数字电路集成逻辑门电路课件

1第第3章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 本章重点讨论门电路的外特性，是对全书各种电路本章重点讨论门电路的外特性，是对全书各种电路进行分析的基础。进行分析的基础。重点内容：重点内容：1.1.半导体二极管、半导体三极管、半导体二极管、半导体三极管、MOS管的开关特性。管的开关特性。2.2.TTL门电路的外特性及其应用。门电路的外特性及其应用。3.3.CMOS门电路的外特性及其应用。门电路的外特性及其应用。2w3.1 概述概述w3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路w3.3 TTL集成门电路集成门电路w3.4 CMOS门电路门电路w3.5 各逻辑门的性能比较各逻辑门的性能比较第第3章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路33.1 概述概述w用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为电路称为门电路门电路。常用的门电路有与门、或门、。常用的门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。w从制造工艺方面来分类，从制造工艺方面来分类，数字集成电路数字集成电路可分为可分为双极型、单极型和混合型双极型、单极型和混合型三类。三类。43.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑w在数字电路中，用高、低电平来表在数字电路中，用高、低电平来表示二值逻辑的示二值逻辑的1和和0两种逻辑状态。两种逻辑状态。n获得高、低电平的基本原理电路如获得高、低电平的基本原理电路如图表示。图表示。开关开关S为半导体二极管或为半导体二极管或三极管三极管，通过输入信号控制二极管，通过输入信号控制二极管或三极管工作在截止和导通两个状或三极管工作在截止和导通两个状态，以输出高低电平。态，以输出高低电平。5w若用高电平表示逻辑若用高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑，低电平表示逻辑0，则称这，则称这种表示方法为种表示方法为正逻辑正逻辑；若用高电平表示；若用高电平表示0，低电平表，低电平表示示1，则称这种表示方法为，则称这种表示方法为负逻辑负逻辑。w若无特别说明，若无特别说明，w本书中将采用正逻辑本书中将采用正逻辑。3.2.1正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑a）正逻辑）正逻辑 b）负逻辑）负逻辑6w由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可以知道它所表示的逻辑状态了，所以高、就可以知道它所表示的逻辑状态了，所以高、低电平都有一个允许的范围。低电平都有一个允许的范围。w正因如此，在数字电路中无论是对元器件参数正因如此，在数字电路中无论是对元器件参数精度的要求还是对供电电源稳定度的要求，都精度的要求还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。比模拟电路要低一些。73.2.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性1.二极管的符号二极管的符号正极正极-P极极负极负极-N极极82.二极管的伏安特性二极管的伏安特性600400200 0.1 0.200.4 0.750100二极管二极管/硅管的伏安特性硅管的伏安特性V/VI/mA正向特性正向特性死区电压死区电压反向特性反向特性反向击穿反向击穿特性特性9二极管（二极管（PN结）的单向导电性：结）的单向导电性：PN结外加正偏电压结外加正偏电压（P端接电源正极，端接电源正极，N端接电源负端接电源负极）时，极）时，形成较大的正向电流形成较大的正向电流，PN结呈现较小的正结呈现较小的正向电阻；向电阻；外加外加反偏电压时，反向电流很小，反偏电压时，反向电流很小，PN结呈现很大的结呈现很大的反向电阻。反向电阻。2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性-二极管的单向导电性二极管的单向导电性103.二极管等效电路二极管等效电路图图3-5 二极管伏安特性的几种等效电路二极管伏安特性的几种等效电路11导通电压导通电压VON硅管取硅管取0.7V锗管取锗管取0.2V结论：结论：1.只有当外加正向电压（只有当外加正向电压（P极电压大于极电压大于N极电压）极电压）大于大于VON时，二极管才导通。时，二极管才导通。2.二极管导通后具有二极管导通后具有电压箝位电压箝位作用。作用。124.二极管的动态特性二极管的动态特性w在动态情况下，亦即加到二极管两端的电压突然反在动态情况下，亦即加到二极管两端的电压突然反向时，电流的变化过程如图所示。向时，电流的变化过程如图所示。Tre为反向恢复时间，为反向恢复时间，是反向电流衰减到峰值是反向电流衰减到峰值的的1/10所经过的时间。所经过的时间。tre数值很小，约几纳秒。数值很小，约几纳秒。Tre13因为半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电因为半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。个受外加电压极性控制的开关。5.半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性14VCC=5V当当vI为高电平（取为高电平（取VCC）时，）时，VD截止，截止，vO为高电平。为高电平。5.半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性当当vI为低电平（取为低电平（取0V）时，）时，VD导通，导通，vO=0.7V，为低电平。，为低电平。153.2.3 二极管与门电路二极管与门电路A、B是输入逻辑变量，是输入逻辑变量，F是输出逻是输出逻辑函数。辑函数。当当A、B中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平（0V）时，）时，相应的二极管必然导通，输出相应的二极管必然导通，输出F则为低电平（为二极管的导通则为低电平（为二极管的导通电压，取电压，取0.7V）。）。163.2.3 二极管与门电路二极管与门电路当输入当输入A、B都同时为高电平都同时为高电平（VCC）时，）时，两个二极管都截止，两个二极管都截止，输出输出F为高电平（为高电平（VCC）。）。17与门原理分析与门原理分析w当当A、B中只要有一个为低电平时，输出中只要有一个为低电平时，输出F则为则为低电平；只有当输入低电平；只有当输入A、B都同时为高电平时，都同时为高电平时，输出输出F为高电平。为高电平。与门真值表与门真值表n实现了逻辑与的功能，实现了逻辑与的功能，n即：即：F=AB。183.2.4二极管或门电路二极管或门电路A、B为输入逻辑变量，为输入逻辑变量，F为输出为输出逻辑函数。逻辑函数。A、B中只要有一个输入高电平中只要有一个输入高电平（VCC）时，）时，相应的二极管导通，使相应的二极管导通，使F输出高输出高电平（电平（VCC-0.7V）。）。193.2.4二极管或门电路二极管或门电路当当A、B都输入低电平都输入低电平（0V）时，）时，由于由于R接的电源为接的电源为-VEE，两个二极管都导通，两个二极管都导通，F输出为低电平（输出为低电平（-0.7V）。）。20A、B中只要有一个输入高电平时，相应的二极管导中只要有一个输入高电平时，相应的二极管导通，使通，使F输出高电平，只有当输出高电平，只有当A、B都输入低电平时，都输入低电平时，F输出为低电平。输出为低电平。或门原理分析或门原理分析实现了逻辑或的功能，实现了逻辑或的功能，即：即：F=A+B。或门真值表或门真值表213.3 TTL（Transistor-Transistor-Logic)集成门电路集成门电路w由于由于TTL集成门电路中采用双极型三极管作为开关集成门电路中采用双极型三极管作为开关器件，所以在介绍器件，所以在介绍TTL电路之前，我们首先介绍一电路之前，我们首先介绍一下双极型三极管的开关特性。下双极型三极管的开关特性。223.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性1.双极型三极管的结构双极型三极管的结构w一个双极型三极管含有三个电极，分别为发射一个双极型三极管含有三个电极，分别为发射极（极（e）、基极（）、基极（b）和集电极（）和集电极（c），分为），分为NPN型和型和PNP型两种。由于它们在工作时有电子和型两种。由于它们在工作时有电子和空穴两种极性不同的载流子参与导电，故称为空穴两种极性不同的载流子参与导电，故称为为双极型三极管。为双极型三极管。23图图3.9 双极型三极管的两种类型双极型三极管的两种类型箭头表示箭头表示PN结结的正偏的正偏 方向方向发射结发射结集电结集电结242.双极型三极管的输入特性和输出特性双极型三极管的输入特性和输出特性1）输入特性曲线）输入特性曲线w以以NPN管为例，若以发射极（管为例，若以发射极（e）作为输入回路和输）作为输入回路和输出回路的公共电极，则称该电路为共发射极电路。出回路的公共电极，则称该电路为共发射极电路。测出表示输入电压测出表示输入电压vBE和输入电流和输入电流iB 之间的特性曲线。之间的特性曲线。此曲线称为此曲线称为输入特性曲线输入特性曲线。输入输入回路回路输出输出回路回路25w测出共射电路在不同测出共射电路在不同iB值下集电极电流值下集电极电流iC和集电极电和集电极电压压vCE之间关系的曲线，此曲线称为之间关系的曲线，此曲线称为输出特性曲线输出特性曲线。2）输出特性曲线）输出特性曲线26三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 截止区截止区：发射结反：发射结反偏，集电结反偏偏，集电结反偏放大区放大区：发射结正：发射结正偏，集电结反偏偏，集电结反偏饱和区饱和区：发射结正：发射结正偏，集电结正偏。偏，集电结正偏。iC/mAuCE/V0 0放放大大区区iB=0A20A20A40 A40 A截止区截止区饱饱和和区区60 A60 A80 A80 A27三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 放大区：放大区：iC=iB饱和区：饱和区：UCES=0.3V截止区：截止区：ICEO1AiC/mAuCE/V0 0放放大大区区iB=0A20A20A40 A40 A截止区截止区饱饱和和区区60 A60 A80 A80 A283.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路w用用NPN型三极管取代下图中的开关型三极管取代下图中的开关S，就得到了，就得到了三极管开关电路。三极管开关电路。29当当vI为低电平时，三极管工作在为低电平时，三极管工作在截止状态（截止区），输出高电截止状态（截止区），输出高电平平vO VCC。当当vI为高电平时，三极管工作在为高电平时，三极管工作在饱和导通状态（饱和区），输出饱和导通状态（饱和区），输出低电平低电平vO 0V（VCES）。）。3.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路三极管相当一个受三极管相当一个受vI控制的开关控制的开关304.双极型三极管的开关等效电路双极型三极管的开关等效电路截止状态截止状态 饱和导通状态饱和导通状态315.双极型三极管的动态开关特性双极型三极管的动态开关特性w在动态情况下，亦即三极管在动态情况下，亦即三极管在截止与饱和导通两种在截止与饱和导通两种状态间迅速转换状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流都需要一定的时间，因而集电极电流ic的变化将滞后的变化将滞后于输入电压于输入电压vI的变化，在接成三极管开关电路以后，的变化，在接成三极管开关电路以后，开关电路的输出电压开关电路的输出电压vo的变化也必然滞后于输入电的变化也必然滞后于输入电压压vI的变化。的变化。32n这种滞后现象是由于三极管的这种滞后现象是由于三极管的b-e间、间、c-e间都间都存在结存在结电容效应电容效应的原因。的原因。336.晶体管非门电路晶体管非门电路 w由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门电路（反相器）。电路（反相器）。当输入当输入A为低电平时，三极管截为低电平时，三极管截止，止，F输出为高电平；当输入输出为高电平；当输入A为高电平时，三极管饱和导通，为高电平时，三极管饱和导通，输出输出F为低电平。为低电平。实现了实现了逻辑非逻辑非功能。功能。347.二极管晶体管门电路二极管晶体管门电路w将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接，便将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管三极管与非门电路。构成了二极管三极管与非门电路。（1）与非门电路）与非门电路35（2）或非门电路）或非门电路w将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接，便将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管三极管或非门电路。构成了二极管三极管或非门电路。363.3.2 TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理1.电路结构电路结构输入级输入级V1、R1倒相级倒相级V2、R2、R3输出级输出级V4、V5、VD3、R4保护二极管保护二极管:VD1、VD2图图3-18所示所示37w输入端接有输入端接有用于保护的二极管用于保护的二极管VD1和和VD2。w当输入端加正向电压时，相应二极管处于反向偏当输入端加正向电压时，相应二极管处于反向偏置，具有很高的阻抗，相当于开路；如果一旦在置，具有很高的阻抗，相当于开路；如果一旦在输入端出现负极性的干扰脉冲，输入端出现负极性的干扰脉冲，VD1和和VD2便会导便会导通，使通，使A、B两端的电位被钳制在两端的电位被钳制在-0.7V左右，以保左右，以保护多发射极晶体管护多发射极晶体管V1不致被损坏。不致被损坏。382.工作原理工作原理1）任意一个输入端加）任意一个输入端加入入低电平低电平，例如，例如A=vI=0.3V，则则 vB1=0.3+0.7=1VvB1=1VV2、V5 截截 止止 V4、VD3导导 通通vo=VCC VR2 Vbe4 VVD3 =5 0.7 0.7 =3.6VF=1（高电平）（高电平）较小较小设设PN结导通电压为结导通电压为0.7V，三极管饱和管压降为三极管饱和管压降为0.3V39vB1=2.1Vvo=0.3VvC2=1VV2,V5导通，三个导通，三个PN结的箝位作用结的箝位作用使使vB1=2.1V，V1发发射结反偏。射结反偏。vC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使不足以使V4、VD3同时导通同时导通V5导通，导通，V4、VD3截止，截止，vo=0.3V,F=0 低电平低电平2）两输入端同时输入）两输入端同时输入高高电平电平，A=B=vI=3.6V，403.3.3 TTL与非门的静态特征与非门的静态特征1.电压传输特性电压传输特性w如果将图如果将图3-3-18所示与非门的输入所示与非门的输入A（或（或B）接高电）接高电平平3.6V，则输出电压随输入端，则输出电压随输入端B（A）所加电压的）所加电压的变化而变化的特征曲线，叫做变化而变化的特征曲线，叫做TTL与非门的与非门的电压电压传输特性传输特性。41（1）AB段段w当当vI 0.6V时，因时，因V1管已管已处于极深度饱和状态，饱处于极深度饱和状态，饱和压降只有和压降只有0.1V，故使，故使vC10.7V，V2和和V5管都截管都截止，止，VD3和和V4管导通，输管导通，输出为高电平，出为高电平，AB段称为电压传输特性段称为电压传输特性的的截止区截止区。42（2）BC段段w当当0.6V vI1.3V时，时，0.7VvC11.4V，由于，由于V2管的发射极电阻管的发射极电阻R3直接接直接接地，故地，故V2管开始导通，并管开始导通，并处于放大状态，所以其集处于放大状态，所以其集电极电压电极电压 vC2 和输出电压和输出电压vO 随输入电压的增高而随输入电压的增高而线性地降低，但线性地降低，但V5管仍截管仍截止，此段称为止，此段称为线性区线性区。43（3）CD段段w当当1.3VvIRON时认为输入为高电平，时认为输入为高电平，当当RIRON时认为输入为低电平。时认为输入为低电平。nTTL与非门的与非门的输入端悬空输入端悬空，相当于在其输入端接一，相当于在其输入端接一个阻值为无穷大的电阻，也就是个阻值为无穷大的电阻，也就是相当于接高电平相当于接高电平。726.门电路多余输入端的处理门电路多余输入端的处理wTTL门电路的实际产品在使用时，如果有多余的输门电路的实际产品在使用时，如果有多余的输入端不用，一般不应悬空，以防干扰信号的串入，入端不用，一般不应悬空，以防干扰信号的串入，引入错误逻辑。引入错误逻辑。w不同逻辑门电路的多余输入端有不同的处理方法。不同逻辑门电路的多余输入端有不同的处理方法。73（1）TTL与门及与非门与门及与非门的多余输入端有以下几种处的多余输入端有以下几种处理方法理方法1）将其经）将其经13k 的电阻接至电源正端。的电阻接至电源正端。2）接输入高电平）接输入高电平VIH。3）与其它信号输入端并接使用。）与其它信号输入端并接使用。74（2）TTL或门及或非门或门及或非门的多余输入端应接低电平或的多余输入端应接低电平或与其他输入端并接使用。与其他输入端并接使用。（3）与或非门与或非门一般有多个与门，使用时如果有多余一般有多个与门，使用时如果有多余的与门不用，其输入端必须接低电平，否则与或的与门不用，其输入端必须接低电平，否则与或非门的输出将是低电平；如果某个与门有多个输非门的输出将是低电平；如果某个与门有多个输入端不用，其处理方法与与门相同。入端不用，其处理方法与与门相同。753.3.4 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性w在门电路的实际应用中，输入端所加的信号总是要在门电路的实际应用中，输入端所加的信号总是要不断地从一个状态转换到另一个状态，而输出状态不断地从一个状态转换到另一个状态，而输出状态是否能跟得上输入信号状态的变化？输出电压和输是否能跟得上输入信号状态的变化？输出电压和输出电流的变化如何？这是门电路实际使用中必须关出电流的变化如何？这是门电路实际使用中必须关心的问题。通常将门电路的输出电压和输出电流对心的问题。通常将门电路的输出电压和输出电流对输入信号的响应曲线，叫做输入信号的响应曲线，叫做门电路的动态特性门电路的动态特性。761.传输延迟时间传输延迟时间w如果将理想矩形波的电压信号加到如果将理想矩形波的电压信号加到TTL与非门的输与非门的输入端，由于三极管内部存储电荷的积累和消散都需入端，由于三极管内部存储电荷的积累和消散都需要时间，而且二极管、三极管和电阻等元器件都有要时间，而且二极管、三极管和电阻等元器件都有寄生电容存在，故输出电压的波形不仅要比输入电寄生电容存在，故输出电压的波形不仅要比输入电压的波形滞后，而且上升沿和下降沿均变得更斜。压的波形滞后，而且上升沿和下降沿均变得更斜。（传输延迟时间可从产品手册查出）（传输延迟时间可从产品手册查出）77对于反相器来说，将输入电压波形上升沿的中点与输对于反相器来说，将输入电压波形上升沿的中点与输出电压波形下降沿的中点之间的时间差定义为输出由出电压波形下降沿的中点之间的时间差定义为输出由高电平到低电平的延迟时间，用高电平到低电平的延迟时间，用tPHL表示；表示；78将输入电压波形下降沿的中点与输出电压波形上升沿将输入电压波形下降沿的中点与输出电压波形上升沿的中点之间的时间差，定义为输出由低电平到高电平的中点之间的时间差，定义为输出由低电平到高电平的延迟时间，用的延迟时间，用tPLH表示。表示。79在数字电路中有时也用平均传输延迟时间在数字电路中有时也用平均传输延迟时间tPD=(tPHL+tPLH)/2来表示门电路的传输延迟时间。来表示门电路的传输延迟时间。TTL门电路的平均传输延迟时间一般都小于门电路的平均传输延迟时间一般都小于30ns。803.3.5 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门w普通门电路是不允许将输出连普通门电路是不允许将输出连接使用，否则当一个门的输出接使用，否则当一个门的输出是高电平，而另一个门的输出是高电平，而另一个门的输出低电平时，将产生一个大的输低电平时，将产生一个大的输出电流直接流入输出低电平逻出电流直接流入输出低电平逻辑门的辑门的V5管，不仅会使导通门管，不仅会使导通门输出低电平严重抬高输出低电平严重抬高，出现逻，出现逻辑错误，而且输出高电平门的辑错误，而且输出高电平门的V4管也有被烧坏管也有被烧坏的危险。的危险。1.集电极开路门集电极开路门-OC门（门（Open Collector）81为将输出端连接使用，并为将输出端连接使用，并增加门电路的驱动能增加门电路的驱动能力，可以将力，可以将TTL与非与非门的有源负载去掉，门的有源负载去掉，使驱动管使驱动管V5 改为集电改为集电极开路输出，称其为极开路输出，称其为集电极开路门，简称集电极开路门，简称OC门门。82w实际使用时，实际使用时，OC门的输出端门的输出端应外接上拉电阻应外接上拉电阻RL至电源至电源VCC。83如果将多个集电极开路门的输出端并联，便具有如果将多个集电极开路门的输出端并联，便具有与输出功能，因此称为与输出功能，因此称为“线与线与”。84OC门可用于数据总线系统中，还可用于高压驱动门可用于数据总线系统中，还可用于高压驱动器、七段译码驱动器等多种逻辑器件的输出以及器、七段译码驱动器等多种逻辑器件的输出以及电平转换电路。电平转换电路。OC门门 SN7407最大负载电流最大负载电流40mA，截止时耐压，截止时耐压30V，有较强的驱动能力。有较强的驱动能力。85w为了使线与输出的高、低电平值能满足所在数字系为了使线与输出的高、低电平值能满足所在数字系统的要求，对统的要求，对RL数值的选择应进行粗略的计算数值的选择应进行粗略的计算。wRL与并联在一起的驱动门的个数与并联在一起的驱动门的个数n、所接负载门的输、所接负载门的输入端数入端数m、负载门的个数、负载门的个数M以及线与输出的逻辑状以及线与输出的逻辑状态有关。态有关。w计算时，在保证线与逻辑电路能正常工作的条件下，计算时，在保证线与逻辑电路能正常工作的条件下，分别求出线与分别求出线与输出高电平时负载电阻值和输出低电输出高电平时负载电阻值和输出低电平负载电阻值平负载电阻值，然后选择一个合适电阻。，然后选择一个合适电阻。86（1）当驱动门输出高电平时）当驱动门输出高电平时求负载电阻的最大值求负载电阻的最大值RLmax当驱动门输出高电平时，应使得当驱动门输出高电平时，应使得VOH VOHmin驱动门驱动门个数个数负载门负载门输入端数输入端数87（2）当驱动门输出低电平时）当驱动门输出低电平时 考虑电路工作最不利的情况考虑电路工作最不利的情况:假定只有一个假定只有一个OC门输门输出低电平，此时流入此门出低电平，此时流入此门V5管的集电极电流为最大管的集电极电流为最大求负载电阻的最小值求负载电阻的最小值RLmin当某驱动门输出低电平时，应使得当某驱动门输出低电平时，应使得VOL VOLmax负载门负载门个数个数88 由以上分析可知，当由以上分析可知，当n个个OC门做线与连接时，门做线与连接时，其上拉电阻其上拉电阻RL的取值应为的取值应为:89w例例3-1 由三个集电极开路门组成线与输出，三个由三个集电极开路门组成线与输出，三个CT74 w 系列与非门作为负载，其电路连接如图所示。设线系列与非门作为负载，其电路连接如图所示。设线w 与输出的高电平与输出的高电平VOHmin=3.0V，每个集电极开路门，每个集电极开路门w 截止时其输出管流入的漏电流截止时其输出管流入的漏电流 IOH=2 A；w在满足在满足VOL 0.4V的条件下，驱动管的条件下，驱动管V5w饱和导通时所允许的最大灌饱和导通时所允许的最大灌w电流电流IOLmax=16mA。负载门。负载门w的输入特性如图所示。的输入特性如图所示。w试计算线与输出时的试计算线与输出时的w负载电阻负载电阻RL。90w解：由下图所示输入特性可得解：由下图所示输入特性可得 IIH=40 A,IIL=-1.5mA。91根据以上计算根据以上计算 0.4kRL 8.1k，故可选，故可选2k 922.三态输出门三态输出门-TSL门门（Three State Logic门）门）w在数字系统中，为了使各逻辑部件在总线上能相在数字系统中，为了使各逻辑部件在总线上能相互分时传输信号，就必须有三态输出逻辑门电路，互分时传输信号，就必须有三态输出逻辑门电路，简称三态门。简称三态门。w所谓所谓三态门三态门，即其输出不仅有，即其输出不仅有高电平和低电平高电平和低电平两两种状态，还有第三种状态种状态，还有第三种状态高阻输出状态高阻输出状态。931）三态与非门电路及逻辑符号）三态与非门电路及逻辑符号使能端高使能端高电平有效电平有效94wEN=1时时,附加电路附加电路无作用。电路功无作用。电路功能同能同与非门与非门。wEN=0时时,V4、V5均截止，电路输均截止，电路输出为出为高阻状态高阻状态95使能端低使能端低电平有效电平有效在数字系统中，当某一逻辑器件被置于高在数字系统中，当某一逻辑器件被置于高阻状态时，就等于把这个器件从系统中除阻状态时，就等于把这个器件从系统中除去，而与系统之间互不产生任何影响。去，而与系统之间互不产生任何影响。962）利用三态门构成总线系统）利用三态门构成总线系统97三态输出四总线缓冲器组成的两数据双向传输电路三态输出四总线缓冲器组成的两数据双向传输电路983.4 CMOS门电路门电路 3.4.1MOS管的开关特性管的开关特性以金属以金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管（半导体场效应晶体管（Metal Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称，简称MOS管）作为的开关器件，在数字系统中已得到广泛管）作为的开关器件，在数字系统中已得到广泛应用。应用。与有触点的开关相比，其在速度和可靠性方面都具有与有触点的开关相比，其在速度和可靠性方面都具有优越性。优越性。991.1.绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(MOS)开关特性开关特性双极型三极管为电流控制电流源双极型三极管为电流控制电流源MOS型三极管为电压控制电流源型三极管为电压控制电流源D DB BS SG GN N沟道沟道S SG GD DB BP P沟道沟道1 1）MOS管的结构及分类管的结构及分类 N沟道、沟道、P沟道增强型沟道增强型绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管1002）NMOS管的输出特性管的输出特性101（1）vI=vGS VTH,恒流区恒流区,放大放大（3）vI 再增加再增加，MOS管的导管的导通电阻通电阻Ron下降下降,当当RD Ron，VOL0 (开关闭合开关闭合)3）MOS三极管的基本开关电路三极管的基本开关电路102wMOS管相当于一个由栅源电压管相当于一个由栅源电压vGS 控制的无触点开关，控制的无触点开关，当输入信号为低电平时，当输入信号为低电平时，MOS管截止，相当于开关管截止，相当于开关“断开断开”，输出为高电平；，输出为高电平；w当输入信号为高电平时，当输入信号为高电平时，MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区，相当于开关相当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。，输出为低电平。w图中图中Ron为为MOS管导通时的等效电阻，约为管导通时的等效电阻，约为1k。103图图 3-44 MOS管的开关电路管的开关电路4）MOS管开关电路的动态特性管开关电路的动态特性1045）三极管、）三极管、MOS管的比较管的比较cbNPN +edBsgN沟道沟道(增强型增强型)+sgdBP沟道沟道(增强型增强型)-电流控制电流源电流控制电流源电压控制电流源电压控制电流源cbePNP -1053.4.2CMOS反相器的电路结构及反相器的电路结构及工作原理工作原理wCMOS反相器是组成反相器是组成CMOS数字集成系统最基本的数字集成系统最基本的逻辑单元电路。由逻辑单元电路。由NMOS管和管和PMOS管组合而成。管组合而成。106当当vI为高电平时，为高电平时，VN导通，导通，VP截止，截止，vO为低电平。为低电平。由于由于CMOS反相器工作时总是只有一个管子导通，而反相器工作时总是只有一个管子导通，而另一个管子截止，故通常称之为互补式工作方式，因另一个管子截止，故通常称之为互补式工作方式，因而把这种电路叫做而把这种电路叫做互补对称式金属互补对称式金属-氧化物氧化物-半导体电半导体电路，简称路，简称CMOS电路电路。当当vI为低电平时，为低电平时，VP导通，导通，VN截止，截止，vO为高电平。为高电平。1073.4.3COMS反相器的传输特性反相器的传输特性w 用以描述用以描述COMS反相器输出电量与输入电量之反相器输出电量与输入电量之间关系的特性曲线，称为间关系的特性曲线，称为传输特性传输特性。w输出电压输出电压vO随输入电压随输入电压vI 的变化而变化的关系曲的变化而变化的关系曲线，叫做线，叫做电压传输特性电压传输特性。w电源流入反相器的功耗电流电源流入反相器的功耗电流 IDD与输入电压与输入电压vI之之间的关系曲线，叫做间的关系曲线，叫做电流传输特性电流传输特性。1081.CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性w 电压传输特性分为电压传输特性分为5个工作区域：个工作区域：wAB段，段，vI|VTP|，VP管管导通，输出为高电平。导通，输出为高电平。109BC段，段，vIVTN，VN管开管开始导通，但始导通，但vO下降不多，下降不多，而而|vGSP|VTP|，VP管导管导通，输出为高电平。通，输出为高电平。110wCD段段w随着随着vI的继续升高，输出的继续升高，输出vO将进一步下降，将进一步下降，VN和和VP管管均导通，并工作在饱和区，均导通，并工作在饱和区，所以所以vO随随vI改变而急剧变化，改变而急剧变化，这一区段称为传输特性的转这一区段称为传输特性的转折区或放大区。转折区的中折区或放大区。转折区的中点约在点约在vI=1/2VDD,vO=1/2VDD的位置上。的位置上。111w DE段段wvI继续增加时，继续增加时，vO将进一步将进一步下降，下降，VN管进入了低内阻管进入了低内阻的线性区，的线性区，VP仍工作在饱仍工作在饱和区，输出和区，输出vO趋于低电平。趋于低电平。112wEF段段w当输入电压增加到高电平当输入电压增加到高电平（如（如VDD）时，）时，VN导通且导通且工作在线性区，工作在线性区，|vGSP|=|vI-VDD|VTP|，VP管截止，管截止，输出为低电平，近似为输出为低电平，近似为0。113wCMOS器件的电源电压从器件的电源电压从3V到到18V都能正常工作，都能正常工作，当电源电压当电源电压VDD取不同数值时，取不同数值时，CMOS反相器的电反相器的电压传输特性如图所示。压传输特性如图所示。w由图可以看出，随着电源电压由图可以看出，随着电源电压VDD的增加，其噪声的增加，其噪声容限容限VNL和和VNH也都相应地增大。也都相应地增大。1142.CMOS反相器的电流传输特性反相器的电流传输特性w漏极电流漏极电流iD随输入电压随输入电压vI的变化而变化的关系曲的变化而变化的关系曲线，叫做线，叫做电流传输特性电流传输特性。115（1）AB段段，VN管截止，管截止，VP管导通，管导通，电源经电源经 VN管和管和VP 管到地只有一个管到地只有一个微小的漏电流流过，此电流几乎等微小的漏电流流过，此电流几乎等于零。于零。（2）BC段段和和DE段段，VN管和管和VP管都管都同时导通，所以漏极电流较大，而同时导通，所以漏极电流较大，而且在且在VDD/2附近达到最大值。附近达到最大值。（3）EF段段，VP管截止，漏极电流近管截止，漏极电流近似为似为0。116w由以上的分析可知，由以上的分析可知，CMOS反相反相器在静态工作情况下，无论其输器在静态工作情况下，无论其输出是低电平或是高电平，其功耗出是低电平或是高电平，其功耗都极小，这是都极小，这是CMOS反相器得以反相器得以广泛运用的主要原因之一。广泛运用的主要原因之一。1173.4.4 CMOS与非门及或非门与非门及或非门w1.CMOS与非门与非门当输入当输入A、B中只要有中只要有一个一个输入为低电平输入为低电平时，两个串联时，两个串联的的NMOS驱动管中相应的一驱动管中相应的一个截止，两个并联的个截止，两个并联的PMOS负载管相应的一个导通，负载管相应的一个导通，输输出为高电平出为高电平118只有当只有当A、B的输入的输入同时为同时为高电平高电平时，时，NMOS管均导通，管均导通，PMOS管都截止，管都截止，输出为低输出为低电平电平。1192.CMOS或非门或非门当输入当输入A、B中只要有中只要有一个输入一个输入为高电平为高电平时，两个串联的时，两个串联的PMOS驱动管中相应的一个截止，两个驱动管中相应的一个截止，两个并联的并联的NMOS负载管相应的一个负载管相应的一个导通，导通，输出为低电平输出为低电平。只有当只有当A、B的输入的输入同时为低电同时为低电平平时，时，PMOS管均导通，管均导通，NMOS管都截止，管都截止，输出为高电平输出为高电平。1203.4.5 CMOS传输门和双向模拟开关传输门和双向模拟开关当当C为低电平时，为低电平时，VN和和VP管均截止，输入与输出之间管均截止，输入与输出之间为高阻状态，相当于开关断为高阻状态，相当于开关断开。开。当当C为高电平时，对于为高电平时，对于0至至VDD之间的输入信号，两管之间的输入信号，两管总有一个导通，所以总有一个导通，所以vI=vO，相当于开关闭合。相当于开关闭合。121w由于结构的对称性，传输门可作为双向传输器件使由于结构的对称性，传输门可作为双向传输器件使用，即输入和输出可以互换。用，即输入和输出可以互换。w用用CMOS传输门和反相器可构成双向模拟开关。传输门和反相器可构成双向模拟开关。w采用数字信号控制，传输模拟信号。采用数字信号控制，传输模拟信号。122w当控制端当控制端C加高电平时，开关导通，输入信号加高电平时，开关导通，输入信号vI 便传便传输到输出端，输到输出端，vIvO；当控制端；当控制端C加低电平时，输入加低电平时，输入与输出之间被阻断，输出呈高阻状态，相当于开关与输出之间被阻断，输出呈高阻状态，相当于开关断开。断开。1233.4.6 CMOS漏极开路门（漏极开路门（OD门）门）1243.4.7 CMOS三态门（三态门（TS门）门）w和和TTL门电路一样，门电路一样，CMOS电路三态输出门。电路三态输出门。1.在在CMOS反相器的基础反相器的基础上增加一个附加的上增加一个附加的N沟沟道增强型道增强型MOS驱动管驱动管VN和一个附加的和一个附加的P沟道沟道增强型增强型MOS负载管负载管VP。125三态门原理分析三态门原理分析w当使能端为低电平时，当使能端为低电平时，VN和和VP管导通，电路管导通，电路实现反相功能。实现反相功能。（低电平有效）（低电平有效）w当使能端为高电平时，当使能端为高电平时，VN和和VP管均截止，电管均截止，电路为高阻状态。路为高阻状态。低电平有效低电平有效1262.在在CMOS反相器的输出端串接一个反相器的输出端串接一个CMOS双双向模拟开关实现三态输出。向模拟开关实现三态输出。当使能端为低电平时，当使能端为低电平时，TG门导通，电路实现门导通，电路实现反相功能。反相功能。（低电平有效）（低电平有效）当使能端为高电平时，当使能端为高电平时，TG门截止，电路为高门截止，电路为高阻状态。阻状态。1273.增加附加管和门电路组成的增加附加管和门电路组成的CMOS三态门三态门（1）在）在CMOS反相器的基础上附加一个负载管反相器的基础上附加一个负载管VP及及控制用的或非门。控制用的或非门。当使能端为低电平时，或当使能端为低电平时，或非门打开，非门打开，VP管导通，管导通，F=A。（低电平有效）（低电平有效）当使能端为高电平时，当使能端为高电平时，或或非门封锁，电路为高阻状非门封锁，电路为高阻状态。态。128w（2）在）在CMOS反相器的基础上附加一驱动管反相器的基础上附加一驱动管VNw 及控制用的与非门，也能组成及控制用的与非门，也能组成CMOS三态门。三态门。当使能端为高电平时，与当使能端为高电平时，与非门打开，非门打开，VN管导通，管导通，F=A。（高电平有效）（高电平有效）当使能端为低电平时，当使能端为低电平时，与与非门封锁，电路为高阻状非门封锁，电路为高阻状态。态。高电平有效高电平有效1293.4.8CMOS门电路的构成规律与使用门电路的构成规律与使用时的注意事项时的注意事项2.使用使用CMOS集成电路的注意事项集成电路的注意事项w由于由于CMOS输入端很容易因感应静电而被击穿。使输入端很容易因感应静电而被击穿。使用时要注意以下几点：用时要注意以下几点：（1）采用金属屏蔽盒储存或金属纸包装，防止外来采用金属屏蔽盒储存或金属纸包装，防止外来感应电压击穿器件。感应电压击穿器件。（2）工作台面不宜用绝缘良好的材料，如塑料、橡工作台面不宜用绝缘良好的材料，如塑料、橡皮等，防止积累静电击穿器件。皮等，防止积累静电击穿器件。130（3）不用的输入端或者多余的门都不能悬空；输）不用的输入端或者多余的门都不能悬空；输出级所连电容负载不能大于出级所连电容负载不能大于500pF，否则，输出，否则，输出级功率过大会损坏电路。级功率过大会损坏电路。（4）焊接时，应采用）焊接时，应采用20W或或25W内热式电烙铁，内热式电烙铁，烙铁要接地良好，烙铁功率不能过大。烙铁要接地良好，烙铁功率不能过大。（5）调试时，所用仪器仪表、电路箱、板都应良）调试时，所用仪器仪表、电路箱、板都应良好接地。好接地。131（6）严禁带电插、拔器件或拆装电路板，以严禁带电插、拔器件或拆装电路板，以免瞬态电压损坏免瞬态电压损坏CMOS器件。器件。（7）在）在CMOS门电路与门电路与TTL逻辑电路混用时，逻辑电路混用时，一般要注意逻辑电平的匹配。一般要注意逻辑电平的匹配。1323.5 各类逻辑门的性能比较各类逻辑门的性能比较w3.5.1 集成逻辑门系列简介集成逻辑门系列简介 1.集成逻辑门系列简介集成逻辑门系列简介 （1）TTL门电路系列门电路系列 TTL门电路分为门电路分为54（军用）和（军用）和74（商（商 用）两用）两大系列，每个系列又有若干子系列。大系列，每个系列又有若干子系列。133w 74 标准系列标准系列w74L 低功耗系列低功耗系列w74H 高速系列高速系列w74S 肖特基系列肖特基系列w74LS 低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列w74AS 先进的肖特基系列先进的肖特基系列w74ALS 先进的低功耗肖特基系列先进的低功耗肖特基系列134相同品种类型代码的逻辑电路，逻辑功能及引脚相同品种类型代码的逻辑电路，逻辑功能及引脚排列相同。排列相同。7400、74LS00、74ALS00、74HC00、74AHC00管脚图：管脚图：135各子系列各子系列传输延迟传输延迟（ns/门）门）功耗功耗（mW/门）门）扇出系数扇出系数74XX10101074LXX3311074HXX6221074SXX3191074LSXX921074ASXX1.584074ALSXX4120表表3-5 TTL74系列各子系列参数对比系列各子系列参数对比136（2）CMOS门电路系列门电路系列wCMOS门电路可分为门电路可分为4000系列、系列、74CXX系列和系列和硅硅-氧化铝系列等三大系列。氧化铝系列等三大系列。137逻辑系数逻辑系数电源电压电源电压V功耗功耗mW/门门传输延迟传输延迟ns/门门4000B3182.52510074HC/HCTXX261.21074AC/ACTXX260.95表表3-6 各系列各系列CMOS电路的主要技术参数电路的主要技术参数1382.各类逻辑门的性能比较各类逻辑门的性能比较w各类集成逻辑门的主要技术指标如表各类集成逻辑门的主要技术指标如表3-7所示。由表所示。由表可见，在各类逻辑门中，可见，在各类逻辑门中，ECL逻辑门的传输延迟最逻辑门的传输延迟最小，工作速度最高，但抗干扰能力最差，功耗也最小，工作速度最高，但抗干扰能力最差，功耗也最大；大；CMOS逻辑门抗干扰能力和带负载能力都最强，逻辑门抗干扰能力和带负载能力都最强，功耗也最低，但传输延迟较大，工作速度较低。功耗也最低，但传输延迟较大，工作速度较低。139 分类分类参数参数双极型门电路双极型门电路单极型门电路单极型门电路TTLLSTTLECLNMOSCMOS功耗（功耗（mW/门）门）10502501001100.0010.01传输延迟（传输延迟（ns/门）门）104051230040040抗干扰容限（抗干扰容限（V）110.23445%ED抗干扰能力抗干扰能力中中中中弱弱较强较强强强扇出系数（扇出系数（NO）88101015逻辑摆幅（逻辑摆幅（V）3.33.30.834ED电源电压（电源电压（V）55-5.215515电路基本形式电路基本形式与非与非与非与非或或/或非或非或非或非与非与非/或非或非表表3-7 集成逻辑门电路的性能比较集成逻辑门电路的性能比较1403.5.2 TTL逻辑电路与逻辑电路与CMOS逻辑电逻辑电路比较路比较wTTL逻辑电路的特点是：速度快，抗静电能力逻辑电路的特点是：速度快，抗静电能力较强，但是集成度低、功耗大，目前广泛应用较强，但是集成度低、功耗大，目前广泛应用于中、小规模集成电路。于中、小规模集成电路。141（1）制造工艺简单，集成度和成品率较高，便于大规制造工艺简单，集成度和成品率较高，便于大规模集成；模集成；（2）工作电源允许变化的范围大，抗干扰能力强；工作电源允许变化的范围大，抗干扰能力强；（3）在电源到地的回路中，总有在电源到地的回路中，总有MOS管截止，功耗管截止，功耗较低；较低；（4）输入阻抗高。输入阻抗高。而而CMOS具有下列优点：具有下列优点：142w 当前，当前，CMOS逻辑电路已成为与双极型逻辑电逻辑电路已成为与双极型逻辑电路并驾齐驱的另一类集成电路，并且在大规模、路并驾齐驱的另一类集成电路，并且在大规模、超大规模集成电路方面已经超过了双极型逻辑超大规模集成电路方面已经超过了双极型逻辑电路的发展势头。电路的发展势头。1431.1.各种门电路（与、或、非、与非、或非、与或各种门电路（与、或、非、与非、或非、与或 非、异或、同或）的逻辑功能非、异或、同或）的逻辑功能(输入和输出之输入和输出之 间的逻辑关系间的逻辑关系)。2.TTL2.TTL门的外部电气特性（传输特性、输入特性、门的外部电气特性（传输特性、输入特性、输入负载特性、输出特性）。输入负载特性、输出特性）。本章基本要求本章基本要求1445.5.OC（OD）门、三态门、传输门的工作特点。）门、三态门、传输门的工作特点。各种逻辑门的内部电路结构不作要求。各种逻辑门的内部电路结构不作要求。4.4.CMOS门的外部传输特性、输入负载特性。门的外部传输特性、输入负载特性。3.3.扇出系数的计算。扇出系数的计算。