第二章門電路

1、1第二章第二章 門門 電電 路路本章的重點(diǎn)：本章的重點(diǎn)： 1 1半導(dǎo)體二極管和三極管（包括雙極性和半導(dǎo)體二極管和三極管（包括雙極性和MOSMOS型）型）開關(guān)狀態(tài)下的等效電路和外特性。開關(guān)狀態(tài)下的等效電路和外特性。 2 2TTLTTL電路的外特性及其應(yīng)用。電路的外特性及其應(yīng)用。 3 3COMSCOMS電路的外特性及應(yīng)用。電路的外特性及應(yīng)用。本章的難點(diǎn)本章的難點(diǎn): TTL電路的外特性是本章的一個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)也是一電路的外特性是本章的一個(gè)難點(diǎn)，同時(shí)也是一個(gè)重點(diǎn)。尤其是輸入端采用多發(fā)射級(jí)三極管結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)個(gè)重點(diǎn)。尤其是輸入端采用多發(fā)射級(jí)三極管結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)輸入特性的全面分析比較復(fù)雜。從實(shí)用的角度出發(fā)，只輸入特

2、性的全面分析比較復(fù)雜。從實(shí)用的角度出發(fā)，只要弄清輸入為高要弄清輸入為高/低電平時(shí)輸入電流的實(shí)際方向和數(shù)值低電平時(shí)輸入電流的實(shí)際方向和數(shù)值的近似計(jì)算就可以了的近似計(jì)算就可以了 。2VCC0V第二章第二章 門門 電電 路路第一節(jié)第一節(jié) 概述概述門電路：實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路。門電路：實(shí)現(xiàn)基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路。 門電路的兩種輸入，輸出電平：高電平、低電平。它們分別對(duì)應(yīng)門電路的兩種輸入，輸出電平：高電平、低電平。它們分別對(duì)應(yīng)邏輯電路的邏輯電路的1,0狀態(tài)。狀態(tài)。負(fù)邏輯：負(fù)邏輯：0代表代表高電平；高電平；1代表代表低電平。低電平。VCC0V高電平高電平低電平低電平正邏輯

3、：正邏輯：1代表高電平；代表高電平；0代表低電平。代表低電平。3 根據(jù)制造工藝不同可分為根據(jù)制造工藝不同可分為單極型單極型和和雙極型雙極型兩大類。兩大類。門電路中晶體管均工作在門電路中晶體管均工作在開關(guān)狀態(tài)開關(guān)狀態(tài)。首先介紹晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的首先介紹晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)特性開關(guān)特性。然后介紹兩類門電路。然后介紹兩類門電路。注意：各種門電路的工作原理，只要求注意：各種門電路的工作原理，只要求一般掌握一般掌握； 而各種門電路的而各種門電路的外部特性外部特性和和應(yīng)用應(yīng)用是要求是要求重點(diǎn)重點(diǎn)。當(dāng)代門電路（所有數(shù)字電路）均已集成化。當(dāng)代門電路（所有數(shù)字電路）均已集成化。4第二節(jié)第二節(jié) 半導(dǎo)體二極管和三

4、極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性一、二極管的開關(guān)特性一、二極管的開關(guān)特性1.開關(guān)電路舉例開關(guān)電路舉例2.靜態(tài)特性靜態(tài)特性伏安特性伏安特性等效電路等效電路 在數(shù)字電路中重點(diǎn)在在數(shù)字電路中重點(diǎn)在判斷二極管開關(guān)狀態(tài)，因判斷二極管開關(guān)狀態(tài)，因此必須把特性曲線簡(jiǎn)化。此必須把特性曲線簡(jiǎn)化。（見右側(cè)電路圖）（見右側(cè)電路圖）有三種簡(jiǎn)化方法：有三種簡(jiǎn)化方法：輸入信號(hào)慢變化時(shí)的特性。輸入信號(hào)慢變化時(shí)的特性。5第第一一種種第第三三種種+- 0.5V第二種第二種VON 0.7V63.動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 當(dāng)外加電壓突然由正向當(dāng)外加電壓突然由正向變?yōu)榉聪驎r(shí)，二極管會(huì)短時(shí)變?yōu)榉聪驎r(shí)，二極管會(huì)短時(shí)間導(dǎo)通。間導(dǎo)通。t

5、re這段時(shí)間用這段時(shí)間用tre表示，稱為表示，稱為反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間。輸入信號(hào)快變化時(shí)的特性。輸入信號(hào)快變化時(shí)的特性。DRLi 它是由于二極管正它是由于二極管正向?qū)〞r(shí)向?qū)〞r(shí)PN結(jié)兩側(cè)的多結(jié)兩側(cè)的多數(shù)載流子擴(kuò)散到對(duì)方形數(shù)載流子擴(kuò)散到對(duì)方形成電荷存儲(chǔ)引起的。成電荷存儲(chǔ)引起的。7二、半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性二、半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性（一）雙極型三極管的開關(guān)特性（一）雙極型三極管的開關(guān)特性1.靜態(tài)特性靜態(tài)特性可用輸入輸出特性來描述?？捎幂斎胼敵鎏匦詠砻枋??；鹃_關(guān)電路如圖：基本開關(guān)電路如圖：可用圖解法分析電路：可用圖解法分析電路：輸入特性輸入特性輸出特性輸出特性8 條條 件件 特特 點(diǎn)點(diǎn)BE結(jié)

6、結(jié) BC結(jié)結(jié)截止截止導(dǎo)導(dǎo)通通放大放大飽和飽和BEVON (0.7V)ibiBS,三極管深飽和，三極管深飽和，=VCE(sat) 0V。iB =i1 i220第四節(jié)第四節(jié) TTL門電路門電路一、一、TTL反向器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理反向器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理1961年美國德克薩斯儀器公司首先制成集成電路。英文年美國德克薩斯儀器公司首先制成集成電路。英文Integrated Circuit,簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱IC。 集成電路的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、可靠性高，功耗低。目前集成電路的優(yōu)點(diǎn)：體積小、重量輕、可靠性高，功耗低。目前單個(gè)集成電路上已能作出數(shù)千萬個(gè)三極管，而其面積只有數(shù)十平方單個(gè)集成電路上已能作出數(shù)千萬個(gè)

7、三極管，而其面積只有數(shù)十平方毫米。毫米。按集成度分類按集成度分類：小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路SSI: Small Scale Integration;中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路MSI: Medium Scale Integration;大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路LSI: Large Scale Integration;超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路VLSI: Very Large Scale Integration,按制造工藝分類按制造工藝分類：雙極型集成電路；雙極型集成電路；單極型集成電路；單極型集成電路；我們介紹我們介紹TTL電路。電路。我們介紹我們介紹MOS電路。電路。TTL (

8、Transistor-Transistor Logic):三極管三極管三極管邏輯電路。三極管邏輯電路。211.電路結(jié)構(gòu)（以電路結(jié)構(gòu)（以74系列系列非門為例）非門為例）2.工作原理工作原理輸入級(jí)輸入級(jí)中間級(jí)中間級(jí)輸出級(jí)輸出級(jí)推拉式（推拉式（push-pull）、）、圖騰柱（圖騰柱（totem-pole）輸）輸出電路出電路VCC=5V,VIH=3.4V,VIL=0.2VT1導(dǎo)通，深飽和導(dǎo)通，深飽和T2,T5截止。因?yàn)榻刂?。因?yàn)門5有漏電有漏電流，可等效為大電阻。流，可等效為大電阻。T4導(dǎo)通，忽略導(dǎo)通，忽略R2壓降，可求出壓降，可求出=3.6V=VOHO =VIH:II =VIL:0.90.30.7

9、1.42.14.1?3.40.2T1的的BE結(jié)截止、結(jié)截止、BC結(jié)導(dǎo)通；結(jié)導(dǎo)通；T2、T5導(dǎo)通。導(dǎo)通。T4截止，因此截止，因此T5飽和。飽和。T2: ICS=4V/1.6K=2.5mA; iB=2.9v/4k=0.72mA =20 所以，所以，T2飽和。飽和。O=0.2V1.022二、二、TTL反向器的靜態(tài)特性反向器的靜態(tài)特性（一）（一） 電壓傳輸特性電壓傳輸特性CD段中點(diǎn)的輸入電壓稱為段中點(diǎn)的輸入電壓稱為閾值電壓閾值電壓，用，用VTH 表示。表示。B點(diǎn)：點(diǎn)： =0.6V，AB段稱為段稱為截止區(qū)截止區(qū)；IC點(diǎn)：點(diǎn)： =1.3V，BC段稱為段稱為線性區(qū)線性區(qū)；ID點(diǎn)：點(diǎn)： =1.4V，CD段稱為

10、段稱為轉(zhuǎn)折區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)；IDE段稱為段稱為飽和區(qū)飽和區(qū)；23輸入端噪聲容限輸入端噪聲容限高電平噪聲容限：高電平噪聲容限： 低電平噪聲容限：低電平噪聲容限：對(duì)于對(duì)于74系列門電路，系列門電路，VNH、VNL都不小于都不小于0.4V。VOH(min)VOL(max)VIL(max)VIH(min)2.4V0.4V0.8V2.0V(min)(min)IHOHNHVVV(max)(max)OLILNLVVV設(shè)定設(shè)定VOH(min)求出求出VIL(max)設(shè)定設(shè)定VOL(max)求出求出VIH(min)24（二）（二） 輸入特性輸入特性IIL稱為稱為輸入低電平電流輸入低電平電流。IIS稱為稱為輸入短路電流輸

11、入短路電流 =0V的輸?shù)妮斎腚娏魅腚娏?。IIIH稱為稱為輸入漏電流輸入漏電流。 輸入電壓為負(fù)時(shí)，基本輸入電壓為負(fù)時(shí)，基本是保護(hù)二極管的伏安特性。是保護(hù)二極管的伏安特性。IIH輸入為輸入為0.2V時(shí)時(shí)輸入為輸入為3.4V時(shí)時(shí)輸入為其他電壓時(shí)輸入為其他電壓時(shí)IILIIS 輸入電壓小于輸入電壓小于0.6V時(shí)，計(jì)時(shí)，計(jì)算算IIL的公式仍然成立的公式仍然成立(把把VIL換換為為 ），是一直線方程。），是一直線方程。Iii25（三）輸入端負(fù)載特性（三）輸入端負(fù)載特性當(dāng)當(dāng) 小于小于0.6V時(shí)時(shí)I當(dāng)當(dāng) =1.4V時(shí)，時(shí)，T2、T5均已導(dǎo)均已導(dǎo)通，通，T1基極電位被鉗在基極電位被鉗在2.1V而而 不再隨不再隨R

12、P增加，因增加，因 此此 也不也不再隨再隨RP增加。增加。II當(dāng)當(dāng)RP較小時(shí)，這較小時(shí)，這是直線方程是直線方程返回返回26例：計(jì)算圖中電阻例：計(jì)算圖中電阻RP取值范圍。已知：取值范圍。已知：VOH=3.4V,VOL=0.2V, VIH(min)=2.0V, VIL(max)=0.8V。解：解：當(dāng)當(dāng) =VOH時(shí)，要求時(shí)，要求 VIH(min)2I1OVOH-IIHRP VIH(min)2I=VOL+ RP(VCC - VBE VOL)/(R1+RP)當(dāng)當(dāng) =VOL時(shí)，要求時(shí)，要求 VIL(max)2I1OVIL(max)RP 0.69KRP 35KI對(duì)于對(duì)于74系列，當(dāng)系列，當(dāng)RP=2K 時(shí)，時(shí)

13、， 就達(dá)到就達(dá)到1.4V。綜合兩種情況綜合兩種情況RP應(yīng)按此式選取應(yīng)按此式選取27（四）輸出特性（四）輸出特性1.高電平輸出特性高電平輸出特性 T4飽和前，飽和前，VOH基基本不隨本不隨iL變，變，T4飽和后，飽和后，VOH將隨負(fù)載電流增加將隨負(fù)載電流增加線性下降，其斜率基本線性下降，其斜率基本由由R4決定。決定。2.低電平輸出特性低電平輸出特性 受功耗限制，受功耗限制，74系列門系列門輸出高電平時(shí)最大負(fù)載電輸出高電平時(shí)最大負(fù)載電流不超過流不超過0.4mA。T5飽和，飽和，c-e間等效電間等效電阻不超過阻不超過10歐姆，因此歐姆，因此直線斜率很小。直線斜率很小。rce28例：計(jì)算例：計(jì)算G1能

14、驅(qū)動(dòng)的同類門的個(gè)數(shù)。設(shè)能驅(qū)動(dòng)的同類門的個(gè)數(shù)。設(shè)G1滿足：滿足：VOH=3.2V, VOL=0.2V。16解：解：N1=16/1 =16G1輸出低電平輸出低電平G1輸出高電平輸出高電平 G1輸出高電平時(shí)，輸出高電平時(shí)，最大允許輸出電流為最大允許輸出電流為0.4mA； 每個(gè)負(fù)載門輸入每個(gè)負(fù)載門輸入電流為電流為IIH,不超過不超過0.04mA;故：故：N2= 0.4/0.04 =10綜合綜合N1,N2,應(yīng)取應(yīng)取N=10N稱為門的稱為門的扇出系數(shù)。扇出系數(shù)。每個(gè)負(fù)載門電流每個(gè)負(fù)載門電流G1門門電流電流29三、三、TTL反向器的動(dòng)態(tài)特性反向器的動(dòng)態(tài)特性1.傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間 延遲作用是由晶體管的延

15、遲延遲作用是由晶體管的延遲時(shí)間，電阻以及寄生電容等因時(shí)間，電阻以及寄生電容等因素引起的。素引起的。 tPLH往往比往往比tPHL大。大。 經(jīng)常用平均傳輸延遲時(shí)間經(jīng)常用平均傳輸延遲時(shí)間tPD來表示：來表示：tPD =(tPLH +tPHL)/22.交流噪聲容限交流噪聲容限 干擾信號(hào)作用干擾信號(hào)作用時(shí)間短到與時(shí)間短到與tPD相近相近時(shí)的噪聲容限。時(shí)的噪聲容限。 此時(shí)，此時(shí)，tW越小，允許的干擾越小，允許的干擾信號(hào)幅值越大。信號(hào)幅值越大。303.電源動(dòng)態(tài)尖峰電流電源動(dòng)態(tài)尖峰電流靜態(tài)電流：靜態(tài)電流：ICCL=iB1+iC2=(5-2.1)/4+(5-1)/1.6=3.2mAICCH =iB1=(5-0

16、.9)/4=1mA 在動(dòng)態(tài)情況下，會(huì)出現(xiàn)在動(dòng)態(tài)情況下，會(huì)出現(xiàn)T4和和T5同時(shí)導(dǎo)通的情況，特別是輸同時(shí)導(dǎo)通的情況，特別是輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)。使出由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)。使電源電流出現(xiàn)尖峰脈沖。電源電流出現(xiàn)尖峰脈沖。此電流最大可達(dá)此電流最大可達(dá)30多多mA.電源尖峰電流的不利影響：電源尖峰電流的不利影響：1.使電源平均電流增加；使電源平均電流增加；2.通過電源線和地線產(chǎn)生內(nèi)通過電源線和地線產(chǎn)生內(nèi)部噪聲。部噪聲。31四、其他類型的四、其他類型的TTL門電路門電路（一）其他邏輯功能的門電路（一）其他邏輯功能的門電路1.與非門與非門 T1為為多發(fā)射極管多發(fā)射極管。可等效。可等效為兩個(gè)三極管。為兩

17、個(gè)三極管。其工作原理可從兩方面分析：其工作原理可從兩方面分析：(2) 輸入有低時(shí)，輸出高電平。輸入有低時(shí)，輸出高電平。 此時(shí)此時(shí)A,B兩端并聯(lián)，兩端并聯(lián)，T1成為成為一個(gè)三極管，結(jié)論成立。一個(gè)三極管，結(jié)論成立。(1) 輸入全高時(shí)，輸出低電平。輸入全高時(shí)，輸出低電平。 設(shè)設(shè)A端輸入端輸入0.2V，則，則TI基基極電位為極電位為0.9V,此時(shí)無論此時(shí)無論B端狀端狀態(tài)如何，都不會(huì)影響態(tài)如何，都不會(huì)影響T1基極電基極電位。因此輸出為高電平。位。因此輸出為高電平。0.2V0.9V 如果輸入全懸空，輸出如果輸入全懸空，輸出為低電平。因此輸入懸空等為低電平。因此輸入懸空等效為輸入高電平。效為輸入高電平。32

18、2.或非門或非門 或非門的原理可從兩方或非門的原理可從兩方面分析：面分析：(1)輸入全低，輸出為高輸入全低，輸出為高 A端為低電平，使端為低電平，使T2截止；截止； B端為低電平，使端為低電平，使 截止；截止； 2T從而使從而使T5截止，輸出為高電平。截止，輸出為高電平。(2)輸入有高，輸出為低輸入有高，輸出為低 若若A端為高電平，使端為高電平，使T2導(dǎo)通，此時(shí)無論導(dǎo)通，此時(shí)無論 為何狀態(tài)，為何狀態(tài)，都不會(huì)使都不會(huì)使T2截止。因此截止。因此T5一定導(dǎo)通，使輸出為低電平。一定導(dǎo)通，使輸出為低電平。2T333.與或非門與或非門 在或非門的基在或非門的基礎(chǔ)上，增加礎(chǔ)上，增加與與輸入輸入端，從而實(shí)現(xiàn)與

19、或端，從而實(shí)現(xiàn)與或非邏輯。非邏輯。Y= AB + CD344.異或門異或門 紅框中的電路控制紅框中的電路控制T7的狀態(tài)。因此，當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。因此，當(dāng)T7截止時(shí)，電路就是以截止時(shí)，電路就是以A,B為輸入的與非門。為輸入的與非門。 A,B兩輸入端的高電平兩輸入端的高電平分別通過分別通過T5和和T4使使T7截止。截止。 說明輸入說明輸入A,B有高電平，有高電平，就按與非門分析；就按與非門分析；當(dāng)當(dāng)A,B全低時(shí)，全低時(shí)，T4,T5全全截止，使截止，使T7導(dǎo)通，輸出導(dǎo)通，輸出低電平。低電平。0011110111100100ABBABA 從右表可得出該電路為異從右表可得出該電路為異或門?；蜷T。35（二）集電極

20、開路門（電路）（二）集電極開路門（電路）(OC)Open Collector Gate 目的：將門的輸出端并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)目的：將門的輸出端并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)線與線與：Z= AB CD 普通普通TTL門輸出端并門輸出端并聯(lián)時(shí)，將產(chǎn)生過大的輸出聯(lián)時(shí)，將產(chǎn)生過大的輸出電流導(dǎo)致器件損壞。電流導(dǎo)致器件損壞。(此此電流可達(dá)電流可達(dá)30多毫安。）多毫安。）電路原理：電路原理：RL邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)使用時(shí)需外接電阻使用時(shí)需外接電阻RL。當(dāng)輸入有低電平使當(dāng)輸入有低電平使T5截止時(shí)，只有很截止時(shí)，只有很小的漏電流流入門小的漏電流流入門里的里的T5的集電極。的集電極?？烧J(rèn)為此時(shí)門的輸可認(rèn)為此時(shí)門的輸出端處于出端處于高阻狀態(tài)高阻狀

21、態(tài)。電阻可接到其電阻可接到其他電源，用他電源，用 表示。如表示。如SN7407可接可接30V電壓電壓CCV 很容易驗(yàn)證這是一個(gè)很容易驗(yàn)證這是一個(gè)二輸入端與非門。二輸入端與非門。36負(fù)載電阻負(fù)載電阻RL的計(jì)算的計(jì)算圖中電阻圖中電阻RL以下連線稱為以下連線稱為總線總線。 這是用集電極開路門連成總這是用集電極開路門連成總線結(jié)構(gòu)的典型電路。其中負(fù)載電線結(jié)構(gòu)的典型電路。其中負(fù)載電阻阻RL只需用一個(gè)即可。只需用一個(gè)即可?？偩€電位用總線電位用 表示。表示。o分分 =VOH和和 VOL兩種情況討論：兩種情況討論：oo總線。其電位總線。其電位 ，矩形框表示矩形框表示線與線與o當(dāng)當(dāng) VOH時(shí)時(shí)oIOHIOHIOH

22、IIHIIHIIHIRLIRL= nIOH+mIIHminOHLRLCCOVRIVIHOHOHCCLmInIVVRmin用上式求出用上式求出RL的最大值。的最大值。37當(dāng)當(dāng) 總線為低電平總線為低電平VOL時(shí)：時(shí)：IR LILVOLmIILIL= IRL+ ILMmIILLOLCCRLRVVImaxILLMOLCCLImIVVRmax由上式求出由上式求出RL的最小值。的最小值。 RL在求出的范圍內(nèi)取值。取在求出的范圍內(nèi)取值。取值偏大會(huì)降低工作速度；取值偏值偏大會(huì)降低工作速度；取值偏小會(huì)增加電源功耗。小會(huì)增加電源功耗。 為提高速度，就必須保持輸出高電平時(shí)的低內(nèi)阻特性。為提高速度，就必須保持輸出高電

23、平時(shí)的低內(nèi)阻特性。從而引出從而引出三態(tài)輸出門三態(tài)輸出門(TS)。只有一個(gè)門輸只有一個(gè)門輸出低電平是最出低電平是最不利情況。不利情況。38（三）三態(tài)輸出門電路（三）三態(tài)輸出門電路（TS）Three-State Output GateEN為使能端，為使能端，高電平有效高電平有效。EN為高電平時(shí)為高電平時(shí):若若A,B都為高電平：都為高電平： 二極管二極管D截止，對(duì)電路無截止，對(duì)電路無影響，影響，輸出輸出為為低電平低電平；若若A,B中有低電平：中有低電平： T2,T5截止，二極管截止，二極管D導(dǎo)導(dǎo)通通,T4基極電位被鉗在基極電位被鉗在4.3V，T4導(dǎo)通，導(dǎo)通，輸出高電平輸出高電平，但電，但電位為位為2

24、.9V。3.6V4.3V2.9VEN為低電平時(shí)為低電平時(shí): T5截止；截止；T4基極電位被鉗在基極電位被鉗在1V,因此，因此，T4截止。從而輸出端出現(xiàn)截止。從而輸出端出現(xiàn)高阻狀態(tài)高阻狀態(tài)。如如EN端只有一個(gè)非門，則為端只有一個(gè)非門，則為低電平有效。低電平有效。0.3V39在總線傳輸方面的應(yīng)用如圖。在總線傳輸方面的應(yīng)用如圖。接成總線方式時(shí)，在接成總線方式時(shí)，在n個(gè)個(gè)EN端中，每次最多只能有一個(gè)有效。端中，每次最多只能有一個(gè)有效。雙向總線雙向總線40四、四、TTL電路的改進(jìn)系列電路的改進(jìn)系列（一）（一）74H系列系列 除了除了74系列外，系列外，TTL電路還有電路還有74H、74S、74LS、74

25、AS和和74ALS等系列。等系列。又稱為又稱為高速系列高速系列。 各改進(jìn)系列都圍繞提高速各改進(jìn)系列都圍繞提高速度和降低功耗兩點(diǎn)進(jìn)行。減度和降低功耗兩點(diǎn)進(jìn)行。減小電阻值可提高速度，但是小電阻值可提高速度，但是會(huì)明顯增加功耗。會(huì)明顯增加功耗。 可見其各電阻值明顯小于可見其各電阻值明顯小于74系列。加上采用了復(fù)合管系列。加上采用了復(fù)合管T3、T4，因此速度明顯提高。但功耗增大更明顯。，因此速度明顯提高。但功耗增大更明顯?？蓞⒖急砜蓞⒖急?.4.1。 表中表中dp積積是是延遲功耗積延遲功耗積（Delay-Power Product），），可用于衡量門電路的綜合指標(biāo)。可用于衡量門電路的綜合指標(biāo)。41（二

26、）（二）74S系列系列又稱為肖特基系列。又稱為肖特基系列。與與74H系列比，有系列比，有兩點(diǎn)改進(jìn)：兩點(diǎn)改進(jìn)：1.使用肖特基勢(shì)壘二極管使用肖特基勢(shì)壘二極管 (Schottkey Barrer Diode)簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱SBD;2.采用采用有源泄放電路有源泄放電路。SBD特點(diǎn)：導(dǎo)通壓降特點(diǎn)：導(dǎo)通壓降0.40.5V；無電荷存儲(chǔ)；工藝與無電荷存儲(chǔ)；工藝與TTL兼容。兼容。 使用使用SBD后，三極管不會(huì)進(jìn)入深飽和狀態(tài)，從而提高速度；后，三極管不會(huì)進(jìn)入深飽和狀態(tài)，從而提高速度；42有源泄放電路有源泄放電路 T6和和RB,RC構(gòu)成有源泄放構(gòu)成有源泄放電路。其作用有二：提高電路。其作用有二：提高速度；改善電壓傳輸特

27、性。速度；改善電壓傳輸特性。 當(dāng)當(dāng)T2,T5由截止轉(zhuǎn)入由截止轉(zhuǎn)入導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)，T5早于早于T6導(dǎo)通，導(dǎo)通，加速加速T5導(dǎo)通；縮短導(dǎo)通；縮短tPHL。 當(dāng)當(dāng)T2,T5由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止時(shí)，由導(dǎo)通轉(zhuǎn)入截止時(shí)，處于飽和的處于飽和的T6為為T5基極提供反基極提供反向泄放電流，加速向泄放電流，加速T5截止?？s截止?？s短短tPLH。有源泄放電路還改善了電壓傳輸有源泄放電路還改善了電壓傳輸特性，因?yàn)橛辛颂匦裕驗(yàn)橛辛薚6后，后，T2不再先不再先于于T5導(dǎo)通。導(dǎo)通。43（三）（三）74LS系列系列特點(diǎn)：特點(diǎn)：增加電阻值以減增加電阻值以減小功耗；小功耗；使用使用SBD以提高速度；以提高速度；采用有源泄放電路以提高

28、采用有源泄放電路以提高速度；速度；將將T1改為改為SBD與門以提與門以提高速度；高速度；增加增加D3,D4以提高速度。以提高速度。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)左移使傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)左移使閾值電壓閾值電壓VTH降為降為1.1V左右左右； 輸出低電平偏高，最大可達(dá)輸出低電平偏高，最大可達(dá)0.5V。74S系列也具有這一缺點(diǎn)。系列也具有這一缺點(diǎn)。44返回返回5返回返回6返回返回845多余輸入端如何處理：多余輸入端如何處理：以與非門為例，以與非門為例，欲實(shí)現(xiàn)欲實(shí)現(xiàn)Y=AB=A顯然應(yīng)使顯然應(yīng)使B=1，方法有：，方法有：1.接高電平；接高電平；2.接接VCC；3.懸空；懸空；4.接大電阻，大于接大電阻

29、，大于2K歐姆；歐姆；5.與與A端并聯(lián)。端并聯(lián)。若為或非門，情況則不同。若為或非門，情況則不同。另外：另外：46第六節(jié)第六節(jié) CMOS門電路門電路一、反向器（非門）一、反向器（非門）（一）工作原理（一）工作原理N溝道管開啟電壓溝道管開啟電壓VGS(th)N記為記為VTN;P溝道管開啟電壓溝道管開啟電壓VGS(th)P記為記為VTP;要求滿足要求滿足VDD VTN+|VTP|;輸入低電平為輸入低電平為0V；高電平為；高電平為VDD;（1）輸入為低電平）輸入為低電平0V時(shí)；時(shí)；T2截止；截止；T1導(dǎo)通。導(dǎo)通。iD = 0， =VDD;O（2）輸入為高電平）輸入為高電平VDD時(shí)；時(shí)；T1截止；截止；

30、T2導(dǎo)通。導(dǎo)通。iD = 0， =0V;O輸入與輸出間是邏輯非關(guān)系。輸入與輸出間是邏輯非關(guān)系。Complementary-Symmetry MOS .互補(bǔ)對(duì)稱式互補(bǔ)對(duì)稱式MOS電路。電路。47 特點(diǎn)：靜態(tài)功耗近似為特點(diǎn)：靜態(tài)功耗近似為0；電；電源電壓可在很寬的范圍內(nèi)選取。源電壓可在很寬的范圍內(nèi)選取。 在正常工作狀態(tài)，在正常工作狀態(tài)，T1與與T2輪流導(dǎo)通，即所謂輪流導(dǎo)通，即所謂互補(bǔ)互補(bǔ)狀態(tài)。狀態(tài)。CC4000系列系列CMOS電路的電路的VDD可在可在318V之間選取。之間選取。481.電壓傳輸特電壓傳輸特性性VVT2截止，截止，T1導(dǎo)通導(dǎo)通T1截止，截止，T2導(dǎo)通導(dǎo)通T1，T2都導(dǎo)通都導(dǎo)通閾值電

31、壓閾值電壓轉(zhuǎn)折區(qū)變化率轉(zhuǎn)折區(qū)變化率大，特性更接大，特性更接近理想開關(guān)。近理想開關(guān)。 閾值電壓為閾值電壓為VDD 的一半，特性對(duì)稱，的一半，特性對(duì)稱，因而輸入端噪聲容限較大。因而輸入端噪聲容限較大。CC4000系系列列CMOS電路的噪聲容限為：（允許電路的噪聲容限為：（允許輸出電壓變化百分之十）輸出電壓變化百分之十）VNH=VNL=30%VDD特點(diǎn)：特點(diǎn)：492.電流傳輸特性電流傳輸特性A當(dāng)當(dāng)T1,T2都導(dǎo)通時(shí)，都導(dǎo)通時(shí)，iD不為不為0；輸入；輸入電壓為電壓為VDD/2時(shí)，時(shí)，iD較大，因此不較大，因此不應(yīng)使其長(zhǎng)期工作應(yīng)使其長(zhǎng)期工作在在BC段。段。 在動(dòng)態(tài)情況下，電路的狀態(tài)會(huì)通過在動(dòng)態(tài)情況下，電

32、路的狀態(tài)會(huì)通過BC段，使動(dòng)態(tài)功耗不為段，使動(dòng)態(tài)功耗不為0；而且輸入信號(hào)頻率越高，動(dòng)態(tài)功耗也越大，這成為限制電路扇出而且輸入信號(hào)頻率越高，動(dòng)態(tài)功耗也越大，這成為限制電路扇出系數(shù)的主要因素。系數(shù)的主要因素。50(二二) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性1.輸入特性輸入特性 由于由于MOS管柵極絕管柵極絕緣，輸入電流恒為緣，輸入電流恒為0，但但CMOS門輸入端接有門輸入端接有保護(hù)電路，從而輸入電保護(hù)電路，從而輸入電流不為流不為0。AiII 由曲線可看出，輸由曲線可看出，輸入電壓在入電壓在0VDD間變間變化時(shí)，輸入電流為化時(shí)，輸入電流為0；當(dāng)輸入電壓大于當(dāng)輸入電壓大于VDD時(shí)，時(shí)，二極管二極管D1導(dǎo)通；當(dāng)輸導(dǎo)通；當(dāng)輸

33、入電壓小于入電壓小于0V時(shí)，二時(shí)，二極管極管D2導(dǎo)通。導(dǎo)通。二極管二極管D2和和電阻電阻RS串聯(lián)串聯(lián)電路的特性電路的特性二極管二極管D1的特的特性性512 .輸出特性輸出特性(1) 輸出低電平輸出低電平DSDi0VDD增加相當(dāng)于增加相當(dāng)于T2的的VGS增加增加 T2工作在可變電阻區(qū)，有較小工作在可變電阻區(qū)，有較小的導(dǎo)通電阻，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，的導(dǎo)通電阻，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，該電阻上的壓降將緩慢增加。該電阻上的壓降將緩慢增加。 對(duì)于對(duì)于CC4000系列門電路，當(dāng)系列門電路，當(dāng)VDD=5V時(shí)，時(shí)，IOL的最大值為的最大值為0.51mA；而在而在74HC系列中，該值為系列中，該值為4mA。52(2)

34、輸出高電平輸出高電平DSDSDi00IOHVDDVOHVOH= + VDDDS 與輸出低電平類似，此時(shí)與輸出低電平類似，此時(shí)T1工作在可變電阻區(qū)；當(dāng)負(fù)載電工作在可變電阻區(qū)；當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，流增加時(shí)，T1的的VDS增加，導(dǎo)致增加，導(dǎo)致輸出下降。輸出下降。 此時(shí)，此時(shí)，IOH的最大值，與的最大值，與輸出低電平時(shí)相同。輸出低電平時(shí)相同。53（三）動(dòng)態(tài)特性（三）動(dòng)態(tài)特性1.傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間(1) MOS管在開關(guān)過程中無電荷存儲(chǔ)，有利于縮短延遲時(shí)間；管在開關(guān)過程中無電荷存儲(chǔ)，有利于縮短延遲時(shí)間； (2) MOS管的導(dǎo)通電阻比管的導(dǎo)通電阻比TTL電路大的多，所以其內(nèi)部電容電路大的多，所以其內(nèi)部電

35、容和負(fù)載電容對(duì)傳輸延遲時(shí)間的影響非常顯著。導(dǎo)通電阻受和負(fù)載電容對(duì)傳輸延遲時(shí)間的影響非常顯著。導(dǎo)通電阻受VDD影響，所以，影響，所以，VDD也影響傳輸延遲時(shí)間；也影響傳輸延遲時(shí)間； (3)C MOS門的輸入電容比門的輸入電容比TTL電路大的多，因此負(fù)載個(gè)數(shù)電路大的多，因此負(fù)載個(gè)數(shù)越多，延遲時(shí)間越大；越多，延遲時(shí)間越大；CMOS門的扇出系數(shù)就是受傳輸延遲時(shí)門的扇出系數(shù)就是受傳輸延遲時(shí)間和下面要介紹的動(dòng)態(tài)功耗等動(dòng)態(tài)特性限制的。間和下面要介紹的動(dòng)態(tài)功耗等動(dòng)態(tài)特性限制的。542. 交流噪聲容限交流噪聲容限3.動(dòng)態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功耗 與與TTL電路類似，當(dāng)噪聲電壓作用時(shí)電路類似，當(dāng)噪聲電壓作用時(shí)間間tW小于電路

36、的傳輸延遲時(shí)間時(shí)，輸入小于電路的傳輸延遲時(shí)間時(shí)，輸入噪聲容限噪聲容限VNA將隨將隨tW縮小而明顯增大。縮小而明顯增大。 傳輸延遲時(shí)間與電傳輸延遲時(shí)間與電源電壓和負(fù)載電容有源電壓和負(fù)載電容有關(guān)，因此關(guān)，因此VDD和和CL都對(duì)都對(duì)輸入噪聲容限有影響。輸入噪聲容限有影響。 動(dòng)態(tài)情況下，動(dòng)態(tài)情況下，T1,T2會(huì)短時(shí)同時(shí)導(dǎo)通，產(chǎn)生附加會(huì)短時(shí)同時(shí)導(dǎo)通，產(chǎn)生附加功耗，其值隨輸入信號(hào)頻率增加而增加。功耗，其值隨輸入信號(hào)頻率增加而增加。定量估算可得動(dòng)態(tài)功耗定量估算可得動(dòng)態(tài)功耗PC的公式：的公式：PC=CLfV2DD負(fù)載電容經(jīng)負(fù)載電容經(jīng)T1、T2充、放電，也會(huì)產(chǎn)生功耗。充、放電，也會(huì)產(chǎn)生功耗。55二、其他類型的二

37、、其他類型的CMOS門電路門電路1.與非門與非門特點(diǎn)：特點(diǎn)：N溝道管串聯(lián)、溝道管串聯(lián)、P溝道管并聯(lián)；溝道管并聯(lián)； 設(shè)：設(shè)：MOS管的導(dǎo)通電阻為管的導(dǎo)通電阻為RON、門電路的輸出電阻為門電路的輸出電阻為RO。輸出電阻隨輸入狀態(tài)變化。輸出電阻隨輸入狀態(tài)變化。使用帶緩沖級(jí)的門電路使用帶緩沖級(jí)的門電路可以克服上述缺點(diǎn)?？梢钥朔鲜鋈秉c(diǎn)。2.或非門或非門特點(diǎn)：特點(diǎn)：P溝道管串聯(lián)、溝道管串聯(lián)、N溝道管并聯(lián)；溝道管并聯(lián)；2RON RON/211RON R0N01RON RON10RON/2 2R0N00RO（與非（與非) RO（或非）（或非）BA輸出高電平偏低輸出高電平偏低輸出低輸出低電平偏電平偏高高此外，

38、輸入狀態(tài)還會(huì)影響這兩個(gè)門的電壓傳輸特性。此外，輸入狀態(tài)還會(huì)影響這兩個(gè)門的電壓傳輸特性。（一）其他邏輯功能的（一）其他邏輯功能的CMOS門電路門電路56（二）帶緩沖級(jí)的（二）帶緩沖級(jí)的CMOS門電路門電路1.與非門：與非門：Y= AB = A + B = A + B 2.或非門或非門Y = A + B = A B = A B特點(diǎn)：輸出電阻恒為特點(diǎn)：輸出電阻恒為RON；輸出電平和；輸出電平和電壓傳輸特性都不受輸入狀態(tài)影響。電壓傳輸特性都不受輸入狀態(tài)影響。57（三）漏極開路門電路（三）漏極開路門電路（OD） 普通普通CMOS門不能接門不能接成線與形式。成線與形式。 OD門輸出端只是一門輸出端只是一個(gè)

39、個(gè)N溝道管，因此可以按溝道管，因此可以按OC門的辦法連成總線形門的辦法連成總線形式。式。特點(diǎn)：特點(diǎn)：VDD1和和VDD2可取不同值；可取不同值； 允許灌入電流較大。如：允許灌入電流較大。如： CC40107在在VOLRTG 則則OIC=0時(shí)，傳輸門截止；時(shí)，傳輸門截止；C=1,傳輸門導(dǎo)通。傳輸門導(dǎo)通。IOIOC59VGS(th)PVGS(th)NVDD0VIN溝道管導(dǎo)通溝道管導(dǎo)通P溝道管導(dǎo)通溝道管導(dǎo)通分析原理。先分析只有一個(gè)管時(shí)的情況：分析原理。先分析只有一個(gè)管時(shí)的情況：?jiǎn)喂芄ぷ鞯娜秉c(diǎn)是：?jiǎn)喂芄ぷ鞯娜秉c(diǎn)是：1.有死區(qū)；有死區(qū)；2.導(dǎo)通電阻隨輸入電壓導(dǎo)通電阻隨輸入電壓變化很大。變化很大。采用雙管可克服這些缺點(diǎn)。采用雙管可克服這些缺點(diǎn)。602.模擬開關(guān)模擬開關(guān)將電壓傳輸系數(shù)定義如下：將電壓傳輸系數(shù)定義如下：KTG= =OITGLLRRR 采用改進(jìn)電路的采用改進(jìn)電路的CMOS四模擬開關(guān)四模擬開關(guān)CC4066在在VDD=15V時(shí)，時(shí)，RTG值不大于值不大于240。而且在。而且在 變化時(shí)，變化時(shí)，RTG基本保持不變?；颈３植蛔儭 目前，某些精密目前，某些精密CMOS模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻已