第2章 門電路1

1、第二章第二章 門電路門電路 2.1 概述 2.2 半導(dǎo)體二極管和三極管的開關(guān)特性 2.3 最簡(jiǎn)單的與、或、非門電路 2.4 TTL門電路 2.5 其它類型的雙極型數(shù)字集成電路 2.6 CMOS門電路 2.7 其它類型的MOS集成電路 2.8 TTL電路與CMOS電路的接口返回返回2.1 概述 圖2.1.1 獲得高、低電平的基本原理 圖2.1.2 正邏輯與負(fù)邏輯返回返回圖2.1.1 獲得高、低電平的基本原理返回返回圖2.1.2 正邏輯與負(fù)邏輯返回返回2.1 概概 述述 門電路：邏輯門電路是能夠?qū)崿F(xiàn)各種基本邏輯運(yùn)算和復(fù)合邏輯運(yùn)算的單元電路，簡(jiǎn)稱“門電路”或邏輯元件。最基本的門電路是與門、或門和非門

2、。利用與、或、非門就可以構(gòu)成各種邏輯門。在邏輯電路中,一般用電路電平的高、低來(lái)表示邏輯事件的邏輯1與邏輯0（即是與否）。若用低電平代表0、高電平代表1，則稱為正邏輯。相反為負(fù)邏輯。獲得高、低電平的基本原理如右圖所示： 該圖實(shí)際上就是一個(gè)非門。 集成門按內(nèi)部有源器件的不同可分為兩大類：一類為雙極型晶體管集成電路，主要有晶體管TTL邏輯、射極耦合邏輯ECL和集成注入邏輯I2L等幾種類型；另一類為單極型MOS集成電路，包括NMOS、 PMOS和CMOS等幾種類型。常用的是TTL和CMOS集成電路。 集成門電路按其集成度又可分為：小規(guī)模集成電路(SSI)、中規(guī)模集成電路（MSI）、大規(guī)模集成電路（LS

3、I）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）。高低電平都有一個(gè)允許的范圍。如下圖所示：2.2 半半導(dǎo)導(dǎo)體體二極管和三極管的開關(guān)特性二極管和三極管的開關(guān)特性圖2.2.1 二極管開關(guān)電路圖2.2.2 二極管的伏安特性圖2.2.3 二極管伏安特性的幾種近似方法圖2.2.4 二極管的動(dòng)態(tài)電流波形圖2.2.5 雙極型三極管的兩種類型 (a)NPN型 (b)PNP型圖2.2.6 雙極型三極管的特性曲線 (a)輸入特性曲線 (b)輸出特性曲線圖2.2.7 雙極型三極管的基本開關(guān)電路圖2.2.8 用圖解法分析圖2.2.7電路 (a)電路圖 (b)作圖方法圖2.2.9 雙極型三極管的開關(guān)等效電路 (a)截止?fàn)顟B(tài) (b)飽

4、和導(dǎo)通狀態(tài)圖2.2.10 雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性返回返回下頁(yè)下頁(yè)圖2.2.11 MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖2.2.12 MOS管共源接法及其輸出特性曲線 (a)共源接法 (b)輸出特性曲線圖2.2.13 MOS管的轉(zhuǎn)移特性圖2.2.14 MOS管的基本開關(guān)電路圖2.2.15 MOS管的開關(guān)等效電路 (a)截止?fàn)顟B(tài) (b)導(dǎo)通狀態(tài) 圖2.2.16 P溝道增強(qiáng)型MOS管圖2.2.17 P溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極特性圖2.2.18 用P溝道增強(qiáng)型MOS管接成的開關(guān)電路圖2.2.19 N溝道耗盡型MOS管的符號(hào)圖2.2.20 P溝道耗盡型MOS管的符號(hào)返回返回上頁(yè)上頁(yè)圖2.2.1 二極管開關(guān)電路返回返

5、回2.2.1 半半導(dǎo)導(dǎo)體體二極管的開關(guān)特性二極管的開關(guān)特性 半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦允拱雽?dǎo)體二極管相當(dāng)于一個(gè)受外加電壓極性控制的開關(guān)。如下圖所示：圖2.2.2 二極管的伏安特性返回返回 但是，實(shí)際二極管的特性并不是理想的開關(guān)特性。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論得知，實(shí)際二極管的特性可以近似地用PN結(jié)方程：) 1(/TVseIi和下圖所示的伏安特性曲線來(lái)描述?？梢钥闯觯瑢?shí)際的半導(dǎo)體二極管反向電阻不是無(wú)窮大，正向電阻也不是0。而且，電壓和電流之間是非線性關(guān)系。其中，Is是反向飽和電流；VT=kT/q，是溫度電壓。圖2.2.3 二極管伏安特性的幾種近似方法返回返回在多數(shù)情況下，需要通過(guò)近似的分析迅速判斷二極管的

6、開關(guān)狀態(tài)。為此，必須利用近似的簡(jiǎn)化特性，以簡(jiǎn)化分析和計(jì)算過(guò)程。下圖給出了二極管的三種近似的伏安特性曲線和對(duì)應(yīng)的等效電路。(a)圖：二極管的正向?qū)▔航岛驼螂娮瓒疾荒芎雎詴r(shí)的近似特性和等效電路。(b)圖：二極管的正向?qū)▔航挡荒芎雎?，但正向電阻可以忽略時(shí)的近似特性和等效電路。(c)圖：二極管的正向?qū)▔航岛驼螂娮瓒伎梢院雎詴r(shí)的近似特性和等效電路。圖2.2.4 二極管的動(dòng)態(tài)電流波形返回返回 在動(dòng)態(tài)情況下，亦即加到二極管兩端的電壓突然反向時(shí)，電流的變化過(guò)程如下圖所示：反向電流持續(xù)的時(shí)間用反向恢復(fù)時(shí)間tre來(lái)定量描述。反向恢復(fù)時(shí)間tre指反向電流從它的峰值衰減到峰值的十分之一所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 圖2.

7、2.5 雙極型三極管的兩種類型 (a)NPN型 (b)PNP型返回返回2.2.2 半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性一、雙極型三極管的開關(guān)特性1、雙極型三極管的結(jié)構(gòu) 雙極型三極管由管芯、三個(gè)引出電極和外殼組成。 雙極型三極管有如下兩種類型：圖2.2.6 雙極型三極管的特性曲線 (a)輸入特性曲線 (b)輸出特性曲線返回返回2、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性雙極型三極管的輸入特性和輸出特性如下圖所示：輸入特性曲線近似于指數(shù)曲線?？捎锰摼€所示的折線來(lái)近似。VON稱為開啟電壓，硅管為0.50.7V，鍺管為0.20.3V。輸出特性曲線明顯地分成放大區(qū)（線性區(qū)）、飽和區(qū)、截止區(qū)三個(gè)區(qū)域。圖2

8、.2.7 雙極型三極管的基本開關(guān)電路返回返回3、雙極型三極管的基本開關(guān)電路雙極型三極管的基本開關(guān)電路如下圖所示：0I當(dāng)輸入電壓 時(shí)，輸出電壓為高電平CCOHVV當(dāng)輸入電壓 時(shí)，輸出電壓為ONIV0OLVICBCCORiV當(dāng)輸入電壓 繼續(xù)升高，使三極管處于深度飽和狀態(tài)時(shí)，開關(guān)電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸出電壓為低電平BBEIBRVi/ )(其中，圖2.2.8 用圖解法分析圖2.2.7電路 (a)電路圖 (b)作圖方法返回返回在給出輸出特性曲線的條件下，也可以用非線性電路的圖解法，求出給定電路參數(shù)下輸出電壓的具體數(shù)值。如下圖所示：當(dāng)輸入電壓、電阻RB、三極管確定后，輸入電流IB也就確定了。于是，與IB值對(duì)

9、應(yīng)的一條輸出特性曲線和負(fù)載線的交點(diǎn)就是開關(guān)電路實(shí)際所處的工作點(diǎn)。這一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的iC和 值也就是所求的集電極電流和輸出電壓的數(shù)值。CE深度飽和時(shí)三極管所需要的基極電流為CsatCECCBSRVVI)(，稱為飽和基極電流。)(satCEV稱為飽和壓降。合理選擇電路參數(shù)，可使三極管的c-e間相當(dāng)于一個(gè)受輸入電壓控制的開關(guān)。圖2.2.9 雙極型三極管的開關(guān)等效電路 (a)截止?fàn)顟B(tài) (b)飽和導(dǎo)通狀態(tài)返回返回4、雙極型三極管的開關(guān)等效電路雙極型三極管的開關(guān)等效電路如下圖所示：圖2.2.10 雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性返回返回5、雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性在動(dòng)態(tài)情況下，亦即三極管在截止與飽和導(dǎo)通兩種狀態(tài)間迅

10、速轉(zhuǎn)換時(shí)，三極管內(nèi)部電荷的建立和消散都需要一定的時(shí)間，因而集電極電流的變化將滯后于輸入電壓的變化。在接成三極管開關(guān)電路以后，開關(guān)電路的輸出電壓的變化也必然滯后于輸入電壓的變化。如下圖所示：圖2.2.11 MOS管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)返回返回二、MOS管的開關(guān)特性1、MOS管的結(jié)構(gòu) MOS管是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管的簡(jiǎn)稱。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2.2.12 MOS管共源接法及其輸出特性曲線 (a)共源接法 (b)輸出特性曲線返回返回2、MOS管的輸入特性和輸出特性(1) MOS管的輸入特性：柵極電流等于零，故不必畫出輸入特性曲線。(2) MOS管的輸出特性：MOS管的共源接法及其輸出特性曲線（漏極特

11、性曲線）如下圖所示：漏極特性曲線分為截止區(qū)、可變電阻區(qū)、恒流區(qū)這三個(gè)工作區(qū)。圖2.2.13 MOS管的轉(zhuǎn)移特性返回返回(3) MOS管的轉(zhuǎn)移特性：表示漏-源電流與柵-源電壓之間的關(guān)系的曲線稱為MOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線。如下圖所示：)(thGSV稱為開啟電壓。 時(shí)，漏-源電流近似地與柵-源電壓的平方成正比。)(thGSGSV圖2.2.14 MOS管的基本開關(guān)電路返回返回3、 MOS管的基本開關(guān)電路MOS管的基本開關(guān)電路如下圖所示：只要電路參數(shù)選擇得合理，就可以做到輸入為低電平時(shí)MOS管截止，開關(guān)電路輸出高電平；而輸入為高電平時(shí)MOS管導(dǎo)通，開關(guān)電路輸出低電平。也就是說(shuō)，如果合理選擇電路參數(shù)，則可使

12、MOS管的D-S間相當(dāng)于一個(gè)受輸入電壓控制的開關(guān)。圖2.2.15 MOS管的開關(guān)等效電路 (a)截止?fàn)顟B(tài) (b)導(dǎo)通狀態(tài)返回返回4、MOS管的開關(guān)等效電路MOS管的開關(guān)等效電路如下圖所示：CI代表柵極的輸入電容，約為幾皮法。5、MOS管的四種類型MOS管有N溝道增強(qiáng)型、P溝道增強(qiáng)型、N溝道耗盡型、P溝道耗盡型這四種基本類型。（1）N溝道增強(qiáng)型N溝道增強(qiáng)型的MOS管如下圖所示：圖2.2.16 P溝道增強(qiáng)型MOS管返回返回（2）P溝道增強(qiáng)型P溝道增強(qiáng)型的MOS管如下圖所示：圖2.2.17 P溝道增強(qiáng)型MOS管的漏極特性返回返回圖2.2.18 用P溝道增強(qiáng)型MOS管接成的開關(guān)電路返回返回圖2.2.1

13、9 N溝道耗盡型MOS管的符號(hào)返回返回（3）N溝道耗盡型其結(jié)構(gòu)形式與N溝道增強(qiáng)型MOS管相同。所不同的是在耗盡型MOS管中摻進(jìn)了一定濃度的正離子。這些正離子所形成的電場(chǎng)足以將襯底中的少數(shù)載流子電子吸引到柵極下面的襯底表面，在D-S間形成導(dǎo)電溝道。因此，在柵-源電壓為零時(shí)就已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道了。N溝道耗盡型的MOS管的符號(hào)如右圖所示：圖2.2.20 P溝道耗盡型MOS管的符號(hào)返回返回（4）P溝道耗盡型其結(jié)構(gòu)形式與P溝道增強(qiáng)型MOS管相同。所不同的是在耗盡型MOS管中摻進(jìn)了一定濃度的負(fù)離子。這些負(fù)離子所形成的電場(chǎng)足以將襯底中的少數(shù)載流子空穴吸引到柵極下面的襯底表面，在D-S間形成導(dǎo)電溝道。因此，在柵

14、-源電壓為零時(shí)就已經(jīng)存在導(dǎo)電溝道了。P溝道耗盡型的MOS管的符號(hào)如右圖所示：2.3 最簡(jiǎn)單的與、或、非門電路 圖2.3.1 二極管與門 圖2.3.2 二極管或門 圖2.3.3 三極管非門（反相器） 圖2.3.4 圖2.3.3電路的化簡(jiǎn)返回返回圖2.3.1 二極管與門返回返回2.3.1 二極管與門二極管與門最簡(jiǎn)單的與門可以用二極管和電阻組成。如下圖所示：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：首先，輸出的高、低電平數(shù)值和輸入的高、低電平數(shù)值不等，相差一個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降。其次，當(dāng)輸出端對(duì)地接上負(fù)載電阻時(shí)，負(fù)載電阻的改變有時(shí)會(huì)影響輸出的高電平。圖2.3.2 二極管或門返回返回2.3.2 二極管或門二極管或門最簡(jiǎn)單的

15、或門也可以用二極管和電阻組成。如下圖所示：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：輸出的高、低電平數(shù)值和輸入的高、低電平數(shù)值不等，相差一個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降。即也存在電平偏移問(wèn)題。圖2.3.3 三極管非門（反相器）返回返回2.3.3 三極管非門三極管非門用三極管和電阻可以構(gòu)成非門。如下圖所示：當(dāng)輸入信號(hào)為高電平時(shí)，應(yīng)保證三極管工作在深度飽和狀態(tài)，以使輸出電平接近于零。為此，電路參數(shù)的配合必須合適，以使提供給三極管的基極電流大于深度飽和的基極電流。即滿足：BSBII 圖2.3.4 圖2.3.3電路的化簡(jiǎn)返回返回2.4 TTL門電路圖2.4.1 TTL反相器的典型電路圖2.4.2 TTL反相器的電壓傳輸特性圖2.4.

16、3 輸入端噪聲容限示意圖圖2.4.4 TTL反相器的輸入端等效電路圖2.4.5 TTL反相器的輸入特性圖2.4.6 TTL反相器高電平輸出等效電路圖2.4.7 TTL反相器高電平輸出特性圖2.4.8 TTL反相器低電平輸出等效電路圖2.4.9 TTL反相器低電平輸出特性圖2.4.10 例 2.4.1的電路圖2.4.11 TTL反相器輸入端經(jīng)電阻接地時(shí)的等效電路圖2.4.12 TTL反相器輸入端負(fù)載特性圖2.4.13 例2.4.2的電路返回返回下頁(yè)下頁(yè)圖2.4.14 TTL反相器的動(dòng)態(tài)電壓波形圖2.4.15 TTL反相器的交流噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限（b）負(fù)脈沖噪聲容限圖2.4.16 TTL

17、反相器電源電流的計(jì)算（a）vOVOL 的情況 （b） vOVOH的情況圖2.4.17 TTL反相器的電源動(dòng)態(tài)尖峰電流圖2.4.18 TTL反相器的電源尖峰電流的計(jì)算圖2.4.19 電源尖峰電流的近似波形圖2.4.20 TTL與非與非門電路圖2.4.21 多發(fā)射極三極管（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）符號(hào)及等效電路圖2.4.22 TTL或非或非門電路圖2.4.23 TTL與與或非或非門圖2.4.24 TTL異異或或門圖2.4.25 推拉式輸出級(jí)并聯(lián)的情況圖2.4.26 集電極開路與非與非門的電路和圖形符號(hào)返回返回上頁(yè)上頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)圖2.4.27 OC門輸出并聯(lián)的接法及邏輯圖圖2.4.28 計(jì)算OC門負(fù)載電

18、阻最大值的工作狀態(tài)圖2.4.29 計(jì)算OC門負(fù)載電阻最小值的工作狀態(tài)圖2.4.30 例 2.4.4 的電路圖2.4.31 三態(tài)輸出門的電路圖和圖形符號(hào)（a）控制端高電平有效 （b）控制端低電平有效圖2.4.32 用三態(tài)輸出門接成總線結(jié)構(gòu)圖2.4.33 用三態(tài)輸出門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸圖2.4.34 74H系列與非與非門（ 74H 00）的電路結(jié)構(gòu)圖2.4.35 抗飽和三極管圖2.4.36 肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)圖2.4.37 74S系列與非與非門 (74S 00)的電路結(jié)構(gòu)圖2.4.38 74S系列反相器的電壓傳輸特性圖2.4.39 74LS系列與非與非門 (74LS 00)的電路結(jié)構(gòu)返回返回上

19、頁(yè)上頁(yè)圖2.4.1 TTL反相器的典型電路返回返回2.4.1 TTL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、電路結(jié)構(gòu)TTL反相器是TTL門電路中電路結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種。如下圖所示：工作原理簡(jiǎn)介：（1）當(dāng)輸入電壓為低電平時(shí)，T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，T1工作在深度飽和狀態(tài)，集-發(fā)電壓約為零，T2基極電壓較低，故T2截止。這又使T4導(dǎo)通，T5截止，從而使反相器輸出高電平。（2）當(dāng)輸入電壓為高電平時(shí)，T1基極電壓較高，T1工作于倒置狀態(tài)，從而使T2基極電壓也較高，故T2導(dǎo)通。這又使T4截止，T5導(dǎo)通，從而使反相器輸出低電平。這也就實(shí)現(xiàn)了反相器的反相功能。D1是輸入端鉗位二極管，起到低電壓保護(hù)作用

20、和去負(fù)脈沖干擾的作用。D2使T4在T5飽和導(dǎo)通時(shí)能可靠地截止。圖2.4.2 TTL反相器的電壓傳輸特性返回返回二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性TTL反相器的電壓傳輸特性如下圖所示：截止區(qū)：曲線的AB段。VVVOHOI4 . 3,6 . 0線性區(qū)：曲線的BC段。OIVV,3 . 16 . 0的升高而線性下降。隨I轉(zhuǎn)折區(qū)：曲線的CD段。OTHIVV,4 . 1隨I的略升而急劇下降。飽和區(qū)：曲線的DE段。OTHIV,不再隨I的升高而變化。圖2.4.3 輸入端噪聲容限示意圖返回返回三、輸入端噪聲容限在保證輸出高、低電平基本不變（或者說(shuō)變化的大小不超過(guò)允許限度）的條件下，輸入電平的允許波動(dòng)范圍被稱為輸入

21、端噪聲容限。如下圖所示：對(duì)于74系列TTL門電路，其標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)為：VVOH4 . 2(min)VVOL4 . 0(max)VVIH0 . 2(min)VVIL8 . 0(max)所以，其輸入為高電平時(shí)的噪聲容限為VVNH4 . 0VVNL4 . 0所以，其輸入為低電平時(shí)的噪聲容限為圖2.4.4 TTL反相器的輸入端等效電路返回返回2.4.2 TTL反相器的靜態(tài)特性和輸出特性反相器的靜態(tài)特性和輸出特性一、輸入特性一、輸入特性如果僅僅考慮輸入信號(hào)是高電平和低電平而不是某一個(gè)中間值的情況，則可將TTL反相器的輸入端畫成下圖所示的等效電路形式：輸入低電平電流為：11/ )(RVVIILBECCIL輸入短

22、路電流為：11/ )(RVIBECCIS,4 . 3時(shí)當(dāng)VVIHIT1工作于倒置狀態(tài)（發(fā)射極與集電極對(duì)調(diào)使用的狀態(tài)），倒置狀態(tài)下三極管的電流放大系數(shù)很?。ㄔ?.01以下），所以高電平輸入電流IIH很小。74系列TTL門電路每個(gè)輸入端的IIH值都在40微安以下。圖2.4.5 TTL反相器的輸入特性返回返回根據(jù)上述等效電路，可畫出TTL反相器的輸入特性曲線（輸入電流隨輸入電壓變化的曲線）如下圖所示：圖2.4.6 TTL反相器高電平輸出等效電路返回返回二、輸出特性1、高電平輸出特性,時(shí)當(dāng)OHOVTTL反相器輸出端的等效電路如下圖所示：此時(shí)，T4工作在射極輸出狀態(tài)，電路的輸出電阻很小。因此，在負(fù)載電流

23、較小的范圍內(nèi)，負(fù)載電流的變化對(duì)VOH的影響很小。當(dāng)負(fù)載電流iL的絕對(duì)值逐漸增大，從而使T4進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，T4將失去射極跟隨功能，因而使VOH隨iL絕對(duì)值的增加幾乎線性地下降。圖2.4.7 TTL反相器高電平輸出特性返回返回根據(jù)上述等效電路，可畫出TTL反相器的高電平輸出特性曲線（高電平輸出電壓VOH隨負(fù)載電流iL變化的曲線）如下圖所示：從曲線上可見，在負(fù)載電流iL絕對(duì)值小于5毫安的范圍內(nèi)，VOH變化很??；當(dāng)iL絕對(duì)值大于5毫安以后，隨著iL絕對(duì)值的增加VOH下降較快。由于受到功耗的限制，手冊(cè)上給出的高電平輸出電流的最大值要比5毫安小得多。74系列TTL門電路的運(yùn)用條件規(guī)定，輸出為高電平時(shí)，最

24、大負(fù)載電流不能超過(guò)0.4mA。圖2.4.8 TTL反相器低電平輸出等效電路返回返回2、低電平輸出特性,時(shí)當(dāng)OLOVTTL反相器輸出端的等效電路如下圖所示：此時(shí)，T5飽和導(dǎo)通，T4截止。由于T5飽和導(dǎo)通時(shí)c-e間的內(nèi)阻很?。ㄍǔＴ?0歐姆以內(nèi)）。所以，負(fù)載電流iL增加時(shí)，輸出的低電平VOL僅稍有升高。圖2.4.9 TTL反相器低電平輸出特性返回返回根據(jù)上述等效電路，可畫出TTL反相器的低電平輸出特性曲線（低電平輸出電壓VOL隨負(fù)載電流iL變化的曲線）如下圖所示：可以看出，VOL與iL在較大的范圍里基本上呈線性關(guān)系。圖2.4.10 例 2.4.1的電路返回返回TTL電路的扇出系數(shù)一個(gè)TTL電路可以

25、驅(qū)動(dòng)的同類型TTL電路的最大數(shù)目。可以算出，TTL反相器的扇出系數(shù)N=10。圖2.4.11 TTL反相器輸入端經(jīng)電阻接地時(shí)的等效電路返回返回三、輸入端負(fù)載特性在具體使用門電路時(shí)，有時(shí)需要在輸入端與地之間或者輸入端與信號(hào)的低電平之間接入電阻RP，如下圖所示：因?yàn)檩斎腚娏髁鬟^(guò)RP ，這就必然會(huì)在RP上產(chǎn)生壓降而形成輸入端電位 。而且， RP越大 也越高。III 隨RP變化的規(guī)律被稱為輸入端負(fù)載特性。)/()(11PPBECCIRRRVI上式表明，在RPR1的條件下， 幾乎與RP成正比。圖2.4.12 TTL反相器輸入端負(fù)載特性返回返回TTL反相器的輸入端負(fù)載特性如下圖所示：I上式表明，在RPR1的

26、條件下， 幾乎與RP成正比。但當(dāng) 上升到1.4V以后，特性曲線趨盡于一條水平線。I圖2.4.13 例2.4.2的電路返回返回圖2.4.14 TTL反相器的動(dòng)態(tài)電壓波形返回返回2.4.3 TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間輸出電壓波形滯后于輸入電壓波形的時(shí)間。tPLH輸出電壓由低電平跳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)的傳輸延遲時(shí)間。tPHL輸出電壓由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)的傳輸延遲時(shí)間。圖2.4.15 TTL反相器的交流噪聲容限（a）正脈沖噪聲容限輸出高電平降致2.0V時(shí)輸入正脈沖的幅度。（b）負(fù)脈沖噪聲容限輸出低電平升致0.8V時(shí)輸入負(fù)脈沖的幅度。返回返回二、交流噪聲容限交流噪聲容限指門電路對(duì)窄脈沖

27、的噪聲容限。常用的交流噪聲容限有正脈沖噪聲容限、負(fù)脈沖噪聲容限這兩類。如下圖所示：圖2.4.16 TTL反相器電源電流的計(jì)算（a）vOVOL 的情況 （b） vOVOH的情況返回返回三、電源的動(dòng)態(tài)尖峰電流在輸入電壓出現(xiàn)高、低電平轉(zhuǎn)換的時(shí)刻（特別是輸入電壓從高電平跳變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)刻），電源電流將出現(xiàn)尖峰。稱為電源尖峰電流。(a)電源電流為：21CBCCLiiI(b)電源電流為：1BCCHiI圖2.4.17 TTL反相器的電源動(dòng)態(tài)尖峰電流返回返回圖2.4.18 TTL反相器電源尖峰電流的計(jì)算返回返回電源尖峰電流帶來(lái)的影響主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面。首先，它使電源的平均電流增加了。其次，當(dāng)系統(tǒng)中有許多門電路

28、同時(shí)轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)時(shí)，電源的瞬時(shí)尖峰電流數(shù)值很大，這個(gè)尖峰電流將通過(guò)電源線和地線以及電源的內(nèi)阻形成一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲源。(a)電源尖峰電流為：144BBCCCMiiiI圖2.4.19 電源尖峰電流的近似波形返回返回一個(gè)周期內(nèi)尖峰脈沖的平均值為：PLHCCLCCMPLHCCLCCMPAVtIIfTtIII)(21)(21電源電流的平均值為：)(21)(21CCLCCHPLHCCLCCMCCAVIItIIfI圖2.4.20 TTL與非與非門電路返回返回2.4.4 其它類型的其它類型的TTL門電路門電路一、其它邏輯功能的門電路一、其它邏輯功能的門電路1、與非門、與非門(1)電路圖電路圖圖2.4.21

29、多發(fā)射極三極管（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）符號(hào)及等效電路返回返回&UI UCCUO&UI UCCUO&UIUO(a)(b)(c)R與非門多余輸入端的處理方法(a) 接電源; (b) 通過(guò)R接電源; （c） 與使用輸入端并聯(lián)與非門多余輸入端的三種處理方法如圖所示。(2) TTL與非門的外特性與參數(shù)與非門的外特性與參數(shù)電壓傳輸特性電壓傳輸特性 TTL與非門電壓傳輸特性是表示輸出電壓UO隨輸入電壓UI變化的一條曲線， 電壓傳輸特性曲線大致分為四段：如圖所示。 TTL與非門電壓傳輸特性（a） 測(cè)試電路示意圖（b） 曲線 AB段稱截止區(qū) 0UI0.6V，U03.6V BC段稱線性區(qū)

30、0.6UI1.3V，U0線性下降 CD段稱轉(zhuǎn)折區(qū) 1.3VUI1.4V，U0急劇下降 DE段稱飽和區(qū) UI1.4V，U00.3V 主要參數(shù)主要參數(shù) A、輸出高電平UOH和輸出低電平UOL。電壓傳輸特性曲線截止區(qū)的輸出電壓為UOH，飽和區(qū)的輸出電壓為UOL。一般產(chǎn)品規(guī)定UOH2.4V，UOL0.4 V。 B、閾值電壓Uth。電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓為Uth，也稱門檻電壓。一般TTL與非門的Uth 1.4V。 C、關(guān)門電平UOFF和開門電平UON。保證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，稱為關(guān)門電平UOFF。通常UOFF1V , 一般產(chǎn)品要求UOFF0

31、.8 V。 保證輸出電平達(dá)到額定低電平（0.3V）時(shí)，允許輸入高電平的最小值，稱為開門電平UON。通常UON1.4V，一般產(chǎn)品要求UON1.8 VD、 噪聲容限UNL、UNH。在實(shí)際應(yīng)用中，由于外界干擾、電源波動(dòng)等原因，可能使輸入電平UI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，稱為噪聲容限。它是用來(lái)說(shuō)明門電路抗干擾能力的參數(shù)。 低電平噪聲容限是指在保證輸出為高電平的前提下，允許疊加在輸入低電平UIL上的最大正向干擾（或噪聲）電壓。用UNL表示: UNL = UOFF - UIL 高電平噪聲容限是指在保證輸出為低電平的前提下，允許疊加在輸入高電平UIH上的最大負(fù)向干擾（或噪聲

32、）電壓。用UNH表示： UNH = UIH - UON E、輸入短路電流輸入短路電流IIS。當(dāng)。當(dāng)UI=0時(shí)，流經(jīng)這個(gè)輸入端的時(shí)，流經(jīng)這個(gè)輸入端的電流稱為輸入短路電流電流稱為輸入短路電流IIS。在如圖所示電路中。在如圖所示電路中 IIS= -1.4 mA輸入短路電流的典型值約為輸入短路電流的典型值約為-1.5mA。 370511RUUBECC F、 輸入漏電流IIH。當(dāng)UIUth時(shí), 流經(jīng)輸入端的電流稱為輸入漏電流IIH， 即T1倒置工作時(shí)的反向漏電流。其值很小，約為10A。 G、 扇出系數(shù)N。扇出系數(shù)是以同一型號(hào)的與非門作為負(fù)載時(shí)，一個(gè)與非門能夠驅(qū)動(dòng)同類與非門的最大數(shù)目，通常N8。 H、平均

33、延遲時(shí)間tpd。平均延遲時(shí)間指輸出信號(hào)滯后于輸入信號(hào)的時(shí)間，它是表示開關(guān)速度的參數(shù)， 如圖所示IIS的計(jì)算圖 延遲時(shí)間 從輸入波形上升沿的中點(diǎn)到輸出波形下降沿中點(diǎn)之間的時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間 tPHL；從輸入波形下降沿的中點(diǎn)到輸出波形上升沿的中點(diǎn)之間的時(shí)間稱為截止延遲時(shí)間tPLH, 所以TTL與非門平均延遲時(shí)間為 tpd= ( tPHL+ tPLH) 一般, TTL與非門tpd為340ns。21（3） TTL與非門產(chǎn)品介紹與非門產(chǎn)品介紹 常用常用TTL門電路型門電路型號(hào)號(hào)型 號(hào) 邏 輯 功 能 74LS00 74LS10 74LS20 74LS30 四-2輸入與非門 三-3輸入與非門 二-4輸入

34、與非門 8輸入與非門74LS00、 74LS20管腳圖&1211109814133456712&VCC4B4A4Y3B3A3Y1B1A1Y2B2A2Y GND1211109814133456712&VCC2D3C2BNC 2A2Y1B1ANC1D1C1Y GND(a)(b)74LS0074LS20（4） TTL器件型號(hào)組成的符號(hào)及意義器件型號(hào)組成的符號(hào)及意義 第 1 部 分 第 2 部 分第 3 部 分第4 部 分 第5部分型號(hào)前級(jí)工作溫度符號(hào)范圍器件系列器件品種封裝形式符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義CT SN中國(guó)制造的TTL類美國(guó)TEXAS公司5474-55

35、+125V 0+70 HSLSASALSFAS標(biāo)準(zhǔn)高速肖特基低功能肖特基先進(jìn)肖特基先進(jìn)低功能肖特基快捷肖特基阿拉伯?dāng)?shù)字器件功能WBFDPJ陶瓷扁平封裝扁平全密封扁平陶瓷雙列直播塑料雙列直播黑陶瓷雙列直播（5）TTL與非門的改進(jìn)電路與非門的改進(jìn)電路 典 型 TTL10 ns / 10 mWH系 列 TTL6 ns / 22 mWL系 列 TTL33 ns / 1 mWS系 列 TTL3 ns / 20 mWAS系 列 TTL1.5 ns / 22 mWLS系 列 TTL5 ns / 2 mWALS系 列 TTL4 ns / 1 mWT000各種系列的TTL門電路 LS系列TTL門tpd5ns，而

36、功耗2mW，因而得到廣泛應(yīng)用。 我國(guó)TTL集成電路目前有CT54/74(普通) 、CT54/74H(高速) 、 CT54/74S（肖特基）和CT54/74LS(低功耗）等四個(gè)系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的集成門電路。它們的主要性能指如表2.4所示。在TTL門電路中，無(wú)論是哪一種系列，只器件品名相同, 那么器件功能就相同，只是性能不同。 電路型號(hào)參數(shù)名稱CT74系列CT74H系列CT745系列CT74LS系列電源電壓/V5555UOH(MIN)/V2.42.42.52.5UOL(MAX)/V0.40.40.50.5邏輯擺幅3.33.33.43.4每門功耗1022192每門傳輸延時(shí)10639.5最高工作頻率355

37、012545扇出系數(shù)10101020抗干擾能力一般一般好好（6） TTL各系列集成門電路主要性能指標(biāo)各系列集成門電路主要性能指標(biāo)圖2.4.22 TTL或非或非門電路返回返回2、或非門、或非門或非門多余輸入端的三種處理方法如圖所示。1UI UCCUOUIUO1UI UCCUO(a)(b)(c)1R 或非門多余輸入端的處理方法(a) 接地; (b) 通過(guò)R接地; （c） 與使用輸入端并聯(lián)圖2.4.23 TTL與與或非或非門返回返回3、與或非門、與或非門圖2.4.24 TTL異異或或門返回返回4、異或門、異或門圖2.4.25 推拉式輸出級(jí)并聯(lián)的情況返回返回二、集電極開路的門電路（二、集電極開路的門電

38、路（OC門）門） 在實(shí)際使用中，可直接將幾個(gè)邏輯門的輸出端相連，這種輸出直接相連，實(shí)現(xiàn)輸出與功能的方式稱為線與。 但是，普通TTL與非門的輸出端是不允許直接相連的， 因?yàn)楫?dāng)一個(gè)門的輸出為高電平（Y1），另一個(gè)為低電平（Y2）時(shí)， 將有一個(gè)很大的電流從VCC經(jīng)Y1到Y(jié)2，到導(dǎo)通門的T5管，因功耗過(guò)大而損壞該門電路。如右圖所示。圖2.4.26 集電極開路與非與非門的電路和圖形符號(hào)返回返回克服上述局限性的方法就是把輸出級(jí)改為集電極開路的三極管結(jié)構(gòu)。如下圖所示：圖2.4.27 OC門輸出并聯(lián)的接法及邏輯圖返回返回T5的集電極是斷開的，必須經(jīng)外接電阻RL接通電源后，電路才能實(shí)現(xiàn)與非邏輯及線與功能。圖2.

39、4.28 計(jì)算OC門負(fù)載電阻最大值的工作狀態(tài)返回返回外接電阻RL的選取：假設(shè)有n個(gè)OC門接成線與的形式，其輸出負(fù)載為m個(gè)TTL與非門，如下圖所示。當(dāng)所有OC門都為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，輸出電壓UO為高電平，為保證輸出的高電平不低于規(guī)定值，RL不能太大。根據(jù)左圖所示的情況，RL的最大值為：IHOHOHCCLmInIVVRminmax 式中, n為OC門并聯(lián)的個(gè)數(shù)，m為并聯(lián)負(fù)載門的個(gè)數(shù)，IOH為OC門輸出管截止時(shí)的漏電流，IIH為負(fù)載門輸入端為高電平時(shí)的輸入漏電流。 圖2.4.29 計(jì)算OC門負(fù)載電阻最小值的工作狀態(tài)返回返回當(dāng)有一個(gè)OC門處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，輸出電壓UO為低電平。而且應(yīng)保證在最不利的情況下，所有

40、負(fù)載電流全部流入唯一的一個(gè)導(dǎo)通門時(shí)，輸出低電平仍低于規(guī)定值。根據(jù)上圖所示的情況，RL的最小值為：ILLOLCCLImIVVRmaxmaxmin 式中, ILmax是導(dǎo)通OC門所允許的最大漏電流，IIL為負(fù)載門的低電平輸入電流的絕對(duì)值。 綜合以上兩種情況，RL的選取應(yīng)滿足： RLminRLRLmax為了減少負(fù)載電流的影響，RL值應(yīng)選接近RLmin的值。圖2.4.30 例 2.4.4 的電路返回返回圖2.4.31 三態(tài)輸出門的電路圖和圖形符號(hào) （a）控制端高電平有效 （b）控制端低電平有效返回返回三、三態(tài)輸出門電路（三、三態(tài)輸出門電路（TS門）門）三態(tài)門，是指邏輯門的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，

41、還有第三種狀態(tài)高阻狀態(tài)（或稱禁止?fàn)顟B(tài)）的門電路，簡(jiǎn)稱TS門。電路如下圖所示：EN為控制端或稱使能端。 當(dāng)EN1時(shí)，二極管D截止，TS門與TTL門功能一樣： 當(dāng)EN0時(shí)，T1處于正向工作狀態(tài)，促使T2、T5截止， 同時(shí), 通過(guò)二極管D使T3基極電位鉗制在V左右，致使T4也截止。這樣T4、T5都截止，輸出端呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。 TS門中控制端EN除高電平有效外，還有為低電平有效的。BAY圖2.4.32 用三態(tài)輸出門接成總線結(jié)構(gòu)返回返回三態(tài)門的主要用途是實(shí)現(xiàn)多個(gè)數(shù)據(jù)或控制信號(hào)的總線傳輸，如下圖所示： 圖2.4.33 用三態(tài)輸出門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸返回返回利用三態(tài)門還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，如下圖所示： 表

42、表1 一種一種TS門的真值表門的真值表 控制端 輸 入 輸 出 E A B F 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 高阻態(tài)TTL集成門電路使用注意事項(xiàng)集成門電路使用注意事項(xiàng) 在使用TTL集成門電路時(shí)， 應(yīng)注意以下事項(xiàng)： (1) 電源電壓（VCC）應(yīng)滿足在標(biāo)準(zhǔn)值5V+10%的范圍內(nèi)。 (2) TTL電路的輸出端所接負(fù)載，不能超過(guò)規(guī)定的扇出系數(shù)。 (3) 注意TTL門多余輸入端的處理方法。圖2.4.34 74H系列與非與非門(74H 00)的電路結(jié)構(gòu)返回返回2.4.5 TTL電路的改進(jìn)系列一、74H系列（高速系列）在電路結(jié)構(gòu)上采取了如下兩項(xiàng)措施：一是在輸出級(jí)采用了達(dá)

43、林頓結(jié)構(gòu)，用T3和T4組成的復(fù)合三極管代替原來(lái)的T4；二是將所有電阻的阻值普遍降低了將近一倍。圖2.4.35 抗飽和三極管返回返回二、74S系列（肖特基系列）采用抗飽和三極管以使三極管導(dǎo)通時(shí)避免進(jìn)入深度飽和狀態(tài)，從而達(dá)到大幅度減小傳輸延遲時(shí)間，提高門電路的工作速度的目的?？癸柡腿龢O管的結(jié)構(gòu)如下圖所示：由普通的雙極型三極管和SBD管（肖特基勢(shì)壘二極管）組合而成。圖2.4.36 肖特基勢(shì)壘二極管的結(jié)構(gòu)返回返回圖2.4.37 74S系列與非與非門 (74S 00)的電路結(jié)構(gòu)返回返回該電路的一大特點(diǎn)是采用了抗飽和三極管。另一大特點(diǎn)是用T6、RB和RC組成的有源電路代替了74H系列中的電阻R3，為T5管

44、的發(fā)射結(jié)提供了一個(gè)有源泄放回路。有源泄放回路的存在，不但縮短了門電路的傳輸延遲時(shí)間，而且改善了門電路的電壓傳輸特性。圖2.4.38 74S系列反相器的電壓傳輸特性返回返回圖2.4.39 74LS系列與非與非門 (74LS 00)的電路結(jié)構(gòu)返回返回三、74LS系列除使用抗飽和三極管和引入有源泄放回路外，還將輸入端的多發(fā)射極三極管用SBD代替，并接入了D3、D4這兩個(gè)SBD。為了降低功耗，還大幅度地提高了電路中各個(gè)電阻的阻值。2.5 其它類型的雙極型數(shù)字集成電路 圖2.5.1 ECL或或 / 或非或非門的電路及邏輯符號(hào) 圖2.5.2 ECL或或 / 或非或非門的電壓傳輸特性 圖2.5.3 I2L電

45、路的基本邏輯單元（a）結(jié)構(gòu)和電路圖 （b）簡(jiǎn)化的電路圖 圖2.5.4 I2L或或 / 或非或非門電路返回返回圖2.5.1 ECL或或 / 或非或非門的電路及邏輯符號(hào)返回返回2.5.1 ECL電路一、ECL電路的結(jié)構(gòu)與工作原理是一種非飽和型的高速邏輯電路。圖2.5.2 ECL或或 / 或非或非門的電壓傳輸特性返回返回二、ECL電路的主要特點(diǎn)與TTL電路相比，ECL電路有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，ECL電路是目前各種數(shù)字集成電路中工作速度最快的一種。第二，因?yàn)檩敵龆瞬捎昧松錁O輸出結(jié)構(gòu)，所以輸出內(nèi)阻很低，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。第三，電路內(nèi)部的開關(guān)噪聲很低。第四，多設(shè)有互補(bǔ)的輸出端，同時(shí)還可以直接將輸出端并聯(lián)以實(shí)

46、現(xiàn)線或邏輯功能，因而使用時(shí)十分方便、靈活。其主要缺點(diǎn)是：第一，功耗大。第二，輸出電平的穩(wěn)定性較差。第三，噪聲容限比較低。圖2.5.3 I2L電路的基本邏輯單元 （a）結(jié)構(gòu)和電路圖 （b）簡(jiǎn)化的電路圖返回返回2.5.2 I2L電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低的特點(diǎn)，因而特別適于制成大規(guī)模集成電路。一、 I2L電路的結(jié)構(gòu)與工作原理I2L電路的基本單元是由一只多集電極三極管構(gòu)成的反相器，反相器的偏流由另一只三極管提供。圖2.5.4 I2L或或 / 或非或非門電路返回返回I2L電路的多集電極輸出結(jié)構(gòu)在構(gòu)成復(fù)雜的邏輯電路時(shí)十分方便。我們可以通過(guò)線與方式把幾個(gè)門的輸出端并聯(lián)，以獲得所需要的邏輯功能。如下圖所示

47、：二、 I2L電路的主要特點(diǎn)（1）優(yōu)點(diǎn)：第一，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。第二，各邏輯單元之間不需要隔離。第三， 能夠在低電壓、微電流下工作。（2）缺點(diǎn)：第一，抗干擾能力差。第二，開關(guān)速度較慢。2.6 CMOS電路圖2.6.1 CMOS反相器（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）電路圖圖2.6.2 CMOS反相器的電壓傳輸特性圖2.6.3 CMOS反相器的電流傳輸特性圖2.6.4 不同VDD下CMOS反相器的噪聲容限圖2.6.5 CMOS反相器輸入端噪聲容限與VDD的關(guān)系圖2.6.6 CMOS反相器的輸入保護(hù)電路（a）CC4000系列的輸入保護(hù)電路（b）74HC系列的輸入保護(hù)電路圖2.6.7 CMOS反相器的輸入特性（a

48、）圖2.6.6 (a)電路的輸入特性 （b） 圖2.6.6 (b)電路的輸入特性圖2.6.8 vO=VOL時(shí)CMOS反相器的工作狀態(tài)圖2.6.9 CMOS反相器的低電平輸出特性圖2.6.10 vO=VOH時(shí)CMOS反相器的工作狀態(tài)圖2.6.11 CMOS反相器的高電平輸出特性圖2.6.12 CMOS反相器傳輸延遲時(shí)間的定義圖2.6.13 VDD 和CL對(duì)傳輸延遲時(shí)間的影響返回返回下頁(yè)下頁(yè)圖2.6.14 CMOS反相器的交流噪聲容限圖2.6.15 CMOS反相器的瞬時(shí)導(dǎo)通電流圖2.6.16 CMOS反相器對(duì)負(fù)載電容的充、放電電流圖2.6.17 CMOS反相器的靜態(tài)漏電流（a） vI= 0 （b）

49、 vI=VDD 圖2.6.18 CMOS與非與非門圖2.6.19 CMOS或非或非門圖2.6.20 帶緩沖級(jí)的CMOS與非與非門電路圖2.6.21 帶緩沖級(jí)的CMOS或非或非門電路圖2.6.22 漏極開路輸出的與非與非門CC40107圖2.6.23 CMOS傳輸門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)圖2.6.24 CMOS傳輸門中兩個(gè)MOS管的工作狀態(tài)圖2.6.25 CMOS雙向模擬開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖2.6.26 CMOS模擬開關(guān)接負(fù)載電阻的情況返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)圖2.6.27 CMOS模擬開關(guān)的電阻特性圖2.6.28 CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之一圖2.6.29 CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之二（a）用或非

50、或非門控制（b）用與非與非門控制圖2.6.30 CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之三圖2.6.31 MOS管的寄生電容效應(yīng)圖2.6.32 BiCMOS反相器（a）最簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu) （b）常用的電路結(jié)構(gòu)圖2.6.33 BiCMOS與非與非門電路圖2.6.34 BiCMOS或非或非門電路圖2.6.35 輸入端接大電容時(shí)的防護(hù)圖2.6.36 輸入端接長(zhǎng)線時(shí)的防護(hù)圖2.6.37 CMOS反相器中的雙極型寄生三極管效應(yīng)圖2.6.38 CMOS反相器中的寄生三極管電路圖2.6.39 CMOS電路的鉗位保護(hù)電路（a）輸入端的鉗位電路（b）輸出端的鉗位電路圖2.6.40 在 CMOS電路的電源上加去耦保護(hù)返回返回上頁(yè)上

51、頁(yè) MOS集成邏輯門是采用MOS管作為開關(guān)元件的數(shù)字集成電路。 它具有工藝簡(jiǎn)單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、 功耗低等優(yōu)點(diǎn)，MOS門有PMOS、 NMOS和CMOS三種類型， CMOS電路又稱互補(bǔ)MOS電路，它突出的優(yōu)點(diǎn)是靜態(tài)功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好、開關(guān)速度高，是性能較好且應(yīng)用較廣泛的一種電路。 與TTL集成電路相比，CMOS電路具有如下特點(diǎn)： 制造工藝較簡(jiǎn)單，集成度和成品率較高。 功耗低。 電源電壓范圍寬。 輸入阻抗高，扇出系數(shù)大。 抗干擾能力強(qiáng)。 當(dāng)配備適當(dāng)?shù)木彌_器后，能與現(xiàn)有的大多數(shù)邏輯電路兼容圖2.6.1 CMOS反相器（a）結(jié)構(gòu)示意圖 （b）電路圖返回返回2.6.1 CMOS

52、反相器的工作原理一、電路結(jié)構(gòu)圖2.6.2 CMOS反相器的電壓傳輸特性返回返回二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性圖2.6.3 CMOS反相器的電流傳輸特性返回返回圖2.6.4 不同VDD下CMOS反相器的噪聲容限返回返回三、輸入端噪聲容限圖2.6.5 CMOS反相器輸入端噪聲容限與VDD的關(guān)系返回返回圖2.6.6 CMOS反相器的輸入保護(hù)電路 （a）CC4000系列的輸入保護(hù)電路 （b）74HC系列的輸入保護(hù)電路返回返回2.6.2 CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性圖2.6.7 CMOS反相器的輸入特性 （a）圖2.6.6 (a)電路的輸入特性 （b）圖2.6.6 (b)電路的輸入

53、特性返回返回圖2.6.8 vO= VOL時(shí)CMOS反相器的工作狀態(tài)返回返回二、輸出特性1、低電平輸出特性圖2.6.9 CMOS反相器的低電平輸出特性返回返回圖2.6.10 vO= VOH時(shí)CMOS反相器的工作狀態(tài)返回返回2、高電平輸出特性圖2.6.11 CMOS反相器的高電平輸出特性返回返回圖2.6.12 CMOS反相器傳輸延遲時(shí)間的定義返回返回2.6.3 CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間圖2.6.13 VDD 和CL對(duì)傳輸延遲時(shí)間的影響返回返回圖2.6.14 CMOS反相器的交流噪聲容限返回返回二、交流噪聲容限圖2.6.15 CMOS反相器的瞬時(shí)導(dǎo)通電流返回返回三、動(dòng)態(tài)功耗圖2.6.

54、16 CMOS反相器對(duì)負(fù)載電容的充、放電電流返回返回圖2.6.17 CMOS反相器的靜態(tài)漏電流 （a） vI= 0 （b） vI=VDD返回返回圖2.6.18 CMOS與非與非門返回返回2.6.4 其它類型的CMOS門電路一、其它邏輯功能的CMOS門電路T1T2UDDYABT4T3PPNNUDDYABS4S3S2S1G4G3T3D3D4T4D2G2T2D1T1G1(a)(b) CMOS與非門上圖是一個(gè)兩輸入的CMOS與非門電路。 當(dāng)A、B兩個(gè)輸入端均為高電平時(shí)，T1、T2導(dǎo)通，T3、T4截止，輸出為低電平。 當(dāng)A、B兩個(gè)輸入端中只要有一個(gè)為低電平時(shí)，T1、T2中必有一個(gè)截止，T3、T4中必有一

55、個(gè)導(dǎo)通， 輸出為高電平。 電路的邏輯關(guān)系為BAY圖2.6.19 CMOS或非或非門返回返回T1T2 UDDYABT4T3PPNN UDDYABS4S3S2S1G4G3T3D3D4T4D2G2T2D1T1G1(a)(b)CMOS或非門CMOS或非門電路如上圖所示。當(dāng)A、B兩個(gè)輸入端均為低電平時(shí)，T1、T2截止，T3、T4導(dǎo)通，輸出Y為高電平；當(dāng)A、B兩個(gè)輸入中有一個(gè)為高電平時(shí)，T1、T2中必有一個(gè)導(dǎo)通，T3、T4中必有一個(gè)截止，輸出為低電平。 電路的邏輯關(guān)系為BAY圖2.6.20 帶緩沖級(jí)的CMOS與非與非門電路返回返回二、帶緩沖級(jí)的CMOS門電路圖2.6.21 帶緩沖級(jí)的CMOS或非或非門電路

56、返回返回圖2.6.22 漏極開路輸出的與非與非門CC40107返回返回三、漏極開路的門電路（OD門）圖2.6.23 CMOS傳輸門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)返回返回四、CMOS傳輸門和雙向模擬開關(guān)UIUO UDDYS2S1D2T2D1T1ACCTGCCAY(a)(b) 當(dāng)控制信號(hào)C=1（UDD）( =0)時(shí)， 輸入信號(hào)UI接近于UDD，則UGS1-UDD，故T1截止，T2導(dǎo)通；如輸入信號(hào)UI接近0，則T1導(dǎo)通，T2截止；如果UI接近UDD/2，則T1、T2同時(shí)導(dǎo)通。所以，傳輸門相當(dāng)于接通的開關(guān)，通過(guò)不同的管子連續(xù)向輸出端傳送信號(hào)。 反之，當(dāng)C=0（ =1）時(shí)，只要UI在0UDD之間，則T1、T2都截

57、止，傳輸門相當(dāng)于斷開的開關(guān)。 因?yàn)镸OS管的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，源極和漏極可以互換使用，所以CMOS傳輸門具有雙向性，又稱雙向開關(guān)，用TG表示。 CC圖2.6.24 CMOS傳輸門中兩個(gè)MOS管的工作狀態(tài)返回返回圖2.6.25 CMOS雙向模擬開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和符號(hào)返回返回圖2.6.26 CMOS模擬開關(guān)接 負(fù)載電阻的情況返回返回圖2.6.27 CMOS模擬開關(guān)的電阻特性返回返回圖2.6.28 CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之一返回返回五、三態(tài)輸出的CMOS門電路圖2.6.29 CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之二 （a）用或非或非門控制 （b）用與非與非門控制返回返回圖2.6.30 CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之三返回返回

58、圖2.6.31 MOS管的寄生電容效應(yīng)返回返回2.6.5 改進(jìn)的CMOS門電路一、高速CMOS電路圖2.6.32 BiCMOS反相器（a）最簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu) （b）常用的電路結(jié)構(gòu)返回返回二、BiCMOS電路圖2.6.33 BiCMOS與非與非門電路返回返回圖2.6.34 BiCMOS或非或非門電路返回返回 TTL電路的使用注意事項(xiàng)， 一般對(duì)CMOS電路也適用。因CMOS電路容易產(chǎn)生柵極擊穿問(wèn)題，所以要特別注意以下幾點(diǎn)： (1) 避免靜電損失。 存放CMOS電路不能用塑料袋，要用金屬將管腳短接起來(lái)或用金屬盒屏蔽。工作臺(tái)應(yīng)當(dāng)用金屬材料覆蓋并應(yīng)良好接地。焊接時(shí)，電烙鐵殼應(yīng)接地。2.6.6 CMOS電路

59、的正確使用一、輸入電路的靜電防護(hù) (2) 多余輸入端的處理方法。 CMOS電路的輸入阻抗高，易受外界干擾的影響，所以CMOS電路的多余輸入端不允許懸空。多余輸入端應(yīng)根據(jù)邏輯要求或接電源DD(與非門、 與門），或接地（或非門、或門），或與其他輸入端連接。 圖2.6.35 輸入端接大電容時(shí)的防護(hù)返回返回二、輸入電路的過(guò)流保護(hù)圖2.6.36 輸入端接長(zhǎng)線時(shí)的防護(hù)返回返回圖2.6.37 CMOS反相器中的雙極型寄生三極管效應(yīng)返回返回三、CMOS電路鎖定效應(yīng)的防護(hù)圖2.6.38 CMOS反相器中的寄生三極管電路返回返回圖2.6.39 CMOS電路的鉗位保護(hù)電路 （a）輸入端的鉗位電路 （b）輸出端的鉗位

60、電路返回返回圖2.6.40 在 CMOS電路的電源上加去耦保護(hù)返回返回四、四、CMOS門電路系列及型號(hào)的命名法門電路系列及型號(hào)的命名法 CMOS邏輯門器件有三大系列: 4000系列、74C系列和硅氧化鋁系列。 1. 4000系列 表2.5列出了4000系列CMOS器件型號(hào)組成符號(hào)及意義。 表表1 CMOS器件型號(hào)組成符號(hào)及意義器件型號(hào)組成符號(hào)及意義第1部分第2部分第3部分第4部分產(chǎn)品制造單位器件系列器件品種工作溫度范圍符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義符號(hào)意義CCCDTC中國(guó)制造的類型美國(guó)無(wú)線電公司產(chǎn)品日本東芝公司產(chǎn)品4045145系列符號(hào)阿拉伯?dāng)?shù)字器件功能CERM070-4085-5585-55125 幾家國(guó)外公司幾家國(guó)外公司CMOS產(chǎn)品代號(hào)產(chǎn)品代號(hào)國(guó)別公司名稱 簡(jiǎn) 稱型