数字电子技术基础简明教程第2章门电路课件

肖合九教授数字电子技术基础简明教程

1第2章

门电路

2第2章门电路概述2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性2.2分立元器件门电路2.3CMOS集成门电路2.4TTL集成门电路31、高电平和低电平：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。右图2.4～5V范围内的电压，都称为高电平，用UH表示。

0～0.8V范围内的电压，都称为低电平，用UL表示。2、正逻辑和负逻辑：用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑赋值，简称正逻辑。用1表示低电平，用0表示高电平，称为负逻辑赋值，简称负逻辑。三、高、低电平与正、负逻辑5四、分立元件门电路和集成门电路1、用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称为分立元件门电路。2、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。2、数字集成电路按照集成度分类小规模集成电路(SSI)：＜100个元器件/片中规模集成电路(MSI)：100～999个元器件/片大规模集成电路(LSI)：1000～99999个元器件/片超大规模集成电路(VLSI)：＞100000个元器件/片五、数字集成电路的集成度

1、集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门的个数或元器件的个数，定义为集成度。62.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性2.1.1理想开关的开关特性一、静态特性

1、断开时，其等效电阻ROFF＝∞，通过其中的电流IOFF＝0。2、闭合时，其等效电阻RON＝0，其两端电压UAK＝0。二、动态特性

1、开通时间ton＝0，即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。2、关断时间toff＝0，即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。AKS理想开关7一、静态特性

1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。9

2、半导体二极管的开关作用⑴开关应用举例

下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为uI,其低电平UIL＝－2V,高电平为UIH＝3V。①

uI＝UIL时，半导体二极管反偏，D处于反向截止区，如同一个断开了的开关，直流等效电路如图(b)。②uI＝UIH时，半导体二极管正偏，D工作在正向导通区，如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图(c)。

10

⑵、静态开关特性硅半导体二极管具有下列静态开关特性：①导通条件及导通时的特点：

当外加正向电压UD＞0.7V时，二极管导通，硅半导体二极管如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关。

②截止条件及截止时的特点：当外加正向电压UD＜0.5V时，二极管截止，硅半导体二极管如同一个断开了的开关。11

⑴开通时间当输入电压uI由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过延迟时间td、上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为：ton=td＋tr

⑵关断时间当输入电压uI由UIH跳变到UIL时，二极管D要经过存储时间ts、下降时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为：toff=ts＋tf

132.1.3半导体三极管的开关特性饱和截止3V0VuO0相当于开关断开相当于开关闭合uOUCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V14一、静态特性

1、结构示意图、符号和输入、输出特性半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。152、半导体三极管的静态开关特性⑴饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和时的数值IBS时，饱和导通。饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后

uBE≈0.7V，uCE＝UCES≤0.3V如同闭合的开关。17⑵截止条件及截止时的特点截止条件：uBE＜Uo＝0.5V式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。截止时的特点：iB≈0，iC≈0如同断开的开关。18二、动态特性半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。

右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时，相应iC和uO的波形。19MOS管最显著的特点也是具有放大能力。不过它是通过栅极电压uGS控制其工作状态的，是一种具有放大特性的由电压uGS控制的开关元件。一、静态特性

1、结构示意图、符号、漏极特性和转移特性

N沟道增强型MOS管的结构示意图、符号如下图所示。2.1.4MOS管的开关特性N+N+SGD二氧化硅P-Si(a)结构示意图金属铝(b)符号SGD21N沟道增强MOS管的漏极特性和转移特性如下图所示。反映漏极电流iD和漏极-源极电压uDS之间的关系曲线族称为漏极特性。反映漏极电流iD和栅极-源极电压uGS之间的关系曲线称为转移特性。222、MOS管的静态开关特性⑴截止条件和截止时的特点截止条件：当MOS管栅源电压uGS小于其开启电压UTN时，将处于截止状态。截止时的特点：iD＝0，MOS管如同一个断开了的开关。23二、动态特性1、MOS管极间电容

MOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容CGS、栅漏电容CGD和漏源电容CDS。在数字电路中，MOS管的动态特性，即开关速度是受这些电容充、放电过程制约的。

2、开关时间右图所示MOS管开关电路中，当uI为矩形波时，相应iD和uO的波形。25

⑴开通时间当输入电压uI由UIL＝0V跳变到UIH＝VDD时，MOS管需要经过导通延迟时间td1和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为

ton=td1＋tr

⑵关断时间当输入电压uI由UIH＝VDD跳变到UIL＝0V时，MOS管需要经过关断延迟td2、下降时间tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。关断时间为

toff=td2＋tf

MOS管电容上电压不能突变是造成iD(uO)滞后uI变化的主要原因。而且，由于MOS管的导通电阻比三极管的饱和导通电阻要大得多，RD也比RC大，所以它的开通和关断时间也比三极管长，即其动态特性较差。262.2分立元器件门电路

2.2.1二极管与门和或门一、二极管与门

1、电路与符号

2、工作原理⑴电压关系表①uA=uB=0时，D1、D2均导通uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7V=0.7V

②uA=0、uB=3V时，由于uA、uB电平不同，当D1导通后，使uY=uA+uD1=0+0.7V=0.7V导致uD2=uY－uB=0.7－3＝－2.3V，故D2截止。D1导通后，uY被钳位在0.7V。③uA=3V、uB=0V时，与②类似，D2导通，D1截止，D2导通后，uY被钳位在0.7V。④uA=3V、uB=3V时，D1、D2都导通。uY被钳位在3.7V。27二、二极管或门

1、电路与符号

2、工作原理

⑴电压关系表①uA=uB=0时，D1、D2均导通uY=0－0.7V=－0.7V。

②uA=0V、uB=3V时，D2导通，D1截止，uY=3－0.7V=2.3V。③uA=3V、uB=0V时，D1导通，D2截止，uY=3－0.7V=2.3V。④uA=3V、uB=3V时，D1、D2均导通。uY=3－0.7V=2.3V。整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。－0.72.32.32.300033033uY/VuA/VuB/V电压关系表29011100011011YAB或门逻辑真值表

⑵设定变量、状态赋值、列真值表①设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。②状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。③列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能Y=A+B，所以是一个二极管或门。30对于图2.2.1（a）所示电路的电压关系表（如下），在状态赋值时若采用正逻辑，即用1表示高电平、用0表示低电平，就得到前面所讲的正与门逻辑真值表。0.70.70.73.700033033uY/VuA/VuB/V电压关系表000100011011YAB正与门逻辑真值表011100011011YAB负或门逻辑真值表若在状态赋值时若采用负逻辑，即用0表示高电平、用1表示低电平，就得到下面的负或门逻辑真值表。所以说图2.2.1（a）二极管电路，既是正与门又是负或门。312.2.2三极管非门（反相器）一、半导体三极管非门

1、电路与符号

2、工作原理①uI=uIL=0V时，三极管T截止，iB=0、iC=0，∴uO=UOH＝VCC=5V。

②uI=uIH=5V时，

由于iB＞IBS，T饱和导通，有uO=UOL＝UCES≤0.3V。整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。50.305uO/VuI/V32图2.2.3（a）若用A、Y分别表示uI、uO，用0表示低电平，用1表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所示的真值表。由右下表可知，图2.2.3（a）所示电路实现了非逻辑功能，是一个三极管组成的非门。50.305uO/VuI/V非门电压关系表1001YA非门真值表半导体三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发射极高0.3V的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，那么它的发射极电位就被固定在比集电极低0.3V的电位上。33二、MOS三极管非门

1、电路与符号

2、工作原理①uI=uIL=0V时，uGS=uIL=0V，小于开启电压UTN＝2V，所以MOS管是截止的，故uO=UOH＝VDD=10V

②uI=uIH=10V时，uGS=uIH=10V，大于开启电压UTN＝2V，MOS管导通且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧，故

整理分析估算结果，即可得到电压关系表如下表所示。100010uO/VuI/V34若用A、Y分别表示uI、uY且采用正逻辑后得到的逻辑真值表如右下表。100010uO/VuI/VMOS管非门电压关系表1001YA非门真值表由右上表可知，图2.2.4（a）所示电路确实是MOS三极管非门。图2.2.4（a）35作业题P135题2.2P136题2.3(a)36一、填空题

1、三极管截止时的特点是()；三极管饱和导通时的特点是()。

uBE≈0.7V，uCE=UCES≤0.3ViB≈0，iC≈0

2、MOS管截止时，iD＝0，MOS管如同一个()了的开关。MOS管导通后，如同一个具有一定导通电阻RON()了的开关。

断开闭合

3、正逻辑的与门是负逻辑的()；正逻辑的或门是负逻辑的()。或门与门二、单项选择题1、如果晶体三极管的（），则该管工作于饱和区。A、发射结正偏，集电结反偏 B、发射结正偏，集电结正偏C、发射结反偏，集电结正偏 D、发射结反偏，集电结反偏。B372.3CMOS集成门电路

MOS管有N沟道和P沟道之分，每种又有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。CMOS集成电路的许多最基本的逻辑单元都是用P沟道增强型MOS管（称为PMOS管)和N沟道增强型MOS管（称为NMOS管)按照互补对称形式连接起来构成的。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(ComplementaryMetalOxideSemiconductor－互补金属氧化物半导体

)。这种电路具有电压控制、功耗极小、连接方便等一系列优点，是目前应用最广泛的集成电路之一。38NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小

NMOS管的开关特性

2.3.1CMOS反相器39PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接负电源

PMOS管的开关特性

导通导通电阻相当小截止40一、电路组成及其工作原理

1、电路组成

TP是P沟道增强型MOS管，TN是N沟道增强型MOS管，两者按照互补对称形式连接起来便构成了CMOS反相器。它们的栅极G1、G2连接起来做为信号的输入端，漏极D1、D2连接起来做为信号的输出端，TN的源极S1接地，TP的源极S2接电源VDD。开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD

+VDDTPTN(a)电路图B1uAuYG2G1D1D2SS1B2+10V0V10V0V10V412、工作原理

（1）uA＝0V时，TN截止，TP导通。输出电压uY=VDD=10V。简化等效电路如图(b)所示。（2）uA＝VDD=10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY=0V。简化等效电路如图(c)所示。实现了非逻辑运算SRONP(b)

TN截止、TP导通uY+VDD+10V+10VSRONN0V(c)TN导通、TP截止uY+VDD+10V+VDDTPTN(a)电路图B1uAuYG2G1D1D2SS1B2+10V0V10V0V10V423、输入端保护电路

为了保护栅极和沟道之间的二氧化硅绝缘层不被击穿，CMOS输入端都加有保护电路。右图是带输入端保护网络的CMOS反相器。图中D1、D2、D3和RS组成二极管保护网络。D1、D2、D3的正向导通压降uDF=0.5~0.7V，反向击穿电压在30V左右，RS＝1.5~2.5kΩ,C1、C2是栅极等效输入电容。由于二极管的钳位作用，使得MOS管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。在正常工作时，uA在0V和VDD之间变化，保护二极管均处在截止状态，不影响电路功能。当uA高于VDD＋uDF或低于－uDF时，相应保护二极管就会导通，从而把TN、TP栅极电位限制在－uDF～(VDD＋uDF)范围内，因此不会发生SiO2介质被击穿的现象。+VDDTPTNuAuYC2C1D2D3D1RSVSS43二、静态特性

1、输入特性反映iI=f(uI)的曲线称为输入伏安特性曲线简称输入特性。当uI在－uDF和VDD＋uDF之间变化时，iI≈0；当uI＞VDD＋uDF时，D3导通，iI从输入端经D3流入VDD，iI将随着uI的增加而急剧增加，反映了D3正向导通的情况；当uI＜－uDF时，D1导通，iI经D1、RS从输入端流出，输入特性中相应曲线部分的斜率为1/RS。CMOS反相器输入特性所反映的，实际是输入保护网络的特性。+VDDTPTNiIuOC2C1D2D3D1RSVSS+_(a)uI+VDDiIuO(b)+_uI144

2、输出特性反映uO=f(iO)的曲线称为输出伏安特性，简称输出特性。当uI为低电平，即uI=UIL=0V时，TN截止、TP导通，uO为高电平，即uO=UOH，带拉电流负载。电流iO从VDD经TP流出，供给负载RL，由于这时负载RL是向反相器索取电流，所以形象地称为拉电流负载，并把反相器能够输出的最大电流IOH，称为带拉电流负载的能力。特性曲线如图(c)左边部分所示。45

当uI为高电平，即uI=UIH=VDD时，TN导通、TP截止，uO为低电平，即uO=UOL，带灌电流负载。电流iO从VDD经负载RL流入反相器。由于这时负载电流iO是流入反相器的，所以形象地称为灌电流负载，并把反相器能吸收即允许灌入的最大电流IOL，称为带灌电流负载的能力。特性曲线如图(c)右边部分所示。46

3、传输特性反映uO=f(uI)的曲线形象具体地描述了输出电压uO与输入电压uI的关系,称为电压传输特性。反映iD=f(uI)的曲线形象具体地描述了漏极电流iD与输入电压uI的关系,称为电流传输特性。47

①AB段：uI＜UTN，TN截止，TP导通。uO=VDD、iD=0，功耗极小。②BC段：uI＞UTN，TN导通，但导通电阻较大，故uO略有下降，iD开始出现，并逐渐增加，功耗也随之增加。③CD段：uI在0.5VDD附近，TN、TP均导通，且导通电阻都较小，是uO随uI改变而急剧变化的区域，iD也最大，功耗也最大。相应地，把输入电压uI=0.5VDD称为反相器的转折电压或阈值电压，用UTH表示。④DE、EF段与BC、AB段是对应的，只不过TN、TP的工作状态，DE和BC段、EF和AB段时的情况正好相反。输入端噪声容限是指uO为规定值时，允许uI波动的最大范围。UNL：输入为低电平时的噪声容限；UNH：输入为高电平时的噪声容限。48三、动态特性

1、传输延迟时间下图所示是CMOS反相器带电容性负载时的电路和输入、输出电压波形。当uI改变取值时CMOS反相器的状态转换总是伴随着输入、输出电容的充、放电过程。电容上电压是不能突变的，所以反相器输出电压uO的变化总是滞后于输入电压uI的，尤其是在输出端接有负载电容CL时，滞后时间会更长。

tPHL:输出电压由高电平变为低电平的延迟时间。

tPLH:输出电压由低电平变为高电平的延迟时间。50%50%tPHLtPLHuIuO49

2、输出端状态转换时间当输入电压uI改变取值时，输出端状态将产生相应变化，相伴随的是CL的充、放电过程，状态转换时间基本上就是CL的充、放电时间。

tTHL:当uI改变取值时，输出电压uO从90％下降到10％所经历的时间。

tTLH:当uI改变取值时，输出电压uO从10％上升到90％所经历的时间。tTHLtTLHuIuO10%90%50

3、交流噪声容限一般地说，干扰噪声都是一些无规则的脉冲信号，用交流噪声容限可以表示反相器对这些脉冲信号的抗干扰能力。反相器对输人信号的响应总是有一定的延时，如果干扰脉冲持续的时间很短，以至于输出端状态还没有任何变化，干扰脉冲就消失了显然这样的脉冲信号对电路不会起作用。所以，反相器对窄脉冲的噪声容限要高于其直流噪声容限。下图是干扰脉冲宽度不同时交流噪声容限的曲线。图中tNW表示干扰脉冲宽度，UNA表示干扰脉冲幅度。51

4、动态功耗在状态转换过程中，CMOS反相器瞬态电流很大，因此会产生所谓动态功耗。动态功耗的大小，与电源电压VDD、uI变化的重复频率，负载电容的容量等因素有关，它们的数值越大，动态功耗也越大。CMOS反相器的静态功耗很小，在常温下只有几个微瓦，常可忽略不计。522.3.2CMOS与非门、或非门、与门和或门一、CMOS与非门1、电路组成及符号

右图是与非门的电路图，两个P沟道增强型MOS管TP1、TP2并联，两个N沟道增强型MOS管TN1、TN2串联，TP2、TN2的栅极连接起来成为输入端A，TP1、TN1的栅极连接起来成为输入端B。下图是与非门的逻辑符号。B+VDDATP1TN1TN2TP2uAuBuYYYAB&53①A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。②只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。2、工作原理

B+VDDATP1TN1TN2TP2uAuBuYY54二、CMOS或非门1、电路组成及符号

右图是或非门的电路图，串联起来的是两个P沟道增强型MOS管，

并联起来的是两个N沟道增强型MOS管，TP1、TN1的栅极连接起来是输入端A，TP2、TN2的栅极连接起来是输入端B。下图是或非门的逻辑符号。B+VDDATN2TP2TN1TP1YAB≥155①只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。②只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。2、工作原理

B+VDDATN2TP2TN1TP156三、CMOS与门和或门1、CMOS与门

在基本CMOS与非门电路的输出端，再加一个反相器，便构成了与门，逻辑图如下图所示。2、CMOS或门

在基本CMOS或非门电路的输出端，再加一个反相器，便构成了或门，逻辑图如下图所示。YAB&1YAB&＝YAB≥11YAB＝≥157四、带缓冲的CMOS与非门和或非门1、基本电路的主要缺点与非门BA+VDDVSSY+VDDVSSBATP1TP2TN2TN1Y或非门右图所示CMOS与非门和或非门的基本电路，从输出端看，其结构是不对称的。在与非门中，两个PMOS管是并联起来的，两个NMOS管是串联起来的；而在或非门中，情况正好相反并联起来的是两个NMOS管，串联起来的是两个PMOS管。这种不对称带来两个问题：⑴使电路的输出特性不对称。⑵使电路的电压传输特性发生偏移，阈值电压不再是0.5VDD，因此导致了噪声容限下降。不难理解，随着输入端数目的增加，电路结构不对称的程度会变大，因而带来的问题也会更突出。一个比较有效的解决办法，就是加缓冲电路582、带缓冲的门电路在基本电路的输入端和输出端附加上反相器,便构成了带缓冲的门电路。加了反相器后，其输入、输出特性就与反相器没有区别了，这就改善了电路的电气特性，同时也给使用者带来了方便。

BA+VDDVSSY111或非门与非门+VDDVSSBATP1TP2TN2TN1Y111≥11Y11AB&11AB1Y592.3.3CMOS与或非门和异或门一、CMOS与或非门1、电路组成及符号

由三个与非门基本电路和一个反相器构成。图(a)是其电路图，图(b)是它的等效逻辑图，图(c)是其逻辑符号。+VDDVSSBA+VDDVSSDC+VDDVSS+VDDVSSY(a)(c)ABCDY&≥1&&&1ABCDY(b)602、工作原理

由图(b)可以容易地得到

可见图(a)所示的电路确实实现了与或非运算，是CMOS与或非门。YAB&1CD&&61二、CMOS异或门1、电路组成及符号

图(a)是CMOS异或门的电路图。TP1、TP2、TN1、TN2组成或非门，其输出P控制着TP5和TN5的状态，当P＝0时，TP5导通、TN5截止；当P＝1时，TP5截止、TN5导通。而当TP5导通、TN5截止时，TP3、TP4、TN3、TN4组成与非门；当TP5截止、TN5导通时，Y通过TN5接到公共端——地。图(b)是异或门的逻辑符号。+VDDVSS+VDDVSSBATP2TP1TN1TN2TP4TP3TN3TN4+VDDVSSYTN5TP5P(a)YAB=1(b)622、工作原理

由图(a)所示电路知当P＝0时，因为TP5导通，TN5截止，TP3、TP4、TN3、TN4组成了与非门，所以有当P＝1时，由于TP5截止，

，TN5导通，故Y＝0。0110100000011011YPAB整理上述结果，可以列出右表所示的逻辑真值表。由右表可得所以图(a)所示电路实现了对A、B的异或运算。+VDDVSS+VDDVSSBATP2TP1TN1TN2TP4TP3TN3TN4+VDDVSSYTN5TP5P(a)63

直接用与非门也可以很容易地组合起来构成异或门，下图是它的逻辑图。由图可得64①C＝0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（＋VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。②C＝1、，即C端为高电平（＋VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uo＝ui。CVDDuI/uOTPTNC(a)电路SSGGDDuO/uITGCC(b)符号uI/uOuO/uI2.3.4CMOS传输门、三态门和漏极开路门一、CMOS传输门65二、CMOS三态门1AENTP2TP1YTN1TN2+VDD(a)电路1ENAENY(b)符号①EN=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。②EN=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见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。66三、CMOS漏极开路门（OD门）1、电路组成及符号

图(a)是CMOS漏极开路门的电路图，图(b)是它的逻辑符号。(a)电路图+V’DDYB1DVSSB1&ARD外接YAB&(b)逻辑符号672、主要特点

①输出MOS管的漏极是开路的，工作时必须外接电源V’DD和电阻RD，实现的逻辑功能是Y＝A·B。②可以实现线与功能，即可以把几个OD门的输出端连接起来实现与运算。③可以用来实现逻辑电平变换。④带负载能力强。输出为高电平时带拉电流负载能力IOH决定于外接电源V’DD和电阻RD；输出为低电平时带灌电流负载能力IOL由输出级MOS管的容量决定，比较大。68作业题P136题2.4(a)(d)(f)(k)题2.5(a)(b)题2.6(c)(d)69一、填空题

1、在CMOS反相器是由()管和()管组成的()电路。NMOS互补

2、当MOS门电路输入端通过电阻（不论电阻阻值为多少）接到VDD时，其逻辑状态相当于()；当MOS门电路输入端通过电阻（不论电阻阻值为多少）接到地时，其逻辑状态相当于()。10二、分析题

1、试写出下图CMOS门电路各个输出信号的逻辑表达式。PMOS702.4TTL集成门电路

2.4.1TTL反相器1、电路组成

一、电路组成及其工作原理

TTL是晶体管-晶体管逻辑(Transistor-TransistorLogic)的简称。TTL逻辑门由若干晶体三极管、二极管和电阻组成。①输入级由T1、R1、D1组成，D1是保护二极管，是为防止输入端电压过低而设置的；②中间级由T2、R2、R3组成，T2集电极输出驱动T3，发射极输出驱动T4；③输出级由T3、T4、D和R4组成。图(a)是TTL反相器的典型电路图，它有三部分组成：中间级(a)AR14kΩT3T2T1YR4+5VT4R21.6kΩR3130Ω1kΩuIuOD+VCC输入级输出级3.6V0V3.6V0VD1712、工作原理①、当电路输入端A接高电平（3.6V）时3.6V3.6V4.3V全导通0.7V×21.4V电位钳在2.1V发射结反偏UBE1＝2.1－3.6＝－1.5V＜0

T1管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，T1管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。1VUC2＝UCES2＋Ube4＝0.3＋0.7≈1V∵UC2≈1V，该值不足以使T3、D导通，故T3、D截止。输入为1输出为0uO＝0.3VVCC(+5V)YR21.6KΩR14KΩT1AR31KΩR4130ΩD1DT2T3T472②、当电路输入端接低电平(0V)时0V截止发射结导通Ub1≈0＋0.7＝0.7V

∵Ub1≈0.7V，作用于T1管的集电结和T2、T4管的发射结，不足以让T2、T4导通。故T2、T4截止。uO≈VCC－Ube3－UD＝5－0.7－0.7＝3.6V输入为0输出为1≈5V4.3V0.7V由于T2截止，VCC通过R2、T3和D管使之工作在导通状态，T3发射结和D的导通压降均为0.7V。ib3≈0VCC(+5V)YR21.6KΩR14KΩT1AR31KΩR4130ΩD1DT2T3T43.6V

综上所述可知，图2.4.1(a)所示电路确实实现了非运算，是非门，即反相器。73

输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f(uI)的函数关系。典型的输入特性如图所示。

二、静态特性

1、输入特性74①输入端短路电流IIS

当uI=UIL=0V时的输入电流称为输入端短路电流IIS，是uI=0即输入端对地短接时，由反相器输入端流出来的电流。数值为：

②输入漏电流IIH。

当uI=UIH=3.6V时的输入电流称为输入漏电流IIH，即T1倒置工作时的反向漏电流，其电流值很小，倒置时其电流放大系数βi=0.01～0.02，若取βi=0.02，则数值为：75③输入端负载特性

反映接在反相器输入端电阻Ri两端的电压uI和Ri阻值之间关系的曲线称为输入端负载特性曲线，简称输入端负载特性如图所示。开门电阻Ron

当Ri=∞，即输入端悬空时，iB1经T1集电极流入T2基极，使T2饱和导通。进而使T4也饱和导通并导致T3、D截止，反相器处于导通状态，输出电压uO=UOL≤0.3V，而uB1由于bc1、be2、be4结的钳位作用，被固定在2.1V，因此uI=uB1-uBE1=(2.1-0.7)V=1.4V。实际上，要使反相器工作在导通状态，uO≤0.3V，Ri只需大于2.5KΩ就可以了，因此把2.5KΩ称为反相器电路的开门电阻Ron。76关门电阻Roff

当Ri=0，iB1全部流向T1发射极，T2、T4截止，T3、D导通，输出电压uO=UOH=3.6V，反相器处于截止状态。而uI=iB1·Ri=0V。实际上，只要Ri＜0.7KΩ，反相器就会截止，输出为高电平，因此又把0.7KΩ称为反相器电路的关门电阻，用Roff表示。综上所述可知，当Ri＞Ron时，其逻辑状态相当于1，反相器导通，输出端逻辑状态为0；当Ri＜Roff时，其逻辑状态相当于0，反相器截止，输出端逻辑状态为1。如果Roff＜Ri＜Ron，则反相器将处于不正常状态，既不是1也不是0，这种情况是不允许的。77

例：在下图中，若均为TTL门电路，试写出各个输出信号的逻辑表达式。Y1AB≥110kΩ(a)Y2≥1&AB100Ω(b)

解：图(a)中，Ri=10kΩ＞Ron(2.5kΩ)，输入端相当于接“1”，∴图(b)中，Ri=100Ω＜Roff(0.7kΩ)，输入端相当于接“0”，∴782、输出特性

反映输出电压uO与输出电流iO之间的关系曲线，称为输出特性曲线，简称输出特性，如图所示。

79①uI=UIH、uO=UOL，带灌电流负载时的特性当uI=UIH，为高电平时，T2、T4饱和导通，T3、D截止，输出电压uO低电平，带灌电流负载，等效电路如图2.4.5所示。特性如图2.4.4(b)右边部分所示。RL是负载电阻，由于深度饱和，输出电阻很小，灌电流iO增加时，输出电压上升缓慢。反相器输出为低电平时，带灌电流负载的能力IOL可达16mA。

图2.4.4R14kΩT2T1+5VR21.6kΩR31kΩuO+VCC+5V+VCCUIH++__T4RLiO图2.4.580图2.4.4

②uI=UIL、uO=UOH，带拉电流负载时的特性当uI=UIL，为低电平时，T2、T4截止，T3、D导通，输出电压uO为高电平，带拉电流负载，等效电路如图2.4.6所示。特性如图2.4.4(b)左边部分所示。RL是负载电阻，T3工作在射极输出器状态，输出电阻也不大。当拉电流

iO＜5mA时，T3微饱和，因而输出高电平UOH变化不大。当

iO＞5mA时，T3进入深饱和，由于iR4≈iO，UOH=VCC－Uces2－UD－iOR4，故UOH将随着

iO增加而降低。图2.4.6T3R4+5VR21.6kΩ130ΩuOD+VCCRLiO_+iO的实际方向与参考方向相反813、电压传输特性反映输出电压uO与输人电压uI关系的曲线称为电压传输特性曲线，简称电压传输特性，如图2.4.7所示。

AB段：uI＜0.6V，T1正向饱和导通，uces1≈0.1V，uC1=＜0.7V，T2、T4截止，T3、D4导通，输出电压uO=UOH=3.6V，为高电平。称为截止区，电路处于稳定的关态。

BC段：对应uI≈0.6～1.3V，T1仍正向饱和导通，0.7V≤uC1＜1.4V。T2开始导通，进入放大区，但T4仍截止。T2管的集电极电压uC2、输出电压uO随着uI的增加而线性地减小。这一段称为线性区。UI/V3210123AUO/VBCDEUNHUNLUILUoffUthUon图2.4.7电压传输特性82

CD段：对应uI≥1.3V，T4开始导通。当uI增加时，输出电压急剧下降，T3和D4趋向截止，T4趋向饱和，电路状态由关态转换为开态。这一段称为转折区。转折区中心点对应的输入电压称为反相器的阈值电压，用Uth表示。Uth＝1.4V。

DE段：随着uI增加，T1进入倒置工作状态，T2、T4均饱和导通，T3、D4均截止，输出电压uO=UOL=0.3V,为低电平，电路进入稳定的开态。这一段称为饱和区。由于阈值电压Uth所对应的是电压传输特性转折区的中心点，所以在简化定性分析中，常常把Uth当作决定反相器输出端状态的关键值。认为uI＜Uth时反相器是关断的，输出端为高电平，即uO=UOH；uI＞Uth时反相器是开通的，输出端为低电平，即uO=UOL。UI/V3210123AUO/VBCDEUNHUNLUILUoffUthUon图2.4.7电压传输特性83

(1)输出逻辑高电平和输出逻辑低电平在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平UOH，典型值是3.6V，UOHmin＝2.4V。饱和区的输出电压为输出逻辑低电平UOL，典型值是0.3V，UOHmax＝0.4V。

(2)开门电平(Uon)和关门电平(Uoff)输入低电平UIL的典型值是0.3V，允许的输入低电平的最大值UILmax＝0.8V，称为关门电平Uoff=0.8V，它是保证反相器处于截止状态所允许的uI的最大值。

输入高电平UIH的典型值是3.6V，允许的输入高电平的最小值UIHmin＝2.0V，称为开门电平Uon=2.0V。

从电压传输特性曲线可以反映出TTL反相器的几个主要特性参数。84

(3)抗干扰能力在集成电路中，经常以输入端噪声容限的数值来定量地说明门电路的抗干扰能力。当输入为低电平时，为保证电路处于稳定的关态，输入低电平加上瞬态干扰信号不应超过关门电平Uoff。因此允许的干扰容限为UNL=UILmax－UOLmax＝(0.8－0.4)V＝0.4V

，称为低电平噪声容限。当输入为高电平时，为保证电路处于稳定的开态，输入高电平加上瞬态干扰信号不应低于开门电平Uon。因此允许的干扰容限为UNH=UOHmin－UIHmin＝(2.4－2.0)V＝0.4V

，称为高电平噪声容限。

另外，随着温度的升高，输出高电平和输出低电平都会升高，阈值电压却降低。电源电压的变化主要影响输出高电平，对输出低电平影响不大。851、传输延迟时间50%50%tPHL0011tPLH三、动态特性

tPHL：输出电压由高电平变为低电平的传输延迟时间。tPLH：输出电压由低电平变为高电平的传输延迟时间。

tpd：平均传输延迟时间。862、动态尖峰电流

(1)静态电源电流当uI=UIL=0V时，uB1=0.7V，T2、T4截止，在输出无负载情况下

当uI=UIH=3.6V时，uB1=2.1V，T2、T4饱和导通，T3、D截止87

(2)动态电源尖峰电流

在uI由UIL跳变到UIH过程中，会略有过冲。但是，当uI由UIH跳变到UIL时，电路在状态转换期间会出现很大的动态电源尖峰电流。因为在uI＝UIH时，T2、T4饱和，尤其是T4，其饱和程度很深，当uI由UIH跳变到UIL时，T2很快截止，使T3、D导通，而T4还来不及退出饱和状态，于是从VCC经R4、T3、D、T4形成了低阻通路，显然在这种情况下，电源电流iCC要出现很大的尖峰，如图所示。883、交流噪声容限

与CMOS电路相似．在TTL电路中由于半导体三极管的开关时间和分布电容的充、放电过程，输入信号变化时，必须有足够的变化幅度和作用时间，才能使输出端状态改变。当uI为窄脉冲，而且其宽度接近于门电路的传输延迟时间时则其幅度只有远大于直流情况，输出端才可能改变状态。显然反相器对这类窄脉冲的噪声容限比直流噪声容限要大。TTL反相器的平均传输延迟时间tpd的典型值是10ns，而绝大多数的TTL门电路的传输延迟时间都在50ns以内，因此，当输入脉冲的宽度达到微秒数量级时，应将其当做直流信号处理。892.4.2TTL与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门1、电路组成及符号

一、TTL与非门

图2.4.12(a)所示电路除了输入级T1采用了多发射极三极管外，其余部分和图2.4.1(a)所示反相器电路没有什么区别。D1、D2为输入端保护二极管，是为抑制输入电压负向过冲而设置的中间级(a)R14kΩT3T2T1YR4+5VT4R21.6kΩR3130Ω1kΩuOD+VCC输入级输出级D1D2ABYAB&(b)90⑵、工作原理①、当电路输入端A、B、C全部接高电平（3.6V）时VCC(+5V)YR21.6KΩR14KΩT1ABCR31KΩR4130ΩD1D2D3DT2T3T43.6V3.6V4.3V全导通0.7V×21.4V电位钳在2.1V发射结全反偏UBE1＝2.1－3.6＝－1.5V＜0

T1管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，T1管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。1VUC2＝UCES2＋Ube4＝0.3＋0.7≈1V∵UC2≈1V，该值不足以使T3、D导通，故T3、D截止。输入全1输出为0UY＝0.3V91②、当电路输入端A～C中至少有一个接低电平(0.3V)时0.3V3.6V3.6V截止接低电平的发射结导通Ub1≈0.3＋0.7＝1V

∵Ub1≈1V，作用于T1管的集电结和T2、T4管的发射结，不足以让T2、T4导通。故T2、T4截止。UY≈VCC－Ube3－UD＝5－0.7－0.7＝3.6V输入有0输出为13.6V≈5V4.3V1V由于T2截止，VCC通过R2、T3和D管使之工作在导通状态，T3发射结和D4的导通压降均为0.7V。ib3≈0VCC(+5V)YR21.6KΩR14KΩT1ABCR31KΩR4130ΩD1D2D3DT2T3T4921、电路组成二、TTL或非门

右图所示电路是TTL或非门的电路图。R1、T1、R’1、T’1构成输入级；并联着的T2、T’2和R2、R3构成中间级；R4、T3、D、T4构成输出级。2、工作原理输入A、B中只要有一个为1，即高电平，例如A=1，那么iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T4饱和导通，输出为低电平，即Y=0。只有当A=B=0时，iB1、i’B1均分别流入T1、T’1发射极，T2、T’2均截止，T4也截止，T3、D导通，输出才会为高电平，即Y=1。归纳上述结果可列出教材P123页的真值表，由表可得Y＝A+BDABR1T3T2T1YR4+VCCT4R2R3T’2T’1R’1输入级D1D’1i’B1iB1+5V输出级中间级93三、TTL与门、或门及与或非门

在TTL与非门的中间级再加一个反相电路，便可得到与门；在TTL或非门的中间级，再加一个反相电路，所得到的就是或门；至于TTL与或非门，则只要将图2.4.13所示电路中的T1、T’1换成多发射极三极管即可。图2.4.14给出了TTL异或门的等效逻辑图及符号。由逻辑图可以很容易地得到四、TTL异或门虽然上述几种门电路的逻辑功能各不相同，但是它们的输入级和输出级的电路结构和TTL反相器的输入级和输出级是相同的。&≥1≥1YAB(a)ABY(b)＝1图2.4.14942.4.3TTL集电极开路门和三态门一、集电极开路门（OC门）

下图给出的是集电极开路与非门。电路输出级三极管T4的集电极是开路的，故名集电极开路门(OpenColle