第2章逻辑门电路

第第2 2章章 逻辑门电路逻辑门电路 逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用的逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用的 主要为主要为集成逻辑门集成逻辑门。 首先介绍晶体管的开关特性首先介绍晶体管的开关特性 着重讨论的着重讨论的TTL和和CMOS门电路的门电路的 逻辑功能和电气特性逻辑功能和电气特性 简要介绍其他类型的双极型和简要介绍其他类型的双极型和MOS门电路门电路 2.12.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 在数字电路中在数字电路中, ,常将半导体二极管常将半导体二极管, ,三极管和场效应管三极管和场效应管作作 为开关元件使用。为开关元件使用。 理想开关理想开关: : 接通时阻抗为接通时阻抗为零零; ;断开时阻抗为断开时阻抗为无穷大无穷大; ; 两状态之间的转换时间为两状态之间的转换时间为零零。 实际半导体开关实际半导体开关: : 导通时具有一定的导通时具有一定的内阻内阻; ;截止时有一定截止时有一定 的的反向电流反向电流; ;两状态之间的转换需要两状态之间的转换需要时间时间。 2.1.12.1.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性下面以硅二极管为例下面以硅二极管为例 D(1) (1) 导通条件及导通时的特点导通条件及导通时的特点ID(mA)VDVO0.50硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性D+-Vi 0.7R电路图电路图+-Vi 0.7RVD近似等近似等效电路效电路+-Vi 0.7RK简化等简化等效电路效电路(2) (2) 截止条件及截止时的特点截止条件及截止时的特点D+-Vi0.5R电路图电路图+-Vi 0.5RK简化等简化等效电路效电路(3) (3) 开关时间开关时间 开启时间开启时间: : 由反向截止转换为正向导通所需要的时间由反向截止转换为正向导通所需要的时间. . 二极管的开启时间很小二极管的开启时间很小, ,可忽略不计。可忽略不计。关断时间关断时间: : 由正向导通转换为反向截止所需要的时间。由正向导通转换为反向截止所需要的时间。 二极管的关断时间大约二极管的关断时间大约几纳秒几纳秒。RCICRbIBViVoVcc三极管开关电路三极管开关电路(1) (1) 饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件饱和导通条件: :IBIBS=ICS VCCRC饱和导通时的特点饱和导通时的特点: :VBE0.7V VCE=VCES=0.10.3V发射极和集电极之间如同闭合的开关发射极和集电极之间如同闭合的开关2.1.22.1.2 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性(2) (2) 截止条件及截止时的特点截止条件及截止时的特点截止条件截止条件: : VBE ton 。 toff的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关, ,饱和程度饱和程度越深越深, , toff 越长越长, ,反之则越短。反之则越短。2.1.3 2.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性GSDRDVCCMOS管的三个工作区：管的三个工作区：截止区；非饱和区；饱和区。截止区；非饱和区；饱和区。MOS管作开关使用时，通常工作在管作开关使用时，通常工作在截止截止区和区和非饱和非饱和区。区。数字集成电路中常用的数字集成电路中常用的MOS管为管为P沟道增强型和沟道增强型和N沟道增沟道增强型。强型。NMOS管开关管开关电路电路(1) (1) 导通条件及导通时的特点导通条件及导通时的特点( (以以NMOS管为例管为例) )导通条件导通条件: : VGS VTN ( (VTN为为NMOS管的开启电压管的开启电压) )导通时的特点导通时的特点: : 在开关电路中在开关电路中, ,MOS管导通时一般工作管导通时一般工作在非饱和区在非饱和区, ,这时要求这时要求VGS VTN +VDS , ,导通电阻导通电阻RDS为为几几百百欧姆。欧姆。(2) (2) 截止条件及截止时的特点截止条件及截止时的特点截止条件截止条件: : VGS VTN截止时的特点截止时的特点: : 漏漏源之间没有形成导电沟道源之间没有形成导电沟道, ,呈高阻呈高阻状态状态, ,阻值一般为阻值一般为1091010, ,MOS管截止。管截止。NMOS管开关近管开关近似直流等效电路似直流等效电路VDDRDRDSDGS(几百几百)导通状态导通状态VDDRDDGS截止状态截止状态(3) (3) 开关时间开关时间 MOS管本身的开关时间很小管本身的开关时间很小. .组成开关电路时组成开关电路时, ,由于管由于管子间的子间的寄生电容寄生电容和和布线电容布线电容的存在的存在, ,加上加上MOS管的输入、管的输入、输出阻抗较大输出阻抗较大, ,使输入、输出电路的使输入、输出电路的充放电时间常数充放电时间常数增加增加, ,影响了开关时间。影响了开关时间。2.22.2 分立元件门电路分立元件门电路2.2.12.2.1 二极管门电路二极管门电路1. 1. 二极管与门二极管与门 &ABCF逻辑符号逻辑符号DADBDCROVCC(5V)ABCF原理图原理图假设假设：二极管为理想开关；：二极管为理想开关；输入信号输入信号VIL=0V,VIH=3V.综上所述综上所述: :电路为二极管电路为二极管与门与门DADBDCROVCC(5V)ABCF分两种情况分析：分两种情况分析：1) 1) A、B、C三端输入均为三端输入均为3V二极管二极管DA、DB、DC均导通均导通 F=3V3V3V3V3V2) 2) A、B、C三端输入有三端输入有0V信号输入时，如信号输入时，如A、B为为0V, C端输入端输入3V二极管二极管DA、DB导通导通, ,DC截止截止 F=0V0V0V3V0V2. 2. 二极管或门二极管或门 1ABCF逻辑符号逻辑符号 3V3V3V0V0V0V0V0VDADBDCROVCC(-5V)ABCF原理图原理图假设假设：二极管为理想开关；：二极管为理想开关；输入信号输入信号VIL=0V,VIH=3V。分两种情况分析：分两种情况分析：1) A、B、C三端输入三端输入 均为均为0V0V，二极管二极管DA、DB、DC均导均导通通 F=0V2) 2) A、B、C三端输入有三端输入有 3V信号输入时，如信号输入时，如A、B为为3V, , C端输入端输入0V， 二极管二极管DA、DB导通导通, ,DC 截止截止 F=3V 2.2.22.2.2 三极管门电路三极管门电路1. 1. 非门非门工作原理工作原理( (设三极管电流放大倍数设三极管电流放大倍数=30) ) Vi=0V,则三极管基极电位则三极管基极电位VB0V,满足截止条件满足截止条件VBEIBS所以所以, ,三三 极管饱和极管饱和. .输出为输出为低电平低电平. . VO=0.10.3VTTL电路分类电路分类: : 中速中速TTL、高速高速TTL(HTTL)、肖特基肖特基TTL(STTL)TTL(STTL)、低功低功耗耗TTL(LTTL) TTL(LTTL) 、低功耗肖特基低功耗肖特基TTL(LSTTL) TTL(LSTTL) 、先进低功耗先进低功耗肖特基肖特基TTL(ALSTTL)TTL(ALSTTL)等。等。 2.32.3 TTL门电路门电路 三极管三极管三极管逻辑门电路三极管逻辑门电路( (TTL),),是指是指输入端输入端和和输出输出端端都用三极管的电路都用三极管的电路, ,简称简称TTLTTL电路电路, ,是是双极型双极型数字集成电数字集成电路。路。2.3.12.3.1 TTL与非门与非门典型电路及其工作原理典型电路及其工作原理 (1) (1) 电路组成电路组成电路分三个部分电路分三个部分: : 输入级输入级、中间级中间级、输出级输出级。 输入级：输入级：R1、T1、D1、D2T1为多发射极晶体管为多发射极晶体管ABbcebcABe1e2R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5输入极输入极中间极中间极输出极输出极D3D1、D2 为钳位二极管，起保护为钳位二极管，起保护T1管的作用。管的作用。 中间级中间级: : R2、T2、R3分相、放大作用分相、放大作用 输出级输出级: : R4、T4、T5、D3 输出级特点：输出级特点：静态功耗低，开关速静态功耗低，开关速度快，这种电路结构度快，这种电路结构称为推拉式电路。称为推拉式电路。(2) (2) 工作原理工作原理R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5输入极输入极中间极中间极输出极输出极D3设输入信号高低电平分别为设输入信号高低电平分别为 ViH=3.4V; ViL=0.2VPN结正向导通电压为结正向导通电压为0.7V;三极管电流放大倍数三极管电流放大倍数=20。( (一一) ) 输入中有输入中有低电平低电平T1管发射结导通管发射结导通, ,T1管饱和。管饱和。R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5D30.2V0.9V1mA0mA0.3V5V3.6V由于由于T2基极电压仅为基极电压仅为0.3V , ,故故T2、 T5均截止。均截止。T T4 4、D D3 3导通，输出约为导通，输出约为3.6V(5-3.6V(5-0.7-0.7=3.6). 0.7-0.7=3.6). 输出输出高电平高电平1 1。( (二二) ) 输入均为输入均为高电平高电平T1管处于管处于倒置倒置工作状态工作状态( (be结反偏结反偏, ,bc结正偏结正偏.);.);R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5D33.4V2.1V0.7mA0.78mA1.4V1V0.1V3.4V(40A)(40A)2.5mA0.7mA0.7V2.6mAT2管处于管处于饱和饱和工作状态工作状态; ;T4管处于管处于截止截止工作状态工作状态; ;T5管处于管处于饱和饱和工作状态工作状态; ;F输出为输出为“0 0”。综合上面两种情况综合上面两种情况, ,该电路实现该电路实现与非与非功能。功能。F=ABF=AB2.3.22.3.2 TTL与非门的与非门的电压传输特性电压传输特性电压传输特性是指电压传输特性是指输出电压输出电压VO随随输入电压输入电压VI的变化规律。的变化规律。 VO=f(VI)1. 1. 特性曲线分析特性曲线分析V0(V)VI(V)32100.51 1.5截止区截止区, ,T5管截止管截止. .线性区线性区, ,T5管截止管截止, ,T4管管处于放大区处于放大区( (射极跟随输出射极跟随输出).).转折区转折区, ,T2、T5由放大由放大进入饱和进入饱和, ,T4进入截止进入截止. .饱和区饱和区, ,T5管饱和管饱和. .VOHVOLVTH2. 2. 主要参数主要参数(1)(1)输出高电平输出高电平VOH, , 低电平低电平VOL。(2)(2)阈值电压阈值电压VTH: :转折区中间点对应的输入电压转折区中间点对应的输入电压, ,约为约为 1.4V1.4V。(3) (3) 输入端噪声容限输入端噪声容限 VNH、VNL1输出输出0输出输出 1输入输入1输入输入 VOHminVIHminVNHVILmanVOLmanVNLVOVI11VOVI2.3.32.3.3 TTL与非门的静态输入与输出特性与非门的静态输入与输出特性1. 1. 输入特性输入特性1)1)输入伏安特性输入伏安特性( ( II=f(Vi) ) )定义：电流定义：电流流入流入T T1 1的发射极的发射极 方向为方向为正正方向。方向。2)2)反映出的主要参数反映出的主要参数0.51.01.5VI(V)II(mA)-0.5-1.0-1.5高电平输入高电平输入低电平输入低电平输入040A2.1(1) (1) IIL ( (输入低电平电流输入低电平电流) )mA1RVVVI1IL1BECCIL (2) (2) IIH ( (输入高电平电流输入高电平电流) )IIH约在约在40A以下。以下。( (作为前级门的拉电流负载作为前级门的拉电流负载.).)( (作为前级门的拉电流作为前级门的拉电流 负载负载.).)2.2.输入端负载特性输入端负载特性 在门输入端和地之间接电阻在门输入端和地之间接电阻Ri, ,当电阻从当电阻从0逐步增加逐步增加时，由于电阻内部有电流流过时，由于电阻内部有电流流过, ,会使电阻两端电压会使电阻两端电压Vi逐步逐步增加。增加。R14k ViT1RiVCC当当T1管饱和导通时管饱和导通时: :)VV(RRRV1BECCi1ii Roff0.9k, Ron3k。Vi(V)Ri(k)12012当当Ri小于小于R0ff时时, ,输入为低输入为低电平电平; ;当当Ri高于高于Ron时时, ,输入输入为高电平。为高电平。3.3.输出特性输出特性1拉电流拉电流拉电流拉电流 负载负载0灌电流灌电流灌电流灌电流 负载负载Vo(V)1.02.03.005 10 15-5-10-15I0(mA)拉电流拉电流 情况情况灌电流灌电流 情况情况&1AB驱动门驱动门负载门负载门Vo1) 1) 灌电流工作情况灌电流工作情况 驱动门驱动门输出为低电平（输出为低电平（T5管饱和，管饱和，T4管截止）管截止）, ,负载负载门门电流流入驱动门，流入电流流入驱动门，流入驱动门驱动门的电流值的电流值IL取决于和取决于和驱动驱动门门相连接的相连接的负载门负载门个数个数, ,即即IL=NIIL( (IIL为为负载门负载门低电平输低电平输入电流入电流, ,约为约为1mA左右左右) )Vo(V)1.02.03.005 10 15-5-10-15I0(mA)拉电流拉电流 情况情况灌电流灌电流 情况情况由曲线可见由曲线可见, ,对所分析的电路对所分析的电路, ,当灌电流不超过当灌电流不超过16mA时时, ,VO不不超过超过VOLmax=0.4V。称带灌电流。称带灌电流负载能力负载能力IOLmax=16mA一个门在低电平时能驱动同类门的最大个数为一个门在低电平时能驱动同类门的最大个数为: : NOL=IOLmax/IIS=16/1.114 ( (这里的这里的IIS为输入短路电流为输入短路电流) )2) 2) 拉电流工作情况拉电流工作情况 驱动门驱动门输出为高电平输出为高电平（T5管截止）管截止）, ,负载门负载门输入电流输入电流由驱动门提供由驱动门提供, ,流出流出驱动门驱动门的电的电流值流值IH取决于和取决于和驱动门驱动门相连接的相连接的负载门负载门的的管脚管脚的个数的个数, ,即即 Vo(V)1.02.03.005 10 15-5-10-15I0(mA)拉电流拉电流 情况情况灌电流灌电流 情况情况从曲线上看，当从曲线上看，当IO大于大于5mA时，时，VO才开始出现下降趋势，才开始出现下降趋势，但决定但决定IOHmax值的并不是值的并不是VOHmax, ,而是器件的功耗。在上而是器件的功耗。在上面讨论的电路中面讨论的电路中, , IOHmax约为约为400mA。NOH=IOHmax/IIH=400/40=10 IH=NIIH (IIH为为负载门负载门高电平输入电流高电平输入电流, ,约为约为40A左左右右) )取取 min(NOL,NOH)=N 定义为定义为扇出系数扇出系数则则 min(14,10)=102.3.42.3.4 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性1. 1. 传输延迟时间传输延迟时间t tpdpd 传输延迟时间指门电路的输出信传输延迟时间指门电路的输出信号相对于输入信号的延迟时间。号相对于输入信号的延迟时间。定义定义: : tpd=12(tPHL+tPLH)050%50%VIVO0tPHLtPLH延迟时间延迟时间导通导通截止截止一般一般 tPLHtPHL2. 2. 电源的动态尖峰电流电源的动态尖峰电流 TTL门电路的功耗等于电源电压门电路的功耗等于电源电压VCC和电源电流和电源电流ICC的的乘积乘积, ,由于由于VCC=5V为定值为定值, ,所以所以ICC的大小就能反映功耗的的大小就能反映功耗的大小大小. .对于上述电路对于上述电路, ,稳态时稳态时, ,输出为高电平时的电流输出为高电平时的电流ICCH1.1mA, ,输出为低电平时的电流输出为低电平时的电流ICCL3.4mA。 在动态情况下在动态情况下, ,特别是当输出电平由特别是当输出电平由低低突然变为突然变为高高的的过渡过程中过渡过程中, ,在某个在某个瞬间瞬间, ,会使门电路中的所有管子均导会使门电路中的所有管子均导通通, ,使电源电流出现使电源电流出现尖峰脉冲尖峰脉冲. .尖峰电流尖峰电流有时可达有时可达40mA。 电源的动态尖峰电流引起的后果电源的动态尖峰电流引起的后果: :1)1) 使电源的平均电流加大使电源的平均电流加大. .而且而且, ,工作频率越高工作频率越高, ,平均电平均电流增加越多流增加越多; ;2)2)电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻, ,形成系统形成系统 内部的噪声源。内部的噪声源。2.3.52.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 具有不同输入、输出具有不同输入、输出结构结构的门电路的门电路 除与非门外除与非门外, ,TTL电路产品中还有各种功能的门电路产品中还有各种功能的门, ,如如或非门、异或门等。或非门、异或门等。1.1.集电极开路门集电极开路门( (OC门门) ) ( (以与非门为例说明以与非门为例说明) )R1D1FVcc(5V)1.6kR24kR31kD2ABT1T2T5输入极输入极中间极中间极输出极输出极&ABF逻辑符号逻辑符号OC门的特点门的特点: :1) 1) 实现线与功能实现线与功能&VCCRABCDF=AB CD =AB+CD说明说明: :普通的普通的TTL电路不能将输出电路不能将输出端连在一起端连在一起, ,输出端连在一起输出端连在一起, ,可能使电路形成低阻通道可能使电路形成低阻通道, ,使电使电路因电流过大而路因电流过大而烧毁烧毁; ;由于由于OCOC门的集电极是开路的门的集电极是开路的, ,要实现正常的逻辑功能要实现正常的逻辑功能, ,需外加需外加上拉电阻上拉电阻。上拉上拉电阻电阻上拉电阻上拉电阻R的选取：的选取：IHOHminOHCCmaxLmInIVVRILmaxOLmaxOLCCminLPIIVVRn: : OC门输出端并接的个数门输出端并接的个数m: : 负载门的输入端总数负载门的输入端总数P: : 负载门的总数负载门的总数2) 2) 作电平转换器作电平转换器 改变和上拉电阻相连的电源改变和上拉电阻相连的电源值，可改变输出高电平的值。值，可改变输出高电平的值。&ABF10V高电平输出电压为高电平输出电压为10V10VRL3) 3) 作驱动器作驱动器 OC门能输出较大的电压门能输出较大的电压和电流，可直接作为驱动和电流，可直接作为驱动器驱动发光二极管、脉冲器驱动发光二极管、脉冲变压器等。变压器等。OC门的缺点门的缺点：工作速度慢。：工作速度慢。 原因原因： 推拉式输出结构被破坏，使输出端负载电推拉式输出结构被破坏，使输出端负载电 容的充电要经过容的充电要经过RL。2. 2. 三态输出门三态输出门( (TSL门门) )三态门三态门( (TSL门门) )的输出有三个状态的输出有三个状态, ,即即: : 0 0, ,1 1和和高阻高阻, ,在使在使用中用中, ,由控制端由控制端( (称使能控制端称使能控制端) )来控制电路的输出状态。来控制电路的输出状态。R4R1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kDABT1T2T4T5D311PENABENFEN&1)1) 当当EN=1时时, ,P=1, ,二二极管截止极管截止, ,电路等效电路等效为普通与非门。为普通与非门。2) 2) 当当EN=0时时, ,P=0, ,T4 和和T5均截止均截止, ,输出输出 高阻态。高阻态。 三态门的基本用途为实现用一根导线轮流传输几个三态门的基本用途为实现用一根导线轮流传输几个不同的数据或控制信号不同的数据或控制信号, ,通常将接受多个门的输出信号的通常将接受多个门的输出信号的线称为线称为总线总线。A1EN1FEN1A2EN2FEN1A3EN3FEN1总线总线单向总线结构单向总线结构D1ENENEN11总线总线 D2双向总线结构双向总线结构注意：注意：在总线结构中，任一时刻仅允许一个门工作。在总线结构中，任一时刻仅允许一个门工作。2.3.6 TTL数字集成电路的各种系列数字集成电路的各种系列主要改进主要改进 1）传输延迟时间；）传输延迟时间； 2）功耗；）功耗； 3）转换特性。）转换特性。TTL集成电路系列型号及性能表集成电路系列型号及性能表 系系 列列标准系列标准系列低功耗肖低功耗肖特基系列特基系列肖特基系列肖特基系列先进低功耗先进低功耗肖特基系列肖特基系列高速系列高速系列先进肖特先进肖特基系列基系列快速系列快速系列低功耗系列低功耗系列型号举例型号举例740074LS0074S0074ALS0074F0074AS0074H0074l00功耗功耗/门门P(mW) 10 2 19 1 4 10 22 2传输时延传输时延 tpd(ns) 10 10 3 4 3 1.5 6 35时延功耗积时延功耗积 P tpd(PJ) 100 20 57 4 12 15 132 35电源电压电源电压VCC=5V 逻辑摆幅逻辑摆幅 3.5V2.42.4 其它类型的双极型数字集成电路其它类型的双极型数字集成电路 在双极型的数字集成电路中，除了在双极型的数字集成电路中，除了TTL电路电路以外，还有以外，还有二极管二极管三极管逻辑三极管逻辑（Diode-Transistor Logic,简称简称DTL）、）、高阈值逻辑高阈值逻辑（High Threshold Logic,简称简称HTL）、）、发射极耦合逻辑发射极耦合逻辑（Emitter Coupled Logic，简称，简称ECL）和）和集成注入逻辑集成注入逻辑（Integated Injaction Logic，简称，简称I L）等几种）等几种逻辑电路。逻辑电路。 22.4.12.4.1 ECL门电路门电路 (Emitter Coupled Logic) ECL门电路是一种新型高速逻辑电路门电路是一种新型高速逻辑电路, ,内部采用高速内部采用高速电电流开关型流开关型电路电路, ,内部放大器工作在内部放大器工作在放大区放大区或或截止区截止区, ,从根从根本上克服了因本上克服了因饱和饱和而产生的存储电荷对速度的影响。而产生的存储电荷对速度的影响。 ECL门电路是目前各类集成电路中速度最快的电路门电路是目前各类集成电路中速度最快的电路. .1 1 ECL门电路的工作原理门电路的工作原理-VEE(-5V)Re500Rc2135Rc1120ViVR-1.2VVO1VO2T1T2ECL门的核心电路是门的核心电路是电流电流开关电路开关电路. .电流开关电路电流开关电路实实际上是一个际上是一个差分放大器。差分放大器。设设: VR=1.2V;ViL=1.6V; ViH=0.8V;=0.95-VEE(-5V)Re500Rc2135Rc1120ViVR-1.2VVO1VO2T1T2-1.6V-0.8V-0.8V0V-0.8V0V1)1) 当当Vi=ViL时时: : 由于由于: : VR=1.2V 所以所以T2导通导通, ,T1截止截止. . Ve=VR0.7=1.9V 流过流过Re的电流为的电流为 Ie= 1.9 (5)/0.5=6.2mA 该电流全部流过该电流全部流过T2管的集电极管的集电极, ,VO2为为 VO2=IeRC2 0.8V 显然显然, ,T2工作在放大区工作在放大区. .由于由于T1截止截止, ,所以所以 VO1=0V2) 2) 当当Vi=ViH时时: :由于由于 VR=1.2V, ,所以所以T1导通导通, ,T2截止截止, ,Ve= 0.80.7=1.5V -VEE(-5V)Re500Rc2135Rc1120ViVR-1.2VVO1VO2T1T2-1.6V-0.8V-0.8V0V-0.8V0V-VEE(-5V)Re500Rc2135Rc1120ViVR-1.2VVO1VO2T1T2-1.6V-0.8V-0.8V0V-0.8V0V 流过流过Re的电流为的电流为 Ie= 1.9 (5)/0.5=7mA该电流全部流过该电流全部流过T1管的集电管的集电极极, ,VO1为为 VO1=IeRC1 0.8V显然显然, ,T1工作在放大区工作在放大区. .由于由于T2截止截止, ,所以所以 VO2=0V2.2.实用的实用的ECL门电路门电路-VEEReRc2Rc1BT1T2T3T4AR3R1R2VRT5R1.2R1.1T1F2F11F1F2ABF1=A+BF2=A+B1)1) 电路由电流开关、基准电压、射极跟随器组成；电路由电流开关、基准电压、射极跟随器组成；2)2) T4、T5两管（构成射极跟随器）使输入电压和输出电两管（构成射极跟随器）使输入电压和输出电 压一致，同时使输出负载能力提高；压一致，同时使输出负载能力提高；3) 3) 互补输出，同时实现互补输出，同时实现或或和和或非或非功能。功能。3.3. ECL门电路的主要特点门电路的主要特点1. 1. 速度快速度快1)1) 开关管导通时工作在非饱和状态开关管导通时工作在非饱和状态, ,消除了存储电荷效应消除了存储电荷效应; ;2) 2) 逻辑摆幅小逻辑摆幅小, ,缩短了寄生电容的充放电时间。缩短了寄生电容的充放电时间。2.2.带负载能力强带负载能力强 输入阻抗高输出阻抗低。输入阻抗高输出阻抗低。3.3.逻辑功能强逻辑功能强 互补输出。互补输出。4.4.功耗大功耗大 功耗包括电流开关、射极跟随器、参考电源。功耗包括电流开关、射极跟随器、参考电源。5. 5. 抗干扰能力差抗干扰能力差逻辑摆幅小，噪声容限低所以抗干扰能力较低逻辑摆幅小，噪声容限低所以抗干扰能力较低 2.4.2 I L电路电路2特点特点:电路结构简单、功耗低电路结构简单、功耗低 适于制成大规模集成电路适于制成大规模集成电路 1工作原理工作原理 单元电路单元电路 逻辑符号逻辑符号 1 单元电路的任何一个输出端与输入的关系单元电路的任何一个输出端与输入的关系 都是都是非非逻辑关系逻辑关系 2 单元电路是一个单元电路是一个多输出反相器多输出反相器 3 集电极开路集电极开路 4 不同单元电路的输出端并接，实现不同单元电路的输出端并接，实现线与线与逻辑逻辑 结构特点：结构特点：BABAFABBAF2主要特点主要特点（1）集成度高）集成度高（2）速度功耗积小）速度功耗积小 （3）抗干扰能力较差）抗干扰能力较差 （4）工作速度低）工作速度低主要用于制作主要用于制作大规模集成电路大规模集成电路的内部逻辑电路的内部逻辑电路 2.52.5 CMOS CMOS门电路门电路 MOSMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、体积小、成品率高等优点。体积小、成品率高等优点。 特别适用于中、大规模集成电路的制造，在目前数字特别适用于中、大规模集成电路的制造，在目前数字集成电路产品中占据了相当大的比例集成电路产品中占据了相当大的比例 2.5.1 CMOS反相器的电路结构反相器的电路结构CMOS反相器电路图反相器电路图1T总是工作在一个导通而另一个截止的状态总是工作在一个导通而另一个截止的状态 静态功耗极小静态功耗极小 图中驱动管图中驱动管T2为为NMOS管管, ,负载负载管管 T1为为PMOS管管, ,为保证电路正为保证电路正常工作常工作, ,电源电压电源电压VDD大于两管的大于两管的开启电压的绝对值之和。开启电压的绝对值之和。1)1) 当当VI=0时时, , T2管截止，管截止， T1管导通，管导通，F=1; ;2)2) 当当VI=1(VDD)时时, , T2管导通管导通, , T1管截止管截止, ,F=0。工作原理工作原理: :2.5.2 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性反相器的电压传输特性和电流传输特性CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性 CMOS反相器的电流传输特性反相器的电流传输特性 2.5.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性1输入特性输入特性CMOS反相器的输入特性反相器的输入特性 2输出特性输出特性 vO= VOL时的工作状态时的工作状态 CMOS反相器的低电平输出特性反相器的低电平输出特性 vO= VOH时的工作状态时的工作状态 CMOS反相器的高电平输出特性反相器的高电平输出特性 2.5.4 CMOS反相器的动态特反相器的动态特性性1传输延迟时间传输延迟时间CMOS反相器传输延迟时间的定义反相器传输延迟时间的定义 2动态功耗动态功耗 当当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，称之为动态功耗耗，称之为动态功耗。动态功耗由两部分组成，一部分是因为动态功耗由两部分组成，一部分是因为T1和和T2在在短时间内同时导通所产生的瞬时导通功耗短时间内同时导通所产生的瞬时导通功耗PT，另，另一部分是对负载电容充、放电所消耗的功率一部分是对负载电容充、放电所消耗的功率Pc。2.5.5 其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路1其他逻辑功能的其他逻辑功能的CMOS门电路门电路 CMOS与非门与非门 CMOS或非门或非门 2漏极开路的漏极开路的CMOS门电路（门电路（OD门）门）用做输出缓冲驱动器，或者用于用做输出缓冲驱动器，或者用于输出电平的变换，可实现线与逻辑。输出电平的变换，可实现线与逻辑。 漏极开路输出的与非门漏极开路输出的与非门 3CMOS传输门（传输门（TG门）门） 功能是：在控制信号的作用下，实现输入和功能是：在控制信号的作用下，实现输入和输出间的双向传输。输出间的双向传输。 CMOS传输门的电路结构和逻辑符号传输门的电路结构和逻辑符号 工作原理：设两管开启电压的绝对值为工作原理：设两管开启电压的绝对值为2V,VDD=5V. .输入信输入信号在号在05V内连续变化。内连续变化。(1) (1) C=0V,C=5V时，传输门时，传输门截止截止. .( (T1和和T2均截止）均截止） (2) (2) C=5V,C=0V时，传输门时，传输门导通导通. .( (T1和和T2总有一只导通）总有一只导通） 关于关于CMOS传输门：传输门：(1)(1)由于由于MOS为对称的为对称的, ,源极和漏极可以互换源极和漏极可以互换, ,输入和输出输入和输出 端也可互换端也可互换, ,即即CMOS传输门为双向的。传输门为双向的。(2) (2) 传输门和非门结合传输门和非门结合, ,可组成模拟开关。可组成模拟开关。CMOS双向模拟开关的电路结构和符号双向模拟开关的电路结构和符号 CMOS三态非门三态非门 VDDT2T1FAT1T2EN1EN=0 F=A;EN=1 F对外呈高阻。对外呈高阻。CMOS三态门可方便地三态门可方便地用于构成总线结构。用于构成总线结构。4三态输出的三态输出的CMOS门电路门电路特点特点: : 1) 1) 功耗低功耗低 2) 2) 工作电源电压范围宽工作电源电压范围宽3) 3) 抗干扰能力强抗干扰能力强4) 4) 带负载能力强带负载能力强5) 5) 输出幅度大输出幅度大使用注意事项使用注意事项: :1) 1) 多余的输入端不能悬空多余的输入端不能悬空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) 电源电压极性不能反接电源电压极性不能反接, ,防止输出短路。防止输出短路。2.5.7 CMOS集成电路的特点和注意事项集成电路的特点和注意事项2.6 其他类型的其他类型的MOS数字集成电路数字集成电路2.6.1 PMOS门电路门电路 PMOS反相器电路反相器电路 工作速度比较低工作速度比较低 使用负电源使用负电源 2.6.2 NMOS门电路门电路1NMOS反相器反相器（a）增强型负载（）增强型负载（E/E MOS）；（）；（b）耗尽型负载（）耗尽型负载（E/D MOS）2与非门与非门 3或非门或非门驱动管是并联的驱动管是并联的 驱动管是串联的驱动管是串联的4与或非门与或非门FABCDT5为负载管为负载管T1、T2、T3和和T4均是驱动管均是驱动管 2.6.3 E2CMOS电路电路Electrically Erasable CMOS,电可擦除电可擦除CMOS由由CMOS和和NMOS技术结合而成技术结合而成 用在可编程逻辑器件中用在可编程逻辑器件中 E2CMOS单元单元 2.7 Bi-CMOS电路电路（a）最简单的电路结构；）最简单的电路结构； （b）常用的电路结构）常用的电路结构 2.82.8 TTL与与CMOS电路的接口电路的接口1. 1. 由由TTL到到CMOS的接口电路的接口电路 驱动门为驱动门为TTL电路电路, ,负载门为负载门为CMOS电路电路, ,主要考虑的主要考虑的是是电平匹配电平匹配, ,连接方法有多种：连接方法有多种： 若若CMOS门的电源为门的电源为5V（和（和TTL门相同）门相同）11TTLCMOS5VR 若若CMOS门的电源不为门的电源不为5V（和（和TTL门不同）门不同）, ,则则TTL 电路可采用电路可采用OC门。门。11TTLCMOS5VRVDD 采用专用集成电路。采用专用集成电路。 由由CMOS到到 TTL的接口电路的接口电路, ,除考虑电压匹配外除考虑电压匹配外, ,还还得考虑驱动电流得考虑驱动电流( (CMOS电路允许的电路允许的最大灌电流最大灌电流为为0.4mA, ,而而TTL门的门的输入短路电流输入短路电流大于大于1mA), ), 常用方法有常用方法有: : 采用采用CMOS缓冲转换器缓冲转换器11TTLCMOSVDD(318V)1VCC(5V)缓冲缓冲/转换器转换器2. 2. 由由CMOS 到到 TTL的接口电路的接口电路 将同一封装内的将同一封装内的CMOS电路并接使用电路并接使用, ,以增大输出灌电以增大输出灌电 流。流。 采用射极跟随器采用射极跟随器, ,增大输出灌电流。增大输出灌电流。