数电门电路学习.pptx

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1、12.1概述概述门电路门电路：是用以实现基本逻辑运算和复合逻辑：是用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子电路。运算的电子电路。实现与运算的叫与门，实现或运实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。等等。分立元件门电路和集成门电路:分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都 制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOSCMOS和TTLTTL集成门电路。第1页/共99页2在数字电路中，一般用高电

2、平代表在数字电路中，一般用高电平代表1 1、低电、低电平代表平代表0 0，即所谓的，即所谓的正逻辑正逻辑。反之，用高电平代表反之，用高电平代表0 0、低电平代表、低电平代表1 1，即所，即所谓的谓的负逻辑负逻辑。电位指绝对电压的大小,电平指一定的电压范围。高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。如在TTLTTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V3V，但从2V2V到5V5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V0.3V，但从0V0V到0.8V0.8V都算作低电平。关于高低电平的概念第2页/共99页3第3页/共99页4第4页/共99页5二极管等效电路二极管等效电路 应用于二极管外电路电阻

3、R值与其动态rD电阻等量级场合 应用于二极管电路输入电压V正向幅值与VON差别不大，且RrD的场合，(数字电路属于此类)应用于二极管电路输入电压V正向峰值VPPVON，且RrD的 场 合(理想开关)VON0.7V（硅）0.3V（锗）rD几 几十等效电路第5页/共99页6第6页/共99页7二、动态特性给二极管电路加入一个方波信号.v外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，即浓度梯度建立产生的延迟.开通时间t tonon:二极管从截止变为导通所需的时间.v外加电压由正向突然变为反向时，因PN结尚有一定数量的存储电荷，所以有较大的瞬态反向电流流过。随

4、着存储电荷的消散，反向电流迅速衰减并趋近于稳态时的反向饱和电流.反向恢复时间tre：二极管从导通到截止所需的时间。一般为纳秒数量级（通常tre5ns）。t ts s为存储时间，t tt t称为渡越时间。trets十tt.一般:tre tonttvitsttt tonontrevi00若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。第7页/共99页8第8页/共99页9截止时等效电路(1)截止状态 条件：发射结反偏特点：电流iC,iB约为0 第9页/共99页10(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅饱和时等效电

5、路第10页/共99页112.三极管的开关时间（动态特性）三极管的开关时间 开启时间ton上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts第11页/共99页12(1)开启时间ton三极管从截止到饱和所需的时间。ton=td+trtd：延迟时间tr：上升时间(2)关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。toff=ts+tfts：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf：下降时间toffton。三极管开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。第12页/共99页132.2.3MOS管的开关特性一、MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-Sem

6、iconductorField-EffectTransistor）右图为N沟道增强型场效应管(NMOS)第13页/共99页14P P沟道增强型场效应管沟道增强型场效应管(PMOSPMOS)第14页/共99页15MOS管特性N沟道增强型N沟道耗尽型P沟道增强型P沟道耗尽型第15页/共99页16二、MOS管的输入特性和输出特性以N沟道增强型MOS管为例.MOS管是电压控制器件,用栅极电压VGS来控制漏极电流iD，如图所示的转移特性，表示在漏源电压VDS一定时，iD和VGS的关系。VT为开启电压。当VGSVT后，形成iD，相当于开关闭合。在开关电路中，电路工作在大信号状态，从下图的输出特性中，MOS

7、管的工作状态可划分为四个区：第16页/共99页17截止区：VGSVT，VDSBVDS后，iD将随VDS增加而急剧增加，应避免此种情况，以免损坏管子。第17页/共99页18三、MOS管的开关等效电路由于MOS管截止时漏极和源级之间的内阻ROFF非常大，所以截止状态下的等效电路可用断开的开关代替。MOS管导通状态下的内阻RON约在1K以内，而且与VGS的数值有关。C1代表栅极的输入电容。约为几皮法。由于开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作情况下（即VI在高、低电平间跳变时），漏极电流 iD的变化和输出电压VDS的变化都将滞后于输入电压的变化。第18页/共99页19目前，采

8、用MOS管的逻辑集成电路主要有三类：以P沟道增强型管构成的PMOS电路，以N沟道增强型管构成的NMOS电路以及用PMOS和NMOS两种管子构成的互补MOS，即CMOS电路。四、MOS管的基本开关电路NMOS倒相器当Vi=ViL时，VGS=ViLVT，MOS管处于导通状态，合理选择VDD和RD，使iD足够大，输出VO=VOL=VDDiDRD为得到足够低的VOL，要求RD很大，在实际电路中，常用另一个MOS管来做负载。第19页/共99页201与门电路2.3 2.3 最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路A、B为输入信号（+3V或0V）ABL0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V

9、3V3V3.7V电路输入与输出电压的关系用逻辑1 1表示高电平（此例为+3V+3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.7V0.7V）第20页/共99页212 2或门电路或门电路电路输入与输出电压的关系ABL0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V用逻辑1 1表示高电平（此例为+2.3V+2.3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0V0V）第21页/共99页223.三极管非门1、工作原理当Vi=ViL=0时，三极管截止，输出电压Vo=VoHEcc当Vi=ViHEc时，三极管饱和，输出电压Vo=VoL=Vces02、正常工作条件1）.截止条件：Vbe0ViLR102）.饱和条件：

10、ibibs=ib=ib第22页/共99页232.4 2.4 TTL门电路门电路一、TTLTTL反相器的反相器的工作原理TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。1.电路结构由输入级、倒相级、输出级三部分组成.第23页/共99页2.工作原理A输入信号的高、低电平分别为：VIH=3.4v，VIL=0.2v,VON=0.7v，Vcc=+5v1).A为低电平VIL=0.2v时，T1的发射结导通，并将T1的基电极电位钳在VIL+VON=0.9v，AR14k T1T2T4T5R4R31K 130+Vcc R21.6K YD1 D2 输入级倒相级输

11、出级第24页/共99页因为T1的集电极回路电阻为R2和T2的b-c结反向电阻之和，阻值非常大，所以T1工作在深度饱和区，Vces1 0。显然，T2的发射结不导通，T2截止，Vc2为高电平，Ve2为低电平，使T5截止，故 R2上的压降很小，Vc2Vcc，T4管导通。因此，输出为高电平Vo=VOH=3.6v。AR14k T1T2T4T5R4R31K 130+Vcc R21.6K YD1 D2 输入级倒相级输出级0.2v0V5V3.6V0.9v0.2V导通(射极跟随器)截止截止饱和5VVILVOH第25页/共99页2).当输入信号为高电平VIH=3.4v，假设暂不考虑T1管的集电极支路，则T1管的发

12、射结均应导通，可能使Vb1=VIH+0.7=4.1v。但是，由于Vcc经R2作用于T1管的集电极、T2和T5管的发射结，使三个PN结必定导通，Vb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=2.1v，使T1管的发射结均反偏，T1管处于倒置工作状态，T2和T5管饱和导通，Vo=VoL=Vces5=0.3v，Vc2=Vces2+Vbe5=0.3+0.7=1v，T4管和D2 截止。AR14k T1T2T4T5R4R31K 130+VccR21.6K YD1 D2 输入级倒相级输出级3.4V0.7V1V0.3V2.1V1.4V饱和截止5VVIHVOLT1集电结正偏，发射结反偏，倒置工作状态饱和第26页/共99页

13、27综上所述，TTL非门输入端输入低电平，输出即为高电平；当输入端输入高电平时，输出为低电平，实现了非逻辑功能。采用三极管射极输入级的作用：提高输入电阻采用推拉式输出级的作用：利于提高开关速度和负载能力T T3 3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。当输入高电平时，T T5 5饱和，T T4 4和D D2 2截止，T T5 5的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，T T5 5截止，T T4 4导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，T T4 4和T T5 5总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。第27页

14、/共99页AB段:当Vi0.6v时，Vb11.3v，T2和T5管截止，T4导通，输出为高电平VoH=VccVR2Vd2Vbe4 3.4v，故AB段称为截止区。BC段:当0.7Vi1.3v时，T2管的发射极电阻R3直接接地，故T2管开始导通并处于放大状态，所以Vc2和Vo随Vi的增高而线性地降低。但T5管仍截止。故BC段称为线性区。CD段:当1.3vVi1.4v时，Vb1=2.1v，使T2和T5管均趋于饱和导通，T4 管截止，所以Vo急剧下降为低电平，Vo=VoL=0.3v，故称CD段为转折区。DE段:Vi大于1.4v以后，Vb1被箝位在2.1v，T2和T5管均饱和，Vo=Vces5=0.3v,

15、故DE段称为饱和区。截止区线性区转折区饱和区T T5 5截止，称关门T T5 5饱和，称开门二、电压传输特性第28页/共99页29三、结合电压传输特性介绍几个参数 (1)输出高电平UOH 典型值为3V。(2)输出低电平UOL 典型值为0.3V。第29页/共99页30(3)开门电平UON一般要求UON1.8V(4)关门电平UOFF一般要求UOFF0.8V 在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUON第30页/共99页31(5)阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中

16、点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH1.4V。(6)噪声容限（UNL和UNH）噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。第31页/共99页32UOFFUNLUILUONUNHUIH低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）UNL=UOFF-UILUIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5(V)高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）UNH=UIH-UONUIH为电路输入高电平的典型值（3V）若UON=1.8V，则有 UNH=3-1.8=1.2(V)第32

17、页/共99页33TTL门的输入端噪声容限的其它定义(教材P64,门带门情况)噪声容限：保证输出逻辑状态一定，而允许的输入噪声干扰的电压幅值输入低电平噪声容限：VNL=VILmax-VOLmax输入高电平噪声容限：VNH=VOHmin-VIHminUOFFUON第33页/共99页34四、输入特性：Vi(v)iI(mA)01.0 1.5 0.511.5当ViVT时，iI为负值，当Vi5mA后，输出电压便线性下降，输出高电平不能保持。一般器件手册所给的高电平最大输出电流IOH 0.4mA第36页/共99页37例2.4.1输入负载特性曲线（a）测试电路 （b）输入负载特性曲线 TTL反相器的输入端对地

18、接上电阻RI时，uI随RI的变化而变化的关系曲线。六.输入负载特性第37页/共99页38在一定范围内，uI随RI的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时VT2和VT5饱和导通，输出为低电平。虚框内为TTL反相器的部分内部电路 第38页/共99页39RI 不大不小时，工作在线性区或转折区。RI 较小时，关门，输出高电平；RI 较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI悬空时？第39页/共99页40(1)关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF

19、0.7k。(2)开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON2k。数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。例2.4.2第40页/共99页41七、七、TTL门的动态特性：门的动态特性：1.传输延迟时间：输出波形相对于输入波形滞后的时间：传输延迟时间：输出波形相对于输入波形滞后的时间：50ns 通常把输出电压由高电平变为低电平的传输延迟时间记作通常把输出电压由高电平变为低电平的传输延迟时间记作tPHL，由低电平变为高电平的传输延迟

20、时间记作由低电平变为高电平的传输延迟时间记作tPLH。在此。在此TTL非门中，非门中，由于输出管由于输出管T5工作在深度饱和状态，所以工作在深度饱和状态，所以tPLHtPHL。一般在器一般在器件手册上给出的是平均传输延迟时间件手册上给出的是平均传输延迟时间tpd。其定义为：其定义为：tpd=(tPHL+tPLH)/2平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。第41页/共99页422.电源的动态尖峰电流：电源的动态尖峰电流：在动态工作情况下，特别是在动态工作情况下，特别是当输入由高电平下跳到低电平当输入由高电平下跳到低电平时，时，T1管饱和导通，为管饱和导通，为T2管提供了一个低阻的反向基极

21、电流通路，使管提供了一个低阻的反向基极电流通路，使T2管很快截止，但管很快截止，但T5管并不能随之迅速截止。因为管并不能随之迅速截止。因为T5管原来处管原来处于深度饱和状态，其基区存储电荷的消散需一定的时间，故于深度饱和状态，其基区存储电荷的消散需一定的时间，故T4、T5管在一短暂时间会同时处于导通状态，因而使电源电流产管在一短暂时间会同时处于导通状态，因而使电源电流产生一尖峰脉冲生一尖峰脉冲。此尖峰电流使电源的平均电流增大，而且，信。此尖峰电流使电源的平均电流增大，而且，信号的重复频率越高，电源电流的平均值增加越多。号的重复频率越高，电源电流的平均值增加越多。3.交流噪声容限：高电平交流噪声

22、容限：高电平2.0v 低电平低电平0.8v第42页/共99页43TTL与非门举例7400740074007400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4 4个2 2输入端与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。第43页/共99页44八、其他类型的TTL门电路1.其他逻辑功能的TTL门电路：输入特性：低电平电流单端高电平电流多端输出特性：与反相器相同1).与非门多发射极三极管第44页/共99页452).或非门电路结构特点：多套（输入级+倒相级）并联输入特性：低电平电流多端高电平电流多端输出特性：与反相器相同第45页/共99页463).与或非门电路结构特点：将或非门各输入端改用多发射极三极

23、管输入特性：低电平电流：每个与门一端高电平电流：多端输出特性：与反相器相同第46页/共99页472.集电极开路门（OC）为何要采用集电极开路门呢？推拉式输出电路结构存在局限性。首先，输出端不能并联使用。若两个门的输出一高一低，当两个门的输出端并联以后，必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级，而且电流的数值远远超过正常的工作电流，可能使门电路损坏。而且，输出端也呈现不高不低的电平，不能实现应有的逻辑功能。第47页/共99页48推拉式输出级并联的情况01很大的电流不高不低的电平：1/0?Y第48页/共99页49集电极开路的TTL与非门（a）电路 （b）逻辑符号集电极开路第49页/共99页50工作

24、原理：当VT3饱和，输出低电平UOL0.3V；当VT3截止，由外接电源E通过外接上拉电阻提供高电平UOHE。因此，OC门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。第50页/共99页51OC门的线与：由于n个OC门的输出接在一起，所以只要有一个是低电平，Vo就是低电平；只有每个输出都是高电平时，Vo才是高电平。这种输出端并联的连接方式称为“线与”。第51页/共99页52外接负载电阻的计算方法：当所有OC门同时截止时，输出Vo为高电平，为保证输出的高电平不低于规定的VOH值。负载电阻的最大值计算公式：VOH第52页/共99页53当所有OC门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通的那个O

25、C门，因而RL值不可太小，以确保流入导通OC门的电流不至于超过最大允许的ILM值。负载电阻最小值计算公式：VOL第53页/共99页54(1)OC门的输出端并联，实现线与功能。RL为外接负载电阻。图2-20OC门的输出端并联实现线与功能 Y1Y2Y000010100111Y Y11=AB=ABY Y2 2=CD=CDOCOC门的应用举例门的应用举例第54页/共99页55用OC门实现电平转换的电路（2）用OC门实现电平转换第55页/共99页563.三态输出门（TSL）三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。何为高阻状态？悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为，故称为高阻状态。

26、测电压为0V，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为0A。第56页/共99页57电路结构：增加了控制输入端（Enable）。1)三态门的电路结构及工作原理01截止YAB EN=0时，时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。第57页/共99页5810导通1.0V1.0V截止截止悬空当EN=1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。第58页/共99页59控制端高电平有效的三态门2)逻辑符号控制端低电平有效的三态门用“”表示输出为三态。高电平有效低电平有效第59页/共99页60控制端高电平有效的三态门控制端低电平有效的三态门第60页/共99页613)三态输出门应用：三态输出门应用：(1).实

27、现总线传输 在微机系统中，希望在在微机系统中，希望在同一条导线上分别传递若干同一条导线上分别传递若干门电路的输出信号，以减少门电路的输出信号，以减少连线数目，这时，可用三态连线数目，这时，可用三态门实现。只要控制各个门的门实现。只要控制各个门的EN端轮流为端轮流为1，且任何时刻仅，且任何时刻仅有一个为有一个为1，就可以把各个门，就可以把各个门的输出信号轮流送到公共的的输出信号轮流送到公共的传输线总线上而互不干扰传输线总线上而互不干扰这种连线方式叫做这种连线方式叫做总线结总线结构构。第61页/共99页62(2).可利用三态门实现数据的双向传递：EN=1，G1工作，G2高阻，Do经G1反相送至总线

28、。EN=0，G1高阻，G2工作，总线数据经G2反相从D1端送出。第62页/共99页634.TTL门电路多余输入端的处理TTL与非门在使用时如果有多余的输入端不用，一般不应悬空，以防止外界干扰信号的侵入。有以下几种处理方法：将其经13K 的电阻接至电源正端；接高电平VH;与其他信号输入端并接使用。或门及或非门的多余输入端应接低电平。与或非门的多余与门其输入端必须接低电平。第63页/共99页645、TTL集成逻辑门电路系列简介（P83-87）1)1)7474系列为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。2)2)7474L系列为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。3)3)7474H系列为高速TT

29、L系列。4)4)7474S系列为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。抗饱和三极管抗饱和三极管第64页/共99页65TTL系列电路的性能比较功耗p延迟时间tpd延迟-功耗积P87表2.4.15 57474LS系列为低功耗肖特基系列。6 67474AS系列为先进肖特基系列，它是7474S系列的后继产品。7 77474ALS系列为先进低功耗肖特基系列，是74LS系列的后继产品。其他双极型数字集成电路特点：DTL二极管-三极管逻辑速度低功耗低ECL发射极耦合逻辑速度最高，功耗很大I2L集成注入逻辑集成度高，速度低第65页/共99页662.6 CMOS2.6 CMOS门电路2.6.1 CMOS反相器CM

30、OSCMOS逻逻辑辑门门电电路路是是由由N N沟沟道道MOSFETMOSFET和和P P沟沟道道MOSFETMOSFET互互补补而而成成，成成对对出出现。现。N沟道绝缘栅型场效应管P沟道绝缘栅型场效应管N沟道结型场效应管P沟道结型场效应管第66页/共99页67倒相器要求：T1是P沟道增强型MOS管，T2是N沟道增强型MOS管。且T1、T2的开启电压分别为VTN、VTP。当Vi=ViL=0时，有，VGS2=0VTN，故T1截止而T2导通，输出为低电平VOL，且VOL 0静态时T1和T2总是工作在一个导通而另一个截止，其截止内阻又极高，流过T1和T2的静态电流极小，所以CMOS反向器的静态功耗极小

31、。导通截止G1G2S1S2D2D1VDD0V第68页/共99页691电压传输特性：（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）（1 1）当Vi2 2V，T2截止，T1(TP)导通，输出VoVDD=10=10V。(ABAB段)（2 2）当2 2VVi5 5V，T2(TN)工作在饱和区，T1工作在可变电阻区。(BCBC段)ABCDEF（3 3）当Vi=5=5V，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2/2）=5=5V。(CDCD段)（4 4）当5 5VVi8 8V，T1工作在饱和区，T2工作在可变电阻区。(DEDE段)（5 5）当Vi8 8V，T1截止，T2导通，输出Vo=0=0V。(EFEF段

32、)2.6.2 CMOS反相器的静态特性和动态特性第69页/共99页70CMOS门电路的阈值电压Vth=VDD/2/2iDVIVTN VTP VDD1/2VDDABCDEF2.电流传输特性第70页/共99页713.输入特性:输入端绝缘，输入电流为0输入端保护电路必须避免输入端悬空第71页/共99页724.输出特性:导通内阻的影响低电平最大输出电流灌电流V VOO=V VOLOL时时时时CMOSCMOS反相器的工作状态反相器的工作状态反相器的工作状态反相器的工作状态第72页/共99页73高电平最大输出电流拉电流v vOO=V VOHOH时时时时CMOSCMOS反相器的工作状态反相器的工作状态反相器

33、的工作状态反相器的工作状态第73页/共99页745.动态特性:延迟时间交流噪声容限*动态功耗*CMOSCMOS反相器传输延迟时间的定义反相器传输延迟时间的定义反相器传输延迟时间的定义反相器传输延迟时间的定义第74页/共99页752.6.3 其他CMOS门电路CMOS与非门：P并N串CMOS或非门：P串N并2.CMOS或非门1.CMOS与非门第75页/共99页763.带缓冲级的门电路 为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。第76页/共99页77第77页/共99页784.漏极开路的门电路（OD门）如同TTL电路中的 OC门那样，CMOS门

34、的输出电路结构也可以做成漏极开路的形式，叫 OD门。OD门作用：缓冲、输出电平变换、满足吸收大负载电流需求、实现线与逻辑。OD 门使用时注意：外接合适的RL和电源VDD2。第78页/共99页795.CMOS传输门和双向模拟开关C和C是一对互补的控制信号,设控制信号的高低电平分别为VDD和0V,那么当C=0,C=1时,只要输入信号的变化范围不超出0VDD,则T1和T2同时截止,输入与输出之间呈高阻态(109),传输门截止。反之，若C=1,C=0,当0VIVDDVTN时T1将导通。VTPVIVDD时T2将导通.VI在0-VDD内T1和T2至少有一个导通.VO与VI两端之间呈低阻态,传输门导通.第7

35、9页/共99页80由于T1、T2管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用。利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组合成各种复杂的逻辑电路，如数据选择器、寄存器、计数器等等。传输门的另一个重要用途是作模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。模拟开关的基本电路是由CMOS传输门和一个CMOS反相器组成的，也是双向器件。VI/VoTGVo/VIC假定接在输出端的电阻为RL,双向模拟开关的导通内阻为RTG。当C=0时，开关截止，输出与输入之间的联系被切断Vo=0。当C=1时，开关接通，输出电压为：电压传输系数第80页/共99页816

36、.CMOS三态门利用CMOS倒相器附加一个PMOS管和一个NMOS管构成三态门电路.工作原理：当EN=0时，T1和T2同时导通，为正常的非门，输出当EN=1时，T1和T2同时截止，输出为高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。1(0)截止(导通)截止(导通)CMOS三态门其它电路结构第81页/共99页821 1CMOSCMOS逻辑门电路的系列（1 1）基本的CMOSCMOS40004000系列。（2 2）高速的CMOSCMOSHCHC系列。（采用短沟道、硅栅自对准工艺生产的高速门电路，其平均传输延迟时间小于1010纳秒。）（3 3）与TTLTTL兼容的高速CMOSCMOSHCTHCT系列。

37、附:CMOS:CMOS逻辑门电路的系列及主要参数（4 4）Bi Bi CMOS CMOS系列。这种门电路的特点是逻辑部分采用CMOSCMOS结构，输出级采用双级型三极管。因此它兼有CMOSCMOS电路的低功耗和双极型电路低输出内阻的优点（带负载能力强等）。2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（min）=0.9VDD；VOL（max）=0.01VDD。第82页/共99页83（2）阈值电压Vth约为VDD/2。（3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD（非门入低电平，出高电平时，输出管截止，叫关门），开门电平VON为0.55VDD（非门入高电平，出低电平时，输出管导通，叫开

38、门）。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；（5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。第83页/共99页842.6.6 CMOS2.6.6 CMOS电路的正确使用一、输入电路的静电防护为防止由静电电压造成的损坏，应注意以下几点：1、在储存和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层包装材料。2、组装、调试时，应使电烙铁和其它工具、仪表、工作台台面等良好接地。操作人员的服装等应用无静电的原料制成。3、不用的输入端不应悬空

39、。悬空时，输出为不定状态，且易损坏管。第84页/共99页85二、输入电路的过流保护1、输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号之间串进保护电阻，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。2、输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接入保护电阻，如图2.6.35所示。输入端长线时，应在门电路的输入端保护电阻Rp，如图2.6.36所示。Rp=VDD/1mA估算。三、CMOS电路锁定效应的防护*CMOS电路与TTL电路的对比：功耗低速度低P.119表2.8.1第85页/共99页86一、NMOS和PMOS门电路1NMOS非门*2.7 2.7 其它类型的其它类型的MOS逻辑门电路逻辑门电路逻辑关

40、系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2）结型NMOS绝缘栅型NMOS第86页/共99页87（2）当输入Vi为低电平0V时，T1截止，T2导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8V，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。2、PMOS非门（少用）PMOS非门有两个严重的缺点。（1）它的工作速度比较低。因空穴迁移率比电子的迁移率低。（2）PMOS非门电路使用负电源，输出电平为负，不便于和TTL电路连接。（1）当输入Vi为高电平8V时，T1导通，T2也导通。因为gm1 gm2，所以两管的导通电阻RDS1RDS2，输出电压为：所以输出为低电平。第87页/共99页883 3NMO

41、S组合门电路（1 1）与非门（2）或非门驱动管T1、T2串联，（实现与），漏极出（实现非）驱动管T1、T2并联（实现或），漏极出（实现非）第88页/共99页892.8 2.8 TTL与CMOS路的接口 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件驱动门负载门VOH(min)VIH(min)(2.8.1)VOL(max)VIL(max)(2.8.2)IOH(max)nIIH(max)(2.8.3)IOL(max)mIIL(max)(2.8.4)第89页/共99页90用接入上拉电阻提高用接入上拉电阻提高用接入上拉电阻提高用接入上拉电阻

42、提高TTLTTL电路输出的高电平电路输出的高电平电路输出的高电平电路输出的高电平一、用TTL电路驱动CMOS电路主要问题：输出高电平低于CMOS输入高电平TTL：VOH（min）=2.7V CMOS：VIH（min）=3.5V.2.8.1式不满足.VOH=VDDRU(IO+nIIH)VDD解决方案：1设置上拉电阻;2采用OC门(CMOS门的电源电压较高时);3采用带电平偏移的CMOS门(如CC40109)实现电平转换.第90页/共99页91二、用CMOS电路驱动TTL电路1、用4000系列CMOS电路驱动74系列TTL主要问题：输出低电平电流最大值小于TTL低电平输入电流4000 CMOS：I

43、OL（max）=0.51mA74TTL：IIL（max）=-1.6mA2.8.4式不满足.解决办法：1）同一封装的门电路并联使用.图2.8.42）CMOS电路的输出端增加一级CMOS驱动器，或使用OD门，一般OD门的IOL较大。图2.8.53）用分立器件的电流放大器实现电流扩展。图2.8.6第91页/共99页92 图2.8.4将同一封装内的门电路并联使用两个门并联后的最大负载电流略低于每个门最大负载电流的两倍.图2.8.5第92页/共99页93通过电流放大器驱动通过电流放大器驱动通过电流放大器驱动通过电流放大器驱动TTLTTL电路电路电路电路iBnIIL(TTL)同时也符合VOH(min)VI

44、H(min)VOL(max)VIL(max)选取适当的电路参数使满足：第93页/共99页942.部分CMOS（4000系列）一个也可直接驱动一个TTL（74LS系列）3.部分CMOS一个（74HC/74HCT系列）也可直接驱动多个TTL第94页/共99页95（b）用TTL门电路驱动5 5V低电流继电器，其中二极管D作保护，用以防止过电压。附:TTL和CMOS电路带负载时的接口问题 1 1对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。（a a）用TTL门电路驱动发光二极管LED，这时只要在电路中串接一个约几百 的限流电阻即可。第95页/共99页962 2带大电流负载（a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。（b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。第96页/共99页97（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。附:多余输入端的处理（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13k）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。第97页/共99页98第二章 作业2.1 2.2 2.3 2.6 2.7 2.14 2.17(b)2.18 2.21 2.23第98页/共99页99感谢您的观看！第99页/共99页