管在大信号作用下，由下，由

9、导通到截止或者由截止导通到截止或者由截止到导通时呈现的开关特性到导通时呈现的开关特性。理想二极管作开关时，在理想二极管作开关时，在外加跳变电压作用下，由导通外加跳变电压作用下，由导通到截止或者由截止到导通都是到截止或者由截止到导通都是在瞬间完成，没有过渡过程。在瞬间完成，没有过渡过程。DRvI图3- -2- -2 理想二极管开关特性vDiD(a)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIF2022-6-15GUET School of Information & Communications11图3- -2- -3 二极管瞬态开关特性OvItVFVRt1t2OvDtt1t2OiDtIFIRt

10、stftrrtrDRvI图3- -2- -2 理想二极管开关特性vDiD(a)OvIt(b)OvDtOiDtVFVRVRIF存储时间存储时间反向恢反向恢复时间复时间下降时间下降时间上升时间上升时间2022-6-15GUET School of Information & Communications123.2.2 3.2.2 分立元件门电路分立元件门电路一、二极管与门一、二极管与门 +VCC(+5V) R Y VD1 A VD2 B ABY &A BY0 00 11 01 10001Y=AB2022-6-15GUET School of Information & Communications

11、13二、二极管或门二、二极管或门 A VD1 B VD2 Y R ABY 1A BY0 00 11 01 10111Y=A+B2022-6-15GUET School of Information & Communications14图3-6-1 N沟道增强型MOS管N+N+SGDSiO2P- -Si(a) 结构示意图结构示意图(b) 符号符号SGD3.33.3C CMOS门电路门电路MOS（Metal Oxide Semiconductor）集成电路的基本元件）集成电路的基本元件是是MOS晶体管。晶体管。MOS管有三个电极：管有三个电极：源极源极S、漏极漏极D和和栅极栅极G。它是用栅极电压来

12、控制漏源电流。它是用栅极电压来控制漏源电流。MOS管有管有P型沟道和型沟道和N型沟道两种，按其工作特性又分为型沟道两种，按其工作特性又分为增增强型和耗尽型强型和耗尽型两类。两类。2022-6-15GUET School of Information & Communications15复习MOS管的有关知识1. N沟道MOS管的结构P型衬底沟道区域绝缘层金属铝2022-6-15GUET School of Information & Communications1616VGS=0时，则D、S之间相当于两个PN结背向的串联， D、S之间不通，iD0。复习MOS管的有关知识2. 工作原理反型层（导

13、电沟道） 当G、S间加上正电压，且VGSVT时，栅极与衬底之间形成电场，吸引衬底中的电子到栅极下面的衬底表面，形成一个N型的反型层构成D、S之间的导电沟道。VT被称为MOS管的开启电压。由于VGS 0时，无导电沟道，在增强VGS 电压后形成导电沟道，所以称这类MOS管为增强型MOS管。P型衬底2022-6-15GUET School of Information & Communications1717复习MOS管的有关知识2. 工作原理反型层（导电沟道）P型衬底 N沟道增强型MOS管具有以下特点：当VGSVT 时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合 。当VGSVT 时，管子截止，相当于开

14、关断开； 同样，对P沟道增强型MOS管来说：当|VGS| |VT|时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。2022-6-15GUET School of Information & Communications18图3-4-2 N沟道增强型MOS管输出特性曲线OiDSvDS()非非饱饱和和区区()非饱和区非饱和区()截止区截止区vDS= vGS- -VGS(th)NvGS0输出特性曲线和阈值电压输出特性曲线和阈值电压输出特性曲线表示在一定栅源电压输出特性曲线表示在一定栅源电压vGS下，漏源电流下，漏源电流iDS和漏和漏源电压源电压vDS之间的关系。之间的关系。非饱和区：非饱和区：vDS很小

15、，很小，当满足当满足vDS(vGS- -VGS(th)N)时，时， iDS基本上随基本上随vDS线性上升。线性上升。vGS越大，曲线越陡，相应越大，曲线越陡，相应等效电阻越小。该区域又等效电阻越小。该区域又称为称为可调电阻区域可调电阻区域。饱和区饱和区：当当vDS(vGS- -VGS(th)N)以后，漏极附近的沟道被夹断。以后，漏极附近的沟道被夹断。iDS不随不随vDS线性上升，而是达到某一数值，几乎近似不变。线性上升，而是达到某一数值，几乎近似不变。2022-6-15GUET School of Information & Communications19图3-4-3 N沟道MOS 管转移特

16、性OiDSvGSVGS(th)NvDS=常数常数截止区：截止区：vGSVGS(th)N，还没有形成导电沟道，因此，还没有形成导电沟道，因此iDS=0。转移特性和跨导转移特性和跨导MOS管的转移特性是指在漏源电压管的转移特性是指在漏源电压vDS一定时，栅源电压一定时，栅源电压vGS和漏源电流和漏源电流iDS之间的关系。之间的关系。当当vGSVGS(th)N后，在后，在vDS作用下才形成作用下才形成iDS电流。电流。vGS和和iDS之间的关系，通常用跨导之间的关系，通常用跨导gm这个参数表示。即：这个参数表示。即：常数常数 DSGSDSmvvig它表明了它表明了vGS对对iDS的控制能力，数值越大

17、，栅极控制作用越强。的控制能力，数值越大，栅极控制作用越强。2022-6-15GUET School of Information & Communications20输入电阻和输入电容输入电阻和输入电容MOS管的栅、源两极通常作为输入端，输入电阻实质上就管的栅、源两极通常作为输入端，输入电阻实质上就是介质是介质SiO2层的绝缘电阻。若层的绝缘电阻。若SiO2的厚度在的厚度在0.15m左右，绝缘左右，绝缘电阻可达电阻可达1012以上。以上。MOS管的高输入电阻，使得其静态负载能力很强；栅极泄管的高输入电阻，使得其静态负载能力很强；栅极泄漏电流很小，可以将信息在输入端的栅极电容上暂存，为动态漏电

18、流很小，可以将信息在输入端的栅极电容上暂存，为动态MOS电容和大规模存储电路的实现创造了条件。电容和大规模存储电路的实现创造了条件。MOS管的输入电容是指栅、源之间存在很小的寄生电容，管的输入电容是指栅、源之间存在很小的寄生电容，其数值约为百分之几皮法到几皮法。其数值约为百分之几皮法到几皮法。直流导通电阻直流导通电阻MOS管导通时，漏源电压管导通时，漏源电压vDS和漏源电流和漏源电流iDS的比值称为直流的比值称为直流导通电阻导通电阻DSDSonivr 2022-6-15GUET School of Information & Communications213.3.23.3.2、MOS反相器反

19、相器在在MOS集成电路中，反相器是基本的单元。按其结构和负集成电路中，反相器是基本的单元。按其结构和负载不同，可大致分为三种类型。载不同，可大致分为三种类型。(1) 电阻负载电阻负载MOS电路电路(2) MOS负载反相器负载反相器(3) CMOS（Complementary MOS）反相器）反相器其中电阻负载其中电阻负载MOS电路的输入器件是增强型电路的输入器件是增强型MOS管，负载管，负载是线性电阻。是线性电阻。2022-6-15GUET School of Information & Communications22(1) 电阻负载电阻负载MOS反相器电路反相器电路0VVDD真值表真值表A

20、01Y10表达式表达式Y=AVDD截止导通0VIVOMOS管 SGDvIvOVDD T0RDA AY Y2022-6-15GUET School of Information & Communications23(2) MOS负载反相器电路负载反相器电路工作管工作管负载管负载管设电源电压设电源电压VDD = 10V，开启电压开启电压VT1 = VT0 = 2V1、A输入高电平输入高电平VIH = 8V2、A输入低电平输入低电平VIL = 0.3V时，时， 电路执行逻辑非功能电路执行逻辑非功能T1、T0均导通，输出为低均导通，输出为低电平电平VOL 0.3VT0截止截止T1导通，电路输出导通，电

21、路输出高电平高电平VOH = VDD - - VT2 = 8V。SGDSGDvIvOVDDT1T0A AY YiDS=k(vDSL- VGS(th)NL)22022-6-15GUET School of Information & Communications24图3- -6- -2 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI(3)(3)CMOS反相器工作原理反相器工作原理CMOS反相器由一个反相器由一个P沟道增强型沟道增强型MOS管和一个管和一个N沟道增强沟道增强型型MOS管串联组成。通常管串联组成。通常P沟道管作为负载管，沟道管作为负载管，N沟道管作为输沟道管作为输入管。入管。n若输

22、入若输入vI为为低电平低电平VIL(如如0V)，则负载，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。n若输入若输入vI为为高电平高电平VIH(如如VDD)，则输入管导通，负载管截止，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近输出电压接近0V。两个两个MOS管的开启电压管的开启电压VGS(th)P0，通，通常为了保证正常工作，要求常为了保证正常工作，要求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。2022-6-15GUET School of Information & Communications25图3- -5- -2 CMOS反相器电压传输特性vIvOOVD

23、DVDDVDD+VGS(th)PVGS(th)N二电压传输特性和电流传输特性二电压传输特性和电流传输特性CMOS反相器的电压传输特反相器的电压传输特性曲线可分为五个工作区。性曲线可分为五个工作区。工作区工作区：由于输入管截止，：由于输入管截止，故故vO=VDD，处于稳定关态。，处于稳定关态。工作区工作区：PMOS和和NMOS均处于饱和状态，特性曲线急剧均处于饱和状态，特性曲线急剧变化，变化，vI值等于阈值电压值等于阈值电压Vth。工作区工作区：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以：负载管截止，输入管处于非饱和状态，所以vO0V，处于稳定的开态。，处于稳定的开态。2022-6-15GUET S

24、chool of Information & Communications26工作区工作区输入电压输入电压vI范围范围PMOS管管NMOS管管输出输出0 vI VGS(th)N非饱和非饱和截止截止vO VDDVGS(th)N vI vO+ VGS(th)P非饱和非饱和饱和饱和vO+ VGS(th)P vI vO+ VGS(th)N饱和饱和饱和饱和vO+ VGS(th)N vI VDD+ VGS(th)P饱和饱和非饱和非饱和VDD+ VGS(th)P vI VDD截止截止非饱和非饱和vO0表3- -5- -1 CMOS电路MOS管的工作状态表图3- -5- -3 CMOS反相器电流传输特性vIO

25、VDDiDSVDD+VGS(th)PVGS(th)NV thCMOS反相器的电流传输反相器的电流传输特性曲线，只在工作区特性曲线，只在工作区时，时，由于负载管和输入管都处于饱由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大和导通状态，会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都的电流。其余情况下，电流都极小。极小。2022-6-15GUET School of Information & Communications27CMOS反相器具有如下特点：反相器具有如下特点：(1) 静态功耗极低。在稳定时，静态功耗极低。在稳定时，CMOS反相器工作在工作反相器工作在工作区区和工作区和工作区，总有一个，

26、总有一个MOS管处于截止状态，流过的电流管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。为极小的漏电流。(2) 抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为0.5VDD，输入，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。声容限近似相等，且随电源电压升高，抗干扰能力增强。(3) 电源利用率高。电源利用率高。VOH=VDD，同时由于阈值电压随，同时由于阈值电压随VDD变变化而变化，所以允许化而变化，所以允许VDD有较宽的变化范围，一般为有较宽的变化范围，一般为

27、+3+18V。(4) 输入阻抗高，带负载能力强。输入阻抗高，带负载能力强。2022-6-15GUET School of Information & Communications28 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平使输入电平V VI I偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 三、三、 输入噪声容限输入噪声容限l高电平噪声容限高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入

28、高电平上的最大噪声电压叠加在输入高电平上的最大噪声电压( (负向干扰负向干扰) )，用，用V VNHNH表表示：示： l低电平噪声容限低电平噪声容限: :是指在保证输出高电平的前提下，允许是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压叠加在输入低电平上的最大噪声电压( (正向干扰正向干扰) )，用，用V VNLNL表表示：示： V VNL NL = V= VIL,maxIL,maxV VILILV VNH NH = V= VIHIHV VIH,minIH,min2022-6-15GUET School of Information & Communications291 1

29、输出输出0 0输出输出1 1输入输入0 0输入输入V VOH,minOH,minV VIH,minIH,minV VNHNHV VIL,maxIL,maxV VOL,maxOL,maxV VNLNL11V VI IV VO O输入低电平噪声容限：输入低电平噪声容限：VNL=VIL,maxVOL,max输入高电平噪声容限：输入高电平噪声容限：VNH=VOH,minVIH,min5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V2022-6-15GUET School of Information & Communications30图3- -6- -11 CMOS输入保护电路vOVDDTPTNvIC1

30、D2N D1 D1C2PPPNR3.3.3 CMOS反相器的静态输入反相器的静态输入特性和输出特性特性和输出特性(1) 输入特性输入特性为了保护栅极和衬底之间为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，的栅氧化层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。输入端都加有保护电路。由于二极管的钳位作用，由于二极管的钳位作用，使得使得MOS管在正或负尖峰脉管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。冲作用下不易发生损坏。图3- -6- -12 CMOS反相器输入特性vIOVDDiI1V保护保护电路电路二极管二极管D1的特性的特性二极管二极管D2和电阻和电阻R串联电路的特性串联电路的特性2022-6-15GUET

31、 School of Information & Communications31vO=VOLVDDTNRLvI=VDDTPIOL图3- -6- -13 输出低电平等效电路图3- -6- -14 输出低电平时输出特性VOL(vDSN)OIOL(iDSN)vI(vGSN)(2) 输出特性输出特性a. 低电平输出特性低电平输出特性n当输入当输入v vI I为高电平时为高电平时，负载管截止，负载管截止，输入管导通，负载电流输入管导通，负载电流I IOLOL灌入输入管，灌入输入管，如图如图 所示。所示。n输出电阻的大小与输出电阻的大小与v vGSNGSN( (v vI I) )有关有关，v vI I越

32、大，输出电阻越小，反相器带负载越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。能力越强。2022-6-15GUET School of Information & Communications32VOHVDDTNRLvI=0TPIOH图3- -6- -15 输出高电平等效电路图3- -6- -16 输出高电平时输出特性vSDPOIOH (iSDP)vGSPVDDb. 高电平输出特性高电平输出特性n当输入当输入v vI I为低电平时为低电平时，负载管导通，负载管导通，输入管截止，负载电流是拉电流，如图输入管截止，负载电流是拉电流，如图示。输出电压示。输出电压V VOHOH= =V VDDDD- -v

33、vSDPSDP，拉电流，拉电流I IOHOH即即为为i iSDPSDP，输出特性曲线如图所示。，输出特性曲线如图所示。n|vGSP|越大，越大，负载电流的增加使负载电流的增加使VOH下降越下降越小，带拉电流负载能力就越强小，带拉电流负载能力就越强2022-6-15GUET School of Information & Communications33 3、CMOS门 （1）与非门 A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电

34、平。 YAB2022-6-15GUET School of Information & Communications34输出电阻输出电阻（2）CMOS或非门或非门+VDDBYT2T3AT4T1SSSSGGBA F =A B T1 T2 T3 T4 F工作原理工作原理: :00 01 10 11 1000结构特点：结构特点：驱动管并联；负载管串联驱动管并联；负载管串联存在缺陷：存在缺陷：输出电阻受输入状态影响；输出电阻受输入状态影响；ONR2ONRONRONR5 . 0输出的高、低电平受输入端数目的影响。输出的高、低电平受输入端数目的影响。输入端数目越多，并联的驱动管越多，输出的低电平越低；输入

35、端数目越多，并联的驱动管越多，输出的低电平越低；输入端数目越多，串联的负载管越多，输出的高电平越低；输入端数目越多，串联的负载管越多，输出的高电平越低；2022-6-15GUET School of Information & Communications35（3）CMOS与门（4）CMOS或门（5）CMOS与或非门思考：如何得到 YA BC D由德.摩根定理 YA B C DA BC D逻辑电路如图2022-6-15GUET School of Information & Communications36YVDDB图3- -6- -5 带缓冲级的与非门A上述电路虽然简单，但存在一些严重缺点：

36、上述电路虽然简单，但存在一些严重缺点：(1) (1) 输出电阻受输入端状态的影响；输出电阻受输入端状态的影响；(2) (2) 当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，当输入端数目增多时，输出低电平也随着相应提高，使低电平噪声容限降低。使低电平噪声容限降低。解决方法：解决方法：在各输入端、输出端增加一级反相器，构成带在各输入端、输出端增加一级反相器，构成带缓冲级的门电路。缓冲级的门电路。带 缓 冲 级带 缓 冲 级 的的与非门是在或非与非门是在或非门的输入端、输门的输入端、输出端接入反相器出端接入反相器构成的。构成的。2022-6-15GUET School of Information

37、& Communications37二二 漏极开路门电路（漏极开路门电路（OD） 普通普通CMOS门不能接门不能接成线与形式。成线与形式。 OD门输出端只是一门输出端只是一个个N沟道管，因此可以按沟道管，因此可以按OC门的办法连成总线形门的办法连成总线形式。式。特点：特点：VDD1和和VDD2可取不同值；可取不同值；YBA&(b)逻辑符号2022-6-15GUET School of Information & Communications38OCOC门的门的“线与线与”功能功能图3-4-16 n个OC门并联使用YBA&DC&JI&VCCRUnIJCDABIJCDABY AVDD11&BVcc

38、RLIVDD11&J图3-4-16 n个OC门并联使用YBA&DC&JI&VCCRUn2022-6-15GUET School of Information & Communications39当当n个前级门输出均为个前级门输出均为高电平，即所有高电平，即所有OC门同门同时截止时，为保证输出时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的的高电平不低于规定的VOH，min值，上拉电阻不值，上拉电阻不能过大，其最大值计算能过大，其最大值计算公式：公式：CCOHminU(max)OHIHV-VR=nI+mI，外接上拉电阻外接上拉电阻R RU U的计算方法的计算方法图3-4-17 n个OC门并联驱动m门20

39、22-6-15GUET School of Information & Communications40当当n个前级门中有一个个前级门中有一个输出为低电平，即所有输出为低电平，即所有OC门中只有一个导通时，门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通全部负载电流都流入导通的那个的那个 OC门，为确保流门，为确保流入导通入导通OC门的电流不至门的电流不至于超过最大允许的于超过最大允许的IOL，max值，值，RU值不可太小，其最值不可太小，其最小值计算公式：小值计算公式：CCOLmaxU(min)OLmaxILV- VR=I- m I，)(min)maxUUURRR 图3-4-18 n个OC门并联驱

40、动m门2022-6-15GUET School of Information & Communications41TP图3- -5- -10 CMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTN三三CMOS传输门传输门CMOS传输门是由传输门是由P沟道和沟道和N沟道增强型沟道增强型MOS管并联互补组管并联互补组成。成。当当C=0V，C=VDD时，两个时，两个MOS管都截止。输出和输入之间管都截止。输出和输入之间呈现高阻抗，传输门截止。当呈现高阻抗，传输门截止。当C=VDD，C=0V时，总有一个时，总有一个MOS管导通，使输出和输入之间

41、呈低阻抗，传输门导通。管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。2022-6-15GUET School of Information & Communications42TP图3- -5- -11 传输门高、低电平传输情况VDDC=0C=VDDvOvI=VDDTNDSSDCLTPVDDC=0C=VDDvOvITNSDDSCL(a) 高电平传输高电平传输(b) 低电平传输低电平传输传输门传输门传输高电平信号传输高电平信号时，若控制信号时，若控制信号C为有效电平，则为有效电平，则传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电容传输门导通，电流从输入端经沟道流向输出端，向负载电容CL充电，

42、直至输出电平与输入电平相同，完成高电平的传输。充电，直至输出电平与输入电平相同，完成高电平的传输。若若传输低电平信号传输低电平信号，电流从输出端流向输入端，负载电容，电流从输出端流向输入端，负载电容CL经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端相同经传输门向输入端放电，输出端从高电平降为与输入端相同的低电平，完成低电平传输。的低电平，完成低电平传输。2022-6-15GUET School of Information & Communications43（1）用来组成各种复杂的逻辑电路。）用来组成各种复杂的逻辑电路。（2）用作模拟开关，传输连续变化的模拟电压信号。）用作模拟开关，传输连

43、续变化的模拟电压信号。传输门的应用传输门的应用TG11TG11BAYTG11Vi/V0CV0/Vi用反相器和传输门构成的异或门CMOS双向模拟开关电路结构2022-6-15GUET School of Information & Communications44VDDEN图3- -6- -6 三态输出CMOS门 结构之一AYVDD1TNTNTPTP四三态输出四三态输出CMOS门门三态输出三态输出CMOS门是在普通门电路上，增加了控制端和控门是在普通门电路上，增加了控制端和控制电路构成，一般有三种结构形式。制电路构成，一般有三种结构形式。在反相器基础上增加一对在反相器基础上增加一对P沟道沟道TP

44、和和N沟道沟道TN MOS管。管。当控制端为当控制端为1时，时，TP和和TN同时同时截止，截止，输出呈高阻态输出呈高阻态；当控制；当控制端为端为0时，时，TP和和TN同时导通，同时导通，反相器正常工作。该电路为低反相器正常工作。该电路为低电平有效的三态输出门。电平有效的三态输出门。2022-6-15GUET School of Information & Communications45EN图3- -5- -16 三态输出CMOS门结构之二AYVDD1TNTPAY&TNTPVDDENTNTP第二种形式和第三种形式：第二种形式和第三种形式：EN图3- -5- -17 三态输出CMOS 门结构之三

45、AYVDD1TG2022-6-15GUET School of Information & Communications46CMOS器件使用时应注意的问题器件使用时应注意的问题(1) 输入电路的静电防护输入电路的静电防护措施：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、措施：运输时最好使用金属屏蔽层作为包装材料；组装、调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使调试时，仪器仪表、工作台面及烙铁等均应有良好接地；不使用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。用的多余输入端不能悬空，以免拾取脉冲干扰。(2) 输入端加过流保护输入端加过流保护措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措

46、施。措施：在可能出现大输入电流的场合必须加过流保护措施。如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输如在输入端接有低电阻信号源时、在长线接到输入端时、在输入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻入端接有大电容时等，均应在输入端接入保护电阻RP。2022-6-15GUET School of Information & Communications47(3) 防止防止CMOS器件产生锁定效应器件产生锁定效应措施：在输入端和输出端设置钳位电路；在电源输入端加措施：在输入端和输出端设置钳位电路；在电源输入端加去耦电路，在去耦电路，在VDD输入端与电源之间加限流电路，防止输入端与电源之间

47、加限流电路，防止VDD端出端出现瞬态高压；在现瞬态高压；在vI输入端与电源之间加限流电阻，使得即使发输入端与电源之间加限流电阻，使得即使发生了锁定效应，也能使生了锁定效应，也能使T1、T2电源限制在一定范围内，不致于电源限制在一定范围内，不致于损坏器件。损坏器件。如果一个系统中由几个电源分别供电时，各电源开关顺序如果一个系统中由几个电源分别供电时，各电源开关顺序必须合理，启动时应先接通必须合理，启动时应先接通CMOS电路的电源，再接入信号源电路的电源，再接入信号源或负载电路；关闭时，应先切断信号源和负载电路，再切断或负载电路；关闭时，应先切断信号源和负载电路，再切断CMOS电源。电源。2022

48、-6-15GUET School of Information & Communications483.4 3.4 其他类型其他类型MOS门电路门电路AYVDDTLT1BT2与与非非门门或或非非门门YVDDTLAT1BT21 1、N NMOS门电路门电路分析：只有当输入信号为分析：只有当输入信号为VIH，对应的输入管才导通，否则截止。，对应的输入管才导通，否则截止。1110A B0 00 11 01 1Y1000A B0 00 11 01 1Y2022-6-15GUET School of Information & Communications492 2、P PMOS门电路门电路分析：只有当

49、输入信号为分析：只有当输入信号为VIL，对应的输入管才导通，否则截止。，对应的输入管才导通，否则截止。与与非非门门Y-VDDTLAT1BT21110A B0 00 11 01 1Y逻辑电平：逻辑电平：n0 0：V VDDDDn1 1：0V0VPMOS门电路有两大缺点：门电路有两大缺点：a.速度低。速度低。b.输出负电平，不利于与输出负电平，不利于与TTL互接。互接。2022-6-15GUET School of Information & Communications501. 双极型三极管结构双极型三极管结构 因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为

50、双极型三极管。称为双极型三极管。NPNNPN型型PNPPNP型型3.5 TTL门电路门电路2022-6-15GUET School of Information & Communications512 双极型三极管输入特性双极型三极管输入特性 0 0.5 0.7 vBE(V) 输输入入特特性性曲曲线线 iB(A) b iC 硅硅料料NPN型型三三极极管管 c e iB 双极型三极管的应用中，通常是通过双极型三极管的应用中，通常是通过b,eb,e间的电流间的电流i iB B控制控制c,ec,e间的电流间的电流i iC C实现其电路功能的。因此，以实现其电路功能的。因此，以b,eb,e间的回路作为

51、输入回路，间的回路作为输入回路，c,ec,e间的回路间的回路作为输出回路作为输出回路。 输入回路实质是一个输入回路实质是一个PNPN结结，其输入特性基本等同于二，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。极管的伏安特性。2022-6-15GUET School of Information & Communications523. 双极型三极管输出特性双极型三极管输出特性 b iC 硅料硅料 NPN型型三极管三极管 c e iB 截止区截止区 iB=0mA A 放大区放大区 ic(mA) 饱和区饱和区 uce(V) uces 0 放大区放大区：发射结正偏，集电结反偏；：发射结正偏，集电结反偏；V

52、VbebeVVT T， V Vbcbc00；起放大作用。；起放大作用。截止区截止区：发射结、集电极均反偏，：发射结、集电极均反偏，V Vbcbc0V0V，V Vbebe0V0V；一般地，一般地，V Vbebe0.7VVVT T， V VbcbcVVT T；深度饱和状态下，；深度饱和状态下，饱和压降饱和压降V VCEsCEs 约为约为0.2V0.2V。2022-6-15GUET School of Information & Communications534 双极型三极管开关特性双极型三极管开关特性 Vi iB e Rb b +VCC iC Vo 三三极极管管开开关关电电路路 Rc c 利用三

53、极管的饱和与截利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作出高、低电平，即开关工作状态。状态。当当V VI I=V=VILIL时，三极管截止，时，三极管截止，V VO O=V=Vcccc=V=VOHOH 开关断开开关断开假定：假定：V VIHIH=V=VCC CC ，V VILIL=0=0当当V VI I=V=VIHIH时，三极管深度饱和，时，三极管深度饱和，V Vo o=V=VSEsSEs=V=VOLOL 开关闭合开关闭合 2022-6-15GUET

54、 School of Information & Communications54三极管瞬态开关特性三极管瞬态开关特性OtVVvIOiCtOvOtontdtrtstftoff图3- -2- -4 三极管的瞬态开关特性tICS0.9ICS0.1ICS开通时间开通时间 Vi iB e Rb b +VCC iC Vo 三极管开关三极管开关电路电路 Rc c 0.9ICS0.1ICS关断时间关断时间2022-6-15GUET School of Information & Communications55三极管非门三极管非门 ui iB e Rb b +VCC iC uo 三极管开关三极管开关电路电路

55、 Rc c 输入为低，输出为高；输入为低，输出为高；输入为高，输出为低。输入为高，输出为低。AY0110AY 1 A Y 利用二极管的压降为利用二极管的压降为0.7V0.7V，保证，保证输入电压在输入电压在1V1V以下时，开关电路以下时，开关电路可靠地截止。可靠地截止。2022-6-15GUET School of Information & Communications56集集成成逻逻辑辑门门双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门按器件类型分按器件类型分PMOSNMOSCMOS按集成度分按集成度分SSI（100以下以下个元件）个元件）MSI（10103 3个元件）个元件）

56、LSI （10105 5个以上元件）个以上元件）3.4 TTL3.4 TTL门电路门电路1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文Integrated Circuit,简称简称IC。 集成电路的优点：集成电路的优点：体积小体积小、重量轻重量轻、可靠性高可靠性高，功耗低功耗低。目前。目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方毫米。毫米。TTL、ECLI2L、HTL2022-6-15GUET School of Information & Communications

57、57一、一、TTL与非门原理与非门原理TTL:Transistor- Transistor Logic与非门由三部分电路构成与非门由三部分电路构成l输入级输入级l中间级中间级l输出级输出级R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y图3-4-1 CT54/74系列与非门 k4 .6k1 k1 031输入级由多发射极晶体输入级由多发射极晶体管管T1和基极电组和基极电组R1组成，组成，它实现了输入变量它实现了输入变量A、B、C的与运算的与运算中间级是放大级，由中间级是放大级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极的集电极C2和发射极和发射极E2可以分提供可以分提供两个相位相反的电压信号

58、两个相位相反的电压信号输出级：由输出级：由T3、T4、D4和和R4组成组成推拉式输出结构。具有较强的负载推拉式输出结构。具有较强的负载能力能力2022-6-15GUET School of Information & Communications58TTLTTL与非门工作原理与非门工作原理 输入端至少有一个接低电平输入端至少有一个接低电平0 .3V3 .6V3 .6V1V3 .6VT T1 1管管:A:A端发射结导通，端发射结导通，V Vb1b1 = V= VA A + V + Vbe1be1 = 1V = 1V，其它发射结均因反偏而截其它发射结均因反偏而截止止. .V Vb1b1 =1V,

59、=1V,所以所以T T2 2、T T4 4截止截止, , V VC2C2Vcc=5V,Vcc=5V, VCC经经R2驱动驱动T3和和D4，使之，使之处于导通状态。因此输出电处于导通状态。因此输出电压压vO为：为：5V返回返回R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y图3-4-1 CT54/74系列与非门 k4 .6k1 k1 031OCCBE3D4OHVV-v-v= 5V-0.7V-0.7V= 3.6V = V2022-6-15GUET School of Information & Communications59R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y图3-4-1 CT5

60、4/74系列与非门 k4 .6k1 k1 031 输入端全为高电平输入端全为高电平T T1 1:V:Vb1b1= V= Vbc1bc1+V+Vbe2be2+V+Vbe4 be4 = = 0.7V0.7V3 = 2.1V3 = 2.1V因此输出为逻辑低电平因此输出为逻辑低电平V VOLOL = 0.3V = 0.3V发射结反偏而集电发射结反偏而集电极正偏正偏. .处于倒置放大状态处于倒置放大状态T T2 2：饱和状态：饱和状态T T3 3： V Vc 2c 2 = V = Vc e s 2c e s 2 + + V Vbe5be51V1V，使，使T T3 3导通，导通，V Ve3e3 = V=