数字电子技术-第二章

1 第 二 章 逻 辑 门 电 路 2 门 电 路 正 、 负 逻 辑 3 逻 辑 门 电 路 ： 用 以 实 现 基 本 逻 辑 运 算 和复 合 逻 辑 运 算 的 单 元 电 路 统 称 为 门 电 路 基 本 和 常 用 门 电 路 有 与 门 、 或 门 、 非 门（ 反 相 器 ） 、 与 非 门 、 或 非 门 、 与 或 非门 和 异 或 门 等 逻 辑 1和 0： 电 子 电 路 中 用 高 、 低 电 平 来表 示 正 、 负 逻 辑 ： 4 获 得 高 、 低 电 平 的 基 本 方 法 ： 利 用 半 导体 开 关 元 件 的 导 通 、 截 止 （ 即 开 、 关 ）两 种 工 作 状 态单 开 关 电 路 互 补 开 关 电 路 5 二 极 管 开 关 等 效 电 路 三 极 管 开 关 等 效 电 路 6 开 关闭 合当 VaVb时 ， D导 通 开 关断 开当 Va Vb时 ,D截 止当 Vb为 高 电 平 VIH时 ， T饱 和当 Vb为 低 电 平 VIL时 ， T截 止 开 关闭 合开 关断 开一 、 二 极 管 开 关 等 效 电 路 （ 理 想 情 况 下 ）二 、 三 极 管 开 关 等 效 电 路 （ 理 想 情 况 下 ）NPN型 7 二 极 管 与 门二 极 管 或 门 三 极 管 非 门其 他 门 电 路 8 一 、 二 极 管 与 门 2. 工 作 原 理 Da Db VYVa Vb0 0 0 3v 3v 03v 3v3. 真 值 表 （ 状 态 表 ） 4. 输 出 函 数 式 Y=AB 5. 逻 辑 符 号 & YA B0 O0 11 0 1 1 Y0001 导 通 导 通导 通 导 通导 通 导 通截 止截 止 0.7V0.7V0.7V3.7vAB1. 电 路 组 成 （ 以 二 输 入 为 例 ） +VCCRAB YDaDb设 ： VCC=5V，VIH=3v,VIL=0v二 极 管 正 向 压 降 0.7V。 9 二 极 管 与 门 的 缺 点 1： 输 入 和 输 出 的 电 平 相 差 一 个 二 极 管 的 导 通 压降 ， 易 使 下 级 电 路 发 生 信 号 高 低 电 平 的 偏 移0.7V 1.4V 2.1V 输 入 低 电 平 0V,经 过 三 极 与 门 的 移 位 ， 使 输 出 的 低 电平 达 到 2.1V。 输 出 和 输 入 电 平 相 差 很 大 ， 会 造 成 逻 辑 功能 紊 乱 。 RR+12V0V R 10 二 极 管 与 门 的 缺 点 2： 输 出 端 对 地 接 上 负 载 电 阻 时 ， 有 时 会 影 响 输出 的 高 电 平 +VCCR1AB YDaDb R2Vcc=5v,R1=10k,R2=0.1K Vy输 出 变 化 ？ ？ Vy=0.5V Da,Db不 导 通 与 门 失 效 11 1。 电 路 组 成 (以 二 输 入 为 例 ) 2。 工 作 原 理Va Vb0 00 3v3v 03v 3v3。 真 值 表 A B0 00 11 01 1 Y0111 4.输 出 函 数 式 Y=A+B5。 逻 辑 符 号截 止 截 止截 止 截 止导 通导 通导 通 导 通Da Db VY2.3v2.3v2.3v YAB 10二 、 二 极 管 或 门 12 二 极 管 或 门 同 样 存 在 着 输 出 电 平 的 偏 移问 题 13-VEE Vcc3. 真 值 表 A01 Y104.输 出 函 数 式 Y = A 5.逻 辑 符 号 1A Y2.工 作 原 理注 ： 为 了 保 证 在 输 入 低 电 平 时 三 极 管 可 靠 截 止 ， 常 将 电 路 接成 上 图 形 式 。 由 于 接 入 了 负 电 源 VEE， 即 使 输 入 低 电 平 信 号 稍大 于 零 ， 也 能 使 三 极 管 的 基 极 为 负 电 位 ， 使 三 极 管 可 靠 截 止 ，输 出 为 高 电 平 。 1。 电 路 原 理 图Ua03v T截 止饱 和 UY0三 、 三 极 管 非 门 14 反 相 器 的 优 点 是 ： 没 有 电 平 偏 移 ， 抗 干扰 能 力 和 带 负 载 能 力 都 比 较 强 。因 此 ： 曾 经 将 二 极 管 门 和 三 极 管 反 相 器 连 接起 来 就 构 成 与 非 门 及 或 非 门 ， 现 在 已 经 不 再采 用 。 15 四 、 其 它 门 电 路一 、 其 它 门 电 路 其 它 门 电 路 有 与 非 门 、 或 非 门 、 同 或 门 、 异 或 门 等 等 。 二 、 门 电 路 的 “ 封 锁 ” 和 “ 打 开 ” 问 题&ABC Y当 C=1时 ， Y=AB.1=AB与 门 打 开 ， 与 功 能 成 立 。当 C=0时 ， Y=AB.0=0与 门 封 锁 ， 与 门 不 能 工 作 。 当 C=1时 ， Y=A+B+1=1或 门 封 锁 ， 或 门 不 能 工 作 。当 C=0时 ， Y=A+B+0=A+B或 门 打 开 ， 或 功 能 成 立 。能 “ 打 开 ” 或 者 “ 封 锁 ” 门 电 路 的 信 号 叫 “ 控 制 信 号 ” 。控 制 信 号 的 输 入 端 叫 “ 控 制 端 ” ， 或 “ 使 能 端 ” 。与 门 、 与 非 门 可 用 “ 0” 封 锁 ， 用 “ 1” 打 开 ； 或 门 、 或 非 门 可 用 “ 1” 封 锁 ， 用 “ 0” 打 开 ； YAB 1 16 TTL反 相 器 （ 非 门 ）TTL反 相 器 的 静 态 输 入 和 输 出 特 性 TTL与 非 门集 电 极 开 路 的 门 电 路 （ OC门 ） 三 态 输 出 门 电 路 TTL的 历 史 17 内 容 概 述集成逻辑门 双 极 型 集 成 逻 辑 门MOS集 成 逻 辑 门按 器 件 类 型 分 PMOSNMOSCMOS按 集 成 度 分 SSI（ 100以 下 个 等 效 门 ）MSI（ 103个 等 效 门 ）LSI （ 104个 等 效 门 ）VLSI（ 104个 以 上 等 效 门 ）TTL、 ECLI2L、 HTL 18 最 初 的 数 字 电 路 状 况 分 立 元 件 制 约 规 模 1961年 ， Robert Noyce（ 罗 伯 特 诺 伊 斯 ） 发 明 了 在 一块 独 立 的 硅 片 上 互 连 晶 体 管 的 工 艺 ， 称 为 命 名 为 IC（ Integrated Circuits） 由 美 国 TEXAS INSTURMENTS公 司 共 享 1964， 德 州 仪 器 推 出 第 一 套 完 整 的 逻 辑 门 集 成 电 路 ，晶 体 管 -晶 体 管 逻 辑 （ Transistor-Transistor Logic） IC 体 积 小 、 重 量 轻 、 可 靠 性 好 ， 取 代 分 立 元 件 由 双 极 型 三 极 管 构 成 的 TTL型 集 成 电 路 功 耗 大 ， 速 度 快 ， 和 COMS对 比 ？ ？ ？TTL的 历 史 19第 一 套 ， 晶 体 管 -晶 体 管 逻 辑 （ Transistor-Transistor Logic） IC 20 21 22 233、 真 值 表 和 逻 辑 符 号 A01 Y10 1、 电 路 结 构 图 输 入 级 倒 相 级 输 出 级2、 工 作 原 理设 Vcc=5V, VIH = 3.4v, VIL = 0.2v, PN结 的 导 通 电 压 为 0.7v。 1A Y2 .1VVA T1发 射 结 VB1 T2 T4 T5 VY0.2V 导 通 0.9v 截 止 导 通 截 止 3.4v3.4V 导 通 4.1v 导 通 截 止 导 通 0.2v?T1集 电 结截 止导 通 T1 T2 T4T5R1 Y+VCCA VB1一 、 TTL非 门 24 电 路 构 成 ： 输入级由 T1、 R1和 D1组成 。 倒相级由 T2和 R2、 R3组成 。 T2管 作 倒 相 运 用 ， 集 电极 和 发 射 极 同 时 输 出 相 位 相反 的 信 号 ， 驱 动 T4、 T5三 极管 。 输出级由 T4、 T5、 D2和 R4组 成 ： T4、 T5在 输 入 信 号 的 作用 下 ， 轮 流 导 通 ， 一 个 导 通 ， 另 一 个 截 止 。 叫 做 推 拉 输 出 级 。 钳位二极管D1作 用 ： 防 止 负 脉 冲 输 入 时 ， 通 过 T1管 发 射极 过 大 ， 起 保 护 作 用 。 25 倒 置 运 用 :当 输 入 接 3.4V时 ： T2饱 和Vb1= Vbc1+ Vbes2 + Vbes5 = 0.7 + 0.7+0.7 = 2.1VVe1=3.4VVc1= Vbes2 + Vbes5 =1.4VVb1 Vc1 T1管 集 电 结 正 偏 为 倒 置 放 大 状 态T1管 把 集 电 极 当 作 发 射 极 ， 发 射 极 当 作 集 电 极 。 叫 倒 置 运 用 。倒 置 运 用 的 特 点 ： 由 于 发 射 区 参 杂 浓 度 大 ， 集 电 区 参 杂 浓 度 小 ，所 以 T1管 倒 置 运 用 时 ， 其 放 大 倍 数 很 小 。 I 0.2 IIH T1UB13.4V 2.1V1.4V 26 从 而 IIH 也 很 小 （ ） , 74系 列 门 电 路 的 每 个 输 入 端 的 IIH 40 A。 IIH T1UB13.4V 2.1V1.4VIIH= Ib1 272.输 入 为 高 电 平 UIH2v）等 效 简 化 电 路 如 图 ：T1管 倒 置 工 作 0， 高 电 平 输 入 电 流 IIH很 小 ， 为 A 级 。 低 电 平 输 入 电 流 IIL较 大 ， 当 Vcc=5v， UIL=0.2v时 ， IIL1mA 。 输 入 简 化 电 路 如 图 ：一 . 输 入 特 性 （ 讨 论 T1管 ）1.输 入 低 电 平 （ UIL 0.8v)近 似 分 析 时 ， 常 用 IIS来 代 替 。 IIS 是 输 入 短 路 （ UIL=0） 时 的 电 流 。74系 列 门 电 路 的 每 个 输 入 端 的 IIH 40 A。 +VCCR1 4KT1UIL IIL 截 止+VCCR1T1UIHIIH 导 通be2 be5TTL非 门 的 静 态 输 入 特 性 和 输 出 特 性 28 二 . 输 出 特 性 1.输 出 为 低 电 平 时（ U0 = U0L 0.4V)输 出 端 带 负 载 的 情 形 如 图 ：低 电 平 输 出 电 流 : IOL=N1IIL N1IIS 由 于 T5管 的 导 通 电 阻 为 RON，N1是 输 出 低 电 平 时 负 载 门 的 数 目 。所 以 ， UOL=IOLRON。为 了 保 证 U OL 0.4v，要 限 制 负 载 门 的 数 目 N1。 +VCCT1截 止导 通UOL+VCCT4T5 +VCCT1驱 动 门 负 载 门IILIILIOL 29 +VCCT4T5RC3 高 电 平 输 出 电 流 ：由 于 T4管 的 导 通 电 阻 为 RON ， 所 以 ： UOH VCC -N2IIH (RC3+RON)- 0.7v为 了 保 证 UOH 2.4v， 要 限 制 负 载 门 的 数 目 N2。2.输 出 端 为 高 电 平 时 (U0 = UOH 2.4v)输 出 端 带 负 载 的 情 形 如 图 ：扇 出 系 数 N是 门 电 路 可 以 驱 动 同 类 门 电 路 的 最 大 数 目 。N 应 该 确 定 为 上 述 N1和 N2的 较 小 值 .N2是 输 出 高 电 平 时 负 载 门 的 数 目 。 导 通截 止UOH驱 动 门 负 载 门IIHIIHIOH +VCCT1+VCCT1 三 . 门 电 路 的 扇 出 系 数 N IOH = N2IIH 0.4mA(见 P67) 30 计 算 门 G1最 多 可 驱 动 多 少个 同 样 的 门 电 路 负 载 ，输 入 特 性 和 输 出 特 性 如图 ， 要 求 G1的 输 出 电 平满 足 VOH3.2V，VOL0.2V 31 TTL反 相 器 的 输 入 特 性TTL反 相 器 高 电 平 输 出 特 性TTL反 相 器 低 电 平 输 出 特 性 VOL=0.2V的 负 载 电 流 iL=16mA, VI=0.2V的 输 入 电 流 为 iI=-1mA ， N1 iI iL,N1 16 VOH=3.2V的 负 载 电 流 iL=-7.5mA, 技 术 手 册 规 定 IOH 0.4mA (page67)， 所 以 iL 0.4mA VI=3.2V的 输 入 电 流 为 IIH=0.04mA， N2 IIH Il,N2 10 取 N1和 N2的 最 小 值 ， N=10 32 3.2 , 0.4OH OLV V V V 1.6 , 40IL IHI mA I uA 0.4OLV V(max) 16OLI mA3.2OHV V(max) 0.4OHI mA (max) 16 101.6OLILIn I (max) 0.4 52 2*0.04OH IHIn I 题 2.5 在 图 P2.5由 74系 列 TTL与 非 门 组 成 的 电 路 中 ， 计 算 门 GM能 驱 动 多 少 同 样 的 与 非 门 。 要 求 GM输 出 的 高 、 低 电 平 满 足与 非 门 的 输 入 电 流 为 时 输 出 电 流 最 大 值 为， 时 输 出 电 流 最 大 值 为G M的 输 出 电 阻 可 以 忽 略 不 计 。答 案 ：当 VO=VOL=0.4V时 ， 可 求 得当 VO=VOH=3.2V时 ， 可 求 得故 G M能 驱 动 5个 同 样 的 与 非 门 。 33 四 、 门 间 限 流 电 阻 的 确 定R 1 1RG1 G2为 了 保 证 G1输 出 的 高 、 低 电 平 能 正 确 地 传 输 到 G2的 输 入 端 ，门 间 限 流 电 阻 R不 能 太 大 ， 要 求 ：1、 当 UO1=UOH 时 ， UI2 UIH（ min)应 满 足此 时 ， 门 间 电 流 流 向 如 图 ，UOH UIHIIH 所 以 ， 下 式 应 满 足 :UOH - IIH R UIH（ min) （ 1）2、 当 UO1=UOL 时 ， UI2 UIL （ max)应 满 足所 以 ， 下 式 应 满 足 :UOL + IIL R UIL（ max) （ 2）此 时 ， 门 间 电 流 流 向 如 图 ， UOL UILIIL根 据 （ 1） 、 （ 2） 式 可 确 定 门 间 连 接 电 阻 R的 数 值 。通 常 ， R 1K 。1G1 1G2 见 书 上 P69 例 题 2.4.2 34 门 电 路 带 负 载 能 力 负 载 能 力 就 是 说 能 够 在 一 定 的 电 压 下 面能 够 输 出 的 最 大 电 流 折 算 成 功 率 就 成 了 负 载 能 力 同 门 电 路 的 输 出 电 阻 有 关 输 出 电 流 和 输 出 功 率 越 大 ， 说 明 门 电 路带 负 载 能 力 越 强 即 输 出 电 阻 越 小 ， 带 负 载 能 力 越 强 （ 从门 电 路 的 输 出 端 向 里 看 ） 35 TTL与 非 门 电 路输 入 级 由 多 发 射 极 晶 体管 T1和 基 极 电 组 R1组 成 ，它 实 现 了 输 入 变 量 A、B、 C的 与 运 算输 出 级 ： 由 T 3、 T4、 T5和 R4、 R5组 成其 中 T3、 T4构 成 复 合 管 ， 与 T5组 成 推拉 式 输 出 结 构 。 具 有 较 强 的 负 载 能 力 中 间 级 是 放 大 级 ， 由 T2、 R2和 R3组 成 ， T2的 集 电 极 C2和发 射 极 E2可 以 分 提 供 两 个 相位 相 反 的 电 压 信 号 36 TTL与 非 门 工 作 原 理 输 入 端 至 少 有 一 个接 低 电 平 0 .3V3 .6V3 .6V 1V 3 .6VT1管 :A端 发 射 结 导 通 ，Vb1 = VA + Vbe1 = 1V，其 它 发 射 结 均 因 反 偏而 截 止 . be4be3C2OH VVVV 5-0.7-0.7=3.6VVb1 =1V,所 以 T2、 T5截 止 , VC2 Vcc=5V, T3： 微 饱 和 状 态 。 T4： 放 大 状 态 。电 路 输 出 高 电 平 为 ： 5V 37 输 入 端 全 为 高 电 平 3 .6V3 .6V 2.1V 0 .3VT1:Vb1= Vbc1+Vbe2+Vbe5 = 0.7V 3 = 2.1V因 此 输 出 为 逻 辑 低 电平 V OL = 0.3V 3 .6V 发 射 结 反 偏 而 集 电 极 正偏 .处 于 倒 置 放 大 状 态T2： 饱 和 状 态T3： Vc2 = Vces2 + Vbe5 1V， 使 T3导 通 ，Ve3 = Vc2-Vbe3 = 1-0.7 0.3V， 使 T4截 止 。T5： 深 饱 和 状 态 ，TTL与 非 门 工 作 原 理 38 输 入 端 全 为 高 电 平 ，输 出 为 低 电 平 输 入 至 少 有 一 个 为低 电 平 时 ， 输 出 为 高电 平由 此 可 见 电 路 的 输出 和 输 入 之 间 满 足与 非 逻 辑 关 系ABCF T1： 倒 置 放 大 状 态T2： 饱 和 状 态T3： 导 通 状 态T4： 截 止 状 态T5： 深 饱 和 状 态T2： 截 止 状 态T3： 微 饱 和 状 态T4： 放 大 状 态T5： 截 止 状 态TTL与 非 门 工 作 原 理 39 集 电 极 开 路 TTL“与 非 ” 门 （ OC门 ）1 0该 与 非 门 输 出 高电 平 ， T 5截 止 该 与 非 门 输 出 低电 平 ， T5导 通 TTL门 输 出 端 并 联 问 题当 将 两 个 TTL“与非 ” 门 输 出 端 直接 并 联 时 ： Vcc R5 门 1的T4 门 2的 T5产 生一 个 很 大 的 电 流产 生 一 个 大 电 流1、 抬 高 门 2输 出低 电 平2、 会 因 功 耗 过 大损 坏 门 器 件注 ： TTL输 出 端不 能 直 接 并 联 40TTL与 非 门 电 路 集 电 极 开 路 TTL“与 非 ” 门 （ OC门 ） OC门 的 结 构 RLVC集 电 极 开 路 与 非 门 （ OC门 ）当 输 入 端 全 为 高 电平 时 ， T2、 T5导 通 ，输 出 F为 低 电 平 ；输 入 端 有 一 个 为低 电 平 时 ， T2、T5截 止 ， 输 出 F高电 平 接 近 电 源 电压 V C。 OC门 完 成“ 与 非 ” 逻 辑 功能 逻 辑 符 号 ：输 出 逻 辑 电 平 ：低 电 平 0.3V高 电 平 为 VC（ 5-30V）AB F 41 OC门 实 现 “ 线 与 ” 逻 辑 FRLVC相 当 于 “ 与 门 ”逻 辑 等 效 符 号21 F FF _ CDAB _CDAB 负 载 电 阻RL的 选 择（ 自 看 作 考试 内 容 ， 参考 P 8 1 例2.4.4）集 电 极 开 路 TTL“与 非 ” 门 （ OC门 ） 42 集 电 极 开 路 TTL“与 非 ” 门 （ OC门 ） OC门 应 用 -电 平 转 换 器OC门 需 外 接 电 阻 ， 所 以 电 源 VC可 以 选 5V30V， 因 此OC门 作 为 TTL电 路 可 以 和 其 它 不 同 类 型 不 同 电 平 的 逻辑 电 路 进 行 连 接 TTL电 路 驱 动CMOS电 路 图CMOS电 路 的 VD D = 5 V 1 8 V ， 特 别 是VDDVCC时 ， 必 须 选 用集 电 极 开 路 （ OC门 ）TTL电 路CMOS电 源 电 压 VDD = 5V时 ， 一 般 的 TTL门 可以 直 接 驱 动 CMOS门 43 三 态 逻 辑 门 （ TSL） 三 态 门 工 作 原 理除 具 有 TTL“与 非 ” 门 输 出 高 、 低电 平 状 态 外 ， 还 有 第 三 种 输 出 状态 高 阻 状 态 ， 又 称 禁 止 态 或 失效 态非 门 ， 是 三 态 门 的 状 态 控 制 部 分E使 能 端 六 管 TTL与 非 门增 加 部 分当 E= 0时 ， T4输 出 高 电 平 VC = 1， D2截 止 ， 此 时 后 面电 路 执 行 正 常 与 非 功 能 F=AB1 0 1V 1V输 出 F端 处 于 高 阻 状 态 记 为 Z T6、 T7、 T9、 T10均 截 止Z当 E= 1时 ， 44 高 阻 状 态与 非 功 能 ZF ABF 1E 0E_ _ _ 高 阻 状 态与 非 功 能 ZF ABF 0E 1E_使能端的两种控制方式 低 电 平 使 能高 电 平 使 能三 态 门 的 逻 辑 符 号 AB FEFAB E 45 三 态 门 的 应 用1. 三 态 门 广 泛 用 于 数 据 总 线 结 构任 何 时 刻 只 能 有 一 个控 制 端 有 效 ， 即 只 有一 个 门 处 于 数 据 传 输 ，其 它 门 处 于 禁 止 状 态2. 双 向 传 输当 E=0时 ， 门 1工 作 ，门 2禁 止 ， 数 据 从 A送 到 B；E=1时 ， 门 1禁 止 ，门 2工 作 ， 数 据 从 B送 到 A。三 态 逻 辑 门 （ TSL） 总 线 46NMOS反 相 器NMOS门 电 路CMOS门 电 路 47 NMOS反 相 器 MOS管 的 开 关 特 性数 字 逻 辑 电 路 中 的 MOS管 均 是 增 强 型 MOS管 ， 它 具 有 以 下 特 点 ：当 |UGS|UT| 时 ， 管 子 导 通 ， 导 通 电 阻 很 小 ， 相 当 于 开 关 闭 合 当 |UGS|UT| 时 ， 管 子 截 止 ， 相 当 于 开 关 断 开 NMOS反 相 器设 电 源 电 压 VDD = 10V，开 启 电 压 VT1 = VT2 = 2V1、 A输 入 高 电 平 VIH = 8V2、 A输 入 低 电 平 V IL = 0.3V时 ， 电 路 执 行 逻 辑 非 功 能 工 作 管负 载 管T1、 T2均 导 通 ， 输 出 为 低电 平 VOL 0.3VT 1截 止 T2导 通 ， 电 路 输 出高 电 平 VOH = VDD - VT2 = 8V。 48 NMOS门 电 路 NMOS与 非 门 工 作 管串 联负 载 管工 作 原 理 ：T1和 T2都 导 通 ， 输 出 低 电 平2、 当 输 出 端 有 一 个 为 低 电 平 时 ，与 低 电 平 相 连 的 驱 动 管 就 截 止 ，输 出 高 电 平电 路 “ 与 非 ” 逻 辑 功 能 ： BAF 注 ： 增 加 扇 入 ， 只 增 加 串 联 驱 动 管的 个 数 ， 但 扇 入 不 宜 过 多 ， 一般 不 超 过 3 11 通通01、 当 两 个 输 入 端 A和 B均 为 高 电 平 时 01 止通1 49 CMOS电 路 CMOS反 相 器 PMOSNMOS衬 底 与 漏 源 间 的 PN结 始 终 处 于 反偏 ， NMOS管 的 衬 底 总 是 接 到 电 路的 最 低 电 位 ， PMOS管 的 衬 底 总 是接 到 电 路 的 最 高 电 位 柵 极 相 连做 输 入 端 漏 极 相 连做 输 出 端电 源 电 压 VDD VT1+|VT2|， VDD适 用 范 围 较 大 可 在 3 18V， VT1-NMOS的 开 启 电 压VT2-PMOS的 开 启 电 压工 作 原 理 ：1、 输 入 为 低 电 平 VIL = 0V时VGS1 VT1 T1管 截 止 ；|VGS2| VT2 电 路 中 电 流 近 似 为 零 （ 忽 略 T1的截 止 漏 电 流 ） ,VDD主 要 降 落 在 T1上 ， 输 出 为 高 电 平 V OH VDDT2导 通2、 输 入 为 高 电 平 VIH = VDD时 ，T1通 T2止 ， VDD主 要 降 在 T2上 ，输 出 为 低 电 平 VOL 0V。实 现 逻 辑 “ 非 ” 功 能 AF 50 CMOS传 输 门 （ TG） 栅 极 控 制 电 压为 互 补 信 号 ，如 C=0， C=V DD工 作 原 理 ：当 C = 0V， C= VDD时TN和 TP均 截 止 ， VI由0 VDD变 化 时 ， 传 输门 呈 现 高 阻 状 态 ， 相当 于 开 关 断 开 ， CL上 的 电 平 保 持 不 变 ，这 种 状 态 称 为 传 输 门保 存 信 息当 C = VDD， C= 0V时 ，VI在 VT VDD范 围 变 化时 TP导 通即 VI在 0 VDD范 围 变 化时 ， TN、 TP中 至 少 有一 只 管 子 导 通 ， 使VO=VI， 这 相 当 于 开 关接 通 ， 这 种 状 态 称 为传 输 门 传 输 信 息VI由 0 （ VDD-VT） 范围 变 化 时 TN导 通 CMOS电 路 51 CMOS传 输 门 （ TG）工 作 原 理 ：1、 当 C 为 低 电 平 时 ， TN、 TP截 止 传 输 门 相 当于 开 关 断 开 ， 传 输 门 保存 信 息2、 当 C为 高 电 平 时 ， TN、 TP中 至 少 有 一 只 管子 导 通 ， 使 VO=VI， 这相 当 于 开 关 接 通 ， 传 输门 传 输 信 息由 此 可 见 传 输 门 相 当于 一 个 理 想 的 开 关 ， 且 是 一 个 双 向 开 关 逻 辑 符 号输 入 输 出门 控 制信 号CMOS电 路 52 CMOS模 拟 开 关 电 路 图控 制 模 拟 信 号 传 输的 一 种 电 子 开 关 ，通 与 断 是 由 数 字 信号 控 制 的反 相 器 的 输 入 和 输 出提 供 传 输 门 两 个 反 相控 制 信 号 （ C和 C）传 输 门1、 电 路 结 构2、 逻 辑 符 号 逻 辑 符 号CMOS电 路 53 CMOS电 路 返 回 CMOS门 电 路1、 与 非 门二 输 入 “ 与 非 ” 门 电 路 结 构 如 图每 个 输 入 端 与 一 个 NMOS管 和 一 个 PMOS管 的 栅 极 相 连当 A和 B为 高 电 平 时 : 1两 个 并 联 的PMOS管 T3、 T4 两 个 串 联 的NMOS T1、 T2 通通止 止01 01 通止通1止当 A和 B有 一 个 或 一 个 以 上为 低 电 平 时 :电 路 输 出 高 电 平输 出 低 电 平 电 路 实 现 “ 与 非 ” 逻 辑 功 能ABF 54 CMOS电 路 CMOS门 电 路2、 “ 异 或 ” 门 由 三 个 CMOS反 相 器 和一 个 CMOS传 输 门 组 成传 输 门 的 控制 信 号 A、 A当 A = B = 0时 00 1 1 0TG断 开 ， 则 C=B=1，F=C=0。 TG断 开当 A = B = 1时 ， 11TG接 通 1 1 0TG接 通 ， C = B = 1，反 相 器 2的 两 只 MOS管 都 截 止 ， 输 出 F=0。 输 入 端 A和 B相 同得 ： 输 入 端 A和 B相 同 ， 输 出 F=0 返 回 55 CMOS门 电 路2、 “ 异 或 ” 门 输 入 端 A和 B不 同当 A = 1， B = 0时 10 TG导 通 0 0 1输 出 F=1当 A = 0， B = 1时 01 TG断 开 1 0 1输 出 F=1得 ： 输 入 端 A和 B不 同 ， 输 出 F=1 返 回CMOS电 路 56 CMOS门 电 路2、 “ 异 或 ” 门 输 入 端 A和 B不 同输 出 F=1 输 入 端 A和 B相 同输 出 F=0由 此 可 知 ： 该 电 路 实现 的 是 “ 异 或 ” 的 逻辑 功 能 BABABAF 返 回CMOS电 路 57 CMOS电 路 的 特 点1、 功 耗 小 ： CMOS门 工 作 时 ， 总 是 一 管 导 通 另 一 管 截止 ， 因 而 几 乎 不 由 电 源 吸 取 电 流 其 功 耗 极 小2、 CMOS集 成 电 路 功 耗 低 内 部 发 热 量 小 ， 集 成 度 可 大大 提 高 3、 抗 幅 射 能 力 强 ， MOS管 是 多 数 载 流 子 工 作 ， 射 线 辐 射 对 多 数 载 流 子 浓 度 影 响 不 大4、 电 压 范 围 宽 ： CMOS门 电 路 输 出 高 电 平 VOH VDD，低 电 平 VOL 0V。5、 输 出 驱 动 电 流 比 较 大 ： 扇 出 能 力 较 大 ， 一 般 可以 大 于 506、 在 使 用 和 存 放 时 应 注 意 静 电 屏 蔽 ， 焊 接 时 电 烙铁 应 接 地 良 好 返 回 58TTL与 CMOS接 口CMOS 与 TTL接 口 59 TTL与 CMOS接 口CMOS同 TTL电源 电 压 相 同 都 为5V， 则 两 种 门可 直 接 连 接 提 高 TTL门 电 路 的输 出 高 电 平 ， 阻 值由 几 百 到 几 千 欧 姆注 ：TTL门 电 路 高 电平 典 型 值 只 有3.4V， CMOS电路 的 输 入 高 电 平要 求 高 于 3.5V。因 此 在 TTL门 电路 输 出 端 与 电 源之 间 接 一 电 阻 R x 返 回 60 CMOS与 TTL接 口CMOS门 的 驱 动 能 力不 适 应 TTL门 的 要 求 ，可 采 用 专 用 的CMOSTTL电 平 转换 器当 用 CMOS驱 动 TTL时 转 换 器 返 回 61 小 结本 章 主 要 介 绍 了 有 关 逻 辑 电 路 的 基 本 概 念 和 TTL、ECL、 MOS等 集 成 逻 辑 门 TTL电 路 输 入 级 采 用 多 发 射 极 晶 体 管 ， 输 出 级 采用 推 拉 式 结 构 ， 所 以 工 作 速 度 较 快 ， 带 负 载 能 力 较强 ， 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 一 种 集 成 逻 辑 门 。 应 掌 握好 TTL门 电 气 特 性 和 参 数 。 ECL门 是 目 前 速 度 最 高 的 一 种 非 饱 和 型 电 路 。 其缺 点 是 功 耗 大 ， 抗 干 扰 能 力 差 。 一 般 只 用 在 要 求 速度 特 别 高 的 场 合 MOS电 路 属 于 单 极 型 电 路 ， CMOS电 路 是 重 点 ，具 有 高 速 度 、 功 耗 低 、 扇 出 大 、 电 源 电 压 范 围 宽 、抗 干 扰 能 力 强 、 集 成 度 高 等 一 系 列 特 点 ， 使 之 在 整个 数 字 集 成 电 路 中 占 据 主 导 地 位 的 趋 势 日 益 明 显 。 62 习 题2-1 2-5 63