第2章门电路

第第2 2章章 门电路门电路概述概述2.12.1 半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOSMOS管管 的开关特性的开关特性2.22.2 分立元器件门电路分立元器件门电路2.32.3 CMOS CMOS集成门电路集成门电路2.42.4 TTL TTL集成门电路集成门电路本章小结本章小结概述概述一、门电路的概念一、门电路的概念 实实现现基基本本和和常常用用逻逻辑辑运运算算的的电电子子电电路路，叫叫做做逻逻辑辑门门电电路路，简简称称为为门门电电路路。例例如如，实实现现与与运运算算的的叫叫与与门门，实实现现或或运运算算的的叫叫或或门门，实实现现非非运运算算的的叫叫非非门门，也也叫叫做做反反相相器器。类类似似地地，实实现现与与非非、或或非非、与与或或非非、异异或或等等运运算算的的，分分别别叫叫做做与与非非门门、或或非非门门、与与或或非非门门、异或异或门门。二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关 在在二二值值逻逻辑辑中中，逻逻辑辑变变量量的的取取值值不不是是0 0就就是是1 1，是是一一种种二二值值量量。在在数数字字电电路路中中，与与之之对对应应的的是是电电子子开开关关的的两两种种状状态态。二二值值量量与与数数字字电电路路的的结结合合点点，就就是是这这种种两两状状态态的的电电子子开开关关。而而半半导导体体二二极极管管、三三极极管管和和MOSMOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。三、高、低电平与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑 高高电电平平和和低低电电平平：高高电电平平和和低低电电平平是是两两种种状状态态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。正正逻逻辑辑和和负负逻逻辑辑：在在数数字字电电路路中中，用用1 1表表示示高高电电平平，用用0 0表表示示低低电电平平，叫叫做做正正逻逻辑辑赋赋值值，简简称称为为正正逻逻辑辑。在在后后面面各各章章中中，若若无无特特殊殊说说明明，使使用用的的就就是是正逻辑。正逻辑。四、分立元件门电路和集成门电路四、分立元件门电路和集成门电路 分分立立元元件件门门电电路路：用用分分立立的的元元器器件件和和导导线线连连接接起起来来构构成成的的门门电电路路，叫叫做做分分立立元元件件门门电电路路。目目前前虽虽不使用，但可做为入门、做为认识台阶来处理。不使用，但可做为入门、做为认识台阶来处理。集集成成门门电电路路：把把构构成成门门电电路路的的元元器器件件和和连连线线，都都制制作作在在一一块块半半导导体体芯芯片片上上，再再封封装装起起来来，便便构构成成了了集集成成门门电电路路。现现在在使使用用最最多多的的是是CMOSCMOS和和TTLTTL集集成成门门电路。电路。五、数字集成电路的集成度五、数字集成电路的集成度 集集成成度度：一一般般把把在在一一块块芯芯片片中中含含有有等等效效逻逻辑辑门门的个数，或元器件的个数，定义为集成度。的个数，或元器件的个数，定义为集成度。2.1 2.1 二极管、三极管和二极管、三极管和MOSMOS管的开关特性管的开关特性2.1.1 2.1.1 理想开关的开关特性理想开关的开关特性一、静态特性一、静态特性(1)(1)断开时，无论断开时，无论U UAKAK在多大范围内变化，其等效电在多大范围内变化，其等效电阻阻R ROFFOFF=，通过其中的电流，通过其中的电流I IOFFOFF=0=0。(2)(2)闭合时，无论流过其中的电流在多大范围内变闭合时，无论流过其中的电流在多大范围内变化，其等效电阻化，其等效电阻R RONON=0=0，电压，电压U UAKAK=0=0。二、动态特性二、动态特性(1)(1)开通时间开通时间t tonon=0=0，即开关，即开关S S由断开状态转换到闭合由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。状态不需要时间，可以瞬间完成。(2)(2)关断时间关断时间t toffoff=0=0，即开关，即开关S S由闭合状态转换到断由闭合状态转换到断开状态也不需要时间，亦可以瞬间完成。开状态也不需要时间，亦可以瞬间完成。2.1.2 2.1.2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性 半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性一、静态特性一、静态特性1.1.半导体二极管结构示意图、符号和伏安特性半导体二极管结构示意图、符号和伏安特性（1 1）结构示意图和符号）结构示意图和符号 如如图图2.1.22.1.2所示。所示。（2 2）伏安特性）伏安特性 如如图图2.1.32.1.3所示。所示。2.2.半导体二极管的开关作用半导体二极管的开关作用（1 1）开关应用举例）开关应用举例 如如图图2.1.42.1.4所示。所示。（2 2）静态开关特性）静态开关特性 通通过过对对最最简简单单的的二二极极管管开开关关电电路路的的分分析析可可知知硅硅半半导体二极管具有下列静态开关特性：导体二极管具有下列静态开关特性：导通条件及导通时的特点导通条件及导通时的特点 当当外外加加正正向向电电压压U UD D0.7V0.7V时时，二二极极管管导导通通，一一旦旦导通之后，如同一个具有导通之后，如同一个具有0.7V0.7V压降的闭合了的开关。压降的闭合了的开关。当当u uI I=U=UIHIH很很大大时时，便便可可近近似似地地认认为为u uO OUUIHIH ，即即忽忽略二极管导通压降。略二极管导通压降。截止条件及截止时的特点截止条件及截止时的特点 当当外外加加电电压压U UD D0.5V0.5V时时，二二极极管管截截止止，一一旦旦截截止止之后，就近似地认为之后，就近似地认为I ID D 0 0，如同一个断开了的开关。，如同一个断开了的开关。二、动态特性二、动态特性 1.1.二极管的电容效应二极管的电容效应（1 1）结电容）结电容C Cj j 二二极极管管中中的的PNPN结结里里有有电电荷荷存存在在，其其电电荷荷量量的的多多少少是是受受外外加加电电压压影影响响的的，当当外外加加电电压压改改变变时时，PNPN结结里里电电荷荷量量也也随随之之改改变变，这这种种现现象象与与电电容容的的作作用用很很相相似似，并并用用电电容容C Cj j表表示示，称之为称之为结电容结电容。（2 2）扩散电容）扩散电容C CD D 当当二二极极管管外外加加正正向向电电压压时时，P P区区中中的的多多数数载载流流子子空空穴穴，N N区区中中的的多多数数载载流流子子电电子子，越越过过PNPN结结后后，并并不不是是立立即即全全部部复复合合掉掉，而而是是在在PNPN结结两两边边积积累累起起来来，形形成成一一定定的的浓浓度度梯梯度度分分布布，靠靠近近结结边边界界处处浓浓度度高高，离离边边界界越越远远浓浓度度越越低低。也也即即在在PNPN结结边边界界两两边边，因因扩扩散散运运动动而而积积累累了了电电荷荷，而而且且其其电电荷荷量量也也是是随随外外加加电电压压改改变变的的，当当外外加加电电压压增增大大，流流过过二二极极管管中中的的电电流流增增加加时时，这这种种积积累累起起来来的的电电荷荷量量（存存储储电电荷荷量量）也也随随之之成成比比例例地地增增加加。这这种种现现象象与与电电容容的的作作用用也也很很相相似似，并用并用C CD D表示，称之为表示，称之为扩散电容扩散电容。2.2.二极管的开关时间二极管的开关时间（1 1）简单二极管开关电路及）简单二极管开关电路及u uI I和和i iD D的波形的波形 其仿真如其仿真如图图2.1.52.1.5所示。所示。（2 2）开通时间）开通时间t tonon 当输入电压当输入电压u uI I由由U UILIL跳变到跳变到U UIHIH时，二极管时，二极管D D要经要经过导通延迟时间过导通延迟时间t td d=t=t2 2-t-t1 1、上升时间、上升时间t tr r=t=t3 3-t-t2 2之后，之后，才能由截止状态转换到导通状态。才能由截止状态转换到导通状态。t tonon=t=td d-t-tr r（3 3）关断时间）关断时间t toffoff 当输入电压当输入电压u uI I由由U UIHIH 跳变到跳变到U UILIL时，二极管时，二极管D D经过经过存储时间存储时间t ts s=t=t5 5-t-t4 4、下降时间（也叫做渡越时间）、下降时间（也叫做渡越时间）t tf f=t=t6 6-t-t5 5之后，才能由导通状态转换到截止状态。之后，才能由导通状态转换到截止状态。2.1.3 2.1.3 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性一、静态特性一、静态特性1.1.结构示意图、符号和输入、输出特性结构示意图、符号和输入、输出特性（1 1）结构示意图和符号）结构示意图和符号 （2 2）输入特性）输入特性 （3 3）输出特性）输出特性2.2.半导体三极管的开关应用半导体三极管的开关应用（1 1）开关应用举例）开关应用举例 如如图图2.1.92.1.9所示所示 仿真仿真图图2.1.92.1.9所示所示（2 2）静态开关特性）静态开关特性 饱饱和和导导通通条条件件：i iB BI IBSBSVVCCCC/R/RC C时时，三三极极管管一一定饱和。定饱和。饱饱和和导导通通特特点点：饱饱和和导导通通以以后后u uBEBE0.7V0.7V ，u uCECE=U=UCESCES0.3V 0.3V 如同闭合了的开关。如同闭合了的开关。截止条件截止条件:u:uBEBEU UO O=0.5V=0.5V 截止时的特点截止时的特点:i:iB B00，i iC C00如同断开的开关。如同断开的开关。二、动态特性二、动态特性1.1.开关电路中开关电路中u uI I和和i iC C的波形的波形2.2.开关时间开关时间（1 1）开通时间：）开通时间：t tonon 当当u uI I由由U UILIL=-2V=-2V跳跳变变到到U UIHIH=3V=3V时时，三三极极管管需需要要经经过过导导通通延延迟迟时时间间t td d=t=t2 2-t-t1 1、上上升升时时间间t tr r=t=t3 3-t-t2 2之之后后，才才能能由由截止状态转换到饱和导通状态。截止状态转换到饱和导通状态。t tonon=t=td d+t+tr r （2 2）断开时间：）断开时间：t toffoff 当当u uI I由由U UIHIH=3V=3V跳跳变变到到U UILIL=-2V=-2V时时，三三极极管管需需要要经经过过存存储储时时间间t tS S=t=t5 5-t-t4 4、下下降降时时间间t tf f=t=t6 6-t-t5 5之之后后，才才能能由由饱饱和和导通状态转换到截止状态。导通状态转换到截止状态。t toffoff=t=ts s+t+tf f2.1.4 MOS2.1.4 MOS管的开关特性管的开关特性 MOSMOS管管最最显显著著的的特特点点也也是是具具有有放放大大能能力力。不不过过它它是是通通过过栅栅极极电电压压u uGSGS控控制制其其工工作作状状态态的的，是是一一种种具具有有放放大特性的由电压大特性的由电压u uGSGS控制的开关元件。控制的开关元件。一、静态特性一、静态特性1.1.结构示意图、符号、漏极特性和转移特性结构示意图、符号、漏极特性和转移特性（1 1）结构示意图和符号）结构示意图和符号（2 2）漏极特性）漏极特性（3 3）转移特性）转移特性 （4 4）P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管2.MOS2.MOS管的开关作用管的开关作用（1）开关应用举例仿真如）开关应用举例仿真如图图2.1.152.1.15所示。所示。（2）静态开关特性）静态开关特性 截止条件和截止时的特点截止条件和截止时的特点 截止条件截止条件:当当MOSMOS管栅源电压管栅源电压u uGSGS小于其开启电小于其开启电U UTN TN 时，时，将处于截止状态。将处于截止状态。截止时的特点截止时的特点:MOS:MOS管如同一个断开了的开关。管如同一个断开了的开关。导通条件及导通时的特点导通条件及导通时的特点 导通条件：当导通条件：当u uGSGS大于大于U UTN TN 时，时，MOSMOS管将工作在导通状态。管将工作在导通状态。导通时的特点：导通时的特点：MOSMOS管如同一个闭合了的开关。管如同一个闭合了的开关。二、动态特性二、动态特性 1.MOS1.MOS管极间电容管极间电容 MOSMOS管管三三个个电电极极之之间间，均均有有电电容容存存在在，它它们们分分别别是是栅栅源源电电容容C CGSGS、栅栅漏漏电电容容C CGDGD和和漏漏源源电电容容C CDSDS。C CGSGS、C CGDGD一一般般为为1-3pF1-3pF，C CDSDS约约为为0.1-1pF0.1-1pF。在在数数字字电电路路中中，MOSMOS管管的的动动态态特特性性，即即开开关关速速度度是是受受这这些些电电容容充充、放放电过程制约的。电过程制约的。2.2.开关时间开关时间（1 1）u uI I和和i iD D的波形的波形 在在图图2.1.15(a)2.1.15(a)所所示示MOSMOS管管开开关关电电路路中中，当当u uI I为为矩矩形波时，相应形波时，相应i iD D的波形如的波形如图图2.1.162.1.16所示。所示。（2 2）开通时间）开通时间 t tonon=t=td1d1+t+tr r 当当u uI I由由U UILIL=0=0跳变到跳变到U UIH IH=V=VDDDD时，时，MOSMOS管需要经过导管需要经过导通延迟时间通延迟时间t td1d1和上升时间和上升时间t tr r之后，才能由截止状态之后，才能由截止状态转换到导通状态。转换到导通状态。（3 3）断开时间）断开时间 t toffoff=t=td2d2+t+tf f 当当u uI I由由U UIHIH=V=VDDDD跳变到跳变到U UILIL=0V=0V时，时，MOSMOS管需经过关断管需经过关断延迟时间延迟时间t td2d2和下降时间和下降时间t tf f之后，才由导通状态转换之后，才由导通状态转换到截止状态。到截止状态。2.2 2.2 分立元器件门电路分立元器件门电路 由由分分立立的的半半导导体体二二极极管管、三三极极管管和和MOSMOS管管以以及及电电阻阻等等元元件件组组成成的的门门电电路路，叫叫做做分分立立元元件件门门电电路路。这这里里只简单介绍二极管只简单介绍二极管与与门、门、或或门和三极管反相器门和三极管反相器非非门。门。2.2.1 2.2.1 二极管与门和或门二极管与门和或门一、二极管与门一、二极管与门 1.1.电路组成和符号电路组成和符号 组成组成 符号如符号如图图2.2.12.2.1和仿真如和仿真如图图2.2.12.2.1所示所示 2.2.工作原理工作原理电压关系表电压关系表 输入、输出电压关系有四种情况：输入、输出电压关系有四种情况：(1)u(1)uA A=u=uB B=0V=0V 时时 u uY Y=u=uA A+u+uD1D1=u=uB B+u+uD2D2=(0+0.7)V=0.7V=(0+0.7)V=0.7V(2)u(2)uA A=0V=0V、u uB B=3V=3V 时时 使：使：u uY Y=u=uA A+u+uD1D1=(0+0.7)V=0.7V=(0+0.7)V=0.7V 导至导至:u:uD2 D2=u=uY Y-u-uB B=(0.7-3)V=-2.3V=(0.7-3)V=-2.3V(3)u(3)uA A=3V=3V、u uB B=0V=0V 时时 u uY Y=u=uB B+u+uD2D2=(0+0.7)V=0.7V=(0+0.7)V=0.7V(4)u(4)uA A=u=uB B=3V=3V，u uY Y被钳位在被钳位在3.7V3.7V。整理估算结果，可得电压关系表如整理估算结果，可得电压关系表如表表2.2.12.2.1所示。所示。设定变量、状态赋值、列真值表设定变量、状态赋值、列真值表(1)(1)设定变量：用设定变量：用A A、B B、Y Y分别表示分别表示u uA A、u uB B、u uY Y。(2)(2)状态赋值：用状态赋值：用0 0表示低电平，用表示低电平，用1 1表示高电平。表示高电平。(3)(3)列真值表如列真值表如表表2.2.22.2.2所示。所示。二、二极管或门二、二极管或门 1.1.电路组成和符号电路组成和符号 组成组成 符号如符号如图图2.2.22.2.2和仿真如和仿真如图图2.2.22.2.2所示所示2.2.工作原理工作原理 电压关系表电压关系表 输入、输出电压关系也有四种情况：输入、输出电压关系也有四种情况：(1)u(1)uA A=u=uB B=0V=0V时时,D,D1 1、D D2 2均导通均导通,u,uY Y=(0-0.7)V=-0.7V;=(0-0.7)V=-0.7V;(2)u(2)uA A=0V=0V、u uB B=3V=3V，D D2 2 导通，导通，D D1 1反向偏置截止，反向偏置截止，u uY Y=(3-0.7)V=2.3V=(3-0.7)V=2.3V；(3)u(3)uA A=3V=3V、u uB B=0V=0V，D D1 1导通，导通，D D2 2反向偏置截止，反向偏置截止，u uY Y=(3-0.7)V=2.3V=(3-0.7)V=2.3V；(4)u(4)uA A=u=uB B=3V=3V，D D1 1、D D2 2均导通，均导通，u uY Y=(3-0.7)V=2.3V=(3-0.7)V=2.3V。整理分析，即可得到电压关系表如整理分析，即可得到电压关系表如表表2.2.32.2.3所示。所示。真值表真值表 由表由表2.2.32.2.3列出真值表如列出真值表如表表2.2.42.2.4所示。所示。根据表根据表2.2.12.2.1和表和表2.2.32.2.3得到的将是如表得到的将是如表2.2.52.2.5和和表表2.2.62.2.6所示的真值表。所示的真值表。可见：正与门和负或门等同可见：正与门和负或门等同 正或门和负与门等同正或门和负与门等同2.2.2 2.2.2 三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）一、半导体三极管非门一、半导体三极管非门1.1.电路组成和符号：如仿真电路组成和符号：如仿真图图2.2.32.2.3所示。所示。2.2.工作原理工作原理（1 1）u uI I=u=uILIL=0V=0V时，时，i iB B=0=0、i iC C=0=0，所以，所以u uO O=U=UOHOH=V=VCCCC=5V=5V。（2 2）u uI I=u=uIHIH=5V=5V时，时，i iB B=(U=(UIHIH-u-uBE BE)/R)/Rb b=(5-0.7)/4.3=1mA=(5-0.7)/4.3=1mA I IBSBSVVCC CC/(R/(Rc c)=5/(30)=5/(301)0.17mA1)0.17mA 由于由于i iB B I IBS BS，T T饱和导通，饱和导通，u uO O=U=UOL OL=U=UCESCES0.3V0.3V。整整理理分分析析估估算算结结果果可可得得图图2.2.3(a)2.2.3(a)所所示示电电路路的的输输入入、输输出出电电压压关关系系表表如如表表2.2.72.2.7所所示示，其其真真值值表表如如表表2.2.82.2.8所示。所示。二、二、MOSMOS三极管非门三极管非门1.1.电路组成和符号：如仿真电路组成和符号：如仿真图图2.2.42.2.4所示。所示。2.2.工作原理工作原理（1 1）u uI I=u=uIL IL=0V=0V时，由于时，由于u uGSGS=U=UILIL=0V=0V，小于开启电压，小于开启电压U UTNTN=2V=2V，MOSMOS管是截止的，故：管是截止的，故：u uO O=U=UOHOH=V=VDDDD=10V=10V。（2 2）u uI I=u=uIHIH=10V=10V时，由于时，由于u uGSGS=U=UIHIH=10V=10V，大于开启电压，大于开启电压U UTNTN=2V=2V，MOSMOS管导通所以：管导通所以：u uO O=U=UOLOL=V=VCCCC R RODOD/(R/(RONON+R+RD D)0V0V 整理分析估算结果，可得如整理分析估算结果，可得如表表2.2.92.2.9所示电压关系所示电压关系表，其真值表如表，其真值表如表表2.2.102.2.10所示。所示。2.3 CMOS2.3 CMOS集成门电路集成门电路2.3.1 CMOS2.3.1 CMOS反相器反相器一、电路组成及其工作原理一、电路组成及其工作原理1.1.电路组成电路组成 仿真仿真图图2.3.12.3.1所示。所示。T TP P是是P P沟沟道道增增强强型型MOSMOS管管，假假定定其其开开启启电电压压为为U UTPTP=-2V=-2V，是是T TN N是是N N沟沟道道增增强强型型MOSMOS管管，假假定定其其开开启启电电压压为为U UTNTN=2V=2V，两两者者按按照照互互补补对对称称形形式式连连接接起起来来便便构构成成了了CMOSCMOS反反相相器器。2.2.工作原理工作原理(1).u(1).uA A=0V=0V时时u uGSNGSN=0V=0VU UTNTN，T TN N截止截止u uGSPGSP=u=uA A-V-VDDDD=(0-10)V=-10V=(0-10)V=-10VU UTPTP ，T TP P导通。导通。简简 化化 等等 效效 电电 路路 如如 图图 2.3.1(b)2.3.1(b)所所 示示，输输 出出 电电 压压u uY Y=V=VDDDD=10V.=10V.(2).u(2).uA A=10V=10V时时u uGSNGSN=10V=10VU UTNTN，T TN N导通；导通；u uGSPGSP=u=uA A-V-VDDDD=(10-10)V=0V=(10-10)V=0VU UTPTP ，T TP P截止。截止。简化等效电路如简化等效电路如图图2.3.1(c)2.3.1(c)所示，输出电压所示，输出电压u uY Y=0V=0V。3.3.输入端保护电路输入端保护电路 MOSMOS管管的的输输入入电电阻阻很很高高，在在101010 10 以以上上，输输入入电电容容只只有有几几pFpF个个，而而栅栅极极与与沟沟道道之之间间的的二二氧氧化化硅硅绝绝缘缘层层，厚厚度度在在1010-2-2mm左左右右，其其耐耐压压大大约约在在80100V80100V，即即使使很很小小的的感感应应电电荷荷源源，也也可可以以使使电电荷荷迅迅速速地地积积累累起起来来，形形成成高高压压，产产生生介介质质击击穿穿，从从而而使使电电路路遭遭到到永永久损坏。久损坏。如如仿仿真真图图2.3.22.3.2所所示示，是是带带输输入入端端保保护护网网络络的的CMOSCMOS反反相相器器。在在正正常常工工作作时时，由由于于u uA A只只在在0V0V和和V VDDDD之之间间变变化化，保保护护二二极极管管均均处处在在截截止止状状态态，所所以以不不影影响响电电路路功功能能。当当输输入入端端电电压压出出现现高高于于V VDDDD+u+uDFDF或或低低于于-u-uDFDF时时，相相应应保保护护二二极极管管就就会会导导通通，从从而而把把T TN N、T TP P栅栅极极电电位位限限制制在在-u-uDF DF-(V-(VDDDD+u+uDF DF)范范围围内内，因因此此不不会会发发生生SiOSiO2 2介介质质被击穿的现象。被击穿的现象。电电阻阻R RS S与与C C1 1、C C2 2组组成成的的积积分分网网络络，可可衰衰减减干干扰扰电电压压，提提高高电电路路工工作作的的可可靠靠性性。但但是是，积积分分电电路路对对输输入入信信号号也也会会产产生生延延时时作作用用，影影响响反反相相器器的的工工作作速速度度，所所以以R RS S不能太大。不能太大。二、静态特性二、静态特性1.1.输入特性输入特性 反反映映i iI I=f(u=f(uI I)的的曲曲线线，叫叫做做输输入入伏伏安安特特性性曲曲线线，简简称为输入特性。如称为输入特性。如图图2.3.32.3.3所示。所示。由由于于MOSMOS管管是是电电压压控控制制器器件件，输输入入电电阻阻极极高高，静静态态情况下栅极不会有电流情况下栅极不会有电流.当当u uI I在在-u-uDFDF和和V VDDDD+u+uDFDF之之间间变变化化时时，i iD D00；当当u uI I V VDDDD+u+uDFDF时时，D D3 3导导通通，i iI I从从输输入入端端经经D D3 3流流入入V VDDDD ，i iI I将将随随着着u uI I的的增增加加而而急急剧剧增增加加，输输入入特特性性中中相相应应曲曲线线反反映映了了D D3 3正正向导通时的情况；向导通时的情况；当当u uI I-u-uDFDF时时，D D1 1导导通通，i iI I经经D D1 1、R RS S从从输输入入端端流流出出，输入特性中相应曲线部分的斜率为输入特性中相应曲线部分的斜率为1/R1/RS S 。2.2.输出特性输出特性 反反映映i iO O=f(u=f(uO O)的的曲曲线线，叫叫做做输输出出伏伏安安特特性性曲曲线线，简称为输出特性。如简称为输出特性。如图图2.3.42.3.4所示。所示。(1).u(1).uI I为为低低电电平平，即即u uI I=U=UILIL=0V=0V时时，T TN N截截止止、T TP P导导通通，u uO O为为高高电电平平，即即u uO O=U=UOHOH ，带带拉拉电电流流负负载载。电电流流i iO O从从V VDDDD经经T TP P流出，供给负载流出，供给负载R RL L。(2).u(2).uI I为为高高电电平平，即即u uI I=U=UIHIH=V=VDDDD时时，T TN N导导通通、T TP P截截止止，u uO O为为低低电电平平，即即u uO O=U=UOLOL，带带灌灌电电流流负负载载。电电流流i iO O从从V VDDDD经经负负载载R RL L流入反相器。流入反相器。3.3.传输特性传输特性 略。略。三、动态特性三、动态特性1.1.传输延迟时间传输延迟时间 如如图图2.3.62.3.6所所示示，是是CMOSCMOS反反相相器器带带电电容容性性负负载载时时的的电路和输入、输出电压波形。电路和输入、输出电压波形。当当u uI I改改变变取取值值时时，CMOSCMOS反反相相器器的的状状态态转转换换总总是是伴伴随随着着输输入入、输输出出电电容容的的充充、放放电电过过程程。电电容容上上电电压压是是不不能能突突变变的的，所所以以反反相相器器输输出出电电压压u uO O的的变变化化总总是是滞滞后后于输入电压的。于输入电压的。2.2.输出端状态转换时间输出端状态转换时间 当当输输入入电电压压u uI I改改变变取取值值时时，输输出出端端状状态态将将产产生生相相应应变变化化，相相伴伴随随的的是是C CL L的的充充电电、放放电电过过程程，状状态态转转换换时时 间间，基基 本本 上上 就就 是是 C CL L的的 充充 电电 和和 放放 电电 时时 间间。如如 图图2.3.7(b)2.3.7(b)所示。所示。3.3.交流噪声容限交流噪声容限 一一般般地地说说，干干扰扰噪噪声声都都是是一一些些无无规规则则的的脉脉冲冲信信号号，用用交交流流噪噪声声容容限限可可以以表表示示反反相相器器对对这这些些脉脉冲冲信信号号的的干干扰扰能能力力。反反相相器器对对输输入入信信号号的的响响应应总总是是有有一一定定的的延延时时，如如果果干干扰扰脉脉冲冲持持续续的的时时间间很很短短，显显然然这这样样的的脉脉冲冲信信号号对对电电路路不不会会起起作作用用。所所以以，反反相相器器对对窄窄脉脉冲冲的的噪噪声声容容限要高于其直流噪声容限。如限要高于其直流噪声容限。如图图2.3.82.3.8所示。所示。4.4.动态功耗动态功耗 在在状状态态转转换换过过程程中中，CMOSCMOS反反相相器器瞬瞬态态电电流流很很大大，会会产产生生所所谓谓动动态态功功耗耗，其其大大小小与与电电源源电电压压V VDDDD、u uI I变变化化的的重重复复频频率率，负负载载电电容容的的容容量量等等因因素素有有关关，它它们们的的数数值值越越大大，动动态态功功耗耗也也越越大大。CMOSCMOS反反相相器器的的静静态态功功耗耗很很小，可忽略。小，可忽略。四、四、CMOSCMOS反相器的主要参数和常用型号反相器的主要参数和常用型号1.1.主要参数主要参数 在在CMOSCMOS集集成成电电路路手手册册中中，一一般般给给出出在在一一定定测测试试条条件下测出的下列参数：件下测出的下列参数：1.I1.IDDDD：静态电源电流，给出最大值。：静态电源电流，给出最大值。2.I2.IOLOL：输出低电平电流，给出最小值。：输出低电平电流，给出最小值。3.I3.IOHOH：输出高电平电流，给出最小值。：输出高电平电流，给出最小值。4.I4.II I：输入电流，给出最大值。：输入电流，给出最大值。5.U5.UOLOL：输出低电平电压，给出最大值。：输出低电平电压，给出最大值。6.U6.UOHOH：输出高电平电压，给出最小值。：输出高电平电压，给出最小值。7.U7.UILIL：输入低电平电压，给出最大值。：输入低电平电压，给出最大值。8.U8.UIHIH：输入高电平电压，给出最小值。：输入高电平电压，给出最小值。9.t9.tPHLPHL、t tPLHPLH：传输延迟时间，给出最大值。：传输延迟时间，给出最大值。10.t10.tTHLTHL、t tTLHTLH：输出端状态转换时间，给出最大值。：输出端状态转换时间，给出最大值。11.C11.CI I：输入电容，给出最大值。：输入电容，给出最大值。2.2.常用型号常用型号 CC4069CC4069是是最最常常用用的的CMOSCMOS反反相相器器，在在一一个个芯芯片片中封装了六个单元，称为六反相器电路。中封装了六个单元，称为六反相器电路。其其单单元元电电路路如如图图2.3.3(a)2.3.3(a)所所示示，电电源源电电压压V VDDDD的的范范围围为为3 318V18V。它它具具有有对对称称的的驱驱动动能能力力，即即I IOLOL=I=IOHOH，传输延迟时间比较短，传输延迟时间比较短，t tPHLPHL、t tPLHPLH60ns60ns。2.3.2 CMOS2.3.2 CMOS与非门、或非门、与门和或门与非门、或非门、与门和或门一、一、CMOSCMOS与非门与非门1.1.电路组成及符号电路组成及符号 在在图图2.3.9(a)2.3.9(a)中，两个中，两个P P沟道沟道MOSMOS管管T TP1P1、T TP2P2并联，并联，两个两个N N沟道沟道MOSMOS管管T TN1N1、T TN2N2串联，串联，T TP2P2、T TN2N2的栅极连接成的栅极连接成输入端输入端A A，T TP1P1、T TN1N1的栅极连接成输入端的栅极连接成输入端B B。图图2.3.9(b)2.3.9(b)是与非门的逻辑符号。仿真是与非门的逻辑符号。仿真图图2.3.92.3.9所示。所示。2.2.工作原理工作原理 在在图图2.3.9(a)2.3.9(a)中，中，u uA A、u uB B只要有一个为低电平只要有一个为低电平0V0V，T TN1N1、T TN2N2中总有一个截止，中总有一个截止，T TP1P1、T TP2P2中总有一个导通，中总有一个导通，u uY Y一定为高电平一定为高电平10V10V；只有当；只有当u uA A、u uB B同时高电平同时高电平10V10V时，时，T TN1N1、T TN2N2才都导通，才都导通，T TP1P1、T TP2P2才都截止，才都截止，u uY Y才为低电平才为低电平0V0V。则电平关系与真值表如则电平关系与真值表如表表2.3.12.3.1和和表表2.3.22.3.2所示，可得所示，可得Y=AY=AB B。二、二、CMOSCMOS或非门或非门1.1.电路组成及符号电路组成及符号 在在图图2.3.10(a)2.3.10(a)中，串联起来的是两个中，串联起来的是两个P P沟道增强沟道增强型型MOSMOS管，并联起来的是两个管，并联起来的是两个N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管，管，T TP1P1、T TN1N1的栅极连接起来是输入端的栅极连接起来是输入端A A，T TP2P2、T TN2N2的栅极连接起的栅极连接起来成为输入端来成为输入端B B。仿真。仿真图图2.3.102.3.10所示。所示。2.2.工作原理工作原理 在在图图2.3.102.3.10中，中，u uA A、u uB B只要有一个为高电平只要有一个为高电平10V10V，T TP1 P1、T TP2P2中就有一个截止，中就有一个截止，T TN1 N1、T TN2N2中就有一个导通，中就有一个导通，因此输出因此输出u uY Y为低电平为低电平0V0V；只有当；只有当u uA A、u uB B同时低电平同时低电平0V0V时，时，T TP1P1、T TP2P2才都导通，才都导通，T TN1N1、T TN2N2才都截止，因此才都截止，因此u uY Y才会为高才会为高电平电平10V10V。其电平关系与真值表如。其电平关系与真值表如表表2.3.32.3.3和和表表2.3.42.3.4所示，由所示，由表表2.3.42.3.4得得Y=A+BY=A+B。三、三、CMOSCMOS与门和或门与门和或门1.CMOS1.CMOS与门：在基本与门：在基本CMOSCMOS与非门与非门图图2.3.9(a)2.3.9(a)所示电路所示电路的输出端，再加一个反相器，便构成了与门，逻辑图的输出端，再加一个反相器，便构成了与门，逻辑图如如图图2.3.112.3.11所示。所示。2.CMOS2.CMOS或门：在基本或门：在基本CMOSCMOS或非门或非门图图2.3.10(a)2.3.10(a)所示电路所示电路的输出端，再加一个反相器，便构成了或门，逻辑图的输出端，再加一个反相器，便构成了或门，逻辑图如如图图2.3.122.3.12所示。所示。四、带缓冲的四、带缓冲的CMOSCMOS与非门和或非门与非门和或非门1.1.基本电路的主要缺点：（基本电路的主要缺点：（1 1）.使电路的输出特性不使电路的输出特性不对称；（对称；（2 2）.使电路的电压传输特性发生偏移。使电路的电压传输特性发生偏移。2.2.带缓冲的门电路：在基本电路的输入端和输出端附带缓冲的门电路：在基本电路的输入端和输出端附加上反相器，便构成了带缓冲的门电路。如加上反相器，便构成了带缓冲的门电路。如图图2.3.132.3.13所示。仿真所示。仿真图图2.3.13(a)2.3.13(a)所示。所示。2.3.3 CMOS2.3.3 CMOS与或非门和异或门与或非门和异或门一、一、CMOSCMOS与或非门与或非门1.1.电路组成及符号：如电路组成及符号：如图图2.3.142.3.14,仿真仿真图图2.3.142.3.14。2.2.工作原理：由工作原理：由图图2.3.14(b)2.3.14(b)可以很容易得到：可以很容易得到：Y=AY=AB BC CD=AD=AB BC CD=AD=AB+CB+CD D 可可 见见 图图2.3.14(a)2.3.14(a)是是CMOSCMOS与与或或非非门门。CMOSCMOS与与或或非非门门也也可可以以与与门门和和或或非非门门组组合合起起来来构构成成，如如图图2.3.152.3.15，仿仿真真图图2.3.152.3.15所示。所示。二、二、CMOSCMOS异或门异或门1.1.电路组成及符号：如电路组成及符号：如图图2.3.162.3.16所示。所示。2.2.工作原理：工作原理：Y=AY=AB B 其真值表如其真值表如表表2.3.52.3.5所示，所示，则则Y=AB+AB=AB Y=AB+AB=AB 直接用与非门构成异或门如直接用与非门构成异或门如图图2.3.172.3.17所示，则所示，则Y=AY=AABABABABB=AB+AB=AB B=AB+AB=AB 2.3.4 CMOS2.3.4 CMOS传输门、三态门和漏极开路门传输门、三态门和漏极开路门一、一、CMOSCMOS传输门传输门1.1.电路组成及符号电路组成及符号 如如图图2.3.182.3.18所示。所示。2.2.工作原理工作原理 传传输输门门实实际际上上是是一一种种可可以以传传送送模模拟拟信信号号的的压压控控开开关，当然也可以传送数字信号。关，当然也可以传送数字信号。(1).(1).当当C=1C=1、C=0C=0，时时，T TP P、T TN N均均导导通通，即即传传输输门门导导通，通，u uO O=u=uI I。可以是。可以是0V0V到到V VDDDD的任意电压。的任意电压。(2).(2).当当C=0C=0、C=1C=1，时时，T TP P、T TN N均均截截止止，即即传传输输门门截截止，输入和输出之间是断开的。止，输入和输出之间是断开的。二、二、CMOSCMOS三态门三态门1.1.电路组成及符号电路组成及符号 如如图图2.3.192.3.19所示。所示。2.2.工作原理工作原理(1).(1).当当EN=1EN=1，即即为为高高电电平平V VDDDD时时，T TP2P2、T TN2N2均均截截止止，Y Y与与地和电源都断开了，输出端为高阻状态，用地和电源都断开了，输出端为高阻状态，用Y=ZY=Z表示。表示。(2).(2).当当EN=0EN=0，即即为为低低电电平平0V0V时时，T TP2P2、T TN2N2均均导导通通，T TP1P1、T TN1N1构构成成反反相相器器，故故Y=AY=A，A=0A=0时时Y=1Y=1，为为高高电电平平；A=1A=1时时Y=0Y=0，为低电平。其真值表如，为低电平。其真值表如表表2.3.62.3.6所示。所示。3.3.三态门逻辑符号控制端电平的约定三态门逻辑符号控制端电平的约定控制端有小圆圈为低电平有效，反之高电平有效。控制端有小圆圈为低电平有效，反之高电平有效。三、三、CMOSCMOS漏极开路门（漏极开路门（ODOD门）门）1.1.电路组成及符号：如电路组成及符号：如图图2.3.212.3.21所示。所示。2.2.主要特点主要特点（1 1）输输出出MOSMOS管管的的漏漏极极是是开开路路的的，如如图图2.3.21(a)2.3.21(a)中中虚虚线线部部分分，工工作作时时必必须须外外接接电电源源V VDDDD和和电电阻阻R RD D，电电路路才才能能工工作作，实实现现Y=AY=AB B；若若不不外外接接电电源源V VDDDD和和电电阻阻R RD D，则则电电路不能工作。路不能工作。（2 2）可可以以实实现现线线与与功功能能，即即可可以以把把几几个个ODOD门门的的输输出出端端，用用导导线线连连接接起起来来实实现现与与运运算算。在在图图2.3.222.3.22中中，给给出出的的是两个是两个ODOD门进行线与连接的电路。门进行线与连接的电路。（3 3）.可可以以实实现现逻逻辑辑电电平平变变换换。因因为为ODOD门门输输出出MOSMOS管管漏漏极极电电源源是是外外接接的的，U UOHOH随随V VDDDD的的不不同同而而改改变变，所以能够方便地实现电平移位。所以能够方便地实现电平移位。（4 4）.带带负负载载能能力力强强。输输出出为为高高电电平平时时带带拉拉电电流流负负载载的的能能力力I IOHOH，决决定定于于外外接接电电源源V VDDDD和和电电阻阻R RD D；输输出出低低电电平平时时带带灌灌电电流流负负载载能能力力I IOLOL，由由输输出出MOSMOS管管的的容量决定，比较大。容量决定，比较大。2.3.5 2.3.5 CMOSCMOS电电路路产产品品系系列列、主主要要特特点点和和使用中应注意的几个问题使用中应注意的几个问题CMOSCMOS门门是是构构成成各各种种CMOSCMOS电电路路的的基基本本单单元元，它它属属于于小小规规模模集集成成电电路路，CMOSCMOS电电路路发发展展十十分分迅迅速速，不不仅仅SSISSI品品种种齐齐全全，MSIMSI、LSILSI、VLSIVLSI也也是是种种类类繁繁多多，是是目目前前应应用用最最广广泛泛的的数数字字集集成成电路。电路。一、一、CC4000CC4000系列集成电路系列集成电路 CC4000CC4000系系列列，是是符符合合国国家家标标准准的的CMOSCMOS集集成成电电路路，电电源源电电压压V VDDDD为为3 318V18V，产产品品的的输输入入端端和和输输出出端端都都加加反反相相器器作作为为缓缓冲冲级级，具具有有对对称称的的驱驱动动能能力力和和输输出出波波形形，高高、低低电电平平的的抗抗干干扰扰能能力力相相同同，功功能能和和外外部部引引线线排排列列与与对对应应序序号号的的国国外外产产品品一一致致，是是当当前前发发展展最最快快、应应用用最普遍的最普遍的CMOSCMOS器件。器件。C000C000系系列列，是是我我国国早早期期的的CMOSCMOS集集成成电电路路，电电源源电电压压V VDDDD为为7 715V15V，要要特特别别注注意意的的是是，这这种种产产品品外外部部引引线线排排列列顺顺序序为为CC4000CC4000系系列列不不一一样样，遇遇到到时时要要查查阅阅有有关关手手册。册。二、高速二、高速CMOSCMOS即即HCMOSHCMOS集成电路集成电路 一一般般CMOSCMOS电电路路工工作作速速度度较较低低，标标准准门门的的传传输输延延迟迟时时间间在在75ns75ns左左右右。在在高高速速CMOSCMOS集集成成电电路路中中，由由于于在在制制作作工工艺艺等等方方面面做做了了许许多多改改进进，因因而而其其工工作作速速度度得得到到很很大大提提高高，逻逻辑辑门门的的传传输输延延迟迟时时间间已已经经缩缩短短到到6 610ns10ns，采用采用Bi-COMSBi-COMS的逻辑门的传输延迟时间为的逻辑门的传输延迟时间为2.9ns2.9ns。目前国家生产的目前国家生产的HCMOSHCMOS电路主要是电路主要是54/7454/74系列包括：系列包括：54/74HC54/74HC，是带缓冲输出的，是带缓冲输出的HCMOSHCMOS电路；电路；54/74HCU54/74HCU，是不带缓冲输出的，是不带缓冲输出的HCMOSHCMOS电路；电路；54/74HCT54/74HCT，是是与与即即将将要要介介绍绍的的LSTTLLSTTL集集成成电电路路完完全全兼兼容的容的HCMOSHCMOS电路。电路。三、三、CMOSCMOS集成电路的主要特点集成电路的主要特点1.1.功耗极低。功耗极低。CMOSCMOS集成电路静态功耗非常小。集成电路静态功耗非常小。2.2.电源电压范围宽。电源电压范围宽。CC4000CC4000系列，系列，V VDDDD=3=318V18V3.3.抗干扰能力强。保证值不小于抗干扰能力强。保证值不小于0.3V0.3VDDDD4.4.逻辑摆幅大。逻辑摆幅大。U UL L0V0V，U UOHOHVVDDDD5.5.输入电阻极高。输入电阻可达输入电阻极高。输入电阻可达10108 8以上。以上。6.6.扇出能力强。带同类门电路个数叫扇出系数扇出能力强。带同类门电路个数叫扇出系数7.7.集成度可很高，温度稳定性好。集成度可很高，温度稳定性好。8.8.抗辐射能力强。抗辐射能力强。9.9.成本低。成本低。四、四、CMOSCMOS电路使用中应注意的几个问题电路使用中应注意的几个问题1.1.注意输入端的静电防护注意输入端的静电防护2.2.注意输入电路的过流保护注意输入电路的过流保护3.3.注意电源电压极性、防止输出端短路注意电源电压极性、防止输出端短路2.4 TTL2.4 TTL集成门电路集成门电路2.4.1 TTL2.4.1 TTL反相器反相器一、电路组成及其工作原理一、电路组成及其工作原理1.1.电路组成：如仿真电路组成：如仿真图图2.4.12.4.1所示。所示。2.2.工作原理工作原理(1)u(1)uI I=U=UILIL=0V=0V时时，T T1 1基基极极电电流流i iB1B1流流入入发发射射极极，即即由由反反相相器器输输入入端端流流出出，因因此此i iB2B2=0=0，T T2 2截截止止，显显然然T T4 4基基极极也也没没有有电电流流，也也截截止止。而而T T3 3和和D D将将导导通通，输输出出为为高高电电平平，u uO O=U=UOHOH=3.6V=3.6V。(2)u(2)uI I=U=UIHIH=3.6V=3.6V时时，T T1 1倒倒置置，即即发发射射极极和和集集电电极极颠颠倒倒，i iB1B1流流入入T T2 2基基极极，使使T T2 2饱饱和和导导通通，进进而而使使T T4 4饱饱和和导导通通，而而T T3 3和和D D将截止，输出为低电平，将截止，输出为低电平，u uO O=U=UOLOL0.3V0.3V。二、静态特性二、静态特性1.1.输入特性输入特性(1)(1)输入伏安特性输入伏安特性 反反映映输输入入电电流流i iI I和和电电压压u uI I关关系系的的曲曲线线叫叫做做输输入入伏伏安特性曲线，简称为输入伏安特性，见安特性曲线，简称为输入伏安特性，见图图2.4.22.4.2所示。所示。当当u uI I=U=UILIL=0V=0V时时i iI I=I=IISIS=-i=-iB1B1=-(V=-(VCCCC-u-uBE1BE1)/R)/R1 1=(5-0.7)/4=-1.075mA=(5-0.7)/4=-1.075mA I IISIS叫做输入端短路电流。叫做输入端短路电流。当当u uI I=U=UIHIH=3.6V=3.6V时时i iI I=I=IIHIH=i i(V(VCCCC-u-uB1B1)/R)/R1 1=0.02=0.02(5-2.1)/4=0.0145mA(5-2.1)/4=0.0145mA I IIHIH叫做输入端漏电流。叫做输入端漏电流。当在当在u uI I低电平和高电平之间时低电平和高电平之间时 电电路路的的工工作作情情况况比比较较复复杂杂，但但是是，这这只只是是发发生生在在输输入入信信号号u uI I电电平平转转换换过过程程之之中中，是是瞬瞬间间即即逝逝的的，因因此此无无需需仔细分析。仔细分析。（2 2）输入端负载特性）输入端负载特性 开开门门电电阻阻R Ronon：实实际际上上，要要使使反反相相器器工工作作在在导导通通状状态态，u uo o0.3V0.3V，R Ri i只只需需大大于于2.5K2.5K就就可可以以了了，因因此此人人们们常常把把2.5K2.5K叫叫做做图图2.4.1(a)2.4.1(a)所所示示反反相相器器电电路路的的开开门门电电阻阻，用用R Ronon表示。表示。关关门门电电阻阻R Roff：实实际际上上，只只要要R Ri0.7K0.7K，反反相相器器就就会会截截止止，输输出出为为高高电电平平，因因此此人人们们又又把把0.7K0.7K称称为为图图2.4.1(a)2.4.1(a)所示反相器电路的所示反相器电路的关门电阻关门电阻，用，用R Roff表示。表示。2.2.输出特性输出特性 反映反相器输出电压反映反相器输出电压u uO O与输出电流与输出电流i iO O之间关系的之间关系的曲线叫做输出特性曲线，简称为输出特性，如曲线叫做输出特性曲线，简称为输出特性，如图图2.4.4(b)2.4.4(b)所示。所示。（1 1）u uI I=U=UIH IH、u uO O=U=UOL OL，带灌电流负载时的特性，带灌电流负载时的特性（2 2）u uI I=U=UIL IL、u uO O=U=UOH OH，带拉电流负载时的特性，带拉电流负载时的特性3.3.电压传输特性电压传输特性 反映输出电压反映输出电压u uO O与输入电压与输入电压u uI I关系的曲线叫做电关系的曲线叫做电压传输特性曲线，简称为电压传输特性，如压传输特性曲线，简称为电压传输特性，如图图2.4.72.4.7所示。所示。（1 1）特性曲线分析：）特性曲线分析：如如图图2.4.7(b)2.4.7(b)（2 2）输入端噪声容限）输入端噪声容限 在在TTLTTL电电路路中中，标标准准低低电电平平值