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1、教学目标：掌握门电路的基本概念；理解二极管门电路、三极管反相器、 CMOS门电路和 TTL门电路的结构、工作原理； 第三章 逻辑门电路重点：门电路的基本概念；集成门电路的技术参数及其使用方法难点： TTL门电路的结构、工作原理；3.1 二极管、三极管和 MOS管的开关等效 电路一、 二极管开关等效电路（理想情况下）开关断开当 UaUb 时 ,D截止 a b开关闭合当 UaUb时， D导通 a ba bD P4二、 三极管开关等效电路（理想情况下）当 Ub为高电平 UIH时， T饱和开关闭合cbecbe当 Ub为低电平 UIL时， T截止 开关断开cbe 3.2 TTL集成门电路一 .TTL与非
2、门的电路组成 (Transistor- Transistor-Logic)与分离元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。P39TTL与非门的内部结构3.6V0V3.6V0.3V输入级 中间级 输出级一、电路组成(1) 输入级 输入级由多发射极管 T1和电阻 R1组成。其作用： 从逻辑功能上看，是对输入变量 A、 B、 C实现逻辑与 . 提高门电路工作速度。 因为，当 T2截止时，T1深度饱和，瞬间产生一个很大的电流 ic1。 而 ic1又恰好是 T2的基极反向驱动电流， T1对 T2的抽流作用，使 T2在饱和时积累的基区存贮电荷迅速消
3、散，从而加快了 T2由饱和变为截止的速度。(2) 中间级中间级由 T2、 R2和 R3组成。 T2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号。作用： 使 T3、 T4和 T5轮流导通。(3) 输出级输出级由 T3、 T4、 T5和 R4、 R5组成，这种电路形式称为推拉式电路。作用：提高门电路带负载能力。 因为，当 T4截止时， T5饱和，允许输出端灌入较大负载电流。当 T5截止时， T3、T4组成射极输出器，射极输出器的输出阻抗低，带负载能力强，负载拉电流大。3.6V0.3VVcc二、工作原理1、任一输入为低电平（ 0.3V） 时输出为高电平：Vo=VOHV CC VBE3 VBE4 = 5 0
4、.7 0.7 = 3.6V。1V 约 5VV0=3.6V截止截止导通输入有低电平（“0”）输出为高电平（“1”）RLiL拉电流T1特殊饱和（因 ic1=0）3.6VVccC22、输入全为高电平（ 3.6V） 时T2、 T5 饱和 ,T1的基极电位被钳在VB1= VBC1+ VBE2+ VBE5=0.7V+ 0.7V+ 0.7V =2.1VT2的 VC2=VCES2+VBE5=0.3V+0.7V=1V,可以使 T3导通，但 T4不能导通。输出为低电平 :VO=VOL=VCE50.3 V ， 2.1V 1V饱和饱和截止0.3V输入全为高电平(“1”)，输出为低电平(“0”)”2、输入全为高电平（
5、3.6V） 时RLiL+5VFR2R13kT2R3T1T5b1 c1ABC“1”饱和Vo=0.3V2.1V 1V灌电流1、电压传输特性三、 TTL与非门的特性和技术参数测试电路&+5VVi V0RwV0(V)Vi(V)1 2 3VOH(3.6V)VOL(0.3V)传输特性曲线V0(V)Vi(V)1 2 3VOH“1”VOL阈值 VT=1.4V理想的传输特性输出高电平输出低电平“0”（ 1）、输出高电平 VOH、 输出低电平 VOLVOH2.4V VOL 0.4V 便认为合格。 典型值 VOH=3.6V VOL 0.3V 。 （ 2）、阈值电压 VTViVT时，认为 Vi是高电平。VT=1.4V
6、2、主要参数（ 2）关门电平 VOFF和开门电平 VON由于器件制造的差异，输出高电平、输入低电平都略有差异，通常规定 TTL与非门输出高电平VOH=3V和输出低电平 VOL=0.35V为额定逻辑高、低电平 .，在保证输出为额定高电平（ 3V） 的 90%（2.7V） 的条件下，允许的输入低电平的最大值， 称为关门电平 VOFF。 通常 VOFF1V, 一般产品要求VOFF0.8 V 。 在保证输出额定低电平 (0.35V)的条件下，允许输入高电平的最小值， 称为开门电平 VON。 通常 VON 1.4V ， 一般产品要求 VON 1.8 V 。 （ 3） 噪声容限 VNL、 VNH在实际应用
7、中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平 Vi偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。低电平噪声容限 是指在保证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平 VIL上的最大正向干扰（或噪声）电压。低电平噪声容限用 VNL表示： VNL = VOFF VIL。高电平噪声容限：是指在保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平 VIH上的最大负向干扰（或噪声）电压。高电平噪声容限用 VNH表示：VNH = VIH VON。 很显然， VNL和 VNH越大，电路的抗干扰能力越强。低 电平噪声容限 VNL = V0FF VI
8、L高电平噪声容限 VNH = VIH VONVi(V)V0(V)(0.3V)VOH0.9 VOHVOL(0.3V) VILVIHVNLVNH关门电平 VOFF开门电平 VON3.6V3.6V(4).输入低电平电流 IIL和输入高电平电流 IHL(5)、扇出系 -为门电路输出驱动同类门的个数(前级输出为 高电平时 )后级例如： +5VR4R2R5T3T4T1前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH+5VR2R13kT2R3T1T5b1 c1前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为 低电平时后级输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：与非门的扇出系数一
9、般是 10。(6)、平均传输时间tViotVoo50%50%tpd1 tpd2平均传输时间(7).关门电阻 ROFF和开门电阻 RON关门电阻 ROFF是保证 VO = 0.9VOH的条件下，允许的最大值 ,一般 ROFF约 0.7K。开门电阻 RON是保证 VO = 0.3V的条件下，允许的最小值 ,一般 RON约 2K。R较小时 ViUT时 , 沟道加厚，沟道电阻减少， 在相同 UDS的作用下， ID将进一步增加开始无导电沟道，当在 UGSUT时才形成沟道 ,这种类型的管子称为 增强型 MOS管当 UGS=UT时 , 在 P型衬底表面形成一层 电子层 ，形成 N型导电沟道，在 UDS的作用
10、下形成 ID。二、二、 N沟道沟道 增强型增强型 MOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线1.转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)UDS一定时， UGS对漏极电流 ID的控制关系曲线ID=f(UGS)UDS=C UTUGS UT MOS管导通UGS UT MOS管截止NMOSPMOS2. 恒流区 ：该区内， UGS一定，ID基本不随 UDS变化而变4.击穿区 ：UDS 增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。SectUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)截止区3.截止区UGS -UT时 , TP截止：（等效开关图同上）1、 N
11、M OS 管开关等效电路当 UGS UT时 , TN导通： ，当 UGSUT时， TN 截止3.3.1CMOS非门NMOS管PMOS管CMOS电路1电路组成 VDDS2T2D2T1A FS1D1G1G2T1为 NMOS称驱动管，T2为 PMOS称为负载管。 两管特性相近，跨导相等且较大，导通电阻小。 T1 和 T2栅极相连作输入端，漏极相连作输出端，T1 源极接地， T2 源极接 +UDD。 VDDS2T2D2T1A FS1D1G1G22.工作原理设 UDD =10V ， T1的 UTN = 2V， T2 的 UTP = 2V。（ 1） 当 ui=UIL=0V时，由于 uGS1=0V UTN
12、= 2V ， T1截止。uGS2 10V UTP = 2V， T2导通，uO= UOHU DD =10Vui uoT1T2Ui(A) Uo(F)0V 10V（ 2） 当 ui = UIH = UDD =10V时，uGS1=10V UTN = 2V， T1导通，uGS2 0V UTP = 2V ， T2截止，uO= UOL0V ,实现反相器功能， 即非门功能。Ui(A) Uo(F)0V 10Vui uoT1T210V 0V3. CMOS门电 压传输特性CMOS非门电压传输特性 CMOS非门电流传输特性CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性， 因而其噪声容限大，抗干扰能力强。(VT=(1/2)V
13、DD )三、 CMOS与非门TP2TP1TN2TN1VoVi1Vi2VDDTP2TP1TN2TN1VoVi1Vi2VDD任一输入端为低，设 Vi1=0Vi1=0VO=1断开导通TP2TP1TN2TN1VoVi1Vi2VDD输入全高，VO=0Vi1=1Vi2=1导通断开TN2TN1TP1TP2Vi1Vi2VDD2.5.4 CMOS或非门TN2TN1TP1TP2Vi1Vi2VDD任一输入端为高，设 Vi1=1Vi1=1VO=0导通断开TN2TN1TP1TP2Vi1Vi2VDD输入端全为低VO=1Vi1=0Vi2=0导通断开（ 1） 功耗低在静态时， T1 和 T2 总有一个管子截止，因此静态电流很
14、小，即使动态功耗较大，但与双极型逻辑电路相比，CMOS逻辑电路的功耗小的多。（ 2） 电源电压范围宽工作电源 UDD允许变化的范围大，一般 3 18V均能工作。（ 3） 抗干扰能力强输入端噪声容限可达到 UDD/2 。4 CMOS电路的优点（ 5） 带负载能力强CMOS输入阻抗高，一般高达 500M 以上， CMOS逻辑电路带同类门几乎不从前级取电流，也不向前级灌电流。考虑到 MOS管存在输入电容， CMOS逻辑电路，可以带 50个同类门以上。 （ 4） 逻辑摆幅大UOL0V ， UOHU DD（ 7） 成本低CMOS集成度高，功耗小，电源供电线路简单，因此用CMOS集成电路制作的产品，成本低
15、。当前， CMOS逻辑门电路，已成为与双极型逻辑电路并驾齐驱的另一类集成电路，并且在大规模、超大规模集成电路方面，已经超过了双极型逻辑电路的发展势头。 （ 6） 集成度很高，温度稳定性好 功耗小，内部发热量少，集成度可以做得非常高。又由于 CMOS是 NMOS和 PMOS管互补组成，当外界温度变化时，有些参数可以互相补偿。3.4.1 TTL集成电路使用中应注意的问题1.电源电压（ CC） 应满足在标准值 5V+10%的范围内。2. TTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。 3. TTL门多余输入端的处理方法。 (1). 与门和与非门 悬空 , 相当于逻辑高电平， 但通常情况下不这样处理， 以防止干扰的窜入 ; 接电源 , 通过一个上拉电阻接至电源正端 , 或接标准高电平； 与其他信号输入端并接使用 , (2).或门和或非门 接地 , . 通过一个电阻接至电源地 ， 或标准接低电平； . 与其他信号输入端并接使用，3.4 .2. CMOS集成电路使用中应注意的问
