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1、第二章 门电路,概述2.1 半导体开关元件2.2 分立元器件门电路2.3 CMOS集成门电路2.4 TTL集成门电路,概述,一、门电路的概念,门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异 或门、三态门等。,门电路的定义：实现基本和常用逻辑运算的的电 子电路称为逻辑门电路，简称为门电路。,第二章 门电路,概述,逻辑变量的取值不是0就是1。,二、逻辑变量与两状态开关,K开-VO输出高电平，对应“1” K合-VO输出低电平，对应“0”,数字电路中，与之对应的是电子开关的 两种状态。,第二章 门电路,概述,三、高、低电平与正、负逻辑,高电平: 2.45V , UH 低电平: 00.8 V, UL,
2、数字信号,电平：,UH,UL,0V,0.8V,2.4V,5V,正逻辑，用1表示高电平，用0表示低电平,负逻辑，用0表示高电平，用1表示低电平,第二章 门电路,概述,四、分立元件门电路和集成门电路,分离元件门电路：用分离的元件和导线连接的门电路。集成门电路：把构成门电路的元件和导线，都制作在一块半导体芯片上，在封装起来，便构成 了集成门电路。,第二章 门电路,概述,五、数字集成电路的集成度,集成度：一般把在一块芯片中含有等效逻辑门的 个数，或元器件的个数，定义为集成度。,每片含100个以下元器件：小规模集成电路( Small Scale Integration :SSI ),每片含几百个元器件：
3、中规模集成电路（Medium Scale Integration :MSI ),每片含几千个元器件：大规模集成电路（ Large Scale Integration :LSI ),每片含一万个以上元器件：超大规模集成电路（ Very Large Scale Integration :VLSI ),第二章 门电路,概述,2.1半导体开关元件,理想开关的开关特性 半导体二极管的开关特性 半导体三极管的开关特性 MOS管的开关特性,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,理想开关的开关特性,理想开关：,一、静态特性,（一）断开时，等效电阻ROFF= ，电流IOFF=0 （二） 闭合时，等效电阻RON
4、=0 ，电流UAK=0,二、动态特性,（一）开通时间 ton=0 （二）关断时间toff=0,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,半导体二极管的开关特性,半导体二极管特点：单向导电性,（一）半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性,1、结构示意图和符号,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,2、伏安特性,Ui0.5V时，二极管导通。,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,（二）半导体二极管的开关作用,ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。,ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。,1、开关应用举例,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,2、静态开关特性,
5、（1）导通条件和导通的特点,当外加正向电压UD0.7V时，二极管导通，近似认为UD=0.7V不变，如同一个具有0。7压降的闭合了的开关。,（2）截至条件和截止时的特点,但外加电压UDIC，UCE0.3V称为饱和区。,iB=0,iC=ICEO,vBEUBE,集电结反偏，IB=IC，称为放大区。,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,(二）半导体三极管的开关应用,在数字电路中，半导体三极管一般工作在截止区或 饱和区。,1、静态开关特性,（1）饱和导通条件及特点,条件：iBIBSVCC/RC,特点：uBE 0.7V,uce=UCES0.3V,(2)截止条件及特点,条件：uBE0时,感应出电子,VT
6、称为阈值电压,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,UGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，UGS越大此电阻越小。,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,当UDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。,当UDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,UDS增加，UGD=VT 时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,3、MOS管的特性曲线,ID=f(uDS)uGS,(1)漏极特性,UTN=2V,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,(2)转移特性,ID=f(uGS)uDS,第二章 门电路,2.1 半导体开
7、关元件,（二）MOS管的开关作用,截止条件：uGSUTN,导通特点：MOS管如同一个具有一定导通电阻的闭合开关。,第二章 门电路,2.1 半导体开关元件,2.2 分立元器件门电路,二极管与门和或门 三极管非门,第二章 门电路,2.2 分立元器件门电路,二极管与门和或门,一、二极管与门,第二章 门电路,2.2 分立元器件门电路,( uD=0.7V ),输入输出电压关系表,与逻辑真值表,逻辑函数表达式 L=AB,第二章 门电路,2.2 分立元器件门电路,二极管或门,输入与输出电压关系表,逻辑式：F=A+B,逻辑符号：,第二章 门电路,2.2 分立元器件门电路,R1,R2,A,F,+5V,三极管非门
8、,逻辑式：,逻辑符号：,输入与输出电压关系表,5V,0.3V,0V,5V,第二章 门电路,2.2 分立元器件门电路,2.3 CMOS集成门电路,CMOS反相器 CMOS与非门、或非门、与门和或门 CMOS与或非门和异或门 CMOS传输门、三态门和漏极开路门,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,一、电路组成及工作原理,PMOS,NMOS,CMOS反相器,1、电路结构,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,如果将0V定义为0，逻辑VDD定义为逻辑1，将实现逻辑“非”功能 。,1.当vI=0V时，vGSN=0，N1截止，vGSP=VDD ，P1导通，vOVDD，门电路输出输出高电平；,
9、2.当vI=VDD时，VGSN=VDD ，N1导通，VGSP=0，P1截止，vO0V，门电路输出低电平。,2、工作原理,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,CMOS门电路的输入阻抗非常大。,优点：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电流IIH0.1A，低电平输入电流IIL0.1A。,缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。,措施：输入级一般都加了保护电路。,3、输入端保护电路,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,二、静态特性,（一）输入特性,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,（二）输出特性,1、高电平输出特性,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,2、低电平输出特性,
10、第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,AB段：VIUTN ，N1导通,但导通电阻大，故uo略有下降。,DE、EF段：与BC、AB段对应。,（三）传输特性,1、电压传输特性,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,2、电流传输特性,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,三、动态特性,1、传输延迟时间,平均传输延迟时间,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,2、状态转化时间,状态转换时间是指CMOS门电路从一个状态转换到另外一个状态所化的时间。,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,1,0,0,CMOS二输入或非门,L L off off on on H,第二章 门电路
11、,2.3 COMS集成门电路,CMOS与或非门和异或门,一、CMOS与或非门,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,二、CMOS异或门,(a)与非门构成的异或门,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,输入,输出,CMOS传输门、三态门和漏极开路门,一、CMOS传输门,vO / vI,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,工作原理：,当C为低电平时， N1、P1截止，传输门相当于开关断开；,当C为高电平时， N1、P1中至少有一只管子导通，使vO=vI，这相当于开关接通。,传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,二、CMOS三
12、态门,当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出,当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。 所以，这是一个低电平有效的三态门。,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,三、CMOS漏极开路门（OD门）,特点：,1、输出MOS管的漏极是开路的，工作时必须 外接电源和电阻才能工作。,2、可以实现线与功能。,3、可以实现逻辑电平变换。,第二章 门电路,2.3 COMS集成门电路,2.4 TTL集成门电路,TTL与非门 TTL门电路的其它类型,第二章 门电路,2.4 TTL集成门电路,TTL与非门,一、电路组成及工作原理,第二章 门电路,2.4 TTL集成门电路,输入级,输出级,中间级,+5V,T1 多发射极晶体管：实现“与”运算。,第二章 门电路,2.4 TTL集成门电路,0.3V,1V,1. 输入有低电平时，输出为高电平(关态),该电位不足以使T2及T1导通，因此T2及T1截止。,
