第3章 集成逻辑门电路 2010.3.22.ppt

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1、1第第 3 章章集成逻辑门电路集成逻辑门电路(10课时）课时）2n3.1 概述概述n3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路n3.3 TTL集成门电路集成门电路n3.4 CMOS门电路门电路n3.5 各逻辑门的性能比较各逻辑门的性能比较3作业作业n3-6n3-8n3-13n3-15n3-2043.1 概述概述n用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为称为门电路门电路。常用的门电路有与门、或门、非门、。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。与非门、或非门、与或非门、异或门等。n从制造工艺方面来分类，从制造工艺方

2、面来分类，数字集成电路数字集成电路可分为可分为双极双极型、单极型和混合型型、单极型和混合型三类。三类。53.2 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n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。6n若用高

3、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；n反之，若用高电平表示反之，若用高电平表示0，低电平表示，低电平表示1，则称这种，则称这种表示方法为表示方法为负逻辑负逻辑。n若无特别说明，若无特别说明，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7n由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可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、低电平都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。有一个允许的范围。n正因如此，在数字电路中无论是对元

4、器件参数精度正因如此，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，都比模拟电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。路要低一些。a)正逻辑正逻辑b)负逻辑负逻辑n补充半导体基础知识补充半导体基础知识83.2.2半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性93.2.2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102.二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

5、向特性反向特性反向击穿反向击穿特性特性11二极管（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正极正极-P极极负极负极-N极极123.二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

6、电路13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。144.二极管的动态特性二极管的动态特性n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。15n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

7、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16VCC=5V当当vI为高电平为高电平VIH时，时，VD可能可能截止，截止，可能导通，可能导通，vO为高电平为高电平VIH+VON。当当vI为低电平为低电平VIL时，时，VD导通，导通，vO=VIH+0.7V，为低电平。，为低电平。5.半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性173.2.3 二极管与门电路二极管与门电路二极管与门电路及逻辑符号二极管与门电路及逻辑符号与门真值表与门真值表183.2.4二极管或门电路二极管或门电路二极管或

8、门电路及逻辑符号二极管或门电路及逻辑符号或门真值表或门真值表193.3 TTL（Transistor-Transistor-Logic)集成门电路集成门电路nTTL集成门电路中采用双极型三极管作为开集成门电路中采用双极型三极管作为开关器件。关器件。n首先介绍一下双极型三极管。首先介绍一下双极型三极管。203.3.1 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n双极型三极管具有三个电极，分为双极型三极管具有三个电极，分为NPN型和型和PNP型两种类型。型两种类型。n由于它们在工作时有电子和空穴两种极性不同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

9、与导电，故称为为双极型三极管。的载流子参与导电，故称为为双极型三极管。在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，三个区分别叫发射区、基区和集电区。三个区分别叫发射区、基区和集电区。引出的三个电极分别为：发射极引出的三个电极分别为：发射极e、基极、基极b和集电极和集电极c。基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。发射结发射结集电结集电结22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232.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)

10、输入特性曲线输入特性曲线n共发射极电路。共发射极电路。n表示输入电压表示输入电压vBE和输入电流和输入电流iB 之间的特性曲线，称之间的特性曲线，称为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24n三极管的输入特性曲线与三极管的输入特性曲线与PN结（二极管）的伏安特结（二极管）的伏安特性曲线很相似，分析时可采用性曲线很相似，分析时可采用PN结（二极管）的等结（二极管）的等效模型。效模型。25n在不同在不同iB值下集电极电流值下集电极电流iC和集电极电压和集电极电压vCE之间关之间关系的曲线，称为系的曲线，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iB取不同值时

11、对取不同值时对应不同的曲线应不同的曲线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iC/mAuCE/V0 0放放大大区区iB=0A2020 A A40 40 A A截止区截止区饱饱和和区区60 60 A A80 80 A A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。27三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：VCES=0.3V截止区：截止区：ICEO1AiC/mAuCE/V0

12、0放放大大区区iB=0A2020 A A40 40 A A截止区截止区饱饱和和区区60 60 A A80 80 A A283.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路n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，就得到了三极，就得到了三极管开关电路。管开关电路。29n当当vI为低电平时，三极管工作为低电平时，三极管工作在截止状态（截止区），输出在截止状态（截止区），输出高电平高电平vO VCC。n当当vI为高电平时，三极管工作为高电平时，三极管工作在饱和导通状态（饱和区），在饱和导通状态（饱和区），输出低电平输出低电平vO 0V（VCES）。）。3.双极型三极管的开关电路

13、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30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314.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n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，输出电压的变化滞后于输入电都需要一定的时间，输出电压的变化滞后于输入电压的变化，这种滞后现象是由于三极管的压的变化，这种滞后现象是由于三极管的b-e间、间、c-e间都间

14、都存在结电容效应存在结电容效应的原因。的原因。32334.三极管非门电路三极管非门电路 n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）。n当输入当输入A为低电平时，三极管为低电平时，三极管截止，截止，F输出为高电平；当输输出为高电平；当输入入A为高电平时，三极管饱和为高电平时，三极管饱和导通，输出导通，输出F为低电平。为低电平。n实现了实现了逻辑非逻辑非功能。功能。345.二极管三极管门电路二极管三极管门电路(1)与非门电路与非门电路n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，

15、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。35（2）或非门电路）或非门电路n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37n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。当输入端。当输入端加正向电压时，相应二极管处

16、于反向偏置，具有很加正向电压时，相应二极管处于反向偏置，具有很高的阻抗，相当于开路；如果一旦在输入端出现负高的阻抗，相当于开路；如果一旦在输入端出现负极性的干扰脉冲，极性的干扰脉冲，VD1和和VD2便会导通，使便会导通，使A、B两两端的电位被钳制在端的电位被钳制在-0.7V左右，以保护多发射极晶体左右，以保护多发射极晶体管管V1不致被损坏。不致被损坏。382.工作原理工作原理1)任意一个输入端加入任意一个输入端加入低电平低电平，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

17、0.7 0.7 =3.6VF=1(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三极管饱压降为三极管饱压降为0.3V，电源电压电源电压VCC=5V39vB1=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）两输入端同时输入入高电平高电平，A=B=vI=3.6V，403.其它几个系列与非门的主要

18、区别其它几个系列与非门的主要区别（1）CT54H/74H高速系列高速系列2输入门输入门 电路中所有的电阻值都减少了。电路中所有的电阻值都减少了。输出级输出级V5管的管的有源负载改由有源负载改由V3和和V4组成的复合管，通常叫做达林组成的复合管，通常叫做达林顿图腾柱结构，进一步提高了驱动负载的能力和工顿图腾柱结构，进一步提高了驱动负载的能力和工作速度，但其功耗增加了一倍以上，目前，这类产作速度，但其功耗增加了一倍以上，目前，这类产品的生产已经很少了。品的生产已经很少了。41图图3-19 CT54H/74H高速系列输入与非门高速系列输入与非门422)肖特基系列肖特基系列2输入与非门。输入与非门。4

19、33.3.3 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n如果将图如果将图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。44(1)AB段段n当当vI 0.6V时，时，vb11.3V，V2和和V5管都管都截止，截止，VD3和和V4管导通，管导通，输出为高电平。输出为高电平。n n 故段称为电压传输特性故段称为电压传输特性的的截止区截止区。45(2)BC段段n当当0.6V

20、vI1.3V时，时，0.7Vvb11.4V，V2管开始导通，处于放管开始导通，处于放大状态，所以其集电极电大状态，所以其集电极电压压 vC2 和输出电压和输出电压vO 随输随输入电压的增高而线性地降入电压的增高而线性地降低，但低，但V5管仍截止，此段管仍截止，此段称为称为线性区线性区。46n(3)CD段n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。74

21、6.门电路多余输入端的处理门电路多余输入端的处理nTTL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。n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。75（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

22、用。76（2）TTL或门及或非门或门及或非门的多余输入端应接低电的多余输入端应接低电平或与其他输入端并接使用。平或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，多余的与门不用，其输入端必须接低电平，否则与或非门的输出将是低电平；如果某个否则与或非门的输出将是低电平；如果某个与门有多个输入端不用，其处理方法与与门与门有多个输入端不用，其处理方法与与门相同。相同。773.3.4 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性n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

23、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。781.传输延迟时间传输延迟时间n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

24、，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。79n对于反相器来说，将输入电压波形上升沿的中点与对于反相器来说，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输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，用出由高电平到低电平的延迟时间，用tPHL表示；表示；80n将输入电压波形下降沿的中

25、点与输出电压波形上升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沿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，用电平的延迟时间，用tPLH表示。表示。81n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。822.电源的动态尖峰电流电源的动态尖峰电流83 3.3.5 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门 1.集电极开路门集电极开路门-OC门

26、（门（Open Collector）n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。84n为将输出端连接使用，为将输出端连接使用，并增加门电路的驱动并增加门电路的驱动能力，可以将能力，可

27、以将TTL与与非门的有源负载去掉，非门的有源负载去掉，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。85n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。86n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”。87n如果采用负逻辑约定，可实现如果采用负逻辑约定，可实现“线或线或”功能。功能。nOC门可用于数据总线系统中，还可用于高压驱门可用于数据总线系统中，还可用于高压驱动器、七段译

28、码驱动器等多种逻辑器件的输出以动器、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。及电平转换电路。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。88n影响因素：影响因素：并联在一起的驱动门的个数并联在一起的驱动门的个数n、所接负载、所接负载门的输入端数门的输入端数m、负载门的个数、负载门的个数M、线与输出的逻、线与输出的逻辑状态有关。辑状态有关。n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

29、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。RL选择选择89（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90（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门门输出低电平，此时流入此门输出低电平，此时流入此门V5管的集电极电流为管的集电极电流为最大最大求负载电阻的最大值求负载电阻的最大值RLmax当某驱动

30、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91 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，其上门做线与连接时，其上拉电阻拉电阻RL的取值应为的取值应为:92n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系列与非门作为负载，其电路连接如图所示。系列与非门作为负载，其电路连接如图所示。设线与输出的高电平设线与输出的高电平VOHmin=3.0V，每个集电极开路，每个集电极开路门截止时其输出管流入的漏电流门截止时其输出管流入的漏电流IOH=2mA；在满足；在满足VOL 0.4V的条件下

31、，驱动管的条件下，驱动管V5饱和导通时所允许的饱和导通时所允许的最大灌电流最大灌电流IOLmax=16mA。负载门的输入特性如图。负载门的输入特性如图所示。试计算线与输出时的负载电阻所示。试计算线与输出时的负载电阻RL。n解：由图解：由图3-25所示输入特性可得所示输入特性可得 IIH=40 A,IIL=-1.5mA。94n解：由图解：由图3-25所示输入特性可得所示输入特性可得 IIH=40 A,IIL=-1.5mA。根据以上计算，根据以上计算，0.4KRL 8.1K，故可选，故可选2K 952.三态输出门三态输出门-TSL门（门（Three State Logic门）门）n在数字系统中，为

32、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。n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。961)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97nEN=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。nEN=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98使能端低

33、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。992)利用三态门构成总线系统利用三态门构成总线系统100图图3-41 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1013.4 CMOS门电路门电路 3.4.1MOS管的开关特性管的开关特性n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 Fie

34、ld-Effect Transistor，简称，简称CMOS管）作为的开关器件，在数字系统中已得到管）作为的开关器件，在数字系统中已得到广泛应用。广泛应用。n与有触点的开关相比，其在速度和可靠性方面都具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。有优越性。1021.1.绝缘栅场效应管绝缘栅场效应管(MOS)(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MOSMOS型三极管为电压控制电流源型三极管为电压控制电流源1 1）MOSMOS管的结构及分类管的结构及分类 N N沟道、沟道、P P沟道增强型绝缘栅场效应管沟道增强型绝缘栅场效应管D DB BS S

35、G GN N沟道沟道S SG GD DB BP P沟道沟道2)NMOS管的输出特性管的输出特性图图3-42 MOS管开关电路及其输出特性曲线管开关电路及其输出特性曲线104(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105nMOS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

36、出为高电平；，输出为高电平；n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。n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。106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1075)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 -1083.4.2 CMOS

37、反相器的电路结构及工作原理反相器的电路结构及工作原理nCMOS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。109n当当vI为高电平时，为高电平时，VN导导通，通，VP截止，截止，vO为低电为低电平。平。n当当vI为低电平时，为低电平时，VP导导通，通，VN截止，截止，vO为高电为高电平。平。n由于由于CMOS反相器工作时总是只有一个管子导通，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，而另一个管子截止，故通常称之为互补式工作方式，因而把这种电路叫做因而

38、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-半导体半导体电路，简称电路，简称CMOS电路电路。1103.4.3 COMS反相器的传输特性反相器的传输特性n 用以描述用以描述COMS反相器输出电量与输入电量之间关反相器输出电量与输入电量之间关系的特性曲线，称为系的特性曲线，称为传输特性传输特性。n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线，的变化而变化的关系曲线，叫做叫做电压传输特性电压传输特性。n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之间的之间的关系曲线，叫做关系曲线，叫做电流传输特性电流传输特性。1111.CM

39、OS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性n 电压传输特性分为电压传输特性分为5个个工作区域：工作区域：nAB段，段，vI|VTP|，VP管导通，管导通，输出为高电平。输出为高电平。112nBC段，段，vIVTN，VN管管开始导通，但开始导通，但vO下降不下降不多，而多，而|vGSP|VTP|，VP管导通，输出为高电平。管导通，输出为高电平。113nCD段段n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

40、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。114n DE段段nvI继续增加时，继续增加时，vO将进一将进一步下降，步下降，VN管进入了低内管进入了低内阻的线性区，阻的线性区，VN仍工作在仍工作在饱和区，输出饱和区，输出vO趋于低电趋于低电平。平。115nEF段段n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。116nCMOS器件的电源电压从器件的

41、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。n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。1172.COMS反相器的电流传输特性反相器的电流传输特性n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。118nCMOS反相器在静态工作情况下，反相器在静态工作情况下，无论其输出是低电平或是高电平，无

42、论其输出是低电平或是高电平，其功耗都极小，这是其功耗都极小，这是CMOS反相反相器得以广泛运用的主要原因之一。器得以广泛运用的主要原因之一。1193.4.4 CMOS与非门及或非门与非门及或非门n1.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120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

43、出为低电平电平。1212.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。1223.4.5 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

44、状态，相当于开关断为高阻状态，相当于开关断开。开。123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，之间的输入信号，两管总有一个导通，所以两管总有一个导通，所以vI=vO，相当于开关闭合。，相当于开关闭合。VN管导通条件：管导通条件：VP管导通条件：管导通条件：124n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。n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。n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。125n当控制端当控

45、制端C加高电压平时，开关导通，输入信号加高电压平时，开关导通，输入信号vI 便便传输到输出端，传输到输出端，vIvO；当控制端；当控制端C加低电平时，输加低电平时，输入与输出之间被阻断，输出呈高阻状态，相当于开入与输出之间被阻断，输出呈高阻状态，相当于开关断开。关断开。1263.4.6 CMOS漏极开路门（漏极开路门（OD门）门）1273.4.7 CMOS三态门（三态门（TS门）门）n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反相器的基反相器的基础上增加一个附加的础上增加一个附加的N沟道增强型沟道增强型MOS驱动驱动管管VN和一个附加的和一个附加

46、的P沟道增强型沟道增强型MOS负载负载管管VP。128三态门原理分析三态门原理分析n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）n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1292.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双向双向模拟开关实现三态输出。模拟开关实现三态输出。n当使能端为低电平时，当使能端为低电平时，TG门导通，电路实门导通，电路实现反相功能。现反相功能。（低电平有效）（低电平有效）n当使

47、能端为高电平时，当使能端为高电平时，TG门截止，电路为门截止，电路为高阻状态。高阻状态。1303.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。n当使能端为低电平时，当使能端为低电平时，或非门打开，或非门打开，VP管导通，管导通，F=A。（低电平有效）（低电平有效）n当使能端为高电平时，当使能端为高电平时，或非门封锁，电路为高或非门封锁，电路为高阻状态。阻状态。131n(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VN 及及控制用的与

48、非门，也能组成控制用的与非门，也能组成CMOS三态门。三态门。n当使能端为高电平时，当使能端为高电平时，与非门打开，与非门打开，VN管导管导通，通，F=A。（高电平有效）（高电平有效）n当使能端为低电平时，当使能端为低电平时，与非门封锁，电路为高与非门封锁，电路为高阻状态。阻状态。高电平有效高电平有效1323.4.8 CMOS门电路的构成规律与使用时的注意事项门电路的构成规律与使用时的注意事项1.CMOS门电路的构成规律门电路的构成规律(1)驱动管串联，负载管并联；驱动管并联，负载管驱动管串联，负载管并联；驱动管并联，负载管串联。串联。(2)驱动管先串后并，负载管先并后串；驱动管先并驱动管先串

49、后并，负载管先并后串；驱动管先并后串，负载管先串后并。后串，负载管先串后并。驱动管相串为驱动管相串为“与与”，相并为，相并为“或或”，先串后并，先串后并为先为先“与与”后后“或或”，先并后串为先，先并后串为先“或或”后后“与与”。驱动管组和负载管组连接点引出输出为。驱动管组和负载管组连接点引出输出为“取反取反”。1332.使用使用CMOS集成电路的注意事项集成电路的注意事项n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

50、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。134(3)不用的输入端或者多余的门都不能悬空；输出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级所连电容负载不能大于500pF，否则，输出级，否则，输出级功率过大会损坏电路。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，烙内热式电烙铁，烙铁要接地良好，烙铁功率不能过大。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、板都应良好调试时，所用仪器仪表、电路箱