數(shù)電課件第3章(門(mén)電路)

1、 3.1 概述（簡(jiǎn)單了解） 3.2 半導(dǎo)體二極管門(mén)電路 （重點(diǎn)） 3.5 TTL門(mén)電路（重點(diǎn)） 3.3 CMOS門(mén)電路 （簡(jiǎn)單了解） 3.8 TTL和CMOS電路的接口（簡(jiǎn)單了解） 其他章節(jié)不做要求第三章 門(mén)電路門(mén)電路門(mén)電路 用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯關(guān)系的電子電路統(tǒng)稱(chēng)為門(mén)電路。常用以實(shí)現(xiàn)基本邏輯關(guān)系的電子電路統(tǒng)稱(chēng)為門(mén)電路。常用的門(mén)電路（在邏輯功能上分）有：與門(mén)、或門(mén)、用的門(mén)電路（在邏輯功能上分）有：與門(mén)、或門(mén)、 非門(mén)、與非門(mén)、異或門(mén)等。非門(mén)、與非門(mén)、異或門(mén)等。邏輯電平邏輯電平 門(mén)電路的輸入、輸出為二值信號(hào)，用門(mén)電路的輸入、輸出為二值信號(hào)，用“0”和和“1”表示。表示。這里的這里的“0”、“1”一般用兩

2、個(gè)不同電平值來(lái)表示，稱(chēng)一般用兩個(gè)不同電平值來(lái)表示，稱(chēng)為邏輯電平。為邏輯電平。3.1 3.1 概述概述若用高電平若用高電平VH表示邏輯表示邏輯“1”,用低電平用低電平VL表示邏輯表示邏輯“0”，則稱(chēng)為，則稱(chēng)為正正邏輯約定，簡(jiǎn)稱(chēng)邏輯約定，簡(jiǎn)稱(chēng)正正邏輯邏輯若用高電平若用高電平VH表示邏輯表示邏輯“0”,用低電平用低電平VL表示邏輯表示邏輯“1”，則稱(chēng)為，則稱(chēng)為負(fù)負(fù)邏輯約定，簡(jiǎn)稱(chēng)邏輯約定，簡(jiǎn)稱(chēng)負(fù)負(fù)邏輯邏輯. .正邏輯和負(fù)邏輯正邏輯和負(fù)邏輯在本課程中在本課程中, ,如不作特殊說(shuō)明如不作特殊說(shuō)明, ,一律都采用一律都采用正正邏輯表示邏輯表示 VH和和VL的具體值的具體值,由所使用的集成電路品種以及所加電由

3、所使用的集成電路品種以及所加電源電壓而定源電壓而定,有兩種常用的集成電路有兩種常用的集成電路: 1) TTL電路，電源電壓為電路，電源電壓為5伏，伏，VH約為約為3V左右，左右，VL約約為為0.2伏左右伏左右 2) CMOS電路電路,電源電壓范圍較寬電源電壓范圍較寬，CMOS4000系列的系列的電源電壓電源電壓VDD為為318伏。伏。 CMOS電路的電路的VH約為約為0.9 VDD,而而VL約為約為0伏左右伏左右半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體二極管和三極管的開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體器件都具有開(kāi)關(guān)特性，在半導(dǎo)體器件都具有開(kāi)關(guān)特性，在數(shù)字電路中得到廣泛用。如圖，數(shù)字電路中得到廣泛用。如圖，輸入輸入VI

4、 控制開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)S 的斷開(kāi)與閉的斷開(kāi)與閉合。當(dāng)合。當(dāng)VI 為高電平（為高電平（1），即），即S 斷開(kāi)時(shí)，斷開(kāi)時(shí)，VO輸出為輸出為1 ;當(dāng)當(dāng)VI 為低為低電平（電平（0），即），即S 閉合時(shí)，閉合時(shí)，VO輸輸出為出為0 。 理想開(kāi)關(guān)理想開(kāi)關(guān): : 接通時(shí)阻抗為接通時(shí)阻抗為零零; ;斷開(kāi)時(shí)阻抗為斷開(kāi)時(shí)阻抗為無(wú)窮大無(wú)窮大; ; 兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間為兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間為零零。 實(shí)際半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)實(shí)際半導(dǎo)體開(kāi)關(guān): : 導(dǎo)通時(shí)具有一定的導(dǎo)通時(shí)具有一定的內(nèi)阻內(nèi)阻; ;截止時(shí)有一定截止時(shí)有一定 的的反向電流反向電流; ;兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要兩狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換需要時(shí)間時(shí)間。 集成電路分類(lèi)集成電路分類(lèi)小規(guī)模集成電

5、路小規(guī)模集成電路( (SSI):): 110個(gè)元件個(gè)元件/片片1. 1. 按規(guī)模分類(lèi)按規(guī)模分類(lèi) 中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路( (MSI):): 10100個(gè)元件個(gè)元件/片片大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路( (LSI): 1): 100010000個(gè)元件個(gè)元件/片片超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路( (VLSI):):10000個(gè)元件個(gè)元件/片以上片以上常用的邏輯門(mén)和觸發(fā)器屬于SSI 常用的譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器、計(jì)數(shù)器、移位寄存器等組件屬于MSI 常見(jiàn)的LSI、 VLSI有只讀存儲(chǔ)器、 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、 微處理器、 單片微處理機(jī)、 位片式微處理器、 高速乘法累加器、 通用和專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理

6、器等MOS型型( (單極型單極型) )NMOS (N-Channel Metal-Oxide-Semiconductor)CMOS (Complement Metal-Oxide-Semiconductor)2. 2. 按器件類(lèi)型分類(lèi)按器件類(lèi)型分類(lèi)雙極型雙極型DTL (Diode Transistor logic)TTL (TransistorTransistor Logic)ECL (Emitter Coupled Logic)3.2.1 3.2.1 半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性半導(dǎo)體二極管的開(kāi)關(guān)特性 由左圖所示二極管的伏由左圖所示二極管的伏安特性可知，二極管的正安特性可知，二極管的正向特性存在一

7、個(gè)死區(qū)電壓向特性存在一個(gè)死區(qū)電壓（硅二極管的死區(qū)電壓約（硅二極管的死區(qū)電壓約為為0.5V，鍺二極管的死區(qū)，鍺二極管的死區(qū)電壓約為電壓約為0.2V）+-Vi 0.7RVD近似等效電路+-Vi 0.7RK簡(jiǎn)化等效電路(2) (2) 截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)D+-Vi0.5R電路圖+-Vi 0.5RK簡(jiǎn)化等效電路(1) (1) 導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)導(dǎo)通條件及導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)(3) (3) 開(kāi)關(guān)時(shí)間開(kāi)關(guān)時(shí)間 二極管的“開(kāi)”、“關(guān)”頻率很高，可達(dá)1兆赫茲以上。但在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，仍必須考慮二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，它是決定二極管工作頻率的重要因素 開(kāi)啟時(shí)間: 由反向截止轉(zhuǎn)換為正向?qū)ㄋ枰臅r(shí)

8、間。二極管的開(kāi)啟時(shí)間很小,可忽略不計(jì)。 關(guān)斷時(shí)間: 由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換為反向截止所需要的時(shí)間。二極管的關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，大約幾納秒。3.2.2 3.2.2 二極管與門(mén)二極管與門(mén)&ABCF邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)DADBDCROVCC(5V)ABCF原理圖原理圖假設(shè)假設(shè)：二極管為理想開(kāi)關(guān)；輸入信號(hào)：二極管為理想開(kāi)關(guān)；輸入信號(hào)VIL=0V,VIH=3V.綜上所述綜上所述: :電路為二極管電路為二極管與門(mén)與門(mén)DADBDCROVCC(5V)ABCF分兩種情況分析：分兩種情況分析：1) 1) A、B、C三端輸入均為三端輸入均為3V二極管DA、DB、DC均導(dǎo)通：F=3V3V3V3V3V2)2) A、B、C三端輸入

9、有三端輸入有0V信號(hào)輸信號(hào)輸入時(shí)，如入時(shí)，如A、B為為0V, C端輸入端輸入3V二極管DA、DB導(dǎo)通，DC截止： F=0V0V0V3V0V3.2.3 3.2.3 二極管或門(mén)二極管或門(mén) 1ABCF邏輯符號(hào)邏輯符號(hào) DADBDCROVCC(-5V)ABCF原理圖原理圖假設(shè)假設(shè)：二極管為理想開(kāi)關(guān)；輸入信號(hào)：二極管為理想開(kāi)關(guān)；輸入信號(hào)VIL=0V,VIH=3V。分兩種情況分析：分兩種情況分析：1)1) A A、B B、C C三端輸入均為三端輸入均為0V0V時(shí)時(shí)二極管DA、DB、DC均導(dǎo)通:F=0VF=0V2) 2) A A、B B、C C三端輸入有三端輸入有3V3V信號(hào)輸入時(shí)，如信號(hào)輸入時(shí)，如A A、

10、B B為為3V3V, , C C端輸入端輸入0V0V時(shí)時(shí)， 二極管DA、DB導(dǎo)通,DC 截止:F=3VF=3V 3V3V3V0V0V0V0V0VDADBDCROVCC(-5V)ABCF原理圖原理圖結(jié)論結(jié)論: :二極管或門(mén)二極管或門(mén)3.5 3.5 TTL門(mén)電路門(mén)電路 三極管三極管邏輯門(mén)電路,是指輸入端和輸出端都用三極管的電路,簡(jiǎn)稱(chēng)TTL電路,是雙極型數(shù)字集成電路3.5.1 雙極性三極管的開(kāi)關(guān)特性雙極性三極管的開(kāi)關(guān)特性 雙極性三極管的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它具有放大特性，即基極電流對(duì)集電極電流有很強(qiáng)的控制作用。三極管的輸出特性分為截止、放大、飽和三種區(qū)域。在數(shù)字電路中，三極管主要工作在截止和飽和區(qū)，放大區(qū)

11、只是一種過(guò)渡狀態(tài)。一、雙極性三極管的結(jié)構(gòu)一、雙極性三極管的結(jié)構(gòu)二、雙極性三極管的輸入和輸出特性二、雙極性三極管的輸入和輸出特性 雙極性三極管由發(fā)射極、集電極和基極組成三極管的輸出特性曲線 輸出特性的三個(gè)區(qū)域發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏UCE UE ， IB=IC的關(guān)系不成立的關(guān)系不成立發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏即即UB UE , UB UC IB=0, IC=ICEORCICRbIBViVoVcc基本開(kāi)關(guān)電路基本開(kāi)關(guān)電路(1) (1) 飽和導(dǎo)通條件及飽和時(shí)的特點(diǎn)飽和導(dǎo)通條件及飽和時(shí)的特點(diǎn)飽和導(dǎo)通條件:IBIBS=Vcc-VCE(s) RCVccRC飽和導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn):

12、:VBE0.7V VCE=VCES=0.1-0.3V 發(fā)射極和集電極之間如同開(kāi)關(guān)閉合飽和基極電流深度飽和壓降三、雙極性三極管的基本開(kāi)關(guān)電路三、雙極性三極管的基本開(kāi)關(guān)電路(2) (2) 截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)截止條件及截止時(shí)的特點(diǎn)截止條件: VBEIBS,故三極管深度飽和，VO=0.1V0， 為低電平 RCR1ViVoVcc(5V)三極管非門(mén)電路三極管非門(mén)電路3.3kR2VEE(-8V)10k1kVB3.5.2 TTL（與）非門(mén)的電路結(jié)構(gòu)和工作原理（與）非門(mén)的電路結(jié)構(gòu)和工作原理 一、電路結(jié)構(gòu)一、電路結(jié)構(gòu) R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5輸入級(jí)輸入

13、級(jí)中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)D3多射極晶體管的結(jié)多射極晶體管的結(jié)構(gòu)及其等效電路構(gòu)及其等效電路 NNNNPP型襯底cbe3e2e1(a)R1bUCCe1e2e3cA B CR1V1V2V3e1e2e3c(b)ABCV4P1bUCC 輸入級(jí) 由多發(fā)射極管V1和電阻R1組成，其作用是對(duì)輸入變量A、B、C 實(shí)現(xiàn)邏輯與 中間級(jí) 由T2、R2、R3組成，在T2的集電極與發(fā)射極分別可以得到兩個(gè)相位相反的電壓，以滿(mǎn)足輸出級(jí)的需要 輸出級(jí) 由T4、T5和R4、D3組成，這種電路形式稱(chēng)推拉式電路，靜態(tài)功耗低，開(kāi)關(guān)速度快R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5輸入級(jí)輸入級(jí)中間

14、級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)D3相應(yīng)低電位的發(fā)射結(jié)正偏，V1的基極電位被鉗在0.9V，其余的發(fā)射結(jié)反偏截止。T1的基極電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)通的發(fā)射結(jié)流向輸入端A，而T1的集電極只有很小的反向基極電流(T2)流入，即Ib1遠(yuǎn)大于Ic1，T1處于深飽和狀態(tài)： 110.1 ,0.3cescUVUV因此，T2、T5均截止。此時(shí)V2的集電極電位Uc2UCC=5V，使T4 、D3導(dǎo)通，因此輸出為高電位： R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5D30.2V0.9V1.1mAIc10.3V5V3.6VIb1UO=UOH=Uc2-Ube4-UD35-0.7-0.7=3.6V注意：輸入和

15、輸出電流的流向1. 輸入端至少有一個(gè)低電位（輸入端至少有一個(gè)低電位（0.2V）T1基極電壓Ub1最多不能超過(guò)2.1V(Ub1=Ubc1+Ube2+Ube5)，此時(shí)，T1所有的發(fā)射結(jié)反偏，而集電結(jié)正偏。T1管的基極電流Ib1流向集電極并注入V2的基極: R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5D33.4V2.1V0.73mA1.4V0.8V0.1V3.4V2.6mA0.7mA0.7Vcc11152.10.734bbUUImARIb2Ib52. 輸入全部為高電位（輸入全部為高電位（3.4V）T1處于倒置運(yùn)用狀態(tài)（把集電極當(dāng)發(fā)射極，發(fā)射極當(dāng)集電極用）Ib1此

16、時(shí)Ib2較大（0.73mA），T2管飽和。這時(shí)T2的集電極電位為 2250.1 0.70.8ccesbeUUUV而T4射極電位Ue4=Uces5+0.70.8V所以T4截止T5由T2提供足夠的基流，處于飽和狀態(tài)，因此輸出為低電位： 50.1OOLcesUUUVR4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5D33.4V2.1V0.73mAIb21.4V0.8V0.1V3.4V2.6mA0.7mA0.7V注意：輸入和輸出電流的流向Ib5 綜上所述，當(dāng)輸入端全部為高電位時(shí)，輸出為低電位；當(dāng)輸入端至少有一個(gè)為低電位時(shí)，輸出為高電位。電路輸出和輸入之間滿(mǎn)足與非邏輯關(guān)系

17、FA BTTL與非門(mén)各級(jí)工作狀態(tài) 輸 入 T1T2T4T5輸出全部為高電位 倒置工作 飽和 截止 飽和 UOL 至少有一個(gè)為低電位 深飽和 截止 導(dǎo)通 截止 UOH R4R1D1FVcc(5V)1.6kR24k130R31kD2ABT1T2T4T5D3V3和V4組成復(fù)合射極跟隨器，開(kāi)關(guān)速度更快，驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)二、二、 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 電壓傳輸特性是指輸出電壓跟隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線，大致分為四段 V0(V)VI(V)32100.51 1.5VOHVOL截止區(qū)：當(dāng)UI0.6V時(shí)，T1工作在深飽和狀態(tài)，T2、T5截止，T4導(dǎo)通， 輸出高電平線性區(qū)：當(dāng)0.6VUI1.3V時(shí)，T2開(kāi)始導(dǎo)通，

18、T5尚未導(dǎo)通。此時(shí)，T2處于放大狀態(tài)，其集電極電壓Uc2隨著UI的增加而下降，并通過(guò)T4射極跟隨器使輸出電壓UO也下降 ，下降斜率近似等于-R2/R3。二、二、 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 電壓傳輸特性是指輸出電壓跟隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線，大致分為四段 V0(V)VI(V)32100.51 1.5VOHVOL截止區(qū)線性區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)：當(dāng)1.3VUI1.4V，T5開(kāi)始導(dǎo)通，此時(shí)T2發(fā)射極到地的等效電阻為R3Rbe5，比T5截止時(shí)的R3小得 多 ， 故 輸 出 電 壓 UO也 迅 速 下 降 ， 近 似 為 -R2/(R3Rbe5)， 隨后V4進(jìn)入截止， T2 、T5進(jìn)入飽和狀態(tài)二、二、 電壓傳輸特性電

19、壓傳輸特性 電壓傳輸特性是指輸出電壓跟隨輸入電壓變化的關(guān)系曲線，大致分為四段 V0(V)VI(V)32100.51 1.5VOHVOL截止區(qū)線性區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)飽和區(qū)：當(dāng)UI1.4V時(shí)，隨著UI增加，T1進(jìn)入倒置工作狀態(tài)，T4截止，T2、T5飽和，輸出低電平UOL 輸出高電平UOH和輸出低電平UOL 截止區(qū)的輸出電壓UOH=3.4V，飽和區(qū)的輸出電壓UOL=0.1V。一般規(guī)定UOH2.4V、UOL0.4V時(shí)即為合格。 閾值電壓UT 閾值電壓也稱(chēng)門(mén)檻電壓。電壓傳輸特性上轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓UT1.4V，可以將UT看成與非門(mén)導(dǎo)通(輸出低電平)和截止(輸出高電平)的分界線 AUOHBCDEUOLUI(

20、V)UO(V)0.32.7UOFFUTUON 開(kāi)門(mén)電平UON和關(guān)門(mén)電平UOFF 開(kāi)門(mén)電平是保證（非門(mén)）輸出電平達(dá)到額定低電平(0.3V)時(shí)，所允許輸入高電平的最低值即只有當(dāng)UIUON（UIHmin）時(shí)，輸出才為低電平 通常UON=1.4V關(guān)門(mén)電平是保證（非門(mén)）輸出電平為額定高電平(2.7V左右)時(shí)，允許輸入低電平的最大值，即只有當(dāng)UIUOFF （UILmax）時(shí)， 輸出才是高電平 通常UOFF1V11VOVI 輸入端噪聲容限UNL、UNH 實(shí)際應(yīng)用中，由于線路傳輸、外界干擾、電源波動(dòng)等原因，可能使輸入電平偏離規(guī)定值。為了保證電路可靠工作，應(yīng)對(duì)干擾的幅度有一定限制，稱(chēng)為噪聲容限 低電平噪聲容限是

21、指在保證輸入低電平的前提下，允許疊加在輸入低電平上的最大噪聲電壓(正向干擾)，用UNL表示： UNL=UOFF - UOLmax 1輸出輸出0輸出輸出 1輸入輸入0輸入輸入 VOHminVIHminVNHVILmaxVOLmaxVNLVOVIR1輸出輸出0輸出輸出 1輸入輸入0輸入輸入 VOHminVIHminVNHVILmaxVOLmaxVNLVOVI11VOVI高電平噪聲容限是指在保證輸入高電平的前提下，允許疊加在輸入高電平上的最大噪聲電壓(負(fù)向干擾)， 用UNH表示： minNHOHONUUUR結(jié)論：R值不能太大一、輸入特性指輸入電流與輸入電壓之間的關(guān)系曲線設(shè)輸入電流II由信號(hào)源流入V1

22、發(fā)射極時(shí)方向?yàn)檎粗疄樨?fù) 當(dāng)UIUT時(shí)II為負(fù)，即II流入信號(hào)源，對(duì)信號(hào)源形成灌電流負(fù)載當(dāng)UIUT時(shí)II為正，II流入TTL門(mén)，對(duì)信號(hào)源形成拉電流負(fù)載3.5.3 TTL（與）非門(mén)的靜態(tài)輸入特性和輸出特性（與）非門(mén)的靜態(tài)輸入特性和輸出特性 輸入短路電流IIS 當(dāng)UI=0時(shí)的輸入電流稱(chēng)為輸入短路電流，典型值約為-(11.5)mA. (IIL)注意：當(dāng)UI7V時(shí)，V1的ce結(jié)可能發(fā)生擊穿。當(dāng)UI-1V時(shí)，V1的be結(jié)也可能燒毀。因此在使用時(shí)，應(yīng)使輸入電位鉗制在安全工作區(qū)內(nèi)。 輸入漏電流IIH 當(dāng)UIUT時(shí)的輸入電流稱(chēng)為輸入漏電流，即V1倒置工作時(shí)的反向漏電流，其電流值很小，約為40ATTL與非門(mén)輸

23、出高電平時(shí)的輸出特性 與非門(mén)輸出高電平時(shí)：T5截止，T4導(dǎo)通，IL從V4流進(jìn)負(fù)載。當(dāng)IL5mA時(shí)，T4處于射隨器狀態(tài)，UOH變化不大。當(dāng)IL5mA時(shí)，V4集電極電位下降,進(jìn)入深飽和，由于IRIL，UOH=UCC-Uces4-ILR，故UOH將隨著IL的增加而降低。二、輸出特性 V3V4ILRLUCCUO(V)IL(mA)10203040123IR5R(a)(b)0結(jié)論：負(fù)載電阻值不能太小TTL與非門(mén)輸出低電平的輸出特性 V2V5ILRLUCCUO(V)IL(mA)10203040123與非門(mén)輸出低電平時(shí)：V5飽和，IL從負(fù)載流進(jìn)V5。當(dāng)IL增加時(shí)，V5飽和程度減輕，因而UOL略有增加。當(dāng)IL很

24、大時(shí)，V5脫離飽和進(jìn)入放大狀態(tài)，UOL將很快增加，這是不允許的。二、輸出特性 結(jié)論：負(fù)載電阻值不能太小三、輸入端負(fù)載特性 R1I1UCCUIRIUB1Ib1V2V5R30UI(V)UOFF1.4ROFFRONRI(k )當(dāng)RI （R）較小時(shí)，UI 隨RI 增加而升高，此時(shí)V5截止， 忽略V2基極電流的影響，可近似認(rèn)為 IIbeCCIRRRUUU11 當(dāng)RI較大時(shí)，UI進(jìn)一步增加，但它不能一直隨RI增加而升高。因?yàn)楫?dāng)UI=1.4 V時(shí)，Ub1=2.1V，此時(shí)V5已經(jīng)導(dǎo)通，由于受V1集電結(jié)和V2、V5發(fā)射結(jié)的鉗位作用，Ub1將保持在2.1V，致使UI也不能超過(guò)1.4V。R1I1UCCUIRIUB1

25、Ib1V2V5R30UI(V)UOFF1.4ROFFRONRI(k )結(jié)論：輸入電阻值不能太大（ VGS(th) VGS(th)為為NMOS管的開(kāi)啟電壓管的開(kāi)啟電壓GSDRDVCCNMOS管開(kāi)關(guān)電路管開(kāi)關(guān)電路（1）導(dǎo)通條件（以）導(dǎo)通條件（以NMOS管為例）管為例）(2) (2) 截止條件截止條件截止條件截止條件: : VGS VGS(th)截止時(shí)的特點(diǎn)截止時(shí)的特點(diǎn): : 漏漏源之間沒(méi)有形成導(dǎo)電溝道源之間沒(méi)有形成導(dǎo)電溝道, ,呈呈高阻狀態(tài)高阻狀態(tài), ,阻值一般為阻值一般為1091010GSDRDVCC（3） NMOS管開(kāi)關(guān)近似直流等效電路管開(kāi)關(guān)近似直流等效電路VDDRDRDSDGS(幾百幾百)導(dǎo)

26、通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)VDDRDDGS截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)（4 4） 開(kāi)關(guān)時(shí)間開(kāi)關(guān)時(shí)間MOS管本身的開(kāi)關(guān)時(shí)間很小管本身的開(kāi)關(guān)時(shí)間很小組成開(kāi)關(guān)電路時(shí)組成開(kāi)關(guān)電路時(shí), ,由于管子間的由于管子間的寄生電容寄生電容和和布線電容布線電容的存在的存在, ,加上加上MOS管的輸入、輸出阻抗較大管的輸入、輸出阻抗較大, ,使輸入、使輸入、輸出電路的輸出電路的充放電時(shí)間常數(shù)充放電時(shí)間常數(shù)增加增加, ,影響了開(kāi)關(guān)時(shí)間影響了開(kāi)關(guān)時(shí)間3.3.2 CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、一、 CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)反相器的電路結(jié)構(gòu)由兩個(gè)增強(qiáng)型MOS場(chǎng)效應(yīng)管組成：T2為NMOS管，柵源開(kāi)啟電壓UthN為正值

27、。T1為PMOS管，柵源開(kāi)啟電壓UthP是負(fù)值。VDDT1T2F=AASSGGDD當(dāng)UI=UIL=0V時(shí)，UGS2=0，T2管截止，而|UGS1|=UDD|UthP|，所以T1導(dǎo)通，且導(dǎo)通內(nèi)阻很低，所以UO=UOHUDD， 即輸出為高電平 當(dāng)UI=UIH=UDD時(shí)，UGS2=UDDUThN，T2導(dǎo)通，而UGS1=0|UthP|，因此T1截止。此時(shí)UO=UOL0，即輸出為低電平CMOS反相器實(shí)現(xiàn)了邏輯非的功能。由于在靜態(tài)下，V1和V2中總有一個(gè)截止，且截止時(shí)阻抗極高， 流過(guò)V1和V2的靜態(tài)電流很小，因此CMOS反相器的靜態(tài)功耗非常低，是最突出的優(yōu)點(diǎn) VDDT1T2F=AASSGGDD注意：為了使

28、電路能可靠工作，電源電壓UDD(UthN+|UthP|)。UDD可在318V之間工作，適用范圍較寬 UIUOUDDA BUDD21UTNUTPUDD21UDD0DC二、電壓傳輸特性和電流傳輸主要特性二、電壓傳輸特性和電流傳輸主要特性 CMOS反相器的電壓傳輸特性分為AB、 BC、 CD三個(gè)階段 AB段：UIUthN，輸入低電平，此時(shí) T2 截止，T1 導(dǎo)通，輸出高電平 CD段：UIUDD- |UthP |，輸入為高電平，此時(shí) T2 導(dǎo)通，T1 截止，輸出低電平。 BC段：此時(shí)T1、T2均導(dǎo)通。當(dāng)UI=1/2UDD時(shí)，兩管導(dǎo)通內(nèi)阻相等，UO=1/2UDD。因此，CMOS反相器的閾值電壓為UT1/

29、2UDDBC段特性曲線很陡，可見(jiàn)CMOS反相器的傳輸特性接近理想開(kāi)關(guān)特性，因而其噪聲容限大，抗干擾能力強(qiáng)。UIiDABUTNUTPUDD21UDD0CDCMOS反相器的電流傳輸特性也分三段：AB段：T2截止，流過(guò)V1和V2的漏電流幾乎為0。 CD段：T1截止，流過(guò)V1和V2的漏電流也幾乎為0。BC段：T1和T2均導(dǎo)通，電流iD流過(guò)V1和V2，并且在UI=1/2UDD附近，iD最大。 CMOS電路有以下特點(diǎn)：電路有以下特點(diǎn)： 靜態(tài)功耗低。靜態(tài)功耗低。CMOS反相器穩(wěn)定工作時(shí)總是有一個(gè)MOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，流過(guò)的電流為極小的漏電流，因而靜態(tài)功耗很低，有利于提高集成度 抗干擾能力強(qiáng)。抗干擾能力強(qiáng)。由

30、于其閾值電壓UT=1/2UDD，在輸入信號(hào)變化時(shí)，過(guò)渡區(qū)變化陡峭，所以低電平噪聲容限和高電平噪聲容限近似相等，約為0.3UDD 電源電壓工作范圍寬電源電壓工作范圍寬。標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路的電源電壓范圍很寬，可在318V范圍內(nèi)工作。3.3.2 其他類(lèi)型的其他類(lèi)型的CMOS門(mén)電路門(mén)電路一、其他邏輯功能的CMOS邏輯門(mén)電路CMOS或非門(mén) CMOS與非門(mén) VDDT1T2F=ABAT3T4BVDDT3T1F=A+BAT4T2B二、漏極開(kāi)路（Open Drain）輸出門(mén)電路（OD門(mén)） 如同TTL電路中的OC門(mén)，CMOS電路中有漏極開(kāi)路門(mén)，可用以實(shí)現(xiàn)線與邏輯。還主要作輸出緩沖/驅(qū)動(dòng)器，或者用于輸出電平的轉(zhuǎn)換，以

31、及滿(mǎn)足吸收大負(fù)載電流的需要。圖3.3.31 OD輸出的與非門(mén)當(dāng)控制端C=0V，C=UDD時(shí)，只要輸入信號(hào)的變化范圍不超出0UDD，則V1和V2同時(shí)截止，輸入與輸出之間呈高阻態(tài)(109)，傳輸門(mén)截止。 若C=UDD，C=0V，則當(dāng)0UIUDD-UTN時(shí)，V1導(dǎo)通；當(dāng)|UTP|UIUDD時(shí)，V2導(dǎo)通。因此，當(dāng)UI在0UDD之間變化時(shí)，V1和V2至少有一個(gè)是導(dǎo)通的，輸入與輸出之間呈低阻態(tài)(小于1k)，傳輸門(mén)導(dǎo)通。CCV2V1UI/UOUO/UIUDD(a)TGUI/UOUO/UICC(b)注意：由于V1、V2管的結(jié)構(gòu)形式是對(duì)稱(chēng)的，即漏極和源極可互換使用，因而CMOS傳輸門(mén)屬于雙向器件，輸入端和輸出端

32、可以互易使用三、CMOS傳輸門(mén)和模擬開(kāi)關(guān) 利用P溝道MOS管和N溝道MOS管的互補(bǔ)特性可以接成傳輸門(mén) CMOS傳輸門(mén)與CMOS反相器一起，可以組合成多種復(fù)雜的邏輯電路。如觸發(fā)器、寄存器及計(jì)數(shù)器等。模擬開(kāi)關(guān)是其一個(gè)重要的應(yīng)用 模擬開(kāi)關(guān)主要用來(lái)傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)。當(dāng)C=1 時(shí)，開(kāi)關(guān)接通，C=0時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，因此只要一個(gè)控制電壓即可工作。和CMOS傳輸門(mén)一樣，模擬開(kāi)關(guān)也是雙向器件。 CMOS雙向模擬開(kāi)關(guān)(a) 電路結(jié)構(gòu) (b) 邏輯符號(hào) UI/UOUO/UISWUI/UOUO/UIC(b)TG1C(a)四、三態(tài)輸出的CMOS門(mén)電路 與TTL電路一樣，CMOS電路也有三態(tài)門(mén)，其邏輯和應(yīng)用是相同的VDDT2T1FAT1T2EN1CMOS三態(tài)門(mén)可方便地用于構(gòu)成總線結(jié)構(gòu)EN=0 F=AEN=1 F對(duì)外呈高阻對(duì)外呈高阻 盡管CMOS和大多數(shù)MOS電路輸入有保護(hù)電路，但這些電路吸收瞬變能量有限，太大的瞬變信號(hào)會(huì)破壞保護(hù)電路。焊接時(shí)，電烙鐵外殼應(yīng)接地 器件插入或拔出插座時(shí)，所有電壓均需除去。 不用的輸入端應(yīng)根據(jù)邏輯要求或接電源UDD(與非門(mén))，或接地(或非門(mén))， 或與其它輸入端連接（不能懸空） 輸出級(jí)所接電容負(fù)載不能大于500 pF，否則會(huì)因輸出級(jí)功率過(guò)大而損壞電路。 3.3.6 CMOS電路的正確使用3.3.6 CMOS電路的正確使用l 輸入電路的過(guò)流保護(hù) 輸入