第三章门电路

第三章门电路1.二极管门电路2.TTL门电路☆3.CMOS门电路二极管门电路的开关特性二极管与门二极管或门三极管的开关特性TTL反相器其它类型的TTL门电路MOS管的开关特性COMS反相器其它类型的CMOS门内容提要1下页返回1.门电路的概念

用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，通称为逻辑门电路，简称门电路。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。上页3.1概述2下页返回上页在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是１就是０，在数字电路中，与之对应的是：

电子开关的开和关两种状态。半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。

2.逻辑变量与状态开关3电平指一定的电压范围。高电平和低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。

3.高、低电平与正、负逻辑例：TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。105V0V0.8V2V高电平下限低电平上限高、低电平如何获得？输入信号获得高，低电平的基本原理输出信号R

vOSvIVcc控制开关S4下页返回上页10正逻辑01负逻辑用１表示高电平用０表示低电平用0表示高电平用1表示低电平今后除非特别说明，本书中一律采用正逻辑。S断开时，输出高电平S接通时，输出低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。5下页返回上页4.门电路的发展从分立元件到集成电路。从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混合型三种。集成电路优点：体积小、重量轻、可靠性好。集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起来构成的门电路。61.半导体二极管：将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。PN结：采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一硅片上，在它们的交界面形成PN结。半导体：根据物体导电能力的不同分为：导体、半导体和绝缘体。常用的半导体材料有：硅（Si）和锗（Ge）均为4价元素。3.2

半导体二极管门电路3.2.1二极管的开关特性阴极阳极

(c)二极管的符号D7(a)N型半导体+5+3

(b)P型半导体N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷）使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。自由电子为多子。P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼）使之取代晶格中硅原子的位置，就形成P型半导体。空穴为多子。82.半导体二极管的伏安特性Uon为开启电压,硅管0.5V,锗0.1V。反向击穿电压U(BR)

外加电压大于开启电压时二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压时二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性uiPN+–PN–+反向电流IS在一定电压范围内保持常数。端电压温度的电压当量反向饱和电流电流Uon正向导通电压：硅：0.7V，锗：0.3V9

二极管外加正向电压时导通，伏安特性很陡，可以等效为一个电压源，电压源的电压为二极管的导通电压。硅管：0.7V，锗管0.3V，此时相当于开关闭合。二极管加反向电压时截止，截止后反向漏电流很小，反向电阻很大（约几百kΩ），可以近似看作是一个断开的开关。截止时等效电路导通时等效电路Uon

1）静态特性：开关稳定地工作在某一状态（开或关）时所呈现的特性。3.二极管静态特性及开关等效电路单向导电性102）动态特性uDiDDRtt0iDuD0电压：反向→正向正向导通电流稍微要滞后一点（要等到PN结建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成）正向→反向有较大的瞬态反向电流（因为PN结内尚有一定数量的存储电荷，随着存储电荷的消散，反向电流迅速衰减并趋近于稳态时的反向饱和电流）影响：限制了电路工作速度的提高。动态特性：开关在切换（开→关或关→开）时所呈现的特性。113.2.2二极管与门电路

1.电路2.工作原理设VCC＝+5VA、B为输入信号VIH=3V,VIL=0V二极管的正向导通压降为VDF=0.7V电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V只要A、B中有一个为低电平（0V）,则相应的二极管导通.Y就为低电平（0.7V），即：只要AB=0，则Y=0。

只有A、B同时为高电平（3V），Y才为高电平（3.7V）,即：只有AB=1，才有Y=1。Y12用逻辑1表示高电平用逻辑0表示低电平ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABY000010100111

二极管与门的真值表A、B全1，F才为1。可见实现了与逻辑Y=AB电平逻辑5.逻辑符号ABY13

3.2.3二极管或门电路

1.电路2.工作原理电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）Y为输出信号二极管正向导通压降

VDF=0.7V只要A、B中有一个为高电平（3V），则相应的二极管导通，Y就为高电平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。只有A、B同时为低电平（0V），两个二极管均截止，Y才为低电平（0V）,即：只有A+B=0，才有F=0,所以：Y=A+BY143.真值表ABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可见实现了或逻辑Y=A+BABY000011101111A、B有1，Y就为1。二极管或门的真值表4.逻辑符号题ABY说明：二极管门电路存在电平偏移问题。所以仅仅用二极管无法制作具有标准化输出电平的电路。153.3三极管的开关特性（P109）1.半导体三级管的基本结构NNP基极发射极集电极NPN型BECBECPNP型PPN基极发射极集电极符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管16复习半导体二极管的开关特性截止时等效电路导通时等效电路Uon单向导电性17发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路

测量晶体管特性的实验线路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++2.半导体三级管的伏安特性曲线（以共射接法的电路为例）181）输入特性特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO192）半导体三级管的输出特性曲线BECIBIEIC(1)放大区在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。放大区从电位的角度看：

NPN发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

20IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，发射结处于正向偏置，集电结也处于正向偏置。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。21在模拟电路中，三极管通常工作在放大状态，作为放大管使用。在数字电路中作为开关元件，三极管工作在饱和区或截止区——开关状态。下面以NPN硅管为例进行分析3.静态特性及开关等效电路(a)电路（b）输出特性曲线22（c）开关等效电路(1)截止状态条件：发射结反偏，即vBE<0。特点：电流约为0，即iB≈0，

iC≈0。开关等效电路：如图（c）23(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏，即vBE>0.5V，vBC>0特点：VBES=0.7V,VCES=0.3V/硅可靠饱和条件为：iB>IBS(C)

等效电路VCESBCEVBES开关等效电路：如图（c）所示。NPN24说明：开关C，E控制量iB为使BJT工作在饱和状态，必须iB>IBS。254.三极管的动态开关特性开关的切换需要时间当基极施加一矩形电压uI时截止到饱和所需的时间称为开启时间ton，它基本上由三极管自身决定。iCuCEuIiBTRcRBUCCuOUIH

uI

iC

uO

UIL

ICS

0

Ucc

UCES

tontoff饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff，它与饱和深度S有直接关系，S越大toff越长。265.三极管反相器（非门）(Y=A')设三极管的β=20；UCES=0.3V，UBES=0.7V，UIL=0.3V，UIH=3.2V

（一）逻辑功能分析

1)当uI=UIL=0.3V，即：A=0时假设三极管截止TRCR1UCC=5VR24.7KUBB=-5VuouI10K56KEBCuO=UOH=5V，即Y=1说明：UBB加负电源，是为了保证当输入端加低电平时，三极管能可靠的截止。UBE<0.5V，三极管截止，假设成立，iC≈0iC0.3V5VAY272)当uI=UIH=3.2V，即：A=1时假设三极管饱和，UBES=0.7V，UCES=0.3V可见：iB>IBS

，即假设成立uO=UOL=UCES=0.3V，即Y=0它是一个非门（也称反相器）R1R2UBB=-5VuI10K56K0.7V3.2V3.2Vi1i2iB实现了逻辑非：Y=A'TRCR1UCC=5VR24.7KUBB=-5VuouI10K56KEBCICS283.4.2

TTL反相器的电路结构及工作原理3.4TTL门电路3.4.5TTL反相器构成的其它门电路3.4.3

TTL反相器的输入特性和输出特性

3.4.1集成门电路3.4.4TTL反相器的动态特性291、集成电路：将多个元件集成在一个芯片上，简称IC（IntegretedCircuit）。IC分类：按集成度分类：小规模集成电路SSI（SmallScaleIntegration)，100个/片相当于三极管的元器件；中规模集成电路MSI（MediumScaleIntegration），100－1000个/片；大规模集成电路LSI（LargeScaleIntegration），1000－10万个/片；超大规模集成电路VLSI（VeryLargeScaleIntegration），10万个以上/片。3.4.1集成门电路302、集成门电路的发展方向：高速、低功耗、高抗干扰能力、带负载能力强。3、TTL集成门电路

TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管—晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。TTL门电路分类：74/54（民用/军用）TTL电路的基本环节是反相器。313.4.2TTL反相器的电路结构及工作原理1.TTL反相器的电路结构2.TTL反相器的工作原理3.电压传输特性4.输入端噪声容限321、TTL反相器的电路结构T1是输入级，T2是倒相级，T4

、T5

是输出级。D1起保护作用，它既可以抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，又可以防止输入电压为负时T1的发射极电流过大。VCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2vovIYA输入级倒相级输出级33T1发射结导通vB1=0.3V+0.7V=1VT2和T5均截止T4和D2导通输出高电平VOH=VCC–vBE4-vD2≈5V-0.7V-0.7V=3.6VVCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2vovIYA（1）vI=VIL时vO=VOH3.6V0.3V设VIL=0.3V，VIH=3.2V2、TTL反相器的工作原理1V34（2）vI=VIH时VCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2vovIYAvC2=VBES5+VCES2≈0.7+0.3=1V可见输出和输入之间是反相关系，即：Y=A'输出为低电平空载输出时约为0.3V3.2V1.4V1V0.7V0.3VvO=VOLvI=3.2VvB1=4.1VT2，T5导通→vC1=1.4V→vB1=2.1vB1=2.1T2导通vC2降低→T4，D2截止vE2升高→T5导通2.1VYA逻辑符号35VCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2vovIYA

T4和T5总是一管导通而另一管截止，这种工作方式称为推拉式工作方式。（3）推拉式输出级优点：1）可以降低输出级的静态功耗。2）输出高电平时，T4为射级输出器，输出电阻小，提高了其带负载的能力。3）输出低电平时，T5的集电极电流可以全部用来驱动负载。363、TTL反相器的电压传输特性输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。TTL反相器电路的电压传输特性（1）曲线分析AB段：截止区，T2和T5截止，T4导通。BC段：线性区，T2导通，T5截止，T2工作在放大区，随着uI的升高，vC2和uO线性下降。UCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2uouIYA截止区线性区转折区饱和区UTH37TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折区饱和区CD段：转折区，T2和T5同时导通，T4截止，输出电压急剧的下降为低电平。转折区的中点对应的输入电压称为门槛电压UTH，约为1.4V。DE段：饱和区，T5工作在饱和状态，输出为低电平。UCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2uouIYAUTH384、

输入端噪声容限（VNL和VNH

）(P118,P82)

从TTL反向器的电压传输特性上可以看出，当输入信号偏离正常的低电平（0.2V）而升高时，输出的高电平并不立刻改变；同样当输入信号偏离正常的高电平（3.4V)而降低时，输出的低电平也不会马上改变。输入端噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围，也称为抗干扰能力。它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。噪声容限越大，电路的抗干扰能力越强。

1）单级门电路的噪声容限输入低电平的噪声容限：

VNL=VILmax-VIL输入高电平的噪声容限：

VNH=VIH-VIHmin105V0VVIHminVILmax39

2）在许多门电路相互连接成系统时，前一级门的输出可以作为后一级门的输入。后级门的噪声容限应用下式计算。输入为低电平的噪声容限：

VNL=VIL(max)-VOL(max)

输入为高电平的噪声容限：

VNH=VOH(min)-VIH(min)0

输出1输出1输入0

输入VNHVNLvOvIVOH(min)VOL(max)VIH(min)VIL(max)vOvIG1G2

3）74系列门电路的标准常数（参见P138）403.4.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性1.输入端伏安特性输入特性反映了门电路作为负载时，对信号源驱动能力的要求。输入特性曲线输入端的等效电路UCCR1T4R3D1T1uIT2iIIISuIiI0IIHIIL0.3V1.4V（1）输入低电平时uI=0时的输入电流叫做输入短路电流IIS显然IIS的数值比IIL稍大一点。注意：uI=VIL时，信号源每带一个输入管须吸入一个IIL电流。4k41输入特性曲线输入端的等效电路UCCR1T4R3D1T1uIT2iIIISuIiI0IIH2.1V74系列门电路的每个输入端的IIH

在40μA以下，即IIH<40μA。

1.4V0.7V1.4V当输入端开路时，T1也没有发射极电流，所以输入端开路时也相当于输入高电平。T1的发射结反偏，所以高电平输入电流IIH很小。（2）输入高电平时T1处于倒置工作状态3.2VuI=VIH时，信号源每带一个输入端须给出一个IIH电流。42

输入负载特性曲线（a）测试电路（b）输入负载特性曲线

TTL反相器的输入端对地接上电阻Rp

时，uI随Rp

的变化而变化的关系曲线。2.输入端负载特性pRp/kΩ43在Rp<<R1的条件下，uI随Rp的增大而升高，此时相当于输入低电平。随着RP↑，当输入电压uI达到1.4V以后，这时由于T2和T4饱和导通，uI的电压不再变化，相当于输入高电平。Rp/kΩ虚框内为TTL反相器的部分内部电路RpRP→∞悬空时？相当于入端接高电平44复习1.TTL反相器的工作原理2.TTL反相器的电压传输特性UTH3.输入端噪声容限4.TTL反相器的输入特性输入特性曲线IISuIiI0IIH1.4V45UCCR2R4T3D2uoRLiOH指输出电压与输出电流之间的关系曲线。输出电流按负载电流的实际方向分为两种：实际电流流向负载叫拉电流；实际电流流向反相器称为灌电流。（1）高电平输出特性考虑到门电路（主要是T3

工作在放大3.输出特性（反向器的带负载能力）输出为高电平时，T3工作在射极输出器状态，输出电阻较小，带拉电流负载能力较强，故拉电流iOH对输出高电平影响不大。

iOH↑→R4上的压降↑→T3的ubc>0→T3进入饱和状态→输出电压uO随电流iOH的增加而几乎线性下降。状态）的功耗限制，74系列规IOH≤0.4mA。46（2）低电平输出特性输出低电平时，T3

截止，T4饱和

T4工作在饱和状态，饱和导通内阻很小（一般只有10Ω左右），负载电流iOL增加时输出的低电平VOL仅稍有升高，故电流iOL对输出低电平影响也很小。输出低电平时的等效电路RLUCCT4uoiOL低电平输出特性曲线74系列门电路，IOL≤16mA。47例：电路如图，TTL反相器的电路参数如下：IIH=40uA(输入为正）IOHmax＝400uA(输出为正）IIL=-1mA(输入为正）IOLmax＝-16mA(输出为正）求门G1最多能驱动多少个同类门？解：所以N=10G1iOG4iIvoG2G3iIiI483.4.4TTL反相器的动态特性（门电路状态切换时所呈现的特性）1.

平均传输延迟时间tpd

平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。tpd=（tPLH+tPHL）/2TTL反相器的平均延迟时间

传输延迟的原因：二、三极管开关切换需要时间；负载电容充、放电需要时间。tPLH：输出由低电平变为高电平的传输延迟时间；tPHL：输出由高电平变为低电平的传输延迟时间49放电充电C：寄生电容503.4.5其它类型的TTL门电路1.其它功能的TTL门电路常用的其它功能的TTL门电路有：与门、与非门、或门、或非门、与或非门、异或门（P128-130）。ABUCCR1T4R3D1T1T2YR2R4T3D2TTL与非门Y=(AB)'ABY001011101110TTL与非门的真值表51ABYABYABYABY或门、或非门的处理办法是一样的，并联使用或接地在使用这些门电路时，会遇到多余输入端的问题，处理方法是:ABYABYVCCABYABYVCC与门、与非门的处理办法是一样的，并联使用或接电源522.集电极开路门（OC门）(1)为何要采用集电极开路门呢？推拉式输出电路结构存在局限性。首先，输出端不能并联使用。若两个门的输出一高一低，当两个门的输出端并联以后，必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级，而且电流的数值远远超过正常的工作电流，可能使门电路损坏。而且，输出端也呈现不高不低的电平，不能实现应有的逻辑功能。

推拉式输出级并联的情况01很大的电流不高不低的电平：1/0?53其次，在采用推拉式输出级的门电路中，电源一经确定（通常规定为5V），输出的高电平也就固定了（不可能高于电源电压5V），因而无法满足对不同输出高电平的需要。此外，推拉式电路结构也不能满足驱动较大电流及较高电压负载的要求。集电极开路门（简称OC门）就是为克服以上局限性而设计的一种TTL门电路。54(2)集电极开路（OC）门的电路结构以集电极开路的与非门为例，就是将原TTL与非门去掉T3、D2，T4的集电极内部开路。UCC2RLOC与非门符号这样就可以带一些小型的继电器。这种电路必须接上拉负载RL才能工作，负载的电源UCC2一般可工作在12～24V。ABYABUCCR1T4R3T1T2YR2R4T3D2OC反相器符号YA55

(3)工作原理：当T4饱和，输出低电平UOL＝0.3V，电流IOL；当T4截止，由外接电源UCC2通过外接上拉电阻提供高电平UOH≈UCC2，高电平输出电流IOH，但IOH为T4管截止时的漏电流，很小。因此，OC门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。ABUCCR1T4R3D1T1T2YR2UCC2RLIOLIOHuo56

OC门的输出端并联，实现线与功能。

RL为外接负载电阻。（4）OC门的应用UCC2ABY1G1CDY2G2YRLABUCCR1T4R3T1T2Y1R2CDUCC'R1'T4'R3'T1'T2'Y2R2'UCC2RLYOC与非门输出并联后，所实现的逻辑功能是：这种功能叫线与。线与Y=Y1∙Y2=(AB)'∙(CD)'=(AB+CD)'线与逻辑符号57外接上拉电阻RL的确定nIIHmIIHIOHVOHRL最大值的确定VILVILVIL当所有OC门同时截止时，输出为高电平VOH，为保证高电平不低于规定的VOHmin值，RL不能选得过大。当OC门输出为高电平VOH时VCCRLTTL与非门高电平输入分析58输入特性曲线IISuIiI0IIHABUCCR1T4R3T1T2YR2UCC2RLIIH与非门输入端为高电平VOH59VCCRLIILIILIOLVOLRL最小值的确定VIHVILVILm'当OC门中只要有一个导通时，输出端的电压就会为低电平，这时应保证流入这个OC门的电流不能超过最大允许的负载电流ILM。由此可见RL不能取得太小。当OC门输出为低电平VOL时TTL与非门低电平输入分析60对于负载门电路，当输入端为低电平时，将输入端并联后的低电平输入电流和每个输入端单独接低电平时的输入电流是一样的。因此，其输入低电平电流只与输入端的低电平有关，而与输入端数无关。ABUCCR1T4R3T1T2YR2UCC2RLIIL与非门输入端为低电平VOL输入特性曲线IISuIiI0IIH61VILm'IILmVIHmIIHTTL与非门输入端并联时的总输入电流TTL或非门输入端并联时的总输入电流VILmIILVIHmIIH62例：试确定图中OC门外接负载电阻RL的取值范围。已知G1、G2VCCRLG1G2G3G4G5为OC门，输出管截止时的漏电流为IOH＝200µA，输出管导通时允许的最大负载电流为ILM＝16mA。G3、G4、G5均为74系列与非门，它们的低电平输入电流为IIL＝1mA，高电平输入电流为IIH＝40µA。给定VCC＝5V，要求OC门输出的高电平VOH≥3.0V，低电平VOL≤0.4V。0.35kΩ≤RL≤3.125kΩ63复习TTL门电路的输出特性驱动门的个数2.OC门电路（能实现线与的功能）上拉电阻阻值范围的确定64用OC门实现电平转换的电路R1T4R3T1T2YR2AB+15VRL+5V0.3V3.6V15V0.3V用OC门实现电平转换输出低电平为0.3V（T4饱和），输出的高电平接近UCC2（T4截止）。输入、输出的电平不一致，这种功能叫电平转换。653.三态输出门电路（TS门）三态门是指输出除了高、低电平，还有一个状态：高阻。EN'称为使能端，低电平有效现以一个三态TTL与非门为例介绍D1截止，实现正常的与非门功能D1导通，迫使T2、T3、T4都截止，输出端就呈现高阻状态使能端也有高电平使能的三态与非门符号ABVCCR1R2R4T3D2T4R3EN'T2YD1T1当EN'=1时ABEN'YYAEN'三态反相器符号当时0=EN'66010001分时控制电路G0G1G7总线D0END1END7EN三态门的典型应用分时控制电路依次使三态门G0、G1、G2……G7使能（且任意时刻使能一个），就将D0、D1、D2……D7（以反码的形式）分时送到总线上

100D'0D'1D'7在一些复杂的数字系统中（如计算机）为了减少各单元电路之间的连线，使用了“总线”67双向传输数据线当EN=1时G2使能，G1高阻G1使能，G2高阻数据D0经G1反相后送到总线上去END0D'0/D1D'1G1G2总线当EN=0时来自数据总线的数据D1经G2反相后送入电路内部68第二节CMOS门电路

CMOS反相器的工作原理

CMOS反相器的静态输入、输出特性

其他类型的CMOS门电路

MOS管的开关特性CMOS电路的正确使用下页总目录推出69场效应管（简称FET）是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，是仅由一种载流子参与导电的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道器件和空穴作为载流子的P沟道器件。场效应管结型N沟道P沟道

绝缘栅型（MOS）N沟道P沟道增强型耗尽型增强型耗尽型3.5.1MOS管的开关特性

MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。70下页返回上页1.MOS管的结构和工作原理SGDB当vGS=0时，D-S间不导通，iD=0。当vGS>

vGS(th)(MOS管的开启电压）时，栅极下面的衬底表面形成一个N型反型层。这个反型层构成了D-S间的导电沟道，有iD流通。随着vGS的升高，导电沟道的截面积将加大，iD增加。因此可以通过改变vGS控制vGS的大小。P型衬底(B)N+N+SGD+-+-iD71vGS=VGS(TH)下页返回上页2.MOS管的输入特性和输出特性+-+-vGSvDSiD共源接法iD/mAvDS/VO输出特性曲线共源接法下的输出特性曲线又称为MOS管的漏极特性曲线。表示iD与vGS关系的曲线称为MOS管的转移特性曲线。vGS/ViD/mAO转移特性曲线72下页返回上页可变电阻区恒流区vGS=VGS(TH)iD/mAvDS/VO输出特性曲线截止区截止区漏极和源极之间没有导电沟道，iD≈0。漏极特性曲线分为三个工作区。可变电阻区当vGS一定时，iD与vDS之比近似等于一个常数，具有类似于线性电阻的性质。恒流区iD的大小基本上由vGS决定，vDS的变化对iD的影响很小。73下页返回上页3.MOS管的基本开关电路若参数选择合理输入低电平时MOS管截止，输出高电平。输入高电平时MOS管导通，输出低电平。+-+-vIvOiDVDDRD当vI=vGS<vGS(th)

时，VOH

≈VDD，D-S间相当于一个断开的开关。当vI>vGS(th)

并继续升高，VOL

≈0，D-S间相当于一个闭合的开关。74返回CIGDS截止状态4.MOS管的开关等效电路CI代表栅极的输入电容，CI的数值约为几皮法。RON为MOS管导通状态下的内阻，约在1kΩ以内。下页上页CIGDSRON导通状态75返回3.5.2CMOS反相器的电路结构和工作原理CMOS反相器的电路图当vI

=VIL=0时，T1导通，T2截至，输出为高电平VOH

≈VDD。当vI

=VIH=VDD

时，T2导通，T1截至，输出为低电平VOL

≈0。

输入与输出之间为逻辑非的关系。CMOS反相器的静态功耗极小1.电路结构下页上页T1为P沟道增强型MOS管T2为N沟道增强型MOS管76T2的开启电压T1的开启电压阈值电压VTHVDDVDDOvIvOVGS(th)NVGS(th)PABCDCMOS反相器的电压传输特性AB段：T1导通，T2截止，vO=VOH≈VDD。CD段：T2导通，T1截止，vO=VOL≈0。BC段：T1

、T2同时导通，为转折区。2.电压传输特性下页返回上页CMOS反相器的电路图77下页返回上页3.电流传输特性AB段：T2截止漏极电流几乎为0CD段：T1截止漏极电流几乎为0BC段：阈值电压附近电流很大CMOS电路不应长时间工作在BC段CBADOCMOS反相器的电路图780IvOVDD=10VVDD=15V适当提高VDD，可提高CMOS反相器的输入噪声容限。4.输入噪声容限下页返回上页CMOS反相器的电路图793.5.3CMOS反相器的静态输入、输出特性输入保护电路因为MOS管的栅极和衬底之间存在输入电容，绝缘介质又非常薄，极易被击穿，所以必须采取保护措施。若VDF=0.7V，则vI>VDD+0.7V时，D1通，vG=VDD+0.7VvI<-0.7V时，D2通，vG=-0.7V。使vC1、vC2均不超过VDD+0.7V。802.输入特性

从反向器输入端看进去的输入电压与输入电流的关系74HC系列的输入特性曲线4000系列的输入特性曲线输入端的绝缘层使电路输入阻抗极高，若有静电感应则会在悬空端产生不定电位，故CMOS门电路输入端不允许悬空。D1通D2通81下页返回上页3.输出特性1）低电平输出特性当输出为低电平时，工作状态如下图所示。CMOS反相器的低电平输出特性

IOL：低电平时向内灌入的电流。 随VDD升高，IO