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1、本章的重点：本章的重点： 1 1半导体二极管和三极管（包括双极性和半导体二极管和三极管（包括双极性和MOSMOS型）型）开关状态下的等效电路和外特性。开关状态下的等效电路和外特性。 2 2TTLTTL电路的外特性及其应用。电路的外特性及其应用。 3 3COMSCOMS电路的外特性及应用。电路的外特性及应用。本章的难点本章的难点: TTL电路的外特性是本章的一个难点，同时也是一个电路的外特性是本章的一个难点，同时也是一个重点。尤其是输入端采用多发射级三极管结构时，对输重点。尤其是输入端采用多发射级三极管结构时，对输入特性的全面分析比较复杂。从实用的角度出发，只要入特性的全面分析比较复杂。从实用的
2、角度出发，只要弄清输入为高弄清输入为高/低电平时输入电流的实际方向和数值的低电平时输入电流的实际方向和数值的近似计算就可以了近似计算就可以了 。1VCC0V第一节第一节 概述概述门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。 门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应逻辑电路的逻辑电路的1,0状态。状态。负逻辑：负逻辑：0代表代表高电平；高电平；1代表代表低电平。低电平。VCC0V高电平高电平低电平低电平正逻辑：正逻辑：1代表高电平；代表高电平；0代表低电平。代表低电平。
3、2 根据制造工艺不同可分为根据制造工艺不同可分为单极型单极型和和双极型双极型两大类。两大类。门电路中晶体管均工作在门电路中晶体管均工作在开关状态开关状态。首先介绍晶体管和场效应管的首先介绍晶体管和场效应管的开关特性开关特性。然后介绍两类门电路。然后介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握一般掌握； 而各种门电路的而各种门电路的外部特性外部特性和和应用应用是要求是要求重点重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。3第二节第二节 半导体二极管和三极管的开关特性半导体二极管和三极管的开关特性一、二极管的开关特
4、性一、二极管的开关特性1.开关电路举例开关电路举例2.静态特性静态特性伏安特性伏安特性等效电路等效电路 在数字电路中重点在在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）（见右侧电路图）有三种简化方法：有三种简化方法：输入信号慢变化时的特性。输入信号慢变化时的特性。4第第一一种种第第三三种种+- 0.5V第二种第二种VON 0.7V53.动态特性动态特性 当外加电压突然由正向当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时变为反向时，二极管会短时间导通。间导通。tre这段时间用这段时间用tre表示，称为表示，称为反向恢复时间
5、反向恢复时间。输入信号快变化时的特性。输入信号快变化时的特性。DRLi 它是由于二极管正它是由于二极管正向导通时向导通时PN结两侧的多结两侧的多数载流子扩散到对方形数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。成电荷存储引起的。6二、半导体三极管的开关特性二、半导体三极管的开关特性（一）双极型三极管的开关特性（一）双极型三极管的开关特性1.静态特性静态特性可用输入输出特性来描述。可用输入输出特性来描述。基本开关电路如图：基本开关电路如图：可用图解法分析电路：可用图解法分析电路：输入特性输入特性输出特性输出特性7VON (0.7V)ibiBS,三极管深饱和，三极管深饱和，=VCE(sat) 0V。iB
6、=i1 i219第四节第四节 TTL门电路门电路一、一、TTL反向器的电路结构和工作原理反向器的电路结构和工作原理1961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文Integrated Circuit,简称简称IC。 集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方毫米。毫米。按集成度分类按集成度分类：小规模集成电路小规模集成电路SSI: Small Scale Integr
7、ation;中规模集成电路中规模集成电路MSI: Medium Scale Integration;大规模集成电路大规模集成电路LSI: Large Scale Integration;超大规模集成电路超大规模集成电路VLSI: Very Large Scale Integration,按制造工艺分类按制造工艺分类：双极型集成电路；双极型集成电路；单极型集成电路；单极型集成电路；我们介绍我们介绍TTL电路。电路。我们介绍我们介绍MOS电路。电路。TTL (Transistor-Transistor Logic):三极管三极管三极管逻辑电路。三极管逻辑电路。201.电路结构（以电路结构（以74系
8、列系列非门为例）非门为例）2.工作原理工作原理输入级输入级中间级中间级输出级输出级推拉式（推拉式（push-pull）、）、图腾柱（图腾柱（totem-pole）输）输出电路出电路VCC=5V,VIH=3.4V,VIL=0.2VT1导通，深饱和导通，深饱和T2,T5截止。因为截止。因为T5有漏电有漏电流，可等效为大电阻。流，可等效为大电阻。T4导通，忽略导通，忽略R2压降，可求出压降，可求出=3.6V=VOH =VIH: =VIL:0.90.30.71.42.14.1?3.40.2T1的的BE结截止、结截止、BC结导通；结导通；T2、T5导通。导通。T4截止，因此截止，因此T5饱和。饱和。T2
9、: ICS=4V/1.6K=2.5mA; iB=2.9v/4k=0.72mA =20 所以，所以，T2饱和。饱和。=0.2V1.021二、二、TTL反向器的静态特性反向器的静态特性（一）（一） 电压传输特性电压传输特性CD段中点的输入电压称为段中点的输入电压称为阈值电压阈值电压，用，用VTH 表示。表示。B点：点： =0.6V，AB段称为段称为截止区截止区；C点：点： =1.3V，BC段称为段称为线性区线性区；D点：点： =1.4V，CD段称为段称为转折区转折区；DE段称为段称为饱和区饱和区；22输入端噪声容限输入端噪声容限高电平噪声容限：高电平噪声容限： 低电平噪声容限：低电平噪声容限：对于
10、对于74系列门电路，系列门电路，VNH、VNL都不小于都不小于0.4V。VOH(min)VOL(max)VIL(max)VIH(min)2.4V0.4V0.8V2.0V设定设定VOH(min)求出求出VIL(max)设定设定VOL(max)求出求出VIH(min)23（二）（二） 输入特性输入特性IIL称为称为输入低电平电流输入低电平电流。IIS称为称为输入短路电流输入短路电流 =0V的输的输入电流入电流。IIH称为称为输入漏电流输入漏电流。 输入电压为负时，基本是输入电压为负时，基本是保护二极管的伏安特性。保护二极管的伏安特性。IIH输入为输入为0.2V时时输入为输入为3.4V时时输入为其他
11、电压时输入为其他电压时IILIIS 输入电压小于输入电压小于0.6V时，计算时，计算IIL的公式仍然成立的公式仍然成立(把把VIL换为换为 ），是一直线方程。），是一直线方程。ii24（三）输入端负载特性（三）输入端负载特性当当 小于小于0.6V时时当当 =1.4V时，时，T2、T5均已导均已导通，通，T1基极电位被钳在基极电位被钳在2.1V而而 不再随不再随RP增加，因增加，因 此此 也不也不再随再随RP增加。增加。当当RP较小时，这较小时，这是直线方程是直线方程返回返回25例：计算图中电阻例：计算图中电阻RP取值范围。已知：取值范围。已知：VOH=3.4V,VOL=0.2V, VIH(mi
12、n)=2.0V, VIL(max)=0.8V。解：解：当当 =VOH时，要求时，要求 VIH(min)VOH-IIHRP VIH(min)=VOL+ RP(VCC - VBE VOL)/(R1+RP)当当 =VOL时，要求时，要求 VIL(max)VIL(max)RP 0.69KRP 35K对于对于74系列，当系列，当RP=2K 时，时， 就达到就达到1.4V。综合两种情况综合两种情况RP应按此式选取应按此式选取26（四）输出特性（四）输出特性1.高电平输出特性高电平输出特性 T4饱和前，饱和前，VOH基基本不随本不随iL变，变，T4饱和后，饱和后，VOH将随负载电流增加将随负载电流增加线性下
13、降，其斜率基本线性下降，其斜率基本由由R4决定。决定。2.低电平输出特性低电平输出特性 受功耗限制，受功耗限制，74系列门系列门输出高电平时最大负载电输出高电平时最大负载电流不超过流不超过0.4mA。T5饱和，饱和，c-e间等效电间等效电阻不超过阻不超过10欧姆，因此欧姆，因此直线斜率很小。直线斜率很小。rce27例：计算例：计算G1能驱动的同类门的个数。设能驱动的同类门的个数。设G1满足：满足：VOH=3.2V, VOL=0.2V。16解：解：N1=16/1 =16G1输出低电平输出低电平G1输出高电平输出高电平 G1输出高电平时，输出高电平时，最大允许输出电流为最大允许输出电流为0.4mA
14、； 每个负载门输入每个负载门输入电流为电流为IIH,不超过不超过0.04mA;故：故：N2= 0.4/0.04 =10综合综合N1,N2,应取应取N=10N称为门的称为门的扇出系数。扇出系数。每个负载门电流每个负载门电流G1门门电流电流28三、三、TTL反向器的动态特性反向器的动态特性1.传输延迟时间传输延迟时间 延迟作用是由晶体管的延迟延迟作用是由晶体管的延迟时间，电阻以及寄生电容等因素时间，电阻以及寄生电容等因素引起的。引起的。 tPLH往往比往往比tPHL大。大。 经常用平均传输延迟时间经常用平均传输延迟时间tPD来表示：来表示：tPD =(tPLH +tPHL)/22.交流噪声容限交流
15、噪声容限 干扰信号作用干扰信号作用时间短到与时间短到与tPD相近相近时的噪声容限。时的噪声容限。 此时，此时，tW越小，允许的干扰越小，允许的干扰信号幅值越大。信号幅值越大。293.电源动态尖峰电流电源动态尖峰电流静态电流：静态电流：ICCL=iB1+iC2=(5-2.1)/4+(5-1)/1.6=3.2mAICCH =iB1=(5-0.9)/4=1mA 在动态情况下，会出现在动态情况下，会出现T4和和T5同时导通的情况，特别是输同时导通的情况，特别是输出由低电平跳变为高电平时。使出由低电平跳变为高电平时。使电源电流出现尖峰脉冲。电源电流出现尖峰脉冲。此电流最大可达此电流最大可达30多多mA.
16、电源尖峰电流的不利影响：电源尖峰电流的不利影响：1.使电源平均电流增加；使电源平均电流增加；2.通过电源线和地线产生内通过电源线和地线产生内部噪声。部噪声。30四、其他类型的四、其他类型的TTL门电路门电路（一）其他逻辑功能的门电路（一）其他逻辑功能的门电路1.与非门与非门 T1为为多发射极管多发射极管。可等效。可等效为两个三极管。为两个三极管。其工作原理可从两方面分析：其工作原理可从两方面分析：(2) 输入有低时，输出高电平。输入有低时，输出高电平。 此时此时A,B两端并联，两端并联，T1成为成为一个三极管，结论成立。一个三极管，结论成立。(1) 输入全高时，输出低电平。输入全高时，输出低电
17、平。 设设A端输入端输入0.2V，则，则TI基基极电位为极电位为0.9V,此时无论此时无论B端状端状态如何，都不会影响态如何，都不会影响T1基极电基极电位。因此输出为高电平。位。因此输出为高电平。0.2V0.9V 如果输入全悬空，输出如果输入全悬空，输出为低电平。因此输入悬空等为低电平。因此输入悬空等效为输入高电平。效为输入高电平。312.或非门或非门 或非门的原理可从两方或非门的原理可从两方面分析：面分析：(1)输入全低，输出为高输入全低，输出为高 A端为低电平，使端为低电平，使T2截止；截止； B端为低电平，使端为低电平，使 截止；截止； 从而使从而使T5截止，输出为高电平。截止，输出为高
18、电平。(2)输入有高，输出为低输入有高，输出为低 若若A端为高电平，使端为高电平，使T2导通，此时无论导通，此时无论 为何状态，为何状态，都不会使都不会使T2截止。因此截止。因此T5一定导通，使输出为低电平。一定导通，使输出为低电平。323.与或非门与或非门 在或非门的基在或非门的基础上，增加础上，增加与与输入输入端，从而实现与或端，从而实现与或非逻辑。非逻辑。Y= AB + CD334.异或门异或门 红框中的电路控制红框中的电路控制T7的状态。因此，当的状态。因此，当T7截止时，电路就是以截止时，电路就是以A,B为输入的与非门。为输入的与非门。 A,B两输入端的高电平两输入端的高电平分别通过
19、分别通过T5和和T4使使T7截止。截止。 说明输入说明输入A,B有高电平，有高电平，就按与非门分析；就按与非门分析；当当A,B全低时，全低时，T4,T5全全截止，使截止，使T7导通，输出低导通，输出低电平。电平。0011110111100100ABBA从右表可得出该电路为异从右表可得出该电路为异或门。或门。34（二）集电极开路门（电路）（二）集电极开路门（电路）(OC)Open Collector Gate 目的：将门的输出端并联，实现目的：将门的输出端并联，实现线与线与：Z= AB CD 普通普通TTL门输出端并门输出端并联时，将产生过大的输出联时，将产生过大的输出电流导致器件损坏。电流导致
20、器件损坏。(此此电流可达电流可达30多毫安。）多毫安。）电路原理：电路原理：RL逻辑符号逻辑符号使用时需外接电阻使用时需外接电阻RL。当输入有低电平使当输入有低电平使T5截止时，只有很截止时，只有很小的漏电流流入门小的漏电流流入门里的里的T5的集电极。的集电极。可认为此时门的输可认为此时门的输出端处于出端处于高阻状态高阻状态。电阻可接到其电阻可接到其他电源，用他电源，用 表示。如表示。如SN7407可接可接30V电压电压 很容易验证这是一个很容易验证这是一个二输入端与非门。二输入端与非门。35负载电阻负载电阻RL的计算的计算图中电阻图中电阻RL以下连线称为以下连线称为总线总线。 这是用集电极开
21、路门连成总这是用集电极开路门连成总线结构的典型电路。其中负载电线结构的典型电路。其中负载电阻阻RL只需用一个即可。只需用一个即可。总线电位用总线电位用 表示。表示。分分 =VOH和和 VOL两种情况讨论：两种情况讨论：总线。其电位总线。其电位 ，矩形框表示矩形框表示线与线与当当 VOH时时IOHIOHIOHIOHIIHIIHIIHIIHIRLIRL= nIOH+mIIH用上式求出用上式求出RL的最大值。的最大值。36当当 总线为低电平总线为低电平VOL时：时：当当 =VOL时时IR LILVOLIILIL= IRL+ ILMIIL由上式求出由上式求出RL的最小值。的最小值。 RL在求出的范围内
22、取值。取在求出的范围内取值。取值偏大会降低工作速度；取值偏值偏大会降低工作速度；取值偏小会增加电源功耗。小会增加电源功耗。 为提高速度，就必须保持输出高电平时的低内阻特性。为提高速度，就必须保持输出高电平时的低内阻特性。从而引出从而引出三态输出门三态输出门(TS)。只有一个门输只有一个门输出低电平是最出低电平是最不利情况。不利情况。37（三）三态输出门电路（三）三态输出门电路（TS）Three-State Output GateEN为使能端，为使能端，高电平有效高电平有效。EN为高电平时为高电平时:若若A,B都为高电平：都为高电平： 二极管二极管D截止，对电路无截止，对电路无影响，影响，输出输
23、出为为低电平低电平；若若A,B中有低电平：中有低电平： T2,T5截止，二极管截止，二极管D导导通通,T4基极电位被钳在基极电位被钳在4.3V，T4导通，导通，输出高电平输出高电平，但电，但电位为位为2.9V。3.6V4.3V2.9V4.3VEN为低电平时为低电平时: T5截止；截止；T4基极电位被钳在基极电位被钳在1V,因此，因此，T4截止。从而输出端出现截止。从而输出端出现高阻状态高阻状态。如如EN端只有一个非门，则为端只有一个非门，则为低电平有效。低电平有效。0.3V38在总线传输方面的应用如图。在总线传输方面的应用如图。接成总线方式时，在接成总线方式时，在n个个EN端中，每次最多只能有
24、一个有效。端中，每次最多只能有一个有效。双向总线双向总线39四、四、TTL电路的改进系列电路的改进系列（一）（一）74H系列系列 除了除了74系列外，系列外，TTL电路还有电路还有74H、74S、74LS、74AS和和74ALS等系列。等系列。又称为又称为高速系列高速系列。 各改进系列都围绕提高速各改进系列都围绕提高速度和降低功耗两点进行。减度和降低功耗两点进行。减小电阻值可提高速度，但是小电阻值可提高速度，但是会明显增加功耗。会明显增加功耗。 可见其各电阻值明显小于可见其各电阻值明显小于74系列。加上采用了复合管系列。加上采用了复合管T3、T4，因此速度明显提高。但功耗增大更明显。，因此速度
25、明显提高。但功耗增大更明显。可参考表可参考表2.4.1。 表中表中dp积积是是延迟功耗积延迟功耗积（Delay-Power Product），），可用于衡量门电路的综合指标。可用于衡量门电路的综合指标。40（二）（二）74S系列系列又称为肖特基系列。又称为肖特基系列。与与74H系列比，有系列比，有两点改进：两点改进：1.使用肖特基势垒二极管使用肖特基势垒二极管 (Schottkey Barrer Diode)简称简称SBD;2.采用采用有源泄放电路有源泄放电路。SBD特点：导通压降特点：导通压降0.40.5V；无电荷存储；工艺与；无电荷存储；工艺与TTL兼兼容。容。 使用使用SBD后，三极管不
26、会进入深饱和状态，从而提高速度；后，三极管不会进入深饱和状态，从而提高速度；41有源泄放电路有源泄放电路 T6和和RB,RC构成有源泄放构成有源泄放电路。其作用有二：提高电路。其作用有二：提高速度；改善电压传输特性。速度；改善电压传输特性。 当当T2,T5由截止转入由截止转入导通时，导通时，T5早于早于T6导通，导通，加速加速T5导通；缩短导通；缩短tPHL。 当当T2,T5由导通转入截止时，由导通转入截止时，处于饱和的处于饱和的T6为为T5基极提供反基极提供反向泄放电流，加速向泄放电流，加速T5截止。缩截止。缩短短tPLH。有源泄放电路还改善了电压传输有源泄放电路还改善了电压传输特性，因为有
27、了特性，因为有了T6后，后，T2不再先不再先于于T5导通。导通。42（三）（三）74LS系列系列特点：特点：增加电阻值以减增加电阻值以减小功耗；小功耗；使用使用SBD以提高速度；以提高速度；采用有源泄放电路以提高采用有源泄放电路以提高速度；速度；将将T1改为改为SBD与门以提与门以提高速度；高速度；增加增加D3,D4以提高速度。以提高速度。缺点：缺点： 传输特性曲线转折区左移使传输特性曲线转折区左移使阈值电压阈值电压VTH降为降为1.1V左右左右； 输出低电平偏高，最大可达输出低电平偏高，最大可达0.5V。74S系列也具有这一缺点。系列也具有这一缺点。43返回返回5返回返回6返回返回844多余
28、输入端如何处理：多余输入端如何处理：以与非门为例，以与非门为例，欲实现欲实现Y=AB=A显然应使显然应使B=1，方法有：，方法有：1.接高电平；接高电平；2.接接VCC；3.悬空；悬空；4.接大电阻，大于接大电阻，大于2K欧姆；欧姆；5.与与A端并联。端并联。若为或非门，情况则不同。若为或非门，情况则不同。另外：另外：45第六节第六节 CMOS门电路门电路一、反向器（非门）一、反向器（非门）（一）工作原理（一）工作原理N沟道管开启电压沟道管开启电压VGS(th)N记为记为VTN;P沟道管开启电压沟道管开启电压VGS(th)P记为记为VTP;要求满足要求满足VDD VTN+|VTP|;输入低电平
29、为输入低电平为0V；高电平为；高电平为VDD;（1）输入为低电平）输入为低电平0V时；时；T2截止；截止；T1导通。导通。iD = 0， =VDD;（2）输入为高电平）输入为高电平VDD时；时；T1截止；截止；T2导通。导通。iD = 0， =0V;输入与输出间是逻辑非关系。输入与输出间是逻辑非关系。Complementary-Symmetry MOS .互补对称式互补对称式MOS电路。电路。46 特点：静态功耗近似为特点：静态功耗近似为0；电；电源电压可在很宽的范围内选取。源电压可在很宽的范围内选取。 在正常工作状态，在正常工作状态，T1与与T2轮流导通，即所谓轮流导通，即所谓互补互补状态。
30、状态。CC4000系列系列CMOS电路的电路的VDD可在可在318V之间选取。之间选取。471.电压传输特性电压传输特性VVT2截止，截止，T1导通导通T1截止，截止，T2导通导通T1，T2都导通都导通阈值电压阈值电压转折区变化率转折区变化率大，特性更接大，特性更接近理想开关。近理想开关。 阈值电压为阈值电压为VDD 的一半，特性对称，的一半，特性对称，因而输入端噪声容限较大。因而输入端噪声容限较大。CC4000系系列列CMOS电路的噪声容限为：（允许电路的噪声容限为：（允许输出电压变化百分之十）输出电压变化百分之十）VNH=VNL=30%VDD特点：特点：482.电流传输特性电流传输特性A当
31、当T1,T2都导通都导通时，时，iD不为不为0；输；输入电压为入电压为VDD/2时，时，iD较大，因较大，因此不应使其长期此不应使其长期工作在工作在BC段。段。 在动态情况下，电路的状态会通过在动态情况下，电路的状态会通过BC段，使动态功耗不为段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数的主要因素。出系数的主要因素。49(二二) 静态特性静态特性1.输入特性输入特性 由于由于MOS管栅极绝管栅极绝缘，输入电流恒为缘，输入电流恒为0，但但CMOS门输入端接有门输入端接有保护电路，从而输入电保护电路，从而
32、输入电流不为流不为0。AiI 由曲线可看出，输由曲线可看出，输入电压在入电压在0VDD间变间变化时，输入电流为化时，输入电流为0；当输入电压大于当输入电压大于VDD时，时，二极管二极管D1导通；当输导通；当输入电压小于入电压小于0V时，二时，二极管极管D2导通。导通。二极管二极管D2和和电阻电阻RS串联串联电路的特性电路的特性二极管二极管D1的特的特性性502 .输出特性输出特性(1) 输出低电平输出低电平0VDD增加相当于增加相当于T2的的VGS增加增加 T2工作在可变电阻区，有较小工作在可变电阻区，有较小的导通电阻，当负载电流增加时，的导通电阻，当负载电流增加时，该电阻上的压降将缓慢增加。
33、该电阻上的压降将缓慢增加。 对于对于CC4000系列门电路，当系列门电路，当VDD=5V时，时，IOL的最大值为的最大值为0.51mA；而在；而在74HC系列中，该值为系列中，该值为4mA。51(2) 输出高电平输出高电平00IOHVDDVOHVOH= + VDD 与输出低电平类似，此时与输出低电平类似，此时T1工作在可变电阻区；当负载电工作在可变电阻区；当负载电流增加时，流增加时，T1的的VDS增加，导致增加，导致输出下降。输出下降。 此时，此时，IOH的最大值，与的最大值，与输出低电平时相同。输出低电平时相同。52（三）动态特性（三）动态特性1.传输延迟时间传输延迟时间(1) MOS管在开
34、关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间；管在开关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间； (2) MOS管的导通电阻比管的导通电阻比TTL电路大的多，所以其内部电容电路大的多，所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受VDD影响，所以，影响，所以，VDD也影响传输延迟时间；也影响传输延迟时间； (3)C MOS门的输入电容比门的输入电容比TTL电路大的多，因此负载个数越电路大的多，因此负载个数越多，延迟时间越大；多，延迟时间越大；CMOS门的扇出系数就是受传输延迟时间门的扇出系数就是受传输延迟时间和下面要介绍的动态功耗等动态
35、特性限制的。和下面要介绍的动态功耗等动态特性限制的。532. 交流噪声容限交流噪声容限3.动态功耗动态功耗 与与TTL电路类似，当噪声电压作用时电路类似，当噪声电压作用时间间tW小于电路的传输延迟时间时，输入小于电路的传输延迟时间时，输入噪声容限噪声容限VNA将随将随tW缩小而明显增大。缩小而明显增大。 传输延迟时间与电传输延迟时间与电源电压和负载电容有关，源电压和负载电容有关，因此因此VDD和和CL都对输入都对输入噪声容限有影响。噪声容限有影响。 动态情况下，动态情况下，T1,T2会短时同时导通，产生附加会短时同时导通，产生附加功耗，其值随输入信号频率增加而增加。功耗，其值随输入信号频率增加
36、而增加。定量估算可得动态功耗定量估算可得动态功耗PC的公式：的公式：PC=CLfV2DD负载电容经负载电容经T1、T2充、放电，也会产生功耗。充、放电，也会产生功耗。54二、其他类型的二、其他类型的CMOS门电路门电路1.与非门与非门特点：特点：N沟道管串联、沟道管串联、P沟道管并联；沟道管并联； 设：设：MOS管的导通电阻为管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为门电路的输出电阻为RO。输出电阻随输入状态变化。输出电阻随输入状态变化。使用带缓冲级的门电路使用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点。可以克服上述缺点。2.或非门或非门特点：特点：P沟道管串联、沟道管串联、N沟道管并联；沟道管并联；2R
37、ON RON/211RON R0N01RON RON10RON/2 2R0N00RO（与非（与非) RO（或非）（或非）BA输出高电平偏低输出高电平偏低输出低输出低电平偏电平偏高高此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。（一）其他逻辑功能的（一）其他逻辑功能的CMOS门电路门电路55（二）带缓冲级的（二）带缓冲级的CMOS门电路门电路1.与非门：与非门：Y= AB = A + B = A + B 2.或非门或非门Y = A + B = A B = A B特点：输出电阻恒为特点：输出电阻恒为RON；输出电平和；输出电平和电压传输特性都不受输入状
38、态影响。电压传输特性都不受输入状态影响。56（三）漏极开路门电路（三）漏极开路门电路（OD） 普通普通CMOS门不能接门不能接成线与形式。成线与形式。 OD门输出端只是一门输出端只是一个个N沟道管，因此可以按沟道管，因此可以按OC门的办法连成总线形门的办法连成总线形式。式。特点：特点：VDD1和和VDD2可取不同值；可取不同值； 允许灌入电流较大。如：允许灌入电流较大。如： CC40107在在VOLRTG 则则C=0时，传输门截止；时，传输门截止；C=1,传输门导通。传输门导通。C58VGS(th)PVGS(th)NVDD0VN沟道管导通沟道管导通P沟道管导通沟道管导通分析原理。先分析只有一个
39、管时的情况：分析原理。先分析只有一个管时的情况：单管工作的缺点是：单管工作的缺点是：1.有死区；有死区；2.导通电阻随输入电压导通电阻随输入电压变化很大。变化很大。采用双管可克服这些缺点。采用双管可克服这些缺点。592.模拟开关模拟开关将电压传输系数定义如下：将电压传输系数定义如下：KTG= = 采用改进电路的采用改进电路的CMOS四模拟开关四模拟开关CC4066在在VDD=15V时，时，RTG值不大于值不大于240。而且在。而且在 变化化时，RTG基本保持不基本保持不变。 目前，某些精密目前，某些精密CMOS模拟开关的导通电阻已降低到模拟开关的导通电阻已降低到20 以下。以下。60（五）三态
40、输（五）三态输出的出的CMOS门门电路电路61三、改进的三、改进的CMOS门电路门电路1.高速高速CMOS电路电路 CMOS电路的优点是低功耗、高抗干扰能力。缺点是速电路的优点是低功耗、高抗干扰能力。缺点是速度低。改进后的度低。改进后的CMOS电路的电路的速度速度已达到已达到TTL电路的水平。电路的水平。 右图说明右图说明MOS管的寄生电容管的寄生电容情况。情况。 减小寄生电容是提高速度的关键。减小寄生电容是提高速度的关键。 关键措施是采用关键措施是采用短沟道硅栅自对短沟道硅栅自对准工艺准工艺。 高速高速CMOS通用系列是通用系列是54HC/74HC系列。系列。 它们采用它们采用+5V电源，输
41、出高低电平与电源，输出高低电平与TTL电路兼容。平均电路兼容。平均传输业延迟时间小于传输业延迟时间小于10nS。与。与TTL电路相当。电路相当。622.Bi-CMOS电路电路双极型双极型-CMOS电路的简称。电路的简称。Bipolar-CMOS。 逻辑部分采用逻辑部分采用CMOS电路，输出部分电路，输出部分采用双极型三极管。因采用双极型三极管。因此，它兼有此，它兼有CMOS电路电路低功耗和双极型电路低低功耗和双极型电路低输出内阻的特点。输出内阻的特点。 目前，目前，Bi-CMOS反反相器的传输延迟时间可相器的传输延迟时间可达到达到1nS以下。以下。63四、四、CMOS电路的正确使用电路的正确使
42、用1.输入电路的静电防护输入电路的静电防护 CMOS电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。静电措施。 (1)储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装；储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装；(3)不用的输入端不应悬空。不用的输入端不应悬空。2.输入电路的过流保护输入电路的过流保护 保护二极管只能承受保护二极管只能承受1mA电流，电流，因此下列三种情况下输入端要串因此下列三种情况下输入端要串入保护电阻
43、。入保护电阻。(1)输入端接低内阻信号源；输入端接低内阻信号源；(2)输入端接有大电容；输入端接有大电容；(3)输入端接长线。输入端接长线。 (2)操作时使用的电烙铁等，操作时使用的电烙铁等，要妥善接地；要妥善接地；643.CMOS电路锁定效应的防护电路锁定效应的防护 产生锁定效应将造成产生锁定效应将造成CMOS电路永久失效。可在电路永久失效。可在输入、输出端接入钳位保护电路，在电源输入端加输入、输出端接入钳位保护电路，在电源输入端加去偶电路。去偶电路。 应确保应确保CMOS电路先通电、后断电电路先通电、后断电。65GI输出低电平时：输出低电平时：GI输出高电平时：输出高电平时：解上述两式可得：解上述两式可得：【题【题2.9】1RBRC5VG14.7K66
