数字电子技术经典教程门电路

数字电子技术经典教程门电路第1页，共37页，2023年，2月20日，星期六与非门的逻辑功能：输入有“0”，输出为“1”输入全为“1”，输出才为“0”F1=AB或非门的逻辑功能：输入有“1”，输出为“0”输入全为“0”，输出才为“1”F2=A+B问题的提出第2页，共37页，2023年，2月20日，星期六？内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？？异或门的逻辑功能：输入相同，输出为“0”输入不同，输出为“1”ABF=1F=AB问题的提出第3页，共37页，2023年，2月20日，星期六本章的教学目标■理解CMOS门电路结构与工作原理■掌握CMOS门电路外特性，正确使用CMOS门电路■理解TTL门电路结构与工作原理■掌握TTL门电路外特性，正确使用TTL门电路第4页，共37页，2023年，2月20日，星期六门电路的分类集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门按制造工艺分PMOSNMOSCMOS按集成度分SSI（＜

10个等效门）MSI（＜100个等效门）LSI（＜104个等效门）VLSI（＞104个以上等效门）TTL、ECLI2L、HTL第5页，共37页，2023年，2月20日，星期六§2.1CMOS门电路MOS管的开关特性CMOS反相器CMOS与非门和或非门CMOS门电路的电气特性CMOS传输门改进型CMOS门电路第6页，共37页，2023年，2月20日，星期六MOS管的开关特性

MOS管又称为绝缘栅型场效应三极管（Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransisteor,MOSFET）MOS管分为N沟道MOS管（NMOS）和P沟道MOS管（PMOS），它们的工作原理基本相同。第7页，共37页，2023年，2月20日，星期六

取一块P型半导体作为衬底，用B表示。

用氧化工艺生成一层SiO2薄膜绝缘层。

用光刻工艺腐蚀出两个孔。

扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）

从N型区引出电极，一个是漏极D，一个是源极S。

在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。NMOS管的结构和符号第8页，共37页，2023年，2月20日，星期六

1．vDS=0，vGS＞0

vGS＞0将在绝缘层产生电场，该电场将SiO2绝缘层下方的空穴推走，同时将衬底的电子吸引到下方，形成导电沟道。反型层产生有漏极电流ID。这说明vGS对ID的控制作用。MOS管的工作原理

2．vDS＞0，vGS＞0思考：何谓反型层？何谓开启电压？第9页，共37页，2023年，2月20日，星期六NMOS管和PMOS管的通断条件NMOS当vGS＞VTN时导通当vGS＜VTN时截止PMOS当∣vGS∣＞VTP时导通

当∣vGS∣＜VTP时截止

第10页，共37页，2023年，2月20日，星期六

（1）当vGS=0时，rds可达到106Ω。当vGS增加时，rds减小，最小可达到10Ω左右，因此，MOS管可看成由电压控制的电阻。（2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。MOS管的电路模型第11页，共37页，2023年，2月20日，星期六CMOS反相器的电路结构CMOS反相器漏极相连做输出端PMOSNMOS柵极相连做输入端第12页，共37页，2023年，2月20日，星期六CMOS非门的工作原理CMOS反相器如果将0V定义为0，逻辑VDD定义为逻辑1，将实现逻辑“非”功能。1.当vI=0V时，vGSN=0V，VTN截止，∣vGSP∣=VDD，VTP导通，vO≈VDD，门电路输出输出高电平；2.当vI=VDD时，VGSN=VDD，VTN导通，∣VGSP∣=0V，VTP截止，vO≈0V，门电路输出低电平。第13页，共37页，2023年，2月20日，星期六CMOS与非门CMOS或非门和与非门00通通止止1第14页，共37页，2023年，2月20日，星期六CMOS或非门和与非门止止100通通CMOS二输入或非门第15页，共37页，2023年，2月20日，星期六思考题CMOS门电路结构上有什么特点？如何分析CMOS门电路的逻辑功能？第16页，共37页，2023年，2月20日，星期六1．电压传输特性用来描述输入电压和输出电压关系的曲线，就称为门电路的电压传输特性。

V2vIvOV11CMOS门电路的电气特性测量电路vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/V第17页，共37页，2023年，2月20日，星期六AB段：vI≤1.5V，VTN截止，VTP导通，输出电压vO≈VDD

CD段：vI≥3.5V，VTN导通，VTP截止，输出电压vO≈0V

BC段：1.5V≤vI≤3.5V，VTP、VTN均导通。当vI=VDD／2时，VTP和VTN

导通程度相当。CMOS门电路的电气特性vI/V5.03.51.5AB5.00CDvO/V第18页，共37页，2023年，2月20日，星期六AB段：VTN管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流几乎为0。

CD段：VTP管截止，电阻非常大，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也几乎为0。

BC段：两个管均导通，电阻很小，所以流过VTN和VTP管的漏极电流也很大。

CMOS门电路的电气特性动态尖峰电流

第19页，共37页，2023年，2月20日，星期六CD4000系列门电路的极限参数（VDD=5V）◆输出高电平电压VOH，VOH（min）=VDD-0.1V◆

输出低电平电压VOL

，VOL（max）=0.1V◆

输入高电平电压VIH，VIH（min）=70%VDD◆

输入低电平电压VIL，VIL（max）=30%VDD◆

阈值电压VTH=1/2VDDCMOS门电路的电气特性第20页，共37页，2023年，2月20日，星期六噪声容限

低电平噪声容限高电平噪声容限CMOS门电路的电气特性VNL=VIL（max）－VOL（max）VNH=VOH（min）－VIH（min）G111G2VOL（max）VIH（min）VOH（min）VIL（max）第21页，共37页，2023年，2月20日，星期六VNL=VIL（max）－VOL（max）=1.5V－0.1V=1.4V

CMOS门电路的电气特性例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOL（max）=0.1V，最大输入低电平VIL（max）=1.5V，最小输出高电平VOH（max）=4.9V，最小输入高电平VIH（max）=3.5V，则其低电平噪声容限VNL=

。（1）2.0V（2）1.4V（3）1.6V（4）1.2V

第22页，共37页，2023年，2月20日，星期六2.静态输入特性

CMOS门电路的输入阻抗非常大。

优点：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电流IIH≤1µA，低电平输入电流IIL≤1µA。

缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。

措施：输入级一般都加了保护电路。

CMOS门电路的电气特性第23页，共37页，2023年，2月20日，星期六3.静态输出特性当门电路输出低电平时

结论：灌电流（sinkingcurrent）负载提高了低电平输出电压VOL。

IOL：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V，VO=0.4V时，IOL（min）=0.44mACMOS门电路的电气特性第24页，共37页，2023年，2月20日，星期六

当门电路输出高电平时

结论：拉电流（sourcingcurrent）负载降低了高电平输出电压VOH。

CMOS门电路的电气特性IOH：参数由厂商提供，对于CD4011，当VDD=5V，VO=4.6V时，IOHmin=0.44mA第25页，共37页，2023年，2月20日，星期六

扇出系数

CMOS门电路的电气特性低电平时扇出系数：高电平时扇出系数：第26页，共37页，2023年，2月20日，星期六传输延迟时间（PopagationDelay）

平均传输延迟时间

CMOS门电路的电气特性tPHLtPLHvIvO4.动态特性

第27页，共37页，2023年，2月20日，星期六动态功耗

CMOS门电路的静态功耗非常低。CMOS门电路的电气特性（1）由负载电容产生的动态功耗第28页，共37页，2023年，2月20日，星期六动态功耗

CMOS门电路的电气特性（2）由动态尖峰电流产生的瞬时动态功耗（3）总的动态功耗第29页，共37页，2023年，2月20日，星期六CMOS电路的特点1.功耗小：CMOS门工作时，总是一管导通另一管截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小；2.CMOS集成电路功耗低内部发热量小，集成度可大大提高；3.抗幅射能力强，MOS管是多数载流子工作，射线辐射对多数载流子浓度影响不大；4.电压范围宽：CMOS门电路输出高电平VOH≈VDD，低电平VOL≈0V；5.输出驱动电流比较大：扇出能力较大，一般可以大于50；6.在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。第30页，共37页，2023年，2月20日，星期六电路结构和工作原理：当C为低电平时，VTN、VTP截止，传输门断开；

当C为高电平时，VTN、VTP中至少有一只管子导通，使vO=vI，传输门接通。

传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。CMOS传输门第31页，共37页，2023年，2月20日，星期六（1）构成组合逻辑电路CMOS传输门当S=0时，Z=X；当S=1时，Z=Y。为2选1数据选择器。

传输门的应用：第32页，共37页，2023年，2月20日，星期六（2）构成模拟开关CMOS传输门控制模拟信号传输的一种电子开关，通与断是由数字信号控制的。第33页，共37页，2023年，2月20日，星期六改进型CMOS门电路CMOS门电路几种常见系列：（1）CD4000系列：基本系列，速度较慢（2）74HC系列：速度比CD4000系列提高近10倍（3）74HCT系列：与LSTTL门电路兼容（4）LVC系列：低电压系列（5）BiCMOS系列第34页，共37页，2023年，2月20日，星期六改进型CMOS门电路BiCMOS反相器当vI输入高电平时，VTN1、VTN2和VT2导通，VTP、VTN3和VT1截止，vO输出低电平。

当vI输入低电平时，VTP1、VTN3和VT1导通，VTN1、VTN2和VT2截止，vO输出高电平。输入和输出实现非逻辑。

第35页，共37页，2023年，2月20日，星期六改进型CMOS门电路BiCMOS门电路的结构特点（1）BiCMOS门的输出电路总是由两个NPN晶体管组成推拉式结构。（2）连接上方（射随输出）晶体管基极的内部电路总是该门电路的基本功能电路部分。（3）下方（反相输出）晶体管基极上的信号总是上方晶体管基极信号的反。第36页，共37页，2023年，2月20日，星期六BiCMOS是继CMOS后的新一代高性能VLSI工艺。CMOS以低功耗、高密度成为80年VLSI的主流工艺。随着尺寸的逐步缩小，电路性能不断得到提