第2章CMOS集成电路

第2章CMOS集成门电路※2.1“教、学、做”项目4：基于CC4011的“声、光控节能开关”设计2.2CMOS集成门电路的发展沿革2.3CMOS门电路※2.4双极型门电路2.5BiCMOS门电路2.6集成门电路的使用※2.7“教、学、做”项目5：基于CC4011的“低成本抢答器”设计※2.8“教、学、做”项目6：基于CC4069的“光柱式脉博计”设计学习目标：（1）掌握CMOS、BICMOS、LSTTL集成门芯片的外部特性、主要性能参数及选型原则。（2）初步掌握实现指定逻辑功能的CMOS电路设计方法。（3）熟练掌握常用CMOS和LSTTL集成芯片的逻辑功能表、封装图及其典型应用。2.1“教、学、做”项目4：基于CC4011的“声、光控节能开关”设计图2.1基于CC4011芯片的“声、光控节能开关”基于CC4011芯片的“声、光控节能开关”参考电路如图2.1所示。声光控节能开关在白天或光线较强的场合即使有较大的声响，也能控制灯泡不亮，晚上或光线较暗时，遇到声响(比如脚步声、说话声等)后，灯自动点亮，经过设定的时间后自动熄灭。适用于楼梯，走廊等只需短时间照明的地方。在图2.1中，二极管V1～V4组成桥式整流电路，将220V市电变换成脉动直流电，再经R7降压限流，V5稳压，C3滤波后输出8V直流电，为四2输入与非门芯片CC4011及三极管V7提供电源。白天光线照射到光敏电阻GR上时，其阻值变得很小(约5KΩ左右)。RP串联R4，GR对8V直流电压分压，使与非门D1的输入端①脚为低电平，输出端③脚被锁定为高电平，因③脚输出电平与②脚的信号无关，所以可认为是①脚封锁了声音通道，使声音脉冲信号不能通过D1门，即灯泡HL的亮灭不受声音控制。这时门D1输出的高电平经过门D2、D3、D4三次反相后，转换成低电平，晶闸管VS无触发信号不导通，灯不亮。夜间，GR因无光线照射呈高电阻(约100KΩ左右)，经GR、R4、RP串联电路分压，使与非门D1的输入端①脚变成高电平，此时，门D1的输出状态由输入端②脚的信号确定。②脚输入高电平时，门D1输出低电平；②脚输入低电平时，门D1输出高电平。没有声音信号时，三极管VT7工作在饱和状态，门D1的②脚为低电平。当楼梯、走廊中有脚步声或讲话声时，话筒B拾取到的声音信号经VT7管放大，三极管VT7由饱和状态转换为放大状态，VT7的集电极由低电平转变成高电平并送到门D1的②脚，经D1、D2两次反相后输出高电平使二极管VT6导通，并对电容C2充电，因充电时间常数很小，很快使C2上端为高电平。该高电平经D3、D4两次反相以后，输出高电平，通过R6触发可控硅VS导通，电灯HL点亮。声音消失后，门D2输出低电平，因二极管VT6截止，电容C2通过R5缓慢放电，门D3的输入端仍保持高电平，门D4输出端也保持高电平，灯HL维持发亮。经过Δt≈R5C2(秒)，当C2两端电压下降到低电平时，门D4输出端变为低电平，VS无触发信号(且存在脉动直流电压的波形过零点)而自行关断，灯HL自动熄灭。2.2CMOS集成门电路的发展沿革在20世纪60年代RCA公司率先开发出了4000系列CMOS集成逻辑门电路。它具有零静态功耗和很宽的电源电压范围（+3~+15V），其输出电压可以达到全摆幅，输入端几乎不取电流的优点。其缺点是工作速度不够快（电源电压为10V时只有1MHZ），并且其输入端容易因静电电压而损坏。到了70年代，4000系列CMOS发展成了4000B系列，提供更宽的输入电压允许范围（+3~+18V）及更快的工作速度（电源电压为5V时就有3.5MHZ）。74C系列CMOS门电路也达到TTL74LS系列芯片的相似指标，同时具有TTL74LS系列芯片相同的脚位分布。CMOS逻辑门电路在20世纪80年代最值得称道的发展成果是其在工作速度和负载驱动能力上达到并超过TTL门电路的水平。74HC（高速CMOS）系列不但达到了TTL74LS系列同样的工作速度，且具有比其更低的静态功耗；74AC（先进CMOS）系列也达到了TTL74F系列及TTL74AS系列同样的工作速度。这两个系列吸取了TTL和CMOS各自的优点：全摆幅输出、阈值电压UT为电源电压的一半。这些优秀的性能加上零静态功耗和价格上的绝对优势，使得它们完全取代了双极型TTL集成门电路。在20世纪80年代，如微处理器和存储器等大规模、超大规模集成电路的制造工艺从NMOS逐渐转为CMOS，其目的是为了获得更低的功耗及与CMOS逻辑门电路系列更好的兼容，同时集成电路的速度和功能复杂性也大大增加。在对速度要求极高的领域，GaAs(砷化镓)器件的速度能够达到GHZ数量级。CMOS集成门电路功耗极低，成本低，电源电压范围宽，集成度高，抗干扰能力强，输入阻抗高，扇出能力强。在所有数字系统设计中几乎都采用CMOS74HC逻辑门电路，需要使CMOS兼容TTL时可选用74HCT系列；对速度要求较高的场合可选用74AC（T）系列，虽然双极型TTL（74LS/ALS）也可以选用，但是选用CMOS集成门电路更胜一筹。例2.1有一大水箱由YS、YL两台水泵供水，水箱中设置了三个水位检测元件A、B、C，如图2.1所示。当水面低于检测元件时，检测元件输出高电平，当水面高于检测元件时，检测元件输出低电平。现要求水位超过C点时，YS、YL停止工作；水位低于C点但高于B点时，YS单独工作；水位低于B点但高于A点时，YL单独工作；水位低于A点时，YS、YL同时工作。试运用逻辑门电路来设计此控制电路。解：①逻辑抽象。输入变量：水位检测元件用A、B、C表示，低于检测元件为1，高于为0；输出变量：水泵以YS、YL表示，水泵工作为1，不工作为0；2.3CMOS门电路有4000A和4000B两个品系，还有4500和5000两个扩展品系。4000A与4000B两者的不同点是：①4000A的电源电压范围为3～15V，4000B的电源电压范围为3～18V；②4000B是在4000A的基础上后接2级缓冲器构成的，使电路的增益大大提高而且使输入、输出充分隔离。在4000B系列中同时保留了不带缓冲器的产品，称为4000VB。4500则是在4000的基础上补充了约90个通用型号后构成的扩展系列，5000扩展系列则补充了一些集成度较高的品种。高速CMOS电路54H∕74HC××的工作和输出驱动电流能力和LSTTL(低功耗肖特基系列)电路相近，它有HC、HCU和HCT三种标准化类型。2.3.1.实现指定逻辑功能的CMOS电路设计图2.5CMOS非门图2.6CMOS与非门电路

图2.7CMOS或非门

(a).逻辑图(b).CC4081的内部电路

图2.8四2输入与门（CC4081）

(a)等效逻辑电路；(b)内部电路图2.9四2输入或门的或门CC4071(a)内部电路(b)等效逻辑电路(c)电路符号

图2.10CMOS与或非门CC4085

（a）逻辑图(b)实际电路(c)等效电路（d）CC4011构成的“异或”门图2.11四异或门芯片CC4070(d)(a)同或门的电路符号(b)异或门的电路符号图2.12同或门与异或门的电路符号(a)NMOS管串联(b)NMOS管并联(c)逻辑函数的串联(d)逻辑函数的并联图2.13NMOS管的串联可实现“与”逻辑，NMOS管的并联可实现“或”逻辑实现指定逻辑功能的CMOS电路设计的规律是：①NMOS管的串联可实现“与”逻辑，并联可实现“或”逻辑，其输出是该逻辑的反，如图2.12(a)(b)所示，等效逻辑电路图如图2.12(c)(d)所示。②每个CMOS门电路都由互补的NMOS管和PMOS管组合而成，且两互补的NMOS管、PMOS管的栅极连接在一起作为输入端。③要实现“与”逻辑，可将相应的NMOS管组合串联；要实现“或”逻辑，可将NMOS管组合并联，如图2.12(c)(d)所示。④NMOS管串联时，其对应的PMOS管一定并联；NMOS管并联时，其对应的PMOS管一定串联。图2.14实现函数的CMOS电路

图2.15用CMOS门电路实现逻辑函数:

图2.16CMOS三态门8.三态门(a)电原理图(b)传输门逻辑符号(c)的内部电路

图2.17CMOS传输门CC40669.CMOS传输门与模拟开关（a）电路图(b)符号图图2.18双向模拟开关（a）电路图(b)逻辑符号图图2.19CMOS漏极开路（OD）门图2.20两个OD门的“线与”连接电路图2.3.2

CMOS门电路的外部特性（a）逻辑电路(b)示意图(c)输入特性图2.21CMOS反相器的输入特性

(a)输出为高电平时的电路(b)输出为低电平时的电路(c)输出特性曲线图2.22CMOS反相器的输出特性(a)OD门线与连接电路图;(b)输出特性图2.23OD门（a）电压传输特性;(b)电流传输特性图2.24CMOS非门的传输特性二.CMOS门电路的动态特性

(a)电路;(b)波形图2.25CMOS反相器传输延迟时间2.CMOS门电路的输出状态转换时间（a）电路；(b)波形图2.26CMOS反相器输出状态的转换时间2.3.34000系列的CMOS集成电路使用说明表2.5CMOS集成电路4500系列器件的电特性参数

(a)54HC／74HC系列器件的输入保护电路;(b)54HCT／74HCT系列器件的输入保护电路图2.27输入保护电路(a)推挽输出;(b)三态输出图2.2854HC/74HC系列器件的推挽输出和三态输出电路2.4LSTTL(肖特基系列)门电路表2.8双极型门电路与CMOS门电路的主要电特性参数比较表图2.29LSTTL与非门电路的构成(a)肖特基三极管；(b)肖特基三极管的内部结构图2.30肖特基三极管及其内部结构图2.3174LS00集成电路的输入特性图2.3274LS00的输出特性

图2.33四2输入与非门74LS00的电压传输特性

2.5BiCMOS门电路

图2.38BiCMOS反相器（a）BiCMOS或非门;（b）BiCMOS与非门图2.39

BiCMOS门电路

图2.40BICMOS反相器的电压传输特性2.6集成门电路的使用

图2.41与非门多余输入端的处理

图2.42或非门多余输入端的处理二.使用TTL电路应注意的问题：①TTL集成电路芯片的电源均采用＋5V，使用时，不能将电源端与地端颠倒接错，也不能接高于5.5V的电源。否则会损坏器件。②TTL集成电路芯片的输入端不能直接与高于＋5.5V或低于－0.5V的低内阻电源连接，因为低内阻电源供给较大电流而烧坏器件。③其输出端不允许与电源或地短接，必须通过电阻与电源连接，以提高输出电平。④插入或拔出TTL集成电路芯片时，务必切断电源，否则会因电源冲击而造成永久损坏。⑤其多余输入端不允许悬空。处理方法如图2.42、图2.43所示。对于图2.43（b）中接地电阻的阻值要求R≤＝500。（a）利用NPN三极管作接口;（b）利用CC4050∕49作接口（c）利用OD与非门CC4017作接口图2.43CMOS驱动TTL电路（c）利用OD与非门CC4017作接口2.TTL电路驱动CMOS电路(a)利用TTLOC门作接口;(b)利用NPN开关管T作接口;(c)利用上拉电阻RP作接口图2.45TTL电路驱动CMOS电路图2.45TTL－CMOS芯片CC40109的应用

图2.46TTL或CMOS电路驱动负载

表2.10常用数字集成电路技术参数比较表2.7“教、学、做”项目5：基于CC4011的“低成本抢答器”设计

基于CC4011芯片的“低成本抢答器”参考电路如图2.49所示。它有多个输入端和一个复位端，当某一抢答输入端有抢答信号，则显示这一路的抢答成功。抢答成功后，使后面的抢答信号不能进入抢答器，一直到复位控制信号有效，才能解除封锁，进行下一次抢答。输入控制电路由U3A～U3D四个与非门组成，当U4B输出高电平时，K1～K4抢答信号才能通过U3A～U3D这些控制门。有效信号存储电路是由U1A～U2D等8个与非门构成的4个基本的RS触发器构成。抢答开始前，主持人按一复