1、第三章第三章 门电路门电路现代数字集成电路，就是在半导体硅一类材料的芯片上，现代数字集成电路，就是在半导体硅一类材料的芯片上，用特殊工艺制造出大量晶体管，同时布上适当的连线，用特殊工艺制造出大量晶体管，同时布上适当的连线，再经测试和封装而成。再经测试和封装而成。数字集成电路中晶体管工作在开关状态数字集成电路中晶体管工作在开关状态模拟电路中晶体管工作在线性状态模拟电路中晶体管工作在线性状态3-1 晶体管的开关特性及反相器晶体管的开关特性及反相器二极管二极管三极管三极管一、二极管开关特性一、二极管开关特性正向阈值正向阈值对硅管约为对硅管约为0.70.8V对锗管约为对锗管约为0.3V1、二极管特点、
2、二极管特点二极管的近似特性曲线二极管的近似特性曲线导通区导通区：导通内阻，约数十欧导通内阻，约数十欧截止区截止区：反向内阻，约数百欧反向内阻，约数百欧反向击穿区反向击穿区：击穿内阻，约数欧击穿内阻，约数欧DRLFFVIFKFRVLI(1)(1)加正向电压加正向电压V VF F时，二极管导通，管压降时，二极管导通，管压降V VD D可忽略。二极可忽略。二极 管相当于一个闭合的开关。管相当于一个闭合的开关。可见，二极管在电路中表现为一个可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压受外加电压vi控制的开关控制的开关。当外加电压当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的为一脉冲信号时，二极管将随
3、着脉冲电压的变化在变化在“开开”态与态与“关关”态之间转换。态之间转换。LKVRRDLRVSRI(2)(2)加反向电压加反向电压V VR R时，二极管截止，反向电流时，二极管截止，反向电流I IS S可忽略。可忽略。二极管相当于一个断开的开关。二极管相当于一个断开的开关。2、肖特基二极管、肖特基二极管肖特基二极管是一种专门肖特基二极管是一种专门设计的、开关时间极短的设计的、开关时间极短的二极管，开关时间二极管，开关时间trr仅为仅为100ps。另外，肖特基二极管的正向阈值电压另外，肖特基二极管的正向阈值电压Vth约为约为0.3V，也比，也比硅管的低硅管的低1、晶体管特性、晶体管特性二、二、三极
4、管三极管(BJT)的开关特性的开关特性BESV0.70.8V 硅管硅管0.3V 锗管锗管两个两个PN结都是正偏的结都是正偏的0.3V0.1V0.8V0.3VCESV0.3V 硅管硅管0.1V 锗管锗管三极管饱和时：三极管饱和时：饱和晶体管的等效电路饱和晶体管的等效电路BCEBESVCESVBCE忽略饱和压降忽略饱和压降三极管截止时等效电路：三极管截止时等效电路：CBOICBECBE忽略忽略ICBO三、场效应管（三、场效应管（FET）开关）开关结型场效应管（结型场效应管（J-FET）：用于分立的脉冲电路及）：用于分立的脉冲电路及 模拟集成电路模拟集成电路金属氧化物半导体金属氧化物半导体场效应管（
5、场效应管（MOS-FET）：用于数字集成电路）：用于数字集成电路常用的常用的N沟道增强型沟道增强型MOS管构成的反向器管构成的反向器反向器的传输时延反向器的传输时延pdt不论是晶体管或是场效应管的开关电路，当计及分布电容及不论是晶体管或是场效应管的开关电路，当计及分布电容及管子的开关惰性后，电路的输入、输出波形都不可能跃变，管子的开关惰性后，电路的输入、输出波形都不可能跃变，而且输出总是滞后于输入。而且输出总是滞后于输入。反向器的平均时延为：反向器的平均时延为：2pLHpHLpdttt第二节第二节 早期门电路早期门电路一、二极管门电路一、二极管门电路二极管门电路的缺点：二极管门电路的缺点：1、
6、与门的输出低电平要上浮、与门的输出低电平要上浮0.7V,而或门的输出高电平要下移而或门的输出高电平要下移0.7V 不利于实行多级逻辑运算不利于实行多级逻辑运算2、输出缺乏驱动能力，负载的接入将、输出缺乏驱动能力，负载的接入将 进一步影响输出电平进一步影响输出电平 改善的方法是改善的方法是 后面接一反向缓冲器后面接一反向缓冲器二、二极管晶体管逻辑门（二、二极管晶体管逻辑门（DTL）与门与门非门非门当输出当输出F为高电平时，后接的同类为高电平时，后接的同类DTL负载门不会对输出负载门不会对输出F高电平造成负担，因为这时负载门的输入二极管是截止的高电平造成负担，因为这时负载门的输入二极管是截止的缺点
7、：因为饱和管的消散时间长，门的传输时延大，可达缺点：因为饱和管的消散时间长，门的传输时延大，可达25ns无源上拉电无源上拉电阻输出阻输出三、电阻晶体管逻辑门（三、电阻晶体管逻辑门（RTL）或非门或非门非门非门无源上拉无源上拉电阻输出电阻输出无源上拉电阻输出：无源上拉电阻输出：输出低电平时为低内阻，输出高电平时为高内阻输出低电平时为低内阻，输出高电平时为高内阻因此，这类门在输出高电平时负载能力差，能带动同类门的因此，这类门在输出高电平时负载能力差，能带动同类门的数目少数目少3-3 晶体管晶体管逻辑门（晶体管晶体管逻辑门（TTL）早期门电路：由分立的晶体管和电阻、二极管等构成，体积早期门电路：由分
8、立的晶体管和电阻、二极管等构成，体积 较大，性能不够理想较大，性能不够理想混合集成电路：可以部分集成，体积有所缩小，性能得到混合集成电路：可以部分集成，体积有所缩小，性能得到 改进改进集成逻辑门：所有元器件，连同相应布线，都可集成在一集成逻辑门：所有元器件，连同相应布线，都可集成在一 小片硅芯片上，形成真正的集成逻辑门，即小片硅芯片上，形成真正的集成逻辑门，即 集成块（集成块（IC）1、标准型、标准型TTL门电路门电路TTL与非门的基本结构与非门的基本结构+VV12312312313DTR输入级输出级中间级T4Tc22R3b1BRc4Aoe211k1.6kVc2TCCVR（+5V）e24k13
9、0以以2输入与非门输入与非门（1/4 7400)为代表为代表2、快速型和低功耗型、快速型和低功耗型TTL门电路（门电路（H-TTL及及L-TTL）改进方法：改进方法：（1）、降低电阻值改善）、降低电阻值改善 管子的开关速度管子的开关速度（2）、用达林顿对管）、用达林顿对管T3-T4代代 替替T4-D3管，使输出高管，使输出高 电平时内阻进一步减小，电平时内阻进一步减小，增加了输出拉电流增加了输出拉电流H-TTLL-TTL（1）省去了保护二极管）省去了保护二极管 D1、D2（2）增加了电阻值，使：）增加了电阻值，使：kR401kR202 5003RkR124门的功耗降到门的功耗降到1mW,但传输
10、时延却延长到但传输时延却延长到30ns 以上以上3、肖特基型、肖特基型TTL门电路（门电路（S-TTL)利用肖特基管（利用肖特基管（SBD)作为抗饱和措施，推出了速度更快作为抗饱和措施，推出了速度更快的肖特基型的肖特基型TTL电路电路4、将多发射极管将多发射极管T1改改成由肖特基二极管成由肖特基二极管D1、D2组成的与逻组成的与逻辑电路，以提高与操辑电路，以提高与操作速度作速度增加电阻值，增加电阻值，以降低功耗以降低功耗添入添入D5、D6，D6:可加速可加速T5的通导过程的通导过程D5:缩短缩短T3的截止过程的截止过程LS-TTL门的功耗为门的功耗为2mW，传输时延只有，传输时延只有10ns近
11、来又出现了先进的肖特基型（近来又出现了先进的肖特基型（AS-TTL）和）和 先进的低功耗肖特基型（先进的低功耗肖特基型（ALS-TTL）5、高速型、高速型TTL门电路（门电路（F-TTL)新措施的目的是：保持高速，降低输入端的电流，新措施的目的是：保持高速，降低输入端的电流，提高了驱动能力提高了驱动能力速度同最快的速度同最快的S-TTL,功耗仅为功耗仅为S-TTL的五分之一的五分之一二、二、TTL门电路的外部特性及参数门电路的外部特性及参数1、电压转换特性、噪声容限及传输时延、电压转换特性、噪声容限及传输时延电压转换特性又称为电压传输特性，它就是门的输出电压电压转换特性又称为电压传输特性，它就
12、是门的输出电压随输入电压变化的曲线随输入电压变化的曲线)(0Ivfv 74系列不同类型的系列不同类型的TTL与非门的转换特性与非门的转换特性转换区转换区maxILV输入信号的关门（截止）电平输入信号的关门（截止）电平OFFVminIHV开门（导通）电平开门（导通）电平ONV转换区转换区门的输入阈值电平门的输入阈值电平Vth:曲线转折的中点所对应的输入电压曲线转折的中点所对应的输入电压对对LS型约为型约为1.0V 对对S型约为型约为1.3V 对对F型约为型约为1.5V 对标准型约为对标准型约为1.4V各类各类74系列系列TTL电路输入、输出电平的极限值电路输入、输出电平的极限值电流参数：流入为正
13、，流出为负电流参数：流入为正，流出为负OFFVONVTTL的门与门之间的级联，必须满足：的门与门之间的级联，必须满足：前级输出逻辑电平，一定要落在后级输入逻辑电平允许范围前级输出逻辑电平，一定要落在后级输入逻辑电平允许范围之内，如之内，如LS-TTL0.5V高电平噪声容限高电平噪声容限minminIHOHNHVVV低电平噪声容限低电平噪声容限maxmaxOLILNLVVV0.5VTTL电路电路54系列：军用品，系列：军用品，工作温度范围工作温度范围C1255574系列：民用品（工业用）系列：民用品（工业用）工作温度范围工作温度范围CC700温度会使各参数发生变化，但总的变化不会超出图示温度会使
14、各参数发生变化，但总的变化不会超出图示区域范围区域范围传输时延传输时延 ，用来说明输出波形相对于输入波形延迟，用来说明输出波形相对于输入波形延迟的概念的概念pdt2pLHpHLpdttt2、输入、输出特性和扇出系数、输入、输出特性和扇出系数门的输入特性：门输入端的电流门的输入特性：门输入端的电流 随输入电压随输入电压 的变化的变化 关系关系IiIv)(IIvfi TTL与非门多余输入端的处理与非门多余输入端的处理一般不让多余的输入端悬空，容易拾取干扰信号，一般不让多余的输入端悬空，容易拾取干扰信号，造成逻辑功能混乱造成逻辑功能混乱TTL门电路的输出特性门电路的输出特性当前级门输出为高电平时，当
15、前级门输出为高电平时，截止截止导通导通拉电流拉电流拉电流越大拉电流越大输出高电平越低输出高电平越低当前级门输出为低电平时，当前级门输出为低电平时，浅饱和浅饱和截止截止灌电流灌电流随着灌电流的增大，随着灌电流的增大，输出低电平略有上升输出低电平略有上升扇出系数：扇出系数：（反映负载能力强弱）（反映负载能力强弱）定义：门电路驱动同类门的数目。定义：门电路驱动同类门的数目。低电平时的扇出系数低电平时的扇出系数maxmaxILOLOLIINmaxOLI驱动门最大输出低电平电流（灌电流）驱动门最大输出低电平电流（灌电流）maxILI负载门最大低电平输入电流负载门最大低电平输入电流高电平时的扇出系数高电平
16、时的扇出系数maxmaxIHOHOHIINmaxOHI驱动门最大输出高电平电流（拉电流）驱动门最大输出高电平电流（拉电流）maxIHI负载门最大高电平输入电流负载门最大高电平输入电流两个值以绝对值较小的作为门电路的标称扇出系数两个值以绝对值较小的作为门电路的标称扇出系数标准型：标准型：10 S型：型：10 LS型：型：20 F型：型：33电源及功耗电源及功耗电源中的电流尖峰，会对整个数字系统造成干扰，必须对电源中的电流尖峰，会对整个数字系统造成干扰，必须对电源总线添加去耦措施：串接高频电感或并接去耦电容电源总线添加去耦措施：串接高频电感或并接去耦电容门截止时的功耗：门截止时的功耗：CCCCHH
17、VIP 门导通时的功耗：门导通时的功耗：CCCCLLVIP 平均功耗：平均功耗：)(21LHPPP三、三、TTL门的其他输出、输入结构门的其他输出、输入结构TTL门电路的输出结构门电路的输出结构为标准的图腾柱电路为标准的图腾柱电路 (推拉式输出级）推拉式输出级）导通导通高电平高电平截止截止截止截止低电平低电平导通导通若把两门的输出端并接起来若把两门的输出端并接起来高电平高电平低电平低电平导通导通导通导通由于两门的输出均呈现低阻由于两门的输出均呈现低阻抗，并接后的电流抗，并接后的电流,将大大将大大超过晶体管的允许值，而使超过晶体管的允许值，而使芯片烧坏。芯片烧坏。故严禁故严禁TTL图腾柱输出端图
18、腾柱输出端并接使用并接使用允许输出端并联工作的集电极开路输出和三态输出结构允许输出端并联工作的集电极开路输出和三态输出结构1、集电极开路门（、集电极开路门（OC门）门）TTL 2输入或非门（输入或非门（OC门）：门）：74LS020.3V0.3V1V1V截止截止截止截止截止截止外接上拉电阻，外接上拉电阻，使输出使输出F为高电平为高电平高电平高电平低电平低电平反向反向导通导通导通导通低电平低电平电路功能：或非门电路功能：或非门BAF2、三态输出门（、三态输出门（3S门门)三种输出状态三种输出状态高电平高电平低电平低电平高阻输出状态高阻输出状态使能端使能端选通端选通端01截止截止截止截止电路的工作
19、状态完全电路的工作状态完全受受A的控制，的控制，AF 0.3V1.0V截止截止截止截止高电平高电平使能端使能端选通端选通端01截止截止截止截止高电平高电平导通导通导通导通低电平低电平使能端使能端选通端选通端10导通导通截止截止高内阻高内阻1.0V导通导通1.0V截止截止截止截止截止截止三态输三态输出标记出标记三态门的用途：三态门的用途：可将多个三态门的输出并接到一可将多个三态门的输出并接到一条总线（条总线（BUS）上，实现多路信）上，实现多路信号的串行传送号的串行传送利用四总线缓冲器，将四利用四总线缓冲器，将四路并行输入数据路并行输入数据D1、D2、D3、D4，变成串行数据出，变成串行数据出现
20、在总线上，只要四个使现在总线上，只要四个使能信号能信号C1、C2、C3、C4轮流为低电平即可轮流为低电平即可多总线结构：多总线结构：当当C=0时，左缓冲器被使能，使数据时，左缓冲器被使能，使数据A1A4传到相应总线传到相应总线F1F4上上当当C=1时，右缓冲器被使能，使数据时，右缓冲器被使能，使数据B1B4传到相应总线传到相应总线F1F4上上三态总线只能使多路输入信号按序输出，保证同一总线上三态总线只能使多路输入信号按序输出，保证同一总线上的三态门中，任一时刻总只有一个三态门能正常操作，而的三态门中，任一时刻总只有一个三态门能正常操作，而其余三态门都应该处于高阻状态其余三态门都应该处于高阻状态
21、3、施密特输入结构、施密特输入结构电路的转换特性具有高、低两个阈值电路的转换特性具有高、低两个阈值 及及 ，即有高、低，即有高、低两个输入转换电平。两个输入转换电平。thVthV普通单阈值反相器普通单阈值反相器施密特特性反相器施密特特性反相器这种电路专为慢输入波形转换这种电路专为慢输入波形转换成逻辑信号而设计的成逻辑信号而设计的双阈值的转换特性，称为双阈值的转换特性，称为回回差特性差特性，也叫，也叫施密特触发特施密特触发特性性四、其它功能的四、其它功能的TTL门电路门电路TTL商品门还有与或非门和异或门等商品门还有与或非门和异或门等CDABF商品的与或非门还有商品的与或非门还有3-3-2-2输
22、入的输入的74LS54及及4-3-2-2输入的输入的74LS641、2-2输入与或非门输入与或非门2、TTL异或门异或门商品的异或门还有：商品的异或门还有：74LS86、74LS136(OC)及及74LS386五、集成电路的封装五、集成电路的封装3-4 发射极耦合逻辑门（发射极耦合逻辑门（ECL）ECL：射极开路输出特性：射极开路输出特性增添线或逻辑功能增添线或逻辑功能3-5 集成注入逻辑（集成注入逻辑（IIL或或I2L）3-6 金属氧化物半导体逻辑（金属氧化物半导体逻辑（MOSL）MOS逻辑门的许多性能指标达到甚至超过了逻辑门的许多性能指标达到甚至超过了TTL电路，尤其在电路，尤其在大规模集
23、成电路领域中，更显出其功耗低、集成度高等优点大规模集成电路领域中，更显出其功耗低、集成度高等优点NMOS门电路：门电路：CMOS门电路：门电路：全由全由NMOS管构成的门电路管构成的门电路由由NMOS管和管和PMOS管构成的门电路管构成的门电路所以输出为低电平。所以输出为低电平。一、一、NMOS门电路门电路1 1NMOS非门非门逻辑关系：（设两管的开启电压为逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1T1=VT2T2=4=4V，且，且gm1 1gm2 2）（1 1）当输入）当输入Vi为高电平为高电平8 8V时，时，T1 1导通，导通，T2 2也导通。因为也导通。因为gm1 1gm2 2，所以两管的导通
24、电阻所以两管的导通电阻RDS1DS1RDS2DS2，输出电压为：，输出电压为：VVVT(+12V)DDo1Ti2VVVTo2T(+12V)i1DDVVoR(310k)DD(100200k)DS2(+12V)DS1RV1DDDS2DS1DS1OLVRRRV（2 2）当输入）当输入Vi为低电平为低电平0 0V时，时，2 2NMOS门电路门电路（1 1）与非门）与非门AL=ABVB1TDD3T(+12V)T2VVVTo2T(+12V)i1DD T1 1截止，截止，T2 2导通。导通。VO=VDD-VT=8=8V=VOH，即输出为高电平。，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。所以电路实现了非逻辑。0
25、101BLA0011输输 入入1110输出输出 与非真值表与非真值表（2）或非门）或非门BVL=A+BADD(+12V)3T2TT10101BLA0011输输 入入1000输出输出 或非真值表或非真值表二、互补二、互补MOS反相器（反相器（CMOS）两管互为负载，故称为两管互为负载，故称为互补互补MOS电路电路，因此在电路中见，因此在电路中见不到电阻不到电阻4000及及14000系列，称为标准系列，系列，称为标准系列，VDD可选可选318VHC及及AC等系列，等系列，VDD则可选则可选26V对于转换阈值对于转换阈值Vth：对标准系列或对标准系列或HC（高速系列）及（高速系列）及AC（先进系列）
26、，（先进系列），都是都是0.5VDD三、静态三、静态CMOS门电路门电路高电平高电平导通导通截止截止低电平低电平低电平低电平低电平低电平截止截止截止截止导通导通导通导通高电平高电平CMOS传输门传输门01设：设：DDVv 10DDVv 20当控制输入当控制输入 时时0cv截止截止截止截止1v与与 之间是断开的之间是断开的2v当控制输入当控制输入 时时DDcVv 导通导通导通导通1v与与 之间可看成是接通的之间可看成是接通的2v10MOS电路使用时的注意事项：电路使用时的注意事项：由于由于MOS管的输入阻抗很高，可达管的输入阻抗很高，可达 所以所以CMOS电路的输入端是不允许开路的；电路的输入端
27、是不允许开路的；否则，微量的感应电荷，都会产生明显的甚至是危险的否则，微量的感应电荷，都会产生明显的甚至是危险的 感应电压，烧坏器件感应电压，烧坏器件121010103-7 接口电路接口电路一、一、TTL和和CMOS电路的互联电路的互联电源电压都是电源电压都是5V的的TTL和和CMOS电路间互联的情况电路间互联的情况当用当用TTL驱动驱动HCT或或ACT时，电平接口是适配的时，电平接口是适配的用用TTL驱动驱动HC或或AC时，无法传输高电平信号时，无法传输高电平信号由由HC、HCT、AC及及ACT驱动驱动TTL，同样不成问题，同样不成问题驱动能力：驱动能力：由由TTL驱动驱动CMOS时，扇出系数足够大；时，扇出系数足够大；由由HC或或HCT驱动驱动TTL时，可以驱动时，可以驱动10个个74LS门，门，而驱动而驱动74S门就只有门就只有2个个电源电压不同时，电源电压不同时，TTL与与CMOS的接口的接口选用选用OC门，利用外接上拉门，利用外接上拉电阻，使输出电阻，使输出F1的高电平提的高电平提升到接近升到接近VDD值值选用专用的选用专用的TTL至至CMOS电平转移接口电平转移接口MC14504,接在接在TTL与与CMOS器件之器件之间间3.13.23.63.83.93.163.27
