2第二章 门电路

第三章 门电路

§3—1. 概 述

一、门电路 用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为门电路

二、正、负逻辑

在逻辑电路中，常把电平的高、低和逻辑0、1联系起来，若H=1,L=0, 称正逻辑；若H=0,L=1,

称负逻辑。本课件中，全部采用正逻辑。

§3—2. 二极管三极管和MOS管 开关等效电路

一、二极管开关等效电路（理想情况下）

三. M OS管开关等效电路（理想情况下）

3-2-2 二极管与门

1. 电路组成（以二输入为例）

§3-3 CMOS门电路

3-3-3 CMOS反向器的静态输入特性和输出特性

一、 输入特性

由于CMOS反向器的栅极和衬底之间有SiO2绝缘层，所以CMOS反向器正常工作时，有II=IG=0成立。

但绝缘层非常薄，极易击穿 ,所以，制作CMOS器件时，

集成了“输入保护电路”, 以保护绝缘层不被击穿。课本P84页

输入保护措施是有限度的，使用时还必须注意器件的 正确使用方法。

二、 输出特性

2.高电平输出特性 由于UGS越大，

TN管的导通电阻RON就越小， 1.低电平输出特性

U0=U0L时:

所以：

在同样的IOL值下，

VDD越高，

使TN管导通时的UGS就越大，其RON就越小，UOL也就越低。 +VDD

TN TP

UIH UOL IOL RL

IOL从负载电路注入TN管。 TN管导通， TP管截止，

VDD=5V 10V 15V UOL

O IO二、 输出特性

一、CMOS与非门（以二输入为例）

2.高电平输出特性

由于UGS越负，

TP管的导通电阻RON就越小， U0=U0H时：

所以：

在同样的IOH值下，

VDD越高，

使TP管导通时的UGS就越负，其RON就越小，VOH也就越高。 TT+VDUIL UOH

31 第2章 门电路

2．1 门电路的理论提要

组成数字电路的基本逻辑单元是各种各样的门电路，使用较多的门电路有TTL门电路和CMOS门电路。TTL门电路由三极管组成，CMOS门电路由场效应管组成，这两种类型门电路的组成虽然不相同，但在数字电路中的符号却是相同的。

正确使用各种类型门电路的关键是了解门电路各项参数的物理意义，描述门电路主要技术指标的参数有输出高电平VOH，输出低电平VOL，输入短路电流IIS，输入漏电流IIH，开门电平Von，关门电平Voff，扇出系数N，平均传输时间tpd，导通电源电流IE1，截止电源电流IE2等，这些参数可从集成电路的手册上查到。

门电路除了有常用的与非门和或非门外，还有集电极开路门，漏极开路门，三态门，传输门等，普通的门电路输出端不能并联使用，而集电极开路门，漏极开路门，三态门器件输出端可并联使用，输出端并联使用的门电路可组成线与电路，计算线与电路上拉电阻的公式为

IHOHOHCCmInIVVR1

ISLMOLCCImIVVR'2

使用这些公式时，应注意n， m和m，各量的含义。上面的两个公式也适合于计算TTL驱动CMOS电路的上拉电阻。

由三态门和传输门可组成用于传输数据的数据总线，为了保证数据总线能够稳定可靠地工作，数据总线的输出电流要大于输入电流的总和。

2．2 典型习题的解析

2.1在搭建数字电路时，是否可以将与非门，或非门，异或门当作反相器使用？若可以电路将如何连接。

【解】在搭建数字电路时，可以将与非门，或非门，异或门当作反相器使用。

用与非门当反相器使用时，因为与非门输入和输出的关系是ABY，由该表达式可见，只要将与非门多余的输入端B接高电平“1”，即可得AY的逻辑关系。

用或非门当反相器使用时，因为或非门输入和输出的关系是BAY，由该表达式可见，只要将或非门多余的输入端B接低电平“0”，即可得AAY0的逻辑关系。

第二章 门电路

第二章 门电路(Logic circuit)

2.2 半导体器件的开关特性

2.4 TTL逻辑门电路

2.5 MOS逻辑门电路

2.6* 集成逻辑门电路的应用 2.1 概述

2.3 分立元件门电路第二章 门电路 基本要求

1、了解分立元件与、或、非、或非、与非门的电路组成、 工作原理、逻辑功能及其描述方法；

2、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；

3、了解TTL与非门典型电路的分析方法、电压传输特性、输入特性、输入负载特性、输出特性；了解噪声容限、TTL与非门性能的改进方法；

4、掌握OC门、三态门的工作原理和使用方法，正确理解OC门负载电阻的计算及线与、线或的概念；

5、掌握CMOS反相器、与非门、或非门、三态门的逻辑功能分析，CMOS反相器的电压及电流传输特性；

6、熟练掌握CMOS传输门及双向模拟开关。第二章 门电路

5V

2V

0V0.8VVH

VL2.1 概述

一、高电平、低电平

低电平

高电平

3.4V

0.2V2.1 概述第二章 门电路

二、逻辑赋值

VH-------1

VL-------0正逻辑体系

VH-------0

VL-------1负逻辑体系2.1 概述第二章 门电路

三、高低电平获取方法开 关

5V

VH

1+5V

0V

VL02.1 概述第二章 门电路

2.2半导体器件的开关特性

•理想开关•开关打开时：漏电流为零

•开关闭合时：导通电压为零，导通电阻为零I=0

U=0，R=0

•开关动作在瞬时完成机械开关

电子开关2.2半导体器件的开关特性第二章 门电路

一、二极管的开关特性

+5V

+

Vi

-D

+

Vo

-R1、二极管导通：

Vi=0V时，D正向导通，Vo=0.7V，相当于开关闭合。

2、二极管截止：

Vi=5V时，D反向截止，Vo=5V，相当于开关打开。2.2半导体器件的开关特性第二章 门电路

3、动态开关特性

反向恢复时间tre是影响开关速度的主要因素，其原因在于PN结的电容效应。i+Vi-RLtVi

titretre 〈10nS2.2半导体器件的开关特性第二章 门电路二、三极管的开关特性

第二章 门电路

一、内容提要

本章系统地讲述了数字电路的基本逻辑单元——门电路。

由于门电路中的二极管和三极管经常工作在开关状态，所以首先介绍了它们在开关状态下的工作特性。然后，重点讨论了目前广泛使用的TTL门电路和CMOS门电路。对于每一种门电路，除了讲解它们的工作原理和逻辑功能以外，还着重介绍了它们作为电子器件的电气特性，特别是输入特性和输出特性，以便为实际使用这些器件打下必要的基础。

二、重点难点

虽然这一章讨论的只是门电路的外特性，但无论集成电路内部电路多么复杂，只要它们和这一章所讲的门电路具有相同的输入、输出电路结构，则这里对输入、输出特性的分析对它们也同样适用。因此，这一章是全书对电路进行分析的基础。

本章的重点内容包括以下三个方面:

1、半导体二极管和三极管(包括双极型和MOS型)开关状态下的等效电路和外特性;

2、TTL电路的外特性及其应用;

3、CMOS电路的外特性及应用。

为了正确理解和运用这些外特性，需要了解TTL电路和CMOS电路的输入电路和输出电路结构及它们的工作原理。内部的电路结构不是重点内容。鉴于CMOS电路在数字集成电路中所占的比重已远远超过了TTL电路，建议在讲授时适当加大CMOS电路的比重，并相应压缩TTL电路的内容。

TTL电路的外特性是本章的一个难点，同时也是一个重点。尤其是输入端采用多发射极三极管结构时，对输入特性的全面分析比较复杂。从实用的角度出发，只要弄清输入为高/低电平时输入电流的实际方向和数值的近似计算就可以了。

三、习题精解

知识点:三极管饱和、截止的分析判断。

例2．1 电路如图2.1所示。求使三极管截止的vimax；保证三极管饱和的vimin，已知三极管β＝30，VBE＝0．7V，VCES＝0．3V。

解 三极管的开关条件分别为：VBE≤0，三极管截止，IB≥IBS三极管饱和导通。

当三极管截止时，其等效电路如图2.2（a）所示。IB＝0，则