第3章 门电路课件

VCC0V第三章门电路第一节概述门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。门电路的两种输入及输出电平：高电平、低电平。它们分别对应逻辑电路的1,0状态。正逻辑：1代表高电平；0代表低电平。负逻辑：0代表高电平；1代表低电平。VCC0V高电平低电平1根据制造工艺不同可分为单极型和双极型两大类。门电路中晶体管均工作在开关状态。其中包括介绍晶体管和场效应管的开关特性。本章介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握；而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。【题3.12】，【题3.16】，【题3.18】，【题3.19】，【题3.20】，【题3.29】2第二节半导体二极管门电路一、二极管的开关特性1.开关电路举例2.静态特性伏安特性等效电路在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）有三种简化方法：输入信号慢变化时的特性。3第三种+-第二种VON0.7V第一种0.5V43.动态特性当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时间导通。tre这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。输入信号快变化时的特性。它是由于二极管正向导通时PN结两侧的多数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。DRLi5

由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。二、二极管与门设：VCC=5V,VIH=3V,VIL=0VVA=VB=0VD1,D2导通，VY=0.7VVA=VB=3VD1,D2导通，VY=3.7V+_+_VA=3V,VB=0VD2导通，D1截止，VY=0.7VVA=0V,VB=3VD1导通，D2截止，VY=0.7VVAVBVY000.7030.7300.7333.7ABY000010100111缺点：1.电平偏移；

2.负载能力差。YAY6三、二极管或门ABY000011101111VAVBVY000032.3302.3332.3D1,D2截止D1,D2导通D1截止,D2导通D1导通,D2截止ABYABY7GSD一.MOS管的开关特性1.MOS管的工作原理(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor)称为：金属—氧化物—半导体场效应管或绝缘栅场效应管导电沟道(反型层)源极Source漏极Drain栅极Gate当大于VGS(th)时，将出现导电沟道。VGS(th)称为开启电压，与管子构造有关。SDB导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在D,S间加电压，将形成漏极电流iD。称为N沟道增强型场效应管第三节CMOS门电路8显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越厚，管子的导通电阻RON越小。因而，若不变，就可控制漏极电流iD。因此把MOS管称为电压控制器件。输出特性2.输入输出特性输入特性可不讨论。9123恒流区恒流区中iD只受控制，其关系式为：相应曲线称为转移特性。空间电荷区截止区VDS=0V出现沟道。VDS增加，则沟道“倾斜”（阻值增加）。VGD=VGS(th)时，沟道“夹断”。VDS再增加时，夹断点向源区移动，但iD不变。可变电阻区夹断点VGS(th)=2V设＝5V同理可求出栅源电压为4V和3V时的夹断点。固定电阻夹断它也有三个工作区103.MOS管的基本开关电路当=VDD时，MOS管导通，其内阻用RON表示。当=0V时，MOS管截止，=VDD；

MOS管工作在可变电阻区。若，则回下页VDDRONN+N+11D静态特性—三个工作区。等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。约为几pF。动态特性—延迟作用（书上没有）。由于是单极型器件，无电荷存储效应。动态情况下，主要是输入电容和负载电容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞后于输入电压的变化。其延迟时间比双极型三极管还要长。可变电阻区：截止区：恒流区：4.MOS管的开关特性及等效电路电路图125.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沟道耗尽型开启电压夹断电压P沟道增强型：13请参阅79页，表3.3.1141961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文IntegratedCircuit,简称IC。集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。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毫米。按集成度分类：小规模集成电路SSI:SmallScaleIntegration;中规模集成电路MSI:MediumScaleIntegration;大规模集成电路LSI:LargeScaleIntegration;超大规模集成电路VLSI:VeryLargeScaleIntegration,按制造工艺分类：双极型集成电路；单极型集成电路；介绍TTL电路。介绍CMOS电路。二.CMOS反相器的电路结构和工作原理Complementary-SymmetryMOS.互补对称式MOS电路。15（一）CMOS反相器的电路结构N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN;P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;要求满足VDDVTN+|VTP|;输入低电平为0V；高电平为VDD;（1）输入为低电平0V时；（2）输入为高电平VDD时；T1截止；T2导通。iD=0，=0V;输入与输出间是逻辑非关系。要求两管特性完全一样T2截止；T1导通。iD=0，=VDD;16特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围内选取。在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即所谓互补状态。CC4000系列CMOS电路的VDD可在3－18V之间选取。其他系列以后介绍。（可参阅表3.3.2——在106页）17（二）静态特性1.电压传输特性VVT2截止，T1导通T1截止，T2导通T1，T2都导通称为转折区阈值电压转折区变化率大，特性更接近理想开关。特点：此部分在教材80－86页。阈值电压用VTH表示。由于特性对称，阈值电压为VDD的一半。18输入端噪声容限高电平噪声容限：低电平噪声容限：VOH(min)VOL(max)VIL(max)VIH(min)设定VOH(min)求出VIL(max)设定VOL(max)求出VIH(min)特性对称，因而输入端噪声容限较大。CC4000系列CMOS电路的噪声容限为：（允许输出电压变化百分之十）VNH=VNL=30%VDD192.电流传输特性A当T1,T2都导通时，iD不为0；输入电压为VDD/2时，iD较大，因此不应使其长期工作在BC段。在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数的主要因素。203.输入特性由于MOS管栅极绝缘，输入电流恒为0，但CMOS门输入端接有保护电路，从而输入电流不总为0。AiI由曲线可看出，输入电压在0－VDD间变化时，输入电流为0；当输入电压大于VDD时，二极管D1导通；当输入电压小于0V时，二极管D2导通。二极管D2和电阻RS串联电路的特性二极管D1的特性214.输出特性(1)输出低电平

T2工作在可变电阻区，有较小的导通电阻，当负载电流增加时，该电阻上的压降将缓慢增加。对于CC4000系列门电路，当VDD=5V时，IOL的最大值为0.51mA；而在74HC系列中，该值为4mA。VDD增加相当于T2的VGS增加22(2)输出高电平与输出低电平类似，此时T1工作在可变电阻区；当负载电流增加时，T1的VDS加，导致输出下降。此时，IOH的最大值，与输出低电平时相同。对于CC4000系列门电路，当VDD=5V时，IOH的最大值为0.51mA；而在74HC系列中，该值为4mA。23（三）动态特性1.传输延迟时间

(1)MOS管的导通电阻比TTL电路大的多，所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受VDD影响，所以，VDD也影响传输延迟时间；

(2)CMOS门的输入电容比TTL电路大的多，负载个数越多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数（驱动同类门个数）就是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗等动态特性限制的。用tPHL和tPLH的平均值tPD表示延迟作用，称为平均传输延迟时间。tPD范围：4000系列为100ns,74HC系列为10ns,74AHC系列为5ns－见107页表242.交流噪声容限3.动态功耗与TTL电路类似，当噪声电压作用时间tW小于电路的传输延迟时间时，输入噪声容限VNA将随tW缩小而明显增大。传输延迟时间与电源电压和负载电容有关，因此VDD和CL都对交流噪声容限有影响。动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加功耗，其值随输入信号频率增加而增加。定量估算可得动态功耗PC的公式：PC=CLfV2DD负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。25三、其他类型的CMOS门电路1.与非门特点：N沟道管串联、P沟道管并联；设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。输出电阻随输入状态变化。用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。2.或非门特点：P沟道管串联、N沟道管并联；2RONRON/211RONR0N01RONRON10RON/22R0N00RO（与非)RO（或非）BA输出高电平偏低输出低电平偏高此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。（一）其他逻辑功能的CMOS门电路263.带缓冲级的CMOS门电路（1）与非门：特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。（2）或非门：同理，可用下式实现：27普通CMOS门不能接成线与形式。

OD门输出端只是一个N沟道管，因此可以连成线与形式。特点：1.VDD1和VDD2可取不同值；

2.允许灌入电流较大。如：CC40107在VOL<0.5V的条件下，允许灌入的最大电流可达50mA。符号：ABY内部逻辑可以变化。（二）漏极开路门电路（OD）28负载电阻RL的计算（见95页）图中电阻RL以下连线称为总线。这是用漏极开路门连成总线结构的典型电路。其中负载电阻RL只需用一个即可。总线电位用表示。分=VOH和＝VOL两种情况讨论：总线。其电位，与门符号表示线与当＝VOH时IOHIOHIOHIRLIRL=nIOH+mIIH用上式求出RL的最大值。IIHIIHIIH3IIH29当总线为低电平VOL时：IR

LIOLVOLIILIOL=IRL+m’IIL

≤IOLmax由上式求出RL的最小值。

RL在求出的范围内取值。取值偏大会降低工作速度；取值偏小会增加电源功耗。只有一个门输出低电平是最不利情况。见96页例3.3.230（三）CMOS传输门1.传输门功能：可控制传输0V－VDD间的模拟电压值。其逻辑符号如右：设：传输门的导通电阻为RTG、管T1和T2的导通电阻分别为RON1和RON2。则：RTG=RON1//RON2=RL/(RTG+RL)若满足RL>>RTG则C=0时，传输门截止；C=1时,传输门导通。TGCC’传输门可双向传输。T2T1C’31将电压传输系数定义如下：KTG==采用改进电路的CMOS四模拟开关CC4066在VDD=15V时，RTG值不大于240Ω。而且在变化时，RTG基本保持不变。目前，某些精密CMOS模拟开关的导通电阻已降低到20Ω以下。模拟开关组成逻辑电路例如：异或门－－见98页图3.3.372.传输门的应用32（四）三态输出的CMOS门电路33三态门在总线方面的应用双向总线：接成总线方式时，在n个EN端中，每次最多只能有一个有效。34四、CMOS电路的正确使用1.输入电路的静电防护

CMOS电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。

(1)储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装；(3)不用的输入端不应悬空。2.输入电路的过流保护保护二极管只能承受1mA电流，因此下列三种情况下输入端要串入保护阻。(1)输入端接低内阻信号源；(2)输入端接有大电容；(3)输入端接长线。

(2)操作时使用的电烙铁等，要妥善接地；35五、CMOS数字电路的各种系列各种系列的电路基本相同,主要在工艺上有改进.改进的目的主要有两点:一是提高速度,二是减小功耗.1.4000系列:速度低,负载能力差,处在被取代阶段.2.74HC/HCT系列:高速系列。tpd=9-10ns,负载能力为4mA左右。74HC系列:电源电压2~6V，功耗随电压增大。74HCT系列:电源电压5V，输入输出电平等均与TTL电路兼容。因此二者可混合使用。3.74AHC/AHCT系列:改进的高速系列。tpd=5.3ns,负载能力为8mA左右，是目前应用最广的CMOS器件。以上为美国TI公司的产品，而VHC/VHCT系列为其他公司产品，其性能与74AHC/AHCT系列相当。4.74LVC/ALVC系列:90年代的新产品（低压系列）。表3.3.236

tpd=3.8ns,负载能力为24mA（3V电源）左右。电源电压1.65~3.3V。可输入5V电平信号，也可将3.3V以下信号转换为5V输出信号74ALVC系列进一步提高速度，tpd=2ns，负载能力没变。因此是最好的CMOS系列。74系列工作环境温度范围是-40~+85度；54系列工作环境温度范围是-55~+125度；对于74LVC系列：对于74ALVC系列：70.71页表37一、双极型三极管（BJT)的开关特性1.静态特性可用输入输出特性来描述。基本开关电路如图：可用图解法分析电路：输入特性输出特性第五节TTL门电路38条件特点BE结BC结截止导通放大饱和<VON(0.7V)ib<IBSic=ICEO(=0),iB=0ic=iB=VCE(sat)=0.3V0V反反反正正正Ib

IBS=ICS/

=VCC-iCRCs开关特性可归纳为下表：也是“特点”的一部分392.动态特性当输入信号使三极管在截止和饱和两种状态之间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要时间，因而集电极电流的变化将滞后于输入电压的变化。从而导致输出电压滞后于输入电压的变化。也可以理解为三极管的结电容起作用。注意：三极管饱和越深，由饱和到截止的延迟时间越长。饱和时截止时等效电路403、三极管非门（模型）AYRCRB+VCCVA

VF

T

3V0V导通

0V5V截止高出低,低出高1出0,0出1真值表真值表

AY反相器F=A’逻辑式

10

015V逻辑符号41三极管反相器（实用型）例3.5.1：计算参数设计是否合理（原理）VCC=5V,VEE=−8V,R1=3.3K,R2=10KRc=1K=20,VCE(sat)=0.1V,VIH=5V,VIL=0V42参数选择合理。431.电路结构（以74系列非门为例）2.工作原理VCC=5V,VIH=3.4V,VIL=0.2VT1导通，深饱和T2,T5截止。因为T5有漏电流，可等效为大电阻。T4导通，忽略R2压降，可求出=3.6V=VOH

=VIL:0.90.20.23.5.2TTL反相器的电路结构、工作原理和特性TTL(Transistor-TransistorLogic):晶体管—晶体管逻辑电路。推拉式（push-pull）、图腾柱（totem-pole）输出电路输出级中间级输入级53.6（一）结构和原理44

=VIH:T1的BE结截止、BC结导通；T2、T5导通。T4截止，因此T5深饱和。T2:ICS=(5-1.0)V/1.6K=2.6mA;

iB=(5-2.1)V/4k=0.72mA=20所以，T2饱和。=0.0V0.71.42.14.1?3.41.0综上，Y=A’45电压传输特性测试电路+5V&vIvO二、电压传输特性电压传输特性——输出电压VO随输入电压VI的变化而变化的关系曲线，即vO

=f（vI）。46VOHABCDEvI/VvO/V0123

0.5

1

1.5234线性区：当0.6V<vI<1.3V，T2导通，T5仍截止，vc2随vI增高而线性下降，经T4使vO线性下降。转折区：当vI=1.4V时，T2和T5导通，vC2=1V，

T4和D2截止，输出电压急剧下降为低电平VOL=0.3V

，其中点所对应的输入电压称为阈值电压VTH=1.4V。

VTHVOL饱和区：vI>1.4V，vb1被钳位在2.1V，此时T2、T5导通，输出低电平VOL=0.3V

，且vO不随vI的增大而变化。截止区：当vI<0.6V，vB1<1.3V，T2和T5都截止，输出高电平VOH=3.6V。电路471、输出高电平VOH=3.6V

一般产品规定，VOH≽2.4V

VOL

≼0.4V。

3、阈值电压VTH=1.4VvI<VTH时，认为vI是低电平。vI>VTH时，认为vI是高电平。非门的三个主要参数转折区中点对应的输入电压，也称门槛电压。2、输出低电平VOL=0.3V48三、输入端噪声容限噪声容限——在不影响输出逻辑状态时输入端所允许的最大噪声电压低电平噪声容限高电平噪声容限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正向干扰（或噪声）电压。在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大负向干扰（或噪声）电压。门电路抗干扰能力。

对于74系列门电路，VNH、VNL都不小于0.4V。49T1T2T5R31k+VCC+5VR14kA3.5.3TTL与非门的静态输入特性和输出特性判断门电路带负载的能力1、输入特性——输入电流iI随输入电压vI变化的关系曲线50输入漏电流IIH输入短路电流IISIIH+5VvI=VIL=0.3VT1导通，be2、be5截止输入低电平电流IILIISvI=VIH=3.6VT1处于倒置工作状态。输入高电平电流512.输出特性(1)高电平输出特性

T4饱和前，VOH基本不随iL变，T4饱和后，VOH将随负载电流增加线性下降，其斜率基本由R4决定。(2)低电平输出特性受功耗限制，74系列门输出高电平时最大负载电流不超过0.4mA。T5饱和，c-e间等效电阻不超过10欧姆，因此直线斜率很小。rce52例3.5.2：计算G1能驱动的同类门的个数。设G1满足：VOH=3.2V,VOL=0.2V。16解：N1=16/1=16G1输出低电平G1输出高电平

G1输出高电平时，最大允许输出电流为0.4mA；每个负载门输入电流为IIH,不超过0.04mA;故：N2=0.4/0.04=10综合N1,N2,应取N=10N称为门的扇出系数。每个负载门电流G1门电流0.2VIIH533.输入端负载特性当小于0.6V时当=1.4V时，T2、T5均已导通，T1基极电位被钳在2.1V而不再随RP增加，因此也不再随RP增加。当RP较小时，这是直线方程返回RP输入电阻对输入电压的影响。1.4V54例：计算图中电阻RP取值范围。已知：VOH=3.4V,VOL=0.2V,VIH(min)=2.0V,VIL(max)=0.8V。解：当=VOH时，要求VIH(min)VOH-IIHRP

VIH(min)=VOL+RP(VCC-VBE–VOL)/(R1+RP)当=VOL时，要求VIL(max)VIL(max)RP0.69KRP35K对于74系列，当RP=2K时，就达到1.4V。综合两种情况RP应按此式选取式3.5.9牢记：RP大于2K欧姆时，等效为高电平；小于0.7K欧姆时，等效为低电平。当=VOL时，当=VOH，要求，才为高电平。RP35K上页RP553.5.4TTL反相器的动态特性1.传输延迟时间延迟作用是由晶体管的延迟时间，电阻以及寄生电容等因素引起的。

tPLH往往比tPHL大。经常用平均传输延迟时间tPD来表示：tPD=(tPLH+tPHL)/2563.电源动态尖峰电流在动态情况下，会出现T4和T5同时导通的情况，，特别是输出由低电平跳变为高电平时。使电源电流出现尖峰脉冲。此电流最大可达30多mA.电源尖峰电流的不利影响：1.使电源平均电流增加；2.通过电源线和地线产生内部噪声。573.5.5其他类型的TTL门电路（一）其他逻辑功能的门电路1.与非门

T1为多发射极管。可等效为两个三极管。其工作原理可从两方面分析：b.输入有低时，输出高电平。此时A,B两端并联，T1成为一个三极管，结论成立。a.输入全高时，输出低电平。设A端输入0.2V，则TI基极电位为0.9V,此时无论B端状态如何，都不会影响T1基极电位。因此输出为高电平。0.2V0.9V

如果输入全悬空，输出为低电平。因此输入悬空等效为输入高电平。582.或非门或非门的原理可从两方面分析：a.输入全低，输出为高

A端为低电平，使T2截止；

B端为低电平，使截止；从而使T5截止，输出为高电平。b.输入有高，输出为低

若A端为高电平，使T2导通，此时无论为何状态，都不会使T2截止。因此T5一定导通，使输出为低电平。593.与或非门在或非门的基础上，增加与输入端，从而实现与或非逻辑。604.异或门红框中的电路控制T7的状态。因此，当T7截止时，电路就是以A,B为输入的与非门。

A,B两输入端的高电平分别通过T5和T4使T7截止。说明输入A,B有高电平，就按与非门分析；当A,B全低时，T4,T5全截止，使T7导通，输出低电平。001111011110000(AB)’BA从右表可得出该电路为异或门。61使用时需外接电阻RL。（二）集电极开路门（电路）(OC)OpenCollectorGate目的：将门的输出端并联，实现线与：普通TTL门输出端并联时，将产生过大的输出电流导致器件损坏。(此电流可达30多毫安。）电路原理：当输入有低电平使T5截止时，VY=VCC当输入有高电平使T5导通时，VY=0电阻可接到其他电源，用表示。如SN7407可接30V电压很容易验证这是一个二输入端与非门。RL62（三）三态输出门电路（TS）Three-StateOutputGateEN’为使能端，低电平有效。EN’为低电平时:若A,B都为高电平：二极管D截止，对电路无影响，输出为低电平；若A,B中有低电平：

T2,T5截止，二极管D导通,T4基极电位被钳在4.3V，T4导通，输出高电平，但电位为2.9V。3.6V4.3V2.9VEN’为高电平时:

T5截止；T4基极电位被钳在1V,因此，T4截止。从而输出端出现高阻状态。如EN’端有两个非门，则为高电平有效。0.3VEN’ABYENABY63四.TTL电路的改进系列（一）74H系列除了74系列外，TTL电路还有74H、74S、74LS、74AS和74ALS等系列。又称为高速系列。High-sp