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1、第三章 门电路,内容提要:,本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元门电路,有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极管和三极管及场效应管的开关特性基础上,讲解它们的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等,为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点讨论TTL门电路和CMOS门电路。,本章主要内容,3.1 概述 3.2 半导体二极管门电路 3.3 CMOS门电路 3.4* 其他类型的MOS集成门电路 3.5 TTL门电路 3.6* 其他类型的双极型集成门电路 3.7* BiCMOS电路 3.8* TTL门电路与CMOS门电路的接口,3.1 概述,1. 门电路:,实现基本逻辑运算和复合运算的
2、单元电路称为门电路,常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等,(1) 正逻辑:,在二值逻辑中,如果用高电平表示逻辑“1” ,低电平表示逻辑“0” ,在这种规定下的逻辑关系称为正逻辑,如图3.1.1所示,2. 正负逻辑系统,图3.1.1 正负逻辑示意图,由表中可以看出,正负逻辑式互为对偶式,即若给出一个正逻辑的逻辑式,则对偶式即为负逻辑的逻辑式,如正逻辑为或门,即Y=A+B,对偶式为YDAB。正负逻辑的使用依个人的习惯,但同一系统中采用一种逻辑关系,本书采用正逻辑,3.1 概述,3. 高低电平的实现,在数字电路中,输入输出都是二值逻辑,其高低电平用“0”和“1”表示。其高低电平的获
3、得是通过开关电路来实现,如二极管或三极管电路组成。如图3.1.2所示。,图3.1.2 高低电平实现原理电路,3.1 概述,其原理为:,当开关S断开时,输出电压voVcc,为高电平“1”;当开关闭合时,输出电压vo0,为低电平“0”;若开关由三极管构成,则控制三级管工作在截止和饱和状态,就相当开关S的断开和闭合。,图3.1.2高低电平实现原理电路,3.1 概述,单开关电路功耗较大,目前出现互补开关电路(如CMOS门电路),即用一个管子代替图3.1.2中的电阻,如图3.1.3所示,互补开关电路的原理为,3.1 概述,开关S1和S2受同一输入信号vI的控制,而且导通和断开的状态相反。当S1闭合时,S
4、2断开,输出为高电平“1”;相反当S1断开时,S2闭合,输出为高电平“0”。,互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的,流过的电流为零,故电路的功耗非常低,因此在数字电路中得到广泛的应用,4. 数字电路的概述,3.1 概述,(1)优点:,图3.1.1 正负逻辑示意图,在数字电路中由于采用高低电平,并且高低电平都有一个允许的范围,如图3.1.1所示,故对元器件的精度和电源的稳定性的要求都比模拟电路要低,抗干扰能力也强。,(2) 分类:,3.1 概述,可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路:分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工艺集成在很
5、小的半导体芯片上。,数字集成电路根据规模可分为,100/片,(1001000)/片,103 105 /片,105 以上/片,按导电类型可分为,3.1 概述,数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门,因此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、工作原理,3.2 半导体二极管门电路,3.2.1半导体二极管的开关特性,1. 稳态开关特性,图3.2.1 二极管的开关电路,图3.1.2高低电平实现原理电路,将图3.1.2中的开关用二极管代替,则可得到图3.2.1所示的半导体二极管开关电路,对于图3.2.1所示二极管开关电路,由于二极管具有单向导电性,故它可相当受外加电压控制的开关。,设vi的高电平
6、为VIHVCC, vi的低电平为VIL0,且D为理想元件,即正向导通电阻为0,反向电阻无穷大,则稳态时当vIVIHVCC时,D截止,输出电压vDVOH VCC,将电路处于相对稳定状态下,晶体二极管所呈现的开关特性称为稳态开关特性,图3.2.1 二极管的开关电路,3.2.1半导体二极管的开关特性,当vIVIL0时,D导通,输出电压vo VOL 0,图3.2.1 二极管的开关电路,即可以用输入电压vi的高低电平控制二极管的开关状态,并在输出端得到相应的高低电平,3.2.1半导体二极管的开关特性,2.二极管动态特性:,当电路处于动态状态,即二极管两端电压突然反向时,半导体二极管所呈现的开关特性称为动
7、态开关特性(简称动态特性),二极管的动态电流波形如图3.2.3所示,3.2.1半导体二极管的开关特性,图3.2.3 二极管动态电流波形,这是由于在输入电压转换状态的瞬间,二极管由反向截止到正向导通时,内电场的建立需要一定的时间,所以二极管电流的上升是缓慢的;当二极管由正向导通到反向截止时,二极管的电流迅速衰减并趋向饱和电流也需要一定的时间。由于时间很短,在示波器是无法看到的,在输入信号频率较低时,二极管的导通和截止的转换时间可以认为是瞬间完成的。但在输入信号频率较高时,此时间就不能忽略了。,3.2.1半导体二极管的开关特性,将二极管由截止转向导通所需的时间称为正向恢复时间(开通时间)ton;二
8、极管由导通转向截止所需的时间称为反向恢复时间(关断时间)tre,两者统称为二极管的开关时间,一般ton tre,图3.2.3 二极管动态电流波形,tre,ton,3.2.2 二极管与门,简单的二极管与门电路如图3.2.4所示,图3.2.4 二极管与门电路,设VCC5V,输入端A、B的高低电平为VIH3V, VIL0V,二极管的正向导通压降为 VDF0.7V,则:,当A、B中有一个是低电平0V时,至少有一个二极管导通,使得输出Y的电压为0.7V,为低电平;只有A、B中都加高电平3V时,两个二极管同时导通,使得输出Y为3.7V,为高电平。,其输入输出及真值表如表3.2.1和3.2.2所示,3.2.
9、2 二极管与门,其输出Y和输入A、B是与的关系,即,3.2.3 二极管或门,二极管或门电路如图3.2.5所示,图3.2.5 二极管或门电路,设输入端A、B的高低电平为VIH3V, VIL0V,二极管的正向导通压降为VDF0.7V,则:,当A、B中有一个是低电平0V时,至少有一个二极管导通,使得输出Y的电压为0.7V,为低电平;只有A、B中都加高电平3V时,两个二极管同时导通,使得输出Y为3.7V,为高电平。,3.2.2 二极管或门,其输入输出及真值表如表3.2.3和3.2.4所示,其输出Y和输入A、B是与的关系,即,图3.2.5 二极管或门电路,二极管构成的门电路的缺点:,3.2.2 二极管或
10、门,1.电平有偏移:输出的高低电平数值与输入的高低电平数值相差一个二极管的压降,后级的二极管门电路电平偏移,甚至使得高电平下降到门限值以下,2.带负载能力差:由于这种二极管门电路的输出电阻比较低,故带负载能力差,输出电平会随负载的变化而变化。,只用于IC内部电路,3.3 CMOS门电路,CMOS逻辑门电路是在TTL器件之后,出现的应用比较广泛的数字逻辑器件,在功耗、抗干扰、带负载能力上优于TTl逻辑门,所以超大规模器件几乎都采用CMOS门电路,如存储器ROM、可编程逻辑器件PLD等,国产的CMOS器件有CC4000(国际CD4000/MC4000)、高速54HC/74HC系列(国际MC54HC
11、/74HC),此外还有兼容型的74HCT和74BCT系列(BiCMOS),先介绍74系列的反相器和逻辑门,再简单介绍其它系列的逻辑门,一、MOS管的类型和符号,a. 增强型NMOS,符号如图3.3.1所示,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,NMOS共源极接法电路如图3.3.2(a)所示,输出特性如(b)所示,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,图3.3.2 NMOS管共源极接法电路及其输出特性,增强型NMOS共源极接法电路如图3.3.3(a)所示,转移特性如(b)所示,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,开启电压,当vGS 109,VGS VGS (th) 时,管子导通,i
12、D V 2GS,RON1k,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,b. 增强型PMOS,符号如图3.3.4所示,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,增强型PMOS共源极接法电路如图3.3.5(a)所示,转移特性如(b)所示,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,当vGSVGS(th),管子截止, iD = 0,vGS VGS (th) 时,管子导通,iD V 2GS,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,c. 耗尽型NMOS,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,符号如图3.3.6所示,耗尽型NMOS共源极接法电路如图3.3.7(a)所示,转移特性如(b)所示,3.3.1
13、 MOS管(绝缘栅)的开关特性,当vGS VGS(off)(负值),管子截止, iD = 0; vGS VGS(off) 时,管子导通,d. 耗尽型PMOS,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,符号如图3.3.8所示,耗尽型PMOS共源极接法电路如图3.3.9(a)所示,转移特性如(b)所示,3.3.1 MOS管(绝缘栅)的开关特性,当vGS VGS(off)(正值),管子截止, iD = 0; vGS VGS(off) 时,管子导通,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,一、CMOS反相器的电路结构及工作原理,图3.3.10 CMOS反相器电路,图3.3.10为CMOS反相器
14、的电路,其中T1为P沟道增强型MOS管,T2为N沟道增强型MOS管.它们构成互补对称电路,1.结构:,图3.3.10 CMOS反相器电路,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,它们的开启电压分别为 VGS(th)P、VGS(th)N,且 VGS(th)PVGS(th)N , 并设VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N,,2.工作原理,当vIVIL0为低电平时,T2截止, T1管导通,输出电压为高电平,即,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,当vIVIHVDD为高电平时,T2导通, T1管截止,输出电压为低电平,即,图3.3.10 CMOS反相器电路,特点,1. 无论
15、 vI 是高电平还是低电平,T1和T2管总是一个导通一个截止的工作状态,称为互补,这种电路结构CMOS电路;,2. 由于无论输入为低电平还是高电平, T1和T2总是有一个截止的,其截止电阻很高,故流过T1和T2的静态电流很小,故其静态功耗很小。,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,二、电压传输特性和电流传输特性,反相器电压传输特性是输出电压vo和输入vI之间的关系曲线,如图3.3.11所示。并设,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性,1. 电压传输特性,AB段:输入低电平,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,T1管
16、导通,T2截止,输出电压为高电平,即,CD段:输入高电平,图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性,T1管截止,T2导通,输出电压为低电平,即,BC段:,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性,T1、T2同时导通,若T1、T2参数完全相同,则,2.电流传输特性,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,图3.3.12 CMOS反相器的电流传输特性,AB段:输入低电平,T1管导通,T2截止,输出漏极电流近似为零,电流传输特性是反相器的漏极电流随输入电压变化曲线,如图3.3.12所示。也分成三段:,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,CD段:输入高电平,T1管截止,T2导通,输出漏极电流近似为零,图3.3.12 CMOS反相器的电流传输特性,BC段:,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,图3.3.12 CMOS反相器的电流传输特性,T1、T2同时导通,有电流iD同时通过,且在 vIVDD / 2附近处,漏极电流最大,故在使用输入电压不应长时间工作在这段,以防