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1、第二章 门电路,2.1 概述,门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0,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 ,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：,高电平表示为1，低电平表示为0,高电平表示为0，低电平表示为1,负逻辑：,3V（1.8V以上）,0.3V（0.8V以下）,2.2 二极管、三极管的开关特性,数字电路中，二极管、三极管工作在开关状态：,正向导通时：导通电阻很小，两端相当于短路；,反向截止时：等效电阻很大，两端相当于开路。,当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的开关转换速度要在微秒甚至纳
2、秒内完成。,管子开关特性表现在正向导通和反向截止状态之 间的转换过程（即动态特性）：,2.2.1半导体二极管开关特性,二极管的结构： PN结 + 引线 + 封装构成,P,N,半导体二极管的结构和外特性（Diode）,2.2.1二极管的开关特性：,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC,VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V,高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0,相当于 开关断开,相当于 开关闭合,3V,0V,3V,0V,2.2.1二极管的开关特性：,2.2 .2 BJT的开关特性,1.三极管的基本开关电路,只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH; VI=VIH时，
3、T导通，VO=VOL.,3、三极管的开关等效电路,截止状态,饱和导通状态,简化等效电路,饱和导通等效电路,截止状态等效电路,4、动态开关特性,从二极管已知，PN结存在电容效应。在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。,规定3V左右为1,0V左右为0,2.3.1二极管与门,设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V,2.3.2. 二极管或门,设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V,规定2.3V以上为1,0V左右为0,Y=A+B,二极管构成的门电路的缺点
4、,电平有偏移,只用于IC内部电路,带负载能力差,A,B,Y,VL VL,VL,VL,VH,VL,VL VH,VH VL,VH VH,电平关系,正逻辑,负逻辑,正与 = 负或,正或 = 负与,正与非 = 负或非,正或非 = 负与非,（与门）,（或门）,正逻辑与负逻辑,高电平VH用逻辑1表示，低电平VL用逻辑0表示,高电平VH用逻辑0表示，低电平VL用逻辑1表示,当输入为逻辑0时:,0,vcc,1,非逻辑真值表,0,1,2.3.3 三极管反相器,当输入为逻辑1时:,1,0.3v,0,非逻辑真值表,2.3.3 非门电路 三极管反相器,0,1,1,0,2.3.3、三极管反相器,实际应用中，为保证VI=
5、VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。,非逻辑符号,只要电路参数合理， VI=VIL时，T截止，VO=VOH。 VI=VIH时，T饱和，VO=VOL,1. TTL反相器的基本电路,2. TTL反相器的工作原理,3. 采用输入级以提高工作速度,4.采用推拉式输出级以提高开关速度和 带负载能力,2.4.1 TTL反相器,2.4 TTL门电路,TTL:,双极型三极管输入双极型三极管输出的逻辑电路。,（图2.4.1 P-63）,输入级,中间级,输出级,1. TTL反相器的基本电路,2. TTL反相器的工作原理,（1）当输入为低电平 （vI = 0.2 V）,0.9V,0.2V,vOVCCVBE4VD
6、 50.70.7=3.6V,3.6V,绿色导通，红色截至,2. TTL反相器的工作原理,当输入为高电平（vI = 3.6 V）,3.6V,4.3V,2.1V,1.4V,0.2V,0.7V,需要说明的几个问题：,二、电压传输特性,vo = f (vi),三、输入噪声容限,一、输入特性：iIf(vI),2.4.2 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,1、高电平输出特性,规定：IoHmax 0.4 mA,二、输出特性：vof(iL),2、低电平输出特性,结论： TTL门电路带灌、拉电流负载能力不一样，带灌电流负载能力较强。,ROFF关门电阻（0.7K）,TTL与非门输入负载特性,三、 输入负载特性
7、,由【例2.4.2】可知，Rp应小于0.7K。,RON 关门电阻（2.0K）,门电路能驱动多少个同样的门电路负载称扇出系数Ni,四、扇出系数（Fan-out）,例2.4.1 查得基本的TTL与非门的参数如下： IOL16mA，IIL1.0mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类非门时的扇出数。,(2)高电平输出时的扇出数,例题： 扇出系数计算举例,解：,若NOLNOH，则取较小的作为电路的扇出数。,(1)低电平输出时的扇出数,2.4.3 TTL反相器的动态特性,一、传输延迟时间,1、现象,2.4.4 其他类型的TTL门电路,1. TTL与非门电路,多发射极三极管,TTL与非门
8、电路的工作原理,TTL与非门各级工作状态, 、任一输入端为低电平时: T1的发射结正向偏置而导通，T2 截止。输出为高电平。, 、只有当全部输入端为高电平时： T1将转入倒置放大状态，T2和T3 均饱和，输出为低电平。,0.2V,0.9V,3.2V,2. TTL或非门,若某一输入端为1, 则输出为0。,3.6V,0V,2.1V,0.3V,输入负载特性举例,习题2.10 P128,VI1,VI2 ?,问题：如果将此门电路改为COS门电路，结果是如何？,vi1悬空， vi2=？, vi1=0.2V， vi2=？, vi1=3.6V, vi2=？,vi1经51接地， vi2=？ 。, vi1经10K
9、接地， vi2=？,R1,R2,R1,R,4,V,CC,A,T1,T2,T2,T1,B,D,T,3,R3,T,4,2. TTL或非门,图 2.4.22 TTL或非门的逻辑电路,若二输入端为低电平 ,则输出为高电平。,0.9 v,0.2 V,0.2 V,0.9 v,3.6V,二、集电极开路门 (Open Collector Gate),vOH,vOL,X,(图2.4.25 P78),1. 普通门电路输出端不能并连。,Y1,Y2,2. 集电极开路门（OC门）,思路：把上面的T4去掉,采用外接元件。,OC门的并联处实现“线与”,OC门的输出端可以直接并联在一起，但需要外接电阻,3.OC门的“线与”接
10、法,（1）计算OC门负载的电阻最大值,当所有OC门同时截止时，v0=VOH. 为保证VOH不低于规定值，RL不能选的过大。,OC门输出端数目,负载门输入端数目,4、外接电阻RL的选择。,（2）计算OC门负载电阻的最小值,当只有一个OC门导通时，为了保证流入导通OC门的电流不超过最大允许的负载电流IOL(max)，RL不能选的太小。,负载门数目,IL,EN=0 Y为高阻,EN,B,Y,A,VCC,三、三态门,1,0,1,0,1,0,0,EN=0 Y为高阻,0,输出有：0、1和高阻三个状态,TTL三态与非门结构,三态与非门符号,逻辑符号,名 称,输出表达式,Y =,高阻 （EN=0 时）,Y =,
11、Y =,高阻 （EN= 0 时）,Y =,三态非门,（1 控制有效）,三态非门,（0 控制有效）,三态与非门,（1 控制有效）,三态与非门,（0 控制有效）,1.常用三态门的逻辑符号,电路1、2只能有一个处于正常态,若要求D1向BUS传送，则应有：,若要求D2向BUS传送，则应有：,2.三态与非门的应用(分时传输),EN,EN,D0,D1,EN,G1,G2,3.用三态门实现双向传输,2.6 CMOS逻辑门电路,2.6.1 CMOS反相器,2.6.2 CMOS门电路,2.6.3 BiCMOS门电路,2.6.4 CMOS传输门,2.6.5 CMOS逻辑门电路的技术参数,2.6.0 复习MOS管的有
12、关知识,复习MOS管的有关知识,大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而TTL系列不可能做得很小，但MOS管的结构和制造工艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍MOS器件。,与双极性电路比较，MOS管的优点是功耗低，可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的CMOS电路。,1. N沟道MOS管的结构,P型衬底,沟道区域,绝缘层,复习MOS管的有关知识,2. 工作原理,反型层 （导电沟道）,P型衬底,N沟道增强型MOS管具有以下特点：,当VGSVT 时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合 。,当VGSVT 时，管子截止，相当于开关断开；,同样，对P沟道增
13、强型MOS管来说：,当|VGS| |VT|时，管子截止，相当于开关断开；,当|VGS| |VT|时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。,2.6.1 CMOS反相器,1. CMOS反相器的工作原理 2. CMOS反相器的特点 3. CMOS反相器的传输特性 4. CMOS反相器的工作速度,2.6.1 CMOS反相器,图2.6.1P-93,电路结构,逻辑符号,当vI=0V时,VGS = 0 VTN,T2管截止；,|VGSP|=VDDVTP,电路中电流近似为零（忽略TN的截止漏电流）,VDD主要降落在TN上，输出为高电平VOH。,T1管导通。,VDD,1. CMOS反相器的工作原理,令管子的导
14、通等效电阻为RON，截止等效电阻为ROFF,则有：,当vI =VOH= VDD时,1. CMOS反相器的工作原理,VGS =VDD VTN,T2管导通；,|VGSP|= 0 VTP,T1管截止。,此时，VDD主要降在T1管上，输出为低电平VOL :,2. CMOS反相器的特点,因而CMOS反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）。,T1和T2只有一个是工作的，,3、电压、电流传输特性,、电压传输特性: vo=f(vi),电流传输特性：iD=f(vi),4、输入噪声容限,结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限， CMOS电路电源电压常大于5V。,VDD与噪声容限关系,2.6.2 CMOS 反相器的静态
15、输入和输出特性,图33.16 (a) 74HC系列输入保护电路与输入特性,1、输入特性,0viVDD+0.7V,viVDD+0.7V,Vi0,当vi = vih 或vi = vhL时，iI只有很小漏电流。,2、输出特性: vo=f(io),2、输出特性,1、 组成,2、工作原理,只有当AB同为1、 使串联的TN管同时导通时 ，输出才为0， 其它情况输出为1。,A B,0 0,0 1,1 0,1 1,T3 T1 T2 T4,Y,功能特点：,1,1,1,0,通,通,通,通,通,通,通,通,止,止,止,止,止,止,止,止,一、CMOS与非门,2.6.4 其他类型的CMOS门电路,3、输出逻辑表达式,（以二输入为例）,两TN管在下，串联；,两TP管在上，并联；,（以二输入为例）,3、输出逻辑表达式：,1、 组成,两TP管在上，串联；,两TN管在下，并联；,2、工作原理,只有当A B同为0，使串联的TP管同时导通时 ，输出才为1，其它情况输出为0。,功能特点：,A B,0 0,0 1,1 0,1 1,T3 T1 T2 T4,Y,通止通止,通通止止,止止通通,止通止通,1,0,0,0,二、 CMOS或非门,带缓冲极的CMOS门,1、
