第三章 门电路 3.1 概述•门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 ······门电路中以高门电路中以高门电路中以高门电路中以高/ /低电平表低电平表低电平表低电平表示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0 获得高、低电平的基本原理高高/ /低电平都允许有低电平都允许有一定的变化范围一定的变化范围 正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示1 3.2半导体二极管门电路半导体二极管的结构和外特性（Diode）•二极管的结构：二极管的结构： PNPN结结 + + 引线引线 + + 封装构成封装构成PN 3.2.1二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 • •V VI I=V=VIHIH D D截止，截止，V VO O=V=VOHOH=V=VCCCC• •V VI I=V=VILIL D D导通，导通，V VO O=V=VOLOL=0.7V=0.7V 二极管的开关等效电路： 二极管的动态电流波形： 3.2.2 二极管与门设设VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0.7V0.7V0V0V3V3V0.7V0.7V3V3V0V0V0.7V0.7V3V3V3V3V3.7V3.7VA AB BY Y0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1规定3V以上为10.7V以下为0 3.2.3 二极管或门设设VCC = 5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VA AB BY Y0V0V0V0V0V0V0V0V3V3V2.3V2.3V3V3V0V0V2.3V2.3V3V3V3V3V2.3V2.3VA AB BY Y0 00 00 00 01 11 11 10 01 11 11 11 1规定2.3V以上为10V以下为0 二极管构成的门电路的缺点•电平有偏移•带负载能力差•只用于IC内部电路 3.3 CMOS门电路3.3.1MOS管的开关特性一、MOS管的结构S (Source)：源极G (Gate)：栅极D (Drain)：漏极B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结 以N沟道增强型为例： 以以N N沟道增强型沟道增强型为例：为例：当加当加+V+VDSDS时，时，V VGSGS=0=0时，时，D-SD-S间是两个背向间是两个背向PNPN结串联，结串联，i iD D=0=0加上加上+V+VGSGS，且足够大至，且足够大至V VGS GS >V>VGS (th)GS (th), D-S, D-S间形成导电沟道间形成导电沟道（（N N型层）型层）开启电压 二、输入特性和输出特性①①输入特性：直流电流为输入特性：直流电流为0 0，看进去有一个输入电容，看进去有一个输入电容C CI I，，对动态有影响。
对动态有影响②②输出特性：输出特性：i iD D = f (V= f (VDSDS) ) 对应不同的对应不同的V VGSGS下得一族曲线下得一族曲线 漏极特性曲线（分三个区域）①截止区②恒流区③可变电阻区 漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGS 109Ω 漏极特性曲线（分三个区域）恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大 漏极特性曲线（分三个区域）可变电阻区：当VDS 较低（近似为0）， VGS 一定时， 这个电阻受VGS 控制、可变 三、MOS管的基本开关电路 四、等效电路OFF OFF ，截止状态，截止状态 ONON，导通状态，导通状态 五、MOS管的四种类型•增强型•耗尽型大量正离子导电沟道 3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构 二、电压、电流传输特性 三、输入噪声容限 •结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限 3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性 二、输出特性 二、输出特性 3.3.4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间 二、交流噪声容限三、动态功耗 三、动态功耗 3.3.5 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路1. 1. 与非与非门门 2. 2.或非或非门门 带缓冲极的CMOS门1、与非门 带缓冲极的CMOS门2.解决方法 二、漏极开路的门电路（OD门） 三、 CMOS传输门及双向模拟开关1. 传输门 2. 2. 双向模拟开关双向模拟开关 四、三态输出门 三态门的用途 双极型三极管的开关特性（BJT, Bipolar Junction Transistor）3.5 TTL3.5 TTL门电路门电路3.5.1 3.5.1 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性 一、双极型三极管的结构管芯 + 三个引出电极 + 外壳 基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂 以NPN为例说明工作原理：• •当当V VCCCC >>>>V VBBBB• •be be 结正偏结正偏, bc, bc结反偏结反偏• •e e区发射大量的电子区发射大量的电子• •b b区薄，只有少量的空穴区薄，只有少量的空穴• •bcbc反偏，大量电子形成反偏，大量电子形成I IC C 二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPN）• •V VONON ：开启电压：开启电压• •硅管，硅管，0.5 ~ 0.7V0.5 ~ 0.7V• •锗管，锗管，0.2 ~ 0.3V0.2 ~ 0.3V• •近似认为近似认为: :• •V VBE BE < V< VON ON i iB B = 0 = 0• •V VBE BE ≥ ≥ V VON ON i iB B 的大小由外电路电压，电阻决定的大小由外电路电压，电阻决定 三极管的输出特性• •固定一个固定一个I IB B值，即得一条曲线，值，即得一条曲线， 在在V VCE CE > 0.7V> 0.7V以后，基本为水平直线以后，基本为水平直线 • •特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分①①放大区：条件放大区：条件V VCE CE > 0.7V, i> 0.7V, iB B >0, i >0, iC C随随i iB B成正比变化，成正比变化， Δ Δi iC C= =βΔβΔi iB B。
②②饱和区：条件饱和区：条件V VCE CE < 0.7V, i< 0.7V, iB B >0, V >0, VCE CE 很低，很低，Δ Δi iC C 随随Δ Δi iB B增加变增加变缓，趋于缓，趋于“ “饱和饱和” ”③③截止区：条件截止区：条件V VBE BE = 0V, i= 0V, iB B = 0, i = 0, iC C = 0, c—e = 0, c—e间间“ “断开断开” ” 三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，时，时，T T导通，导通，导通，导通，V VOO=V=VOLOL 工作状态分析： 图解分析法： 四、三极管的开关等效电路截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态 五、动态开关特性从二极管已知，从二极管已知，PNPN结存在电容效结存在电容效应在饱和与截止两个在饱和与截止两个状态之间转换时，状态之间转换时，i iC C的变化将滞后于的变化将滞后于V VI I，则，则V VOO的变化也的变化也滞后于滞后于V VI I。
六 、三极管反相器•三极管的基本开关电路就是非门实际应用中，为保证VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压 参数合理？参数合理？参数合理？参数合理？V VI I=V=VILIL时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOHOHVI=VIHVI=VIH时，时，时，时，T T截止，截止，截止，截止，V VOO=V=VOLOL 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构设① ② 二、电压传输特性 二、电压传输特性 二、电压传输特性 •需要说明的几个问题：① ② ③ 三、输入噪声容限 3.5.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间1、现象 3.5.5其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路1. 与非门 2. 或非门3.与或非门 4. 异或门 二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性① 输出电平不可调② 负载能力不强，尤其是高电平输出③ 输出端不能并联使用 OC门 2、OC门的结构特点 OC门实现的线与 三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS） 三态门的用途 。