第三章门电路
第三章门电路
3.1 概述
TTL电路问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成电路领域的半壁江山。
把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。
若它完成的功能是逻辑功能或数字功能，则称为逻辑集成电路或数字集成电路。
最简单的数字集成电路是集成逻辑门。
集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类：一类是双极性晶体管逻辑门；另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称MOS门。
双极性晶体管逻辑门主要有TTL门(晶体管-晶体管逻辑门)、ECL门(射极耦合逻辑门)和I2L门(集成注入逻辑门)等。
单极性MOS门主要有PMOS门(P沟道增强型MOS 管构成的逻辑门)、NMOS门(N沟道增强型MOS管构成的逻辑门)和CMOS门(利用PMOS管和NMOS管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补MOS门
门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门……
门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0
获得高、低电平的基本原理如图1所示。
图1
高/低电平都允许有一定的变化范围如图2所示。
正逻辑：高电平表示1，低电平表示0
负逻辑：高电平表示0，低电平表示1
图 2 3.2 半导体二极管门电路
二极管的结构如图3所示：
PN结+ 引线+ 封装构成
图3
3.2.1二极管的开关特性
如图4，高电平：V IH=V CC，低电平：V IL=0
图4
3.2.2二极管与门
最简单的与门可以用二极管和电阻组成,图5是有两个输入端的与门电路。
图中A，B为两个输入变量，Y为输出变量。
图5 二极管与门电路及图形符号
设VCC=5V，A，B输入端的高、低电平分别为VIH=3V，VIL=0V，二极管D1，D2的正向导通压降VDF=0.7V。
由图可见，A，B当中只要有一个是低电平0V，则必有一个二极管导通，使Y=0.7V。
只有A，B同时为高电平3V时，Y才为3.7V。
将输出与输入逻辑电平的关系列表，即得如表1
电路的逻辑电平表电路的真值表
如果规定3V以上为高电平,用逻辑1表示,0.7V
以下为低电平,用逻辑0表示,则可将电平表改成电路真值表。
显然，Y和A，B是与逻辑关系。
这种与门电路虽然简单，但是存在着严重的问题。
首先，输出的高，低电平的数值和输入的高，低电平数值不相等，相差一个二极管的导通压降。
如果把这个门的输出作为下一级门的输入信号，将发生信号高，低电平的偏移。
其次，当输出端对地接上负载电阻时，负载电阻的改变有时会影响输出的高电平。
因此，这种二极管与门电路仅用作集成电路内部的逻辑单元，而不用它直接去驱动负载电路。
3.2.3 二极管或门
最简单的或门电路如图6所示，它也是由二极管和电阻组成的。
A，B是两个输入变量，Y是输出变量。
若A，B输入端的高、低电平分别为VIH=3V，VIL=0V，二极管D1，D2的正向导通压降VDF=0.7V。
则只要A，B当中有一个是高电平输出就是2.3V。
只有当A，B同时为低电平时，输出才是0V。
因此，可以列出电平关系表如表1：
图6 二极管或门电路及图形符号
表 1 电路的逻辑电平表
表2 电路的真值表
如果规定2.3V为高电平,用逻辑1表示,而低于0V为低电平,用逻辑0表示,则可将电平表改写成真值表如表2. 显然Y和A,B之间是或逻辑关系。
二极管或门同样存在着输出电平偏移的问题，所以这种电路结构也只用于集成电路内部的逻辑单元。
小结：
1、半导体二极管的开关特性。
2、二极管与门。
3、二极管或门。
作业：3.1 3.2
3.3 CMOS门电路
3.3.1 CMOS反相器电路结构和工作原理
一、电路结构
电路结构如图1所示。
图1 电路结构
二、电压、电流传输特性
CMOS反相器电压、电流传输特性如图2所示
图2 电压、电流传输特性
3.3.2 CMOS 反相器的静态输入/出特性
一、输入特性
输入特性如图3所示。
图3
二、输出特性
低电平输出特性如图4所示。
图4 低电平输出特性
高电平输出特性如图5所示。
图 5 高电平输出特性
3.3.3 其他类型的CMOS门电路
一、其他逻辑功能的门电路
1. 与非门
2.或非门
图 6 与非门图7或非门
二、带缓冲极的CMOS门
电路如图8所示。
图8 带缓冲极的CMOS门
三、漏极开路的门电路（OD门）
漏极开路的门电路（OD门）电路结构如图9所示。
图9
四、CMOS传输门及双向模拟开关
1. 传输门
图10
2. 双向模拟开关
图11
五、三态输出门
图
12
3.3.4 CMOS电路的正确使用
1. 输入电路的静电保护
CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。
但是，这种保护还是有限的。
由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。
为避免静电损坏，应注意以下几点：（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。
（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。
2. 多余的输入端不能悬空。
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。
对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。
3. 输入电路需过流保护
小结：
1、MOS管的开关特性
2、CMOS门电路
3、CMOS 反相器的静态输入/出特性
4、CMOS反相器的动态特性
5、其他逻辑功能的CMOS门电路
6、其他类型的MOS集成电路
作业：3.5 3.7 3.9
3.5 TTL 门电路
3.5.1双极型三极管的结构
双极型三极管的结构如图1所示，管芯+ 三个引出电极+ 外壳
图1
发射区高参杂,基区薄低参杂,集电区低参杂
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
一．TTL与非门的基本结构
TTL与非门的基本结构如图2所示。
图 2 TTL与非门的基本结构
当输入高电平时，U I=3.6V，VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，U B1=0.7V×3=2.1V，I B2=(5-2.1)/4=0.725mA；假定 2>10，若T2工作于放大状态，则I C2>7.25mA,所以V C2<V CC-I C2R2=-6.6V,故
T2不可能工作于放大状态和截止状态，只可能是饱和状态。
因V B4=V CES2+V BE5=1V,V T4截止。
V T5状态取决于外电路，在输出电流小于I OLmax时，输出为低电平U O=0～0.3V。
二、TTL反相器的电压传输特性
图3 TTL反相器的电压传输特性
3.5.3 TTL反相器的输入特性和输出特性
图 4 输入特性图5 输出特性
3.5.4 其他类型的TTL门电路
一. 其他逻辑功能的门电路
1.与非门
图6 与非门
2.或非门
图7 或非门
3.与或非门
图8 与
或非门
4.异或门
()Y A B '
=+()Y A B '
=()Y A B C D '
=⋅+⋅
图9 异或门
二.集电极开路输出门电路（OC门）
图10 集电极开路输出门电路结构
三. 三态输出门电路（TS门)
图11 三态输出门电路结构
3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列
74H系列：高速系列。
其工作速度的提高是用增加功耗的代价换取的，效果不够理想。
74S系列：肖特基系列。
采用抗饱和三极管，提高了工作速度，但电路功耗加大，并且输出的低电平升高。
74LS系列：低功耗肖特基系列。
兼顾功耗和速度两个方面，得到更小的延迟－功耗积。
74AS系列：电路结构与74LS系列相似，采用低阻值，提高了工作速度，但功耗较大。
74ALS系列：其延迟－功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。
54、54H、54S、54LS系列：54系列与74系列电
路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。
54系列工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。
74系列：温度0～70℃，电源电压5V±5%;
54系列: 温度-55～+125℃，电源电压5V±10%。
小结：
1、TTL反相器的工作原理
2、TTL反相器的电气特性
3、TTL反相器的动态特性
4、TTL反相器的带负载能力
5、其他类型的TTL门电路
作业：3.11 3.13 3.16。
