數(shù)字電子技術(shù) 第三章 門電路

第三章門電路本次課主要內(nèi)容概述半導(dǎo)體二極管門電路CMOS門電路CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

CMOS反相器的輸入輸出特性其他類型CMOS門電路數(shù)字電子技術(shù)3.1概述門電路：實(shí)現(xiàn)基本運(yùn)算、復(fù)合運(yùn)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(tài)的1/0功能：實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元電路。門電路按工藝分為兩大系列：TTL，CMOS按功能分：與、或、非與非、或非、與或非、異或…3.1概述74LS00引腳配置及DIP封裝外形圖常用門電路芯片型號(hào)及引腳圖

74LS002輸入四與非門TTL門電路常用門電路芯片型號(hào)及引腳圖

六反向器74HC04CMOS門電路獲得高、低電平的基本原理高/低電平都允許有一定的變化范圍正邏輯：高電平表示1，低電平表示0

負(fù)邏輯：高電平表示0，低電平表示1

數(shù)字集成電路按規(guī)模分類集成電路按規(guī)模分類集成度：每塊集成電路芯片中包含的元器件數(shù)目。小規(guī)模集成電路(SmallScaleIC，SSI)中規(guī)模集成電路(MediumScaleIC，MSI)大規(guī)模集成電路(LargeScaleIC，LSI)超大規(guī)模集成電路(VeryLargeScaleIC，VLSI)特大規(guī)模集成電路(UltraLargeScaleIC，ULSI)巨大規(guī)模集成電路(GiganticScaleIC，GSI）劃分集成電路規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字集成電路類

別MOSIC雙極IC模擬集成電路SSI＜10

2＜100＜30MSI10

2～10

3100～50030～100LSI10

3～10

5500～2000100～300VLSI10

5～10

7＞2000＞300ULSI10

7～10

9GSI＞10

93.2半導(dǎo)體二極管門電路

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和外特性

（Diode）二極管的結(jié)構(gòu)：

PN結(jié)+引線+封裝構(gòu)成PN3.2.1二極管的開關(guān)特性：高電平：VIH=VCC低電平：VIL=0VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V二極管的開關(guān)等效電路：二極管的動(dòng)態(tài)電流波形：3.2.2二極管與門設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111規(guī)定3V以上為10.7V以下為03.2.3二極管或門設(shè)VCC=5V加到A,B的VIH=3VVIL=0V二極管導(dǎo)通時(shí)VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111規(guī)定2.3V以上為10V以下為0二極管構(gòu)成的門電路的缺點(diǎn)電平有偏移帶負(fù)載能力差只用于IC內(nèi)部電路3.3CMOS門電路

3.3.1MOS管的開關(guān)特性一、MOS管的結(jié)構(gòu)S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)以N溝道增強(qiáng)型為例：以N溝道增強(qiáng)型為例：當(dāng)加+VDS時(shí)，VGS=0時(shí)，D-S間是兩個(gè)背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導(dǎo)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(jìn)去有一個(gè)輸入電容CI，對(duì)動(dòng)態(tài)有影響。輸出特性：

iD=f(VDS)對(duì)應(yīng)不同的VGS下得一族曲線。漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）恒流區(qū)：iD

基本上由VGS決定，與VDS關(guān)系不大漏極特性曲線（分三個(gè)區(qū)域）

可變電阻區(qū)：當(dāng)VDS較低（近似為0），VGS一定時(shí)，

這個(gè)電阻受VGS控制、可變。三、MOS管的基本開關(guān)電路四、等效電路OFF，截止?fàn)顟B(tài)

ON，導(dǎo)通狀態(tài)五、MOS管的四種類型增強(qiáng)型耗盡型大量正離子導(dǎo)電溝道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)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)二、電壓、電流傳輸特性三、輸入噪聲容限結(jié)論：可以通過(guò)提高VDD來(lái)提高噪聲容限3.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入和輸出特性一、輸入特性二、輸出特性二、輸出特性3.3.4CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間二、交流噪聲容限三、動(dòng)態(tài)功耗三、動(dòng)態(tài)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1.與非門(a)輸入均為高電平(b)輸入中有一個(gè)高電平(c)輸入均為低電平3.3.5其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路2.或非門帶緩沖極的CMOS門1、與非門帶緩沖極的CMOS門2.解決方法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(a)輸入均為高電平(b)輸入中有一個(gè)高電平(c)輸入均為低電平3.3.5其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路2.或非門帶緩沖極的CMOS門1、與非門帶緩沖極的CMOS門2.解決方法二、漏極開路的門電路（OD門）

2.實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

VOABRP+12V實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換二、漏極開路的門電路（OD門）

二、漏極開路的門電路（OD門）

3.用做驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管ABRP+5V上拉電阻RL的計(jì)算方法上拉電阻RL的計(jì)算上拉電阻RL的計(jì)算例圖示電路中，已知G1、G2、G3為OD輸出的與非門74HC03，輸出高電平時(shí)的漏電流最大值為IOH(max)=5μA，輸出低電平為VOL(max)=0.33V時(shí)允許的最大負(fù)載電流為IOL(max)=5.2mA。負(fù)載門G4~G6為74HC00，它的高電平輸入電流最大值IIH(max)和低電平輸入電流最大值IIL(max)均為1μA。若VDD=5V，要求VOH≥4.4V、VOL≤0.33V，試求RL取值的允許范圍。解：三、CMOS傳輸門及雙向模擬開關(guān)1.傳輸門2.雙向模擬開關(guān)四、三態(tài)輸出門三態(tài)門的用途3.3.6CMOS電路的正確使用一、輸入電路的靜電防護(hù)1.在儲(chǔ)存和運(yùn)輸CMOS器件時(shí)避免使用易產(chǎn)生靜電的化工材料和化纖織物包裝，最好采用金屬屏蔽層作包裝材料。2.組裝、調(diào)試時(shí)，應(yīng)使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺(tái)臺(tái)面等良好接地。操作人員的服裝和手套等應(yīng)選用無(wú)靜電的原料制作。3.不用的輸入端不應(yīng)懸空。3.3.6CMOS電路的正確使用二、輸入電路的過(guò)流保護(hù)1.輸入端接低內(nèi)阻信號(hào)源時(shí)，應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間串進(jìn)保護(hù)電阻，保證輸入保護(hù)電路中的二極管導(dǎo)通時(shí)電流不超過(guò)1mA。2.輸入端接有大電容時(shí)，亦應(yīng)在輸入端與電容之間接入保護(hù)電阻。3.輸入端接長(zhǎng)線時(shí)，應(yīng)在門電路的輸入端接入保護(hù)電阻RP。雙極型三極管的開關(guān)特性 （BJT,BipolarJunctionTransistor）3.5TTL門電路

3.5.1半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性晶體管的三種工作狀態(tài)雙極型三極管的基本開關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL三極管反相器三極管的基本開關(guān)電路就是非門

參數(shù)合理？VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T截止，VO=VOL3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)設(shè)

需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題：

二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性三、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輸入特性輸出特性3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性

例：扇出系數(shù)（Fan-out），試計(jì)算門G1能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門電路負(fù)載。輸入端負(fù)載特性3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間1、現(xiàn)象二、交流噪聲容限（b）負(fù)脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限

當(dāng)輸入信號(hào)為窄脈沖，且接近于tpd時(shí)，輸出變化跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。3.5.5其他類型的TTL門電路（*自學(xué)）一、其他邏輯功能的門電路1.與非門2.或非門3.與或非門4.異或門二、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輸出電平不可調(diào)②負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯(lián)使用

OC門2、OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)OC門實(shí)現(xiàn)的線與三、三態(tài)輸出門（ThreestateOutputGate,TS）三態(tài)門的用途一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）電路的改進(jìn)(1)輸出級(jí)采用復(fù)合管（減小輸出電阻Ro）(2)減少各電阻值2.性能特點(diǎn)速度提高的同時(shí)功耗也增加3.5.6TTL數(shù)字集成電路的各種系列

（改進(jìn)指標(biāo)：)二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）電路改進(jìn)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(diǎn)速度進(jìn)一步提高，電壓傳輸特性沒(méi)有線性區(qū)，功耗增大三、低功耗肖特基系列

74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）四、74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）···3.6其他類型的雙極型數(shù)字集成電路*DTL：輸入為二極管門電路，速度低，已經(jīng)不用HTL：電源電壓高，Vth高，抗干擾性好，已被CMOS替代ECL：非飽和邏輯，速度快，用于高速系統(tǒng)I2L：屬飽和邏輯，電路簡(jiǎn)單，用于LSI內(nèi)部電路···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(a)輸入均為高電平(b)輸入中有一個(gè)高電平(c)輸入均為低電平3.3.5其他類型的CMOS門電路一、其他邏輯功能的門電路2.或非門帶緩沖極的CMOS門1、與非門帶緩沖極的CMOS門2.解決方法二、漏極開路的門電路（OD門）

2.實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換

VOABRP+12V實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換二、漏極開路的門電路（OD門）

二、漏極開路的門電路（OD門）

3.用做驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管ABRP+5V上拉電阻RL的計(jì)算方法上拉電阻RL的計(jì)算上拉電阻RL的計(jì)算例圖示電路中，已知G1、G2、G3為OD輸出的與非門74HC03，輸出高電平時(shí)的漏電流最大值為IOH(max)=5μA，輸出低電平為VOL(max)=0.33V時(shí)允許的最大負(fù)載電流為IOL(max)=5.2mA。負(fù)載門G4~G6為74HC00，它的高電平輸入電流最大值IIH(max)和低電平輸入電流最大值IIL(max)均為1μA。若VDD=5V，要求VOH≥4.4V、VOL≤0.33V，試求RL取值的允許范圍。解：三、CMOS傳輸門及雙向模擬開關(guān)1.傳輸門2.雙向模擬開關(guān)四、三態(tài)輸出門三態(tài)門的用途3.3.6CMOS電路的正確使用一、輸入電路的靜電防護(hù)1.在儲(chǔ)存和運(yùn)輸CMOS器件時(shí)避免使用易產(chǎn)生靜電的化工材料和化纖織物包裝，最好采用金屬屏蔽層作包裝材料。2.組裝、調(diào)試時(shí)，應(yīng)使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺(tái)臺(tái)面等良好接地。操作人員的服裝和手套等應(yīng)選用無(wú)靜電的原料制作。3.不用的輸入端不應(yīng)懸空。3.3.6CMOS電路的正確使用二、輸入電路的過(guò)流保護(hù)1.輸入端接低內(nèi)阻信號(hào)源時(shí)，應(yīng)在輸入端與信號(hào)源之間串進(jìn)保護(hù)電阻，保證輸入保護(hù)電路中的二極管導(dǎo)通時(shí)電流不超過(guò)1mA。2.輸入端接有大電容時(shí)，亦應(yīng)在輸入端與電容之間接入保護(hù)電阻。3.輸入端接長(zhǎng)線時(shí)，應(yīng)在門電路的輸入端接入保護(hù)電阻RP。雙極型三極管的開關(guān)特性 （BJT,BipolarJunctionTransistor）3.5TTL門電路

3.5.1半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性晶體管的三種工作狀態(tài)雙極型三極管的基本開關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T導(dǎo)通，VO=VOL三極管反相器三極管的基本開關(guān)電路就是非門

參數(shù)合理？VI=VIL時(shí)，T截止，VO=VOHVI=VIH時(shí)，T截止，VO=VOL3.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)設(shè)

需要說(shuō)明的幾個(gè)問(wèn)題：

二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性三、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輸入特性輸出特性3.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性

例：扇出系數(shù)（Fan-out），試計(jì)算門G1能驅(qū)動(dòng)多少個(gè)同樣的門電路負(fù)載。輸入端負(fù)載特性3.5.4TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間1、現(xiàn)象二、交流噪聲容限（b）負(fù)脈沖噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限

當(dāng)輸入信號(hào)為窄脈沖，且接近于tpd時(shí)，輸出變化跟不上，變化很小，因此交流噪聲容限遠(yuǎn)大于直流噪聲容限。3.5.5其他類型的TTL門電路（*自學(xué)）一、其他邏輯功能的門電路1.與非門2.或非門3.與或非門4.異或門二、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輸出電平不可調(diào)②負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出③輸出端不能并聯(lián)使用

OC門2、OC門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)OC門實(shí)現(xiàn)的線與三、三態(tài)輸出門（ThreestateOutputGate,TS）三態(tài)門的用途一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）電路的改進(jìn)(1)輸出級(jí)采用復(fù)合管（減小輸出電阻Ro）(2)減少各電阻值2.性能特點(diǎn)速度提高的同時(shí)功耗也增加3.5.6TTL數(shù)字集成電路的各種系列

（改進(jìn)指標(biāo)：)二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）電路改進(jìn)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(diǎn)速度進(jìn)一步提高，電壓傳輸特性沒(méi)有線性區(qū)，功耗增大三、低功耗肖特基系列

74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）四、74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）···3.6其他類型的雙極型數(shù)字集成電路*DTL：輸入為二極管門電路，速度低，已經(jīng)不用HTL：電源電壓高，Vth高，抗干擾性好，已被CMOS替代ECL：非飽和邏輯，速度快，用于高速系統(tǒng)I2L：屬飽和邏輯，電路簡(jiǎn)單，用于LSI內(nèi)部電路···數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)二

數(shù)據(jù)選擇器電路、全加器電路和信號(hào)選擇電路實(shí)驗(yàn)74LS151芯片說(shuō)明數(shù)據(jù)選擇器電路輸入部分：給電路的地址端加入地址信號(hào)。接入數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱的撥碼開關(guān)輸出部分：將輸出部分接至數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)箱的LED燈，以觀察地址對(duì)輸入信號(hào)的選擇結(jié)果。74LS153芯片說(shuō)明全加器電路74L