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1、,第2章 基本门电路,本章教学基本要求,要知道：与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、CMOS传输门、三态门、OD门和OC门等的逻辑功能；推拉输出和高阻状态的含义。 会计算：OD门和OC门负载电阻。 要了解：半导体器件开关特性； CMOS和TTL电路结构及工作原理、外特性、主要参数、使用方法和注意事项；线与概念。,2.1 概述,用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路。 在电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑的1和O两种逻辑状态。获得高、低输出电平的基本原理可以用图2-1-1表示。,2.1 概述,如果以输出的高电平表示逻辑1，以低电平表示逻辑O，则称这
2、种表示方法为正逻辑。反之，若以输出的高电平表示0，而以低电平表示1，则称这种表示方法为负逻辑。高、低电平都有一个允许的范围，如图2-1-2所示。,2.2 二极管、三极管的开关特性,2.2.1 二极管开关特性,由于二极管具有单向导电性，即外加正电电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关，用它取代图2-1-1中的开关S，可得到图2-2-1所示的二极管开关电路。当输入信号为高电平uI=UIH=VCC时，二极管截止，输出为高电平uO=UOH=VCC，当输入为低电平uI=UIL=0V时，二极管导通，输出为低电平uO=UOL0。因此，可以用uI的高、低电平控制二极管的开关状
3、态，并在输出端得到相应的高、低电平输出信号。,2.2 二极管、三极管的开关特性,2.2.1 二极管开关特性,2.2.2 三极管开关特性,1双极型三极管的开关特性,只要用uI的高、低电平控制三极管即可使其分别工作在饱和导通和截止状态，三极管处于开关状态，在其输出端可获得对应的高、低电平。,2.2.2 三极管开关特性,2MOS管的开关特性,当uI=uGSUGS(th)时，MOS管工作在截止区。输出端输出为高电平uO=UOH=VDD。这时MOS管的D-S间相当于一个断开的开关。 当uI=uGSUGS(th)且uDS较小的情况下，MOS管工作在可变电阻区。输出端输出为低电平uO=UOL0。这时MOS管
4、的D-S间相当于一个闭合的开关。 因此，只要电路参数选择的合理，就可以做到输入为低电平时MOS管截止，开关电路输出高电平；而输入为高电平时MOS管导通，开关电路输出低电平。,2.2.2 三极管开关特性,2MOS管的开关特性,2.3 最简单的门电路,2.3.1 二极管门电路,1二极管与门 输入变量和输出变量之间满足与逻辑关系的电路叫与门电路，简称与门。图2-3-1为二极管与门电路，A、B为两个输入变量，Y为输出变量。,2.3 最简单的门电路,2.3.1 二极管门电路,2二极管或门 输入变量和输出变量之间满足或逻辑关系的电路叫或门电路，简称或门。图2-3-2为二极管或门电路，A、B为两个输入变量，
5、Y为输出变量。,2.3 最简单的门电路,2.3.2 三极管非门,能实现非逻辑关系的单元电路，叫做非门或叫反相器。图2-3-3为三极管非门电路，A为输入变量，Y为输出变量。,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.1 CMOS反相器,1电路结构 CMOS反相器是构成各种CMOS门的基本单元电路，其原始电路如图2-4-1(a)所示。该电路由一个增强型PMOS管和一个增强型NMOS管组成。也就是它是由两种类型的MOS管组合而成，且这两个管总是工作在一个导通，而另一个截止的状态，即所谓互补状态，所以把这种电路结构形式称为互补对称式金属-氧化物-半导体电路，简称CMOS电路。,2.4 CMOS集成逻辑门,2
6、.4.1 CMOS反相器,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.1 CMOS反相器,2工作原理 当uI为低电平即uI = UIL= 0时，TN管因为uGSN = 0UGS(th)N而截止，TP管因为uGSP = - VDD UGS(th)P而导通，所以输出为高电平，uO =VDD = UOH。 当uI为高电平即uI = UIH= VDD时，TN管因为uGSN = VDDUGS(th)N而导通，TP管因为uGSP = 0UGS(th)P而截止，所以输出为低电平，uO =0 = UOL。 可见，输出与输入之间为逻辑非关系，即反向关系。 由于静态下无论uI是高电平还是低电平，TN和TP总有一个是截止的
7、，而且截止内阻又极高，流过TN和TP的静态电流极小，因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的一大优点。,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.1 CMOS反相器,3特性和参数 1）电压传输特性 电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的曲线uO = (uI)。 对于图2-4-1所示CMOS反相器电路，如果VDD =10V，UGS(th)N =UGS(th)P=2 V，则其电 压传输特性如图2-4-2所示。,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.1 CMOS反相器,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.1 CMOS反相器,2）输入端噪声容限 在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电
8、平的允许波动范围称为输入端噪声容限。 （1）低电平噪声容限 低电平噪声容限，是指非门截止时保证输出高电平不低于高电平下限值时，在输入低电平基础上所允许叠加的正向最大干扰电压，用UNL表示。 （2）高电平噪声容限 高电平噪声容限，是指非门导通时，保证输出低电平不高于低电平上限值时，在输入高电平信号上所允许叠加的最大负向干扰电压，用UNH表示。 噪声容限越大，说明允许叠加的干扰电压值越大，当然抗干扰能力就越强。,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.1 CMOS反相器,3）输入特性 由于MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质层又非常薄(约01m)，极易被击穿(耐压约10
9、0V)，所以必须采取保护措施。在目前生产的CMOS集成电路中都采用了各种形式的输入保护电路，图2-4-3所示的保护电路就是常用的两种。图中二极管D1为集成工艺中自然形成的分布式二极管(用虚线连接表示)，C1、C2分别表示T1、T2的栅极等效电容。,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.1 CMOS反相器,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.1 CMOS反相器,4）输出特性 输出特性是指电路的输出电压与输出电流的关系曲线。,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.2 其它类型的CMOS门电路,1其它逻辑功能的CMOS门电路 在CMOS门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有或非门、与非门、或门、与门、
10、与或非门、异或门等几种。如下图所示,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.2 其它类型的CMOS门电路,2带缓冲级CMOS门电路,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.2 其它类型的CMOS门电路,3CMOS传输门和双向模拟开关,2.4 CMOS集成逻辑门,2.4.2 其它类型的CMOS门电路,4漏极开路的CMOS门（OD门）,2.5 TTL集成逻辑门,2.5.1 TTL与非门,1电路结构 图2-5-1为TTL与非门电路，因为这种类型电路的输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管-三极管逻辑电路，简称TTL电路。图2-5-1电路由三部分组成：输入级、中间倒相级和输出级。,2.5 TTL集成逻辑
11、门,2.5.2 其它类型TTL门电路,生实际的数字系统中，为了便于实现各种不同的逻辑函数，在TTL门电路的定型产品中，除了与非门之外，还有或非门、与门、或门、与或非门、异或门和反相器等几种常见的类型。,2.5 TTL集成逻辑门,2.5.3 TTL系列数字集成电路简介,在我国TTL数字集成电路分为CT54系列和CT74系列，两个系列具有完全相同的电路结构和电气性能参数，所不同的是54系列工作温度为-55125，为军用品；74系列工作温度为070，为民用品。54系列和74系列的几个子系列用H、S、LS、AS等符号表示，如不选表示为标准系列，H表示高速系列，S表示肖特基系列，LS表示低功耗肖特基系列
12、，AS表示先进的肖特基系列，它们的主要区别在于开关速度和平均功耗两个参数上。,2.5 TTL集成逻辑门,2.5.4 TTL门电路使用中应注意的问题,在使用TTL集成门电路时，应注意以下事项： （1）电源电压UCC应满足在标准值5(110)V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）具有推拉式输出结构的TTL门电路，不允许直接并联使用，三态门的输出端可以并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其余处于高阻态；集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端必须通过上拉电阻RP与电源相接。,2.5 TTL集成逻辑门,2.5.4 TTL门电路使用中应注意的问题,（4）TTL门多余输入端的处理方法,2.6 不同类型门电路的接口问题,2.6.1 TTL电路驱动CMOS电路,2.6.2 CMOS电路驱动TTL电路,
