第3章 门电路 湘潭大学 数字电路基础

第3章门电路3.1概述3.2半导体二极管门电路3.3CMOS门电路3.4其它类型的MOS集成电路3.5TTL门电路3.6其它类型的双极型数字集成电路3.1概述

门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0

在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。一、正逻辑与负逻辑二、逻辑电平

在电子电路中，用高低电平分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态，其原理如下图所示。（a）单开关电路（b）互补开关电路用来获得高、低电平的基本开关电路R减少功耗VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。

105V0V0.8V2V高电平下限低电平上限实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件高电平UH：输入高电平UIH输出高电平UOH低电平UL：输入低电平UIL输出低电平UOL逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件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。门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门（DTL、TTL）MOS集成门

NMOSPMOSCMOS3.2.1半导体二极管的开关特性一、二极管伏安特性3.2半导体二极管门电路—流过二极管的电流—加到二极管两端的电压—波尔兹曼常数T—热力学温度—电子电荷—修正系数Is—反向饱和电流反向击穿电压门坎电压Uth二极管的近似伏安特性和对应的等效电路+-+-VCCRL000+-+-+-正向导通压降和正向电阻都不能忽略与外接电阻比正向电阻可以忽略与电源电压和外接电阻相比，正向电压和正向电阻均可以忽略二极管的单向导电性：①外加正向电压（>Uth），二极管导通，导通压降约为0.7V；②外加反向电压，二极管截止。uD(V)

iD(mA)

0.7V

利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL－－－开关闭合二、二极管开关特性假定：UIH=VCC，UIL=0当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH－－－开关断开

3.2.2二极管与门与门：实现与运算的电路。电路及其逻辑符号如图所示，只要输入A、B当中有一个为低电平时，则其支路中二极管导通，使输出端F为低电平。只有A、B全为高电平时，输出端F才为高电平。

电路的逻辑电平如下所示，当A、B、F为高电平时用逻辑1表示，低电平时则用逻辑0表示。真值表为：

其逻辑表达式为。此与门电路一般仅作集成电路内部的逻辑单元，而不直接去驱动负载电路。或门：实现或运算的电路。电路及其逻辑符号如图所示。输入A、B当中只要有一个为高电平时，则其支路中二极管导通，使输出端F为高电平。只有A、B全为低电平时，输出端F才为低电平。

3.2.3二极管或门

电路逻辑电平和真值表为：逻辑表达式为：和与门电路一样，只用于集成电路的内部逻辑单元。

由于二极管的电平偏移问题，只用于集成电路内部的逻辑单元，因此，仅仅用二极管门电路无法制作具有标准输出电平的集成电路。3.3CMOS门电路3.3.1MOS管的开关特性3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性3.3.4CMOS反相器的动态特性3.3.5其它类型的CMOS门电路3.3.6CMOS电路的正确使用3.3.7CMOS数字集成电路的各种系列

MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。一、MOS管结构和工作原理3.3.1MOS管的开关特性NMOS管电路符号PMOS管电路符号-VDS+-VGS+SGDSiO2P型衬底MOS管的结构和符号二、MOS管的输入和输出特性共源接法中，加入VGS不会有栅极电流流通。共源接法的输出特性曲线（也叫MOS管的漏极特性曲线）+VGS-iD+VDS-MOS管共源接法及其输出特性曲线iDvDS0vGS=2V3v4v5v当时，工作在截止区；当时，可分为两个区域如图：1.可变电阻区2.恒流区iDMOS管转移特性曲线三、MOS管的基本开关电路NMOS管的基本开关电路当时，工作在截止区，,MOS管相当于一个断开的开关；当时，MOS管工作在恒流区，只要到,则MOS管相当于一个闭合的开关；选择合适的电路参数，则可以保证:1.当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL－开关闭合2.当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH－开关断开四、MOS管的开关等效电路GC1SD截止状态GC1SDRON导通状态五、MOS管的四种类型1.N沟道增强型2.P沟道增强型3.N沟道耗尽型4.P沟道耗尽型NMOS管电路符号PMOS管电路符号四种类型的CMOS管的比较MOS管类型衬底材料导电沟道开启电压夹断电压电压极性标准符号简化符号vDSvGSN沟道增强型P型N型+++P沟道增强型N型P型---N沟道耗尽型P型N型-++-P沟道耗尽型N型P型+--+3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理CMOS反相器的电路结构是CMOS电路的基本结构形式。构成复杂CMOS逻辑电路的两种基本模块是：CMOS反相器和CMOS传输门。一、CMOS反相器的电路结构CMOS反相器的结构示意图和电路图互补对称式金属－氧化物－半导体电路(CMOS电路）（Complementar-SymmeteryMetal-Oxide-SemiconductorCircuit)

CMOS反相器的基本电路结构形式为图所示的有源负载反相器。其中Tl是P沟道增强型MOS管，T2是N沟道增强型MOS管。二、电压传输特性和电流传输特性

从电压传输特性中可以看到，不仅阈值电压，而且转折区变化率很大，更接近于理想开关特性。3.输入端噪声容限定义：在保证高、低电平基本不变（变化的大小不超过规定的允许限度）的条件下，允许输入信号的高、低电平有一个波动范围，这个波动范围就是输入端的噪声容限。0V输入端噪声容限示意图输入噪声容限的计算：CMOS反相器输入噪声容限与VDD的关系不同VDD下的电压传输特性VNH、VNL随VDD变化的曲线3.3.3CMOS反相器的静态输入特性和输出特性

因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质又非常薄(约1000Å)．极易被击穿(耐压约100v)，所以必须采取保护措施。在目前生产的CMOS集成电路中都采用了各种形式的输入保护电路，下图所示的保护电路就是常用的两种。4000系列输入保护电路74HC系列输入保护电路CMOS反相器的输入特性输入特性是指从反相器输入端看进去的输入电压和输入电流的关系输出特性是指从反相器输出端看进去输出电压和输入电流的关系低电平输出特性高电平输出特性3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延时时间VDDVoVICLvIvotPHLtPLHvOHvOLvOHvOL50%vOH50%vOHCMOS反相器传输延时时间的定义传输延时时间：输出电压变化落后于输入电压变化的时间。高电平跳变为低电平的时间为tPHL＝低电平跳变为高电平的时间为tPLH二、交流噪声容限VNA/Vtw/ns0511023451520VDD=5VVDD=3V交流噪声容限：反相器对输入窄脉冲的噪声容限；传输时间越长，交流噪声容限越大；噪声电压作用时间越短、电源电压越高，则交流噪声容限越大。三、动态功耗动态功耗：CMOS反相器从一种稳定的工作状态转变到另一种稳定状态的过程中，将产生的附加功耗。动态功耗分为两部分：PC对负载电容充、放电所消耗的功率；PT由于两个MOS管T1和T2在短时间内同时导通所消耗的瞬时导通功耗。CMOS反相器对负载电容的充、放电电流波形

瞬时导通电流iT流过T1和T2,瞬时导通功耗PT和电源电压VDD、输入信号的重复频率f以及电路内部参数有关。

CPD是功耗电容，具体数值由器件制造商给出。注意：CPD不是一个实际的电容，而仅仅是用来计算空载瞬时导通功耗的等效参数，而且只有输入信号的上升时间和下降时间小于器件手册中规定的最大值时，参数才有效。CMOS反相器的静态漏电流CMOS反相器的工作时的全部功耗PTOT等于动态功耗PD和静态功耗PS之和。静态功耗PS随温度的改变而改变，通常时以指定电源电压下的静态漏电流的形式给出。例题例：计算CMOS反相器的总功率PTOT。已知电源电压VDD=5V,静态电源电流IDD=1µA,负载电容CL=100pF,功耗电容CPD=20pF。输入信号近似于理想的矩形波，重复频率f=100kHz。解：自己做练习已知CMOS门电路的电源电压VDD=10V,静态电源电流IDD=2uA,输入信号为100KHz的方波（上升时间和下降时间可忽略不计），负载电容CL=200pF,试计算它的静态功耗、动态功耗、总功率和电源平均功率。一、其它逻辑功能的CMOS门电路在CMOS门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有或非门、与非门、或门、与门、与或非门、异或门等几种。3.3.5其它类型的CMOS门电路ABT3T1T2T4ABVDDT3T1T4T2YCMOS或非门（P串N并）CMOS与非门（P并N串）特点：需外接上拉电阻。应用：满足输出电平转换、吸收大负载电流以及输出端可以并接，实现“线与”功能。二、漏极开路的CMOS门电路（OD）ABYOD门的应用：实现线与逻辑VDDABY2CDY2G2G1RLY线与符号

上拉电阻RL的计算：如每个OD门输出管截止时的漏电流为IOH，负载门每个输入端的高电平输入电流为IIH,要求输出高电平不低于VOH,则可得到RL的最大容许值：其中n时并联OD门的数目，m是负载门电路高电平输入电流的数目。保证流过只有一个MOS管门输出，不超过其最大电流，RL的最小容许值：①C＝0、，TN和TP截止，相当于开关断开。②C＝1、，TN和TP导通，相当于开关接通，uo＝ui。

由于T1、T2管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用。三、CMOS传输门

利用P沟道MOS管和N沟道MOS管的互补性接成CMOS传输门。CMOS传输门和CMOS反相器一样，也是构成各种逻辑电路一种基本单元电路。利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如异或门、数据选择器、寄存器、计数器等。传输门的另外一个重要用途：作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。TGCVI/VOVO/VISWVO/VIVI/VOCCMOS双向模拟开关的电路结构和符号四、三态输出的CMOS门电路电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。①时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。②时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。

A

(EN)ˊ

TP2

TP1

Y

TN1

TN2

A

1

Y

+VDD

(a)CMOS三态门电路

(b)逻辑符号

(EN)ˊ2.三态门的应用①数据总线结构只要控制各个门的EN端轮流为1，且任何时刻仅有一个为1，就可以实现各个门分时地向总线传输。②实现数据双向传输

EN=1，G1工作，G2高阻，A经G1反相送至总线；EN=0，G1高阻，G2工作，总线数据经G2反相从Y端送出。3.3.6CMOS电路的正确使用一、输入电路的静电防护1.在储存和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。2.组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接地，操作人员的服装和手套等应该选用无静电的原料制作。3.不用的输入端不应悬空。二、输入电路的过流保护1.输入端接低电阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。2.输入端接有大电容时，亦应在输入端与电容之间接入保护电阻。3.输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。三、CMOS电路锁定效应的防护。3.3.7CMOS数字集成电路的各种系列主要有：4000系列、HC/HCT系列、AHC/AHCT系列、VHC/VHCT系列、LVC系列、ALVC系列等3.4其它类型的MOS集成电路PMOS电路NMOS电路3.5TTL门电路3.5.1双极型三极管的开关特性3.5.2TTL反相器的结构和工作原理3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性3.5.4TTL反相器的动态特性3.5.5其他类型的TTL门电路3.5.6TTL数字集成电路的各种系列773.5.1双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构一个独立的双极型三极管由管芯、三个引出电极和外壳组成。

二、双极型三极管的输入特性和输出特性VON0vBEiB输入特性曲线输出特性曲线三、双极型三极管的基本开关电路选择合适的电路参数，则可以保证：1.当vI=VIL时，三极管工作在截止状态，Vo=VOH－开关断开2.当vI=VIH时，三极管工作在饱和状态，Vo=VOL

－开关闭合四、双极型三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态五、双极型三极管的动态开关特性vIvOiC000ttt六、三极管反相器由前面分析可得，三极管实际相当于一个反相器（非门）,在实际应用的电路中，输入为低电平时，接入电阻R2和负电源VEE,使三极管能可靠地截止，输出为高电平。输入为高电平时，三极管工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零。例题3.5.1+-R1R2VEEbeRB+-VBbevI自己做

计算所示电路中，当输入端分别接0V，5V和悬空时输出电压Vo的数值，并指出三极管工作在什么状态。假定三极管导通以后vBE约为0.7V,电路参数如图。

A

R1

4kW

T1

T2

T4

T5

R4

R3

1KW

130W

+Vcc

R2

1.6KW

Y

D1

D2

输入级中间级输出级TTL非门典型电路推拉式输出级作用：降低功耗，提高带负载能力3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构钳位二极管二、电压传输特性vo/V01.02.03.00.51.01.5ABCDEvI/VAB段，T2和T5截止而T4导通，输出高电平——截止区；BC段，T2导通而T5仍然截止，T2工作在放大区——线性区；CD段，T2和T5同时导通，T4截止，输出电位急剧下降为低电平——转折区；DE段，输出低电平——饱和区。

A

R1

4kW

T1

T2

T4

T5

R4

R3

1KW

130W

+Vcc

R2

1.6KW

Y

D1

D2

输入级中间级输出级1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL输入低电平噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V－0.4V=0.4VUNH=2.4V－2.0V=0.4V5V2.4V0.4V0V5V2V0.8V0V三、输入端噪声容限uIuO3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性vIiID1T1be2be5VCCR1-1.0-0.5-1.0-1.5-0.50-2.00.5i1/mA1.52.01.0vi/V<40uATTL反相器的输入等效电路TTL反相器的输入特性二、输出特性1.高电平输出特性2.低电平输出特性扇出系数扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。

要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流IOH和IOL均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。

计算：①输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1；②输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2；③扇出系数＝min（N1，N2）。

低电平输入电流IIL，max＝-0.4mA高电平输入电流IIH，max＝20µA低电平输出电流IOL，max＝8mA高电平输出电流IOH，max＝-0.4mA74LS系列门电路标准规定：例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。解：①G1输出为低电平时，可以驱动N1个同类门；应满足IOL≥N1·|IIL|②G1输出为高电平时，可以驱动N2个同类门；③N＝min（N1,N2）＝20N1

≤

IOL

/|IIL|＝8mA/0.4mA＝20应满足|IOH|≥N2·IIHN2

≤|IOH|/IIH＝0.4mA/20µA＝20三、输入端负载特性VI随Rp变化的特性即输入端负载特性：见p122例3.5.3在具体使用门电路的时，有时需要在输入端与地或者输入端与信号的低电平之间接入电阻Rp3.5.4TTL反相器的动态特性一、传输延时时间vIvO00-1.5V-1.5VtttPHLtPLH一般tPHL和tPLH的数值最后都是通过实验方法测定。例如，TI公司生产的六反相器SN7404的典型参数为tPHL＝8ns；tPLH＝12ns二、交流噪声容限05101520250.61.21.82.4tw/nsVNA/VVNAtwVOH2.0V05101520250.61.21.82.4tw/nsVNA/VVNAtwVOL0.8V正脉冲噪声容限负脉冲噪声容限三、电源的动态尖峰电流电源的动态尖峰电流带来的影响主要表现为两个方面：1）使电源的平均电流增加了；2）尖峰电流通过电源线和地线以及电源的内阻形成一个系统内部的噪声源。尖峰电流的计算例3.5.4TTL电路的主要参数TTL门电路的主要参数已经在它的电气特性中给出，现归纳如下：(1)输人高电平的下限值UIHmin；(2)输入低电平的上限值UIHmax；(3)输出高电平的下限值UOHmin；(4)输出低电平的下限值UOHmax；(5)输入高电平电流IIH；(6)输入低电平电流IIL；(7)输出高电平最大输出电流IOH(8)输出低电平最大输出电流IOL(9)阈值电压UT；(10)传愉延迟时间tPHL、tPLH或平均传输延迟时间tpd(11)最高工作频率fmax.TTL与非门典型电路1.与非门与TTL反相器的区别：T1改为多发射极三极管。3.5.5其它类型的TTL门电路一、其它逻辑功能的TTL门电路TTL或非门典型电路2.或非门区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。3.与或非门把或非门里的每个输入端改为多发射极三极管，就是与或非电路。4.异或门见书p130图3.5.31二、集电极开路输出的门电路（OC门）“线与”推拉式输出级并联1.“线与”的概念YABCDYABCD

普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路的三极管结构。

OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。2.OC门的电路结构和逻辑符号ABY3.OC门的“线与”功能①当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的UOH，min值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：4.外接上拉电阻R