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1、Pan HongbingVLSI Design Institute of Nanjing University,数字电子技术基础第三章 门电路,2.1 概述,常用的门电路在逻辑功能上有: 与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等几种。,图3.1.1 获得高、低电平的基本原理,单开关电路互补开关电路,图3.1.2 正逻辑与负逻辑,一些概念,1、片上系统（SoC）2、双极型TTL电路3、CMOS1961年美国TI公司,第一片数字集成电路（Integrated Circuits, IC）。VLSI(Very Large Scale Integration),3.2 半导体二极管门电路,3
2、.2.1 半导体二极管的开关特性,图3.2.1 二极管开关电路,图3.2.2 二极管的伏安特性,可近似用PN结方程和下图所示的伏安特性曲线来描述。,其中：i为流过二极管的电流。 v为加到二极管两端的电压。,图3.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法,图3.2.4 二极管的动态电流波形,3.2.2 二极管与门,缺点：1、输出的高、低电平数值和输入的高、低电平数值不相等。相差一个二极管的导通压降。2、输出端对地接上负载电阻时，负载电阻的改变有时会影响输出的高电平。,一般仅用作集成电路内部的逻辑单元。,3.2.3 二极管或门,存在输出偏移的问题。只用于集成电路内部的逻辑单元。无法制作具有标准化输出电
3、平的集成电路。,3.3 CMOS门电路,3.3.1 MOS管的开关特性在CMOS集成电路中，以金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOS管）作为开关器件。一、MOS管的结构和工作原理,图3.3.1 MOS管的结构和符号,二、MOS管的输入特性和输出特性,图3.3. 2 MOS管共源接法及其输出特性曲线 (a)共源接法 (b)输出特性曲线,几个概念： 1) 截止区。 2) 可变电阻区 3）恒流区,图2.2.13 MOS管的转移特性,三、MOS管的基本开关电路,图3.3.4 MOS管的基本开关电路
4、,四、MOS管的开关等效电路,图3.3.5 MOS管的开关等效电路 (a)截止状态 (b)导通状态,五、MOS管的四种类型,1、N沟道增强型2、P沟道增强型3、 N沟道耗尽型4、 P沟道耗尽型,图3.3.6 P沟道增强型MOS管,图3.3.7 P沟道增强型MOS管的漏极特性,图3.3. 8 用P沟道增强型MOS管接成的开关电路,图3.3.9 N沟道耗尽型MOS管的符号,图3.3.10 P沟道耗尽型MOS管的符号,基本概念：1）夹断电压2）电压极性,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,图2.6.1 CMOS反相器（a）结构示意图 （b）电路图,二、电压传
5、输特性和电流传输特性,图3.3.12 CMOS反相器的电压传输特性,基本概念：反相器的阈值电压,图3.3.13 CMOS反相器的电流传输特性,三、输入端噪声容限,三、输入端噪声容限,图3.3.15 不同VDD下CMOS反相器的噪声容限,图3.3.15 CMOS反相器输入端噪声容限与VDD的关系,越高，噪声容限越大,3.3.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,图3.3.16 CMOS反相器的输入保护电路 （a）CC4000系列的输入保护电路 （b）74HC系列的输入保护电路,图3.3.17 CMOS反相器的输入特性 （a）图3.3.17 (a)电路的输入特性 （b）图3.3
6、.17 (b)电路的输入特性,二、输出特性,1、低电平输出特性,图3.3.18 vO= VOL时CMOS反相器的工作状态,图3.3.19 CMOS反相器的低电平输出特性,2. 高电平输出特性,图3.3.20 vO= VOH时CMOS反相器的工作状态,图3.3.21 CMOS反相器的高电平输出特性,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,一、传输延迟时间tPHL、tPLH,图3.3.22 CMOS反相器传输延迟时间的定义,传输延迟时间：输出电压变化落后于输入电压变化的时间。tPHL：输出由高电平跳变为低电平的传输延迟时间。tPLH：输出由低电平跳变为高电平的传输延迟时间。tPD: 经常用平均传输延
7、迟时间tPD来表示tPHL和tPLH（通常相等）,二、交流噪声容限,图3.3.23 CMOS反相器的交流噪声容限,反相器对窄脉冲的噪声容限交流噪声容限远高于直流噪声容限。,交流噪声容限受电源电压和负载电容的影响。,三、动态功耗,动态功耗：当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定的过程中，将产生附加的功耗。PD=PC+PTPD为总动态功耗PC为对负载电容充放电所消耗的功率PT为两个MOS管在短时间内道童所消耗的瞬时导通功耗,图3.3.24 CMOS反相器对负载电容的充、放电电流,三、动态功耗,图3.3.26 CMOS反相器的静态漏电流 （a） vI= 0 （b） vI=VDD,三、
8、动态功耗,PC: 负载电容充放电功耗CL:负载电容f=1/T为输入信号的重复频率VDD: 电源电压,PT: 瞬时导通功耗CPD:功耗电容，由制造商给出。 不是一个实际的电容。f=1/T为输入信号的重复频率VDD: 电源电压,例3.3.1 P91,3.3.5 其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路反相器、或非门、与非门、或门、与或非门、异或门等。,图3.3.27 CMOS与非门,图3.3.29 带缓冲级的CMOS与非门电路,输入端增设反相器作为缓冲器。,图3.3.28 CMOS或非门,图3.3.30 带缓冲级的CMOS或非门电路,二、漏极开路输出门电路（OD门）,为了满足输出
9、电平变换、吸收大负载电流以及实现线与连接等需要。,图3.3.31 漏极开路输出的与非门CC40107,例3.3.2 P96,RL不能过大也不能过小。计算方法如下：RL=(VDD-VOL)/(IOL(max)+mIIL),三、CMOS传输门,图3.3.35 CMOS传输门的电路结构和逻辑符号,图3.3.36 CMOS传输门中两个MOS管的工作状态,图3.3.38 CMOS双向模拟开关的电路结构和符号,图3.3.39 CMOS模拟开关接 负载电阻的情况,C=0时 Vo=0。C=1时 Vo=RL*Vi/(RL+RTG)RTG越小越好，并且希望不受输入电压变化。,四、三态输出的CMOS门电路,图3.3
10、.40 CMOS三态门电路结构之一,高阻态。此电路结构总是接在集成电路的输出端。,图3.3.xx CMOS三态门电路结构之二 （a）用或非门控制 （b）用与非门控制,图3.3.xx CMOS三态门电路结构之三,可连接成总线结构。还能实现数据的双向传输。,3.3.6 CMOS电路的正确使用,一、输入电路的静电防护1、在存储和运输CMOS器件时最好采用金属屏蔽层作包装材料，避免产生静电。2、组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台面等良好接地。操作人员的服装、手套等选用无静电的原料制作。3、不用的输入端不应悬空。,二、输入电路的过流保护,由于输入保护电路中的钳位二极管电流容量有限，一般为1
11、mA。1、输入端接低内阻信号源时，串保护电阻。2、输入端有大电容时，串保护电阻。3、输入端接长天线时，串保护电阻。,三、CMOS电路锁定效应的防护,锁定效应（Latch-Up）：又称可控硅效应，是CMOS电路中的一个特有的问题。发生锁定效应后会造成器件永久失效。寄生三极管由寄生三极管形成的可控硅效应。保护措施：1、在输入和输出端设置钳位电路。2、在电源输入端加去耦电路。3、当系统由几个电源分别供电时，各电源的开、关顺序必须合理。,3.3.7 CMOS集成电路的各种系列,4000系列HC/HCT系列AHC/AHCT系列VHC/VHCT系列LVC系列ALVC系列,3.4 其他类型的MOS集成电路,
12、3.4.1 PMOS电路是最初的MOS电路,采用P沟道MOS管组成。两个严重的缺点：1、工作速度比较低。2、使用负电源，输出电平为负，不便与TTL电路连接。3.4.2 NMOS电路增强型负载耗尽型负载（又称为HMOS电路）,3.5 TTL门电路,3.5.1 双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构,图3.5.1 双极型三极管的两种类型 (a)NPN型 (b)PNP型,二、双极型三极管的输入特性和输出特性,图3.5.2 双极型三极管的特性曲线 (a)输入特性曲线 (b)输出特性曲线,饱和区：截至区：,三、双极型三极管的基本开关电路,图3.5.3 双极型三极管的基本开关电路,图3.5.4 用图
13、解法分析图2.2.7电路 (a)电路图 (b)作图方法,负载线,四、双极型三极管的开关等效电路,图3.5.5 双极型三极管的开关等效电路 (a)截止状态 (b)饱和导通状态,五、双极型三极管的动态开关特性,图3.5.6 双极型三极管的动态开关特性,三极管在截至与饱和导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间。 存在输出对应输入的滞后。,六、三极管反相器,P114 图3.5.7例3.5.1 P115 计算电路设计是否合理。,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,图3.5.9 TTL反相器的典型电路,TTL电路：三极管-三极管逻辑电路（）Transi
14、stor-Transistor Logic,二、电压传输特性,图3.5.10 TTL反相器的电压传输特性,AB段：截止区。BC段：线性区。CD段：转折区。中点为阈值电压或门槛电压VTH。DE段：饱和区。,三、输入端噪声容限,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,图3.5.11 TTL反相器的输入端等效电路,图3.5.12 TTL反相器的输入特性,二、输出特性,1、高电平输出特性,图3.5.13 TTL反相器高电平输出等效电路,图3.5.16 TTL反相器高电平输出特性,2、低电平输出特性,图3.5.15 TTL反相器低电平输出特性,图3.5.16 TTL反相器低电平输出特性,例 3.5.2 计算G1门可驱动多少同样的门电路负载,三、输入端负载特性,图3.5.19 TTL反相器输入端负载特性,图3.5.18 TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路,例 3.5.3 计算Rp的最大允许值,3.5.4 TTL反相器的动态特性,图3.5.21 TTL反相器的动态电压波形,一 、传输延迟时间,74系列从导通转换到截止时的开关时间较长。tPLH略大于tPHL。如SN7404的典型参数：tPHL=8nstPLH=12ns,
