数字电路与逻辑设计第二章

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1、电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院第二章第二章逻辑门电路逻辑门电路2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类 2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门 2.4 三极管反相器三极管反相器2.5 TTL集成逻辑门集成逻辑门 2.6 ECL逻辑门逻辑门路路2.7 CMOS反相器反相器2.8 不同工艺逻辑门之间的互联不同工艺逻辑门之间的互联2.2 晶体管的开关特性晶体管的开关特性电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院逻辑门电路逻辑门电路门电路门电路：用以：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单实现基本逻辑运算

2、和复合逻辑运算的单元电路元电路通称通称门电路门电路。门电路门电路是构成数字电路的基本器件，可以由分立元是构成数字电路的基本器件，可以由分立元件构成，但实际中常用的是集成逻辑门。件构成，但实际中常用的是集成逻辑门。理解逻辑门的理解逻辑门的基本结构基本结构、工作原理工作原理；掌握基本逻辑门的掌握基本逻辑门的外部特性外部特性。本本章章重重点点重点重点电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院半导体集成电路半导体集成电路半导体集成电路半导体集成电路是采用是采用外延生长外延生长、光刻光刻、氧化物生氧化物生长长、离子注入离子注入等技术，将等技术，将晶体管晶体管、电阻电阻

3、、电容电容等元等元件和件和内部电路连线内部电路连线一起做在一块半导体基片上所构一起做在一块半导体基片上所构成的成的电路单元电路单元。它又称为。它又称为集成电路组件集成电路组件。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类双极型集成电路双极型集成电路MOS集成电路集成电路按有源器件类型分按有源器件类型分PMOSNMOSCMOSTTL、ECLI2L、HTL两类集成电路相比较：两类集成电路相比较：双极型集成电路工作速度高，驱动双极型集成电路工作速度高，驱动能力强，但功耗大，能力强，但功耗大，集成度集成度低。低。MO

4、S集成电路集成度高，功耗相对较低。缺点是工作速集成电路集成度高，功耗相对较低。缺点是工作速度略低。目前度略低。目前CMOS器件是主要的数字集成电路工艺。器件是主要的数字集成电路工艺。单位面积上晶体管数。单位面积上晶体管数。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类按集成按集成度分度分SSI（10-100个晶体管，个晶体管，10-20个等效门）个等效门）MSI（100-1000个晶体管，个晶体管，20-100个等效门）个等效门）LSI （103-105个晶体管，个晶体管，100-1000个等效门）个等效门）V

5、LSI（ 105个晶体管，个晶体管，10104 4个以上等效门）个以上等效门）常用常用SSI、MSI：门、触发器、译码器、多路选择器、加：门、触发器、译码器、多路选择器、加法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器。法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器。常见常见LSI、VLSI：只读存储器、随机存取寄存器、可：只读存储器、随机存取寄存器、可编程逻辑器件、大规模移位寄存器、微处理器、单片编程逻辑器件、大规模移位寄存器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器。和专用数字信号处理器。电电路路中

6、中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院 2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类按设计方法分按设计方法分通用芯片通用芯片可编程逻辑器件可编程逻辑器件半定制集成电路半定制集成电路全定制集成电路全定制集成电路逻辑门电路是构成数字器件的基本单元。逻辑门电路是构成数字器件的基本单元。功能固定，所实现的系功能固定，所实现的系统体积和功耗都较大。统体积和功耗都较大。通过对器件内部的连通过对器件内部的连线编程来实现预期的线编程来实现预期的逻辑功能。使用灵活，逻辑功能。使用灵活，减少了系统的芯片数减少了系统的芯片数和功耗。和功耗。门阵列、标准单元等构成的集成门阵列、标准单元

7、等构成的集成电路，内部连线向厂家定做，适电路，内部连线向厂家定做，适用于器件需求较多时。用于器件需求较多时。针对用户的技术要求由器件生产针对用户的技术要求由器件生产厂家专门进行设计和制作，只适厂家专门进行设计和制作，只适用于很大批量的生产。用于很大批量的生产。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院晶体管的开关特性晶体管的开关特性2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性半导体二极管具有半导体二极管具有单向导单向导电性电性，外加正向电压时导，外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，通，外加反向电压时截止，相当于一个受外加电压极相当于一个受外加电压

8、极性控制的开关性控制的开关。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院二极管的等效电路二极管的等效电路当二极管的当二极管的正向导通压降和正向导通压降和外加电压相比不能忽略外加电压相比不能忽略，而，而导通电阻与外接电阻相比可导通电阻与外接电阻相比可以忽略以忽略时，近似特性曲线和时，近似特性曲线和等效电路如右下图所示。等效电路如右下图所示。在数字电路中，多数情况都符合在数字电路中，多数情况都符合外加电压较低而外接电阻较大外加电压较低而外接电阻较大的的条件，因此条件，因此常用这种近似方法常用这种近似方法。VDVD 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子

9、子工工程程学学院院2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性二极管二极管由正向导通状态变为反向截止状态由正向导通状态变为反向截止状态所需要的时所需要的时间，称为间，称为反向恢复时间反向恢复时间tR，它是扩散区所存储的电荷，它是扩散区所存储的电荷消散所需要的时间。消散所需要的时间。影响二极管开关速度的主要因素影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间是反向恢复时间。二极管二极管由反向截止状态变为正向导通状态由反向截止状态变为正向导通状态所需要的时所需要的时间来，称为间来，称为开通时间开通时间，它是在扩散区存储电荷所需要，它是在扩散区存储电荷所需要的时间，这个的时间，这个时间很短

10、时间很短，可以，可以忽略不计忽略不计。二极管二极管在在导导通与截止两种状通与截止两种状态态之之间转换间转换需要一定的需要一定的时间时间，转换时间转换时间的的长长短决定了器件可以工作的短决定了器件可以工作的最大速度最大速度。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.2.2 双极型晶体管的开关特性双极型晶体管的开关特性饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区输出特性曲线输出特性曲线在数字电路中，晶体管工在数字电路中，晶体管工作在作在饱和饱和与与截止截止状态。通状态。通过改变基极信号过改变基极信号vI来控制来控制C、E间的接通与断开。间的接通与断开。电电路路

11、中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态截止截止状态：状态：发射结发射结和和集电结集电结均均反向偏置反向偏置。 iB 0，iC=0，VBE 0V(硅管就基本截止硅管就基本截止)。放大放大状态：状态：发射结正向偏置发射结正向偏置，集电结反向偏置集电结反向偏置。 iB 0，iC=iB，有电流放大作用。，有电流放大作用。饱和饱和状态：状态：发射结发射结和和集电结均正向偏置集电结均正向偏置。iB IBS （ iC iB ），），VCE 很小很小(VCE(sat)，饱和得越深，饱和得越深， VCE就就越小，越小，深度饱和深度饱和时时VCE(

12、sat)。饱和压降饱和压降基极临界饱基极临界饱和电流和电流电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路当当I =VIL Vth时，三极管时，三极管导通导通。随着随着I的增加，的增加，iB增加，增加，RC上的压降增大，上的压降增大，O减小。减小。VIL截止截止vIVth导通导通iBiCVCC 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路当当vI增大到一定值时，三极管进入增大到一定值时，三极管进入饱和状态饱和状态，三极管相当于闭合

13、的开，三极管相当于闭合的开关，关，O= VCE（sat) =VOL 。晶体管晶体管进进入入临临界界饱饱和状和状态态时时的集的集电电极和基极极和基极电电流分流分别记为别记为ICS、IBS：电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路当当RC上的压降增大到接近电源电上的压降增大到接近电源电压压VCC时，三极管上的压降近似时，三极管上的压降近似为为0，三极管处于，三极管处于深度饱和状态深度饱和状态，O= VCE（sat) =VOL 。饱和饱和状态时状态时iB IBS （ iCIBS=ICS/。电电路路中中心

14、心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院双极型三极管的开关等效电路双极型三极管的开关等效电路截止截止状态状态等效电路等效电路ICEO 0饱和导通饱和导通状状态等效电路态等效电路VCE（sat) 0当当I =VIL时，三极管时，三极管截止截止，O=VOH；当当I =VIH 时，三极管时，三极管饱和饱和，O=VOL。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院双极型三极管的动态开关特性双极型三极管的动态开关特性延迟时间延迟时间td：三极管发射结电：三极管发射结电压由反偏上升到，晶体管开始压由反偏上升到，晶体管开始导通，所需要的时间。导通，所需要的时

15、间。上升时间上升时间tr：集电极电流：集电极电流iC从从CS上升到上升到CS所需时间。所需时间。截止截止状态状态饱和饱和状态状态开通时间开通时间ton：三：三极管从截止状态极管从截止状态转换为饱和状态转换为饱和状态所需要的时间，所需要的时间，ton=td+tr 。tdtrton 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院三极管的关闭时间三极管的关闭时间存储时间存储时间ts：三极管从饱和状态进：三极管从饱和状态进入放大状态过程中，基区所存储的入放大状态过程中，基区所存储的多余电荷消散所需要的时间。多余电荷消散所需要的时间。饱和饱和状态状态截止截止状态状态下降时间

16、下降时间tf：集电极电流从：集电极电流从CS到减小到减小为为CS 所需要的时间。所需要的时间。关闭时间关闭时间toff：三：三极管从极管从饱和饱和状态状态转换为转换为截止截止状态状态所需要的时间，所需要的时间，toff=ts+tf 。tstftoff 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院三极管的开关时间三极管的开关时间一般一般延迟时间延迟时间td较小，较小，存储时间存储时间ts随饱和深度而变化。当饱和深随饱和深度而变化。当饱和深度较深时，度较深时，ts时间最长，成为时间最长，成为影影响三极管工作速度的主要因素响三极管工作速度的主要因素。由于晶体管存在开关

17、时间，当作由于晶体管存在开关时间，当作开关使用时，不能随控制信号的开关使用时，不能随控制信号的状态变化而立即改变状态，因此，状态变化而立即改变状态，因此，晶体管的开关时间将是影响电路晶体管的开关时间将是影响电路工作速度的主要因素工作速度的主要因素。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院0V5VvAvBvFHHHHLLLHLLLL5V5V5V2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门、二极管与门电路、二极管与门电路ABF111100010000A A、B B中有一个或一个以中有一个或一个以上为低电平上为低电平0V0V，则输出，则输出F F就为就为低电平低电平。只有只

18、有A A、B B全为高全为高电平电平5V5V，则输出，则输出F F才为高电平才为高电平5V5V。F=AB低电平上升了低电平上升了电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.3.2 二极管或门电路二极管或门电路5V0VvAvBvFHHHHLLLHLLHHABF111100010011F=A+B0V0VA A、B B中有一个或一个以中有一个或一个以上为高电平上为高电平5V5V，则输出，则输出F F就为就为高电平高电平。高电平下降高电平下降了了只有只有A A、B B全为低电平全为低电平0V0V，则输出则输出F F才为低电平才为低电平0V0V。0V 电电路路中

19、中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院二极管门电路的缺点二极管门电路的缺点当信号通过二极管门电路时，会因为二当信号通过二极管门电路时，会因为二极管的正向导通压降而导致极管的正向导通压降而导致电平偏离电平偏离。二极管门电路二极管门电路带负载能力差带负载能力差。克服缺点的方法克服缺点的方法：在二极管门电：在二极管门电路的输出端连接一个三极管反相路的输出端连接一个三极管反相器，构成与非门、或非门。器，构成与非门、或非门。RL越小，越小，VF越低，越偏越低，越偏离高电平离高电平EC输出高电平输出高电平二极管门电路二极管门电路不能实现非逻辑不能实现非逻辑。电电路路中中心心

20、张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.4 晶体管反相器晶体管反相器BE结结反偏反偏，三极，三极管可靠管可靠截止截止。VO=VCC=12V=VOH0V12VEb的接入使得即使输入低电平稍大于的接入使得即使输入低电平稍大于0，三极管也能可靠截止，使输出为高电平。三极管也能可靠截止，使输出为高电平。VI=VIL=0V时：时：电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.4.1 晶体管反相器的工作原理晶体管反相器的工作原理VI=VIH=3V时：时：Ib=I1-I2IbIBS三极管三极管饱和饱和 VO=Vce(sat)0.3V=VOL3VIbI1I

21、2 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.4.2 反相器的负载能力反相器的负载能力灌电流灌电流负载负载IL反相器后反相器后面所接的面所接的其它电路其它电路负载电流负载电流IL流入反相器流入反相器三极管三极管VTVT饱和时，饱和时，V VO O=V=VOLOL，D D截止。截止。IC=IRC+IL EC/RC+ IL =12mA+ IL 随着随着I IL L的增大，的增大，I Ic c也增大，到也增大，到I Ic c=I=ICSCS时时VTVT临界饱和，临界饱和，I Ic c再增大，再增大，VTVT就会退出饱和，就会退出饱和，V VO O就会上升而不能维

22、持为低电平。就会上升而不能维持为低电平。负载能力负载能力：在保证正常的输出：在保证正常的输出高、低电平值的情况下，反相高、低电平值的情况下，反相器器输出输出端所能承受的端所能承受的最大电流最大电流。3VICIRC3V 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院反相器的灌电流负载能力反相器的灌电流负载能力I ILmaxLmax=I=ICSCS-I-IRCRC提高灌电流负载能力的方法：提高灌电流负载能力的方法：1、提高三极管的饱和深度。、提高三极管的饱和深度。2、加大、加大Rc使使IRC减小。减小。临临界界饱饱和和时时：I ICSCS= = I IBSBS= =

23、I Ib bI IC C=I=IRCRC+I+IL LEEC C/R/RC C+I+IL L=12mA+I=12mA+IL LIICSCSIL3V3V 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院反相器的拉电流负载能力反相器的拉电流负载能力IRCIDIL负载电流负载电流IL从从反相器流出反相器流出晶体管晶体管VTVT截止，截止，IC=0 ，二极管导通，二极管导通，V VO O=V=VOHOH= =q qV V。随着随着IL的增大，的增大，ID减小，减小，极限时极限时ID=0，D截止。截止。减小减小Rc使使IRC增加。增加。提高拉电流负载能力的方法：提高拉电流负载

24、能力的方法：3V0V 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院系列系列型号型号电电源源电电压压（V）门门传传输输时时延延（ns）门门静静态态功功耗耗（mW）TTL54/74TTL54/74LSTTL54/74ALSTTL55%(74)510%(54)107.5510212.5 TTL集成逻辑门集成逻辑门同型号不同系列的器件同型号不同系列的器件, 逻辑功能相同，管脚兼容，但性能不同。逻辑功能相同，管脚兼容，但性能不同。TTL电路电路分类分类TTLSTTLLSTTLALSTTL中速标准中速标准TTL肖特基肖特基TTL，速度快，功耗大。，速度快，功耗

25、大。低功耗肖特基低功耗肖特基TTLASTTLFTTL先进低功耗肖特基先进低功耗肖特基TTL快速快速TTL先进肖特基先进肖特基TTL 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.5.1 TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理输输入入级级中中间间级级输输出出级级中间级中间级是放大级，由是放大级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极和发射极可以分别提供两的集电极和发射极可以分别提供两个相位相反的电压信号。个相位相反的电压信号。输入级输入级由多发射极晶体管由多发射极晶体管T1和基极电阻和基极电阻R1组成，它组成，它实现了输入变量实现了输入

26、变量A、B、C的与运算。二极管的与运算。二极管D1、D2和和D3可以限制输入端可能可以限制输入端可能出现的负极性干扰。出现的负极性干扰。输出级输出级由由T3、T4、T5和和R4、R5组成，其中组成，其中T3、T4构成复合跟随构成复合跟随器，与器，与T5组成推挽输出结构，具有较强的负载能力。组成推挽输出结构，具有较强的负载能力。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院多发射极晶体管多发射极晶体管F=ABC多发射极晶体管实现了输入多发射极晶体管实现了输入变量变量A、B、C的与运算。的与运算。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学

27、学院院TTL与非门工作原理与非门工作原理V VCCCC=5V=5V、V VILIL=0.3V=0.3VV VIHIH=3.6V=3.6V、=30 =30 V Vce(satce(sat深深) )=0.1V =0.1V V Vce(sat) ce(sat) 有有一个输入为低电平一个输入为低电平： VA， VB= VC=3.6V T1管的管的beA结抢先导通，使结抢先导通，使T1基极基极Vb1=0.3+0.7=1V，另，另两个发射结因反偏而截止。两个发射结因反偏而截止。T2管截止（管截止（Vb1Vbc1+Vbe2 =0.7+0.7=1.4V ）ib1=(Vcc-Vb1)/R1ic101V三极管饱

28、和条件：三极管饱和条件： icIBS5V5Vic1ib1 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院TTL与非门工作原理与非门工作原理Vb2=Vc1=0.1+0.3=0.4V 因此因此T5也截止。也截止。Vc2Vcc=5V，使，使T3和和T4导通导通。VF=Vcc-ib3R2-Vbe3-Vbe4ic1ib1，T1处于处于深度深度饱和状态饱和状态，Vces1=。输入有一个或一个以上为低输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平。电平时输出为高电平。5V3 .6V 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院TTL与非门工作原理与非

29、门工作原理输入全为高电平输入全为高电平VA=VB=VCVb1的电位较高，使的电位较高，使T1的的集电结和集电结和T2、T5全导通。全导通。Vb1，T1的的发射结反偏发射结反偏，因此，因此T1处于处于倒置倒置状态。状态。ic1=(1+F)ib1ic2max Vcc/R2ic2 ib2 (=30)T2饱和饱和Vc2=Vces2+Vbe51V5Vib1=(VCC-Vb1)/R1=ib2=0.3+0.7=1V =Vb3 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院TTL与非门工作原理与非门工作原理Vb3=VC2=1V，使，使T3导通导通，而，而T4截止截止。iC50ib

30、5很大很大ic5ib5 , T5处于处于深度饱和状态深度饱和状态VF=Vces(sat)50 .1V输入全为高电平时输出为低电平输入全为高电平时输出为低电平1V输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院TTL与非门的优点与非门的优点VO=VOH时，时，T5截止，截止，输出为复合跟随器输输出为复合跟随器输出，输出电阻很低，出，输出电阻很低，负载能力强负载能力强。VO=VOL时，时， T4截止，截止，T5饱和，输出电阻很低，饱和，输出电阻很低，负载负载能力强能力强。无论是高电平输

31、出还是低电平输出，无论是高电平输出还是低电平输出，TTL与非门的与非门的输出电阻输出电阻都很都很低低，都有，都有较强较强的带的带负载能力负载能力。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.5.2 TTL与非门的特性参数与非门的特性参数1. 电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性：输出：输出VO电压随输入电压电压随输入电压VI的的变化而变化的曲线。变化而变化的曲线。线性区线性区: :当当0.6VV0.6VVI I，0.7VV0.7VVb2b2时，时，T T2 2导通，导通，T T5 5仍截仍截止，止，V VC2C2随随V VI I升高升高而下降，

32、经而下降，经T T3 3、T T4 4两级射随器使两级射随器使V VO O线性下降。线性下降。转折区：转折区： 1.3VV1.3VVi i，T T5 5由截止变为由截止变为导通，输出迅速降低。导通，输出迅速降低。饱和区饱和区：V VI I， T T4 4截止，截止，T T5 5深度饱和，深度饱和，输出低电平。输出低电平。截止区截止区：当当V VI I，T T2 2、T T5 5截止，输截止，输出高电平出高电平V VOH OH 。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院TTL与非门的参数与非门的参数从传输特性曲线可从传输特性曲线可知：知：TTL电路的电路的V

33、OH，VOL。手册上规定：手册上规定： VOH，VOL。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院阈值电压阈值电压V VT T（门限电压）（门限电压）V VT T电压传输特性曲线上电压传输特性曲线上转折区转折区CD段段中点中点对对应的输入电压，既是应的输入电压，既是三极管三极管T5截止和导通截止和导通的分界线，也是输出的分界线，也是输出高、低电平的分界线，高、低电平的分界线，因此这个电压称为因此这个电压称为阈阈值电压值电压V VT T也叫也叫门限电门限电压压。V VT T 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院开门电平

34、开门电平V VONON在保证在保证输出为低电平输出为低电平的前提下，所允许的的前提下，所允许的输入高电平输入高电平的的最小值最小值称为称为开门电平开门电平V VONON 。 V VONONV VONON手册规定：手册规定：V VONON 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院关门电平关门电平V VOFFOFF在保证在保证输出为高电平输出为高电平的前提下，所允许的的前提下，所允许的输入低电平的最大值输入低电平的最大值称为称为关门电平关门电平V VOFFOFF 。 V VOFFOFFV VOFFOFF手册规定：手册规定：OFFOFF 电电路路中中心心张

35、张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限：在：在保证输出高保证输出高、低电平基本不变低电平基本不变（或者说（或者说变化的大小不超过允许的变化的大小不超过允许的限度）的前提下，限度）的前提下，输入电输入电平允许波动的范围平允许波动的范围。V VI IV VO O噪声噪声电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院噪声容限噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限VNL：保：保证证输出输出为为高高电平的前提下，电平的前提下，允许叠加在允许叠加在输入低电平输入低电平上上的最大噪声或干扰电压。的最大噪声或干扰电压。高电平噪声容限高电

36、平噪声容限VNH：保：保证证输出输出为为低低电平的前提下，电平的前提下，允许叠加在允许叠加在输入高电平输入高电平上上的最大噪声或干扰电压。的最大噪声或干扰电压。V VOFFOFFV VONONVNLV VILIL噪声噪声VNL=VOFF-VILVNH=VIHVONV VIHIH噪声噪声VNH 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院噪声容限噪声容限V VOFFOFFV VONON开门电平和关门电开门电平和关门电平越接近，传输特平越接近，传输特性越接近理想情况，性越接近理想情况，与非门的噪声容限与非门的噪声容限越大，抗干扰能力越大，抗干扰能力越强。越强。VNL

37、=VOFF-VILVNH=VIHVON 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院噪声容限噪声容限将多个门组成系统时，前级将多个门组成系统时，前级门的输出是后级门的输入。门的输出是后级门的输入。前前级级的的输输出高出高电电平平为为V VOH1OH1=V=VIH2IH2，器件的开，器件的开门电门电平平V VONON，则则V VNHNH=V=VON-ON-V VIHIH。前前级级的的输输出低出低电电平平为为V VOL1OL1=V=VIL2IL2，器件的关，器件的关门电门电平平V VOFFOFF，则则 V VNLNL=V=VOFF-OFF-V VILIL。电电

38、路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2、静态输入特性、静态输入特性(1)静态输入电流与输入电压之间的关系曲线，即静态输入电流与输入电压之间的关系曲线，即iI = f（VI）。）。假定输入电流流入假定输入电流流入T1发射极发射极时方向为正，反之为负。时方向为正，反之为负。I IILIL当当VI=VIL时时, T1饱和，饱和，T2、T5截止。截止。I IILIL是是V VI I= =VIL时流过时流过R R1 1的电流，是的电流，是输输入端的总电流入端的总电流，当当与非与非门门的的输输入入端并接端并接使用使用时时，总总的低的低电电平平输输入入电电流等于流等于单单个

39、个输输入端的入端的电电流流。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院输入短路电流输入短路电流IIS输输入入短短路路电电流流IIS：指指输输入入信信号号VI=0V时，由输入端流出的电流。时，由输入端流出的电流。由上式可以看出：由上式可以看出：I IISIS 是是V VI I=0V=0V时流过时流过R R1 1的电流，的电流，是是输入端的总电流输入端的总电流，当，当有有n n个输入端为个输入端为V VI I=0V=0V时，时，总的总的I IISIS不变。不变。0VI IISIS 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2、静

40、态输入特性、静态输入特性当当VI=VIH时时，T1处处于倒置于倒置放大状放大状态态，T2、T5处处于于饱饱和状和状态态， T4截止。截止。IIH称为称为输入漏电流输入漏电流（输输入高电平电流入高电平电流）：）：当当VIVT时时的的输输入入电电流，即流，即T1倒置工作倒置工作时时的反向的反向电电流，其流，其电电流流值值很小，很小，约约为为10A。IIH当当与非与非门门的的输输入端并接使用入端并接使用时时，总总的高的高电电平平输输入入电电流等流等于各于各输输入端入端电电流之和流之和。 Ib1 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2、静态输入特性、静态输入特性

41、7474系列系列门电路每个门电路每个输入端的输入端的I IIHIH值在值在4040 A A以下以下。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院输入负载特性输入负载特性在在Ri 较小，较小，T5导通之前，近似有：导通之前，近似有：当当Ri较小时，较小时，VI几乎与几乎与 Ri成正比。成正比。当当Ri增加到使增加到使VI=1.4V 时，时， Vb1升高为，使升高为，使 T5导通，此后，导通，此后，Vb1被钳位在，则输入维持被钳位在，则输入维持VI不变。不变。随着随着Ri的增加，的增加，VI增加，到增加，到Ri大到大到一定程度上面的公式就不再适用。一定程度上面的公

42、式就不再适用。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院输入负载特性输入负载特性Ri较小较小时，时， VI= VIL，与非门截止，与非门截止，输出高电平输出高电平； Ri较大较大时，时， VI= VIH，与非门导通，与非门导通，输出低电平输出低电平。关门电阻关门电阻ROFF ：保证与非门：保证与非门关闭关闭，输出为输出为高高电平（电平（VOH）的条件下所）的条件下所允许的允许的 Ri的的最大值最大值。开门电阻开门电阻RON ：保证与非门：保证与非门导通导通，输出为输出为低低电平（电平（VOL）的条件下所）的条件下所允许的允许的Ri的的最小值最小值。标准标准T

43、TL的的ROFF700，RON 2K 。TTL门电路的门电路的输入端悬空输入端悬空相当于输入相当于输入高电平高电平。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院3、静态输出特性、静态输出特性输出电压随输出电流输出电压随输出电流(负载负载)的变化情况。的变化情况。IL输出高电平输出高电平T5截止截止 T3、T4导通导通拉电流负载拉电流负载空载时空载时：VO=VOH5mA当当RL较大较大， IL5mA时，时，T3深饱和深饱和。输出输出VO随随IL的增加而降低。的增加而降低。 V VO O=V=VCCCC-V-Vces3ces3-V-Vbe4be4-I-IR5R5

44、RR5 5 5mAIL14mAVcc-VVcc-Vces3ces3-V-Vbe4be4-I-IL LRR5 5 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院3、静态输出特性、静态输出特性T5的导通电阻的导通电阻Rces5很小很小，大致为，大致为十几欧姆，因此，当十几欧姆，因此，当IL增加时，增加时， VOL上升很缓慢。上升很缓慢。输出低电平输出低电平T4截止、截止、T5饱和饱和从曲线上可以看出，要使从曲线上可以看出，要使VOL，则，则IL20mA。灌电流负载灌电流负载Vo=ILRces5IL 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学

45、院院负载能力负载能力以推动以推动同类门同类门的个数来衡量的个数来衡量推动同类门的个数称为推动同类门的个数称为扇出系数扇出系数NO。VO=VOH时时对于对于推动门推动门有：有：ILmax拉拉对于对于负载门负载门有：有：IIH40AILIIHIIHIIHVOH 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院负载能力负载能力VO=VOL时时对于对于推动门推动门有：有：ILmax灌灌=20mA对于对于负载门负载门有：有：IIL15综上可得：综上可得：扇出系数扇出系数N NO O=10=10。一般手册上给出一般手册上给出NO O8ILIILIILIILVOL 电电路路

46、中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.5.3 TTL逻辑门的动态特性逻辑门的动态特性1、平均传输延迟时间、平均传输延迟时间tpd导导通通延延迟迟时时间间t tPHPHL L ：输输入入信信号号vI上上升升致致幅幅值值的的50%50%到到输输出出响响应应v vO O下下降降致幅值的致幅值的50%50%所需要的时间间隔。所需要的时间间隔。截截止止延延迟迟时时间间t tPLPLH H ：输输入入信信号号vI下下降降致致幅幅值值的的50%50%到到输输出出响响应应v vO O上上升升致致幅值的幅值的50%50%所需要的时间间隔。所需要的时间间隔。平均传输延迟时间指平均传输

47、延迟时间指输出电压波输出电压波形滞后于输入电压波形的时间。形滞后于输入电压波形的时间。t tPHLPHLttPLHPLHt tPHLPHLt tPLHPLH标准标准TTLTTL门电路：门电路：t tpdpd=10ns=10ns20ns20ns 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院、交流噪声容限、交流噪声容限由于由于TTL电路中存在三极管的电路中存在三极管的开关时间开关时间和和分布电容分布电容的的冲放电冲放电过程，因此过程，因此输入信号状态变化输入信号状态变化时时必须有足够的必须有足够的变化幅度和作用时间变化幅度和作用时间才能才能使输出状态可靠改变使输出状

48、态可靠改变。当当输入信号为窄脉冲输入信号为窄脉冲，而且，而且脉冲宽度接近于门电路的脉冲宽度接近于门电路的传输延迟时间传输延迟时间时，为使输出状态可靠改变时，为使输出状态可靠改变所需要的脉所需要的脉冲幅度远大于信号为直流时所需要的信号变化幅度冲幅度远大于信号为直流时所需要的信号变化幅度。门电路对这类窄脉冲的容限称为门电路对这类窄脉冲的容限称为交流噪声容限交流噪声容限，交流交流噪声容限大于直流噪声容限噪声容限大于直流噪声容限。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院、交流噪声容限、交流噪声容限正脉冲噪声容限：正脉冲噪声容限：使输出高电平降使输出高电平降到时所需

49、输入正脉冲的幅度。到时所需输入正脉冲的幅度。负脉冲噪声容限：负脉冲噪声容限：使输出低电平升使输出低电平升到时所需输入负脉冲的幅度。到时所需输入负脉冲的幅度。绝大多数绝大多数TTL门电路门电路的的传输延迟时传输延迟时间间都都在在50ns以内以内，因此当输入脉冲，因此当输入脉冲的的宽度达到宽度达到 s数量级数量级时，在信号作时，在信号作用时间内电路已经达到稳态，应将用时间内电路已经达到稳态，应将输入信号按输入信号按直流信号处理直流信号处理。脉冲宽度越窄，交脉冲宽度越窄，交流噪声容限越大。流噪声容限越大。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院、空载平均功耗、空

50、载平均功耗空载导通功耗空载导通功耗Ponon：输出端空载，输出为低电平时的电路功耗。：输出端空载，输出为低电平时的电路功耗。对对74H系列，系列，Pon32mWPon=IEVccIE为空载导通时的电源电流为空载导通时的电源电流空载截止功耗空载截止功耗Poff：输出端空载，输出为高电平时的电路功耗。：输出端空载，输出为高电平时的电路功耗。PoffvGS-VTvGS VT恒流区（放大区）恒流区（放大区）vGS VT截止区截止区vDS=vGS-VTvGS=0V截止区，截止区，D-S之间的内阻之间的内阻ROFF极大，达极大，达109 以上。以上。可变电阻区可变电阻区：VGS一定一定时，时，iD与与VD

51、S之比近似之比近似等于一个常数。等于一个常数。数字电路中，数字电路中，MOS管管工作在截止区和可变工作在截止区和可变电阻区，恒流区只是电阻区，恒流区只是一种瞬时的过渡状态。一种瞬时的过渡状态。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院MOS管的基本开关电路管的基本开关电路vi=vGSVT，MOS管管导通导通，导，导通电阻通电阻RON只有几百欧姆。只有几百欧姆。若若RD RON，则，则VOL0V。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院MOS管的开关等效电路管的开关等效电路MOS管导通管导通等效电路等效电路MOS管截止管截

52、止等效电路等效电路栅极输入电容，栅极输入电容，约为几皮法。约为几皮法。导通电阻，约在导通电阻，约在1K 以下，与以下，与vGS有关有关。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院MOSMOS管的开关时间管的开关时间 MOSMOS管三个管三个电电极之极之间间，均有，均有电电容存在，它容存在，它们们分分别别是是栅栅源源电电容容C CGSGS、栅漏漏电容容C CGDGD和和漏源漏源电电容容C CDSDS，一，一般般C CGSGS和和C CGDGD约为1 13pF3pF，C CDSDS约在在1pF1pF之之间。MOSMOS管的管的动态动态特性（开关速度）受特性（开关

53、速度）受这这些些电电容充、容充、放放电过电过程的制程的制约约，使得，使得输输出波形的出波形的变变化滞后于化滞后于输输入波形的入波形的变变化。化。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院MOSMOS管的开关时间管的开关时间开通开通时间时间ton =td1+tr关断关断时间时间toff =td2+tf导通延导通延迟时间迟时间上升时间上升时间关断延关断延迟时间迟时间下降时间下降时间MOS管管电电容上容上电压电压不能突不能突变变，是造成，是造成ID滞后滞后VI变化变化的主要原因。的主要原因。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学

54、院院MOSMOS管的四种类型管的四种类型N N沟道增强型沟道增强型， VT为正为正，用用正电源正电源，衬衬底接源极底接源极或系统的或系统的最低电位最低电位。P P沟道增强型沟道增强型， VT为负为负，用用负电源负电源，衬衬底接源极底接源极或系统的或系统的最高电位最高电位。N N沟道耗尽型沟道耗尽型，衬底接源极衬底接源极或或系统的最系统的最低电位低电位。P P沟道耗尽型沟道耗尽型，衬底接源极衬底接源极或或系统的最系统的最高电位高电位。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院MOSMOS集成逻辑门集成逻辑门以以MOS晶体管作为晶体管作为开关元件开关元件的门电

55、路称的门电路称为为MOS门电路门电路。PMOSPMOS电路电路NMOSNMOS电路电路CMOSCMOS电路电路速度低速度低工艺简单工艺简单速度中等速度中等速度最高速度最高工艺复杂工艺复杂工艺复杂工艺复杂负电源负电源正电源正电源正电源正电源电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院 2.7.2 CMOS反相器工作原理反相器工作原理PMOSNMOS柵极相连柵极相连作输入端作输入端电电源源电电压压V VDDDDV VTNTN+|V+|VTPTP| |，适适用范围较大用范围较大(3(318V)18V)。漏极相连漏极相连作输出端作输出端衬底与漏源间的衬底与漏源间的P

58、T2导通，导通， iD随随VI的增大而逐渐增加，的增大而逐渐增加，VO开始下降。开始下降。VI增大到增大到VDD的一半左右，的一半左右，VT1、VT2均导通，均导通， iD达到最大，达到最大， VI 有微有微小增加，小增加，VO就会急剧下降就会急剧下降。VI继续增大，继续增大，VT1的导电的导电程度逐渐增大，程度逐渐增大，VT2的导的导电程度逐渐减小，电程度逐渐减小， iD又开又开始下降，始下降，VO降得更低。降得更低。VI VDD -| V VTPTP |，VT2截止，截止，VT1导通，导通， iD降为零，降为零，VO=0。阈值电压阈值电压电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电

59、子子工工程程学学院院2、静态输入特性静态输入特性静态输入特性：静态输入特性：反映反映vI和和iI关系的曲关系的曲线线。 m m，耐压约，耐压约100V100V，极易被击穿，需采取保护措施。，极易被击穿，需采取保护措施。C1、C2为栅为栅极等效电容极等效电容二极管的导通电压约，反向击穿电压约二极管的导通电压约，反向击穿电压约30V30V。D1为分布式二极管结构为分布式二极管结构00vI IVVVDDDD时时，D D2 2导导通通，栅栅极极被被钳钳位位在在V VDDDD，多多数数CMOSCMOS电电路路的的V VDDDD不不超超过过18V18V，因因此此C C1 1、C C2 2上上的的

60、电电压压不不会超过允许的耐压极限。会超过允许的耐压极限。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2、静态输入特性、静态输入特性当当输输入入出出现现瞬瞬间间过过冲冲电电压压使使D D1 1或或D D2 2被被击击穿穿，只只要要击击穿穿电电流流不不过过大大，持持续续时时间间很很短短，在在反反向向击击穿穿电电压压消消失失后后，D D1 1、D D2 2的的PNPN结仍可恢复工作。结仍可恢复工作。-0.7V-0.7VvI IVVVDDDD后后，D D2 2导导通通，i iI I迅迅速速增增大大。而而在在vI I以以后后，D D1 1经经R RS S导导通通，i i

61、I I的的绝绝对对值值随随vI I绝绝对对值值的的增增大大而而加加大大，二二者者绝绝对对值值的的增增加加近近似似为为线线性性关关系系，变变化化的的斜斜率率由由R RS S决定。决定。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院3、静态输出特性、静态输出特性低电平输出特性低电平输出特性VTVT2 2截止，截止，VTVT1 1导通。导通。VDS1IDS1R RL L减减小小 ,I,IOLOL增增大大，导导致致V VOLOL被被抬高。抬高。I IOLOL相相同同I IOLOL下下，V VDDDD越越大大，VTVT1 1导导通通时时的的V VGSGS越越大大，导导通

62、通内内阻阻越小，越小，V VOLOL越低。越低。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院高电平输出特性高电平输出特性VTVT2 2导通，导通，VTVT1 1截止。截止。VDD-VSD2IDS2相相同同I IOHOH下下，V VDDDD越越大大，VTVT2 2导导通通时时的的V VGSGS越越大大，导导通通内内阻阻越越小小，V VOHOH下下降得越少。降得越少。I IOHOHR RL L减小减小,I,IOHOH增大，导致增大，导致V VOHOH下降。下降。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院负载能力负载能力 CMOS

63、反相器具有输入阻抗高的特点，加上对反相器具有输入阻抗高的特点，加上对电容负载充、放电都很快，因此电容负载充、放电都很快，因此CMOS反相器反相器带同类门负载时比带同类门负载时比TTL电路具有更大的扇出系电路具有更大的扇出系数。一般数。一般一个输出端可带一个输出端可带50个同类门电路个同类门电路。但但是若用是若用CMOS门来驱动纯电阻负载或门来驱动纯电阻负载或TTL门电门电路，负载能力还是较小的路，负载能力还是较小的。这时。这时需要用需要用CMOS驱动器驱动器，它能输出较大的负载电流。，它能输出较大的负载电流。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院4、动态

64、特性、动态特性（1 1）传输延迟时间）传输延迟时间传传输输延延迟迟时时间间t tPHPHL L、t tP PL LH H：输输入入、输输出出波波形形对对应应边边上上等等于于最最大大幅幅度度的的50%50%的的两两点点间的时间间隔。间的时间间隔。t tPHLPHLt tPLHPLHMOS管的开关管的开关过过程中没有程中没有电电荷的荷的积积累和消散累和消散现现象，但存在寄生象，但存在寄生电电容和容和负载电负载电容，容，电电容的充放容的充放电电使使输输出出电压电压的的变变化落后于化落后于输输入入电压电压的的变变化，化，产产生生传输传输延延迟迟。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子

65、工工程程学学院院（1）传输延迟时间）传输延迟时间CMOS反相器的截止和反相器的截止和导导通通传输传输延延迟时间迟时间都很小。都很小。传输传输延延迟时间迟时间和和VDD有关，有关，VDD增加，延增加，延迟时间迟时间下降。下降。传传输输延延迟迟时时间间和和负负载载电电容容CL有有关关， CL增增加加，延延迟迟时时间间增加。增加。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院（2）动态功耗）动态功耗动动态态功功耗耗：CMOSCMOS反反相相器器从从一一种种稳稳定定工工作作状状态态突突然然转转变到另一种稳定状态的过程中所产生的附加功耗。变到另一种稳定状态的过程中所

66、产生的附加功耗。动动态态功功耗耗的的组组成成：1 1、VTVT1 1、VTVT2 2短短时时间间内内同同时时导导通通所所产产生生的的瞬瞬时时导导通通功功耗耗。2 2、对对负负载载电电容容充充、放放电电所所消耗的功率。消耗的功率。静静态态功功耗耗： CMOS反反相相器器处处于于静静态态时时，无无论论输输出出高高电电平平还还是是低低电电平平，总总有有一一个个管管子子截截止止，电电流流很很小小，静静态功耗很小态功耗很小（W数量级）数量级）。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院瞬时导通功耗瞬时导通功耗PT瞬时导通电流瞬时导通电流P PT T=V=VDDDDI

67、 ITAVTAV信号频率越高、上升和下降时间越长，信号频率越高、上升和下降时间越长，P PT T越大。越大。V VDDDD越高，越高，P PT T越大。越大。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院对负载电容充、放电消耗的功率对负载电容充、放电消耗的功率PC总动态功耗：总动态功耗：P PD D=P=PT T+P+PC C全部功耗：全部功耗：P PTOT TOT = = P PD D+P+PS S静态功耗静态功耗（W W级级）频频率率较较高高时时，P PD D比比P PS S大得多。大得多。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程

68、学学院院CMOS反相器的主要特性反相器的主要特性负负载载能能力力强强：CMOS电电路路具具有有高高输输入入阻阻抗抗的的特特点点，并并且且对对负负载载电电容容的的充充放放电电都都很很快快，因因此此，CMOS反反相相器器带带同同类类负负载载门门的能力很强，一般一个输出端可带的能力很强，一般一个输出端可带50个同类门。个同类门。功功耗耗小小：CMOS反反相相器器处处于于静静态态时时，无无论论输输出出高高电电平平还还是是低低电电平平，总总有有一一个个管管子子截截止止，电电流流很很小小，静静态态功功耗耗很很小小（uW数数量量级级）；动动态态转转换换时时，在在极极短短的的时时间间内内有有可可观观的的电电

69、流流流流过过电电路，因此路，因此总功耗决定于动态功耗总功耗决定于动态功耗。工工作作速速度度快快：VT1、VT2的的导导通通电电阻阻较较小小，静静态态时时小小于于1K，对对负负载载的的充充放放电电回回路路都都是是低低阻阻抗抗，因因此此，导导通通和和截截止止传传输输延延迟迟时间都较小，时间都较小，开关速度快开关速度快。CMOS反反相相器器还还具具有有较较宽宽的的电电源源电电压压范范围围（3V18V），较较宽宽的温度变化范围的温度变化范围（-40+85 ）和）和良好的抗辐射特性良好的抗辐射特性。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.7.3 其它类型的其它

70、类型的CMOS门电路门电路1、与非门电路、与非门电路当当A A和和B B均均为为高高电平时：电平时：通通通通止止止止1 1通通止止通通当当A A和和B B有有一一个个或或一一个个以上为以上为低低电平时电平时: :电路输出电路输出高高电平电平输出输出低低电平电平两两个个并并联联的的PMOSPMOS管管T T1 1、T T3 3一一个个NMOS管管和和一一个个PMOS管管的的栅栅极极相相连连构成一个输入端。构成一个输入端。两个串联的两个串联的NMOSNMOS管管T T2 2、T T4 40101止止N N管和管和P P管管漏极相连漏极相连作输出端作输出端电电路路中中心心张张咏咏

71、梅梅电电子子工工程程学学院院2、或非门电路、或非门电路当当A A和和B B均均为为低低电平时电平时: :当当A A和和B B有有一一个个或或一一个以上为个以上为高高电平时电平时: :电路输出电路输出低低电平电平输出输出高高电平电平一一个个NMOS管管和和一一个个PMOS管管的的栅栅极极相相连连构成一个输入端。构成一个输入端。两两个个并并联联的的NMOSNMOS管管T T2 2、T T4 4两个串联的两个串联的PMOSPMOS管管T T1 1、T T3 300011止止止止通通通通止止通通通通止止0N N管和管和P P管管漏极相连漏极相连作输出端作输出端电电路路中中

72、心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院CMOS门电路的结构特点门电路的结构特点NMOS管管串联串联实现实现与与逻辑逻辑NMOS管管并联并联实现实现或或逻辑逻辑输出取输出取反反NMOS管和管和PMOS管管成对出现成对出现， NMOS管管串串联则联则PMOS管管并并联，联， NMOS管管并并联则联则PMOS管管串串联。联。要求能根据要求能根据表达式画出表达式画出电路图电路图电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.7.4 漏极开路的与非门电路（漏极开路的与非门电路（OD门）门）用途：用途：RL的计算方法与的计算方法与TTL的的OC门的方法

73、相同。门的方法相同。2、电平变换。、电平变换。3、实现、实现“线与线与”。1、输出、输出缓冲缓冲/驱动器驱动器。使用时必须使用时必须外接上拉外接上拉电阻电阻RL和和电源电源VDD2 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.7.5 传输门电路传输门电路设设V VTNTN=V=VTPTP=V=VT T，且，且V VDD DD 2V2VT T 。v vI I在在V VT T V VDDDD范围内变化时范围内变化时T T2 2导通；导通；即即v vI I在在0 0V VDDDD范范围围变变化化时时，T T1 1、T T2 2中中至至少少有有一一只只管管子子导导通

74、通，使使v vO O=v=vi i，相当于，相当于开关接通开关接通。v vI I在在0 0（V VDDDD-V-VT T ）范范围围内变化时内变化时T T1 1导通；导通；V VDDDD0V0V当当C=VC=VDDDD，C=0VC=0V时：时：电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院CMOS传输门传输门v vi i由由0 0V VDDDD变变化化时时,T,T1 1和和T T2 2均均截截止止，传传输输门门呈呈现现高高阻阻（10107 7）状状态态，相当于相当于开关断开开关断开。当当C=0VC=0V，C=VC=VDDDD时时利利用用CMOSCMOS传传输输门

75、门和和反反相相器器可可以以构构成成多多种种复复杂杂的的逻逻辑辑电电路路，如如数数据据选择器、寄存器和计数器等。选择器、寄存器和计数器等。0V0VV VDDDD逻辑符号逻辑符号电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院CMOS双向模拟开关双向模拟开关101001接通接通断开断开C=1C=1，开关接通。，开关接通。C=0C=0，开关断开。，开关断开。用途：传输连续变化的模拟电压信号。用途：传输连续变化的模拟电压信号。模拟开关符号模拟开关符号电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2.7.6 三态门三态门01通通通通T T1

76、1和和T T2 2构成构成CMOSCMOS反相器。反相器。10止止止止高阻高阻EN=0EN=0，T T1 1和和T T2 2导通。导通。EN=1EN=1， T T1 1和和T T2 2截止，截止，Y Y为为高阻高阻。EN=0EN=0时工作的非门时工作的非门电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院CMOS三态门电路结构二三态门电路结构二通通0 1止止1 0高阻高阻EN=0EN=0时工作的非门时工作的非门电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院CMOS电路的使用注意事项电路的使用注意事项一、输入电路的静电防护一、输入电路的

77、静电防护1 1、不不要要用用易易产产生生静静电电高高压压的的化化工工材材料料和和化化纤纤织织物物包包装装，最好，最好采用金属屏蔽层作包装材料采用金属屏蔽层作包装材料。2 2、组组装装、调调试试时时，所所使使用用的的电电烙烙铁铁、工工具具、仪仪表表等等应应接地良好接地良好。3 3、不不用用的的输输入入端端应应根根据据逻逻辑辑要要求求接接电电源源V VDDDD（与与非非门门）或或接接地地（或或非非门门) )，或或与与其其它它输输入入端端并并联联（在在前前级级驱驱动动能力允许的前提下），能力允许的前提下），不能悬空不能悬空。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院

78、院二、输入电路的过流保护二、输入电路的过流保护1 1、输输入入端端接接低低内内阻阻信信号号源源时时，应应在在输输入入端端和和信信号号源源之之间间串串接接保保护护电电阻阻，以以保保证证保保护护电电路路中中的的二二极极管管导导通通时时的电流不超过的电流不超过1mA1mA。2 2、输输入入端端接接有有大大电电容容时时，也也应应在在输输入入端端和和电电容容之之间间串串接保护电阻接保护电阻。3 3、输输入入端端接接长长线线时时，应应在在输输入入端端接接入入保保护护电电阻阻R RP P=V=VDDDD/1mA/1mA。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院三、三、C

79、MOS电路锁定效应的防护电路锁定效应的防护锁定效应锁定效应又叫又叫可控硅效应可控硅效应，它会导致器件永久失效。，它会导致器件永久失效。1 1、输输入入端端和和输输出出端端设设置置钳钳位位电电路路，限制输入、输出电平值。，限制输入、输出电平值。2 2、在在CMOSCMOS电电路路的的电电源源输输入入端端加加去耦电路去耦电路。3 3、按按合合理理的的顺顺序序开开、关关各各个个电电源源。启启动动时时先先接接通通CMOSCMOS电电路路的的供供电电电电源源，再再接接通通输输入信号和负载电路的电源入信号和负载电路的电源，关机时反之关机时反之。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工

80、程程学学院院2.8 不同工艺逻辑门之间的互联不同工艺逻辑门之间的互联驱动门驱动门负载门负载门驱动门必须能为负载门提驱动门必须能为负载门提供供合乎标准的高、低电平合乎标准的高、低电平和和足够的驱动电流足够的驱动电流。VOHmin(驱动门驱动门) VIHmin(负载门负载门)VOLmax (驱动门驱动门) VILmax (负载门负载门)IOHmax (驱动门驱动门)nn IIHmax (负载门负载门)IOLmax (驱动门驱动门) mIILmax (负载门负载门)VOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max) 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程

81、学学院院一、用一、用TTL电路驱动电路驱动CMOS电路电路TTL74系列系列TTL74LS系列系列CMOS4000系列系列高速高速CMOS74HC系列系列高速高速CMOS74HCT系列系列VOH(min)/V2.42.74.64.44.4VOL(max)/V0.40.50.050.10.1IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4-4IOL(max)/mA1680.5144VIH(min)/V223.53.52VIL(max)/V0.80.81.510.8IIH(max)/uA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1 10-3-0.1 10-3-0.

82、1 10-31、TTL驱动驱动4000和和74HC系列系列电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院1、TTL驱动驱动4000和和74HC系列系列方法一：在方法一：在TTLTTL输出端与电输出端与电源之间接入一个几源之间接入一个几KK的电的电阻阻R RU U，在，在TTLTTL输出输出高高电平时，电平时，使使TTLTTL门的门的T T4 4、T T5 5均截止，将均截止，将连接处的电平拉升到连接处的电平拉升到V VDDDD。方法二：利用方法二：利用带电平偏移的带电平偏移的CMOSCMOS门电路实现电平转换门电路实现电平转换。需要提高需要提高TTL的输出高电平

83、。的输出高电平。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2、用、用TTL驱动驱动74HCT系列系列电平和电流均可满足要求，无需外加任何元、器件。电平和电流均可满足要求，无需外加任何元、器件。TTL74系列系列TTL74LS系列系列CMOS4000系列系列高速高速CMOS74HC系列系列高速高速CMOS74HCT系列系列VOH(min)/V2.42.74.64.44.4VOL(max)/V0.40.50.050.10.1IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4-4IOL(max)/mA1680.5144VIH(min)/V223.53.52VIL

84、(max)/V0.80.81.510.8IIH(max)/uA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1 10-3-0.1 10-3-0.1 10-3 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院二、用二、用CMOS 电路驱动电路驱动TTL电路电路1、4000系列驱动系列驱动74系列系列TTLTTL74系列系列TTL74LS系列系列CMOS4000系列系列高速高速CMOS74HC系列系列高速高速CMOS74HCT系列系列VOH(min)/V2.42.74.64.44.4VOL(max)/V0.40.50.050.10.1IOH(ma

85、x)/mA-0.4-0.4-0.51-4-4IOL(max)/mA1680.5144VIH(min)/V223.53.52VIL(max)/V0.80.81.510.8IIH(max)/uA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1 10-3-0.1 10-3-0.1 10-3 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院1、4000系列驱动系列驱动74系列系列TTL要解决低电平电流要解决低电平电流驱动能力驱动能力问题。问题。方法一方法一：将同一封装内的：将同一封装内的CMOS门并联使用门并联使用。输入输出均并联输入输出均并联电

86、电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院1、4000系列驱动系列驱动74系列系列TTL方法二方法二：在：在CMOS电路的输出端电路的输出端增加增加一级一级CMOS驱动器驱动器。方法三方法三：用：用晶体管电流放大器晶体管电流放大器进行电流扩展。进行电流扩展。电流放大器电流放大器电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院2、4000系列驱动系列驱动74LS系列系列TTLTTL74系列系列TTL74LS系列系列CMOS4000系列系列高速高速CMOS74HC系列系列高速高速CMOS74HCT系列系列VOH(min)/V2.42.7

87、4.64.44.4VOL(max)/V0.40.50.050.10.1IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4-4IOL(max)/mA1680.5144VIH(min)/V223.53.52VIL(max)/V0.80.81.510.8IIH(max)/uA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1 10-3-0.1 10-3-0.1 10-3电平和电流均可满足要求，但只能驱动一个电平和电流均可满足要求，但只能驱动一个74LS门。门。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院3、74HC/HCT系列驱动系列驱动TT

88、L电平和电流均可满足要求，无需外加任何元、器件。电平和电流均可满足要求，无需外加任何元、器件。TTL74系列系列TTL74LS系列系列CMOS4000系列系列高速高速CMOS74HC系列系列高速高速CMOS74HCT系列系列VOH(min)/V2.42.74.64.44.4VOL(max)/V0.40.50.050.10.1IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4-4IOL(max)/mA1680.5144VIH(min)/V223.53.52VIL(max)/V0.80.81.510.8IIH(max)/uA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1

89、 10-3-0.1 10-3-0.1 10-3 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院举例举例如图所示电路，计算如图所示电路，计算RP的最大允许值是多少。已知的最大允许值是多少。已知G1、G2均为均为TTL反相器，反相器，VCC=5V，VOH=3.6V，VOL=0.1V，VIH (min) =2.4V，VIL (max) =0.4V，IIH=20A，IIS=1.0mA，IOH=500A，IOL=10mA。解：解：由题意可知：由题意可知：IOH IIH，IOLIIL（IIS）。）。则：电流驱动能力没有问题，应则：电流驱动能力没有问题，应主要考虑电平问题主要考

90、虑电平问题。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院举例举例vI2 =VO1- IIHRP VIH(min) vI2 = VOH- IIH RP VIH(min)vO1=VOH时，为保证门时，为保证门G1输出的高电平能正确输出的高电平能正确地传送到门地传送到门G2的输入端，要求的输入端，要求vI2 VIH(min)。VOHIIH 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院举例举例vO1=VOL时为保证门时为保证门G1输出的低电平能正确地输出的低电平能正确地传送到门传送到门G2的输入端，要求的输入端，要求vI2VIL(max

91、)。vI2 = vO1+ IIL RP VIL(max)IIL综综上所得：上所得：RP 0.3K VOLIIL IIS 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院半半导导体体二二极极管管、三三极极管管（双双极极型型和和MOS管管）开关状态下的等效电路。开关状态下的等效电路。TTL电路的工作原理、电路的工作原理、外特性外特性及其应用。及其应用。ECL门电路的工作原理和参数。门电路的工作原理和参数。TTL电路电路与与CMOS电路的电路的接口问题接口问题。小小结结CMOS电路的工作原理、电路的工作原理、外特性外特性及其应用。及其应用。外外特特性性输出与输入的逻辑关系，即输出与输入的逻辑关系，即逻辑功能逻辑功能。电电气气特特性性：传传输输特特性性、输输入入特特性性、输输出出特特性性、输入端负载特性和动态特性等。输入端负载特性和动态特性等。电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院作作业业P64-65T2-1、T2-2、T2-3、 T2-5、T2-6、T2-7P66-67T2-8、T2-9、T2-10、 T2-11、T2-13、T2-14（F1）、）、T2-15 电电路路中中心心张张咏咏梅梅电电子子工工程程学学院院F= A B小测验小测验F= ?

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数字电路与逻辑设计第二章

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