数字电路第三章

1、第三章 集成逻辑门3、1 分立元件门电路简介3、2 TTL集成门电路3、3 MOS门电路 门电路是实现一定逻辑关系的电路，是组成数字电路的基本单元，本章重点介绍集成门电路的逻辑功能及外部特性。 1.二极管与门电路 +12vABCDADBDC设 uA=0，则 DA导通uY= 0.3V Y= 0uY=0.3VYDB、DC截止 3.1 分立元件门电路简介R设二极管管压降为0.3伏一、分立元件门电路 +12vABCDADBDC设 uA= uB= uC= 0DA、DB、DC都导通Y= 0uY=0.3VYuY= 0.3VR设 uA= uB= uC= 3V uY= 3.3V， Y= 1 +12vABCDAD

2、BDCuY=3.3VYDA、DB、DC都导通R +12vABCDADBDCY由以上分析可知：只有当A、B、C全为高电平时，输出端才为高电平。正好符合与门的逻辑关系。Y=ABCABCY&R设 uA= 3V，uB= uC= 0V 则 DA导通 uY=30.3= 2.7V DB 、DC截止，Y=1DA 12vYABCDBDCuY=2.7V2.二极管或门电路RDA 12vYABCDBDC设 uA= uB= uC= 3VDA 、DB、DC都导通uY=2.7VuY= 2.7V，Y=1RDA 12vYABCDBDC设 uA= uB= uC= 0V DA、 DB、DC都导通uY= 0.3VuY= 0.3V，

3、Y= 0RDA 12vYABCDBDCY= A+B+C由以上分析可知：只有当A、B、C全为低电平时，输出端才为低电平。正好符合或门的逻辑关系。RYABC13. 非门电路设 uA= 3V，T饱和导通+12V+3VDRcT12VRBRkAYuY=0.3VuY= 0.3V，Y= 0， D截止 设 uA= 0V， T截止 ，D导通 A1YY = A+12V+3VDRcT12VRBRkAYuY=3.3VuY= 3.3V ，Y= 1由以上分析可知：当A为低电平时，输出端为高电平。当A为高电平时，输出端为低电平。正好符合非门的逻辑关系。+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4YT1等效电路+5v

4、A B C R1C1B1一、 TTL与非门的基本原理3、2 TTL集成门电路+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo (Y) 设 uA= 0.3V 则 VB1= 0.3+0.7= 1VRLuo= 5 ube3 ube4 uR2（小） = 5 0.7 0.7= 3.6VY= 1拉电流VB1=1Vuo=3.6V+5vA B C R1 C1B1T2 、T5 截 止T3、 T4导 通+5VABCT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4uo (Y)设 uA=uB=uC=3.6V ，输入端全部是高电平， VB1升高，足以使T2 ,T5导通，uo=0.3V,Y=0。且VB1=2.1V，T1发

5、射结全部反偏。VC2=VCE2+VBE5=0.3+0.7=1V，使T3导通，T4截止。灌电流T1R1+VccVB1=2.1VVC2=1Vuo=0.3V5vA B C R1 C1B1由以上分析可知： 当输入端A、B、C均为高电平时，输出端Y为低电平。当输入端A、B、C中只要有一个为低电平，输出端就为高电平,正好符合与非门的逻辑关系。ABCY&Y=ABC二、TTL与非门的传输特性和静态参数1、电压传输特性Vi（V）0Vo（V）12341234ABCDEF0.2VVIHminVILmin3.4V2、静态参数典型值VOL=0.2V输出高电平VOH和输出低电平VOL典型值VOH=3.4VVT阈值电压VT

6、1.4V输入高电平VIH和输入低电平VIL VIH是与逻辑状态“1”所对应的输入电平，典型值3.6V，VIH（min）=2V，将VIH（min） 称为开门电平，记为VON。 VIL是与逻辑状态“0”所对应的输入电平，典型值0.3V，VIL（max）=0.8V，将VIL（max） 称为关门电平，记为VOFF。低电平噪声容限（UNL）：UNL=VOFFVOL（max）=（0.8 0.4)V=0.4 V高电平噪声容限（UNH）：UNH=VOH（max）VON=（2.4 2)V=0.4 V三、TTL与非门的输入、输出负载特性1、输入低电平电流IILIIL后级“与非”门在输入低电平时，流入该级“与非”门

7、输出端的电流，即灌电流。2、输入高电平电流IIHIIH后级“与非”门在输入低电平时，拉出该级“与非”门输出端的电流，即拉电流。IIL（max）=1.6mAIIH（max）=40A3、输出低电平电流IOLIOL输出低电平时，后级“与非”门流入该级“与非”门输出端的电流，即灌电流。4、输出高电平电流IOHIOH输出高电平时，流出该级“与非”门输出端的电流，即拉电流。IOL（max）=16mAIOH（max）=0.4mA5、扇出系数N0一般为10四、TTL与非门的动态特性0.5VIM0.5VOMtpdLtpdH典型值10ns+5VABT1R1R2T2T3T4T5R3R5R4YDEN VB1=1VEN

8、=0时， VB1=1V， T2 、T5截止；二极管D导通，使VB3=1VT3、T4截止，输出端开路（高阻状态）EN=1时，二极管D截止， Y=AB，同TTL与非门。VB3=1V3.2.2 三态输出门电路ABY&EN三态门逻辑符号EN为控制端且高电平有效，即EN=1时，同TTL与非门，Y=AB；EN=0时，输出端为高阻状态。ABY&ENA B&ENA B&ENA B&ENA B&EN用三态门接成总线结构EN为控制端且低电平有效，即EN=0时，同TTL与非门，Y=AB；EN=1时，输出端为高阻状态。3.2.3 集电极开路TTL与非门电路（OC）UCCABCT1R1R2T2T5R3RLYUCCOC门

9、逻辑符号BY&ARL的选择：ICEOOC门T5管截止时的漏电流；IIH是负载与非门的反向漏电流；n是OC门的个数；m是负载与非门输入端的个数。IIL是负载与非门输入短路电流；三、 TTL与非门组件 TTL与非门组件就是将若干个与非门电路，经过集成电路工艺制作在同一芯片上。 &+VC14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7地74LS00&74LS00组件含有两个输入端的与非门四个。 MOS电路与TTL电路相比：制造工艺简单，功耗低，抗干扰能力强，体积小。 MOS器件的基本结构有N沟道和P沟道，相应的有NMOS和PMOS逻辑电路。3、3 MOS门电路 为了提高工作速度，降低

10、输出阻抗和功耗，目前数字集成电路广泛采用CMOS电路，它是PMOS和NMOS组合起来构成的。SiO2结构示意图3.1.1 N沟道增强型绝缘栅场效应管P型硅衬底源极S栅极G漏极D 3.1 绝缘栅场效应管衬底引线BN+N+DBSG符号1. 结构和符号SiO2结构示意图P型硅衬底耗尽层衬底引线BN+N+SGDUDSID = 0D与S之间是两个PN结反向串联，无论D与S之间加什么极性的电压，漏极电流均接近于零。2. 工作原理(1) UGS =0P型硅衬底N+BSGD。耗尽层ID = 0(2) 0 UGS UGS(th)N型导电沟道N+N+UGS结构示意图3.1.2 N沟道耗尽型绝缘栅场效应管P型硅衬底

11、源极S漏极D 栅极G衬底引线B耗尽层1. 结构特点和工作原理N+N+正离子N型沟道SiO2DBSG符号制造时,在二氧化硅绝缘层中掺入大量的正离子。N型硅衬底N+BSGD。耗尽层PMOS管结构示意图P沟道3.1.3 P沟道绝缘栅场效应管（PMOS）PMOS管与NMOS管互为对偶关系，使用时UGS 、UDS的极性也与NMOS管相反。 P+P+UGSUDSID1. P沟道增强型绝缘栅场效应管开启电压UGS(th)为负值，UGS UGS(th) 时导通。 SGDB符号 ID /mAUGS / V0UGS(th) 转移特性2. P沟道耗尽型绝缘栅场效应管DBSG符号 ID /mAUGS /V0UGS(o

12、ff) 转移特性夹断电压UGS(off)为正值， UGS UGS(off)时导通。 在UDS =0时，栅源电压与栅极电流的比值，其值很高。3.1.4 绝缘栅场效应管的主要参数1. 开启电压UGS(th) 指在一定的UDS下，开始出现漏极电流所需的栅源电 压。它是增强型MOS管的参数，NMOS为正，PMOS为负。2. 夹断电压 UGS(off) 指在一定的UDS下，使漏极电流近似等于零时所需的栅源电压。是耗尽型MOS管的参数，NMOS管是负值，PMOS管是正值。3. 直流输入电阻 RGS（DC）4. 低频跨导 gm UDS为常数时，漏极电流的微变量与引起这个变化的栅源电压的微变量之比称为跨导,即

13、 另外，漏源极间的击穿电压U(BR)DS、栅源极间的击穿电压U(BR)GS以及漏极最大耗散功率PDM是管子的极限参数，使用时不可超过。gm=ID / UGS UGS =常数 跨导是衡量场效应管栅源电压对漏极电流控制能力的一个重要参数。 1. CMOS反相器AYTP+VDDTN一、 CMOS门电路当A为高电平时，TN导通TP截止，输出Y为低电平。当A为低电平时，TP导通TN截止，输出Y为高电平。ABTP1TP2TN1TN2+VDDY2. CMOS与非门TP1 与TP2并联，TN1 与TN2串联；当AB都是高电平时TN1 与TN2同时导通TP1 与TP2同时截止；输出Y为低电平。当AB中有一个是低电平时，TN1 与TN2中有一个截止，TP1 与TP2中有一个导通，输出Y为高电平。3. CMOS或非门