1、第三章 門電路,1、了解正負邏輯的基本概念 2、了解TTL、CMOS非門的電路結構及工作原理 3、重點掌握各種門電路的邏輯功能及其電器特性（輸入輸出特性）,3.1 概述,門電路：實現基本運算、復合運算的單元電路，如與門、與非門、或門 ,門電路中以高/低電平表示邏輯狀態的1/0,一、兩種邏輯約定：正邏輯與負邏輯 正邏輯：高電平表示1，低電平表示0負邏輯：高電平表示0，低電平表示1,正邏輯的與運算對應負邏輯的或運算,正邏輯的與非運算對應負邏輯的或非運算,正邏輯邏輯與,負邏輯邏輯或,實際開關為晶體二極管、三極管及場效應管等電子器件,二、獲得高、低電平的基本原理,S1閉合S2斷開VO=VOH S1斷開

2、S2閉合VO=VOL,互補開關電路,高電平VH 輸入高電平VIH 輸出高電平VOH,低電平VL 輸入低電平VIL 輸出低電平VOL,高電平下限,低電平上限,0，1是電壓范圍，因此在數字電路中對電子元件精度要求不高,3.2半導體二極管門電路,3.2.1二極管的開關特性：,高電平：VIH=VCC 低電平：VIL=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D導通，VO=VOL=0.7V,二極管的開關等效電路：,二極管的動態電流波形：,3.2.2 二極管與門,設VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導通時 VDF=0.7V,規定3V以上為1,0.7V以下

3、為0,3.2.3 二極管或門,加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導通時 VDF=0.7V,規定2.3V以上為1,0V以下為0,二極管構成的門電路的缺點,電平有偏移 帶負載能力差 只用于IC內部電路,3.3 CMOS門電路3.3.1 MOS管的開關特性,一、結構和工作原理：以N溝道增強型為例,以N溝道增強型為例： 當加+VDS時， VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結串聯，iD=0 加上+VGS，且足夠大至VGS VGS (th), D-S間形成導電溝道（N型層）,開啟電壓,二、輸入特性和輸出特性,輸入特性：直流電流為0，看進去有一個輸入電容CI，對動態有影響。 輸出特性： iD

4、 = f (VDS) 對應不同的VGS下得一族曲線 。,漏極特性曲線（分三個區域）,截止區 恒流區 可變電阻區,漏極特性曲線（分三個區域）,截止區：VGS 109,漏極特性曲線（分三個區域）,恒流區： iD 基本上由VGS決定，與VDS 關系不大,漏極特性曲線（分三個區域）,可變電阻區：當VDS 較低（近似為0），VGS 一定時， 這個電阻受VGS 控制、可變。,三、MOS管的基本開關電路,四、等效電路,OFF ，截止狀態 ON，導通狀態,五、MOS管的四種類型,增強型 耗盡型,大量正離子,導電溝道,3.3.2 CMOS反相器的電路結構和工作原理,一、電路結構,T1：P溝道增強型 T2：N溝道

5、增強型,TN、TP參數對稱：,Y=A,無論V1是高電平還是低電平，T1T2總是工作在一個導通而另一個截止狀態，即所謂互補狀態。 CMOS：互補對稱式金屬氧化物半導體電路,無論V1是高電平還是低電平，T1T2一個是截止狀態，流過T1T2的靜態電流極小，因而CMOS反相器的靜態功耗極小，這也是其一大優點,二、電壓、電流傳輸特性,三、輸入噪聲容限,結論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限,3.3.3 CMOS 反相器的靜態輸入和輸出特性,一、輸入特性,由于電流流過RS，所以呈現線性狀態,二、輸出特性,二、輸出特性,3.3.4 CMOS反相器的動態特性,一、傳輸延遲時間,二、交流噪聲容限,交流噪聲容限遠

6、高于直流噪聲容限,三、動態功耗,3.3.5 其他類型的CMOS門電路,一、其他邏輯功能的門電路,與非門：NMOS串聯 PMOS并聯,或非門：NMOS并聯 PMOS串聯,帶緩沖極的CMOS門,以與非門為例,帶緩沖極的CMOS門,解決方法,CMOS門不足：,CMOS門輸出電壓不可調 CMOS門輸出不可并聯使用,二、漏極開路的門電路（OD門）,三、 CMOS傳輸門及雙向模擬開關,1. 傳輸門,2. 雙向模擬開關,C=1導通做傳輸門用 C=0截至輸出高阻態,四、三態輸出門,三態門的用途,數據總線結構,雙向傳輸,3.3.6 CMOS電路的正確使用,(1) 輸入電路的靜電防護 措施：運輸時最好使用金屬屏蔽

7、層作為包裝材料；組裝、調試時，儀器儀表、工作臺面及烙鐵等均應有良好接地；不使用的多余輸入端不能懸空，以免拾取脈沖干擾。,(2) 輸入端加過流保護 措施：在可能出現大輸入電流的場合必須加過流保護措施。如在輸入端接有低電阻信號源時、在長線接到輸入端時、在輸入端接有大電容時等，均應在輸入端接入保護電阻RP。,3.3.7 CMOS集成電路的各種系列,4000系列：有較寬的工作電壓范圍（3-18V），傳輸時間100ns，帶載能力差，最大負載電流0.5mA。 HC/HCT：傳輸時間10ns，帶載能力4mA，HCT工作在單一5V電源下，與TTL電平兼容。 AHC/AHCT：比HC/HCT系列工作速度帶載能力

8、都提高了一倍。 LVC：低壓系列，傳輸時間3.8ns，最大負載電流24mA。 ALVC：在LVC基礎上性能進一步提高。,3.5.1 雙極型三極管的基本開關電路,只要參數合理： VI=VIL時，T截止，VO=VOH VI=VIH時，T導通，VO=VOL=VCES 0,3.5 TTL門電路,一、工作狀態分析：,二、三極管的開關等效電路,截止狀態,飽和導通狀態,三、動態開關特性,從二極管已知，PN結存在電容效應。 在飽和與截止兩個狀態之間轉換時，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。,3.5.2 TTL反相器的電路結構和工作原理,一、電路結構,若A為低電平，VB1=0.9V2.1V，T1

9、倒置放大，T2、T5飽和，VC20.8V，不足以使T4、D2同時通，故VO=0.2V，為低電平。,T1飽和，T2T5截止， T4導通放大區,T1倒置，T2T5飽和導通， T4截止,Y=A,需要說明的幾個問題：,二、電壓傳輸特性,二、電壓傳輸特性,二、電壓傳輸特性,VTH：閾值電壓（門檻電壓），在轉折區中點為1.4V。 由于線性區存在，電壓傳輸特性與理想開關特性差別較大。,三、輸入噪聲容限,TTL門電路噪聲容限小于CMOS門噪聲容限,3.5.3 TTL反相器的靜態輸入特性和輸出特性,一. 輸入特性,輸入等效電路 輸入特性,IIL,IIH,D1作用結果,1、高電平輸出特性,二、輸出特性,2、低電平

10、輸出特性,例：扇出系數（Fan-out）， 試計算門G1能驅動多少個同樣的門電路負載。,三、輸入端負載特性,1.4V,3.5.4 TTL反相器的動態特性,一、傳輸延遲時間 1、現象,二、交流噪聲容限,當輸入信號為窄脈沖，且接近于tpd時，輸出 變化跟不上，變化很小 因此交流噪聲容限遠大于直流噪聲容限。,三、電源的動態尖峰電流,T4、T5同時導通所造成,影響： 使電源平均電流增加 形成系統內部噪聲,3.5.5其他類型的TTL門電路,一、其他邏輯功能的門電路 1. 與非門,2. 或非門,二、集電極開路的門電路,1、推拉式輸出電路結構的局限性 輸出電平不可調 負載能力不強，尤其是高電平輸出 輸出端不

11、能并聯使用 OC門,2、OC門的結構特點,OC門實現的線與,3、外接負載電阻RL的計算,3、外接負載電阻RL的計算,3、外接負載電阻RL的計算,三、三態輸出門（Three state Output Gate ,TS）,三態門的用途,一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 1、電路的改進 (1)輸出級采用復合管（減小輸出電阻Ro） (2)減少各電阻值 2. 性能特點 速度提高 的同時功耗也增加,3.5.6 TTL電路的改進系列（改進指標),二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）,1、電路改進 采用抗飽和三極管 用有源泄放電路代替74H系列中的R3 減小電阻值 2. 性能特點 速度進一步提高，電壓傳輸特性沒有線性區，功耗增大,三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS