第三章 門電路

《數(shù)字電子技術(shù)》第五版

山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院第三章門電路3.1概述門電路：實現(xiàn)基本邏輯運算和復(fù)合邏輯運算的單元電路邏輯狀態(tài)的描述

高電平=1，低電平=0正邏輯高電平=0，低電平=1負邏輯缺點：功耗較大數(shù)字邏輯電路的發(fā)展由分立元器件（如電阻、電容）

片上系統(tǒng)（SOC)SSI,MSI,LSI,VLSI從制造工藝上可以分為雙極型、單極型和混合型三種，首先推廣應(yīng)用的是雙極型的TTL電路。3.2半導(dǎo)體二極管門電路

3.2.1半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性二極管開關(guān)電路

二極管具有單向?qū)щ娦?/p>

VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V二極管非理想元件，受PN結(jié)表面漏電阻和半導(dǎo)體體電阻的影響。二極管的開關(guān)等效電路二極管的動態(tài)電流波形瞬間反向電流，其大小和持續(xù)時間取決于正向?qū)〞r的電流大小、反向電壓、外電路電阻的阻值，還與本身特性有關(guān)。反向恢復(fù)時間tre3.2.2二極管與門設(shè)VCC=5V加到A,B的

VIH=3V

VIL=0V二極管導(dǎo)通時

VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111規(guī)定3V以上為10.7V以下為0輸出高、低電平的偏移，不能驅(qū)動負載電路。3.2.2二極管或門設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111規(guī)定2.3V以上為10V以下為0一、MOS管的結(jié)構(gòu)和工作原理3.3CMOS門電路

3.3.1MOS管的開關(guān)特性源極（Source）柵極（Gate）漏極（Drain）N溝道工作原理當(dāng)加+VDS時，令VGS=0，

D-S間是兩個背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0。P加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th)，柵極與襯底間電場的吸引，使襯底中的少數(shù)載流子（電子）聚集到柵極下面的襯底表面，形成N型的反型層，構(gòu)成了D-S間的導(dǎo)電溝道，有電流產(chǎn)生。隨著VGS增加，iD增大。開啟電壓注：在VGS=0時不存在導(dǎo)電溝道，必須加足夠高的柵極電壓才有導(dǎo)電溝道形成，稱為N溝道增強型MOS管。二、輸入特性和輸出特性①輸入特性：柵極電流為0。②輸出特性：iD

=f(VDS)

對應(yīng)不同的VGS下得一族曲線。漏極特性曲線（分三個區(qū)域）①截止區(qū)②可變電阻區(qū)③恒流區(qū)

輸入回路

輸出回路共源接法轉(zhuǎn)移特性曲線IDS三、MOS管的基本開關(guān)電路

當(dāng)時，

MOS管工作在截止區(qū)。只要

,

當(dāng)vI>VGS(th)且vDS較高時，MOS管工作在恒流區(qū)。隨著vI的增加，iD增加，而vO=VDD-VR隨之下降。由于iD與vI變化量之比非正比關(guān)系，⊿vO與⊿vI之比非常數(shù)。電路工作在放大狀態(tài)。

vI繼續(xù)升高，RON很小(在1K?以內(nèi))。只要RD?RON，vO=VOL≈0.只要選擇合理的電路參數(shù)，可使MOS管成為一個可控的開關(guān)。當(dāng)輸入低電平時，MOS管截至，輸出為高電平；當(dāng)輸入高電平時，MOS管導(dǎo)通，輸出為低電平。四、等效電路OFF，截止?fàn)顟B(tài)ON，導(dǎo)通狀態(tài)柵極電容(約為幾pF)注：由于開關(guān)電路輸出端帶有負載電容，在動態(tài)情況下，ID的變化與輸出電壓vDS的變化都將滯后于vI的變化。五、MOS管的四種類型增強型耗盡型3.3.2CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)若T1和T2的開啟電壓分別為、互補對稱式金屬-氧化物-半導(dǎo)體電路靜態(tài)功耗極小二、電壓、電流傳輸特性設(shè)三、輸入噪聲容限可以通過提高VDD，提高噪聲容限。3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性（輸入電壓與輸入電流間的關(guān)系）1.MOS管柵極與襯底間的SiO2層可等效為電容，絕緣層非常薄，易被擊穿（耐壓100V），應(yīng)采取保護措施。2.保護電路---74HC系列和4000系列分布式二極管結(jié)構(gòu)二、輸出特性低電平輸出特性當(dāng)時,T1截止、T2管導(dǎo)通。輸出電平隨IOL增加而提高。等效2.高電平輸出特性當(dāng)時，T2截止、T1導(dǎo)通。

IOH方向與規(guī)定負載電流方向相反。VOH隨IOH增加而下降。反相器輸出的高、低電平與負載電流的大小有關(guān)3.3.4CMOS反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時間1、定義：由于CI和CL的存在，當(dāng)輸入信號發(fā)生跳變時，輸出電壓的變化必然滯后于輸入電壓的變化。（tPHL,tPLH）2、tPHL、tPLH受CL、MOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻（與vGS有關(guān)）影響。3、tPHL≈tPLH=tpd二、交流噪聲容限由于負載電容和MOS管寄生電容的存在，輸入信號狀態(tài)變化時必須有足夠的變化幅度和作用時間才能使輸出改變狀態(tài)。當(dāng)輸入信號為窄脈沖且脈寬接近于門電路的tpd時，脈沖信號幅度將遠大于直流輸入信號的幅度，才能使輸出改變狀態(tài)。反相器對這類窄脈沖的交流噪聲容限?直流噪聲容限。tpd（受電源電壓和負載電容的影響）↑，交流噪聲容限↑。三、動態(tài)功耗CMOS反相器從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個穩(wěn)定狀態(tài)時所產(chǎn)生的功耗稱為動態(tài)功耗。動態(tài)功耗PD=PC（CL充放電的功耗）+PT（T1、T2短時間內(nèi)同時導(dǎo)通所消耗的瞬時導(dǎo)通功耗）2.瞬時導(dǎo)通功耗PT功耗電容3.總的功耗PTOT=動態(tài)功耗PT+靜態(tài)功耗PS，

CMOS門電路的靜態(tài)功耗極小，與動態(tài)功耗相比可忽略。3.3.5其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路

1、與非門2、或非門①當(dāng)A＝0、B＝0時，T1和T3導(dǎo)通，Y＝1；②當(dāng)A=0、B＝1時，T1和T4導(dǎo)通，Y＝1；③當(dāng)A=1、B=0時，T3導(dǎo)通、T4截止，Y＝1；④當(dāng)A=1、B=1時，T1和T3同時截止，

T2和T4同時導(dǎo)通，Y＝0。①當(dāng)A＝0、B＝0，T1、T3導(dǎo)通，Y＝1；②當(dāng)A=0、B＝1，T4導(dǎo)通，Y＝0；③當(dāng)A=1、B=0，T2,3導(dǎo)通、T1,4截止，Y＝0；④當(dāng)A=1、B=1，T1,3截止，T2,4導(dǎo)通，Y＝0。輸出電阻受輸入狀態(tài)的影響；

當(dāng)A=B=1時，當(dāng)A＝B＝0時，當(dāng)A=0、B＝1時，當(dāng)A=1、B=0時，輸出高、低電平受輸入端數(shù)目的影響；輸入端工作狀態(tài)的不同對電壓傳輸特性也會有一定的影響。3、與非門電路存在的缺點4.解決方法——增加緩沖級結(jié)構(gòu)在門電路的每個輸入端、輸出端各增設(shè)一級反相器（緩沖器）帶緩沖級的門電路其輸出電阻、輸出高、低電平以及電壓傳輸特性將不受輸入端狀態(tài)的影響。電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)也變得更陡。二、漏極開路輸出門電路（Open-DrainOutput:OD門）OD輸出結(jié)構(gòu)OD輸出與非門74HC03可吸收大負載電流1、滿足輸出電平的變換；2、可將幾個OD門的輸出端相連，實現(xiàn)線與邏輯。注：OD門工作時，輸出端必須通過上拉電阻RL接到電源上。兩個OD輸出與非門可以結(jié)成一個與或非門電路3.計算上拉電阻RL在線與輸出端接有其他門電路作為負載的情況下①當(dāng)所有OD門全截至、輸出為高電平時，OD門輸出端MOS管截止時的漏電流（IOH）和負載門的高電平輸入電流（IIH）全部流過RL并產(chǎn)生壓降。3.計算RL②當(dāng)輸出為低電平、且OD門中只有一個門的輸出MOS管導(dǎo)通時，負載電流將全部流入這個導(dǎo)通管。為保證電路正常工作，負載電流大小不能超過MOS管允許的最大電流IOL(max)。三、CMOS傳輸門1、CMOS傳輸門控制信號T1、T2的源極和漏極在結(jié)構(gòu)上是完全對稱的當(dāng)傳輸門的一端接VI(+)，另一端接RL時，設(shè)控制信號C和C'的高電平和低電平分別為VDD和0V，①若C=0、C’=1，只要輸入信號的變化范圍不超過0～VDD，

T1、T2同時截止，輸入與輸出之間呈現(xiàn)高阻態(tài)（>109Ω），

傳輸門截止；設(shè)控制信號C和C'的高電平和低電平分別為VDD和0V，②若C=1、C’=0，當(dāng)時，T1導(dǎo)通；當(dāng)時，T2導(dǎo)通；則當(dāng)在0～VDD內(nèi)變化時，T1和T2至少有一個導(dǎo)通，輸出呈現(xiàn)低阻態(tài)（<1kΩ），傳輸門導(dǎo)通，vo≈vI。2、CMOS傳輸門的應(yīng)用CMOS傳輸門和CMOS反相器可組合成各種復(fù)雜的邏輯電路。作為雙向模擬開關(guān)*——用來傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號。當(dāng)C=0時，開關(guān)被切斷，vO=0；當(dāng)C=1時，開關(guān)接通，四、三態(tài)輸出門——輸出緩沖器三態(tài)控制端三態(tài)門的用途

①連接成總線結(jié)構(gòu)；②實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸。3.3.6CMOS電路的正確使用輸入電路的靜電防護；

原因：

①保護電路中的二極管和限流電阻承受的靜電電壓和脈沖功率均有一定的限度；

②儲存、運輸、組裝和調(diào)試過程中，難免會接觸到某些帶靜電高壓的物體。

措施：①在儲存和運輸時不要使用易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝，最好用金屬屏蔽層作包裝材料。②組裝、調(diào)試時，應(yīng)使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺臺面等良好接地。③不用的輸入端不應(yīng)懸空。3.3.6CMOS電路的正確使用輸入電路的過流防護；

原因：保護電路中的鉗位二極管電流容量有限，一般為1mA。

措施：①輸入端接低內(nèi)阻信號源時，應(yīng)在輸入端與信號源間串進保護電阻；②輸入端接有大電容時，亦應(yīng)在輸入端與電容間介入保護電阻；③輸入端接長線時，應(yīng)在門電路的輸入端接入保護電阻。3.3.6CMOS電路的正確使用鎖定效應(yīng)（Latch-Up）的防護；

原因：特有的問題，結(jié)構(gòu)引起寄生三極管效應(yīng)。

措施：①在輸入/出端設(shè)置鉗位電路，保證vI和vO不超過限定范圍。②當(dāng)VDD可能出現(xiàn)瞬時高壓時，在CMOS門電路的電源輸入端加去耦電路。③當(dāng)系統(tǒng)由幾個電源分別供電時，各電源的開、關(guān)順序必須合理。3.5TTL門電路

3.5.1雙極型三極管的開關(guān)特性一、雙極型三極管(BJT,BipolarJunctionTransistor)的結(jié)構(gòu)管芯+三個引出電極+外殼基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜以NPN為例說明工作原理：1.發(fā)射結(jié)加正向電壓，擴散運動形成發(fā)射極電流IE；2.擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運動形成基極電流IB；3.集電結(jié)加反向電壓，漂移運動形成集電極電流IC。

三極管工作在放大狀態(tài)的條件：發(fā)射結(jié)正向偏置且集電結(jié)反向偏置。二、三極管的輸入特性和輸出特性1、三極管的輸入特性曲線（NPN）開啟電壓硅管：0.5~0.7V鍺管：0.2~0.3V通過折線可近似認為:基極外加電阻2、三極管的輸出特性①截止區(qū)：條件VBE<0.7V,iB=0,iC=ICEO,c-e間“斷開”。②放大區(qū)：條件VBE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比變化，ΔiC=βΔiB。③飽和區(qū)：條件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC隨ΔiB增加變緩，趨于“飽和”。0.7三、雙極型三極管的基本開關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導(dǎo)通，VO=VOL工作狀態(tài)分析：圖解分析法：四、三極管的開關(guān)等效電路截止?fàn)顟B(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)五、雙極型三極管的動態(tài)開關(guān)特性從二極管已知，PN結(jié)存在電容效應(yīng)。在飽和與截止兩個狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。六、三極管反相器三極管的基本開關(guān)電路就是非門。實際應(yīng)用中，為保證VI=VIL時T可靠截止，常在輸入接入負壓。參數(shù)合理？VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T截止，VO=VOL例3.5.1：計算參數(shù)設(shè)計是否合理3.3KΩ10KΩ1KΩ5V-8Vβ=20VCE(sat)=0.1VVIH=5VVIL=0V①將發(fā)射極外接電路化為等效的VB與RB電路戴維南定理②當(dāng)③當(dāng)④又⑤因此，參數(shù)設(shè)計合理。一、電路結(jié)構(gòu)設(shè)①

3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)設(shè)②

3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理二、電壓傳輸特性vI<0.6V0.7V<vI<1.3V閾值電壓需要說明的幾個問題：①T2的輸出Vc2和Ve2變化方向相反，故稱倒相級；②輸出端在穩(wěn)態(tài)下，T4和T5總有一個導(dǎo)通、一個截止，有效地降低了靜態(tài)功耗并提高驅(qū)動負載的能力，稱為推拉式（pull-pull）；③D1抑制負極性干擾脈沖，D2確保T5飽和導(dǎo)通時T4可靠截止。三、輸入噪聲容限3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性iI二、輸出特性VO=VOH二、輸出特性VO=VOL例：扇出系數(shù)（Fan-out），

試計算門G1能驅(qū)動多少個同樣的門電路負載。三、輸入端負載特性Rp越大，vi越高1.4開門電阻RON(1KΩ左右）其中：R1為T1基極電阻。3.5.4TTL反相器的動態(tài)特性一、傳輸延遲時間1、現(xiàn)象74系列門電路:T5導(dǎo)通時處于深度飽和狀態(tài)，因此二、交流噪聲容限當(dāng)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。（b）負脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限（大于直流噪聲容限）三、電源的動態(tài)尖峰電流1.兩種靜態(tài)下的電源負載電流不等。空載條件下：

2、動態(tài)尖峰電流輸出電平由低跳變到高的時候，T5處于深度飽和狀態(tài)，T4的導(dǎo)通會先于T5的截止，因此會出現(xiàn)短時間的T4和T5同時導(dǎo)通的狀態(tài)，產(chǎn)生很大的瞬態(tài)電流。3.5.5其他類型的TTL門電路一、其他邏輯功能的門電路1.與非門多發(fā)射極三極管

2、或非門3、與或非門4、異或門T6和T7中有一個基極電平為高時，都能使T8止，T9導(dǎo)通二、集電極開路的門電路1、推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性①輸出端無法并聯(lián)接成線與結(jié)構(gòu)；當(dāng)兩個門輸出端分別為高電平和低電平時，并聯(lián)后會有很大的負載電流流過兩個門的輸出級，會造成損壞。②輸出電平不可調(diào)；一旦電源確定，輸出高電平就固定了。③負載能力不強，不能滿足驅(qū)動較大電流及較高電壓負載的要求。OC門2、OC門的結(jié)構(gòu)特點OC門實現(xiàn)的線與3、外接負載電阻RL的計算﹤?cè)?、三態(tài)輸出門（ThreestateOutput