第5节课-第3章 门电路

数字电子技术基础

第三章门电路第三章门电路3.2半导体二极管门电路3.3CMOS门电路3.5TTL门电路

3.2半导体二极管门电路

1.二极管与门

与门：实现与运算的电路。电路及其逻辑符号如图所示，只要输入A、B当中有一个为低电平时，则其支路中二极管导通，使输出端F为低电平。只有A、B全为高电平时，输出端F才为高电平。当A

、B、F为高电平时用逻辑1表示，低电平时则用逻辑0表示。真值表为：其逻辑表达式为2.二极管或门或门：实现或运算的电路。电路及其逻辑符号如图所示。输入A、B当中只要有一个为高电平时，则其支路中二级管导通，使输出端F为高电平。只有A、B全为低电平时，输出端F才为低电平。

真值表为：逻辑表达式为：

3.三极管非门电路非门：实现非运算的电路。电路及其逻辑符号如图所示。当输入A为低电平时，三极管截止，输出F为高电平，输入A为高电平时，三极管饱和，输出F为低电平。逻辑表达式F=

3.3CMOS门电路

3.3.2CMOS反相器利用PMOS管和NMOS管两者特性能相互补充的特点而做成的互补对称MOS反相器，简称CMOS反相器，如图示。

一、工作原理

①VI=VIL=0时，TL

TO

→VO=VOH≈VDD②VI=VIH=VDD时，TL

TO

→VO=VOL≈0特点：TL和TO总是一个导通一个截止，静态电流极小，功耗低。

二、CMOS反相器的主要特性

1．电压传输特性和电流传输特性假设：①VDD>VGS（th）N+|VGS（th）P|②VGS（th）N=|VGS（th）P|

③TL和TO具有相同的Ron和Roff工作区：Ⅰ：O≤VI<VGS(th)N→TL

TO

→VO=VDDiD≈0恒流区可变电阻区截止区Ⅱ：VGS(th)N<VI<VO-VGS(th)NiD↑→TL

TO

→VO≈VDD所以下降Ⅲ:VO-VGS(th)N≤VI<VO－|VGS(th)P|时iD↑↑→TL

TO

→VO急剧变化IV：VO–|VGS(th)P|≤VI<VDD–|VGS(th)P|iD↑TL

TO

→VO≈0但略大于0Ⅴ：VDD–|VGS(th)P|≤VI≤VDD→TL

TO

，VO=VOL iD≈0特点：

①静态功耗极低；②抗干扰能力强；③电源利用率高，且有较大的允许范围；④输入阻抗高，带负载能力强；⑤电压传输特性接近理想开关。

2.输入特性和输出特性3.CMOS反相器的动态特性（87页）一、CMOS与非门、或非门1与非门

AB

00T1

T2

T3

T4

Y=1Ro=Ron3//Ron4=Ron/201T1

T2

T3

T4

Y=1Ro=Ron4=Ron10T1

T2

T3

T4

Y=1Ro=Ron3=Ron11T1

T2

T3

T4

Y=0Ro=Ron1+Ron2=2Ron3.3.5其他类型的CMOS逻辑门电路

结论:①Y是A、B的与非；②A、B的状态决定Ro的大小，相差4倍；③输入端数↑使VOL↑（由于多个串联）

输入端数↑使VOH↑（由于多个并联）④输入端状态不同，电压传输特性也有所不同。

2或非门

AB

00T1

T2

T3

T4

Y=1Ro=Ron3+Ron4=2Ron01T1

T2

T3

T4

Y=0Ro=Ron2=Ron10T1

T2

T3

T4

Y=0Ro=Ron1=Ron11T1

T2

T3

T4

Y=0Ro=Ron1//Ron2=Ron/2

带缓冲级的与非门（实用产品，如4000系列）

增加缓冲器的好处：①输出电阻、输出的高低电压以及电压传输特性都不再受输入端状态的影响。②电压传输特性的转折区变得更陡了。注意逻辑功能的变化：二、

CMOS传输门

（1）电路结构

GSDSDG（2）原理①当C=0时，只要0≤VI≤VDD

则T1

T2

TG

（高阻抗>109）②当C=1时

0<VI<VDD

VGS(th)N→TN导通

|VGS(th)P|<VI<VDD→TP导通

TG

（低阻<103Ω）③由于T1T2结构的对称性，即D和S可互易使用

TG是双向的④传输门高低电平传输如图3-5-11（3）应用①可组成各种复杂的逻辑电路。如数据选择器、寄存器、触发器、计数器等；②双向模拟开关：传输连续变化的模拟信号，如CD4066；③多路模拟开关：在A/D转换电路中处理多路模拟信号。如：CD40518选1模拟开关（双向）

CD4052双4选1模拟开关（双向）

CD4053三2选1模拟开关（双向）

CD406716选1模拟开关（双向）

三、CMOS三态门

应用:①总线结构②数据双向传输

四、漏极开路输出门电路（OD门）CMOS还有漏极开路门电路（OD门）

1.可实现电平转换优点：2.提高带负载能力

3.实现“线与”功能。

3.3.6CMOS电路的正确使用（101页）一、输入端的静电保护①在存贮和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最耗采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、工作台面等良好接地。必要时带防静电手镯；③不用的输入端不应悬空。二、输入端加过流保护①输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻；②输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接入保护电阻；③输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。/因长线上不可避免地伴有分布电容、分布电感，信号突变时可能产生正、负振荡的脉冲。根据经验：RP=VDD/1mA，且当长度大于10米后，每增加10米，RP的值应增加1KΩ。集成逻辑门多余输入端的处理:一般不让多余的输入端悬空，以防引入干扰信号，尤其对CMOS器件输入端悬空可能因栅极感应静电电压而将管子击穿损坏。所以在带载能力允许的情况下，一般均可把多余的输入端和该电路的输入信号并接使用，以增加逻辑可靠性，如图示。3.3.7CMOS数字集成电路的各种系列已生产的标准化、系列化产品：

4000系列

HC/HCT系列：为高速CMOS系列

AHC/AHCT：为改进的高速CMOS系列

VHC/VHCTLVC：为低压CMOS系列

ALVC：为改进的低压CMOS系列

3.5TTL门电路

一、TTL与非门的工作原理1.TTL与非门的典型电路2.工作原理当输入端A、B、C中，只要有一个输入信号为低电平0.3V时，则相对的发射结导通，使T1管的基极电位被箝制到1V，T2管截止，故T4也截止。T3、D4管导通，输出高电平即输入端A、B、C中至少有一个为低电平时，输出端F为高电平。当输入端A、B、C全为高电平，T1管的基极电位升高，T1管的集电结、T2和T4管的发射结正向偏置而导通，致使T3管微导通，D4管截止。即输入端全为高电平时，输出端为低电平。所以该门是一个与非门。

VB1VB2ABC分析计算：（1）任一A、B、C=VIL=0.3V

VB1=0.3+0.7=1.0v→T2

→T1

→Vces1=0.1V→VB2=VIL+Vces1=0.4v→T2

T4

T3

→VO=VOHVO=VCC－VR2－VBE3－VD4≈5－0.7－0.7=3.6v（2）A=B=C=VIH=3.6V

VB1=VBC1+VBE2+VBE4=2.1V,→T2

T4

T3

T1倒置

→VO=VOL=VCES4≈0.3V（3）由（1）（2）可见，二、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力

1.电压传输特性电压传输特性分为四个区段：截止区、线性区、转折区和饱和区。2.抗干扰能力

TTL与非门在实际应用时，输入端有时会出现干扰电压叠加在输入信号上。当干扰电压VN超过一定数值时就会破坏与非门输出的逻辑状态。通常把不会破坏与非门输出逻辑状态所允许的干扰电压值叫做抗干扰能力。干扰电压亦称噪声，抗干扰能力也称噪声容限。抗干扰能力分为输入低电平的抗干扰能力VNL和输入高电平的抗干扰能力VNH。低电平的抗干扰能力为：VNL越大，表明TTL与非门输入低电平时抗正向干扰的能力越强。高电平的抗干扰能力为：VNH越大，表明TTL与非门输入高电平时抗负向干扰的能力越强。三、TTL与非门的电气性能1.TTL与非门的输入特性输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系曲线，如图示：2.TTL与非门的输出特性输出电压与负载电流之间的关系曲线，称为输出特性。(1)输出为低电平时的输出特性曲线：(2)输出为高电平时的输出特性曲线：3.带负载能力负载能力是指输出端所能驱动同类门的最大能力，称为扇出系数，以N0来表示。拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降；灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升。与非门的扇出系数N0取决于输出低电平时所能驱动的同类门的个数。通常。[例3-1]在图示电路中，试计算G1最多可以驱动多少个同样的门电路负载。要求G1输出的高、低电平满足，。解：首先计算保证时可以驱动的门电路数目N1。其次，再计算保证时能驱动的负载门数目N2。所以扇出系数N=10。四、TTL与非门动态特性1.平均传输延迟时间：输出电压由高电平变为低电平时的传输延迟时间是称为导通传输延迟时间；输出电压由低电平变为高电平时的传输延迟时间是称为截止传输延迟时间。通常把二者的平均值称作平均传输延迟时间，以表示。2.动态尖峰电流与非门从导通状态转换为截止状态或从截止状态转换为导通状态，在这个转换过程中，都会出现T3、T4两管瞬间同时导通，这瞬间的电源电流比静态时的电源电流要大，但持续时间较短，故称之为尖峰电流或浪涌电流，如图示。3.3.5其它类型的TTL门电路

1．TTL或非门

ABABA+B2．TTL异或门

一、集电极开路输出的门电路（OC门）①实现线与：②可同时实现电平转换；③驱动高压大电流负载。

1.OC门外接负载电阻的计算2.OC门的应用(1)实现与或非逻辑关系(2)实现电平转换(3)用作驱动器用OC门来驱动指示灯、继电器和脉冲变压器等。当用于驱动指示灯时，上拉电阻RL由指示灯来代替，指示灯的一端与OC门的输出相连，另一端接上电源即可。如电流过大，可串入一个适当的限流电阻。

二、三态输出门电路（TS门）

（1）实现：加控制端和控制电路，使输出有三个状态：VOH、VOL、高阻

EN=1→D

→Y=（此时输出只有VOH、VOL两种状态）EN=0→

D

→VC2≈1V（钳位）、T3

P=0→T2

T4

ro↑↑（高阻态）（2）应用①总线结构

②数据双向传输

3.5.6TTL数字集成电路的各种系列1．74H系列

(高速TTL)

为提高开关速度和减少传输延时，有两项改进：①输出级采用了达林顿管（降低了输出电阻，提高了拉电流的负载能力，尤其是加速了对负载电容的充电速度。）②将所有电阻阻值降低了一半（缩短了上升和下降时间，加速了三极管的开关速度。）优点：速度较快(6ns)

；缺点：增加了电路的静态功耗。

2．74S系列(肖特基TTL)

74系列和74H系列──饱和型逻辑门，饱和截止；

74S系列采用了三项措施提高开关速度：①采用肖特基三极管（抗饱和三极管）

肖特基三极管特点：饱和深度浅，工作速度高。②采用小的电阻；如图③用有源电路T6、R6、R3代替R3有源泻放回路：（a）缩短了门电路的传输延迟时间；（b）改善了门电路的传输特性。优点：①速度很快(3~4ns)；

②传输特性好缺点：①功耗大(电阻小)；②VOL较高(可达0.5V)①VOn≤0.4VSBD特点：②trr很小，开关速度快③生产工艺与TTL兼容。3．74LS系列(肖特基TTL)

理想门电路──速度快，功耗低

功耗一延迟积（pd积）：延迟和功耗的乘积

74LS系列实现了速度快，功耗低的要求如图,措施如下：①大幅提高电阻值，降低功耗；

②将R5从接地改接到输出端，降低了T3导通时R5的功耗；

③采用肖特基三极管和有源泄放电路以提高