數(shù)字邏輯設(shè)計八

3.5.1

CMOS反相器3.5.2

COMS與非門3.5CMOS集成邏輯門電路3.5.3

COMS或非門3.5.4

CMOS傳輸門3.5.5

CMOS門電路的使用注意事項2/4/20231

MOS門電路：以MOS管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。

MOS門電路，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價格便宜等優(yōu)點，得到了十分迅速的發(fā)展。CMOS門電路2/4/202323.5.1CMOS反相器1．MOS管的開關(guān)特性MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。當(dāng)NMOS管和PMOS管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管(意為互補(bǔ))。MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。2/4/20233NMOS管的電路符號及轉(zhuǎn)移特性(a)電路符號（b）轉(zhuǎn)移特性D接正電源截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小

（1）NMOS管的開關(guān)特性

柵極漏極源極2/4/20234PMOS管的電路符號及轉(zhuǎn)移特性(a)電路符號（b）轉(zhuǎn)移特性D接負(fù)電源

（2）PMOS管的開關(guān)特性

導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小截止柵極漏極源極2/4/20235CMOS反相器PMOS管負(fù)載管NMOS管驅(qū)動管

開啟電壓|UTP|=UTN，且小于VDD。2．CMOS反相器的工作原理

（1）基本電路結(jié)構(gòu)互補(bǔ)對稱式金屬-氧化物-半導(dǎo)體電路2/4/20236（2）工作原理CMOS反相器UIL=0V截止導(dǎo)通UOH≈VDD當(dāng)uI=UIL=0V時，VTN截止，VTP導(dǎo)通，

uO=UOH≈VDD

2/4/20237CMOS反相器UIH=VDD截止UOL≈0V當(dāng)uI=UIH=VDD，VTN導(dǎo)通，VTP截止，uO=UOL≈0V導(dǎo)通2/4/20238（3）邏輯功能實現(xiàn)反相器功能（非邏輯）。（4）工作特點

VTP和VTN總是一管導(dǎo)通而另一管截止，流過VTP和VTN的靜態(tài)電流極?。{安數(shù)量級），因而CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小。這是CMOS電路最突出的優(yōu)點之一。2/4/20239CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性

3．電壓傳輸特性和電流傳輸特性AB段：截止區(qū)iD為0BC段：轉(zhuǎn)折區(qū)閾值電壓UTH≈VDD/2轉(zhuǎn)折區(qū)中點：電流最大CMOS反相器在使用時應(yīng)盡量避免長期工作在BC段。CD段：導(dǎo)通區(qū)2/4/2023104.CMOS電路的優(yōu)點

（1）微功耗。

CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級。（2）抗干擾能力很強(qiáng)。輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。（3）電源電壓范圍寬。多數(shù)CMOS電路可在3～18V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作。

（4）輸入阻抗高。（5）負(fù)載能力強(qiáng)。

CMOS電路可以帶50個同類門以上。（6）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平VDD）2/4/202311負(fù)載管并聯(lián)（并聯(lián)開關(guān)）驅(qū)動管串聯(lián)（串聯(lián)開關(guān)）3.5.2CMOS與非門1.電路組成2/4/2023122.工作原理（1）當(dāng)輸入A＝0、B＝0時，VTN1和VTN2都截止，VTP1和VTP2同時導(dǎo)通，輸出Y＝1。（2）當(dāng)輸入A＝0、B＝1時，VTN1截止，VTP1導(dǎo)通，輸出Y＝1。（3）當(dāng)輸入A＝1、B＝0時，VTN2截止，VTP2導(dǎo)通，輸出Y＝1。（4）當(dāng)輸入A＝1、B＝1時，VTN1和VTN2同時導(dǎo)通，而VTP1和VTP2均截止，輸出Y＝0。由上分析可知，電路實現(xiàn)了與非邏輯功能，其邏輯表達(dá)式為2/4/202313負(fù)載管串聯(lián)（串聯(lián)開關(guān)）3.5.3

CMOS或非門

驅(qū)動管并聯(lián)（并聯(lián)開關(guān)）CMOS或非門

A、B有高電平，則驅(qū)動管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，輸出為低電平。10截止導(dǎo)通1.電路組成2/4/202314該電路具有或非邏輯功能,即Y=A+B當(dāng)輸入全為低電平，兩個驅(qū)動管均截止，兩個負(fù)載管均導(dǎo)通，輸出為高電平。00截止導(dǎo)通12.工作原理2/4/2023151.電路組成

C和是一對互補(bǔ)的控制信號。由于VTP和VTN在結(jié)構(gòu)上對稱，所以圖中的輸入和輸出端可以互換，又稱雙向開關(guān)。3.5.4CMOS傳輸門

CMOS傳輸門（a）電路（b）邏輯符號2/4/202316若C=1（接VDD)、C=0（接地），當(dāng)0＜uI＜(VDD－|UT|)時，VTN導(dǎo)通；當(dāng)|UT|＜uI＜VDD時，VTP導(dǎo)通；

uI在0~VDD之間變化時，VTP和VTN至少有一管導(dǎo)通，使傳輸門TG導(dǎo)通。（2）工作原理（了解）若C=0（接地)、C=1（接VDD

），uI在0~VDD之間變化時，VTP和VTN均截止，即傳輸門TG截止。2/4/202317（3）應(yīng)用舉例CMOS模擬開關(guān)

①CMOS模擬開關(guān)：實現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能。

C=0時，TG1導(dǎo)通、TG2截止，uO=uI1；

C=1時，TG1截止、TG2導(dǎo)通，uO=uI2。2/4/2023183.5.5COMS集成邏輯門的使用注意事項1.使用時的工作條件對于各種集成電路，在技術(shù)手冊中都會給出各主要參數(shù)的工作條件和極限值，使用時一定要在推薦的工作條件范圍內(nèi)。2.電源電壓（1）CMOS電路的電源電壓極性不可接反，否則?？赡軙斐呻娐酚谰眯允?。（2）CC4000系列的電源電壓可在3～15V的范圍內(nèi)選擇，最大不允許超過極限值18V。電源電壓選擇得越高，抗干擾能力也越強(qiáng)。2/4/202319（3）高速CMOS電路，HC系列的電源電壓可在2～6V的范圍內(nèi)選用，HCT系列的電源電壓在4.5～5.5V的范圍內(nèi)選用，最大不允許超過極限值7V。（4）在進(jìn)行CMOS電路實驗，或?qū)MOS數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、測量時，應(yīng)先接入直流電源，后接信號源；使用結(jié)束時，應(yīng)先關(guān)信號源，后關(guān)直流電源。3.閑置輸入端的處理（1）閑置輸入端不允許懸空。（2）對于與門和與非門，閑置輸入端應(yīng)接正電源或高電平；對于或門和或非門，閑置輸入端應(yīng)接地或低電平。2/4/202320（3）閑置輸入端不宜與使用輸入端并聯(lián)使用因為這樣會增大輸入電容，從而使電路的工作速度下降。但在工作速度很低的情況下，允許輸入端并聯(lián)使用。4.輸出端的連接（1）輸出端不允許直接與電源或與地相連。因為電路的輸出級通常為CMOS反相器結(jié)構(gòu)，這會使輸出級的NMOS管或PMOS管可能因電流過大而損壞。2/4/202321（2）為提高電路的驅(qū)動能力，可將同一芯片上相同門電路的輸入端、輸出端并聯(lián)使用。（3）當(dāng)CMOS電路輸出端接大容量的負(fù)載電容時，流過管子的電流很大，有可能使管子損壞。因此，需在輸出端和電容之間串接一個限流電阻，以保證流過管子的電流不超過允許值。2/4/2023225.其它注意事項（1）焊接時，電烙鐵必須接地良好，必要時，可將電烙鐵的電源插頭拔下，利用余熱焊接。（2）集成電路在存放和運輸時，應(yīng)放在導(dǎo)電容器或金屬容器內(nèi)。（3）組裝、調(diào)試時，應(yīng)使所有的儀表、工作臺面等具有良好的接地。2/4/2023233.6TTL電路與COMS電路的連接在數(shù)字系統(tǒng)中，如果同時采用TTL和CMOS電路，便出現(xiàn)TTL與CMOS電路的相互連接問題。兩種不同類型的集成門電路，在相互連接時必須滿足一定的條件，否則必須通過接口電路進(jìn)行電平或電流的變換之后，才能連接。1.兩類集成門電路互相連接的條件門電路在連接時，前者稱為驅(qū)動門，后者稱為負(fù)載門，如圖所示。驅(qū)動門為負(fù)載門提供符合要求的高、低電平和足夠的輸入電流，具體條件是2/4/202324驅(qū)動門負(fù)載門

UOH（min）≥UIH（min）

UOL（max）≤UIL（max）

IOH（max）≥NOHIIH（max）

IOL（max）≥NOLIIL（max）

書中表3-7列出了TTL、COMS4000和HCOMS電路的輸出電壓、輸出電流、輸入電壓、輸入電流等參數(shù)，可作為選擇接口電路時參考。2/4/2023252.COMS電路驅(qū)動TTL電路通過比較TTL系列和CMOS系列的有關(guān)參數(shù)可知，高速CC74HCT系列CMOS電路與TTL電路完全兼容，它們可以直接相互連接。另外，CC74HC系列CMOS電路也可以直接驅(qū)動CT74系列和CT74LS系列TTL電路。CC4000系列CMOS電路也可直接驅(qū)動CT74LS系列TTL電路。2/4/202326（1）CMOS4000系列驅(qū)動TTL電路由表3.7可知，CMOS4000系列電路輸出的高、低電平都滿足要求，但由于TTL電路輸入低電平電流較大，而CMOS4000系列電路輸出低電平電流卻很小，灌電流負(fù)載能力低，不能向TTL提供較大的低電平電流。

提高CMOS4000系列電路輸出低電平電流的方法的兩種：2/4/202327一是可將同一芯片上的多個CMOS電路并聯(lián)作為驅(qū)動門。如圖（a）所示。另一種方法是在CMOS電路輸出端和TTL電路輸入端之間接入CMOS驅(qū)動器，如圖（b）所示。（a）驅(qū)動門并聯(lián)使用（b）采用CMOS驅(qū)動器2/4/2023282.高速CMOS電路驅(qū)動TTL電路由表3.7可知，高速CMOS電路的電源電壓VDD＝VCC＝5V時，CC74HC和CC74HCT系列電路的輸出端和TTL電路輸入端可直接相連。3.TTL電路驅(qū)動CMOS4000系列電路由表3.7可知，TTL電路輸出低電平電流比較大，能滿足驅(qū)動CMOS電路的要求，而其輸出高電平的下限值小于CMOS電路輸入高電平的下限值，它們之間不能直接驅(qū)動。2/4/202329因此，應(yīng)設(shè)法提高TTL電路輸出高電平的下限值，使其大于CMOS電路輸入高電平的下限值。解決這個問題的方法有兩種：一是在TTL電路的輸出端與電源之間接入上拉電阻，如圖所示。當(dāng)TTL電路輸出為高電平時，輸出級的負(fù)載管和驅(qū)動管同時截止，于是有接入上拉電阻提高TTL電路輸出的高電平。2/4/202330另一種方法是在TTL電路輸出和CMOS電路輸入端之間接入一個CMOS電平轉(zhuǎn)換器，如圖所示。2/4/202331（4）TTL電路驅(qū)動74HCT系列高速CMOS電路高速CMOS電路CC74HCT系列在設(shè)計制造時就已經(jīng)考慮了和TTL電路的兼容問題，使它的輸入高電平UIH（min）＝2V，而TTL電路輸出高電平UOH（min）＝2.7V。因此，TTL電路的輸出端可直接與高速CMOS電路CC74HCT系列的輸入端相連。不用另外再加其它器件。2/4/2023322.6.1CMOS門電路的使用知識

1．輸入電路的靜電保護(hù)

CMOS電路的輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護(hù)還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應(yīng)注意以下幾點：2.6CMOS門電路和TTL門電路的使用知識及相互連接2/4/202333（1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。（2）存儲和運輸CMOS電路，最好采用金屬屏蔽層做包裝材料。2．多余的輸入端不能懸空。輸入端懸空極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)使用。2/4/2023342.6.2TTL門電路的使用知識

1．多余或暫時不用的輸入端不能懸空，可按以下方法處理：（1）與其它輸入端并聯(lián)使用。（2）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接地。比如將與門、與非門的多余輸入端接電源，將或門、或非門的多余輸入端接地。2/4/202335

(1)在每一塊插板的電源線上，并接幾十μF的低頻去耦電容和0.01~0.047μF的高頻去耦電容，以防止TTL電路的動態(tài)尖峰電流產(chǎn)生的干擾。(2)整機(jī)裝置應(yīng)有良好的接地系統(tǒng)。2．電路的安裝應(yīng)盡量避免干擾信號的侵入，保證電路穩(wěn)定工作。2/4/2023362.6.3TTL門電路和CMOS門電路

的相互連接

TTL和CMOS電路的電壓和電流參數(shù)各不相同，需要采用接口電路。一般要考慮兩個問題：一是要求電平匹配，即驅(qū)動門要為負(fù)載門提供符合標(biāo)準(zhǔn)的輸出高電平和低電平；二是要求電流匹配，即驅(qū)動門要為負(fù)載門提供足夠大的驅(qū)動電流。2/4/2023371.

TTL門驅(qū)動CMOS門（1）電平不匹配

TTL門作為驅(qū)動門，它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；CMOS門作為負(fù)載門，它的UIH≥3.5V，UIL≤1V?？梢?，TTL門的UOH不符合要求。（2）電流匹配

CMOS電路輸入電流幾乎為零，所以不存在問題。2/4/202338（3）解決電平匹配問題TTL門驅(qū)動CMOS門①外接上拉電阻RP在TTL門電路的輸出端外接一個上拉電阻RP，使TTL門電路的UOH≈5V。（當(dāng)電源電壓相同時）

2/4/202339②選用電平轉(zhuǎn)換電路(如CC40109)若電源電壓不一致時可選用電平轉(zhuǎn)換電路。

CMOS電路的電源電壓可選3~18V；而TTL電路的電源電壓只能為5V。③采用TTL的OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。若電源電壓不一致時也可選用OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。2/4/2023402.CMOS門驅(qū)動TTL門（1）電平匹配CMOS門電路作為驅(qū)動門，UOH≈5V，UOL≈0V；TTL門電路作為負(fù)載門，UIH≥2.0V，UIL≤0.8V。電平匹配是符合要求的。（2）電流不匹配CMOS門電路4000系列最大允許灌電流為0.4mA，TTL門電路的IIS≈1.4mA，

CMOS4000系列驅(qū)動電流不足。2/4/202341（3）解決電流匹配問題

CMOS電路常用的是4000系列和54HC/74HC系列產(chǎn)品，后幾位的序號不同，邏輯功能也不同。①選用CMOS緩沖器比如，CC4009的驅(qū)動電流可達(dá)4mA。②選用高速CMOS系列產(chǎn)品選用CMOS的54HC/74HC系列產(chǎn)品可以直接驅(qū)動TTL電路。2/4/202342各種系列門電路的主要參數(shù)2/4/202343常用集成門電路(TTL系列）

型號名稱主要功能74LS00四2輸入與非門

74LS02四2輸入或非門

74LS04六反相器