第三章 门电路

《数字电子技术》第五版

山东科技大学信息与电气工程学院第三章门电路3.1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逻辑状态的描述

高电平=1，低电平=0正逻辑高电平=0，低电平=1负逻辑缺点：功耗较大数字逻辑电路的发展由分立元器件（如电阻、电容）

片上系统（SOC)SSI,MSI,LSI,VLSI从制造工艺上可以分为双极型、单极型和混合型三种，首先推广应用的是双极型的TTL电路。3.2半导体二极管门电路

3.2.1半导体二极管的开关特性二极管开关电路

二极管具有单向导电性

VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D导通，VO=VOL=0.7V二极管非理想元件，受PN结表面漏电阻和半导体体电阻的影响。二极管的开关等效电路二极管的动态电流波形瞬间反向电流，其大小和持续时间取决于正向导通时的电流大小、反向电压、外电路电阻的阻值，还与本身特性有关。反向恢复时间tre3.2.2二极管与门设VCC=5V加到A,B的

VIH=3V

VIL=0V二极管导通时

VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定3V以上为10.7V以下为0输出高、低电平的偏移，不能驱动负载电路。3.2.2二极管或门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二极管导通时VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定2.3V以上为10V以下为0一、MOS管的结构和工作原理3.3CMOS门电路

3.3.1MOS管的开关特性源极（Source）栅极（Gate）漏极（Drain）N沟道工作原理当加+VDS时，令VGS=0，

D-S间是两个背向PN结串联，iD=0。P加上+VGS，且足够大至VGS>VGS(th)，栅极与衬底间电场的吸引，使衬底中的少数载流子（电子）聚集到栅极下面的衬底表面，形成N型的反型层，构成了D-S间的导电沟道，有电流产生。随着VGS增加，iD增大。开启电压注：在VGS=0时不存在导电沟道，必须加足够高的栅极电压才有导电沟道形成，称为N沟道增强型MOS管。二、输入特性和输出特性①输入特性：栅极电流为0。②输出特性：iD

=f(VDS)

对应不同的VGS下得一族曲线。漏极特性曲线（分三个区域）①截止区②可变电阻区③恒流区

输入回路

输出回路共源接法转移特性曲线IDS三、MOS管的基本开关电路

当时，

MOS管工作在截止区。只要

,

当vI>VGS(th)且vDS较高时，MOS管工作在恒流区。随着vI的增加，iD增加，而vO=VDD-VR随之下降。由于iD与vI变化量之比非正比关系，⊿vO与⊿vI之比非常数。电路工作在放大状态。

vI继续升高，RON很小(在1KΩ以内)。只要RD»RON，vO=VOL≈0.只要选择合理的电路参数，可使MOS管成为一个可控的开关。当输入低电平时，MOS管截至，输出为高电平；当输入高电平时，MOS管导通，输出为低电平。四、等效电路OFF，截止状态ON，导通状态栅极电容(约为几pF)注：由于开关电路输出端带有负载电容，在动态情况下，ID的变化与输出电压vDS的变化都将滞后于vI的变化。五、MOS管的四种类型增强型耗尽型3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构若T1和T2的开启电压分别为、互补对称式金属-氧化物-半导体电路静态功耗极小二、电压、电流传输特性设三、输入噪声容限可以通过提高VDD，提高噪声容限。3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性一、输入特性（输入电压与输入电流间的关系）1.MOS管栅极与衬底间的SiO2层可等效为电容，绝缘层非常薄，易被击穿（耐压100V），应采取保护措施。2.保护电路---74HC系列和4000系列分布式二极管结构二、输出特性低电平输出特性当时,T1截止、T2管导通。输出电平随IOL增加而提高。等效2.高电平输出特性当时，T2截止、T1导通。

IOH方向与规定负载电流方向相反。VOH随IOH增加而下降。反相器输出的高、低电平与负载电流的大小有关3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间1、定义：由于CI和CL的存在，当输入信号发生跳变时，输出电压的变化必然滞后于输入电压的变化。（tPHL,tPLH）2、tPHL、tPLH受CL、MOS管的导通内阻（与vGS有关）影响。3、tPHL≈tPLH=tpd二、交流噪声容限由于负载电容和MOS管寄生电容的存在，输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出改变状态。当输入信号为窄脉冲且脉宽接近于门电路的tpd时，脉冲信号幅度将远大于直流输入信号的幅度，才能使输出改变状态。反相器对这类窄脉冲的交流噪声容限»直流噪声容限。tpd（受电源电压和负载电容的影响）↑，交流噪声容限↑。三、动态功耗CMOS反相器从一个稳定状态转变到另一个稳定状态时所产生的功耗称为动态功耗。动态功耗PD=PC（CL充放电的功耗）+PT（T1、T2短时间内同时导通所消耗的瞬时导通功耗）2.瞬时导通功耗PT功耗电容3.总的功耗PTOT=动态功耗PT+静态功耗PS，

CMOS门电路的静态功耗极小，与动态功耗相比可忽略。3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路

1、与非门2、或非门①当A＝0、B＝0时，T1和T3导通，Y＝1；②当A=0、B＝1时，T1和T4导通，Y＝1；③当A=1、B=0时，T3导通、T4截止，Y＝1；④当A=1、B=1时，T1和T3同时截止，

T2和T4同时导通，Y＝0。①当A＝0、B＝0，T1、T3导通，Y＝1；②当A=0、B＝1，T4导通，Y＝0；③当A=1、B=0，T2,3导通、T1,4截止，Y＝0；④当A=1、B=1，T1,3截止，T2,4导通，Y＝0。输出电阻受输入状态的影响；

当A=B=1时，当A＝B＝0时，当A=0、B＝1时，当A=1、B=0时，输出高、低电平受输入端数目的影响；输入端工作状态的不同对电压传输特性也会有一定的影响。3、与非门电路存在的缺点4.解决方法——增加缓冲级结构在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器（缓冲器）带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及电压传输特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的转折区也变得更陡。二、漏极开路输出门电路（Open-DrainOutput:OD门）OD输出结构OD输出与非门74HC03可吸收大负载电流1、满足输出电平的变换；2、可将几个OD门的输出端相连，实现线与逻辑。注：OD门工作时，输出端必须通过上拉电阻RL接到电源上。两个OD输出与非门可以结成一个与或非门电路3.计算上拉电阻RL在线与输出端接有其他门电路作为负载的情况下①当所有OD门全截至、输出为高电平时，OD门输出端MOS管截止时的漏电流（IOH）和负载门的高电平输入电流（IIH）全部流过RL并产生压降。3.计算RL②当输出为低电平、且OD门中只有一个门的输出MOS管导通时，负载电流将全部流入这个导通管。为保证电路正常工作，负载电流大小不能超过MOS管允许的最大电流IOL(max)。三、CMOS传输门1、CMOS传输门控制信号T1、T2的源极和漏极在结构上是完全对称的当传输门的一端接VI(+)，另一端接RL时，设控制信号C和C'的高电平和低电平分别为VDD和0V，①若C=0、C’=1，只要输入信号的变化范围不超过0～VDD，

T1、T2同时截止，输入与输出之间呈现高阻态（>109Ω），

传输门截止；设控制信号C和C'的高电平和低电平分别为VDD和0V，②若C=1、C’=0，当时，T1导通；当时，T2导通；则当在0～VDD内变化时，T1和T2至少有一个导通，输出呈现低阻态（<1kΩ），传输门导通，vo≈vI。2、CMOS传输门的应用CMOS传输门和CMOS反相器可组合成各种复杂的逻辑电路。作为双向模拟开关*——用来传输连续变化的模拟电压信号。当C=0时，开关被切断，vO=0；当C=1时，开关接通，四、三态输出门——输出缓冲器三态控制端三态门的用途

①连接成总线结构；②实现双向数据传输。3.3.6CMOS电路的正确使用输入电路的静电防护；

原因：

①保护电路中的二极管和限流电阻承受的静电电压和脉冲功率均有一定的限度；

②储存、运输、组装和调试过程中，难免会接触到某些带静电高压的物体。

措施：①在储存和运输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。③不用的输入端不应悬空。3.3.6CMOS电路的正确使用输入电路的过流防护；

原因：保护电路中的钳位二极管电流容量有限，一般为1mA。

措施：①输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源间串进保护电阻；②输入端接有大电容时，亦应在输入端与电容间介入保护电阻；③输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。3.3.6CMOS电路的正确使用锁定效应（Latch-Up）的防护；

原因：特有的问题，结构引起寄生三极管效应。

措施：①在输入/出端设置钳位电路，保证vI和vO不超过限定范围。②当VDD可能出现瞬时高压时，在CMOS门电路的电源输入端加去耦电路。③当系统由几个电源分别供电时，各电源的开、关顺序必须合理。3.5TTL门电路

3.5.1双极型三极管的开关特性一、双极型三极管(BJT,BipolarJunctionTransistor)的结构管芯+三个引出电极+外壳基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂以NPN为例说明工作原理：1.发射结加正向电压，扩散运动形成发射极电流IE；2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成基极电流IB；3.集电结加反向电压，漂移运动形成集电极电流IC。

三极管工作在放大状态的条件：发射结正向偏置且集电结反向偏置。二、三极管的输入特性和输出特性1、三极管的输入特性曲线（NPN）开启电压硅管：0.5~0.7V锗管：0.2~0.3V通过折线可近似认为:基极外加电阻2、三极管的输出特性①截止区：条件VBE<0.7V,iB=0,iC=ICEO,c-e间“断开”。②放大区：条件VBE>0.7V,iB>0,iC随iB成正比变化，ΔiC=βΔiB。③饱和区：条件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。0.7三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL工作状态分析：图解分析法：四、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从二极管已知，PN结存在电容效应。在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是非门。实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在输入接入负压。参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL例3.5.1：计算参数设计是否合理3.3KΩ10KΩ1KΩ5V-8Vβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V①将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路戴维南定理②当③当④又⑤因此，参数设计合理。一、电路结构设①

3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设②

3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理二、电压传输特性vI<0.6V0.7V<vI<1.3V阈值电压需要说明的几个问题：①T2的输出Vc2和Ve2变化方向相反，故称倒相级；②输出端在稳态下，T4和T5总有一个导通、一个截止，有效地降低了静态功耗并提高驱动负载的能力，称为推拉式（pull-pull）；③D1抑制负极性干扰脉冲，D2确保T5饱和导通时T4可靠截止。三、输入噪声容限3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性iI二、输出特性VO=VOH二、输出特性VO=VOL例：扇出系数（Fan-out），

试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。三、输入端负载特性Rp越大，vi越高1.4开门电阻RON(1KΩ左右）其中：R1为T1基极电阻。3.5.4TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象74系列门电路:T5导通时处于深度饱和状态，因此二、交流噪声容限当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限（大于直流噪声容限）三、电源的动态尖峰电流1.两种静态下的电源负载电流不等。空载条件下：

2、动态尖峰电流输出电平由低跳变到高的时候，T5处于深度饱和状态，T4的导通会先于T5的截止，因此会出现短时间的T4和T5同时导通的状态，产生很大的瞬态电流。3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门多发射极三极管

2、或非门3、与或非门4、异或门T6和T7中有一个基极电平为高时，都能使T8止，T9导通二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性①输出端无法并联接成线与结构；当两个门输出端分别为高电平和低电平时，并联后会有很大的负载电流流过两个门的输出级，会造成损坏。②输出电平不可调；一旦电源确定，输出高电平就固定了。③负载能力不强，不能满足驱动较大电流及较高电压负载的要求。OC门2、OC门的结构特点OC门实现的线与3、外接负载电阻RL的计算﹤三、三态输出门（ThreestateOutput