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第6章门电路本讲稿第一页，共九十九页6.1数字逻辑信号数字逻辑信号1数字逻辑值数字逻辑值“0”和和“1”与数字逻辑信号电平之间的关系与数字逻辑信号电平之间的关系数字逻辑信号是具有数字逻辑信号是具有“低电平低电平”和和“高电平高电平”的电压值，要的电压值，要想用数字电路来操作数字逻辑值想用数字电路来操作数字逻辑值“0”和和“1”，就必须使数，就必须使数字逻辑值字逻辑值“0”和和“1”与数字逻辑信号与数字逻辑信号“低电平低电平”和和“高电高电平平”之间有对应关系。之间有对应关系。按照按照正逻辑约定正逻辑约定，逻辑，逻辑“0”用低电平用低电平信号表示；逻辑信号表示；逻辑“1”用用高电平高电平信号表示。信号表示。按照按照负逻辑约定负逻辑约定，“0”用高电平用高电平信号表示；信号表示；“1”用低电平用低电平信信号表示，这种逻辑约定不太符合人们的习惯思维方式。号表示，这种逻辑约定不太符合人们的习惯思维方式。本讲稿第二页，共九十九页2数字逻辑信号电平数字逻辑信号电平数字逻辑信号电平分为高电平和低电平数字逻辑信号电平分为高电平和低电平输出的高电平表示逻辑输出的高电平表示逻辑1输出的高电平表示逻辑输出的高电平表示逻辑0输出的低电平表示逻辑输出的低电平表示逻辑0输出的低电平表示逻辑输出的低电平表示逻辑1需要注意的是逻辑需要注意的是逻辑高电平和低电平都是一个范围高电平和低电平都是一个范围VLmaxVHmin本讲稿第三页，共九十九页6.2CMOS门电路门电路6.2.1MOS晶体管晶体管金属金属-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）是管）是外加电压控制导电沟道宽窄外加电压控制导电沟道宽窄的器件，依据参与导电的载流的器件，依据参与导电的载流子分类，若空穴参与导电称为子分类，若空穴参与导电称为PMOS管，若是电子参与导电管，若是电子参与导电称为称为NMOS管。管。由于导电沟道的宽窄与导电沟道呈现的电阻成比例，由于导电沟道的宽窄与导电沟道呈现的电阻成比例，所以所以MOS管可以模型化为输入电压控制的可变电阻，其输管可以模型化为输入电压控制的可变电阻，其输入电压可以控制电阻阻值的大小。入电压可以控制电阻阻值的大小。本讲稿第四页，共九十九页确定的输入电压可以使电阻的阻值很大，使确定的输入电压可以使电阻的阻值很大，使MOS管夹断管夹断（off）；或是使电阻的阻值很小，使）；或是使电阻的阻值很小，使MOS管导通（管导通（on）。）。若若MOS管在无控制电压时，不具有导电沟道，加控制管在无控制电压时，不具有导电沟道，加控制电压形成导电沟道，则称为电压形成导电沟道，则称为增强型增强型MOS管管；若；若MOS管在无管在无控制电压时，具有导电沟道，加控制电压使导电沟道变窄，控制电压时，具有导电沟道，加控制电压使导电沟道变窄，则为则为耗尽型耗尽型MOS管管。本讲稿第五页，共九十九页控制栅极和源极之间的电压控制栅极和源极之间的电压Vgs，就可以控制漏极和，就可以控制漏极和源极之间的电阻源极之间的电阻Rds，当，当Vgs=0时，就是栅极电压与源极时，就是栅极电压与源极电压相等时，电压相等时，Rds电阻很大，至少有电阻很大，至少有106；当；当Vgs增加到增加到足够大，就是栅极电压减去源极电压的数值很大时，足够大，就是栅极电压减去源极电压的数值很大时，Rds电电阻可以很小阻可以很小。本讲稿第六页，共九十九页PMOS管的栅极与源极之间的电压管的栅极与源极之间的电压Vgs也可以控制漏极和源也可以控制漏极和源极之间的电阻极之间的电阻Rds。当当Vgs=0时，就是栅极电压与源极电压相等时，时，就是栅极电压与源极电压相等时，Rds电阻电阻很大，至少有很大，至少有106；当；当Vgs减小到足够大的负值，就是栅减小到足够大的负值，就是栅极电压减去源极电压的数值是负值，极电压减去源极电压的数值是负值，Rds电阻可以很小。简化电阻可以很小。简化符号中栅极上的符号中栅极上的小圈表示栅极电压低于源极电压时，小圈表示栅极电压低于源极电压时，PMOS管导通。管导通。本讲稿第七页，共九十九页6.2.2基本基本CMOS非门非门当当VIN是是0V时，时，NMOS管管Q1的的Vgs=0V，所以截止；而，所以截止；而PMOS管管Q2由于由于Vgs=-5V，所以导通。导通后的，所以导通。导通后的Q2管呈管呈现小的电阻值，使输出端现小的电阻值，使输出端VOUT=VDD=5V。当当VIN是是5V时，时，NMOS管管Q1的的Vgs=5V，所以导通；，所以导通；而而PMOS管管Q2由于由于Vgs=0V，所以截止。导通后的，所以截止。导通后的Q1管呈管呈现小的电阻值，使输出端与地之间相连，现小的电阻值，使输出端与地之间相连，VOUT=0V。NMOS管管PMOS管管本讲稿第八页，共九十九页具有动作电平表示的具有动作电平表示的MOS管非门电路，管非门电路，PMOS和和NMOS管的符号除了在管的符号除了在PMOS管的栅极加一管的栅极加一个小圈以外是完全相同的。个小圈以外是完全相同的。如果小圈代表该管在输入电压如果小圈代表该管在输入电压为低电平为低电平L时漏极和源极之间导通，而没有小圈代表在输时漏极和源极之间导通，而没有小圈代表在输入电压为高电平入电压为高电平H时漏极和源极导通，时漏极和源极导通，则可以知道：在则可以知道：在VIN=L时，时，Q2导通，导通，Q1截止，截止，VOUT=H；在；在VIN=H时，时，Q1导导通，通，Q2截止，截止，VOUT=L。本讲稿第九页，共九十九页6.2.3CMOS与非门和或非门与非门和或非门1CMOS与非门与非门2CMOS或非门或非门本讲稿第十页，共九十九页6.374HC系列门电路的电特性系列门电路的电特性6.3.174HC系列门电路的极限电参数系列门电路的极限电参数当芯片使用条件当芯片使用条件超出极限电参数超出极限电参数时，就会使芯片特性时，就会使芯片特性变差，甚至造成永久的损坏。变差，甚至造成永久的损坏。本讲稿第十一页，共九十九页输入电压输入电压VI的最高极限值与的最高极限值与VCC有关，当有关，当VCC降低时，输降低时，输入电压也必须降低，入电压也必须降低，直流输出电压直流输出电压VO也是有极限值的，外加到输出引脚的电也是有极限值的，外加到输出引脚的电压值不能超压值不能超VCC+0.5V。输入保护二极管电流输入保护二极管电流IIK值不能超出值不能超出20mA，输出端的保护二极管电流输出端的保护二极管电流IOK也不能超出也不能超出20mA，输出电流输出电流IO也不能超出极限值也不能超出极限值符号参数数值单位VCC电源电压-0.57VVI直流输入电压-0.5VCC+0.5VVO直流输出电压-0.5VCC+0.5VIIK输入保护二极管电流20mAIOK输出保护二极管电流20mAIO直流输出电流25mA本讲稿第十二页，共九十九页6.3.274HC系列门电路的推荐工作条件系列门电路的推荐工作条件推荐工作条件推荐工作条件是芯片制造厂向芯片用户提供的芯片正是芯片制造厂向芯片用户提供的芯片正常工作条件。常工作条件。只要保证芯片在推荐工作条件下工作，芯片就能够实现只要保证芯片在推荐工作条件下工作，芯片就能够实现正确的逻辑功能。从推荐工作条件可以看出，正确的逻辑功能。从推荐工作条件可以看出，74HC系列芯片系列芯片正常工作的电源电压范围是正常工作的电源电压范围是26V。符号参数数值单位VCC电源电压范围26VVI直流输入电压范围0VCCVVO直流输出电压范围0VCCV本讲稿第十三页，共九十九页6.3.374HC系列门电路的静态电特性系列门电路的静态电特性1静态电特性静态电特性静态电特性有时又称为静态电特性有时又称为直流特性直流特性，静态电特性给出芯，静态电特性给出芯片的输入电平、输入电流、输出电平以及负载特性等参数。片的输入电平、输入电流、输出电平以及负载特性等参数。本讲稿第十四页，共九十九页符号参数实验条件（环境温度为25）最小值典型值最大值单位VIH输入高电平2V1.5V4.5V3.15V6V4.2VVIL输入低电平2V0.5V4.5V1.35V6V1.8VVOH输出高电平2V-20mA1.92.0V4.5V-20mA4.44.5V6V-20mA5.96.0V4.5V-4mA4.184.31V6V-5.2mA5.685.8VVOL输出低电平2V-20mA0.00.1V4.5V-20mA0.00.1V6V-20mA0.00.1V4.5V-4mA0.170.26V6V-5.2mA0.180.26VIIH输入高电平电流6V250.1mAIIL输入低电平电流6V250.1mAICC静态电源电流6V251mA74HC04静态电特性静态电特性静态电特性静态电特性本讲稿第十五页，共九十九页（1）对于输入端，有两个逻辑电平参数）对于输入端，有两个逻辑电平参数VIHmin：输入高电平时的最小电压值，：输入高电平时的最小电压值，VILmax：输入低电平时的最大电压值，：输入低电平时的最大电压值，（2）对于输出端，也有两个逻辑电平参数）对于输出端，也有两个逻辑电平参数VOLmax：低电平输出时的最大输出电压。：低电平输出时的最大输出电压。VOHmin：高电平输出时的最小输出电压。：高电平输出时的最小输出电压。本讲稿第十六页，共九十九页电源电压电源电压VCC与地线像两根轨道，通常称为与地线像两根轨道，通常称为电源轨道电源轨道。VIHmin=70%VCCVILmax=30%VCCVOHmin=VCC-0.1VVOLmax=地线电平地线电平+0.1V由于在最坏情况下电源电压由于在最坏情况下电源电压VCC降落降落10%，为，为4.5V，所以，所以VOHmin最小为最小为4.4V。5V电源电压时电源电压时74HC04的输出、输入高低的输出、输入高低电平如图所示。电平如图所示。本讲稿第十七页，共九十九页（3）输入高电平电流）输入高电平电流IIH与输入低电平电流与输入低电平电流IILIIH为输入在高电平状态（简称高态）时流入输入端为输入在高电平状态（简称高态）时流入输入端的电流。的电流。IIL为输入在低电平状态（简称低态）时流入输入端的为输入在低电平状态（简称低态）时流入输入端的电流。电流。（4）静态电源电流）静态电源电流ICC静态电源电流静态电源电流ICC是在输入信号接地或是接电源时是在输入信号接地或是接电源时的电源电流。在温度为的电源电流。在温度为25时，时，74HC04的静态电源电的静态电源电流流ICC为为1uA。本讲稿第十八页，共九十九页2传输特性传输特性（1）输入）输入-输出输出电压电压传输特性传输特性电压传输特性是逻辑门的输入电压与输出电压之间的关系曲电压传输特性是逻辑门的输入电压与输出电压之间的关系曲线。线。（2）输入电压）输入电压-MOS管管电流电流特性特性是输入电压与流过非门中两是输入电压与流过非门中两MOS管电流特性曲线。管电流特性曲线。本讲稿第十九页，共九十九页（3）不满足输入高低电平参数时的）不满足输入高低电平参数时的CMOS门特性门特性当非门的输入电压满足高电平或低电平电压参数时，当非门的输入电压满足高电平或低电平电压参数时，MOS管中总有一个是在夹断状态，使流过两管中总有一个是在夹断状态，使流过两MOS管的管的电流近乎为电流近乎为0。若是输入电压不是很接近电源轨道，则。若是输入电压不是很接近电源轨道，则导通的导通的MOS管不能充分导通，截止的管不能充分导通，截止的MOS管不能充分管不能充分截止，使截止，使CMOS非门输出电压远离电源轨道。非门输出电压远离电源轨道。本讲稿第二十页，共九十九页当输入电压为当输入电压为1.5V时，可以计算出流过两个时，可以计算出流过两个MOS管的电流为管的电流为1.72mA，输出电压为，输出电压为4.31V。由于流过两。由于流过两个个MOS管的电流太大，不仅增大了功耗，也降低了拉管的电流太大，不仅增大了功耗，也降低了拉电流负载能力。电流负载能力。当输入电压为当输入电压为3.5V时，可以计算出输出电压为时，可以计算出输出电压为0.24V。这时流过两个这时流过两个MOS管的电流为管的电流为1.19mA。由于流过两个。由于流过两个MOS管的电流太大，因此降低了灌电流能力，并增加了功管的电流太大，因此降低了灌电流能力，并增加了功耗。耗。本讲稿第二十一页，共九十九页3噪声容限噪声容限噪声容限就是对噪声容限就是对噪声的容忍程度噪声的容忍程度，或者说是可以在，或者说是可以在前级输出信号上可以叠加的噪声电压幅度是多少。噪声前级输出信号上可以叠加的噪声电压幅度是多少。噪声容限定义为：容限定义为：最小高电平噪声容限最小高电平噪声容限VNH=VOHmin-VIHmin最小低电平噪声容限最小低电平噪声容限VNL=VILmax-VOLmax74HC04连接同类电路的噪声容限等于（电源电压取最坏情连接同类电路的噪声容限等于（电源电压取最坏情况况4.5V，环境温度，环境温度25）：）：VNH=VOHmin-VIHmin=4.4V-3.15V=1.25V VNL=VILmax-VOLmax=1.35V-0.1V=1.25V本讲稿第二十二页，共九十九页4输出特性输出特性（1）电阻性负载）电阻性负载CMOS门与电阻性负载相连的等效电路如图门与电阻性负载相连的等效电路如图3-16所示，其中所示，其中图图3-16（a）是灌电流负载情况，图）是灌电流负载情况，图3-16（b）是拉电流负载）是拉电流负载情况。情况。图图3-16灌电流和灌电流和拉电流负载拉电流负载本讲稿第二十三页，共九十九页 IOLmax：保证输出电压小于：保证输出电压小于VOLmax的最大灌入电的最大灌入电流。若是电流大于流。若是电流大于IOLmax，则输出低电平电压可能大于，则输出低电平电压可能大于VOLmax，主要是灌入电流在电阻，主要是灌入电流在电阻Rn上压降的影响。上压降的影响。IOHmax：保证输出电压大于：保证输出电压大于VOHmin的最大拉出电的最大拉出电流。若是电流大于流。若是电流大于IOHmax，则输出高电平电压可能小于，则输出高电平电压可能小于VOHmin，主要是拉出电流在电阻，主要是拉出电流在电阻Rp上压降的影响。上压降的影响。图图3-16灌电流和灌电流和拉电流负载拉电流负载本讲稿第二十四页，共九十九页（2）输出电压与电流之间的关系）输出电压与电流之间的关系实际上由于实际上由于MOS管导通电阻的影响，管导通电阻的影响，CMOS门输出的门输出的电压随电流的变化而变化，输出电压随电流的变化曲线为电压随电流的变化而变化，输出电压随电流的变化曲线为输出特性曲线。输出特性曲线。74HC04非门的典型输出特性曲线如图非门的典型输出特性曲线如图3-17所示。所示。图图3-17（a）是低电平输出特性，（）是低电平输出特性，（b）是高电平输出特性）是高电平输出特性本讲稿第二十五页，共九十九页（3）CMOS门驱动逻辑门电路门驱动逻辑门电路74HC04在在4.5V电源时驱动这两种负载的情况如表电源时驱动这两种负载的情况如表3-7所示。表中给出了所示。表中给出了保证输出电压的条件下的最大输出电保证输出电压的条件下的最大输出电流值。流值。参数CMOS负载TTL负载名称数值名称数值最大低电平输出电流（mA）IOLmaxC0.02mAIOLmaxT4mA最大低电平输出电压（V）VOLmaxC0.1VVOLmaxT0.26V最大高电平输出电流（mA）IOHmaxC-0.02mAIOHmaxT-4mA最小高电平输出电压（V）VOHminC4.4VVOHminT4.18V本讲稿第二十六页，共九十九页（4）扇出：）扇出：门电路能够带动同类门输入端的数量称为扇出。扇出不仅和门的输出特门电路能够带动同类门输入端的数量称为扇出。扇出不仅和门的输出特性有关，而且依赖于门的输入特性。性有关，而且依赖于门的输入特性。当负载门的输入端数超出了前级门的扇出能力，则有当负载门的输入端数超出了前级门的扇出能力，则有如下影响：如下影响：在低电平，前级门输出电压在低电平，前级门输出电压VOL可能增加并超过可能增加并超过VOLmax。在高电平，前级门输出电压在高电平，前级门输出电压VOH可能减小并低于可能减小并低于VOHmin。传播延迟时间可能增加。传播延迟时间可能增加。输出上升时间和下降时间增加。输出上升时间和下降时间增加。器件的工作温度上升，减小器件的可靠性并渐渐器件的工作温度上升，减小器件的可靠性并渐渐损坏器件。损坏器件。本讲稿第二十七页，共九十九页6.3.474HC系列门电路的动态特性系列门电路的动态特性74HC04的数据说明书中给出了该芯片的动态特性如的数据说明书中给出了该芯片的动态特性如表表3-8所示。所示。符号参数实验条件（环境温度为25）最小典型最大单位tTLHtTHL输出瞬态时间2V6ns3875ns4.5V815ns6V613nstPLHtPHL传播延迟时间2V4595ns4.5V919ns6V816ns描述描述CMOS器件动态特性的参数是：器件动态特性的参数是：输出瞬变时间和传播延迟时间输出瞬变时间和传播延迟时间。本讲稿第二十八页，共九十九页1输出瞬变时间输出瞬变时间门电路的输出从一个状态转换成另外一个状态所需的时间门电路的输出从一个状态转换成另外一个状态所需的时间称为称为输出瞬变时间输出瞬变时间。理想的转换不需要时间。理想的转换不需要时间。如图如图3-18（a）所示。但是实际上，转换需要时间，这是因为）所示。但是实际上，转换需要时间，这是因为需要向导线和元件等电路形成的等效电容充电。需要向导线和元件等电路形成的等效电容充电。图图3-18（b）是转换曲线，其中从低态向高态转换需要上）是转换曲线，其中从低态向高态转换需要上升时间升时间tr，而从高态向低态转换需要下降时间，而从高态向低态转换需要下降时间tf。图图3-18（c）所示的是实际瞬态上升和下降时间）所示的是实际瞬态上升和下降时间本讲稿第二十九页，共九十九页2传输延迟时间传输延迟时间在信号通道上，在信号通道上，从输入信号的变化到输出信号的变从输入信号的变化到输出信号的变化所需的时间称为传输延迟化所需的时间称为传输延迟tp。对于多输入输出器件可。对于多输入输出器件可能有多个传输延迟时间。能有多个传输延迟时间。tPHL为当输出从为当输出从高高电平向电平向低低电平变化时，从门电路的输入变电平变化时，从门电路的输入变化到引起门电路的输出变化所需要的时间。化到引起门电路的输出变化所需要的时间。tPLH为当输出从为当输出从低低电平向电平向高高电平变化时，从门电路输入变化电平变化时，从门电路输入变化到引起门电路输出变化所需要的时间。到引起门电路输出变化所需要的时间。本讲稿第三十页，共九十九页3功率耗散功率耗散如果如果CMOS器件的输出不发生变化，则这时的功耗为静器件的输出不发生变化，则这时的功耗为静态功耗。态功耗。CMOS器件的器件的静态功耗很小静态功耗很小。动态功耗的一个原因就是当输入信号变化时，总有一段时动态功耗的一个原因就是当输入信号变化时，总有一段时间间CMOS器件输入电压器件输入电压既不是高态，也不是低态，既不是高态，也不是低态，因而因而MOS管似通非通管似通非通，引起电源与地线之间的等效电阻减小形成的内，引起电源与地线之间的等效电阻减小形成的内部功耗。内部功耗与部功耗。内部功耗与VCC的大小以及输出状态的变化率有的大小以及输出状态的变化率有关，输出状态变化引起的内部功耗关，输出状态变化引起的内部功耗PT可以由下式决定：可以由下式决定：电容电容CPD由下式计算由下式计算PT1=CPD(VCC)2f1=ICC1VCCPT2=CPD(VCC)2f2=ICC2VCC本讲稿第三十一页，共九十九页动态功耗的另一个原因是由负载电容引起的。动态功耗的另一个原因是由负载电容引起的。全部动态功耗等于全部动态功耗等于符号参数实验条件（环境温度为25）最小典型最大单位CIN输入电容5V510pFCPD功耗电容5V22pF本讲稿第三十二页，共九十九页6.4其他类型的其他类型的CMOS电路电路1传输门传输门传输门由控制端传输门由控制端EN_L和和EN控制，控制，EN_L和和EN是互补信号。是互补信号。当当EN_L=L、EN=H时，传输门导通，时，传输门导通，A、B两端之间呈现很小的电阻两端之间呈现很小的电阻（几欧到几十欧之间），相当于导（几欧到几十欧之间），相当于导通；当通；当EN_L=H、EN=L时，传输时，传输门不导通，门不导通，A、B两端之间呈现很两端之间呈现很大的电阻。大的电阻。本讲稿第三十三页，共九十九页图图3-21是基于是基于CMOS传输门组成的四双向模拟开关传输门组成的四双向模拟开关74AHC4066。在数据采集系统中，常用模拟开关切换模拟信号，实现多通道数据在数据采集系统中，常用模拟开关切换模拟信号，实现多通道数据采集。采集。在在CMOS技术中，常使用传输门组成更复杂的数字电路，例如图技术中，常使用传输门组成更复杂的数字电路，例如图3-22所示的所示的2选选1电路，就使用传输门组成。可以看出，当控制端电路，就使用传输门组成。可以看出，当控制端S为低电平为低电平时，时，X与与Z相连；当控制端相连；当控制端S为高电平时，为高电平时，Y与与Z相连。相连。图图3-22用传输门组成的用传输门组成的2选选1选择器选择器本讲稿第三十四页，共九十九页*2三态门三态门P51普通的逻辑门只输出普通的逻辑门只输出“0”或或“1”两种状态。而三两种状态。而三态门输出有称为态门输出有称为高阻状态高阻状态（Highimpedance，Hi-Z或或floating）的）的第三种非逻辑状态第三种非逻辑状态。在这种状态下，若是忽略。在这种状态下，若是忽略流入或流出门电路的极小泄漏电流，门电路的输出就像流入或流出门电路的极小泄漏电流，门电路的输出就像与其他电路没有连接。这样的输出具有三种输出状态，与其他电路没有连接。这样的输出具有三种输出状态，逻辑逻辑“0”、逻辑、逻辑“1”和高阻状态和高阻状态“Z”。ENABC DQ1Q2OUTLLH H L断断高阻LHH H L断断高阻HLL H H断通LHHLLL通断H表表3-10三态三态CMOS缓冲器缓冲器的动作表的动作表本讲稿第三十五页，共九十九页图图3-24是三态输出的是三态输出的8总线缓冲总线缓冲/驱动器驱动器74HC244。该芯片内部电路分为两组，每组有该芯片内部电路分为两组，每组有4个三态门，并有单独的个三态门，并有单独的低电平有效使能信号。低电平有效使能信号。本讲稿第三十六页，共九十九页*3开漏输出门开漏输出门（1）开漏门工作原理）开漏门工作原理ABQ1Q2OUTLL断断开路LH断通开路HL通断开路HH通通L开漏输出开漏输出需要外接上拉电阻需要外接上拉电阻将开将开漏输出无源上拉到高电平才能正漏输出无源上拉到高电平才能正常工作。图常工作。图3-26就是具有无源上拉就是具有无源上拉电阻推动负载的开漏与非门电路。电阻推动负载的开漏与非门电路。本讲稿第三十七页，共九十九页（2）开漏输出驱动发光二极管）开漏输出驱动发光二极管开漏输出驱动发光二极管的电路如图开漏输出驱动发光二极管的电路如图3-27所示。所示。发光二极管的工作电流取发光二极管的工作电流取10mA就有相当的亮度就有相当的亮度发光二极管串联的限流电阻的计算：若取发光二极管的发光二极管串联的限流电阻的计算：若取发光二极管的工作电流工作电流ILED为为10mA，发光二极管的正向压降，发光二极管的正向压降VLED为为1.8V，电源电压为，电源电压为12V。根据图。根据图3-27所示的电路有所示的电路有VOL+4VLED+(ILEDR)=VCC本讲稿第三十八页，共九十九页（3）线与逻辑）线与逻辑将几个具有开漏输出与门的输出端连接在一起，就形成将几个具有开漏输出与门的输出端连接在一起，就形成线与逻辑线与逻辑，如果所有与门的输出都开路，则输出为高电平；，如果所有与门的输出都开路，则输出为高电平；如果有一个输出低电平，则输出低电平。如果有一个输出低电平，则输出低电平。注意注意：两个具有有源上拉门的输出端是：两个具有有源上拉门的输出端是不能不能直接连在一起直接连在一起实现线与的，如图实现线与的，如图3-29所示。所示。电流大损坏电流大损坏图图3-28三个开漏门组成的线与逻辑三个开漏门组成的线与逻辑图图3-29两个有源上拉与非门的输出端连在一起两个有源上拉与非门的输出端连在一起本讲稿第三十九页，共九十九页6.5常用常用CMOS门电路系列门电路系列1CMOS4000系列系列第一个商业上成功的第一个商业上成功的CMOS系列是系列是4000系列（包括系列（包括4500系列），虽然系列），虽然4000系列的功耗低，但是具有速度慢和与系列的功耗低，但是具有速度慢和与TTL（有关（有关TTL系列的内容系列的内容在后面介绍）系列不容易接口的缺点。在后面介绍）系列不容易接口的缺点。4000系列具有以下系列具有以下优点优点：电源电压范围宽（电源电压范围宽（318V）；）；功耗低；功耗低；高噪声容限。高噪声容限。但是也有如下但是也有如下缺点缺点：传输延迟时间长（在传输延迟时间长（在100ns左右）；左右）；输出驱动能力小，只能达到输出驱动能力小，只能达到1个个74LS门的驱动能力，这里门的驱动能力，这里一个一个74LS门的驱动能力是门的驱动能力是0.4mA；容易出现芯片自锁；容易出现芯片自锁；对静电敏感，易受静电损坏。对静电敏感，易受静电损坏。本讲稿第四十页，共九十九页274系列中的系列中的CMOS芯片芯片74系列器件的命名格式是系列器件的命名格式是74FAMnn，这里，这里FAM表示器表示器件所属的系列，而数字件所属的系列，而数字nn表示器件的功能。只要表示器件的功能。只要nn相同，就相同，就说明这些器件的功能相同。例如说明这些器件的功能相同。例如74HC30、74HCT30、74AC30、74ACT31、74AHC30都是都是8输入端与非门。输入端与非门。（1）HC和和HCT系列系列早期早期74系列中的系列中的CMOS芯片是芯片是HC（HighspeedCMOS）和）和HCT（HighspeedCMOS，TTLcompatible），），与与4000系列比较，它们具有更高的灌电流、拉电流能力和系列比较，它们具有更高的灌电流、拉电流能力和速度，而且速度，而且HCT系列使用系列使用5V电源，与使用电源，与使用5V电源的电源的TTL器件完全兼容，可以混合使用。器件完全兼容，可以混合使用。74HC系列主要用于都是系列主要用于都是74HC系列的系统设计，它系列的系统设计，它的电源电压范围为的电源电压范围为26V，电源电压越高允许使用的速，电源电压越高允许使用的速度越高，而低的电源电压可以减小功耗。度越高，而低的电源电压可以减小功耗。本讲稿第四十一页，共九十九页274系列中的系列中的CMOS芯片芯片图图3-3274HC和和74HCT系列的输入输出电平系列的输入输出电平本讲稿第四十二页，共九十九页（2）VHC和和VHCT系列系列20世纪世纪80年代，又开发出了年代，又开发出了VHC（VeryHighSpeedCMOS）和）和VHCT（VeryHighSpeedCMOS，TTLcompatible）系列的）系列的CMOS芯片。这两个系列的速度是芯片。这两个系列的速度是HC和和HCT系列的两倍。像系列的两倍。像HC和和HCT系列一样，系列一样，VHC和和VHCT的区的区别是它们能够辨认的输入电平不同，而输出特性是完全相同的。别是它们能够辨认的输入电平不同，而输出特性是完全相同的。该系列具有肖特基该系列具有肖特基TTL逻辑电路的速度以及逻辑电路的速度以及CMOS电路的功耗，电路的功耗，以及灌电流和拉电流能力相同的特点。以及灌电流和拉电流能力相同的特点。（3）AHC、AHCT系列系列以上叙述的以上叙述的VHC和和VHCT系列器件由系列器件由Mototola、Fairchild和和Toshiba公司制作，而公司制作，而AHC和和AHCT系列是系列是TexasInstruments和和Philips公司生产的兼容产品。其技术指标与公司生产的兼容产品。其技术指标与VHC和和VHCT系列器件系列器件基本相同。基本相同。（4）AC、ACT系列系列该系列除具有以上各系列的优点外，还具有该系列除具有以上各系列的优点外，还具有24mA的灌电流和拉的灌电流和拉电流负载能力。电流负载能力。本讲稿第四十三页，共九十九页3CMOS各系列芯片的电特性各系列芯片的电特性（1）电源电压范围）电源电压范围不同不同CMOS系列芯片的工作电源电压如表系列芯片的工作电源电压如表3-12所示。所示。HCHCTVHCVHCTACACTAHCAHCT4000B电源电压范围（V）264.55.525.54.55.5264.55.525.54.55.5318（2）输入特性）输入特性CMOS各系列芯片的输入特性如表各系列芯片的输入特性如表3-13所示。所示。说明符号条件HCHCTVHCVHCTACACTAHCAHCT4000B输入漏电流（A）IImax输入电压为任何值典型输入电容（pF）CINmax3.53.5444.54.5335低电平输入电压（V）VILmax（电源电压为5V）1.50.81.50.81.50.81.50.81.5高电平输入电压（V）VIHmin（电源电压为5V）3.52.03.52.03.52.03.523.5本讲稿第四十四页，共九十九页（3）输出特性）输出特性CMOS各系列芯片的输出特性如表各系列芯片的输出特性如表3-14所示。所示。说明符号条件HCHCTVHCVHCTACACTAHCAHCT4000B低电平输出电流（mA）IOLmaxCIOLmaxTCMOS负载TTL负载0.024.00.024.00.058.00.058.00.0524.00.0524.00.058.00.058.00.51低电平输出电压（V）VOLmaxCVOLmaxTIOUTIOLmaxCIOUTIOLmaxT0.10.260.10.260.10.360.10.360.10.360.10.360.10.360.10.360.050.4高电平输出电流（mA）IOHmaxCIOHmaxTCMOS负载TTL负载-0.02-4.0-0.02-4.0-0.05-8.0-0.05-8.00.0524.00.0524.0-0.05-8.0-0.05-8.0-0.16-3.2高电平输出电压（V）VOHmaxCVOHmaxT|IOUT|IOHmaxC|IOUT|IOLmaxT|4.43.984.43.984.43.943.152.54.43.864.43.864.43.944.43.944.62.5本讲稿第四十五页，共九十九页5）功耗电容）功耗电容CMOS各系列中四各系列中四2输入与非门的典型功耗电容如表输入与非门的典型功耗电容如表3-16所示。所示。系列HCHCTVHCVHCTACACTAHCAHCT典型功耗电容CPD22221917303077（4）传输延迟）传输延迟CMOS各系列中四各系列中四2输入与非门的传输延迟时间如表输入与非门的传输延迟时间如表3-15所示所示系列HCHCTVHCVHCTACACTAHCAHCT4000B典型传输延迟时间tPHL/tPLH（ns）7103.75.56.05.53.23.3125测试条件：负载电容CL151515155050151550本讲稿第四十六页，共九十九页6.6低电压低电压CMOS器件器件有两个原因使有两个原因使CMOS器件的电压越来越小：器件的电压越来越小：由由CMOS器件功耗的计算公式器件功耗的计算公式CV2f可知，只有减可知，只有减小电源电压，才能减小功耗。小电源电压，才能减小功耗。因为因为MOS管的体积越来越小，绝缘层越来越薄，管的体积越来越小，绝缘层越来越薄，绝缘强度不能忍受绝缘强度不能忍受5V电压。电压。所以所以IC工业标准委员会（工业标准委员会（JEDEC），选择了），选择了3.3、2.5和和1.8三个电源电压标准，同时还给出了在这些电压三个电源电压标准，同时还给出了在这些电压下的输入和输出逻辑电平。下的输入和输出逻辑电平。1低压器件中的新电路结构低压器件中的新电路结构在低压器件中，使用了一些新的电路结构：在低压器件中，使用了一些新的电路结构：本讲稿第四十七页，共九十九页（1）忍受）忍受5V电压的输入端电压的输入端图图3-33HC、HCT与与VHC、VHCT图图3-33（a）所示的）所示的HC、HCT系列输入电路系列输入电路,在高于在高于VCC+0.5V的输入信号到达输的输入信号到达输入端后，电路中的二极管将导入端后，电路中的二极管将导通，产生比较大的正向电流。通，产生比较大的正向电流。而图而图3-33（b）所示的）所示的VHC、VHCT系列输入电路，由系列输入电路，由于没有钳位二极管于没有钳位二极管D2，所，所以就不会在输入信号过高以就不会在输入信号过高时出现经过二极管流入电时出现经过二极管流入电源的电流。源的电流。本讲稿第四十八页，共九十九页（2）忍受）忍受5V电压的输出端电压的输出端图图3-34（a）所示的是一般的）所示的是一般的CMOS器件输出电路器件输出电路图图3-34（b）所示的是能够忍受）所示的是能够忍受5V电压的输出结构。电压的输出结构。本讲稿第四十九页，共九十九页2常用低压常用低压CMOS系列系列（1）LVC系列系列LVC（Low_Voltage_CMOSLogic）是低压）是低压CMOS系列产品，该系列主要用系列产品，该系列主要用于于3.3V、2.5V和和1.8V电源电压的逻辑系统。该系列具有对称负载能力、总电源电压的逻辑系统。该系列具有对称负载能力、总线保持，线保持，I/O引脚能够忍受引脚能够忍受5V电压，支持部分电源断电和可选串联阻尼电电压，支持部分电源断电和可选串联阻尼电阻等功能。阻等功能。（2）LV与与LV-A系列系列LV（Low_Voltage_CMOSLogic）系列可用于）系列可用于3.3V或或5V逻辑系统设计中，而逻辑系统设计中，而LV-A是改进产品，主要用于是改进产品，主要用于3.3V、2.5V和和2.5V电源电压的逻辑系统。该系列具有忍受电源电压的逻辑系统。该系列具有忍受5V的的I/O引脚、对称驱动能力，并支持部分电路断电。引脚、对称驱动能力，并支持部分电路断电。（3）ALVC系列系列ALVC（AdvancedLow_Voltage_CMOSLogic）是先进低电压）是先进低电压CMOS逻辑，主要用逻辑，主要用于电源电压为于电源电压为3.3V、2.5V和和1.8V的逻辑系统。该系列具有总线保持功能和灌电流的逻辑系统。该系列具有总线保持功能和灌电流拉电流负载能力相同的特点。拉电流负载能力相同的特点。（4）LVT系列系列LVT（Low_VoltageTechnology），该系列主要用于），该系列主要用于3.3V系统设计，极限灌系统设计，极限灌电流负载电流负载64mA、拉电流负载、拉电流负载32mA，传输延迟最快达到，传输延迟最快达到4ns，而且输入端，而且输入端兼容兼容TTL逻辑电平，并能忍受逻辑电平，并能忍受5.5V的输入信号。的输入信号。本讲稿第五十页，共九十九页6.7分立元件门电路分立元件门电路3.7.1二极管与二极管逻辑门二极管与二极管逻辑门1二极管的开关特性二极管的开关特性P60二极管的符号二极管的符号正极正极负极负极正偏导通，反偏截止正偏导通，反偏截止本讲稿第五十一页，共九十九页二极管伏安特性的几种近似方法二极管伏安特性的几种近似方法a）折线二极管模型）折线二极管模型b）恒压源模型（开关等效电路）恒压源模型（开关等效电路）c）理想二极管模型）理想二极管模型本讲稿第五十二页，共九十九页2用二极管实现简单门电路用二极管实现简单门电路（1）二极管）二极管或门或门二极管或门如图二极管或门如图3-38所示。所示。（2）二极管）二极管与门与门二极管与门如图二极管与门如图3-39所示。所示。图中图中A、B是输入信号，是输入信号，Y是输出信号。基于二极管的钳位作是输出