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1、第三章第三章 门电路门电路3.1 概述概述门电路门电路门电路门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路。：实现基本运算、复合运算的单元电路。如与门、或门、非门、或非门分为两大类：TTL门电路和CMOS门电路门电路中以高门电路中以高/低电平表示逻辑状态的低电平表示逻辑状态的1/0。 获得高、低电平的基本原理：获得高、低电平的基本原理：单开关电路互补开关电路 逻辑电平的定义方法：逻辑电平的定义方法： - 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高、低电平都允许高、低电平都允许有一定的变化范围有一定的变化范围参看书参看书P106表和书表和书P139表表TTL系列电源：
2、5V CMOS系列电源：318V 数字集成电路的分类数字集成电路的分类 从制造工艺上将数字集成电路分为双极型、单极型和从制造工艺上将数字集成电路分为双极型、单极型和混合型三种；混合型三种；从集成度上可分为：从集成度上可分为： SSI、MSI、LSI 、VLSI等类型；等类型；门电路分类：门电路分类：TTL门电路、门电路、CMOS门电路门电路基本原理：基于二极管、三极管的开关特性。基本原理：基于二极管、三极管的开关特性。3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1二极管的开关特性二极管的开关特性高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 则当：VI=VIH 时，D截止，VO=VOH=VC
3、CVI=VIL 时，D导通，VO=VOL=0.7V 单向导电性：先复习二极管的先复习二极管的伏安曲线伏安曲线 二极管的开关等效电路：二极管的开关等效电路：a)当外电路的等效电源和等效电阻都很小时，二极管的正向导通压降和正向电阻都不可忽略；b) 二极管的正向导通压降不可忽略而正向电阻可忽略；c) 二极管的正向导通压降和正向电阻都可忽略； 二极管的反向恢复时间：二极管的反向恢复时间：原因：电荷的存储效应原因：电荷的存储效应 板书说明板书说明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=0.7VABY0V0V0.7V0V3V
4、0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定规定3V以上为以上为10.7V及以下为及以下为0逻辑符号：逻辑符号：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=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定规定2.3V及以上为及以上为10V及以下为及以下为03.2.3 二极管或门逻辑符号：逻辑符号：3.3 CMOS门电路门电路3.3.1 MOS管的开关特性管的开关特性一、MOS管的结构S (Source)：源极G (Gate)：栅极D (Drain)：
5、漏极B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结以以N沟道增强型为例：沟道增强型为例：当加当加+VDS时，时，VGS=0时，时，D-S间是两个背向间是两个背向PN结串联，结串联，iD=0加上加上+VGS，且足够大至，且足够大至VGS VGS (th), D-S间形成间形成导电沟道（导电沟道（N型层）型层）开启电压开启电压二、二、MOS管的输出特性管的输出特性输入特性：栅极电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。输出特性（漏级特性曲线）：iD = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。 漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）截止区恒流区可变电阻区
6、漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）截止区：VGS 109漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大转移特性曲线漏极特性曲线漏极特性曲线（分三个区域）（分三个区域）可变电阻区：当VDS 较低， VGS 一定时， 这个电阻受VGS 控制、可变， VGS越大则等效电阻（称导通电阻RON ）越小。三、三、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路四、等效电路四、等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态五、五、MOS管的四种类型管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道（自学）（自学）3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工
7、作原理反相器的电路结构和工作原理一、电路结构一、电路结构 设：设：PN二、电压、电流传输特性二、电压、电流传输特性三、输入噪声容限三、输入噪声容限结合电压传输特性曲线结合电压传输特性曲线参看参看P106表表3.3.2所以：可以通过提高所以：可以通过提高VDD来提高噪声容限来提高噪声容限电压传输特性和VDD有关通常手册中给出通常手册中给出VNH和和VNL约为约为VDD的的30%3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性一、输入特性一、输入特性二、输出特性1、输出为低电平时：2、输出为高电平时：3.3.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间一、
8、传输延迟时间参看书参看书P106表表二、交流噪声容限二、交流噪声容限即：门电路对窄脉冲信号的噪声容限即：门电路对窄脉冲信号的噪声容限三、动态功耗CPD：功耗电容，具体数值由器件制造商给出。参看书P106CMOS反相器从一种稳定状态突然转变到另一种稳定状态的过程中，产生的功耗.看书例题看书例题3.3.13.3.5 其他类型的其他类型的CMOS门电路门电路一、其他逻辑功能的门电路1. 与非门 2.或非门 解决办法：增加缓冲门解决办法：增加缓冲门带缓冲器的带缓冲器的CMOS门：在每个输入、输出端门：在每个输入、输出端 各增设一级反相器各增设一级反相器这样一来，任何复合门的输入输出特性就与这样一来，任
9、何复合门的输入输出特性就与反相器的输入输出特性完全一致了反相器的输入输出特性完全一致了二、漏极开路的门电路（二、漏极开路的门电路（OD门）门）逻辑符号：逻辑符号：用来实现线与，实现电平转换用来实现线与，实现电平转换.上拉电阻上拉电阻RL的计算方法：的计算方法：1，当输出全部为高电平时：，当输出全部为高电平时：2，当有一个输出为低电，当有一个输出为低电平，其余为高电平时：平，其余为高电平时：例例3.3.2三、三、 CMOS传输门及双向模拟开关传输门及双向模拟开关1. 传输门可见，可见，CMOS传输门传输门可以传输数字信号，可以传输数字信号，和和CMOS反相器反相器一起构成各种数字电路一起构成各种
10、数字电路,还可以作为模拟开关还可以作为模拟开关来传输模拟信号，来传输模拟信号，逻辑符号：逻辑符号：2. 双向模拟开关比如构成异或门：逻辑符号：逻辑符号：四、三态输出门四、三态输出门逻辑符号：逻辑符号：三态门的用途三态门的用途用于总线结构用于总线结构用于数据的双向传输用于数据的双向传输双极型三极管的开关特性（BJT, Bipolar Junction Transistor）3.5 TTL门电路门电路3.5.1 半导体三极管的开关特性一、双极型三极管的结构一、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以NPN为例说明工作原理：为例说明工作原理：当VCC
11、 VBBbe 结正偏, bc结反偏e区发射大量的电子b区薄，只有少量的空穴bc反偏，大量电子形成IC二、三极管的输入特性和输出特性二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（三极管的输入特性曲线（NPN）VON ：开启电压硅管，0.5 0.7V锗管，0.2 0.3V近似认为:VBE 0.7V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放大区：条件VCE 0.7V, iB 0, iC随iB成正比变化， iC=iB。饱和区：条件VCE 0, VCE 很低，iC 随iB增加变缓，趋于“饱和”。截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce间“断开” 。三、
12、双极型三极管的基本开关电路三、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：工作状态分析：图解分析法：图解分析法：四、三极管的开关等效电路四、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、动态开关特性五、动态开关特性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
13、，则，则V VOO的变化也的变化也滞后于滞后于V VI I。六六 、三极管、三极管反相器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 输入断接入负压。 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例例3.5.1：计算参数设计是否合理：计算参数设计是否合理5V- -8V3.3K10K1K=20VCE(sat) = 0.1VVIH=5VVIL=0V例例3.5.1：计算参数设计是否
14、合理：计算参数设计是否合理将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路当当又因此，参数设计合理3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理一、电路结构一、电路结构设 二、电压传输特性二、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： 三、输入噪声容限三、输入噪声容限输入特性曲线输入特性曲线3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性输出特性曲线输出特性曲线参看参看P139性能参数表性能参数表例：扇出系数（Fan-out），试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。假设为74系列的门电路参考P138表3.5.1N1=10
15、N2=163.5.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间二、交流噪声容限二、交流噪声容限（b）负负脉冲噪声容限脉冲噪声容限（a）正正脉冲噪声容限脉冲噪声容限 当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流2、动态尖峰电流3.5.5其他类型的其他类型的TTL门电路门电路一、其他逻辑功能的门电路1. 与非门相当于二极管与门相当于二极管与门b=e1e22. 或非或非门门3.与或非与或非门门二、集电极开路的门电路二、集电极开路的门电路1、推拉式输出电路结构的局限性 输出
16、电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出 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3、外接负载电阻RL的计算三、三态输出门（三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）三态门的用途三态门的用途一、高速系列一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）1.电路的改进(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro）(2)减少各电阻值2. 性能特点速度提高 的同时功耗也增加 3.5.6 TTL电路的改进系列电路的改进系列 二、肖特基系列二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）1.电路改进(1)采用抗饱和三极管(2)用有源泄放电路代替74H系列中的R3(3)减小电阻值2. 性能特点速度进一步提高，功耗增大肖特基势垒二极管三、低功耗肖特基系列三、低功耗肖特基系列74LS/54LS1)达林顿2)抗饱和三极管3)有源泄放电路4)升高电阻值具有最小的延迟-功耗积，参看P139参数表了解：集成门电路的基本结构和原理了解：集成门电路的基本结构和原理了解：集成门电路的基本结构和原理了解：集成门电路的基本结构和原理重点关注：集成门电路的性能参数重点关注：集成门电路的性能参数重点关注：集成门电路的性能参数重点关注：集成门电路的性能参数作业作业作业作业 ： 3.9 3.9 3.9 3.9 3.163.163.163.16
