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第三章第三章逻辑门电路路本讲稿第一页，共八十一页教学目标：教学目标：掌握门电路的基本概念；理解二极管门电路、掌握门电路的基本概念；理解二极管门电路、三极管反相器、三极管反相器、CMOSCMOS门电路和门电路和TTLTTL门电路的结构、工作门电路的结构、工作原理；原理；第三章第三章 逻辑门电路逻辑门电路重点：重点：门电路的基本概念；集成门电路的技术参数及其门电路的基本概念；集成门电路的技术参数及其使用方法使用方法难点：难点：TTLTTL门电路的结构、工作原理；门电路的结构、工作原理；本讲稿第二页，共八十一页3.1 3.1 二极管、三极管和二极管、三极管和MOSMOS管的开关等效电路管的开关等效电路一、一、二极管开关等效电路（理想情况下）二极管开关等效电路（理想情况下）开关断开开关断开当当UaUbUaUb时时,D D截止截止ab开关开关闭合闭合当当UaUbUaUb时，时，D导通导通ababDP4本讲稿第三页，共八十一页二、二、三极管开关等效电路（理想情况下）三极管开关等效电路（理想情况下）当当U Ub b为高电平为高电平U UIHIH时，时，T T饱和饱和开关开关闭合闭合cbecbe当当U Ub b为低电平为低电平U UILIL时，时，T T截止截止开关开关断开断开cbe本讲稿第四页，共八十一页 3.2 TTL集成门电路集成门电路一一.TTL与非门的电路组成与非门的电路组成 二二.(Transistor-Transistor-Logic)与分离元件电路相比，集成电路具有体与分离元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。输出电平匹配，所以早已广泛采用。P39本讲稿第五页，共八十一页TTL与非门的内部结构与非门的内部结构3.6V0V3.6V0.3V输入级输入级中间级中间级输出级输出级本讲稿第六页，共八十一页3.6V0.3VVcc 二、工作原理二、工作原理1、任一输入为低电平（、任一输入为低电平（0.3V）时时输出为高电平：输出为高电平：Vo=VVo=VOHOHVVCCCCV VBE3BE3V VBE4BE4 =5=50.70.70.7=3.6V0.7=3.6V。1V约5VV0=3.6V截止截止截止截止导通导通输输入入有有低低电电平平（“0 0”）输输出出为为高高电电平平（“1 1”）RLiL拉电流拉电流T1T1特殊饱和特殊饱和（因（因icic1 1=0=0）本讲稿第九页，共八十一页3.6VVccC22、输入全为高电平（、输入全为高电平（3.6V）时时T2T2、T5 T5 饱和饱和,T1T1的基极电位被钳在的基极电位被钳在V VB1B1=V=VBC1BC1+V+VBE2BE2+V+VBE5BE5=0.7V+0.7V+0.7V=2.1V=0.7V+0.7V+0.7V=2.1VT T2 2的的V VC2C2=V=VCES2CES2+V+VBE5BE5=0.3V+0.7V=1V,=0.3V+0.7V=1V,可以使可以使T3T3导通，但导通，但T4T4不能导通。不能导通。输出为低电平输出为低电平:V VO O=V=VOLOL=V=VCE5CE50.3 V0.3 V，2.1V1V1V饱和饱和饱和饱和截止截止0.3V输输入入全全为为高高电电平平(“1 1”)，输输出出为为低低电电平平(“0 0”)”本讲稿第十页，共八十一页2、输入全为高电平（、输入全为高电平（3.6V）时时RLiL+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC“1”饱和饱和Vo=0.3V2.1V1V1V灌电流灌电流本讲稿第十一页，共八十一页1、电压传输特性、电压传输特性三、三、TTL与非门的特性和技术参数与非门的特性和技术参数测试电路测试电路&+5VViV0Rw本讲稿第十二页，共八十一页V0(V)Vi(V)123VOH(3.6V)VOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线V0(V)Vi(V)123VOH“1”VOL阈值阈值VT=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平“0”本讲稿第十三页，共八十一页（1）、输出高电平）、输出高电平VOH、输出低电平输出低电平VOL VOH 2.4V VOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。典型值典型值VOH=3.6V VOL 0.3V。（2）、阈值电压）、阈值电压VTViVT时，认为时，认为Vi是高电平。是高电平。VT=1.4V2、主要参数、主要参数本讲稿第十四页，共八十一页（2 2）关门电平）关门电平V VOFFOFF和开门电平和开门电平V VONON 由由于于器器件件制制造造的的差差异异，输输出出高高电电平平、输输入入低低电电平平都略有差异，通常规定都略有差异，通常规定TTLTTL与非门输出高电平与非门输出高电平V VOHOH=3V=3V和和输输出出低低电电平平V VOLOL=0.35V=0.35V为为额额定定逻逻辑辑高高、低低电电平平.，在在保保证证输输出出为为额额定定高高电电平平（3 3V V）的的90%90%（2.72.7V V）的的条条件件下下，允允许许的的输输入入低低电电平平的的最最大大值值，称称为为关关门门电电平平V VOFFOFF。通常通常V VOFFOFF1V,1V,一般产品要求一般产品要求V VOFFOFF0.8 V0.8 V。在保证输出额定低电平在保证输出额定低电平(0.35(0.35V)V)的条件下，允许输入的条件下，允许输入高电平的最小值，高电平的最小值，称为开门电平称为开门电平V VONON。通常通常V VONON 1.4V 1.4V，一般产品要求一般产品要求V VONON 1.8 V 1.8 V。本讲稿第十五页，共八十一页（3 3）噪声容限噪声容限VNLVNL、VNHVNH在实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，在实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平可能使输入电平V Vi i偏离规定值。为了保证电路可偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。容限。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。低电平噪声容限低电平噪声容限是指在保证输出为高电平的前提下，是指在保证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平允许叠加在输入低电平VILVIL上的最大正向干扰上的最大正向干扰（或噪声）电压。（或噪声）电压。低电平噪声容限用低电平噪声容限用VNLVNL表示：表示：VNL=VOFFVNL=VOFFVILVIL。本讲稿第十六页，共八十一页高电平噪声容限：高电平噪声容限：是指在保证输出为低电平的前提下，允许是指在保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平叠加在输入高电平VIH上的最大负向干扰上的最大负向干扰（或噪声）电压。（或噪声）电压。高电平噪声容限用高电平噪声容限用VNH表示：表示：VNH=VIHVON。很显然，很显然，VNL和和VNH越大，电路越大，电路的抗干扰能力越强。的抗干扰能力越强。本讲稿第十七页，共八十一页低低电平噪声容限电平噪声容限 V VNLNL =V=V0FF0FFV VILIL高电平噪声容限高电平噪声容限 V VNHNH =V=VIHIHV VONONVi(V)V0(V)(0.3V)VOH0.9 VOHVOL(0.3V)VILVIHVNLVNH关门电平关门电平V VOFFOFF开门电平开门电平V VONON3.6V3.6V本讲稿第十八页，共八十一页(4).输入低电平电流输入低电平电流IIL和输入高电平电流和输入高电平电流IHL本讲稿第十九页，共八十一页(5)、扇出系、扇出系-为门电路输出驱动同类门的个数为门电路输出驱动同类门的个数(前级输出为前级输出为 高电平时高电平时)后级后级例如：例如：+5VR4R2R5T3T4T1前级前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH本讲稿第二十页，共八十一页+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为前级输出为 低电平时低电平时后级后级本讲稿第二十一页，共八十一页输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：与非门的扇出系数一般是与非门的扇出系数一般是10。本讲稿第二十二页，共八十一页(6)、平均传输时间、平均传输时间tViotVoo50%50%tpd1tpd2平均传输时间平均传输时间本讲稿第二十三页，共八十一页(7).(7).关门电阻关门电阻R ROFFOFF和开门电阻和开门电阻R RONON关门电阻关门电阻R ROFFOFF是保证是保证V VO O=0.9=0.9V VOHOH的条件下，允许的最大值的条件下，允许的最大值,一般一般R ROFFOFF约约0.70.7K K。开门电阻开门电阻R RONON是保证是保证V VO O=0.3=0.3V V的条件下，允许的最小值的条件下，允许的最小值,一般一般R RONON约约2 2K K。本讲稿第二十四页，共八十一页R较小时较小时ViUT时时,沟道加厚，沟道电阻减少，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同在相同UDS的作用下，的作用下，ID将进一步增加将进一步增加开始无导电沟道，当在开始无导电沟道，当在UGS UT时才形成沟道时才形成沟道,这种类型的管子称为这种类型的管子称为增强型增强型MOS管管当当UGS=UT时时,在在P型衬底表面形成型衬底表面形成一层一层电子层电子层，形成，形成N型导电沟道，型导电沟道，在在UDS的作用下形成的作用下形成ID。本讲稿第五十二页，共八十一页二、二、二、二、N N N N沟道沟道沟道沟道增强型增强型增强型增强型MOSMOSMOSMOS场效应管特性曲线场效应管特性曲线场效应管特性曲线场效应管特性曲线1.1.转移特性曲线转移特性曲线UDSUGS-UTUGS(V)ID(mA)U UDSDS一定时，一定时，U UGSGS对漏对漏极电流极电流I ID D的控制关系的控制关系曲线曲线I ID D=f f(U UGSGS)U UDSDS=C=C UTUGS UT MOSMOS管导通管导通UGS UT MOSMOS管截止管截止UGS UT MOSMOS管截止管截止NMOSPMOS本讲稿第五十三页，共八十一页2.恒流区恒流区：该区内，该区内，UGS一定，一定，ID基本不随基本不随UDS变化而变变化而变4.击穿区击穿区：UDS 增加到某一值时，增加到某一值时，ID开始剧增而出现击穿。开始剧增而出现击穿。SectUGS=6VUGS=4VUGS=5VUGS=3VUGS=UT=3VUGS(V)ID(mA)截止区截止区3.截止区截止区UGS-UT-UT时时,TPTP截止：截止：（等效开关（等效开关图同上）图同上）1 1、NM OS OS 管开关等效电路管开关等效电路当当U UGSGSUT时时,TNTN导通：导通：，当当U UGSGSUTUT时，时，TN TN 截止截止本讲稿第五十七页，共八十一页3.3.1CMOS3.3.1CMOS非门非门NMOS管管PMOS管管CMOS电路电路1 1电路组成电路组成VDDS2T2D2T1AFS1D1G1G2本讲稿第五十八页，共八十一页T1为为NMOS称驱动管，称驱动管，T2为为PMOS称为负载管。称为负载管。两管特性相近，跨导相等且较大，两管特性相近，跨导相等且较大，导通电阻小。导通电阻小。T1 和和T2栅极相连栅极相连作输入端，漏极相连作输出端，作输入端，漏极相连作输出端，T1 源极接地，源极接地，T2 源极接源极接+UDD。VDDS2T2D2T1AFS1D1G1G2本讲稿第五十九页，共八十一页2.工作原理工作原理 设设U UDDDD=10V =10V，T T1 1的的U UTNTN=2V=2V，T T2 2 的的U UTPTP=2V2V。（1 1）当当u ui i=U=UILIL=0V=0V时，时，由于由于u uGS1GS1=0V=0V U UTNTN=2V =2V，T T1 1截止。截止。u uGS2GS210V10V U UTPTP=2V2V，T T2 2导通，导通，u uO O=U=UOHOHUUDDDD=10V=10VuiuoT T1 1T T2 2Ui(A)Uo(F)0V10V本讲稿第六十页，共八十一页（2 2）当当ui=Uui=UIHIH=U=UDDDD=10V=10V时，时，u uGS1GS1=10V=10V U UTNTN=2V=2V，T T1 1导通，导通，u uGS2GS20V0V U UTPTP=2V 2V，T T2 2截止，截止，u uO O=U=UOLOL0V0V,实现反相器功能，实现反相器功能，即非门功能。即非门功能。Ui(A)Uo(F)0V10V uiuoT T1 1T T2 210V 0V本讲稿第六十一页，共八十一页3.3.CMOSCMOS门电压传输特性门电压传输特性CMOSCMOS非门电压传输特性非门电压传输特性CMOSCMOS非门电流传输特性非门电流传输特性 CMOSCMOS反相器的传输特性接近理想开关特性，反相器的传输特性接近理想开关特性，因而其噪声容限大，抗干扰能力强。因而其噪声容限大，抗干扰能力强。(V VT T=(1/2)V=(1/2)VDD DD)本讲稿第六十二页，共八十一页（1 1）功耗低功耗低在静态时，在静态时，T1 T1 和和T T2 2 总有一个管子截止，因此静态电流很小，总有一个管子截止，因此静态电流很小，即使动态功耗较大，但与双极型逻辑电路相比，即使动态功耗较大，但与双极型逻辑电路相比，CMOSCMOS逻辑电路的功耗小的多。逻辑电路的功耗小的多。（2 2）电源电压范围宽电源电压范围宽工作电源工作电源UDDUDD允许变化的范围大，一般允许变化的范围大，一般3 31818V V均能工作。均能工作。（3 3）抗干扰能力强抗干扰能力强输入端噪声容限可达到输入端噪声容限可达到UDD/2 UDD/2。4 4CMOSCMOS电路的优点电路的优点本讲稿第六十九页，共八十一页（5 5）带负载能力强带负载能力强 CMOS输入阻抗高，一般高达输入阻抗高，一般高达500500MM以上，以上，CMOS逻辑电路带同类门几乎不从前级取电流，也逻辑电路带同类门几乎不从前级取电流，也不向前级灌电流。考虑到不向前级灌电流。考虑到MOSMOS管存在输入电容，管存在输入电容，CMOS逻辑电路，可以带逻辑电路，可以带5050个同类门以上。个同类门以上。（4 4）逻辑摆幅大逻辑摆幅大U UOLOL0V0V，U UOHOHUUDDDD本讲稿第七十页，共八十一页（7 7）成本低成本低CMOSCMOS集成度高，功耗小，电源供电线路简单，因此用集成度高，功耗小，电源供电线路简单，因此用CMOSCMOS集成电路制作的产品，成本低。集成电路制作的产品，成本低。当前，当前，CMOSCMOS逻辑门电路，已成为与双极型逻辑电路逻辑门电路，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、超大规模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电路的发展势头。集成电路方面，已经超过了双极型逻辑电路的发展势头。（6 6）集成度很高，温度稳定性好集成度很高，温度稳定性好功耗小，内部发热量少，集成度可以做得非常高。功耗小，内部发热量少，集成度可以做得非常高。又由于又由于CMOSCMOS是是NMOSNMOS和和PMOSPMOS管互补组成，当外界温度管互补组成，当外界温度变化时，有些参数可以互相补偿。变化时，有些参数可以互相补偿。本讲稿第七十一页，共八十一页3.4.1 3.4.1 TTLTTL集成电路使用中应注意的问题集成电路使用中应注意的问题1.1.电源电压（电源电压（CCCC）应满足在标准值应满足在标准值5 5V+10%V+10%的范围内。的范围内。2.2.TTLTTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。3.3.TTLTTL门多余输入端的处理方法。门多余输入端的处理方法。(1).(1).与门和与非门与门和与非门 悬空悬空,相当于逻辑高电平，相当于逻辑高电平，但通常情况下不这样处理，但通常情况下不这样处理，以防止干扰的窜入以防止干扰的窜入;接电源接电源,通过一个上拉电阻接至电源正端通过一个上拉电阻接至电源正端,或接标准高电平；或接标准高电平；与其他信号输入端并接使用与其他信号输入端并接使用,本讲稿第七十二页，共八十一页本讲稿第七十三页，共八十一页 (2).(2).或门和或非门或门和或非门 接地接地,.通过一个电阻接至电源地通过一个电阻接至电源地，或标准接低电平；或标准接低电平；.与其他信号输入端并接使用，与其他信号输入端并接使用，本讲稿第七十四页，共八十一页本讲稿第七十五页，共八十一页3.4.2.3.4.2.CMOSCMOS集成电路使用中应注意的问题集成电路使用中应注意的问题CMOSCMOS电路的输入端是绝缘栅极，具有很高的电路的输入端是绝缘栅极，具有很高的输入阻抗，很容易因静电感应而被击穿。，因此输入阻抗，很容易因静电感应而被击穿。，因此在使用在使用CMOSCMOS电路时应遵守下列保护措施：电路时应遵守下列保护措施：（1 1）组装调测时，所用仪器、仪表、组装调测时，所用仪器、仪表、电路电路箱板等都必须可靠接地箱板等都必须可靠接地;（2 2）焊接时，采用内热式电烙铁，功率不焊接时，采用内热式电烙铁，功率不宜过大，烙铁必须要有外接地线，以屏蔽交流电宜过大，烙铁必须要有外接地线，以屏蔽交流电场，最好是断电后再焊接场，最好是断电后再焊接;（3 3）CMOSCMOS电路应在防静电材料中储存或运输电路应在防静电材料中储存或运输;本讲稿第七十六页，共八十一页（4 4）虽然虽然CMOSCMOS电路对电源电压的要求范围比较电路对电源电压的要求范围比较宽，但也不能超出电源电压的极限，更不能将极宽，但也不能超出电源电压的极限，更不能将极性接反，以免烧坏器件性接反，以免烧坏器件;(5)CMOS电路不用的电路不用的多余输入端都不能悬空多余输入端都不能悬空，应以不影响逻辑功能为原则分别接电源、地或与其应以不影响逻辑功能为原则分别接电源、地或与其他使用的输入端并联。输入端接电阻为低电平（栅他使用的输入端并联。输入端接电阻为低电平（栅极没有电流）。极没有电流）。本讲稿第七十七页，共八十一页例：判断如图例：判断如图CMOS电路输出为何状态？电路输出为何状态？&10K&10110Y0=1 Y1=1 Y2=不确定不确定Y0Y1Y2例：判断如图例：判断如图TTL电路输出为何状态？电路输出为何状态？Y0=0 Y1=1 Y2=不确定不确定本讲稿第七十八页，共八十一页例例7：判断如图：判断如图CMOS电路输出为何状态？电路输出为何状态？Y1=1 Y2=0&10KY1VDDY21VDD10K(TTL)Y1=0 Y2=0本讲稿第七十九页，共八十一页本章总结本章总结1.二极管二极管,.三极管，三极管，MOSMOS管开关特性管开关特性2.2.TTLTTL门电路的结构、工作原理；门电路的结构、工作原理；OCOC门，三态门，三态门的结构、工作原理，主要参数，使用注门的结构、工作原理，主要参数，使用注意事项。意事项。3.3.CMOSCMOS门电路的结构、工作原理，主要参数，门电路的结构、工作原理，主要参数，使用注意事项。使用注意事项。本讲稿第八十页，共八十一页本讲稿第八十一页，共八十一页