数字电子技术基础第三章门电路01

1、内容提要：内容提要： 本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元门电本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元门电路，有路，有TTL逻辑门、逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二逻辑门。在讨论半导体二极管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它极管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它们的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等们的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等，为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章等，为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点讨论重点讨论TTL门电路和门电路和CMOS门电路。门电路。3.1 概述概述3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.3 CMOS门电路门

2、电路3.4* 其他类型的其他类型的MOS集成门电路集成门电路3.5 TTL门电路门电路3.6* 其他类型的双极型集成门电路其他类型的双极型集成门电路3.7* BiCMOS电路电路3.8* TTL门电路与门电路与CMOS门电路的接口门电路的接口1. 门电路：门电路： 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等门、与或非门等(1) 正逻辑：正逻辑： 在二值逻辑中，如果在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑用高电平表示逻辑“1” ，低电平表示逻辑低电平表示逻

3、辑“0” ，在，在这种规定下的逻辑关系称这种规定下的逻辑关系称为正逻辑，如图为正逻辑，如图3.1.1所示所示2. 正负逻辑系统正负逻辑系统图图3.1.1 正负逻辑示意图正负逻辑示意图(2) 负逻辑：负逻辑： 在二值逻辑中，如果在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑用高电平表示逻辑“0” ，低电平表示逻辑低电平表示逻辑“1” ，在，在这种规定下的逻辑关系称这种规定下的逻辑关系称为负逻辑，如图为负逻辑，如图3.1.1所示。所示。图图3.1.1 正负逻辑示意图正负逻辑示意图 正负逻辑式互为对偶式，正负逻辑式互为对偶式，即若给出一个正逻辑的逻辑即若给出一个正逻辑的逻辑式，则对偶式即为负逻辑的式，则对偶式即

4、为负逻辑的逻辑式，如正逻辑为或门，逻辑式，如正逻辑为或门，即即Y=A+B，对偶式为，对偶式为YDAB。正负逻辑的使用依个人。正负逻辑的使用依个人的习惯，但同一系统中采用的习惯，但同一系统中采用一种逻辑关系，一种逻辑关系，表表3.1.1 正负逻辑对应的门电路正负逻辑对应的门电路正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑与门与门或门或门或门或门与门与门与非门与非门或非门或非门或非门或非门与非门与非门异或门异或门同或门同或门同或门同或门异或门异或门3. 高低电平的实现高低电平的实现 在数字电路中，输入输出在数字电路中，输入输出都是二值逻辑，其高低电平用都是二值逻辑，其高低电平用“0”和和“1”表示。其高低电平表示。其

5、高低电平的获得是通过开关电路来实现，的获得是通过开关电路来实现，如二极管或三极管电路组成。如二极管或三极管电路组成。如图如图3.1.2所示。所示。图图3.1.2 高低电平实现原理电路高低电平实现原理电路其原理为：其原理为： 当开关当开关S断开时，输出电压断开时，输出电压voVcc，为高电平，为高电平“1”；当开关闭合时，输出电压当开关闭合时，输出电压vo0，为低电平为低电平“0”；若开；若开关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状态，就相当开关态，就相当开关S的断开和闭合。的断开和闭合。图图3.1.2高低电平实现原理电路高低电平实现原理电路

6、单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路（如（如CMOS门电路），即用一个管子代替图门电路），即用一个管子代替图3.1.2中的电中的电阻，如图阻，如图3.1.3所示所示VccIvovS1S2输输入入信信号号输输出出信信号号图3.1.3 互补开关电路图3.1.3 互补开关电路VccIvovS1S2输输入入信信号号输输出出信信号号图3.1.3 互补开关电路图3.1.3 互补开关电路 开关开关S1和和S2受同一输入受同一输入信号信号vI的控制，而且导通和的控制，而且导通和断开的状态相反。当断开的状态相反。当S1闭合闭合时，时，S2断开，输出为高电平断开，输出为

7、高电平“1”；相反当；相反当S1断开时，断开时，S2闭合，输出为高电平闭合，输出为高电平“0”。 互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的，互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的，流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字电路中得到广泛的应用电路中得到广泛的应用（1）优点：）优点：图图3.1.1 正负逻辑示意图正负逻辑示意图 在数字电路中由于采在数字电路中由于采用高低电平，并且高低电用高低电平，并且高低电平都有一个允许的范围，平都有一个允许的范围，如图如图3.1.1所示，故对元器所示，故对元器件的精度和电源的稳定性件的精度和电源的稳定性的要求

8、都比模拟电路要低，的要求都比模拟电路要低，抗干扰能力也强。抗干扰能力也强。 可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路：可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路：分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工艺集成在很小的半导体芯片上。艺集成在很小的半导体芯片上。数字集成电路根据规模可分为数字集成电路根据规模可分为）超大规模（大规模（中规模（）小规模（所含元器件数）按规模分（每片nIntegratio Scale LargeVery VLSIn)Int

9、egratio Scale LargeLSIn)Integratio Scale Medium-MSInIntegratio Scale mallSSIICS100/片片（1001000）/片片103 105 /片片105 以上以上/片片）兼容型（）双极型（）单极型（按导电类型BJTFETBJTFET 数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因此本章先介绍此本章先介绍CMOS和和TTL数字集成逻辑门的结构、数字集成逻辑门的结构、工作原理工作原理3.2.1半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性1. 稳态开关特性稳态开关特性图图3.2.1 二极管的开

10、关电路二极管的开关电路图图3.1.2高低电平实现原理电路高低电平实现原理电路 将图将图3.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图中的开关用二极管代替，则可得到图3.2.1所示的半导体二极管开关电路所示的半导体二极管开关电路 设设vi的高电平为的高电平为VIHVCC， vi的低电平为的低电平为VIL0，且，且D为理想元件，即正向导通电阻为为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷大，反向电阻无穷大，则稳态时当则稳态时当vIVIHVCC时，时，D截止，输出电压截止，输出电压vDVOH VCC 将电路处于相对稳定状态下，将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的开关特性称为晶体二极管所呈现的开关

11、特性称为稳态开关特性稳态开关特性图图3.2.1 二极管的开关电路二极管的开关电路3.2.1半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性图图3.2.1 二极管的开关电路二极管的开关电路 即可以用输入电压即可以用输入电压vi的高低电的高低电平控制二极管的开关状态，并在平控制二极管的开关状态，并在输出端得到相应的高低电平输出端得到相应的高低电平3.2.1半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性 当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关特性（简称动态特性）特性（简

12、称动态特性）3.2.1半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性图图3.2.3 二极管动态电流波形二极管动态电流波形 这是由于在输入电压转这是由于在输入电压转换状态的瞬间，二极管由反换状态的瞬间，二极管由反向截止到正向导通时，内电向截止到正向导通时，内电场的建立需要一定的时间，场的建立需要一定的时间，所以二极管电流的上升是缓所以二极管电流的上升是缓慢的；当二极管由正向导通慢的；当二极管由正向导通到反向截止时，二极管的电到反向截止时，二极管的电流迅速衰减并趋向饱和电流流迅速衰减并趋向饱和电流也需要一定的时间。由于时也需要一定的时间。由于时间很短，在示波器是无法看间很短，在示波器是无法看到的到的

13、 在输入信号频率较低时，在输入信号频率较低时，二极管的导通和截止的转换时二极管的导通和截止的转换时间可以认为是瞬间完成的。但间可以认为是瞬间完成的。但在输入信号频率较高时，此时在输入信号频率较高时，此时间就不能忽略了。间就不能忽略了。 将二极管由截止转向导将二极管由截止转向导通所需的时间称为通所需的时间称为恢复恢复时间（开通时间）时间（开通时间）ton；二极；二极管由导通转向截止所需的时管由导通转向截止所需的时间称为间称为反向恢复时间（关断反向恢复时间（关断时间）时间）tre，两者统称为二极，两者统称为二极管的开关时间，一般管的开关时间，一般tonVGS (th) 时时,管子导通，管子导通，i

14、D V 2GS，RON1k(a)(b)图图3.3.3 NMOS管共源极接法电路管共源极接法电路b. 增强型增强型PMOS符号如图符号如图3.3.4所示所示GDSB(a)标准符号标准符号GDS(b)简化符号简化符号图图3.3.4 4 增强型增强型P PMOS管的符号管的符号增强型增强型PMOS共源极接法电路如图共源极接法电路如图3.3.5（a）所示，）所示，转移特性如转移特性如(b)所示所示(a)共源极接法共源极接法(b)转移特性转移特性图图3.3.5 5 增强型增强型P PMOS管共源极接法和转移特性管共源极接法和转移特性+-vGSGS+-vDSDSvGSGSiD D0vGS(th)GS(th

15、)vGS VGS (th) 时时,管子导通，管子导通，iD V 2GS(a)共源极接法共源极接法(b)转移特性转移特性图图3.3.5 5 增强型增强型P PMOS管共源极接法和转移特性管共源极接法和转移特性+-vGSGS+-vDSDSvGSGSiD D0vGS(th)GS(th)c. 耗尽型耗尽型NMOSGDSB(a)标准符号标准符号GDS(b)简化符号简化符号图图3.3.6 6 耗尽耗尽型型NMOS管的符号管的符号符号如图符号如图3.3.6所示所示耗尽型耗尽型NMOS共源极接法电路如图共源极接法电路如图3.3.7（a）所示，转）所示，转移特性如移特性如(b)所示所示(a)共源极接法共源极接法

16、(b)转移特性转移特性图图3.3.7 耗尽耗尽型型NMOS管共源极接法和转移特性管共源极接法和转移特性+-vGSGS+-vDSDSvGSGSiD D0vGS(off)GS(off)vGS 时时,管子导通管子导通d. 耗尽型耗尽型PMOSGDSB(a)标准符号标准符号GDS(b)简化符号简化符号图图3.3.8 8 耗尽耗尽型型P PMOS管的符号管的符号符号如图符号如图3.3.8所示所示耗尽型耗尽型PMOS共源极接法电路如图共源极接法电路如图3.3.9（a）所示，转）所示，转移特性如移特性如(b)所示所示(a)共源极接法共源极接法(b)转移特性转移特性图图3.3.9 9 耗尽耗尽型型P PMOS

17、管共源极接法和转移特性管共源极接法和转移特性+-vGSGS+-vDSDSvGSGSiD D0vGS(off)GS(off)vGS |VGS（th)P|+VGS(th)N，2.工作原理工作原理 当当vIVIL0为低电平时，为低电平时，T2截止，截止， T1管导通，输出电压管导通，输出电压为高电平，即为高电平，即)(OHoffonDDDDonoffoffRRVVRRRv当当vIVIHVDD为高电平时，为高电平时，T2导通，导通， T1管截止，输出电管截止，输出电压为低电平，即压为低电平，即)(0OLoffonDDonoffonRRVRRRv图图3.3.10 CMOS反相器电路反相器电路 1. 无论

18、无论 vI 是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，T1和和T2管总管总是一个导通一个截止的工作状态，称为互补，是一个导通一个截止的工作状态，称为互补，这种电路结构这种电路结构CMOS电路电路；2. 由于无论输入为低电平还是高电平，由于无论输入为低电平还是高电平， T1和和T2总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过T1和和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。的静态电流很小，故其静态功耗很小。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N)th(GSP)th(GSDDN)th(GSP)th(GSVVVVV 反相器电压传输反相器电压传输特

19、性是输出电压特性是输出电压vo和和输入输入vI之间的关系曲线，之间的关系曲线，如图如图3.3.11所示。并设所示。并设图图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性1. 电压传输特性电压传输特性AB段：输入低电平段：输入低电平0OLOVVNGSIVV)th(DDOHOVVVT1管导通，管导通，T2截止，输截止，输出电压为高电平，即出电压为高电平，即CD段：输入高电平段：输入高电平PTHGSDDIVVV)(图图3.3.11 CMOS反相器的电反相器的电压传输特性压传输特性T1管截止，管截止，T2导通，输导通，输出电压为低电平，即出电压为低电平，即BC段：段：PTHGSDDIN

20、THGSVVVV)()(图图3.3.11 CMOS反相器的电反相器的电压传输特性压传输特性DDODDIVVVV2121时，当T1、T2同时导通，若同时导通，若T1、T2参数完全相同，则参数完全相同，则2.电流传输特性电流传输特性图图3.3.12 CMOS反相器的电反相器的电流传输特性流传输特性AB段：输入低电平段：输入低电平NGSIVV)th(T1管导通，管导通，T2截止，输截止，输出漏极电流近似为零出漏极电流近似为零 电流传输特性是反相电流传输特性是反相器的漏极电流随输入电器的漏极电流随输入电压变化曲线，如图压变化曲线，如图3.3.12所示。也分成三段：所示。也分成三段：CD段：输入高电平段

21、：输入高电平PTHGSDDIVVV)(T1管截止，管截止，T2导通，输导通，输出漏极电流近似为零出漏极电流近似为零图图3.3.12 CMOS反相器的电反相器的电流传输特性流传输特性BC段：段：图图3.3.12 CMOS反相器的电反相器的电流传输特性流传输特性PTHGSDDINTHGSVVVV)()(T1、T2同时导通，有电同时导通，有电流流iD同时通过，且在同时通过，且在 vIVDD / 2附近处，漏极附近处，漏极电流最大，故在使用输电流最大，故在使用输入电压不应长时间工作入电压不应长时间工作在这段，以防由于功耗在这段，以防由于功耗过大而损坏。过大而损坏。三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限图

22、图3.3.11 CMOS反相器的电反相器的电压传输特性压传输特性 由图由图3.3.11 CMOS反相反相器的电压传输特性可知，在器的电压传输特性可知，在输入电压输入电压vI偏离正常低电平偏离正常低电平或高电平时，输出电压或高电平时，输出电压vo并并不随之马上改变，允许输入不随之马上改变，允许输入电压有一定的变化范围。电压有一定的变化范围。是指在是指在保证输出高、低电平基本保证输出高、低电平基本不变（不超过规定范围）不变（不超过规定范围）时，允许输入信号高、低时，允许输入信号高、低电平的波动范围电平的波动范围1.定义：定义：2.计算方法计算方法 输入噪声容限输入噪声容限分为输入高电平噪分为输入高

23、电平噪声容限声容限VNH和输入和输入低电平噪声容限低电平噪声容限VNL。图。图3.3.13给出给出计算输入噪声容限计算输入噪声容限的方法。的方法。图图3.3.13 CMOS反相器输入噪声反相器输入噪声容限示意图容限示意图 由图中可知，由图中可知，如果是多个门电路如果是多个门电路相连时，前一级门相连时，前一级门电路的输出即为后电路的输出即为后一级门电路的输入一级门电路的输入其中：其中：图图3.3.13 CMOS反相器输入噪声反相器输入噪声容限示意图容限示意图VOH（min）输出高输出高电平最小值电平最小值VOL（max）输出低输出低电平最大值电平最大值VIH（min）输入高输入高电平最小值电平最

24、小值VIL（max）输入低输入低电平最大值电平最大值则输入噪声容限为则输入噪声容限为(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV图图3.3.13 CMOS反相器输入噪声反相器输入噪声容限示意图容限示意图输入噪声容限和电源电压输入噪声容限和电源电压VDD有关，当有关，当VDD增加时，电增加时，电压传输特性右移，如图压传输特性右移，如图3.3.14所示所示3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理图图3.3.14 VDD对电压传输特性的影响对电压传输特性的影响)(NLNHDDVVV3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的

25、静态输入和输出特性 CMOS 反相器的静态（不考率输入输出延迟）输反相器的静态（不考率输入输出延迟）输入和输出特性为输入端和输出端的伏安特性入和输出特性为输入端和输出端的伏安特性一、输入特性一、输入特性 输入特性是从输入特性是从CMOS反相器输入端看其输入电压反相器输入端看其输入电压与电流的关系。与电流的关系。 由于由于MOS管的栅极和衬底之间存在管的栅极和衬底之间存在SiO2为介质的输为介质的输入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对由由MOS管所组成的管所组成的CMOS电路，必须采取保护措施。电路，必须采取保护措施。图图3.3.15为

26、为CMOS反相器的两种常用保护电路反相器的两种常用保护电路3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性图图3.3.15 CMOS反相器的两种常用保护电路反相器的两种常用保护电路其中其中D1和和D2，正向导通压降为，正向导通压降为VDF0.5V0.7V，反，反向击穿电压约为向击穿电压约为30V， D2为分布式二极管，可以通过为分布式二极管，可以通过较大的电流，较大的电流，RS的值一般在的值一般在1.52.5K之间。之间。 C1和和C2为为T1和和T2的栅极等效电容的栅极等效电容在输入信号正常工作范围内，即在输入信号正常工作范围内，即0vI VDD，输入端保护电，输入

27、端保护电路不起作用。当路不起作用。当vI VDD+VF时，时，D1导通，将栅极电位导通，将栅极电位vG钳钳位在位在VDD+VF，而当，而当vI RON， VIH VDD， VIL0。C的高低电平为的高低电平为VDD和和0，则，则（1）C0， C 1 只要只要vI在在0 VDD之间之间变化，变化， T1和和T2同时截止，同时截止，输入和输出为高阻态，传输输入和输出为高阻态，传输门截止，输出门截止，输出vo03.3.5 CMOS逻辑门逻辑门（2）C1， C 0 在在vI 在在0 VDD时，若时，若 0 vI VDD-VGS(th)N，T1管导管导通，通，T2管截止，如图管截止，如图3.3.35所示

28、，输出为所示，输出为vovI；若；若 |VGS(th)P| vI VDD，T1管截止，管截止，T2管导通，输出为管导通，输出为vovI图图3.3.35 CMOS的工作状态的工作状态0 vI VDD-VGS(th)N|VGS(th)P| vI RTG.b. 由于由于MOS管的导通内阻是栅源电压管的导通内阻是栅源电压vGS的函数，而的函数，而vGS 又和输入电压有关，故又和输入电压有关，故RTG和输入电压有关。为了减小和输入电压有关。为了减小RTG的变化，通常在电路上做了改进，尽量降低的变化，通常在电路上做了改进，尽量降低RTG。四、三态输出的四、三态输出的CMOS门电路门电路3.3.5 CMOS

29、逻辑门逻辑门 其电路如图其电路如图3.3.38所示，这是三态反相器，也称为所示，这是三态反相器，也称为输出缓冲器，输出的状态不仅有高电平、低电平，还有输出缓冲器，输出的状态不仅有高电平、低电平，还有第三态高阻态第三态高阻态图图3.3.38 CMOS三态门的电路及符号三态门的电路及符号其工作原理为其工作原理为3.3.5 CMOS逻辑门逻辑门)(高阻时，时，ZYNEAYNE10其中其中EN 为使能端，为使能端，且低电平有效，即且低电平有效，即EN 0，YA 低电平有效低电平有效CMOS三态门形式有多种，它也可以在三态门形式有多种，它也可以在CMOS反相器反相器基础上加控制电路构成，基础上加控制电路构成，当当EN 0时，时，T1、T4导通，导通，输出为输出为Y A 图图3.3.39为另一种为另一种CMOS三态三态非门，使能端（控制端）也非门，使能端（控制端）也是低电平有效是低电平有效3.3.5 CMOS逻辑门逻辑门当当EN 1时，时，T1、T4截止，截止，输出为输出为Y Z（高阻态）（高阻态）图图3.3.40所示电路也是一种所示电路也是一种CMOS三态非门三态非门3.3.5 CMOS逻辑门逻辑门当当EN1时，时，T 2导通，导通，Y A；当当EN0时，时， T 2、T1截止，输出为截止，输出为Y Z（高阻态）。这种三态门使能端（高阻态）。这种三