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1、第三章第三章 门电路门电路3-1 概述3-2 半导体二极管门电路3-3 TTL门电路3-4CMOS门电路3-13-1 概述l 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 l获得高、低电平的基本原理VccIvovS1S2输输入入信信号号输输出出信信号号图3.1.3 互补开关电路图3.1.3 互补开关电路正逻辑：正逻辑：高电平高电平表示表示1，低电平低电平表示表示0负逻辑：负逻辑：高电平高电平表示表示0，低电平低电平表示表示13.23.2半导体二极管门电路半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性（半导体二极管的结构和外特性（DiodeDiode）l 二极管的结构：PN结+引

2、线+封装构成PN3.2.13.2.1二极管的开关特性：二极管的开关特性：高电平：高电平：VIH=VCC低电平：低电平：VIL=0 u VI=VIH D截止，VO=VOH=VCCu VI=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 二极管与门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定规定3V以上为以上为10.7V以下为以下为03.2.3 二极管或门设设VCC=5V加到加到A,B的的

3、VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定规定2.3V以上为以上为10V以下为以下为0二极管构成的门电路的缺点u电平有偏移u带负载能力差u只用于IC内部电路一、一、双极型三极管的结构双极型三极管的结构3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性3.3 TTL门电路门电路管芯管芯+三个引出电极三个引出电极+外壳外壳基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂以NPN为例说明工作原理：u 当VCC VBBu be 结正偏,bc结反偏u e区发射大量的电子u b区薄，只有

4、少量的空穴u bc反偏，大量电子形成IC二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPNNPN）u VON：开启电压u 硅管，0.5 0.7Vu 锗管，0.2 0.3Vu 近似认为:u VBE 0.7V以后，基本为水平直线)V(fiCEC l特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分放大区：条件放大区：条件VCE 0.7V,iB 0,iC随随iB成正比变化，成正比变化，iC=iB。饱和区：条件饱和区：条件VCE 0,VCE 很低，很低，iC 随随iB增加变缓，趋于增加变缓，趋于“饱和饱和”。截止区：条件截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间间“断断开开”。三极管开关电路如图

5、三极管开关电路如图3.3.1所示所示三、三、双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路图图3.3.1 晶体三极管开关电路晶体三极管开关电路三极管替代三极管替代开关开关3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性图图3.3.1 晶体三极管开关电路晶体三极管开关电路T当当vI=VIH，为高电平时，使得，为高电平时，使得iBIBS=VCC/RC，三极管处于，三极管处于饱和导通态，输出饱和导通态，输出vo VOL Vces0,为低电平；为低电平；3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性当当vI=VILVGS(th)时时,管子导通，管子导通，iD V 2GS，RON

6、1k3.9.1 MOS管管(绝缘栅）的开关特性绝缘栅）的开关特性VGS|VGS（th)P|+VGS(th)N，2.工作原理工作原理l当当vIVIL0为低电平时为低电平时)(OHoffonDDDDonoffoffRRVVRRRv3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理l当当vIVIHVDD为高电平时为高电平时)(0OLoffonDDonoffonRRVRRRvu特点特点 1.无论无论 vI 是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，T1和和T2管总管总是一个导通一个截止的工作状态，称为互补，是一个导通一个截止的工作状态，称为互补，这种电路结构这种电路结构CMOS电路

7、电路；2.由于无论输入为低电平还是高电平，由于无论输入为低电平还是高电平，T1和和T2总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过T1和和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。的静态电流很小，故其静态功耗很小。3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理uAB段：输入低电段：输入低电平平0OLOVVNGSIVV)th(DDOHOVVVuCD段：输入高电平段：输入高电平PTHGSDDIVVV)(图图3.3.11 CMOS反相器的电反相器的电压传输特性压传输特性二、电压传输特性和电流传输特性二、电压传输特性和电流传输特性1.电压传输特

8、性电压传输特性3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理uBC段：段：PTHGSDDINTHGSVVVV)()(图图3.3.11 CMOS反相器的电反相器的电压传输特性压传输特性DDODDIVVVV2121时，当T1、T2同时导通，若同时导通，若T1、T2参数完全相同，则参数完全相同，则2.电流传输特性电流传输特性图图3.3.12 CMOS反相器的电反相器的电流传输特性流传输特性uAB段：输入低电平段：输入低电平输出漏极电流近似为零输出漏极电流近似为零 电流传输特性是反相电流传输特性是反相器的漏极电流随输入电器的漏极电流随输入电压变化曲线。压变化曲线。uCD段：输

9、入高电平段：输入高电平3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理uBC段：段：图图3.3.12 CMOS反相器的电反相器的电流传输特性流传输特性PTHGSDDINTHGSVVVV)()(T1、T2同时导通，有电同时导通，有电流流iD同时通过，且在同时通过，且在 vIVDD/2附近处，漏极附近处，漏极电流最大。电流最大。3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理图图3.3.14 VDD对电压传输特性对电压传输特性的影响的影响三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限图图3

10、.3.13 CMOS反相器输反相器输入噪声容限示意图入噪声容限示意图3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性一、输入特性一、输入特性 输入特性是从输入特性是从CMOS反相器输入端看其输入电压反相器输入端看其输入电压与电流的关系。与电流的关系。由于由于MOS管的栅极和衬底之间存在管的栅极和衬底之间存在SiO2为介质的输为介质的输入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对由由MOS管所组成的管所组成的CMOS电路，必须采取保护措施。电路，必须采取保护措施。0vI VDD，输入端保护电路不起作用。当，输入端保护电

11、路不起作用。当vI VDD+VD1时，时，D1导通，将栅极电位导通，将栅极电位vG钳位在钳位在VDD+VD1，而当，而当vI -VD2时，时，D2导通，将栅极电位导通，将栅极电位vG钳位在钳位在VD2图图3.3.15 CMOS反相器的两种常用保护电路反相器的两种常用保护电路3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性图图3.3.16 CMOS反相器的输入特性反相器的输入特性D1、D2截止截止D1或或D2导通导通D1或或D2导通导通二、输出特性二、输出特性1.低电平输出特性低电平输出特性 在输

12、入为高电平，即在输入为高电平，即 vIVIHVDD时，此时时，此时T1截止，截止，T2导通，电流从负载注入导通，电流从负载注入T2，输出电压输出电压VOL随电流增加而提随电流增加而提高。高。图图3.3.17 输出为低电平时的电路输出为低电平时的电路3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性实际上是实际上是T2管漏极电流管漏极电流iD和漏源电压和漏源电压vDS之间的关系之间的关系3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性2.高电平输出特性高电平输出特性图图3.

13、3.18 输出为高电平时的电路输出为高电平时的电路电流的实际方向与所电流的实际方向与所设方向相反设方向相反 在输入为低电平，即在输入为低电平，即 vIVIL0时，此时时，此时T1导通，导通，T2截止，电流从截止，电流从T1管流出到负载，输出电压管流出到负载，输出电压VOHVDDIOHRON1随电流增加而下降。随电流增加而下降。3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性图图3.3.19 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性高电平输出特性也和管高电平输出特性也和管子的输出特性有关，而子的输出特性有关，而且且vGS越负，电压下降越负，电压下降的越少的越少3

14、.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间tPHL和和tPLHCMOS电路电路tPHL tPLH二、交流噪声容限二、交流噪声容限3.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性图图3.3.20 交流噪声容限在不同交流噪声容限在不同VDD时交流时交流噪声容限与噪声电压作用时间的关系噪声容限与噪声电压作用时间的关系它反映它反映CMOS反相器反相器的动态抗干扰能力。的动态抗干扰能力。其中其中tw 是脉冲宽度。是脉冲宽度。VNA=f（tw）三、动态功耗三、动态功耗3.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性2LCDDVfCP 电容充放电的功耗为电容充

15、放电的功耗为两个管子同时导通时的功耗两个管子同时导通时的功耗PT为为3.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性2PDTAVDDTDDVfCIVP总的动态功耗为总的动态功耗为CTDPPP3.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性CMOS反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即sDTOTPPP3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门1.CMOS与非门与非门 T1、T3为两个并为两个并联的联的PMOS，T2、T4为两个串联的为两个串联的NMOS图图3.3.21 CMOS与非门与非门一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的CMOS门电

16、路门电路)(ABY T1、T3为两个串联的为两个串联的PMOS，T2、T4为两个为两个并联的并联的NMOS)(BAY2.2.或非门：或非门：3.9.5其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门图图3.3.22 CMOS或非门或非门3.3.带缓冲级的带缓冲级的CMOSCMOS门电路门电路3.9.5其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门上面电路存在的问题：上面电路存在的问题：输出电阻输出电阻RO受输入状态受输入状态的影响；的影响；ONONOONONOONONONOONONONORRRBARRRBARRRRBARRRRBA3131420,11,021/0,021,1则则则则输出的高低电平受输入端输出

17、的高低电平受输入端数目的影响数目的影响3.9.5其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门 输入端数目愈多，低输入端数目愈多，低电平电平VOL越高；输出高电平越高；输出高电平VOH也提高也提高 输入状态不同对电压传输特性有影响，使输入状态不同对电压传输特性有影响，使T2、T4达达到开启电压时，输入电压到开启电压时，输入电压vI不同不同 改进电路均采用带缓冲级的结构，如图改进电路均采用带缓冲级的结构，如图3.3.23为带缓冲级的为带缓冲级的CMOS与非门电路与非门电路3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门图图3.3.23 带缓冲级的与非门带缓冲级的与非门)()(ABBAF二、漏极开路

18、输出的门电路（二、漏极开路输出的门电路（OD门）门）3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门图图3.3.24 OD输出与非门输出与非门74HC03电路结构图电路结构图OD门门1.结构和符号结构和符号3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门图图3.3.2 OD门的逻辑符号门的逻辑符号2.工作原理工作原理 在使用在使用OD门时，门时，一定要将输出端通过一定要将输出端通过电阻（叫做上拉电阻）电阻（叫做上拉电阻）接到电源上。接到电源上。3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门电平转换电平转换图图3.3.27 线与逻辑电路的接法线与逻辑电路的接法3.9.5 其他类型的

19、其他类型的CMOS逻辑门逻辑门4.上拉电阻上拉电阻RL的计算的计算3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门 OD门输出为高电平门输出为高电平OHIHOHLDDVmInIRV)(IHOHOHDDLmInIVVR(max)OD门输出为低电平门输出为低电平max)(OLILLOLDDIImRVVILOLOLDDLImIVVRmax(min)3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门OD门输出低电门输出低电平最大值平最大值三、三、CMOS传输门传输门3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门T1为为NMOS管，管，T2为为PMOS管，管，C和和C 为互补控制信号为互补控

20、制信号图图3.3.33 CMOS传输门传输门 1.电路结构及逻辑符号电路结构及逻辑符号2.工作原理工作原理3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门图图3.3.34 传输门的工作电路传输门的工作电路（1）C0，C 1 只要只要vI在在0 VDD之间之间变化，变化，T1和和T2同时截止，同时截止，输入和输出为高阻态，传输输入和输出为高阻态，传输门截止，输出门截止，输出vo03.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门（2）C1，C 0vI 在在0 VDD时，输出为时，输出为vovI0 vI VDD-VGS(th)N|VGS(th)P|vI VDD其工作原理为：当其工作原理为：当

21、C1,开关闭合，开关闭合，vo vI；当；当C0,开关断开，输出高阻态。开关断开，输出高阻态。图图3.3.36 CMOS双向模拟开关的电路及符号双向模拟开关的电路及符号3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门四、三态输出的四、三态输出的CMOS门电路门电路3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门图图3.3.38 CMOS三态门的电路及符号三态门的电路及符号3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门例例1 CMOS门电路如图门电路如图3.3.41所示，试分析电路的逻辑所示，试分析电路的逻辑功能功能解：当解：当C0时，时，C 1，传输门为高，传输门为高阻态，故输出

22、阻态，故输出YZ故这是由故这是由CMOS或非或非门和门和CMOS传输门构传输门构成的三态或非门成的三态或非门传输门传输门当当C1时，时，C 0，传输门为开启，输出传输门为开启，输出Y（AB）解：（解：（a）YA例例2 由由CMOS传输门构成的电路如图（传输门构成的电路如图（a）、（）、（b）、）、（c）所示，试写出各电路的输出函数的表达式。）所示，试写出各电路的输出函数的表达式。(b)(b)输出、输入真值表为输出、输入真值表为ABY2000011110001输出逻辑式为输出逻辑式为ABY 其输出逻辑式为其输出逻辑式为)(BAY注：为了避免传输门关闭时注：为了避免传输门关闭时出现高阻态，可以在输

23、出端出现高阻态，可以在输出端通过大电阻接地；也可以输通过大电阻接地；也可以输出端通过电阻接电源。这样出端通过电阻接电源。这样输出端均会有确定的值。输出端均会有确定的值。(C)其输出输入真值表为其输出输入真值表为例例3 电路如图电路如图3.3.43所示。试分析其逻辑功能所示。试分析其逻辑功能解：当解：当EN 1时，传输门截止，输出为时，传输门截止，输出为YZ（高阻态）（高阻态）当当EN 0时，传输门开启，时，传输门开启，CMOS反相器的输出通过反相器的输出通过传输门到达输出，使得传输门到达输出，使得YA，故为三态输出的反相器。，故为三态输出的反相器。3.10 TTL电路与电路与CMOS电路的接口

24、电路的接口*无论何种门作为驱动门，都必须为负载门提供合乎标无论何种门作为驱动门，都必须为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流。准的高、低电平和足够的驱动电流。其中其中n和和m分别为负载电分别为负载电流中流中IIH、和、和IIL的个数。的个数。集成逻辑门使用中的几个问题集成逻辑门使用中的几个问题1.多余输入端的处理多余输入端的处理a.将多余端和使用的输入端并联使用将多余端和使用的输入端并联使用注：这种方法对注：这种方法对ECL门使带负载能力下降，对于门使带负载能力下降，对于CMOS门可降低工作速度，增加功耗。门可降低工作速度，增加功耗。b.将多余端悬空或剪掉将多余端悬空或剪掉注：对于注

25、：对于TTL门电路，由于输入阻抗小，影响不大；门电路，由于输入阻抗小，影响不大；对于对于CMOS门、门、ECL门，会使电路不能稳定工作门，会使电路不能稳定工作c.依照逻辑门的功能将多余端接固定的电平依照逻辑门的功能将多余端接固定的电平，如对于，如对于与门和与非门，多余端可接高电平；而或门和或非门与门和与非门，多余端可接高电平；而或门和或非门可接低电平，可接低电平，3.10 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路的接口*2.2.逻辑逻辑电平的匹配电平的匹配方法是接方法是接上拉电阻上拉电阻或或利用利用OC门来进行电平转换门来进行电平转换，现在，现在有现成的各类电平转换电路供用户选择。有现成的各类

26、电平转换电路供用户选择。3.负载能力的匹配负载能力的匹配在满足电平匹配的情况下，在满足电平匹配的情况下，TTL门电路的驱动电流大，门电路的驱动电流大，可以直接驱动可以直接驱动CMOS门。而门。而CMOS门的驱动电流很小，门的驱动电流很小，不能直接驱动不能直接驱动TTL门。门。采用的方法是使用专门的接口电路。注意：同一类型采用的方法是使用专门的接口电路。注意：同一类型不同系列的逻辑门也要注意器件使用配合的问题不同系列的逻辑门也要注意器件使用配合的问题3.10 TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路的接口*人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。