1、沈陽航空航天大學電子信息工程學院SY1AE ELEC1KUZIC ENGINEFKIZG第昌章門電*33 CMOS門電路3.5 TTL門電路沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING二極常用的TTL門電路和CMOSH電路的工 作原理、邏輯功能及輸入輸出特性。集成電路（Integrated Circuit,簡稱IC）：將數字電 路的半導體元、器件、電阻、電容連線制作在同一個半 導體基片（硅片）上，構成一個完整的電路，封裝在一 個管殼內。與分立元件電路相比，具有體積小、重量輕、可靠性高、壽命長.功耗小、成本低、工作速度快等優 點。沈陽航空航天大學電子信

2、息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING集成電路的分類:0按照集成度（每一硅片中所含的元、器件數）分為小規模集成電路（Small Scale Integrated ,簡稱SSI）1-10個門（10-100個元件）；中規模集成電路（Medium Scale Integrated ,簡稱MSI）10-100個門（100-1000個元件）；大規模集成電路（Large Scale Integrated ,簡稱LSI）100個門（1000個元件）；超大規模集成電路（Very Large Scale Integrated ,簡稱LSI）10萬個元件。根據制造工藝的不同，分為雙極型

3、和單極型兩大類。TTL電路 是目前雙極型數字集成電路中用的最多的一種。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.1桃述的單元電路。簡稱門電路。基本和常用門電路有與門、或門、非門（反相器）、 與非門、或非門、與或非門和異或門等。邏輯0和電子電路中用高、低電平來表示。獲得高、 低電平的基本方法： 利用半導體開關元件 的導通、 截止 （即開、關）兩種工作狀態。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING單開關電路邏輯門電

4、輸入信號開關S斷開時，輸出電壓為高電平;S接通后輸出便為低電平。功耗大沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGSnS2開關狀態相反；使S接通的同時，使S?斷開 ,則裔出V。便為高電平。Vi使S?接通的同時，使S斷開 ,則薪出v.便為低電平。開關S由半導體二極管或三極管組成。由輸入信號控制 二極管或三極管工作在截止和導通兩個狀態時就起到開 關作用。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING每一種邏輯都有允許的高低電平的范圍。因此數字電 路對元、器件參數精度及供電電源穩定度的要求比模擬 電路要低些。I互補

5、開關電路輸出信輸入信號正邏輯：以高電平表示邏 輯1,低電平表示邏輯0；負邏輯相反。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.2.1半導體二極管的開關特性3.2.2二極管與門3.2.3二極管或門沈陽航空航天大學電子借息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING|3.2.1半導體二極管的開關特性M_ _+ VD-:二極管符號：陽極o-N-陰極由于半導體二極管具有單向導電性，即外加正向電壓時 導通，外加反向電壓時截止，所以它相當于一個受外加電壓極性控制的開關。理想二極管：設Vni=Vcc,VIL=O,D為理想開關元件。 則當V!

6、=VIH時，D截止，vo=VOH= Vcc； 而當卩i=VIL=O3.2半沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING時，D導通，=VQL=OO沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING實際上二極管的特性并不是理想的開關特性，其特性 可近似的用PN結方程和伏安特性曲線表示。伏安特性方程為：i i = = I Ix x(e(ev/Vrv/Vr- 1)d 為流過二極管的電流川為加到二極管兩端的電壓；厶為反向飽和電流，與二 M 管材料、尺寸等有關；旦.q q左為玻爾茲曼常數，T 為熱力學溫度，“為電子電荷.常溫

7、VV 26m26m V VOLPUOLPU磯X91KX91K入于電丁1 1甘尼、丄性于阮csjfitswt dPVrf倂rriwzGTl分析二極管組成的電路時，要通過近似分析迅速判斷二極管的開關狀態。必須利用二極管的近似等效 電路。當外電路的等效電源和等效電阻 都很小I實際二v0.5 V時,極筲導通二極。 近似等效iAiAov(V)匕為開啟沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING時，二極管的正向導通壓降 和正向電阻都不能忽略。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING源電壓相比不能忽略，且與外接電阻

8、相比二極管的正向電阻可以忽略時。 常用這種近似方法。匕W+ 一，當二極管的正向導通壓降和正向電 阻與電源電壓和外接電阻相比均可以 忽略時，可看作理想開關。沈陽獻空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGA B_缺點：將發牛信號的高、低電平的偏移：-i當輸岀端對地接上負載電阻時，負載電血的改變有 時會影響輸出的高電平。因此，這種門電路僅用作集成電路內部的邏輯單 元，而不用它直接去驅動負載電路。當二極管的正向導通壓降和外加電k3.2.2二U管與門Yo ooUY6 D2ov ov0.7V導通導通OV 3V0.7V導通截止3V OV0.7V截止導通3V 3V3.

9、7V導通導通o卜VMH-沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONICENGINEERING3 3 1 MOS管的開關特性3 3 2 CMOS反相器的電路結構和工作原理3 3 3 CMOS反相器的靜態輸入特性和輸出特性3 3 4 CMOS反相器的動態特性3 3 5其它類型的CMOS門電路3.2.3二極管或門O-D|116 也存在電平偏移問題，只能用作龔成電壘內部的Y=A+BABYOO03 AB B3VTERING高于 2.3V為高電平,低于OV 為低電平沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONICENGINEERING3 3 6 CMOS門電路的正確使用3

10、.3.7 CMOS數字集成電路的各種系列3.3.1 MOS管的開關特性.MOS管的結構和工作原理MOS管是金屬一氧化物一半導體場效應管的簡稱。 結構和符號如圖。PEERING二MOS管的輸入特性和輸出特性工作原理電路轉移特性曲線輸出輔漏極特性曲線】恒流區：漏電流B的大小基本上由GS決定，變化對b的影響很 小。iiu訐更._較小的 5=59S_JVvGS(th) y劃表示b與叱s關系的曲線稱為MOS管的轉移特性曲線。【DS是VGS= Gs( (th) )時的值GS(th)ERING沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING三、MOS管的基本開關電路只

11、要負載電阻RD遠遠小于MOS管的截止內阻ROFF，在輸出端 即為高電平“OH，OH匕“DD 這時MOS管的D S之間就相當 于一個斷開的開關。沈陽航空航天大學電子信息工程學院隨著勺的升高b增加，而O隨之 下降。當勺繼續升高后，MOS管 的導通內阻尺皿變得很小，只要/?ON 心，則開關電路的輸出 端將為低電平VOL， 且VOL)o這時MOS管的D S之間就相當于 一個閉合的開關。SYIAESYIAE ELECTKONLCELECTKONLC ENGINEERINGENGINEERING結論:只要合理的選擇電路參數,保證當兒輸入為低電平時MOS管截止，開關電路輸出高電平；而輸入兒為高電平時MOS管

12、導通, 開關電路輸出低電平。OFF導通狀態-oMO=VOLOGS(tli)+VDDDwo=+Voll沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING截止狀態導通狀態沈陽JK空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING五MC沈陽航空人類型襯底 材料導電溝道開冷 電斥夾斯電壓電壓極件N Wifi增張中P型N5?+P溝道 増強吃N熨Pffl一民N溝道 耗盡朋PN 民P溝ifi耗盡棗N戰+一*沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.3.2 CMOS反相器的電路結構和工作原理

13、| 一、CMOS反相器的電路結構 設T和T2的開啟電壓分別為VGSUW和VGS(th)N，令VDDIVGS(th)d+ GS(th)N心NNI靜態時，無論勺是高電平還是低電平，兩 個管子總是一個導通而另一個截止，即所謂 的互補狀態，所以把這種電路結構形式稱為 互補對稱式金屬一氧化物一半導體電路(a)電路TN截止、Tp導通(c)TN導通、Tp截止(1 )VX=VIL=OV時，|,故T2截止，輸出電壓VOHDD=10VO( (2 )引=VIH=10V時，vGS2= VDDVGS(th)NT2導通，IT】截止。輸出電壓VOLVoY = A，沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTKGS

14、2=oGS(th)pl故T導通9而GS2=、DDVGS(UI)NEERINGvo0VvoTi#1D9+“DDS沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING(Complementary - Symmetery Metal -Oxide一Semiconductor Circuit,簡稱CMOS電路)。其特點是靜態功耗低，因為截止內阻極高,流過管子的靜態電流極小。二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性AB段：Vj IVGS“h)pl故T導通，而丁2截止，輸 出電壓VDDoCD段沙VDD- IVGS(th)pl VGS(lh)N,lvGS1lDVprBC段：VQMZ

15、NVJVDD+VDFI迅速增大*VITN2中有一個或 全部導通，輸出丫為 低電平。2只有當A、B 全為彳氐電平時，Tp和Tp2才會都導通，TM和才會都截止，輸 由y才會為高電平。_ 、|CM?S與非門| 常用的有與非門、Y = (A + B)沈陽航空航天大學電子信息工程學院tMOS或非門沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGMOS與或耳田SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING二、帶緩沖級的CMOS門電路1面的與非門(或非門)存在的缺點*嚴輸出電阻受輸入端狀態的影響。假定每個管子的導通電阻相 同，輸入端狀態的不同，可以使輸出電阻

16、相差4倍。?+vDD設每個 MOS 管的導通內阻均為8， 截止內阻R) )FFQ 8,貝|若 A = B = 1,貝 IJRO= RON2+ RON4=2RON; 若 A = B = 0,貝!jR。= RON1/ RON3= Ro” 若A = l, B = (),貝!JRO= RON3= RON;若.4 = 0, B = l,貝!JRO=RONI= RONY=(AB)f)f=ABY=(AB)f)f=ABB Y=(A+B)=A+B由與非門和反相器構成DY=(A B) (C D)7)r=(AB +C D)沈陽航空航天大學電子信息工程學院Y =(A T2沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE E

17、LECTRONIC ENGINEERING輸入端工作狀態不同時對電壓傳輸特性也有一定的影響。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING為克服這些缺點，在CC4000和74HC系列CMOS電路中 在門電路的每個輸入端、輸出端增加一級具有標準參數的 反相器（緩沖器）的覆沖級輸出的高、 低電平受輸入端數 目的影響。輸入端數目越多，串聯的驅動管數目也越多，輸出的低電平當輸入全入端越多，負載管并聯的數目越多，輸出的高電平VOH更高。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING蠟構。注意電路的邏輯功能發 生了變化，與

18、非門是在或非門電路的基礎上增加了緩沖器 后得到的:或非門是在與非門的基礎上增加了緩沖器以后 得到的。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGY=(A Byy=( (A+Bynnrrn-.JY = (A + Byy = (AB)圖 3 3 29 帶緩沖級的 CMOS 與非門電路沈 陽航 空航 天圖 3.3.30 帶緩沖級的 CMOS 或非門電路沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING三、漏極開路輸出門電路( (OD門)常用于輸出緩沖/驅動器中，或者用于實現輸出電平的變 換，以滿足吸收大負載電流的需要，

19、此外可以用于實現線與邏 輯。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING五.三態輸出的CMOSH電路接在集成電路的輸出端，成為輸出緩沖器1當ENJ0時，若A=l,則G4、G5的輸出同為高電平，截止、T2導通，Y=0；若A=0,貝必4、G5的輸出同為低 電平，T導通、丁2截止，Y=loY=A反相器處于正常工作狀態。2當ENZ=1時，不論A的狀態如何，G。輸出高電平而 6 輸出低電平，T和T2同時截止，輸出呈現高阻態。電路的輸出有高阻態、高電平和 低電平3種狀態，是一種三態門。Y = (AB)(b)符號D01nu ABi 內部邏輯 (a)電路沈陽航空航天

20、大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.3.6 CMOS電路的正確使用一、輸入電路的靜電防護*在存儲和運輸CMOS器件時不要使用易產生靜電高壓的化工 材料和化纖織物包裝，最好釆用金屬屏蔽層做包裝材料。楽組裝、調試時應使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺臺面等 良好接地。操作人員的服裝和手套等應選用無靜電的原料制作。黑不用的輸入端不應懸空。沈陽航空駅天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERINGCMOS數字電路的特點及使用時的注意事項MOS數字電路的特點CMOS電路的工作速度比TTL電路的低o(2) CMOS帶負載的能力比TTL

21、電路強。(3) CMOS電路的電源電壓允許范圍較大，約在318V,抗干 擾能力比TTL電路強。(4) CMOS電路的功耗比TTL電路小得多。門電路的功耗只有 幾個QV,中規模集成電路的功耗也不會超過100MWo(5) CMOS集成電路的集成度比TTL電路高。(6) CMOS電路適合于特殊環境下工作。(7) CMOS電路容易受靜電感應而擊穿，在使用和存放時應注意靜電屏蔽，焊接時電烙鐵應接地良好，尤其是CMOS電路多 余不用的輸入端不能懸空，應根據需要接地或接高電平。沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.5.1雙極型三極管的開關特性3 5 2 TTL反相器的電路結構和工作原理3 5 3 TTL反相器的靜態輸入特性和輸出特性3 5 4 TTL反相器的動態特性3 5 5其他類型的TTL門電路3.5.6 TTL數字集成電路的各種系列沈陽航空航天大學電子借息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERING3.5.1雙極型三極管的開關特性 、雙極型三極管的結構有PNP型和NPN型兩種，在工作時有電子和空穴兩種載流子參與導也過程，因此被稱為雙極型三極管。PNP 型3.5TT集電極e發射極NPN 型集電極發射極沈陽航空航天大學電子信息工程學院SYIAE ELECTRONIC ENGINEERIN