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第九讲 CMOS门电路(二)

第九讲 CMOS门电路(二)

3.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列
自 20 世 纪 60 年 代 CMOS 电 路 问 世 以 来 ， 随 着 CMOS制造工艺水平的不断改进，CMOS电路的性能 得到了迅速提高。到了20世纪80年代以后，在减小单 元电路的功耗和缩短延迟时间两个主要方面进展尤为 迅速。到目前为止，已经生产出的标准化、系列化的 CMOS 集成电路产品有 4000 系列、 HC/HCT 系列、 AHC/AHCT 系 列 、 VHC/VHCT 系 列 、 LVC 系 列 、 ALVC系列等。 最早投放市场的4000系列传输延迟时间长（可达 100ns 左右）、带负载能力弱，因此，目前它已基本 上被后来出现的HC/HCT系列产品所取代。
ALVC----Advanced Low-Voltage CMOS
54系列比74系列的允许环境工作温度范围 更宽。
74系列为-40 ℃ ~ +85 ℃ ， 54系列为-55~+125 ℃
74HC04数 据表
小结： 掌握OD门、CMOS传输门、CMOS三 态门的逻辑符号与用法。
当所有的OD门输 出管截止时输出为高电 平 IOH -OD门输出管截止时的 漏电流 IIH -负载门输入为高电平 时的输入电流 n-并联OD门（驱动门）的 个数 m-负载门输入端个数
VDD RL (nIOH mIIH ) VOH
VDD VOH RL (max) nIOH m IIH
OD门输出为低电平时
IIL是每个负载门低电 平输入电流； IOLmax是OD门最大允 许的负载电流。则
(VDD VOL ) m I IL I OL max RL
VDD VOL RL (min) I OL max m I IL

(数字电子技术基础)第2章. 门电路

(数字电子技术基础)第2章. 门电路
（2-13）
• 小规模集成电路(SSI-Small Scale 小规模集成电路(SSI(SSI Integration)， 每片组件内包含10~100 10~100个元件 Integration)， 每片组件内包含10~100个元件 10~20个等效门 个等效门) (或10~20个等效门)。 • 中规模集成电路(MSI-Medium Scale 中规模集成电路(MSI (MSIIntegration)，每片组件内含100~1000 100~1000个元件 Integration)，每片组件内含100~1000个元件 20~100个等效门 个等效门) (或20~100个等效门)。 • 大规模集成电路(LSI-Large Scale 大规模集成电路(LSI (LSIIntegration)， 每片组件内含1000~100 000个 Integration)， 每片组件内含1000~100 000个 元件( 100~1000个等效门 个等效门) 元件(或100~1000个等效门)。 • 超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale 超大规模集成电路(VLSI (VLSIIntegration)， 每片组件内含100 000个元件 Integration)， 每片组件内含100 000个元件 1000个以上等效门 个以上等效门) (或1000个以上等效门)。
•
+5V
R1
T1
T5 R3
•
（2-30）
前级
后级
灌电流的计算
饱和
I OL
5 − T5压降 − T1的be结压降 = R1
5 − 0.3 − 0.7 ≈ 1.4mA = 3
（2-31）
关于电流的技术参数
名称及符号 输入低电平电流 IiL 输入高电平电流 IiH IOL 及其极限 IOL（max） IOH 及其极限 IOH (max) 含义 输入为低电平时流入输 入端的电流-1 入端的电流 .4mA。 。 输入为高电平时流入输 入端的电流几十 几十μ 。 入端的电流几十μA。 当 IOL> IOL(max)时，输出 不再是低电平。 不再是低电平。 当 IOH >IOH(max)时， 输出 不再是高电平。 不再是高电平。

逻辑门三台门

逻辑门三台门

第二章逻辑门电路一、二极管和三极管的开关特性二、基本逻辑门三、TTL逻辑门电路一、二极管和三极管的开关特性1、二极管的开关特性开关闭合截止开关断开2、三极管的开关特性①当Vi＝-V时，T的发射结反偏截止开关断开②当Vi＝+V时，通常调节Rb使得Ib＝Vcc/βRc则Ic趋于最大值而饱和，此时Vce＝0.3V三极管饱和导通开关闭合注意：在数字电路中，三极管通常只有两种状态，即饱和导通与截止。

导通1、二极管与门及或门电路①与门电路列电压值表如下：（单位：V ）A B C L0 0 0 0 0 5 0 5 0 0 5 5 5 0 0 5 0 5 5 5 0 5 5 5 真值表：A B C L 0 0 0 00 0 1 00 1 0 00 1 1 01 0 0 01 0 1 01 1 0 01 1 1 1满足与运算的运算规律，故该电路实现与门。

表达式为：L ＝ABC 05列电压值表如下：（单位：V ）A B C L 0 0 0 0 0 5 0 5 0 0 5 5 5 0 0 5 0 5 5 5 0 5 5 5 真值表：A B C L 0 0 0 00 0 1 10 1 0 10 1 1 11 0 0 11 0 1 11 1 0 11 1 1 1满足或运算的运算规律，故该电路实现或门。

表达式为：L ＝A+B+C 05555555列电压值表如下：（单位：V ）A L 0 5 真值表：满足非运算的运算规律，故该电路实现非门。

表达式为：50.3 A L1 10L ATTL逻辑门：由若干三极管和电阻组成。

P40前面我们讨论了三极管反相器，其开关速度较慢，改进电路如下：这就构成了TTL反相器。

工作原理：①当输入标准高电平，即Vi＝3.6V时T1正常导通，同时使得T2、T3饱和导通，此时VB1＝0.7*3＝2.1V，而T3饱和后，使得Vo＝0.3V，即输出低电平②当输入标准低电平，即Vi＝0.3V时：T1导通，此时VB1＝0.3+0.7＝1V，但T2要想导通，VB2至少需要0.7*2＝1.4V，故T2、T3均截止。

第二章_门电路

第二章_门电路

第二章 门电路三、高低电平获取方法开 关5V V H1+5V0V V L 02.1 概述第二章门电路2.3 分立元件门电路一、二极管与门V A V B V Y0V0V0V3V3V0V3V3VA B Y0000101001110.7V0.7V0.7V3.7V2.3 分立元件门电路第二章门电路二、二极管或门V A V B V Y0V0V0V3V3V0V3V3VA B Y0000111011110V2.3V2.3V2.3V2.3 分立元件门电路第二章门电路三、三极管非门V i Vo0V V CCV CC0.2VA Y01102.3 分立元件门电路第二章门电路1）结构TTL反相器由三部分构成：输入级、中间级和输出级。

1、TTL反相器的结构和原理一、TTL逻辑门2.4 TTL集成门电路第二章 门电路A 为高电平时(3.4V)，V B1≈2.1V ，T 1倒置，VB2≈1.4V ，T 2和T 5饱和，T 4和D 2截止，Y 为低电平。

2）原理A 为低电平时(0.2V) ，T 1饱和，V B1≈0.9V ，V B2≈0.2V ，T 2和T 5截止，T4和D2导通，Y 为高电平；2.4 TTL 集成门电路第二章 门电路分为四个区段：AB 段：Vi ＜0.6伏，截止区；BC 段：0.6伏＜Vi ＜1.3伏，线性区；CD 段：Vi ≈1.4伏，转折区；DE 段：Vi ＞1.4伏，饱和区。

输出高电平：V OH =3.4V 输出低电平：V OL =0.2V 阈值电压：V TH =1.4VV THVi (V)2.4 TTL 集成门电路2.4 TTL 集成门电路（略）一、TTL 与非门的基本结构及工作原理1．TTL 与非门的基本结构B A C+V RP CC （+5V ）P PP N N NN+V 13（+5V ）CC A B CT b1R 12.4 TTL 集成门电路第二章 门电路 2.4 TTL 集成门电路第二章 门电路CB A L ⋅⋅=该发射结导通，V B 1=0.9V 。

三个基本门电路代数式,图符号及真值表

三个基本门电路代数式,图符号及真值表

逻辑门电路的逻辑关系、符号以及真值表一、与门电路1.1与逻辑关系图1.1中只有当2个开关都闭合时，灯泡才亮；只要有1个开关断开，灯泡就不亮。

这就是说，“当一件事情（灯亮）的几个条件（两个开关都闭合）全部具备之后，这件事情（灯亮）才能发生，否则不发生”。

这样的因果关系称为与逻辑关系。

图1.1 与逻辑关系电路图1.2与门电路能实现与逻辑功能的电路称为与门电路。

图7-5是具有2个输入端的二极管与门电路。

A，B为输入端，假定它们的低电平为0V，高电平为3V，Y为信号输出端。

图1.2与门电路(1) 当A，B都处于低电平0V时，二极管VD1，VD2同时导通，Y=0V，输出低电平。

（忽略二极管的正向压降，下同）。

(2) 当A=0V，B=3V时，VD1优先导通，Y被箝位在0V，VD2反偏而截止。

(3) 当A=3V，B=0V时，VD2优先导通，Y被箝位在0V，VD1反偏而截止。

(4) 当A，B都处在高电平3V时，VD1与VD2均截止，Y 端输出高电平（即3V）。

与逻辑关系的逻辑函数表达式为Y=A*B。

表1.1是与门真值表，从真值表可以看出，与门电路的逻辑功能是“有0出0，全1出1”。

与门的逻辑符号如图1.3所示。

表1.1 与门真值表图1.3与门的逻辑符二、或门电路2.1或逻辑关系图2.1中电路由2个开关和灯泡组成。

由图可知，在决定一件事情的各种条件中，至少具备一个条件，这件事情就会发生，这种因果关系称为或逻辑关系。

图2.1 或逻辑关系电路图2.2或门电路能实现或逻辑关系的电路称为或门电路。

图2.2所示为具有2个输入端的二极管或门电路。

图2.2 或门电路真值表见表2.1，从真值表可以看出，或门的逻辑功能为“有1出1，全0出0”。

或门的逻辑符号如图2.3所示。

表2.1 或门真值表图2.3 或门逻辑符号三、非门电路（反相器）3.1非逻辑关系如图3.1开关与灯泡并联，当开关断开时，灯亮；开关闭合时，灯不亮。

这就是说，“事情（灯亮）和条件（开关）总是呈相反状态”，这种关系称为非逻辑关系。

数字电路 第二章门电路

数字电路 第二章门电路

DA
DB B
DC
Y
C
R
–5v
第2章 2.2
由以上分析可知： 只有当A、B、C全为 低电平时，输出端才 为低电平。正好符合
或门的逻辑关系。
A
B C
>1
Y
Y= A+B+C
三、 非门电路
第2章 2.2
RA A
RB
+5V
Rc uY=0.3V 设 uA= 3.6V，T饱和导通
• Y
uY= 0.3V
T
Y= 0
3. CMOS与非门
TP1 与TP2并联，TN1 与TN2串联；
当AB都是高电平时TN1 与TN2
TP2
同时导通TP1 与TP2同时截止；
输出Y为低电平。
当AB中有一个是低电平时， B
TN1 与TN2中有一个截止，
TP1 与TP2中有一个导通， 输出Y为高电平。
A
第2章 2. 3
+VDD
TP1 Y
正逻辑：L=0,H=1 ； 负逻辑：H=0,L=1 。
2. 1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性
一、理想开关的开关特性： 1 .静态特性 2. 动态特性
二、半导体二极管的开关特性 1.静态特性：
半导体二极管的结构示意图、符号和伏安 特性
一、二极管等效模型
(b)为理想二极管+恒压源模型 (c)为理想二极管模型
当D、S间加上正 向电压后可产生 漏极电流ID 。
第2章 2. 1
UDS
。
S UGS G
D ID
N++
NN++
N型导电沟道
耗尽层

三态门（总线）

三态门（总线）2.2 三态门1．基本原理在数字系统中，常常需要把多个门电路的输出端连接在⼀起，⽐如接到数据总线上。

但⼀般的门电路都只有两个输出状态：输出⾼电平状态与输出低电平状态。

把这些门电路的输出端连接在⼀起，在某⼀个时刻，可能会出现⼀个以上的门电路的输出同时为⾼电平状态或者低电平状态，这样就会引起逻辑电平的不确定。

使⽤三态门可以很好地解决这个问题。

三态门电路有三个输出状态：输出⾼电平状态、输出低电平状态，以及输出⾼阻状态。

当三态门电路输出为⾼阻状态时，三态门的输出端相当于开路，对总线上连接的其它器件没有影响。

我们可以利⽤三态门的这个优点对需要通过总线的数据进⾏分时传送，这样数据的传送就不会出现混乱了。

简单的三态门电路如图2.2.1a所⽰，图2.2.1b是它的代表符号。

其中EN为⽚选信号输⼊端，A为数据输⼊端，L为数据输出端。

图2.2.1 三态门电路(a) 电路图(b) 代表符号当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的⾮门，输出L=-A；当EN=1时，TP2和TN2同时截⽌，输出为⾼阻状态。

所以，这是⼀个低电平有效的三态门。

三态门的真值表如表2.2.1所⽰。

由真值表可以得出逻辑表达式：当EN=0时，L=-A；当EN=1时，L=Z。

其中Z表⽰⾼阻状态。

表2.2.1 三态门的真值表2．实现⽅案通过FPGA来实现三态门的功能有以下⼏种⽅式：(1) ⽤case语句和if….else语句来实现。

先判断EN是否等于1，如果EN 等于1，则输出端L=Z；如果不等于1，再判断A是否等于0，如果等于0，则输出端L=1，如果不等于0，则输出端L=0。

(2) ⽤if….else语句来实现。

先判断EN是否等于1，如果EN等于1，则输出端L=Z；如果不等于1，则输出L=~A。

(3) ⽤“？：”语句来实现，输出端L=EN ? 1’bZ : (~A)。

3．FPGA的实现下⾯以第三种⽅案为例来进⾏FPGA的实现。

(1) 创建⼯程并设计输⼊①在E：\project\⽬录下，新建名为notif的新⼯程器件族类型（Device Family）选择“Virtex2P”，器件型号（Device）选“XC2VP30 ff896 -7”，综合⼯具（Synthesis Tool）选“XST (VHDL/Verilog)”，仿真器（Simulator）选“ISE Simulator(VHDL/Verilog)”。

3逻辑门电路

上升。vGS越大，曲线越陡， 相应等效电阻越小。该区
vGS>0
域又称为可调电阻区域。
vDS N沟道增强型MOS管输出特性曲线图
(Ⅲ)截止区
O
饱和区：当vDS≥(vGS-VGS(th)N)以后，漏极附近的沟道被夹断。 iDS不随vDS线性上升，而是达到某一数值，几乎近似不变。
截止区：vGS<VGS(th)N，还没有形成导电沟道，因此iDS=0。 ２．转移特性和跨导 MOS管的转移特性是指在漏源电压v DS 一定时，栅源电压 vGS和漏源电流iDS之间的关系。 当v GS <V GS(th)N 时，i DS =0，只有当
由三个CMOS反相器和 3.1.5 CMOS门电路 一个CMOS传输门组成
3、“异或”门电 路 输入端A和B相同 0 1 当A = B = 0时 TG断开，则C=B=1， F=C=0。 当A = B = 1时， TG接通，C = B = 1， 反相器2的两只MOS 管都截止，输出F=0。 0 1 得：输入端A和B相同， 输出 F=0
PD：门电路功耗
DP值愈小，表明门电路的特性愈接近于理想情况。
6. 扇入数与扇出数
（1）门电路的扇入数决定于它的输入引脚的个 数，如：三输入逻辑门的扇入数Ni=3。 A B C A B C L Ni=3
&
≥
L
Ni=3
（2）扇出数：门电路正常工作下能带同类逻辑 门电路负载的最大个数。
a)拉电流工作情况
3.1 MOS逻辑门电路
CMOS反相器 CMOS门电路 CMOS传输门、三态门
3.1.1 数字集成电路简介
上世纪60年代初美国德克萨斯公司率先将分立元件和连 线制作在同一硅片上，形成集成电路(Integrated Circuit，简 称IC)。并且，由于微电子技术的迅速发展，使集成电路在 大多数领域内迅速取代了分立元件电路。 从总体上说，集成 电路可分为模拟集成电路、数字集成电路以及数模混合集成 电路三大类。 在数字集成电路里，根据制造工艺的不同，可分为双极型 （电子、空穴两种载流参与导电）和单极型（只有电子或空穴 一种载流子参与导电）两大类。 TTL电路是双极型数字集成电路中应用最广泛的一种，它由 于输入端是晶体管（Transistor）输出端也是晶体管而得名，即 Transistor-Transistor Logic简称TTL。双极型数字电路除TTL类 型之外，还有ECL和I2L电路。ECL是一种通过射极电阻耦合的 非饱和型高速逻辑电路，称为发射极耦合电路。I2L电路是一种 单元结构简单、功耗低、适合于制造大规模集成电路的集成注入 逻辑门电路，在大规模器件中应用。

3逻辑门电路


当输入为低电平时： MOS管截止， 相当于开关“断开” 输出为低电平。 当输入为高电平时：
MOS管工作在可变电阻区， 相当于开关“闭合”， 输出为低电平。
MOS管相当于一个由vGS控制的
无触点开关。
3.1.4 CMOS 反相器
1.工作原理
+10V
0V vi
VTN = 2 V VTP = 2 V VDD＞(VTN VTP )
74LS系列
74AS系列
74ALS
3.1.2 逻辑门电路的一般特性
1. 输入和输出的高、低电平
1 vO
vI 1
驱动门 G
1
v O 输出
高电平
+V DD
V
OH(min)
负载门 G
2
+V
v
DD
I
输入 高电平
V
(min)
输出 低电平
V
OL(max)
0
G
1
门
v
O
范围
V
IL(max)
输入 低电平0
G 2
5V
C
设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2
VI的变化范围为－5V到+5V。
c=0=-5V， c =1=+5V
1）当c=0， c =1时 GSN= -5V (－5V到+5V)=(0到-10)V
GSN< VTN, TN截止 GSP=5V (-5V到+5V)=(10到0)V
GSP>0, TP截止 开关断开，不能转送信号
vi
基本逻辑
vo
功能电路
输入保护缓冲电路 基本逻辑功能电路 输出缓冲电路
（1）输入端保护电路:

PLC维修参考电路图

PLC维修参考电路图1.三菱PLC FX0N-24/60电源电路图
图1 三菱PLC FX0N-24/60维修参考电源电路图
2. 三菱PLC FX1N-40/60M系列电源电路
图2 三菱PLC FX1N-40/60M系列维修参考电源电路
3. 三菱PLC FX1S系列开关电源电路
图3 三菱PLC FX1S系列维修参考开关电源电路
4. 西门子PLC S7-200PLC内部RS485接口电路
图4 西门子PLC S7-200PLC维修参考内部RS485接口电路
5.西门子PLC S7-200系列电源部分结构图
图5 西门子PLC S7-200系列维修参考电源部分结构图6. PLC CPU主控部分参考电路
图6 PLC CPU主控部分参考电路（1）
图7 PLC CPU主控部分参考电路（1）
图8 PLC CPU主控部分参考电路（2）
7. PLC SPWM驱动波形生成参考电路
8.PLC维修参考电源电路
图11 PLC维修参考电源电路
9. PLC整流、滤波、电源、电压检测参考电路
图12 PLC整流、滤波、电源、电压检测参考电路（1）
图13 PLC整流、滤波、电源、电压检测参考电路（2）。

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