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1、第三章 门电路第三章 门电路内容提要内容提要讲述数字电路的基本逻辑单元讲述数字电路的基本逻辑单元门电路。门电路。 讨论半导体二极管和场效应管的开关特性，讲解它讨论半导体二极管和场效应管的开关特性，讲解它 们的电路结构、工作原理、逻辑功能、电气特性等们的电路结构、工作原理、逻辑功能、电气特性等 等。重点讨论等。重点讨论CMOS门电路。门电路。本章主要内容3.1 概述概述3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.3 CMOS门电路门电路3.7 逻辑门电路逻辑门电路使用中的几个实际问题使用中的几个实际问题 TTL门电路门电路3.6 其他类型的双极型集成电路其他类型的双极型集成电路3.7 BiC
2、MOS电路电路3.8 TTL门电路与门电路与CMOS门电路的接口门电路的接口3.1 概述 1. 1. 门电路门电路 用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元单元电电 路称为门电路。路称为门电路。高电平高电平1 1低电平低电平0 0 2.2.基本开关电路基本开关电路图图3.1.1 用来获得高、低电平的基本开关电路用来获得高、低电平的基本开关电路(1)正逻辑正逻辑 正逻辑：正逻辑：高电平：“高电平：“1”低电平：“低电平：“0”3. 正负逻辑正负逻辑图图3.1.2 正负逻辑示意图正负逻辑示意图(2)负逻辑负逻辑 负逻辑：负逻辑：高电平：“高电平：“0”低电平：“
3、低电平：“1”3.1 概述由表中可以看出：正负逻辑式互为对偶式。正负逻辑式互为对偶式。表表3.1.1 正负逻辑对应的门电路正负逻辑对应的门电路正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑与门与门或门或门或门或门与门与门与非门与非门或非门或非门或非门或非门与非门与非门异或门异或门同或门同或门同或门同或门异或门异或门3.1 概述如正逻辑为或门，即如正逻辑为或门，即Y=A+B， 对偶式为对偶式为YDAB。4. 数字电路的特点3.1 概述（1）优点）优点对元器件的精度和电源对元器件的精度和电源 的稳定性的要求都比模拟的稳定性的要求都比模拟 电路要低，抗干扰能力强。电路要低，抗干扰能力强。运算精度可通过增加位运算精度可通过
4、增加位 数实现。数实现。图图3.1.2 正负逻辑示意图正负逻辑示意图(2) 分类3.1 概述分立元件逻辑门电路：是由半导体器件、电阻和电容连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。接而成。集成逻辑门电路：将大量的分立元件通过特殊工艺集成集成逻辑门电路：将大量的分立元件通过特殊工艺集成 在很小的半导体芯片上。在很小的半导体芯片上。3.1 概述数字集成电路根据规模可分为数字集成电路根据规模可分为:100/片片（1001000）/片片103 105/片片105以上以上/片片 混合型混合型双极型双极型单极型单极型按制造工艺按制造工艺3.1 概述首先得到应用的是双极型首先得到应用的是双
5、极型TTL电路。电路。 TTL：晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写 (Transister-Transister-Logic)3.1 概述TTL数字集成电路约有数字集成电路约有400多个品种，大致可以分为以多个品种，大致可以分为以 下几类：下几类： 门电路、译码器门电路、译码器/驱动器、触发器、计数器、驱动器、触发器、计数器、 移位寄存器、单稳移位寄存器、单稳/双稳电路和多谐振荡器、加双稳电路和多谐振荡器、加 法器法器/乘法器、奇偶校验器、码制转换器、线驱乘法器、奇偶校验器、码制转换器、线驱 动器动器/线接收器、多路开关、存储器。线接收器、多路开关、存储器。 TTL电路采用双极型工艺制造，具有工
6、作电路采用双极型工艺制造，具有工作 速度高、驱动能力强、品种多等特点。是目前速度高、驱动能力强、品种多等特点。是目前 应用最广泛的集成电路之一。它的主要缺点是应用最广泛的集成电路之一。它的主要缺点是 功耗大，集成度低。功耗大，集成度低。3.1 概述以金属以金属-氧化物氧化物-半导体（半导体（MOS）场效应晶体管为主要）场效应晶体管为主要 元件构成的集成电路（元件构成的集成电路（MOSIC），得到迅速发展。），得到迅速发展。 常采用常采用CMOS电路。电路。CMOS电路，具有以下优点：电路，具有以下优点： 功耗低功耗低 工作电压范围宽工作电压范围宽 逻辑摆幅大逻辑摆幅大 抗干扰能力强抗干扰能力强
7、 输入阻抗高输入阻抗高温度稳定性能好温度稳定性能好 扇出能力强扇出能力强 抗辐射能力强抗辐射能力强 可控性好可控性好 接口方便接口方便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半导体二极管的开关特性 1. 稳态开关特性稳态开关特性图图3.2.1 二极管的开关电路二极管的开关电路图图3.1.1a)高低电平实现原理电高低电平实现原理电 路路将图将图3.1.1a)中的开关用二极管代替，则可得到图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所示的半导体二极管开关电路将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的 开关特
8、性称为稳态开关特性。开关特性称为稳态开关特性。3.2.1半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性设设vI的高电平为的高电平为VIHVCC， vI的低的低 电平为电平为VIL0，且，且D为理想元件，为理想元件， 即正向导通电阻为即正向导通电阻为0，反向电阻无，反向电阻无 穷大。穷大。图图3.2.1 二极管的开关电路二极管的开关电路当vIVIL0时，D导通 输出电压vo VOL03.2.1半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性当当vIVIHVCC时，时，D截止截止输出电压输出电压vOVOH VCC则稳态时则稳态时图图3.2.1 二极管的开关电路二极管的开关电路3.2.2 二极管与门设设V
9、CC5V，输入端，输入端 A、B的高低电平为的高低电平为:VIH3V，VIL0V，二极管的正向导通压二极管的正向导通压 降为降为:VDF0.7V。图图3.2.5 二极管与门电路二极管与门电路其输入输出及真值表如表3.2.1和 3.2.2所示。3.2.2 二极管与门规定规定3V以上为“以上为“1”0.7V以下为“以下为“0”3.7V3V3V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V0V0VYBA表表3.2.1BAY 输出输出Y和输入和输入A、B是与的关系，即是与的关系，即111001010000YBA表表3.2.23.2.3 二极管或门设输入端设输入端A、B的高低电的高低电 平为：平为：VIH3V
10、，VIL0V，二极管的正向导通压降二极管的正向导通压降 为为VDF0.7V。图图3.2.6 二极管或门电路二极管或门电路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。BAY 输出输出Y和输入和输入A、B是是或或的的 关系，即关系，即规定规定2.3V以上为以上为10V以下为以下为02.3V3V3V2.3V0V3V2.3V3V0V0V0V0VYBA表表3.2.3111101110000YBA表表3.2.4图图3.2.6 二极管或门电路二极管或门电路3.3 CMOS门电路CMOS门电路门电路，功耗、抗干扰、带负载能力上优于功耗、抗干扰、带负载能力上优于TTL 逻辑门逻辑门
11、。国产的国产的CMOS器件器件：有有CC4000(国际国际CD4000/MC4000)高速高速54HC/74HC系列（国际系列（国际MC54HC/74HC)有兼容型有兼容型74HCT和和74BCT系列（系列（BiCMOS）3.3.1 MOS管的开关特性一、一、MOS管的管的结构和工作原理结构和工作原理开始形成沟道时的栅-源极电压称为开启电压，用VGS（th） 表示； 必须在必须在vGSVGS（th）时才能形成导电沟道的时才能形成导电沟道的MOS管，称管，称 为增强型为增强型MOS管。管。3.3.1 MOS管的开关特性二二、MOS管的管的输入特性输入特性和和输出特性输出特性输出特性输出特性输出特
12、性又称漏输出特性又称漏 极特性，它表示极特性，它表示 在栅源电压在栅源电压vGS 一定的情况下，一定的情况下， 漏极电流漏极电流iD和漏和漏 源电压源电压vDS之间之间 的关系。的关系。3.3.1 MOS管的开关特性二二、MOS管的管的输入特性输入特性和和输出特性输出特性(1)截止区截止区当当vGS 109在在vGS VGS (th)时，时，iD近近 似与似与v2GS成正比。表示固成正比。表示固 定定vDS时，时，MOS管恒流区管恒流区 （放大区）的漏极电流（放大区）的漏极电流iD 与栅源电压与栅源电压vGS之间的关系之间的关系 称为称为MOS管的转移特性。管的转移特性。vGSVGS (th)
13、时时, 管子导通，管子导通，iD v2GS，RONVGS(th), vDS较高时，恒流区；较高时，恒流区；放大作用；放大作用；三种状态：三种状态：三、MOS管的基本开关电路3.3.1 MOS管的开关特性（3）vI继续升高，继续升高，RON减小，减小，只要只要RDRON,则输出为：则输出为：VOL0；D-S间，开关闭合。间，开关闭合。三种状态：三种状态：四、MOS管的开关等效电路3.3.1 MOS管的开关特性五、MOS管的四种类型3.3.1 MOS管的开关特性1.N沟道增强型vGS=0时，截止，无导电沟道；时，截止，无导电沟道；开启电压开启电压VGS(th), 为正。为正。2.P沟道增强型符号如
14、图所示符号如图所示3.3.1 MOS管的开关特性vGS=0时，截止，无导电沟道；时，截止，无导电沟道；开启电压开启电压VGS(th), 为负。为负。PMOS共源极接法电路如图（a）所示，转移特性如 (b)所示。3.3.1 MOS管的开关特性当当vGSVGS(th)，管子截止，管子截止， iD= 0即，即，vI=0时，时，MOS管不导通，只要管不导通，只要RD远小于远小于ROFF，输，输 出出vOL= -VDD。vGS VGS(off)时时，管子导通管子导通； vGS大于大于0时，使得该沟道变宽，时，使得该沟道变宽，iD增加。增加。4.P沟道耗尽型3.3.1 MOS管的开关特性符号如图所示符号如
15、图所示耗尽型PMOS共源极接法电路如图（a）所示，转移 特性如(b)所示。3.3.1 MOS管的开关特性当当vGS VGS(off)(正值），管子截止，正值），管子截止， iD= 0； vGS |VGS（th)P|+VGS(th)N2.工作原理图图3.3.11 CMOS反相器电路反相器电路3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理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)(OHoffonDDDD onoffoffRRVVRRRv 图图3.3.11 CMOS反相器电路反相器电路NthGSSSIGSPthGSDDDDIGS VvvvVVVvv)(2)(1 0 VDDvORonRoffT2vIT13.3.2 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)(0OLoffonDD onoffonRRVRRRv 图图3.3.11 CMOS反相器电路反相器电路2.工作原理VDDvORoffRonT2vIT1NthGSDDSSIGSPthGSDDIGS VVvvvVVvv)(2)(10 特点1. 无论无论 vI 是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，
