1、第三章 門電路,3.2 半導(dǎo)體二極管門電路,3.3 CMOS門電路,3.4 其他類型的MOS集成電路*,3.1 概述,3.6 其他類型的雙極型數(shù)字集成電路*,3.7 Bi-CMOS門電路*,3.8 TTL電路與CMOS電路的接口*,3.5 TTL門電路,第三章 門電路,熟練掌握常用門電路的符號(hào)及邏輯功能；了解TTL與非門的工作原理；熟悉TTL、CMOS集成邏輯門的外部特性、主要參數(shù)和使用方法；理解集電極開路門和三態(tài)門的主要特點(diǎn)及應(yīng)用；了解ECL的特點(diǎn)。,一、邏輯門電路的分類,1.按基本結(jié)構(gòu)分類,按集成度分類 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 LSI 超大規(guī)模集成電

2、路 VLSI,小規(guī)模集成電路 SSI (Small Scale Integration)： 集成度10門/片 或 100個(gè)元器件/片， 如邏輯門、觸發(fā)器等。 中規(guī)模集成電路 MSI (Medium Scale Integration)： 集成度：10 99門/片 或 100 999元器件/片。 如譯碼器、計(jì)數(shù)器、寄存器等邏輯功能部件。,大規(guī)模集成電路 LSI (Larger Scale Integration)： 集成度：100 1000門/片 或 1000 10000元器件/片。 如CPU、存儲(chǔ)器、簡(jiǎn)單的數(shù)字邏輯系統(tǒng)等。 超大規(guī)模集成電路 VLSI (Very Larger Scale In

3、tegration)： 集成度： 1000門/片 或 100000元器件/片 如單片機(jī)、數(shù)字邏輯系統(tǒng)等。,3.按邏輯門電路的型號(hào)分類（TI）,Page：104,Page：135,54系列軍用型：尺寸小、功耗小、可靠性高、工作溫度范圍大（-55+125 ） 74系列民用型，低成本改進(jìn)型，在一般場(chǎng)合下使用，工作溫度（0+70 ）,4.按邏輯功能分類,5.按結(jié)構(gòu)分類,各種門的符號(hào),OC門（集電極開路輸出門）,TS門（三態(tài)輸出門）,OD門（漏極開路輸出門）,TG門（CMOS傳輸門）,實(shí)際的與非門電路（74LS00）,任選一個(gè)與非門，其輸入端分別通過1k電阻與+5V電源相連，同時(shí)與單刀雙擲開關(guān)公共端連接

4、，開關(guān)的兩個(gè)觸點(diǎn)一端接地一端懸空 ，以實(shí)現(xiàn)輸入0、1轉(zhuǎn)換。輸出端接LED正極，LED負(fù)極通過100電阻接地。集成電路的VCC端接+5V電源正極， GND接+5V電源負(fù)極（地）。,與非門功能測(cè)試實(shí)驗(yàn),接線圖,邏輯圖,實(shí)物圖,與非門功能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn),A=0 B=0 Y=1,與非門功能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn),A=0 B=1 Y=1,與非門功能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn),A=1 B=0 Y=1,與非門功能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn),A=1 B=1 Y=0,圖,二、開關(guān)電路（門）的原理,晶體三極管開關(guān)電路,場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)電路,獲得高、低電平的基本原理,高/低電平都允許有一定的變化范圍,一、二極管的開關(guān)電路,高電平：VIH=VCC 低電平：VI

5、L=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D導(dǎo)通，VO=VOL=0.7V,3.2 半導(dǎo)體二極管門電路,二、二極管與門,設(shè)VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V,規(guī)定3V以上為1,0.7V以下為0,三、二極管或門,設(shè)VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二極管導(dǎo)通時(shí) VDF=0.7V,規(guī)定3V以上為1,0.7V以下為0,四.三極管非門,鉗位二極管,邏輯式：,五、與非門,邏輯式：,1. 體積大、工作不可靠。,2. 需要不同電源。,3. 各種門的輸入、輸出電平不匹配。,分立元件門電路的缺點(diǎn)：,采用類似的

6、方法還可以構(gòu)成或非門、異或門等。,3.3 CMOS集成門電路,一、MOS管反相器的原理,開門,開門電平 關(guān)門電平,開門電阻 關(guān)門電阻,關(guān)門,輸出低電平 輸出高電平,MOS (Metal Oxide Semiconductor 金屬氧化物半導(dǎo)體)，其 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，廣泛地采用在LSI、VLSI 中。,二、 CMOS反相器的工作原理,開門 Vo=0,關(guān)門Vo=1,以上僅考慮反相器的開關(guān)特性，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還要考慮其電氣特性,CMOS反相器是CMOS集成門的重要組成部分,外特性：指的是電路在外部表現(xiàn)出來的各種特性。外部特性包含兩個(gè)內(nèi)容： 一個(gè)是輸出與輸入間的邏輯關(guān)系，即所謂邏輯功能；另一個(gè)是

7、外部的電氣特性，包括電壓傳輸特性、輸入特性、輸出特性等。 掌握器件的外特性及其主要參數(shù)是用戶正確使用、維護(hù)和設(shè)計(jì)電路的重要依據(jù)。 介紹手冊(cè)中常見的特性曲線及其主要參數(shù)。,CMOS反相器的外特性及主要參數(shù),一、電壓傳輸特性、電流傳輸特性,A,B,C,D,E,F,理想情況下：輸出高電平UOHUDD，輸出低電平UOL0,輸入高電平UIHUDD，輸入低電平UIL0,高電平噪聲容限UNH,低電平噪聲容限UNL,輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換的閥值電壓UTUDD,關(guān)于電壓傳輸特性的深入探討,噪聲容限的計(jì)算方法：,輸入低電平時(shí)噪聲容限：,輸入高電平時(shí)噪聲容限：,噪聲容限衡量門電路的抗干擾能力。 噪聲容限越大，表明電路抗干擾能

8、力越強(qiáng)。,結(jié)論：可以通過提高VDD來提高噪聲容限,提高噪聲容限的方法？,1. 靜態(tài)輸入特性,CMOS門電路的輸入阻抗非常大。,優(yōu)點(diǎn)：幾乎不吸收電流。一般來說，高電平輸入電流IIH1A，低電平輸入電流IIL1A。,缺點(diǎn)：容易接收干擾甚至損壞門電路。,措施：輸入級(jí)一般都加了保護(hù)電路。,二. 靜態(tài)特性(包括輸入特性、輸出特性),根據(jù)靜態(tài)輸入特性討論：CMOS門電路多余引腳的處理,將2輸入的CMOS邏輯門轉(zhuǎn)換成CMOS反相器（非門），其中的一個(gè)引腳多余，請(qǐng)分析以下4種處理方法是否正確。,結(jié)論：CMOS門電路多余引腳不能懸空；輸入引腳接一電阻到地相當(dāng)于輸入低電平。,（1）當(dāng)門電路輸出低電平時(shí) 即開門時(shí),

9、I O L max：使輸出電壓不大于VO L max 時(shí)的最大灌電流值。,（2）當(dāng)門電路輸出高電平時(shí)，即關(guān)門時(shí),I O H max：使輸出電壓不小于V O H min時(shí)的最大拉電流值。,2.靜態(tài)輸出特性,（1）當(dāng)門電路輸出低電平時(shí)，即開門時(shí),結(jié)論：灌電流使低電平輸出電壓VOL升高,（2）當(dāng)門電路輸出高電平時(shí)，即關(guān)門時(shí),結(jié)論：拉電流使高電平輸出電壓VOH降低,（2）高電平輸出特性（拉電流負(fù)載特性）,隨著負(fù)載電流增加，VOH下降。,（1）低電平輸出特性（灌電流負(fù)載特性）,當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，VOL逐漸升高。,靜態(tài)輸出特性小結(jié)：,扇出系數(shù)驅(qū)動(dòng)同類門的個(gè)數(shù)。,灌電流工作時(shí)：,拉電流工作時(shí)：,扇出系數(shù)NO

10、取NOL、 NOH中較小的一個(gè)。,扇出系數(shù)衡量門電路的帶負(fù)載能力。,平均傳輸延遲時(shí)間,三、CMOS門電路的動(dòng)態(tài)特性,1.傳輸延遲時(shí)間（Propagation Delay）,負(fù)載電容,2. 交流噪聲容限,噪聲電壓作用時(shí)間越短、電源電壓越高，交流噪聲容限越大。,3. 動(dòng)態(tài)功耗,反相器從一種穩(wěn)定狀態(tài)突然變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，將產(chǎn)生附加的功耗，即為動(dòng)態(tài)功耗。,動(dòng)態(tài)功耗包括：負(fù)載電容充放電所消耗的功率PC和PMOS、NMOS同時(shí)導(dǎo)通所消耗的瞬時(shí)導(dǎo)通功耗PT。,在工作頻率較高的情況下，CMOS反相器的動(dòng)態(tài)功耗 要比靜態(tài)功耗大得多，靜態(tài)功耗可忽略不計(jì)。,1、漏極開路輸出門電路（OD門）,為什么需要OD

11、門？ 普通與非門輸出不能 直接連在一起實(shí)現(xiàn)“線與”！,產(chǎn)生一個(gè)很大的電流,可將一個(gè)MOS管的漏極開路構(gòu)成OD門。,四、特殊功能的CMOS門電路,OD輸出與非門的邏輯符號(hào)及函數(shù)式,OD門輸出端可直接連接實(shí)現(xiàn)線與。,上拉電阻RL的選擇：,IOH,IIH,n個(gè),m個(gè),VOH,n是并聯(lián)OD門的數(shù)目， m是負(fù)載門電路高電平輸入電流的數(shù)目。,RL的上限：,VOL,m個(gè),IOL,IIL,m是負(fù)載門電路低電平輸入電流的數(shù)目。在負(fù)載門為CMOS門電路的情況下，m和m相等。,2. CMOS傳輸門及雙向模擬開關(guān),傳輸門原理及符號(hào)：,當(dāng)C=0，C=1時(shí)，TG門截止； 當(dāng)C=1，C=0時(shí)，TG門導(dǎo)通；,（1）構(gòu)成組合邏

12、輯電路,當(dāng)S=0時(shí)，Z=X；當(dāng)S=1時(shí)，Z=Y。為2選1數(shù)據(jù)選擇器。,傳輸門的應(yīng)用：,（1）構(gòu)成組合邏輯電路,（2）構(gòu)成模擬開關(guān),控制模擬信號(hào)傳輸?shù)囊环N電子開關(guān)，通與斷是由數(shù)字信號(hào)控制的。,當(dāng)C=0時(shí)，開關(guān)截止 當(dāng)C=1時(shí)，開關(guān)接通,3.三態(tài)輸出門,三態(tài)門的應(yīng)用,單向總線,雙向總線,CMOS電路的特點(diǎn),1. 功耗?。篊MOS門工作時(shí)，總是一管導(dǎo)通另一管截止，因而幾乎不由電源吸取電流其功耗極??；,2. CMOS集成電路功耗低內(nèi)部發(fā)熱量小，集成度可大大提高；,3. 抗幅射能力強(qiáng)，MOS管是多數(shù)載流子工作，射線輻 射對(duì)多數(shù)載流子濃度影響不大；,4. 電壓范圍寬：CMOS門電路輸出高電平VOH VDD

13、，低電平VOL 0V；,5. 輸出驅(qū)動(dòng)電流比較大：扇出能力較大，一般可以大于50；,6. 在使用和存放時(shí)應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時(shí)電烙鐵應(yīng)接地良好。,一、 TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理,設(shè),0.9V,不足以讓 T2、T5導(dǎo)通,（1）當(dāng)VI=VIL,3.5 TTL門電路,T2 、T5 ： 截止,0.9V,VO=5 UD2-UBE4 -UR2 3.4V 高電平！,A=0 Y=1,當(dāng)VI=VIL時(shí)，,3.4V,反偏,電位被嵌 在2.1V,0.9V,（2）當(dāng)VI=VIH時(shí),3.4V,反偏,VO 0.2V 低電平！,A=0 Y=1,電壓傳輸特性：輸出電壓uO與輸入電壓uI的關(guān)系曲線。,TTL反相器電路的

14、電壓傳輸特性,1.電壓傳輸特性,T5飽和，稱開門,T5截止，稱關(guān)門,二、TTL反相器電氣特性,Ui和Uo之間傳輸特性曲線可以通過實(shí)際測(cè)量得到。,輸出高電平VOH、輸出低電平VOL,VOH2.4V VOL 0.4V 便認(rèn)為合格。,典型值VOH=3.4V VOL =0.3V 。,閾值電壓VTH(門檻電壓),vIVTH時(shí)，認(rèn)為vI是低電平。,vIVTH時(shí)，認(rèn)為vI是高電平。,VTH=1.4V,2、輸入特性,輸入電壓和輸入電流之間的關(guān)系曲線。,輸入短路電流IIS(IIL),高電平輸入電流IIH,負(fù)載電流不可過大，否則輸出高電平會(huì)降低。,拉電流負(fù)載，一般負(fù)載電流較小,3. 輸出特性,指輸出電壓與輸出電流

15、之間的關(guān)系曲線。,(1) 輸出高電平時(shí)的輸出特性,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5mA小得多。,74系列IOH(max)=0.4mA,負(fù)載電流不可過大，否則輸出低電平會(huì)升高。,一般灌電流在20 mA以下時(shí)，電路可以正常工作。典型TTL門電路的灌電流負(fù)載為12.8 mA。,灌電流負(fù)載,(2) 輸出低電平時(shí)的輸出特性,IOL(max),思考：以下是用門電路來驅(qū)動(dòng)LED的兩種接法，哪一種較為合理？,+5V,LED,R,LED,R,輸出高有效,限流電阻R的選擇如下：,輸出低有效,限流電阻R的選擇如下：,灌電流負(fù)載,拉電流負(fù)載,4、輸入端負(fù)載特性,TTL反相器的輸入端對(duì)地接上電

16、阻RI 時(shí)，uI隨RI 的變化而變化的關(guān)系曲線。,RI 不大不小時(shí)，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。,RI 較小時(shí)，關(guān)門，輸出高電平；關(guān)門電阻ROFF ： ROFF 0.7k,RI 較大時(shí)，開門，輸出低電平；開門電阻RON： RON 2k,ROFF,RON,RI 懸空時(shí)？,(1) 關(guān)門電阻ROFF 在保證門電路輸出為額定高電平的條件下，所允許RI 的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的TTL門電路ROFF 0.7k。,(2) 開門電阻RON 在保證門電路輸出為額定低電平的條件下，所允許RI 的最小值稱為開門電阻。典型的TTL門電路RON 2k。,數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RIRON或RIROFF ， 否則輸入信號(hào)

17、將不在高低電平范圍內(nèi)。 振蕩電路則令 ROFF RI RON使電路處于轉(zhuǎn)折區(qū)。,1、以下電路均為TTL電路，試寫出各電路的輸出表達(dá)式；,51,UIH,F1,30k,UIL,F2,1M,F3,510,A,F4,2、若以下電路均為CMOS電路,寫出各電路的輸出表達(dá)式。,X,懸空,F6,A,10K,F5,（1）TTL電路懸空相當(dāng)于接高電平；,（2）當(dāng)輸出端通過一個(gè)電阻接到下級(jí)輸入時(shí)，當(dāng)這個(gè)電阻R1k時(shí)，低電平可能無法傳送到下級(jí)電路。,0.8V,0.2V,輸入端負(fù)載特性小結(jié),TTL與非門主要參數(shù),（1）輸出高電平UOH：TTL與非門的一個(gè)或幾個(gè)輸入為低電平時(shí)的輸出電平。產(chǎn)品規(guī)范值UOH2.4V，標(biāo)準(zhǔn)高

18、電平USH2.4V。 （2）高電平輸出電流IOH：輸出為高電平時(shí)，提供給外接負(fù)載的最大輸出電流，超過此值會(huì)使輸出高電平下降。IOH表示電路的拉電流負(fù)載能力。 （3）輸出低電平UOL：TTL與非門的輸入全為高電平時(shí)的輸出電平。產(chǎn)品規(guī)范值UOL0.4V，標(biāo)準(zhǔn)低電平USL0.4V。 （4）低電平輸出電流IOL：輸出為低電平時(shí)，外接負(fù)載的最大輸出電流，超過此值會(huì)使輸出低電平上升。IOL表示電路的灌電流負(fù)載能力。,TTL與非門主要參數(shù),（5）扇出系數(shù)NO：指一個(gè)門電路能帶同類門的最大數(shù)目，它表示門電路的帶負(fù)載能力。一般TTL門電路NO8，功率驅(qū)動(dòng)門的NO可達(dá)25。 （6）最大工作頻率fmax：超過此頻率

19、電路就不能正常工作。 （7）輸入開門電平UON：是在額定負(fù)載下使與非門的輸出電平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)低電平USL的輸入電平。它表示使與非門開通的最小輸入電平。一般TTL門電路的UON1.8V。 （8）輸入關(guān)門電平UOFF：使與非門的輸出電平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)高電平USH的輸入電平。它表示使與非門關(guān)斷所需的最大輸入電平。一般TTL門電路的UOFF0.8V。,（9）高電平輸入電流IIH：輸入為高電平時(shí)的輸入電流，也即當(dāng)前級(jí)輸出為高電平時(shí)，本級(jí)輸入電路造成的前級(jí)拉電流。 （10）低電平輸入電流IIL：輸入為低電平時(shí)的輸出電流，也即當(dāng)前級(jí)輸出為低電平時(shí)，本級(jí)輸入電路造成的前級(jí)灌電流。 （11）平均傳輸時(shí)間tpd：信號(hào)通過與

20、非門時(shí)所需的平均延遲時(shí)間。在工作頻率較高的數(shù)字電路中，信號(hào)經(jīng)過多級(jí)傳輸后造成的時(shí)間延遲，會(huì)影響電路的邏輯功能。 （12）空載功耗：與非門空載時(shí)電源總電流ICC與電源電壓VCC的乘積。,TTL與非門主要參數(shù),集電極開路的門電路,（1）推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的局限性 輸出電平不可調(diào) 負(fù)載能力不強(qiáng)，尤其是高電平輸出 輸出端不能并聯(lián)使用,三、 特殊功能的TTL門電路1,OC門,（3） OC門實(shí)現(xiàn)的線與,等效邏輯符號(hào),相當(dāng)于與邏輯,（4）OC門應(yīng)用-電平轉(zhuǎn)換器,OC 門需外接電阻，所以電源UCC可以選5V30V。OC 門作為TTL電路可以和其它不同類型、不同電平的邏輯電路進(jìn)行連接。,當(dāng)UDD=UCC時(shí) ，如

21、CMOS電源電壓UDD = 5V，一般TTL門可以直接驅(qū)動(dòng)CMOS門。,TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路圖,當(dāng)UDDUCC時(shí) ，如CMOS的UDD = 5V18V，特別是UDDUCC時(shí)，可以選用TTL的OC門電路實(shí)現(xiàn)電平變換。,（三）OC門應(yīng)用-驅(qū)動(dòng)感性器件,在數(shù)字設(shè)備中，常會(huì)碰到用門電路驅(qū)動(dòng)大電流的情況，例如驅(qū)動(dòng)感性器件，利用OC門可以實(shí)現(xiàn)大電流的驅(qū)動(dòng)。合理選擇UC，使驅(qū)動(dòng)電流小于OC門中T5所能承受的最大值。,驅(qū)動(dòng)干簧繼電器的電路連接,驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的電路連接,三態(tài)輸出門（Three state Output Gate ,TS）,三、 特殊功能的TTL門電路2,低電平使能,高電平使能,CMOS電

22、路與TTL電路比較：,（1）CMOS電路的工作速度比TTL電路的低。 （2）CMOS帶負(fù)載的能力比TTL電路強(qiáng)。 （3）CMOS電路的電源電壓允許范圍較大，約在 318V，抗干擾能力比TTL電路強(qiáng)。 （4）CMOS電路的功耗比TTL電路小得多。門電路的功耗只有幾個(gè)W，中規(guī)模集成電路的功耗也不會(huì)超過100W。,（5）CMOS集成電路的集成度比TTL電路高。 （6）CMOS電路容易受靜電感應(yīng)而擊穿，在使用和 存放時(shí)應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時(shí)電烙鐵應(yīng)接地 良好，尤其是CMOS電路多余不用的輸入端不 能懸空，應(yīng)根據(jù)需要接地或接高電平。,CMOS電路與TTL電路比較：,使用TTL和CMOS門電路應(yīng)注意的問題

23、,一 使用TTL應(yīng)注意,1、 多余函數(shù)或不用輸入端的處理方法（與門）, 懸空 適合干擾小的場(chǎng)合, 并聯(lián) 加重前級(jí)門的負(fù)載, 接電源 電氣性能比較好,？,或門、與非門等的不用輸入端？,處理原則： 不能影響輸入與輸出之間的邏輯關(guān)系 。,二 使用CMOS應(yīng)注意,2、TTL的不同系列,74系列（民用）：74、74LS、74AS、74ALS等,54系列（軍用）：54、54LS、54AS、54ALS等,1 、多余端的處理：不允許懸空，按功能 接“1”或“0”,2 、防靜電,3、CMOS的不同系列： CMOS4000 、CMOS74HC、CMOS74HCT,TTL門驅(qū)動(dòng)CMOS門,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，將從速度、復(fù)雜性和功能等方面選擇合適的系列芯片，或者從幾種系列中選擇性能最佳的芯片，組裝起來。在不同邏輯器件混合使用的系統(tǒng)中，常常碰到不同系列邏輯芯片的接口問題。,CMOS門驅(qū)動(dòng)TTL門,門電路帶負(fù)載的接口電路,三、TTL電路與CMOS電路的接口,（1）驅(qū)動(dòng)能力： 驅(qū)動(dòng)門為負(fù)載門提供足夠大的灌電流和拉電流 驅(qū)動(dòng)門與負(fù)載門電流之間的驅(qū)動(dòng)應(yīng)滿足： IOH(max)nIIH(max) ，IOL(max)mIIL(max) （n和m是負(fù)載電流的個(gè)數(shù)）,1、接口電路應(yīng)考慮的問題,（2）電平匹配： 驅(qū)動(dòng)門的輸出電壓應(yīng)在負(fù)載門所要