03第三章門電路

1、授課 內容 概要3.1簡單門電路（3.1、3.2）, 3.3.1332 CMOS反相器的電路結構和工作原理，333 CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性，3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性，3.3.5其他類型的CMOS門電路，3.5.1雙極性三極管的開關特性，3.5.23.5.3 TTL反相器的電路結構和工作原理、靜態(tài)輸入特性和輸出特性、負載特 性3.5.5其他類型的TTL門電路TTL門電路和CMOS門電路的基本概念及電路分析方法的討論目的要求理解三極管（包括雙極性和 MOS型）的開關特性；熟練掌握TTL反相器的電路結 構及工作原理，理解主要參數(shù)的含義和其他 TTL門電路實現(xiàn)的

2、功能；掌握 CMOS 反相器的電路結構和工作原理，理解其他CMOS門電路的連接規(guī)律，學會分析電路結構。重點半導體二極管和三極管（包括雙極型和MOS型）開關狀態(tài)下的等效電路和外特性； TTL的外特性及其應用；CMOS電路的外特性及其應用。難點TTL和CMOS門電路的內部結構和工作原理作業(yè)布置3.13.7，3.123.1，63.8，3.9, 3.13（a,b.d）本章（節(jié)）參考 書數(shù)字電子技術基礎（第五版）教學方法演講法、啟發(fā)式主要教具多媒體課件備注授課過程及內容第三章門電路 3.1簡單門電路（3.1、3.2）、概述、二極管、三極管開關特性二、最簡單門電路1、二極管與門2、二極管或門3、三極管非門

3、概述1、門電路：是用以實現(xiàn)邏輯關系的單元電路，與基本邏輯關系相對應。2、主要類型：與門、或門、與非門、或非門、異或門等。3、正負邏輯體制概念：在電子電路中，用高低電平表示S開-Vo輸出高電平,S合V O輸出低電平。Vi0和1兩種邏輯狀態(tài)。Vcc丄Vo正邏輯：高電位對應“1”低電位對應 負邏輯：高電位對應“ 0”低電位對應0”1”例:ABF000010100111正與門ABF111101011000負或門混合邏輯：輸入用正邏輯、輸出用負邏輯；或者輸入用負邏輯、輸出用正邏輯。 在數(shù)字電路中，電壓值具體值多少不重要，只要能判斷高低電平即可。、二極管、三極管開關特性1、二極管開關特性 一個PN結，具有

4、單向導電性。外加正向電壓時導通，相當于開關閉合； 外加反向電壓時截止，相當于開關斷開。正向導通壓降：硅管0.7V，鍺管0.3V。2、三極管開關特性反向截止，開關斷開e飽和導通，開關閉合最簡單門電路e1、二極管與門（3V以上為高電平，0.7V以下為低電平）設 VCC = 5V，VIH = 3V，VIL = 0V 二極管導通壓降0.7V。DiVccJrYD2Y=ABA BY0 00.70 30.73 00.73 33.7A BY0 000 101 001 112、二極管或門（2.3V以上為高電平）VIH = 3V, VIL = 0V，二極管導通壓降DiA-W-D2A BY0 000 32.33 0

5、2.33 32.3A BY0 000 111 011 110.7V。Y=A+B思考題：這些電路雖然結構簡單，但不常用。原因是什么？（發(fā)生了電平偏移、級數(shù)越多偏移越大，誤差也越大，可靠性不高）3.5 TTL門電路3.5.1雙極性三極管的開關特性分立元件門電路的缺點：（1）體積大、工作不可靠。（2）需要不同電源。（3）各種門的輸入、輸出電平不匹配。四、相關參數(shù)輛入級RiFla,1：辺ni.nM 倒相級輸出級根據(jù)集成度分為：SSI（1OO以下）、MSI（幾百個）、LSI（幾千個）、VLSI（ 萬個以上）。 介紹一種用的最多的雙極型數(shù)字集成電路 TTL電路。3.5.2 TTL反相器的電路結構和工作原理

6、、電路結構、原理（輸出級特點、Di、D2作用）、電壓傳輸特性曲線、電路結構Vcc=5V, Vih=3.4V, Vil=0.2V二極管壓降O.7V二、工作原理1、Vi=Vil=0.2V （A=O）時T1發(fā)射結導通，Vb1=0.9VT2、T5均截止T4導通（飽和導通）VO= VCC VR2-O.7-O.7=3.4V （根據(jù)設計參數(shù)可得到）二 A = 0， Y = 12、Vi= Vih=3.4V（A=1）Ti集電結導通，Vbi=2.1V，發(fā)射結反向截止T2、T5均飽和導通VC2= Vces2+0.7=0.3+0.7=1V T4截止二 Vo= Vces3=0.3V即 A = 1，Y = O從上面的原理

7、可知：T4、T5總是一個導通而另一個截止，故也稱為推拉式電 路。D1的作用：鉗位二極管，抑制輸入端可能出現(xiàn)的負極性干擾脈沖，防止輸入為負時Ti發(fā)射結電流過大，起保護作用。D2的作用：確保T5飽和導通時，T4可靠截止。三、電壓傳輸特性曲線AB段（截止區(qū)）：VIV0.6V，門截止（T5的狀態(tài)）T1發(fā)射結導通T2、T5均截止T4導通（飽和導通）Vo= VOHBC 段(線性區(qū))：0.6V Vi1.4V,門導通T2、T5飽和導通T4 截止，Vo= Vol四、輸入端噪聲容限1)單獨的門：輸入為高電平的噪聲容限為：輸入為低電平的噪聲容限為：InVnH = ViH VlH(min) VnL = V IL(ma

8、x) ViLViE222VoH(min) 1Vnh NVnlV OL(max) fIV|L(maxIL(max)2)對于n門：輸入為高電平的噪聲容限為：VnH = V OH(min) V IH(min)輸入為低電平的噪聲容限為：V NL = V IL(max) 一 V OL(max)3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入、一、輸入特性曲線二、輸出特性曲線三、輸入端負載特性曲線四、輸入特性曲線輸出及輸入端負載特性一、輸入特性曲線輸入特性：輸入電流隨輸入電壓變化 的特性。僅考慮輸入信號是高電平和低電平，則 輸人端的等效電路如圖：設流入發(fā)射結的電流為正方向，(1)當 Vi=ViL 時：I IL IlVc

9、c0.7ViLRi當 Vi=0 時，I ILVcc 0.7RiIis (輸入短路電流)(2)當 ViVth 時，liH 宀0。74系列反相器在40卩A以下。厲亠 VOH(min)JCt故輸入特性曲線如圖:輸入電壓介于高低電 平之間的情況比較復 雜，不作分析。輸出特性曲線輸出特性曲線：輸出電壓隨負載電流變化的曲線。 (1)高電平輸出特性曲線Vo= VOH時，輸出端等效電路為：輸入電壓介于高低電平之間的情況比較復雜，不 作分析。高電平輸出特性曲線為：由于功耗的限制，高電平輸出時負載電 流的最大值應該參照手冊的參數(shù)值。另外，從等效電路上看，負載電流實際 是流出門電路，我們稱之為拉電流，負載為 帶拉電

10、流負載。(2)低電平輸出特性曲線Vo= Vol時，輸出端等效電路為:T5飽和導通，c e間內阻很小(10Q) Il增加，Vol僅有稍微升高，且呈 線性關系低電平輸出特性曲線為:另外，從等效電路上看，負載 電流是流入門電路，我們稱之為灌 電流，負載為帶灌電流負載。注意一個概念，扇出系數(shù)：74系列反相器可驅動同類型反相器的最大數(shù)目。r.i輸入端負載特性曲線輸入端負載特性曲線：輸入電壓隨輸入端負載變化的曲線。 等效電路：Vi1.4V 時：rpVi (Vcc O.7)R1 Rp若Rp1.4V 時：T2、T5迅速飽和導通，Vbi=2.1V，被 鉗位。即使RpT, Vi不再變化 Vu 1.4V故輸入端負載

11、特性曲線為：r LCRoff=650700QRoN=1.45kQIL(max)總結一下本節(jié)的相關參數(shù):IlL :低電平輸入電流 lls:輸入短路電流IlH :咼電平輸入電流 扇出系數(shù)N :Roff：關門電阻 Ron :開門電阻3.5.5其它類型的TTL門電路與非門或非門與或非門異或門、TTL、TTL、TTL四、TTL五、集電極開路的門電路（0C門）六、三態(tài)輸出門電路（TS門）、TTL與非門電路圖為:將TTL反相器的輸入端改為 多發(fā)射極三極管。工作原理：只有當A、B同 時為高電平時，T2和T5才同時導 通，并使輸出為低電平Vol。Y Ab、TTL或非門電路圖為:工作原理：只有A、B都 為低電平時

12、，T2和2同時截 止，T5截止而T4飽和導通，從 而輸出高電平。Y三、與或非門電路圖為:T：.4 if H, 9kQ1T,T,FyT,V0-L J g_I盂一二=i $ LV,-.-工作原理：當A、B同時為高電平 時，T2、T5導通而T4截止，丫為低電 平。同理，當C、D同時為高電平時，丫 也為低電平。只有A、B和C、D每一 組輸入都不同時為高電平時，T2和T 2 同時截止，使T5截止而T4導通，丫為 咼電平。Y AB CD四、T7、T9飽和導通， Y=0T8截止(2) A=1,B=1 時：T4、T5飽和導通，T7截止T6、T9飽和導通，T8截止 Y=0(3) A=0,B=1 時：異或門電路圖

13、為：工作原理：(1) A=O,B=O 時：T6截止，T4、T5截止,T,丁T6截止，T4飽和導通、T5截止，T7截止 T9截止，T8飽和導通(4)同理，A=1,B=0 時：T6截止，T5飽和導通、T4截止，T7截止 T9截止，T8飽和導通故丫=1 Y A B五、集電極開路的門電路(0C門)1、問題的提出標準TTL門電路如何進行與運算？%能否直接將門電路的輸出直接接在一起即“線與”？不能。原因是：如圖，IIJ若Gi輸出高電平而G2的輸出低電平，則“線與”后 必然有很大的負載電流同時流過這兩個門的輸出級。這個 電流將遠遠超過正常工作電流，可能使門電路損壞。另外，單個的標準TTL門電路的局限性有：無

14、法滿足對不同輸出電平的需要。因為電源一經確定，輸出的高電平也就固定。不能驅動滿足驅動較大電流、較高電壓的負載的要求。a) OC 門(1) OC門：將輸出級改為集電極開路的三極管結構。 電路結構如圖所示：YYA應用時輸出端要外接一上拉負載電阻Rl和電源Vcc，只要根據(jù)要求選擇不同 Vcc值,就可以得到所需的 V OH值。應用時輸出端要外接一上拉負載電阻Rl和電源Vcc，只要根據(jù)要求選擇不同Vcc值，就可以得到所需的VOH值。（2）OC門如何實現(xiàn)“線與”O(jiān)C門輸出并聯(lián)的接法及邏輯圖如下:r分析：丫1、Y2任一導通，則丫=0。 丫1、丫2全截止，則丫=1。/. 丫 丫 1 ?丫2 AB?CD AB

15、CD六、三態(tài)輸出門電路（TS門）1、TS門是在普通門電路的基礎上附加控制電路構成的。（1）控制端高電平有效的電路結構：（以與非門為例）0jL工作原理：當EN=1時，P點高，D截止，普通與非門。當EN=0時，P點低，T2、T5截止同時D導通，T4也截止，故輸出呈高阻狀態(tài)。（2）控制端低電平有效的電路結構：2、TS門的應用（1）可以作為TTL電路與總線間的接口電路工作時，EN1、EN2、EN3分 時接入高電平，可以將多個輸出信 號輪流送到總線上，而互不干擾。AlLN, 兒一fl.(2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸EN=1 時：Gi工作、G2高阻，數(shù)據(jù)Do經Gi反相后送到總線。EN=0 時：G2工作、Gi高阻

16、，來自總線的 數(shù)據(jù)經G2反相后由Di送出。D,C|V EN3.3 CMOS門電路MOS管開關電路知識回顧3.3.1 CMOS反相器的工作原理一、電路結構及工作原理二、電壓、電流傳輸特性曲線三、噪聲容限3.3.2 CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入端保護措施和輸入特性二、輸出特性MOS管開關電路知識回顧1、MOS管的基本開關電路2、MOS管的開關特性當Vi=VgSVGS(th)為高電平時:MOS管工作在可變電阻區(qū), 圖(b);若 RdRon，則 VOH = 0D S間導通電阻很小(1k Q以下)，等效電路為Dff-.KK E- 一sIIDI C,Sr GI-(hl331 CMOS反相

17、器的工作原理將NMOS管和PMOS管同時制造在一塊晶片上的所謂互補器件，簡稱CMOS(Complementary -Symmetry MOS)。、電路結構及工作原理1、電路圖為：Ti為增強型PMOS, T2為增強型NMOS。 T1、T2的開啟電壓分別為 VGS(th)P和VGS(th)N。(1) Vi=0 時：I VgS1 I = VdD I VGS(th)pIVGS2= 0VGS(th)N Ti導通，T2截止二 VoH = VddT,-如(2) Vi= Vdd 時：VgS1= 0V GS(th)N 二Ti截止，T2導通I VoH= 0電路特點：Ti、T2總是一個導通而另一個截止，即所謂互補狀

18、態(tài)。2、突出優(yōu)點：靜態(tài)功耗極小 、電壓、電流傳輸特性曲線3、電壓傳輸特性曲線設 VdD VGS(th)N+ I VGS(th)P I 且 VGS(th)N= I VGS(th)P I 并設 ViL =VoL=0V， Vih =Voh= Vdd 并且VGS(th)N用VtN表示，VGS(th)P用VtP表示。電壓傳輸特性曲線如圖：AB 段: Vi I VGS(th)p I Ti導通，T2截止 故 Vo= Voh = VddCD 段: Vi Vdd I VGS(th)p II VgS1 I V GS(th)NVBC 段：VGS(th)N V i I VGS(th)P I , T1、T2同時導通 則

19、電路的等效圖為：I V GS(th)P IVGS2VGS(th)N若Ti、T2參數(shù)完全對稱,則ViVddftRdnpRonnVoVo-Vdd2- CMOS反相器的閾值電壓Vth4、電流傳輸特性曲線電流傳輸特性曲線如圖:bk I 料Cj D1-Vdd 時，RoNP= RoNN2*VddAB、CD段漏極電流幾乎為0,BC段Vi -Vdd附近電流最大，2故不能使CMOS器件長期工作在BC段，防止 因功耗過大而損壞器件。A世三、輸入端噪聲容限閾值電壓Vth-Vdd則vIH(min)2Vdd， V IL(max)2Vdd , Voh=Vdd , Vol = 0 VnH = Voh VlH(min) =

20、vdd2VnL = VlL(max) Vol = Vdd332 CMoS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 一、輸入端保護措施和輸入特性1、輸入端保護電路 P96 riDTLiLC11 =11P128 練習 2.162、輸入特性-O.7V1嶺V|Vdd+0.7V、輸出特性1、低電平輸出(1)v Vol = IolRon隨著 Iol ff Vol f當OW Vi Vdd + Vdf 時，Di導通，Vi被鉗位為Vdd + Vdf 當 Viv Vdf時，D2導通，Vi被鉗位為VdfC2上的電壓不會超過允許從而保證加到Ci、 的耐壓極限。(2)在同一一 loL 下，Vdd RonVol J低電平輸出特性為

21、:3Ci2、高電平輸出v Voh = Vdd I Ioh I Ron隨著I Ioh Iff Voh略有降低在同一 Ioh下，Vdd ff Ron Jf Voh f高電平輸出特性為:iCA小結一下：334其它類型的CMOS門電路一、CMOS與非門和或非門二、帶緩沖級的CMOS與非門和或非門三、CMOS OD 門四、CMOS傳輸門五、CMOS三態(tài)門要求：（1）CMOS門電路的連接規(guī)律；（2）學會分析電路結構。CMOS與非門和或非門 電路圖為：RT,二者對比，規(guī)律：與非門：NMOS串，PMOS 并; 或非門：NMOS 并, PMOS串。A BT1T2T3T4丫0 0導通截止導通截止11A BT1T2

22、T3T4丫0 1導通截止截止導通1 0 0導通截止導通截止11 0截止導通導通截止1 0 1導通截止截止導通01 1截止導通截止導通0 1 0截止導通導通截止01 1截止導通截止導通0（2）或非門：丫 A B工作原理：（1）與非門：丫 Ab此類門電路的缺點：（1）輸出電阻RO受輸入狀態(tài)影響；（2）輸出的高低電平受輸入端數(shù)目的影響。二、帶緩沖級的CMOS與非門和或非門即在門電路的每個輸入端和輸出端各增設一級反相器（緩沖器）。電路圖為:（1）帶緩沖級的CMOS與非門（2）帶緩沖級的CMOS或非門1YVJfl、OD門即漏極開路門電路,門電路中的OC門類似。電路圖為:TTLIutK 卜rJ uV四、CMOS傳輸門邏輯符號Ut1、電路圖：Ti丄C低電平分別為Vdd和0V設控制信號C、C的高、2、工作原理：_（1）當 C=0，C=1 時Ti、T2均截止，輸入和輸出之間呈高阻態(tài)，傳輸門截止。（2）當 C=1，