1、 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路第第2 2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路二极管、三极管的二极管、三极管的开关特性开关特性分立元件分立元件门电路门电路CMOSCMOS集成逻辑门集成逻辑门TTLTTL集成逻辑门集成逻辑门不同类型门电路的不同类型门电路的接口接口门电路应用举例门电路应用举例 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路本章教学基本要求本章教学基本要求掌握：掌握：（）（）与与门、门、或或门、门、非非门、门、与非与非门、门、或非或非门、门、与或与或非非门、门、异或异或门、门、同或同或门、传输门、门、传输门、三态门、门和门等的逻辑功能三态门、门和门等的逻辑功能（）（）用波形图法用
2、波形图法分析数字逻辑电路的方法分析数字逻辑电路的方法（）推拉输出和高阻状态的（）推拉输出和高阻状态的含义含义熟悉：熟悉：门和门负载电阻的门和门负载电阻的计算计算 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路本章教学基本要求本章教学基本要求了解：了解：（）半导体器件（）半导体器件开关作用开关作用和和开关特性开关特性（）（）和和电路结构及工作原理、电路结构及工作原理、外特性、主要参数、使用方法和注意事项外特性、主要参数、使用方法和注意事项（）（）线与线与概念概念 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 能够实现各种基本逻辑关系的电路称为能够实现各种基本逻辑关系的电路称为门电路门电路。二值逻辑变。二值
3、逻辑变量量1和和0在电路中是两种截然相反的状态，靠二极管、三极管开关在电路中是两种截然相反的状态，靠二极管、三极管开关的闭合和断开来控制和实现的，所以门电路也称的闭合和断开来控制和实现的，所以门电路也称开关电路开关电路。S为受控开关，当二极管、三极管截为受控开关，当二极管、三极管截止时相当于止时相当于S断开，输出为高电平。断开，输出为高电平。当二极管、三极管导通时，相当于当二极管、三极管导通时，相当于S闭合，输出为低电平。闭合，输出为低电平。2.1 2.1 二极管、三极管的开关特性二极管、三极管的开关特性 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定
4、范围的电位值，而非一的电位值，而非一固定值。固定值。高电平高电平高电平高电平低电平低电平低电平低电平正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路2.1.12.1.1二极管的开关特性二极管的开关特性当输入信号当输入信号为高电平为高电平 时，二极管时，二极管截止，输出截止，输出为高电平为高电平当输入信号当输入信号为低电平为低电平 时，二极管时，二极管导通，输出导通，输出为低电平为低电平CCIHIVUuCCOHOVUuVUuILI00OLOUu 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路外电压外电压U和电和电阻阻R较较小小,D的的压降和压降和内阻不内阻不可忽略可忽略时时 2.1.
5、12.1.1二极管的开关特性二极管的开关特性等效于等效于等等效效于于等等效效于于u和和R均均较大较大,D的压降的压降和内阻和内阻均可忽均可忽略时略时 外电阻外电阻R较大较大,但外电但外电压压u较较小小,D的的压降不压降不可忽略可忽略时时 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路在动态情况下，二极管两端电压突然反向时在动态情况下，二极管两端电压突然反向时，电流的建立和衰电流的建立和衰减总是滞后于电压的变化。这是因为当外加电压由反向突然变减总是滞后于电压的变化。这是因为当外加电压由反向突然变为正向时，为正向时，PN结内部有一个因电荷积累形成一定浓度梯度的过结内部有一个因电荷积累形成一定浓度梯度的过
6、程，从而引起扩散电流的过程，因而电流对电压而言稍有滞后程，从而引起扩散电流的过程，因而电流对电压而言稍有滞后。在外加反向电压作用下，在外加反向电压作用下，PN结两侧堆积的存储电荷，会形结两侧堆积的存储电荷，会形成较大的瞬态反向电流。随着存储电荷的消散，反向电流成较大的瞬态反向电流。随着存储电荷的消散，反向电流会迅速衰减并趋于零。会迅速衰减并趋于零。反向电流的大小和维持时间的长短，与正向导通时电流反向电流的大小和维持时间的长短，与正向导通时电流大小、反向电压和外电路电阻值及二极管本身特性有关大小、反向电压和外电路电阻值及二极管本身特性有关反向电流从峰值衰减到它的反向电流从峰值衰减到它的0.1倍所
7、需要的时间定义为倍所需要的时间定义为为反向恢复时间为反向恢复时间tre 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 当输入当输入 uI 为低电平，使为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。时，三极管截止。iB 0，iC 0，C、E 间相当间相当于开关断开。于开关断开。三极管关断的条件和等效电路三极管关断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线负载线临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区截止区截止区uBE UthBEC三极管三极管截止状态截止状态等效电路等效电路uI=UILuBE+-Uth为门限电压为门限电压2.1.2三极管的开关特性三
8、极管的开关特性一、双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的开关特性 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区 uI 增大增大使使 iB 增大，增大，从而工作点上移，从而工作点上移，iC 增增大大，uCE 减小。减小。截止区截止区uBE Uth时，三极管开始导通，时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大，三极管工作于放大导通状态。导通状态。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区
9、区放大区放大区截止区截止区uBE U UGS(th)PGS(th)P+U UGSGS（thth）N N 增强型增强型 PMOS 管开启电压管开启电压增强型增强型NMOS 管开启电压管开启电压增强型增强型PMOS管管(负载管负载管)增强增强NMOS管管(驱动管驱动管)集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路时时,增强型增强型PMOS管截止。管截止。时时,增强型增强型NMOS管截止。管截止。时时,增强型增强型PMOS管导通管导通.时时,增强型增强型NMOS管导通管导通.NthGSGSNUu)(增增强强型型NMOS转转移移特特性性增增强强型型PMOS 转转移移特特性性PthGSGSPuu)(PthG
10、SGSPuu)(GSPu+GSPu+DDIHILVUVU,0NthGSGSNUu)(集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路一一.工作原理工作原理 可见该电路构成可见该电路构成 CMOS 非门，又称非门，又称 CMOS 反相器。反相器。无论输入高低，无论输入高低，VN、VP 中总有一管截止，使静态漏中总有一管截止，使静态漏极电流极电流 iD 0。因此。因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。反相器静态功耗极微小。AuIYuOVDDSGDDGSVP衬底衬底 BVN衬底衬底 BUIH=VDD截止截止uGSP+-导通导通uGSN+-输入为高电平输入为高电平 UIH=VDD 时，时，uGSN=VDD U
11、GS(th)N,VN 导通，导通，VP 截止，截止，PGS(th)DDDDGSPV0UVVu 输入为低电平输入为低电平 UIL=0 V 时，时，uGSN=0V VVDDDD+U+UDFDF 导通导通 栅极电位栅极电位u uG G钳位在钳位在V VDDDD+U+UDFDF 电压不超出电压不超出V VDDDD+U+UDFDF u uI I-0.7V-0.7V 导通导通 栅极电位钳位栅极电位钳位在在-U-UDFDF 电压不超出电压不超出V VDDDD+U+UDFDF 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 CMOS器件使用的电源电压器件使用的电源电压VDDDD在在3 3 18V18V，所，所以加到
12、以加到C1 1和和C2 2上的电压不会超过管的耐压极限。上的电压不会超过管的耐压极限。但这种保护也是有限度的，如果超限的输入电但这种保护也是有限度的，如果超限的输入电压持续时间过长，压持续时间过长，D1 1、D2 2的正向导通电流或的正向导通电流或反向击穿电流过大，都会损坏输入保护电路，反向击穿电流过大，都会损坏输入保护电路，进而使栅极被击穿，因此仍需注意器件的使用进而使栅极被击穿，因此仍需注意器件的使用规范或采取一些附加的保护措施。不难分析，规范或采取一些附加的保护措施。不难分析，当保护电路起作用时，会产生一定的输入电流当保护电路起作用时，会产生一定的输入电流（实为二极管电流）。（实为二极管
13、电流）。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路输入特性输入特性 在在-UDFuIVDD+UDF以后，以后，iI I迅速增大，而在迅速增大，而在uI I-UDF以后，以后，D2经经RS（约（约1.5-2.5K 1.5-2.5K ）导通，）导通，iI I的绝对值随的绝对值随uI I增加而增加，增加而增加，二者近似呈线性关系，变化的斜率由二者近似呈线性关系，变化的斜率由RS决定。决定。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路4.输出特性输出特性输出特性是指电路的输出电压与输出电流的关系曲线输出特性是指电路的输出电压与输出电流的关系曲线 )(ooifu 分为分为低电平输出特性低电平输出特性和和高电平
14、输出特性高电平输出特性(1)低电平输出特性低电平输出特性导通导通+当输出为低电平时当输出为低电平时(),反相器的反相器的 截止截止,导通导通.OLOUu pTNT电流为电流为注入注入 的负载电流将使其输出电平的负载电流将使其输出电平 随电流随电流 的增加而有所的增加而有所NTOLUOLI上升上升.由于由于 的内阻与的内阻与 有关有关,越高越高 越大越大,内阻越内阻越NTGSNUDDVGSNUNT小小,在同样的在同样的 下下,增加增加 会稍有降低会稍有降低.OLIDDVOLU 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路(2)高电平输出特性高电平输出特性当输出为高电平时当输出为高电平时(),反相器的
15、反相器的 截止截止,导通导通.OHOUu PTNT随负载电流增加随负载电流增加 内阻压降将增加内阻压降将增加,输出电平输出电平 将下将将下将.PTOHU 越高越高,越负越负,内阻越小内阻越小,下降的越快下降的越快.DDVGSPUPTOHU(3)扇出系数扇出系数ON 门电路在不影响输出高、低电平情况下，带同类型门电门电路在不影响输出高、低电平情况下，带同类型门电路的个数称为扇出系数路的个数称为扇出系数 。它反映门电路的最大带负载能力。它反映门电路的最大带负载能力ON对于对于CMOS而言，而言，可达几百可达几百几千以上。几千以上。ONiOOIIN(max)集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路5
16、.脉冲工作特性脉冲工作特性(也称动态特性也称动态特性)(1)传输延迟时间传输延迟时间 MOS管在开关过程中沟道中载流子的聚集和消散几乎不需管在开关过程中沟道中载流子的聚集和消散几乎不需要时间要时间,但由于集成电路内部电阻、电容的存在以及负载电容的但由于集成电路内部电阻、电容的存在以及负载电容的影响，输出电压的变化仍然要滞后于输入电压的变化，产生传影响，输出电压的变化仍然要滞后于输入电压的变化，产生传输延迟。输延迟。负载电容是影响传输延迟时间和输出电压上升时间、下降负载电容是影响传输延迟时间和输出电压上升时间、下降时间的主要因素。时间的主要因素。CMOS反相器的输出电阻受反相器的输出电阻受 大小
17、的影响，而通常情况大小的影响，而通常情况下下 ，因而传输延迟时间还与，因而传输延迟时间还与 有关。有关。IHUDDIHVUDDV 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路(1)传输延迟时间传输延迟时间 和和 是输入、是输入、输出波形对应边输出波形对应边上等于最高幅度上等于最高幅度50%的两点之间的两点之间的时间差的时间差.PHLtPLHt一般对门电路的传输延迟性一般对门电路的传输延迟性能常用平均传输延迟时间来能常用平均传输延迟时间来表示表示,其定义为其定义为:)(21PLHPHLpdttt 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路（）动态功耗（）动态功耗在动态情况下，输入电压在高、低电平之间转
18、换的在动态情况下，输入电压在高、低电平之间转换的极短时间内，两管同时导通，使瞬间电源电流增加，同极短时间内，两管同时导通，使瞬间电源电流增加，同时负载电容充、放电电流也要消耗一部分功率，就构成时负载电容充、放电电流也要消耗一部分功率，就构成了动态功耗输入信号频率越高，电源电压越高，负载了动态功耗输入信号频率越高，电源电压越高，负载越大，动态功耗就越大越大，动态功耗就越大CMOS反相器动态功耗约为一反相器动态功耗约为一（）速度功耗积（）速度功耗积（dpdp积）积）用速度功耗积来衡量其质量用速度功耗积来衡量其质量.平均延迟时间与空载功耗平均延迟时间与空载功耗的积即为速度功耗积，也称的积即为速度功耗
19、积，也称dp积，其数值越小越好积，其数值越小越好至几毫瓦数量级，比至几毫瓦数量级，比TTL电路小得多。电路小得多。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路2.3.2 2.3.2 其它类型的其它类型的CMOS逻辑门逻辑门 一一 其它逻辑功能的其它逻辑功能的CMOS门电路门电路 1.与非门与非门 电路电路 将将两个以上两个以上CMOS反相器的反相器的P沟道增强型沟道增强型MOS管管源极和漏极分别并源极和漏极分别并接，接，N沟道增强型沟道增强型MOS管串接，就构管串接，就构成了成了CMOS与非门。与非门。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 逻辑功能分析逻辑功能分析或者或者截止截止截止截止导通导
20、通 导通导通 A和和B有低电有低电平时平时输出为高输出为高电平电平或者或者或者或者 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 逻辑功能分析逻辑功能分析截止截止截止截止导通导通 导通导通 A和和B都高电都高电平时平时输出为低输出为低电平电平 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路2.或非门或非门 电路电路将将两个两个CMOS反相反相器的开关管部分并器的开关管部分并联、负载管部分串联、负载管部分串接就构成了或非门。接就构成了或非门。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 逻辑功能分析逻辑功能分析当当A、B中有中有高电平时高电平时或者或者导通导通 导通导通 或者或者截止截止截止截止或者或者输出为
21、低输出为低电平电平 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 逻辑功能分析逻辑功能分析A和和B都低电都低电平时平时截止截止截止截止导通导通 导通导通 输出为高输出为高电平电平 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路二二 带缓冲级的带缓冲级的CMOS门门 由与非门和或非门电路可见，串接部分管子多，由与非门和或非门电路可见，串接部分管子多，会影响输出高、低电平的值，对与非门来说，输出低会影响输出高、低电平的值，对与非门来说，输出低电平将提高，对或非门来说，输出高电平将降低。串电平将提高，对或非门来说，输出高电平将降低。串接部分的管子多少影响输出电阻。为了克服缺点，国接部分的管子多少影响输出电阻。
22、为了克服缺点，国产产74HC74HC和和40004000系列都采用了带缓冲级的电路结构。系列都采用了带缓冲级的电路结构。BABA 所谓缓冲级，就是在原来的基本电路基础上，输所谓缓冲级，就是在原来的基本电路基础上，输入端和输出端都增加一级反相器，以恢复正常的高、入端和输出端都增加一级反相器，以恢复正常的高、低电平和输出电阻。但与非门加缓冲级之后变成了或低电平和输出电阻。但与非门加缓冲级之后变成了或非门，而或非门加缓冲级之后变成了与非门。所以为非门，而或非门加缓冲级之后变成了与非门。所以为保持与非门的逻辑关系，带缓冲级的保持与非门的逻辑关系，带缓冲级的CMOSCMOS与非门可用与非门可用在输入在输
23、入 、输出端接反相器的或非门获得、输出端接反相器的或非门获得 （因为（因为 ）集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路带缓冲级的带缓冲级的CMOS与非门与非门 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路三三 CMOS传输门和双向模拟开传输门和双向模拟开关关CMOSCMOS传输门也是构成各种传输门也是构成各种CMOSCMOS逻辑电路的基本单元电路。逻辑电路的基本单元电路。传输门电路传输门电路和逻辑符号和逻辑符号 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路T1的源极（或漏极）和的源极（或漏极）和T2的漏极（或源极）连在一的漏极（或源极）连在一起作输入端起作输入端 T1的漏极（或的漏极（或源极）与源极）
24、与T2的的源极（或漏极）源极（或漏极）连在一起作输连在一起作输出端出端 两个栅极是两个栅极是一对控制端，一对控制端，分别接入分别接入c和和 C 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路传输门的工作原理传输门的工作原理 0uuI IVDD 截止截止截止截止输入和输出输入和输出之间呈现高之间呈现高阻态（电阻阻态（电阻大于大于 ）910截止截止 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路当当0u1 时时T1导通导通传输门的工作原理传输门的工作原理 NthGSDDUV）（导通导通 导通导通 有有一个一个管管子是接通子是接通的，传输的，传输门导通。门导通。当当时时 u1 时时T2导通导通导通导通 PthG
25、SU）（DDV 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路PthGSU）（c例如例如V VDDDD=6V=6V，U UGSGS（thth）N N=2V=2V，则当，则当C C接高电平接高电平接低电平（接低电平（0V0V），且当），且当 处于处于0 0 6V6V之间时，之间时，（6V）、）、T（N）在）在 的的04V区间导通，区间导通，T（P）在）在 的的26V区间导通。区间导通。由于由于MOS管漏、源极结构对称、可以互换，所以传输管漏、源极结构对称、可以互换，所以传输门可以作双向开关，即入端和出端可以互换使用。门可以作双向开关，即入端和出端可以互换使用。IuIuIu 集集 成成 逻逻 辑辑 门门
26、 电电 路路利用利用CMOSCMOS传输门和传输门和CMOSCMOS反相器组成模拟开关。模拟开关既反相器组成模拟开关。模拟开关既可传递数字信号，又可传递模拟信号。可传递数字信号，又可传递模拟信号。典型的模典型的模拟开关电拟开关电路路 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路4066双向模双向模拟开关的逻拟开关的逻辑符号图辑符号图 输入 C开关状态 1 导通 uo=uI 0 ZZ为高阻态为高阻态表表2.3.1 4066功能表功能表 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如当模拟开关的电源电压采用双电源时，例如VDD=+5V，VSS=-5V（均对地（均对地0
27、V而言），则输入电压对而言），则输入电压对称与称与0V的正、负信号电压（的正、负信号电压（+5V-5V）均能传输。这时）均能传输。这时要求控制信号要求控制信号c=“1”为为+5V，c=“0”为为-5V，否则只能传输，否则只能传输正极性的信号电压。正极性的信号电压。四四 漏极开路的漏极开路的CMOS门（门（OD门）门）它是基于它是基于“线与逻辑线与逻辑”的实际需要而产生的。所谓的实际需要而产生的。所谓“线与线与”是将两个以上的门电路的输出端直接并联起来，是将两个以上的门电路的输出端直接并联起来，实现几个函数的逻辑乘，在理论上是可行的，但普通的门实现几个函数的逻辑乘，在理论上是可行的，但普通的门电
28、路实现电路实现“线与线与”却是不安全的。因为普通门电路的输出却是不安全的。因为普通门电路的输出级绝大部分都采用互补的工作方式（包括级绝大部分都采用互补的工作方式（包括MOS门和门和TTL门的绝大部分芯片）。门的绝大部分芯片）。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 例如例如CMOSCMOS反相器，当输出高反相器，当输出高电平时上半部分电平时上半部分T TP P导通，当输出导通，当输出低电平时，下半部分低电平时，下半部分T TN N导通。如导通。如果两反相器输出端作果两反相器输出端作“线与线与”联联接，则接，则Y=Y=当两个门中的一当两个门中的一个输出高电平，另一个输出低电个输出高电平，另一个
29、输出低电平，则必然有很大的电源电流流平，则必然有很大的电源电流流过两个门输出级，这个电流的数过两个门输出级，这个电流的数值将远远超出正常的工作电流，值将远远超出正常的工作电流，从而造成门电路的损坏。解决上从而造成门电路的损坏。解决上述问题的办法是将输出级上半部述问题的办法是将输出级上半部分的分的T TP P管去掉，做成漏极开路的管去掉，做成漏极开路的门电路（门电路（ODOD门）。门）。21YY 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 双双2 2输入与非缓冲输入与非缓冲/驱动器驱动器4010740107的逻辑图。输出级是一只漏极开的逻辑图。输出级是一只漏极开路的路的N N沟道增强型沟道增强型M
30、OSMOS管，在输出低电平（管，在输出低电平（U UOLOL0.5V U UOHOH（minmin），），则应代入则应代入U UIHIH（minmin）；）；n nI IOHOH发生线与关系的发生线与关系的ODOD门输出全门输出全部截止时的总漏电流值；部截止时的总漏电流值；所有负载门输入高电所有负载门输入高电平的输入电流的总和；平的输入电流的总和；IHmI 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路当线与的当线与的ODOD门中只有一个输出级导通时，门中只有一个输出级导通时，全部负载电流都将流入导通的那个门，全部负载电流都将流入导通的那个门，由电源经上拉电阻流进由电源经上拉电阻流进ODOD门的电流
31、将受门的电流将受到限制。到限制。R RP P的值不可太小，以确保流入的值不可太小，以确保流入导通导通ODOD门的电流不至于超过最大允许值门的电流不至于超过最大允许值I ILMLM，同时确保，同时确保ODOD门输出低电平不高于标门输出低电平不高于标准上限准上限U UOLOL（maxmax），由此可计算，由此可计算R RP P的下限的下限值值R RP P（minmin）=式中：式中：U UOLOL（maxmax）规定的输出低电平规定的输出低电平的上限值；的上限值；I ILMLM驱动器件驱动器件I IOLOL的最大允许值；的最大允许值；上拉电阻下端的所有负载上拉电阻下端的所有负载门灌入门灌入ODOD
32、门电流的总值。门电流的总值。ILLMOLDDImIUVmax）（ILIm R RP P（minmin）（选定）PR R RP P（maxmax）ODOD门不但可以解决线与问题，而且因门不但可以解决线与问题，而且因为其电源电压为其电源电压V VDDDD可以单独设置，能够可以单独设置，能够满足负载较高驱动电压和较大负载电满足负载较高驱动电压和较大负载电流的需要，所以它还具有一定的灵活流的需要，所以它还具有一定的灵活性。性。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路五、三态输出五、三态输出CMOSCMOS门电路（门电路（TSTS门或称门或称TSLTSL门）门）1.工作原理工作原理 三态输出门与普通门电
33、路的区别在于，三态输出门除了有正常三态输出门与普通门电路的区别在于，三态输出门除了有正常的高、低电平状态外，还有输出电阻极高的禁止态，也称为高阻状的高、低电平状态外，还有输出电阻极高的禁止态，也称为高阻状态，故称为三态门电路。态，故称为三态门电路。这个电路是普通门电路基础上附加控制电这个电路是普通门电路基础上附加控制电路而构成的。在原来路而构成的。在原来CMOSCMOS反相器的负载管反相器的负载管T TP P上端串入上端串入 ，管型也为，管型也为P P沟道，在驱动沟道，在驱动管管T TN N下端串入下端串入 管型为管型为N N沟道，二者均为沟道，二者均为增强型，增强型，、分别由使能控制端分别由
34、使能控制端 或或ENEN控制，当控制，当 =1=1时，时，、同时截同时截止，输出呈现高阻状态。止，输出呈现高阻状态。当当 =0=0时，时，同时导通，反相器正同时导通，反相器正 常工作，常工作，Y=Y=。1T2T1T2TENEN1T2TEN1T2TA 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路“”表示三态输出表示三态输出 表示低电平有效、高电表示低电平有效、高电平禁止平禁止 1.工作原理工作原理 A Y 功能 1 X Z 禁止 0 0 0 1 1 0 正常 工作使能端低电平有效的使能端低电平有效的三态反相器真值表三态反相器真值表ENZ：代表高阻：代表高阻 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路
35、有的电路输入使能端为高电平有效，输出为正常的有的电路输入使能端为高电平有效，输出为正常的逻辑电平；使能端为低电平时输出为高阻（禁止）态逻辑电平；使能端为低电平时输出为高阻（禁止）态 当当EN=1EN=1 导通导通2T当当EN=0EN=0，、T T1 1截止截止2T截止截止截止截止导通导通 高阻状态高阻状态 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路2.2.三态门的应用三态门的应用 用三态门接成总线结构用三态门接成总线结构 TSL TSL门在计算机系统中经常被用作数据传输。为门在计算机系统中经常被用作数据传输。为了减少连线的数目，希望能在同一条导线上分时传递了减少连线的数目，希望能在同一条导线上分
36、时传递若干门电路的输出信号，这时就可以用三态门来实现。若干门电路的输出信号，这时就可以用三态门来实现。只要控制端只要控制端ENEN轮流为轮流为1 1，且任何时刻仅有一个为，且任何时刻仅有一个为1 1，就可以把各个门的输出信号轮流送到公共传输线就可以把各个门的输出信号轮流送到公共传输线总总线上去而又互不干扰，这种连接方式称为线上去而又互不干扰，这种连接方式称为总线结构总线结构。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 用三态门实现数据的双向传递用三态门实现数据的双向传递 当当EN=1EN=1工作工作 高阻状态高阻状态数据数据D D0 0经经G G1 1反相后送到反相后送到总线总线 当当EN=0E
37、N=0高阻状态高阻状态工作工作 数据经反相后数据经反相后在在G2G2的输出端的输出端端送出端送出 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 工程实际中，经常将多个双向三态传输器集成在一个工程实际中，经常将多个双向三态传输器集成在一个芯片内，使用起来十分方便。如芯片内，使用起来十分方便。如54HC64054HC640、54HCT64054HCT640等。等。输出允许控制端输出允许控制端（低电平有效）（低电平有效）传输方向控制端传输方向控制端（M=1M=1，ABAB；M=0M=0，BABA）逻辑符号尚未包逻辑符号尚未包括的括的2020号引脚为号引脚为电源端电源端V VDDDD（或（或V VCCCC
38、）；）；1010号引脚号引脚为接地端为接地端GNDGND 1A1A 8A8A、1B1B 8B8B输入输入/输出数输出数据端口据端口 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路2.3.3 CMOS2.3.3 CMOS改进型的门电路改进型的门电路 高速高速CMOSCMOS电路电路 高速高速CMOSCMOS器件以器件以74HC74HC和和74HCT74HCT系列为代表，尺寸缩小系列为代表，尺寸缩小到到40004000系列的系列的 使寄生电容减少使寄生电容减少,从工艺上采用了硅栅自从工艺上采用了硅栅自对技术，减少了寄生电容。开关速度将提高对技术，减少了寄生电容。开关速度将提高1010倍，功耗相倍，功耗相
39、应地减少为应地减少为40004000系列的系列的 与与40004000系列相比，功耗低，在系列相比，功耗低，在与与TTLTTL采用相同的电源电压（采用相同的电源电压（VCC=5VVCC=5V）条件下，噪声容限）条件下，噪声容限约为约为TTLTTL电路的两倍，平均传输延迟时间每门可小到电路的两倍，平均传输延迟时间每门可小到6-6-10ns10ns，速度与基本的，速度与基本的TTLTTL和和LS TTLLS TTL门电路相当。此外，外门电路相当。此外，外形尺寸、管脚排列与形尺寸、管脚排列与TTLTTL电路相同，使用的电源电压为电路相同，使用的电源电压为5V5V时，时，74HCT74HCT系列输出的
40、高、低电平与系列输出的高、低电平与TTLTTL电路兼容。电路兼容。101101 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路二二 双极型双极型-CMOS-CMOS电路电路双极型双极型-CMOS-CMOS电路的简称是电路的简称是Bi-CMOSBi-CMOS（Bipolar-CMOSBipolar-CMOS）电路，）电路，这种电路的特点是逻辑部分采用这种电路的特点是逻辑部分采用CMOSCMOS结构，输出级采用双结构，输出级采用双极型三极管，下图所示为其反相器电路的基本结构。极型三极管，下图所示为其反相器电路的基本结构。R R1 1、R R2 2也常采用也常采用MOSMOS管组管组成的有源负载代替。它成
41、的有源负载代替。它兼有兼有CMOSCMOS电路低功耗和电路低功耗和双极型电路低输出内阻双极型电路低输出内阻的优点。目前已有的的优点。目前已有的Bi-Bi-CMOSCMOS产品为产品为74BCT74BCT系列，系列，可与可与TTLTTL的的7474系列及系列及CMOSCMOS的的74HCT74HCT系列兼容。其反系列兼容。其反相器的相器的t tpdpd最小可达最小可达1ns1ns。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路下列出了下列出了CMOS器件在功耗和速度方面的参数，以便于器件在功耗和速度方面的参数，以便于与与TTL系列器件相比较。系列器件相比较。表中参数表中参数tpd为传输延迟时间，为传输
42、延迟时间，PD为每门功耗，为每门功耗，dp为延迟为延迟功耗积。功耗积。系列系列参数参数基本的基本的CMOSCMOS(4000/4000(4000/4000B B系列系列)高速高速CMOSCMOS(74HC(74HC系列系列)与与TTLTTL兼容兼容的高速的高速CMOSCMOS（74HCT74HCT系系列）列）与与TTLTTL兼容兼容的高速的高速Bi-Bi-CMOS(74BCTCMOS(74BCT系列系列)T Tpdpd/ns/ns(C(CL L=1=15pF)5pF)P PD D/mW/mW dpdp/ns.mW/ns.mW 75 75 0.002 0.002 0.15 0.15 10 10
43、1.55 1.55 15.5 15.5 13 13 1.002 1.002 13.026 13.026 2.9 2.90.00030.0003 7.57.50.000870.00087 2222 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路2.3.4 CMOS2.3.4 CMOS电路的正确使用电路的正确使用2 2 组装、测试时，电烙铁、仪表、工作台应有良好的组装、测试时，电烙铁、仪表、工作台应有良好的接地。操作人员服装、手套等应选用无静电材料制作。焊接地。操作人员服装、手套等应选用无静电材料制作。焊接是烙铁功率不应超过接是烙铁功率不应超过20W20W，最好用电烙铁余热快速焊接。，最好用电烙铁余热快
44、速焊接。也可以将插件座焊在线路板上，而后将器件插在座上，这也可以将插件座焊在线路板上，而后将器件插在座上，这样最安全。样最安全。1 1 存放存放CMOSCMOS集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器内，集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器内，也可以用金属箔将引脚短路也可以用金属箔将引脚短路 CMOS CMOS电路由于输入电阻高，极易接受静电电荷。电路由于输入电阻高，极易接受静电电荷。为了防止产生静电击穿，生产为了防止产生静电击穿，生产CMOSCMOS时，在输入端都加了标时，在输入端都加了标准保护电阻，但这并不能保证绝对安全，因此使用准保护电阻，但这并不能保证绝对安全，因此使用CMOSCMOS电电路时
45、，必须采取预防措施：路时，必须采取预防措施：集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路 3.3.多余的输入端绝对不能悬空，否则会因受干扰而破多余的输入端绝对不能悬空，否则会因受干扰而破坏逻辑关系。可以根据逻辑功能需要，分情况对多余输入坏逻辑关系。可以根据逻辑功能需要，分情况对多余输入端加以处理。例如，与门和与非门的多余输入端应接到端加以处理。例如，与门和与非门的多余输入端应接到V VDDDD或高电平上；或门和或非门的多余输入端应接到或高电平上；或门和或非门的多余输入端应接到V VSSSS或或低电平上；如果电路的工作速度不高，不需要特别考虑功低电平上；如果电路的工作速度不高，不需要特别考虑功耗，也
46、可以将多余输入端使用并联，如图所示。耗，也可以将多余输入端使用并联，如图所示。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路1 1在输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之在输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串入限流电阻，以保证输入保护二极管导通时，电流不间串入限流电阻，以保证输入保护二极管导通时，电流不超过超过1mA1mA。2 2在输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接保在输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接保护电阻护电阻R RP P，其阻值可按，其阻值可按u uC C/1mA/1mA计算。此处计算。此处u uC C为电容上的电为电容上的电压（单位为压（单位为V V），如
47、图所示。），如图所示。二、为了使输入保护电路电流容量不超限（一般为二、为了使输入保护电路电流容量不超限（一般为1mA1mA），），在可能出现较大输入电流的场合采取保护措施：在可能出现较大输入电流的场合采取保护措施：集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路3 3在输入端接有长线时，可能会分布电感、分布电容而在输入端接有长线时，可能会分布电感、分布电容而产生寄生震荡，亦应在长线与输入端之间加限电阻，其阻产生寄生震荡，亦应在长线与输入端之间加限电阻，其阻值可按值可按R RP P=V=VDD DD/1mA/1mA计算，如图所示。计算，如图所示。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路三、三、因为因为C
48、MOSCMOS电路存在寄生三极管效应而产生的锁定电路存在寄生三极管效应而产生的锁定效应，使其在电源电压效应，使其在电源电压V VDDDD超限、超限、u uI I超限或超限或u uo o超限时不能正超限时不能正常工作，所以首先应保证电源电压的波动不超过限度，输常工作，所以首先应保证电源电压的波动不超过限度，输出电压不超过电源电压的范围。采取以下防护措施：出电压不超过电源电压的范围。采取以下防护措施：1 1在输入端与电源两端及输出端与电源两端加导通压降在输入端与电源两端及输出端与电源两端加导通压降较低的钳位二极管（如锗二极管或肖特基二极管），如图较低的钳位二极管（如锗二极管或肖特基二极管），如图所
49、示，确保所示，确保uI I 、uO O 满足表达式。式中满足表达式。式中UF F 为二极管的正向为二极管的正向导通电压。导通电压。-UF F uI I VDDDD+UF F -UF F uO O VDDDD+UF F 集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路2 2在电源输入端处加去耦电路，如图为确保在电源输入端处加去耦电路，如图为确保VDDDD可能出可能出现的瞬间高压得到缓解，对现的瞬间高压得到缓解，对VDD DD 应满足表达式的要求。应满足表达式的要求。VDDDD VDD(BR)DD(BR)VDD（BR）为为VDD端的击端的击穿电压。穿电压。3 3如果系统有两个以上电源（如还有信号源和负载电
50、如果系统有两个以上电源（如还有信号源和负载电源），各电源开、关顺序应遵循源），各电源开、关顺序应遵循“启动时先接通启动时先接通CMOSCMOS电路电路的电源，关机时后切断的电源，关机时后切断CMOS电路的电源电路的电源”这一原则。这一原则。集集 成成 逻逻 辑辑 门门 电电 路路概述：概述：在双极型集成逻辑门电路中应用最广泛的是在双极型集成逻辑门电路中应用最广泛的是TTLTTL电电路。目前国产的路。目前国产的TTLTTL电路有电路有54/7454/74、54/74H54/74H、54/74S54/74S、54/74LS54/74LS、54/74AS54/74AS、54/74ALS54/74AL
