数字电子技术 第三章 门电路

第三章门电路本次课主要内容概述半导体二极管门电路CMOS门电路CMOS反相器的电路结构和工作原理

CMOS反相器的输入输出特性其他类型CMOS门电路数字电子技术3.1概述门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门······门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0功能：实现逻辑运算，是构成数字电路的基本单元电路。门电路按工艺分为两大系列：TTL，CMOS按功能分：与、或、非与非、或非、与或非、异或…3.1概述74LS00引脚配置及DIP封装外形图常用门电路芯片型号及引脚图

74LS002输入四与非门TTL门电路常用门电路芯片型号及引脚图

六反向器74HC04CMOS门电路获得高、低电平的基本原理高/低电平都允许有一定的变化范围正逻辑：高电平表示1，低电平表示0

负逻辑：高电平表示0，低电平表示1

数字集成电路按规模分类集成电路按规模分类集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目。小规模集成电路(SmallScaleIC，SSI)中规模集成电路(MediumScaleIC，MSI)大规模集成电路(LargeScaleIC，LSI)超大规模集成电路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大规模集成电路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大规模集成电路(GiganticScaleIC，GSI）划分集成电路规模的标准数字集成电路类

别MOSIC双极IC模拟集成电路SSI＜10

2＜100＜30MSI10

2～10

3100～50030～100LSI10

3～10

5500～2000100～300VLSI10

5～10

7＞2000＞300ULSI10

7～10

9GSI＞10

93.2半导体二极管门电路

半导体二极管的结构和外特性

（Diode）二极管的结构：

PN结+引线+封装构成PN3.2.1二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D导通，VO=VOL=0.7V二极管的开关等效电路：二极管的动态电流波形：3.2.2二极管与门设VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=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03.2.3二极管或门设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0二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路3.3CMOS门电路

3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结以N沟道增强型为例：以N沟道增强型为例：当加+VDS时，VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0加上+VGS，且足够大至VGS>VGS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）开启电压二、输入特性和输出特性输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。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）截止区恒流区可变电阻区漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：iD

基本上由VGS决定，与VDS关系不大漏极特性曲线（分三个区域）

可变电阻区：当VDS较低（近似为0），VGS一定时，

这个电阻受VGS控制、可变。三、MOS管的基本开关电路四、等效电路OFF，截止状态

ON，导通状态五、MOS管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构二、电压、电流传输特性三、输入噪声容限结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限3.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性一、输入特性二、输出特性二、输出特性3.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间二、交流噪声容限三、动态功耗三、动态功耗

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(a)输入均为高电平(b)输入中有一个高电平(c)输入均为低电平3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路2.或非门带缓冲极的CMOS门1、与非门带缓冲极的CMOS门2.解决方法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(a)输入均为高电平(b)输入中有一个高电平(c)输入均为低电平3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路2.或非门带缓冲极的CMOS门1、与非门带缓冲极的CMOS门2.解决方法二、漏极开路的门电路（OD门）

2.实现电平转换

VOABRP+12V实现电平转换二、漏极开路的门电路（OD门）

二、漏极开路的门电路（OD门）

3.用做驱动器驱动发光二极管ABRP+5V上拉电阻RL的计算方法上拉电阻RL的计算上拉电阻RL的计算例图示电路中，已知G1、G2、G3为OD输出的与非门74HC03，输出高电平时的漏电流最大值为IOH(max)=5μA，输出低电平为VOL(max)=0.33V时允许的最大负载电流为IOL(max)=5.2mA。负载门G4~G6为74HC00，它的高电平输入电流最大值IIH(max)和低电平输入电流最大值IIL(max)均为1μA。若VDD=5V，要求VOH≥4.4V、VOL≤0.33V，试求RL取值的允许范围。解：三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门2.双向模拟开关四、三态输出门三态门的用途3.3.6CMOS电路的正确使用一、输入电路的静电防护1.在储存和运输CMOS器件时避免使用易产生静电的化工材料和化纤织物包装，最好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、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。3.不用的输入端不应悬空。3.3.6CMOS电路的正确使用二、输入电路的过流保护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，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。2.输入端接有大电容时，亦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RP。双极型三极管的开关特性 （BJT,BipolarJunctionTransistor）3.5TTL门电路

3.5.1半导体三极管的开关特性晶体管的三种工作状态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三极管反相器三极管的基本开关电路就是非门

参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设

需要说明的几个问题：

二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性三、输入噪声容限3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性输入特性输出特性3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性

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。输入端负载特性3.5.4TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象二、交流噪声容限（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限

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。3.5.5其他类型的TTL门电路（*自学）一、其他逻辑功能的门电路1.与非门2.或非门3.与或非门4.异或门二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性①输出电平不可调②负载能力不强，尤其是高电平输出③输出端不能并联使用

OC门2、OC门的结构特点OC门实现的线与三、三态输出门（ThreestateOutputGate,TS）三态门的用途一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值2.性能特点速度提高的同时功耗也增加3.5.6TTL数字集成电路的各种系列

（改进指标：)二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）电路改进采用抗饱和三极管用有源泄放电路代替74H系列中的R3减小电阻值2.性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大三、低功耗肖特基系列

74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）四、74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）···3.6其他类型的双极型数字集成电路*DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路···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(a)输入均为高电平(b)输入中有一个高电平(c)输入均为低电平3.3.5其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路2.或非门带缓冲极的CMOS门1、与非门带缓冲极的CMOS门2.解决方法二、漏极开路的门电路（OD门）

2.实现电平转换

VOABRP+12V实现电平转换二、漏极开路的门电路（OD门）

二、漏极开路的门电路（OD门）

3.用做驱动器驱动发光二极管ABRP+5V上拉电阻RL的计算方法上拉电阻RL的计算上拉电阻RL的计算例图示电路中，已知G1、G2、G3为OD输出的与非门74HC03，输出高电平时的漏电流最大值为IOH(max)=5μA，输出低电平为VOL(max)=0.33V时允许的最大负载电流为IOL(max)=5.2mA。负载门G4~G6为74HC00，它的高电平输入电流最大值IIH(max)和低电平输入电流最大值IIL(max)均为1μA。若VDD=5V，要求VOH≥4.4V、VOL≤0.33V，试求RL取值的允许范围。解：三、CMOS传输门及双向模拟开关1.传输门2.双向模拟开关四、三态输出门三态门的用途3.3.6CMOS电路的正确使用一、输入电路的静电防护1.在储存和运输CMOS器件时避免使用易产生静电的化工材料和化纤织物包装，最好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、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。3.不用的输入端不应悬空。3.3.6CMOS电路的正确使用二、输入电路的过流保护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，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。2.输入端接有大电容时，亦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RP。双极型三极管的开关特性 （BJT,BipolarJunctionTransistor）3.5TTL门电路

3.5.1半导体三极管的开关特性晶体管的三种工作状态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三极管反相器三极管的基本开关电路就是非门

参数合理？VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T截止，VO=VOL3.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设

需要说明的几个问题：

二、电压传输特性二、电压传输特性二、电压传输特性三、输入噪声容限3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性输入特性输出特性3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性

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。输入端负载特性3.5.4TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象二、交流噪声容限（b）负脉冲噪声容限（a）正脉冲噪声容限

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。3.5.5其他类型的TTL门电路（*自学）一、其他逻辑功能的门电路1.与非门2.或非门3.与或非门4.异或门二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性①输出电平不可调②负载能力不强，尤其是高电平输出③输出端不能并联使用

OC门2、OC门的结构特点OC门实现的线与三、三态输出门（ThreestateOutputGate,TS）三态门的用途一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值2.性能特点速度提高的同时功耗也增加3.5.6TTL数字集成电路的各种系列

（改进指标：)二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）电路改进采用抗饱和三极管用有源泄放电路代替74H系列中的R3减小电阻值2.性能特点速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大三、低功耗肖特基系列

74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）四、74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）···3.6其他类型的双极型数字集成电路*DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路···数字电路实验二

数据选择器电路、全加器电路和信号选择电路实验74LS151芯片说明数据选择器电路输入部分：给电路的地址端加入地址信号。接入数字电路实验箱的拨码开关输出部分：将输出部分接至数字电路实验箱的LED灯，以观察地址对输入信号的选择结果。74LS153芯片说明全加器电路74L