第三章门电路教学目的理解：CMOS门电路和TTL门电路结构与工作原理。掌握：CMOS门电路和TTL门电路外特性，正确使用CMOS门电路和TTL门电路。重点与难点重点：晶体管的开关特性；基本逻辑门电路；TTL门电路和MOS门电路。难点:TTL门电路和CMOS门电路。教学内容1.半导体二极管门电路2.CMOS门电路3.TTL门电路复习：半导体基础知识本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。本征激发(热激发）：在受温度、光照等环境因素的影响，半导体共价键中的价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子的现象。两种载流子多子：空穴少子：自由电子P型半导体：在纯净半导体硅或锗中掺入硼等3价元素。受主杂质：因为三价元素的杂质在半导体中能够接受电子，故称之为受主杂质或P型杂质。⑴载流子的两种运动方式：扩散运动：由于存在浓度差，载流子从浓度高的区域向浓度低的区域运动。漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动。⑵PN结的形成：将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→PN结。PN结的形成PN结形成示意图多子扩散形成空间电荷区产生内电场少子漂移促使阻止扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结①外加正向电压（也叫正向偏置）外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。PN结的单向导电性②外加反向电压（也叫反向偏置）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。PN结的伏安特性正向导通区反向截止区反向击穿区K:波耳兹曼常数T:热力学温度q:电子电荷逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来
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示。获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。正逻辑与负逻辑的表示方法：正逻辑：高电平用1表示，低电平用0表示。负逻辑：高电平用0表示，低电平用1表示。门电路的分类。门电路的分类双极型集成电路（采用双极型半导体元件）晶体管–晶体管逻辑TTL射极偶合逻辑ECL集成注入逻辑I2LMOS集成电路（采用金属氧化物元件）P沟道金属氧化物PMOSN沟道金属氧化物NMOS互补金属氧化物CMOS第一节半导体二极管门电路二极管的开关特性二极管与门和或门电路硅：0.5V锗：0.1V导通压降反向饱和电流死区电压击穿电压UBR锗硅：0.7V锗：0.3VuEiVmA+-R一、半导体二极管的静态特性3.1.1二极管的开关特性二极管的开关特性：高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0VI=VIH,D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL,D导通，VO=VOL=0.7V产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。二、二极管开关的动态特性给二极管电路加入一个方波信号，研究电流的波形。tre称为反向恢复时间+-DLRvIi导通和截止状态间转换需要一定时间，转换的特性即为动态特性。vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存储时间渡越时间0V3V3V0V3.1.2二极管与门和或门电路0.7V0.7V0.7V3.7V0V3V0V3V0V0V3V3VVB（V）VY（V）VA（V）输入输出0101BYA0011输入0001输出与逻辑真值表B+VAYDD3kΩR(+5V)CC12一、与门电路0V3V3V0V0V2.3V2.3V2.3V0V3V0V3V0V0V3V3VVB（V）VY（V）VA（V）输入输出二、或门电路YABDD21R0101BYA0011输入0111输出或逻辑真值表第二节CMOS门电路MOS管的开关特性CMOS反相器其他类型的CMOS门电路一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结3.2.1MOS管的开关特性二、MOS管的工作原理以N沟道增强型为例：当加+VDS时，VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0加上+VGS，且足够大至VGS>VGS(th),D-S间形成导电沟道（N型层）开启电压iD(mA)0uDS(V)uGS=10V8V6V4V2V转移特性曲线输出特性曲线夹断区恒流区0UGS(th)uGS(V)iD(mA)可变电阻区截止区：VGS
109Ω恒流区：iD基本上由VGS决定，与VDS关系不大可变电阻区：当VDS较低（近似为0），VGS一定时，这个电阻受VGS控制、可变。三、MOS管的开关特性vIvOGDSRD+VDDvI109Ω，iD≈0，vO≈VDD，MOS管处于断开状态。vI>VGS(th)时，MOS管导通，iD=VDD/（RD+RON）vO≈VDD×RON/（RD+RON）vO≈0，MOS管处于接通状态。截止状态导通状态NMOS管和PMOS管的通断条件GDSvGS＋－NMOS当vGS＞VGS(th)时导通当vGS＜VGS(th)时截止GDSvGS－＋PMOS当∣vGS∣＞VGS(th)时导通当∣vGS∣＜VGS(th)时截止vIT1VDDvOT2一、CMOS非门的电路结构漏极相连做输出端PMOSNMOS柵极相连做输入端3.2.2CMOS反相器二、CMOS非门的工作原理vOVDDT1T2vIVIL=0V截止导通vO≈VDDvOVDDT1T2vI导通截止vO≈0VIH=VDD实现非的逻辑关系低高低高电压、电流传输特性：AB：T2截止，iD为0CD：T1截止，iD为0BC：T1、T2同时导通，iD≠0在转折区中点，电流最大。噪声容限低电平噪声容限高电平噪声容限VNL=VILmax－VOLmaxVNH=VIHmin－VOHminG111G2VOLmaxVIHminVOHminVILmax例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOLmax=0.1V，最大输入低电平VILmax=1.5V，最小输出高电平VOHmax=4.9V，最小输入高电平VIHmax=3.5V，则其低电平噪声容限VNL=。（1）2.0V（2）1.4V（3）1.6V（4）1.2VVNL=VILmax－VOLmax=1.5V－0.1V=1.4VBY+VDDAT1T2T4T33.2.3其他类型的CMOS门电路1.CMOS与非门①A、B当中有一个或全为低电平时，T2、T4中有一个或全部截止，T1、T3中有一个或全部导通，输出Y为高电平。②只有当输入A、B全为高电平时，T2和T4导通，T1和T3截止，输出Y才会为低电平。BY+VDDAT2T1T4T32.CMOS或非门①只要输入A、B当中有一个或全为高电平，T1、T3中有一个或全部截止，T2、T4中有一个或全部导通，输出Y为低电平。②只有当A、B全为低电平时，T1和T3导通，T2和T4截止，输出Y为高电平。在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器，称之为带缓冲器的CMOS门电路。CMOS反相器输出高低电平，输出电阻是一样的。3、漏级开路门电路（OD门）漏级开路门使用时，必须外接上拉电阻。&ABFRL的计算方法OD门输出全为“1”时：IOH—T5集电极漏电流VOH=VDD–IRLRL=VDD–(nIOH+mIIH)RLnIOH+mIIHRLmax=VDD–VOHmin并联OD门个数VOH“1”“1”“1”IOHIRLn个VDDRL&&&&&&IIHm个IIHOD门输出中有一个为“0”时：VOL=VDD-(IOL-m’IIL)RL当VOL=VOLmax时：RLmin=IOLmax-m’IILVDD–VOLmaxVOL“0”“1”“1”IOLIRLn个VDDRL&&&&&&IILm’个IIL3.CMOS传输门CVDDvIvOTPTNCsdTGvIvOCC符号①C＝0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（＋VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。②C＝1、，即C端为高电平（＋VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，vo＝vI。CMOS模拟开关 CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。 C=0时，TG1导通、TG2截止，uO=uI1；C=1时，TG1截止、TG2导通，uO=uI2。4.CMOS三态门11AENTP2TP1TN1TN2AENY+VDD(a)电路(b)符号①EN=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。②EN=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。讨论
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：CMOS门电路多余引脚的处理。将2输入的CMOS逻辑门转换成CMOS反相器，其中的一个引脚多余，请
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以下4种处理方法的合理性。Z＆XZ1KΩVDD＆X1KΩZX≥1悬空ZX≥1(a)(b)(c)(d)结论：CMOS门电路多余引脚不能悬空；输入引脚接一电阻到地相当于输入低电平。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。三极管的开关特性＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态饱和状态iB≥IBSui=UIL<0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3VQ2uiiBeRbbiC(mA)直流负载线VCCRc0+VCCiCuo工作原理电路输出特性曲线80μA60μA40μA20μAiB=00UCESVCCuCE(V)00.5uBE(V)输入特性曲线iB(μA)Q1QRcc饱和区截止区放大区②ui=0.3V时，因为uBE<0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：①ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uo＝UCES＝0.3VTTL反相器 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。 TTL电路的基本环节是反相器。 简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。一、TTL反相器的工作原理1.电路组成输出级输入级中间级L+VCCD2AT1T5T2R1R4R2T4R3D1（1）当输入低电平时，vA=0.3V，T1发射结导通，vB1=0.3V+0.7V=1V，T2和T5均截止，T4和D2导通vO＝VCC–VBE4-VD≈5V-0.7V-0.7V=3.6VL+VCCD2AT1T5R1R4T4T2R2R3D11V3.6V0.3V2.工作原理（2）当输入高电平时，vA=3.6V，T1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，vB1=0.7V×3=2.1V，T2和T5饱和，输出为低电平vO=0.3V。L+VCCD2T1T5R1R4T4T2R2R3D12.1V0.3V3.6VA门电路级联：前一个器件的输出就是后一个器件的输入，后一个是前一个的负载，两者要相互影响。“0”“1”“0”IILIOLT1+5VRb1T4T5+5VIILIOLT4T5+5V“1”T1+5VRb1IOHIIH11“1”“0”IOHIIH11灌电流负载——当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。拉电流负载——当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。ABY+5VT1T2D4T3T4R1R2R3R44k1.6k130W1k0.3V1.0V＝5-0.7-0.7=3.6VT2，T4截止1.有一个输入端输入低电平T3，D4导通其他类型的TTL门电路一、TTL与非门工作原理2.两个输入端都输入高电平2.1V3.6V3.6VT2、T4饱和导通0.7V1.0VT3导通，D4截止＝UCES=0.3VABY+5VT1T2D4T3T4R1R2R3R44k1.6k130W1k功能表真值表逻辑表达式输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。①A、B中只要有一个为1，即高电平，如A＝1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y＝0。②A＝B＝0时，iB1、i'B1均分别流入T1、T'1发射极，使T2、T'2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y＝1。TTL或非门为了使TTL与非门能够实现线与，把输出级改为集电极开路的结构。①A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：②A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。OC门外接负载电阻RL的计算RL的计算方法OC门输出全为“1”时：OC门输出有一个为“0”时：注意m’：负载门的个数（如果负载为或非门，m’为输入端的个数）。三态门①E＝0时，二极管D导通，T1基极和T2基极均被钳制在低电平，因而T2～T5均截止，输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。②E＝1时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号A的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般反相器相同，即：Y=A，A＝0时Y＝1，为高电平；A＝1时Y＝0，为低电平。国标符号AE&Y(+5V)T4AR13kΩT3T2T1YR4100Ω+VCCT5R2750ΩR3360ΩR53kΩED电路结构国标符号A&Y输入端悬空、通过电阻接地或接电源电压时、输入端逻辑状态的确定。CMOS门电路输入端不允许悬空通过电阻接地等效于接低电平；通过电阻接电源等效于接高电平。TTL门电路输入端悬空相当于接高电平通过电阻接地或接电压时，输入端的逻辑状态与电阻的大小有关。R≥1kΩ，输入端相当于接高电平R＜1kΩ，电阻相当于导线小结OD、OC门上拉电阻RL的计算OD（或OC）门输出全为“1”时：OD（或OC）门输出有一个为“0”时：注意：OD门中m’＝m，均为输入端的个数OC门中m’：负载门的个数（负载为与非门或非门）输入端的个数（负载为其余逻辑门）小结一、选择题1.CMOS三态门输出高阻状态时，是正确的说法。ABDA.用电压表测量指针不动B.相当于悬空C.电压不高不低D.测量电阻指针不动2.以下电路中可以实现“线与”功能的有。CDA.与非门B.三态输出门C.集电极开路门D.漏极开路门3．以下电路中常用于总线应用的有。AA.TSL门B.OC门C.漏极开路门D.CMOS与非门4．逻辑表达式Y=AB可以用实现。CDA.正或门B.正非门C.正与门D.负或门5．TTL电路在正逻辑系统中，以下各种输入中相当于输入逻辑“1”。ABCA.悬空B.通过电阻2.7kΩ接电源C.通过电阻2.7kΩ接地D.通过电阻510Ω接地第三章
练习题
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6．对于TTL与非门闲置输入端的处理，可以。ABDA.接电源B.通过电阻3kΩ接电源C.接地D.与有用输入端并联7．CMOS数字集成电路与TTL数字集成电路相比突出的优点是。ACDA.微功耗B.高速度C.高抗干扰能力D.电源范围宽二、判断题（正确打√，错误的打×）1．TTL与非门的多余输入端可以接固定高电平。（√）2．当TTL与非门的输入端悬空时相当于输入为逻辑1。（√）3．普通的逻辑门电路的输出端不可以并联在一起，否则可能会损坏器件。（√）4．两输入端四与非门器件74LS00与7400的逻辑功能完全相同。（√）5．CMOS或非门与TTL或非门的逻辑功能完全相同。（√）6．三态门的三种状态分别为：高电平、低电平、不高不低的电压。（×）第三章练习题7．TTL集电极开路门输出为１时由外接电源和电阻提供输出电流。（√）8．一般TTL门电路的输出端可以直接相连，实现线与。（×）9．CMOSOD门（漏极开路门）的输出端可以直接相连，实现线与。（√）三、填空题1.集电极开路门的英文缩写为OC门，工作时必须外加电源和负载。2．TTL或非门多余输入端应接地（或接0），三态门的三种输出状态分别为高电平、低电平、高阻态。第三章练习题
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