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第二章 门电路

第二章 门电路. 第二章 门电路. 2.1 概述 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性 2.3 最简单的与、或、非门电路 2.4 TTL 门电路 ***** 2.5 其他类型的双极型数字集成电路 2.6 CMOS 门电路 2.7 其他类型的 MOS 集成电路 2.8 TTL 电路与 CMOS 电路的接口. 2.1 概述. 用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路。 基本逻辑门电路 与门、或门、非门 常用门电路 与门、或门、非门 与非门、或非门、与或非门、异或、同或

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第二章 门电路

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  1. 第二章 门电路

  2. 第二章 门电路 • 2.1 概述 • 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性 • 2.3 最简单的与、或、非门电路 • 2.4 TTL门电路 ***** • 2.5 其他类型的双极型数字集成电路 • 2.6 CMOS门电路 • 2.7 其他类型的MOS集成电路 • 2.8 TTL电路与CMOS电路的接口

  3. 2.1 概述 • 用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称为门电路。 • 基本逻辑门电路 • 与门、或门、非门 • 常用门电路 • 与门、或门、非门 • 与非门、或非门、与或非门、异或、同或 • 在电子电路中，用高、低电平分别表示1和0两种逻辑状态。

  4. 一、正逻辑与负逻辑 正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0 负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0 正负逻辑之间存在着简单的对偶关系，例如正逻辑与门等同于负逻辑或门等。 用正逻辑 用负逻辑 负或门 正与门

  5. 在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管,电源电压是正值，一般采用正逻辑。在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管,电源电压是正值，一般采用正逻辑。 • 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。 • 今后除非特别说明，一律采用正逻辑。 • 逻辑电平高电平VH：大于给定电平值的电压范围（2V～5V） 输入高电平VIH输出高电平VOH • 低电平VL：小于给定电平值的电压范围（0V～0.8V） 输入低电平VIL输出低电平VOL

  6. 5V 2V 5V 2V 1 0 0.8V 0V 0.8V 0V 1 0 正逻辑 负逻辑 高电平和低电平都是对应的一段电压范围，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。

  7. I VCC I S S V VO V VI S 理想开关： 获得高、低输出电平 的原理图如下： 开关闭合时：R=0 V=0 开关断开时：R=∞ I=0 开关时间：Δt=0 实际使用的开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件。 这些电子器件作为开关使用时，也是从这三个方面讨论其开关特性。 VI控制开关S的断、通情况。 S断开，VO为高电平； S接通，VO为低电平。

  8. i 正向导通 v 反向截止 Vcc 反向击穿 VON R D VI Vo 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性 一、二极管符号 2.2.1 半导体二极管开关特性 伏安特性 开关电路 二极管特性：单向导电性 在数字电路中，使用二极管的正向导通区（开关闭合）和反向截止区（开关断开） S

  9. 二、二极管等效电路 应用于二极管外电路电阻R值与其动态rD 电阻等量级场合 应用于二极管电路输入电压 V正向峰值VPP>>VON，且R>>rD 的场合 应用于二极管电路输入电压V正向幅值与VON差别不大，且R>>rD的场合，数字电路属于此类

  10. VON I S I=0 S V 二极管开关特性 • 导通条件及特点 • 条件：VD>0.7V • 特点：相当于0.7V压降的闭合开关 截止条件及特点 条件：VD<0.5V 特点：ID=0，相当于 完全断开的开关 二极管相当于一个受外加电压控制的开关。 开关时间 Δt >0

  11. v t o i t o 二极管的动态电流波形： 原因： 二极管的电容效应 反向恢复时间

  12. V cc R D V I V o S 二极管开关电路如下图所示： 假定：VIH=VCC=5V,VIL=0V 二极管D的正向导通电阻为0，反向电阻为 （在数字电路中，为便于分析，VON取值：硅管0.7V，锗管0.3V） 则: 当VI=VIH 时，D 截止，ID=0, Vo=VCC=5V=VOH VI=VIL时，D导通，VD=VON, VO=VON=0.7V=VOL

  13. 集电极 c 集电极 c c c N P 基极 b 基极 b b b P N e e P N e 发射极 e 发射极 2.2.2、半导体三极管开关特性 • 一、双极型三极管的开关特性 • 1. 双极型三极管的结构和符号： Ic=βIb Ie=Ic+Ib

  14. +Vcc RC Vo RB Vi 2. 输入特性和输出特性： 输入特性 • Vce=0V时，等效为2个正向二极管的并联 • Vce>0V时，若Vbe一定，则发射电子能力一定，而集电极又有一定的电子收集能力，因此Ib必减小

  15. c b e 输出特性 截止区：一般地，Vbe<0.5V时即认为三极管截止 两个PN结反偏，Ib0A，Ic0A 放大区： Vbe>VON， Vbc<0；发射结正偏，集电结反偏；Ic=βIb，Ie=Ic+Ib 饱和区：Vbe>VON， Vbc>VON，发射结、集电结均正向偏置；由于RC的存在，IC越大，VRC也越大，Vce减小，Vce减小到一定值后， IC基本不变。Ic<βIb 倒置状态（反偏状态）：发射结加反向电压；集电结加正向电压。即c、e互换，Ie=βIb， Ic=Ie+Ib,但是β=0.01～0.02

  16. b c Vi Vo e t t b c 0.7V 0.3V e 3. 三极管的开关特性： 截止条件及特点 条件：VBE<0.5V 特点：Ib=0，Ic=0，相当于完全断开的开关 • 饱和导通条件及特点 • 条件：VBE≥0.7V ， • IB>Ics/β=IBS • 特点：VBE= 0.7V, VCES=0.3V相当于两个闭合开关 开关时间 Δt >0

  17. +V CC Rc IC VO c 3 Rb b 1 T 2 + e IB V I £­ • 三极管开关电路： 设输入电压VIH=5V， VIL=0V，VCC=5V，RC=1KΩ，Rb=3.3kΩ，三极管的Vbe=0.7V, Vces=0.3V，β=20，试计算输入高低电平时对应的输出电平。 1.VI=VIH=5V时 假设三极管饱和导通，则有： Vbe=0.7V, Vces=0.3V IB＞IBS ∴三极管饱和导通

  18. +V CC Rc IC VO c 3 Rb b 1 T 2 + e IB V I £­ 这是一个非门电路 2.VI=VIL=0V时 Vbe=0V-0V=0V<0.5V ∴三极管截止， IB=0，IC=0 VO=VCC-ICRC=VCC=5V 总结： VI=VIH=5V时，三极管饱和导通 V0=Vces=0.3V VI=VIL=0V时，三极管截止 V0=Vcc=5V

  19. +VCC=12V R C 10kΩ R b 3 + 1 T 2 V + 100kΩ O V I - £­ 例：电路及参数如图所示，设输入电压VI=3V，三极管的Vbe=0.7V，Vces≈0.1V （1）若β＝60，试判断三极管是否饱和，并求出输出VO的值。 解： 根据饱和条件IB＞IBS解题。 因为VI=3V，所以三极管必定导通 IB＞IBS ∴三极管饱和。 三极管刚刚饱和

  20. +VCC=12V R C 6.8kΩ R b 3 + 1 T 2 V + 100kΩ O V I - £­ （2）将RC改为6.8kW，重复以上计算。 IB＜IBS ∴三极管处在放大状态。 （3）将RC改为6.8kW，再将Rb改为6kW，重复以上计算。 IB＞IBS ∴三极管饱和。 深度饱和 ， IB/IBS叫做三极管饱和深度

  21. +VCC=12V R C 10kΩ R b 3 + 1 T 2 V + 100kΩ O V I - £­ 由上例可见，Rb、RC、β等参数都能决定三极管是否饱和。 该电路的饱和条件可写为： > 即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，Rb越小，β越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。

  22. 漏极 栅极 衬底 源极 二、 MOS管的开关特性 1、MOS管的结构 MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。 （Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） N沟道增强型场效应管(NMOS) IG=0，ri=∞

  23. D D G RON G C1 C 1 S S • 所以，场效应管可以看成是一个由电压VGS控制的开关 • 形成导电沟道时的电压VGS叫做开启电压，用VGS(th)表示，也可以表示为VTN。 • 这种类型的场效应管叫做N沟道增强型场效应管。 • N沟道增强型场效应管的开关特性： 截止条件： VGS<VGS(th) 特点：内阻ROFF=∞，ID≈0相当于一个断开的开关 导通条件： VGS>VGS(th) 特点：导通内阻RON<1KΩ相当于一个闭合开关 C1代表栅极的输入电容。约为几皮法。

  24. N沟道耗尽型场效应管(NMOS)

  25. P沟道增强型场效应管(PMOS) 截止条件： |VGS |<|VGS(th) | 特点：内阻ROFF=∞，ID≈0相当于一个断开的开关 导通条件：| VGS|>|VGS(th) | 特点：导通内阻RON<1KΩ相当于一个闭合开关

  26. P沟道耗尽型场效应管(PMOS)

  27. MOS管的基本开关电路 目前，采用MOS管的逻辑集成电路主要有三类：以N沟道增强型管构成的NMOS电路，以P沟道增强型管构成的PMOS电路以及用PMOS和NMOS两种管子构成互补的CMOS电路。 NMOS反相器 设：VDD=12V,VTN=2V,VIL=0V,VIH=12V 当Vi=ViL时，VGS=ViL<VTN，MOS管处于截止状态，iD=0,输出VO=VDD=VOH 当Vi=ViH时，VGS=ViH>VT，MOS管处于导通状态，合理选择VDD和RD，使输出VO=VOL

  28. VDD Tp Vi Vo TN 为得到足够低的VOL，要求RD很大，在实际电路中，常用另一个MOS管来做负载。 CMOS反向器： 由N沟道增强型MOS和P沟道增强型MOS互补而成。 设VDD＞（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|=2V,VDD=12V 当Vi=0V时， VGSN=0V-0V=0V<VTN，TN截止，ID=0；VGSP=0V-12V=-12V,TP导通 输出VO=VDD-IDRON=12V。 当Vi=12V时, VGSN=12V-0V=12V>VTN，TN导通， VGSP=12V-12V=0V,TP截止,ID=0; 输出VO=IDRON=0V。

  29. VCC=+5V R 3kΩ 3V D1 A Y 0V D2 B & A Y=A·B B 2.3 最简单的与、或、非门电路 电压功能表 2.3.1二极管与门 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V 真值表 0 0 0 1

  30. D 1 A Y D 2 B R 3kΩ 3V 0V ≥1 A Y=A+B B 2.3.2 二极管或门 电压功能表 0V 2.3V 2.3V 2.3V 真值表 0 1 1 1

  31. Vcc=+5V Vcc=+5V R R 3kΩ 3kΩ D1 D1 0.7V 1.4V 0V Y D2 D2 3V 3V 二极管与门和或门电路的缺点： （1）由于二极管存在导通压降，在多个门串接使用时，会出现输出信号高、低电平的偏移。 （2）负载能力差

  32. +Vcc Rc IC VO c Rb 3 b 1 T 2 + e IB Vi ­ 1 1 A A Y=A Y=A 2.3.3 三极管非门电路 电压功能表 真值表 符号

  33. +Vcc Rc IC Y IB c VO 3 R1 A 1 T I1 b 2 VI e R2 I2 VEE 三极管非门电路： 设输入电压VIH=5V， VIL=0V，VCC=5V，VEE=-8V,RC=1KΩ，R1=3.3kΩ， R2=10kΩ，三极管的Vbe=0.7V, Vces=0.1V，β=20，试计算输入高低电平时对应的输出电平。 1.VI=VIH=5V时 假设三极管饱和导通，则有： Vbe=0.7V, Vces=0.1V IB＞IBS ∴三极管饱和导通

  34. +Vcc Rc IC Y IB c VO 3 R1 A 1 T I1 b 2 VI e R2 I2 VEE 1 A Y=A 2.VI=VIL=0V时 假设T截止，则IB=0,IC=0 所以T 截止成立 IB=0，IC=0 VO=VCC-ICRC=VCC=5V

  35. DTL与非门电路 工作原理： （1）当A、B、C全接高电平5V时，二极管D1～D3都截止，而D4、D5和T导通，且T为饱和导通， VL=0.3V，即输出低电平。 （2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP≈1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。 所以该电路满足与非逻辑关系，即：

  36. 2.4 TTL门电路 数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。 TTL型电路：输入端和输出端都采用了三极管结构，称之为: 三极管--三极管逻辑电路（Transistor— Transistor Logic），简称为TTL电路。 按照集成度的高低，将集成电路分为以下几类： 小规模集成电路：100个以下(元件和连线）( Small Scale Integration :SSI ) 中规模集成电路：几百个（Medium Scale Integration :MSI ) 大规模集成电路：几千个（ Large Scale Integration :LSI) 超大规模集成电路：一万个以上（Very Large Scale Integration VLSI）

  37. Vcc= + 5v R2 R4 130Ω 1.6kΩ R1 4kΩ 3 1 VC2 T4 2 1 3.4V 3 A D2 3 1 T2 2 T1 Y (VI) D1 (Vo) 3 V e2 1 0.2V T5 2 R3 1kΩ 输出级 输入级 中间级 2.4.1 TTL反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构：以74系列TTL反相器的典型电路为例 其中，D1是输入端钳位二极管，它既可以抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，又可以防止输入电压为负时T1的发射极电流过大，起到保护作用，正常工作时， D1不起作用

  38. Vcc= + 5v R2 R4 130Ω 1.6kΩ R1 3 4kΩ 1 VC2 T4 2 1 3 A D2 3 1 T2 2 T1 Y (VI) (Vo) 3 V e2 1 T5 2 R3 1kΩ • 工作原理： 1、V1=0.2V时 T1能够导通，VB1=0.2+0.7=0.9V 4.8V 0.9V 0.2V 0.2V T1深度饱和，VCES1≈0V T2、T5截止，→IB2=IC2≈0 VR2≈0.2V,VB4≈5V-0.2V=4.8V →T4、D2导通 VO=VCC-VR2-VBE4-VD2=5-0.2-0.7-0.7=3.4(V)

  39. Vcc= + 5v R2 R4 130Ω 1.6kΩ R1 4kΩ 3 1 VC2 T4 2 1 3 A D2 3 1 T2 2 T1 Y (VI) (Vo) 3 V e2 1 T5 2 R3 1kΩ 2、V1=3.4V时 VB1=3.4V+0.7V=4.1V(不考虑T2、T5) 显然，由于T2、T5的存在和PN结(VBE) 的钳位作用， T2、T5导通，VB1=2.1V，VC1=1.4V，VE1=3.4V →T1管倒置 1V 2.1V 1.4V 3.4V 假设T2饱和导通 则VCES2≤0.3V，VC2=0.3+0.7=1V 0.7V < T2饱和导通 T2饱和导通→VC2=1V， →VB4=1V →T4、D2截止 IC5=0， →T5深度饱和→VO=VCES5=0.1V

  40. 1 A Y=A 总结： V1=0.2V时：VO=3.4(V) V1=3.4V时：VO=0.1V 工作特点：输出级在稳定状态下T4和T5总是一个导通而另一个截止，所以，TTL非门电路静态功耗低、驱动负载的能力强。

  41. Vcc= + 5v R2 R4 130Ω 1.6kΩ R1 3 4kΩ 1 VC2 T4 2 4.8V 1.0V 4.8V 1 2.1V 1.4V 0.9V 3 A D2 3 1 T2 2 T1 0.7V 1.4V 0.2V Y (VI) (Vo) 3 V 0.7V 1.4V 0.2V e2 VO 1 T5 2 R3 1kΩ 3 2 1 VI 0 1 2 3 三、电压传输特性： ⑴AB段: 当Vi<0.7V时，Vb2<0.7V，T2和T5管截止，T4导通，输出为高电平VoH=Vcc－VR2－Vd2－Vbe4 3.4V，故AB段称为截止区 ⑵BC段: 当0.7<Vi<1.3V时，T2管的发射极电阻R3直接接地，故T2管开始导通并处于放大状态，所以Vc2和Vo随Vi的增高而线性地降低。但T5管仍截止。故BC段称为线性区。 A B C

  42. Vcc= + 5v R2 R4 130Ω 1.6kΩ R1 1V 3 4kΩ 2.1V 1 VC2 T4 2 1 1.4V 3 >1.4V A D2 3 1 T2 2 T1 Y (VI) VO 0.7V (Vo) 3 V e2 1 T5 A B 2 R3 3 1kΩ 2 C 1 VI 0 1 2 3 ⑶CD段:当1.3V<Vi<1.4V时， Vb1=2.1V，使T2和T5管均趋于饱和导通，T4管截止，所以Vo急剧下降为低电平，Vo=VoL=0.1V，故称CD段为转折区。 ⑷DE段: Vi大于1.4V以后，Vb1被钳位在2.1V，T2和T5管均饱和，Vo=Vces5=0.1V,故DE段称为饱和区。 D E

  43. 几个重要参数 （1）输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.4V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。 （2）输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。 （3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。规定VIL（max）=0.8V。 （4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。规定VIH（min）=2V。

  44. VOH VO VOH(min) A B 3 VOL（max） 2 C VOL 1 D E VOff VTH VON VI 0 VIL(max) VIH(min) 1 2 3 （5）阈值电压VTH——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。VTH又常被形象化地称为门槛电压。其值为1.3V～1.４V VOH（min）=2.4V VOL（max）=0.4V VIL（max）=VOFF=0.8V VIH（min）=VON=2V VTH≈1.４V

  45. 三、输入端噪声容限 保证输出高、低电平基本不变（在允许的范围内）的条件下，而允许的输入信号的波动范围称为输入端噪声容限 输入低电平噪声容限：VNL=VOff –VOLmax=0.8V-0.4V=0.4V 输入高电平噪声容限：VNH=VOHmin-VON=2.4V-2V=0.4V

  46. +VCC R W 4 k 1 Ii be2 T 1 Vi be5 2.4.2 TTL反相器的静态输入特性和输出特性 为了正确处理门电路之间以及门电路与其他电路之间的连接问题，必须了解门电路的输入特性和输出特性。 一、输入特性： 当Vi<0.6v时，T2和T5管截止，Ii= -IR1, 当Vi=ViL=0.2v时输入低电平电流 IIL 为: VI=0时的输入电流叫做输入短路电流IIS 当VIL增大时，|IIL|随之减小。当Vi大于1.4v以后，Ii转为正方向。当VI=VIH=3.4v时，此时的输入高电平电流IIH约为10A。 IIH叫做输入漏电流，74系列的IIH<40µA

  47. IIH Ii(mA) 0 0.5 1 1.4 Vi(V) -1.0 -1.5 输入特性曲线： IIS 输入短路电流IIS 流出T1，为负值，IIS=-1.1mA 输入低电平电流 IIL=-1mA≈ IIS 输入漏电流IIH流入T1 ，为正值，IIH<40µA

  48. 二、输出特性： 1.低电平输出特性(灌电流) 输出为低电平时，门电路输出端的T5管饱和导通而T4管截止。由于T5管饱和导通时c-e间的电阻很小，所以负载电流iL增加时VOL仅稍有升高。如下图所示，一定范围内基本为线性关系。低电平最大输出电流IL≈16mA

  49. +VCC +VCC R c4 R R b1 b1 T 4K 4K 4 1 1 IIL 截止 D IL IL 截止 输出低电平 1 1 1 IOL T 5 I I = OL C5 饱和 IIL NOL称为输出低电平时的扇出系数。 当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。 当负载门的个数增加时，灌电流增大，VO=N×IL×RON，输出低电平VO升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL产品规定IOL=16mA。由此可得出:IOL=NOL×IIL

  50. 1 1 1 IIH IOH IIH 2.高电平输出特性（拉电流） 一般器件手册所给的高电平最大输出电流IOH0.4mA |IOH|=NOH· IIH NOH称为输出高电平时的扇出系数。 一般NOL≠NOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用N表示。

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