《数字电子技术》课程授课教案（讲义）第2章 门电路

数字电子技术第二章门电路 第二章门电路 【本章知识架构】 理想开关特性 概述 二极管开关特性 半导体器件 三极管开关特性 开关特性 MOS管开关特性 基本逻辑门 逻辑门电路 复合逻辑门 TTL逻辑门电路 集成电路逻 辑门 MOS逻辑门电路 TTL与CMOS器件之间 门电路使用中 的接口间避 的实际同题 TTI和CMOS电路带 载时的接口问题 多余输入瑞的处理 CMOS电路介绍 CMOS电路产品系 列、主要特点 CMOS电路使用中 实际应用 应注意问题 【本章教学目标与要求】 ·理解半导体器件的开关特性，开关条件 ·熟悉三种基本逻辑关系： ·掌握各种门电路的逻辑功能： ·掌握TL系列逻辑门（如与非门）来完成逻辑功能的原理特性、参数： ·熟悉OC门、三态门及特点参数： ,掌握CMOS逻辑门及特点： ·理解正负逻辑及使用中的实际问题。 概述 教学目标： 1、理解二极管、三极管、MOS管的开关特性。 2、了解用分立元件门电路实现逻辑门电路的方法。 教学重点： 开关特性的掌握，电路图的识读。 教学难点：

数字电子技术-第二章门电路 1 第二章门电路 【本章知识架构】 【本章教学目标与要求】 ·理解半导体器件的开关特性，开关条件； ·熟悉三种基本逻辑关系； ·掌握各种门电路的逻辑功能； ·掌握 TTL 系列逻辑门(如与非门)来完成逻辑功能的原理特性、参数； ·熟悉 OC 门、三态门及特点参数； ·掌握 CMOS 逻辑门及特点； ·理解正负逻辑及使用中的实际问题。 概 述 教学目标： 1、理解二极管、三极管、MOS 管的开关特性。 2、了解用分立元件门电路实现逻辑门电路的方法。 教学重点： 开关特性的掌握，电路图的识读。 教学难点： 门 电 路 半导体器件 开关特性 逻辑门电路 实际应用 理想开关特性 三极管开关特性 MOS 管开关特性 二极管开关特性 门电路使用中 的实际问题 集成电路逻 辑门 复合逻辑门 基本逻辑门 CMOS 电路介绍 概述 TTL 逻辑门电路 TTL与 CMOS 器件之间 的接口问题 MOS 逻辑门电路 CMOS 电路使用中 应注意问题 多余输入端的处理 TTL和 CMOS 电路带负 载时的接口问题 CMOS 电路产品系 列、主要特点

数字电子技术第二章门电路 元器件外特性的分析。 一、门电路的概念 前面讲过基本逻辑运算有：与门、或门、非门： 复合逻辑运算：与非门、或非门、异或门。 二、逻辑变量与两状态开关 三、高、低电平与正、负逻辑 四、分立元件门电路和集成门电路 ①分立元件门电路：用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。 ②集成门电路：把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半导体芯片上，再封装起来。 常用的有CMOS和TTL集成门电路 五、数字集成电略的集成度 集成度：一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数。 按集成度数字集成电路分为小规模、中规模、大规模、超大规模集成电路。 2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性 1.二极管开关特性 1.静态特性 (1)导通条件及导通特性 二极管两端所加电压6>0.7V时，二极管导通，近似看作具有0.7V压降的闭合开关（当 所加电压时，可近似认为压降为0，即忽略二极管压降)： (2)截至条件及截至特性 二极管两端所加电压U。<0.5V时，二极管截至，近似看作10的截至开关。 2.动态特性 由于二极管结电容的存在，在开通及关断的过程中，伴随着电容的充放电，因此二极管 开关要经过一定时间的延迟才能达到开通或关断。 其中，开通时间t=t+t,(导通延迟时间ta、上升时间t,),关断时间trt,+t:(存储 时间t、下降时间t:)。关断时间较小，只有几个纳秒，而开通时间比关断时间短的多， 相比可忽略不计。 2.三极管的开关特性 1.静态特性

数字电子技术-第二章门电路 2 元器件外特性的分析。 一、门电路的概念 前面讲过基本逻辑运算有：与门、或门、非门； 复合逻辑运算：与非门、或非门、异或门。 二、逻辑变量与两状态开关 三、高、低电平与正、负逻辑 四、分立元件门电路和集成门电路 ① 分立元件门电路：用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。 ② 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半导体芯片上，再封装起来。 常用的有 CMOS 和 TTL 集成门电路 五、数字集成电路的集成度 集成度：一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数。 按集成度数字集成电路分为小规模、中规模、大规模、超大规模集成电路。 2. 1 半导体二极管 、三极管和 MOS 管的开关特性 1．二极管开关特性 1.静态特性 （1）导通条件及导通特性 二极管两端所加电压 UD＞0.7V 时，二极管导通，近似看作具有 0.7V 压降的闭合开关（当 所加电压时，可近似认为压降为 0，即忽略二极管压降）。 （2）截至条件及截至特性 二极管两端所加电压 UD＜0.5V 时，二极管截至，近似看作 ID=0 的截至开关。 2．动态特性 由于二极管结电容的存在，在开通及关断的过程中，伴随着电容的充放电，因此二极管 开关要经过一定时间的延迟才能达到开通或关断。 其中，开通时间 ton= td+tr（导通延迟时间 td、上升时间 tr），关断时间 toff= ts+tf（存储 时间 ts、下降时间 tf）。关断时间较小，只有几个纳秒，而开通时间比关断时间短的多， 相比可忽略不计。 2．三极管的开关特性 1.静态特性

数字电子技术第二章门电路 (1)饱和条件及导通特性 三极管基极电流i大与临界饱和电流Is时，三极管饱和，c、e两极之间电流较大、 压降较小（等于饱和压降Us),近似看作具有Us(Si管0.3V、Ge管0.1V)压降的闭合 开关。 (2)截至条件及截至特性 基极一射极间电压U时，产生导电沟道，NMOS导通，相当于开关闭合 动态 MOS管极间电容的充、放电过程会制约MOS管的动态特性，即开关速度。 2.2分立元器件门电路 1.二极管“与”门电路 Ro A BL 0 1 1 逻辑符号： 4- B 2.二极管“或”门电略

数字电子技术-第二章门电路 3 （1）饱和条件及导通特性 三极管基极电流 iB大与临界饱和电流 IBS时，三极管饱和，c、e 两极之间电流较大、 压降较小（等于饱和压降 UCES），近似看作具有 UCES（Si 管 0.3V、Ge 管 0.1V）压降的闭合 开关。 （2）截至条件及截至特性 基极—射极间电压 UBE＜U0（Si 管 0.5V、Ge 管 0.1V）时，三极管截至，此时 iB=0、 iC=0，相当于断开的开关。 2.动态特性 三极管结电容的存在，使得三极管开关要经过一定时间的延迟才能达到开通或关断。 其中，开通时间 ton= td+tr（导通延迟时间 td、上升时间 tr），关断时间 toff= ts+tf（存储 时间 ts、下降时间 tf）。关断时间在几——几十个纳秒，而开通时间比关断时间要短。 3．MOS 管的开关特性 静态 vGS VT 时，产生导电沟道，NMOS 导通，相当于开关闭合 动态 MOS 管极间电容的充、放电过程会制约 MOS 管的动态特性，即开关速度。 2. 2 分立元器件门电路 1. 二极管“与” 门电路 A B L 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 2. 二极管“或” 门电路 逻辑符号：

数字电子技术第二章门电路 y" Ro 或门逻辑状态表 A 逻辑符号：A B 3.晶体管“非”门电路 0 1 逻辑表达式：y=A 逻辑符号： A 4、MOS管非门 D Wo A 真值表 故y=a

数字电子技术-第二章门电路 4 或门逻辑状态表 A B L 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 3. 晶体管“非” 门电路 4、MOS 管非门 真值表 故 Y A = A Y T 0 1 截止 1 0 饱和 逻辑符号： 逻辑表达式： Y A = 逻辑符号：

数字电子技术第二章门电路 2.3CMOS集成门电路 教学目标： 1 了解CMOS门电路的工作原理。 2、 掌握CMOS集成门的使用注意事项， 3、 掌握CMOS其他门电路的特性，了解其应用。 教学重点： COMS门电路的电压传输特性曲线 COMS门电路的使用注意事项。 教学难点： CMOS门电路的工作原理。 CMOS逻辑门电路：PMOS、NMOS管组成的互补电路，具有静态功耗低，干扰性强、稳定性好及开关 速度高的特点，所以目前的超大规模存储器件中都采用CMOS工艺制造，其费用也较低。 2.3.1CM0S反相器 =0V时o=10V w=10V时o=0V hs.T 电压传输特性曲线 4及 2.3.2CM0S与非门、或非门、与门和或门 1、CMOS与非门和或非门 CMOS与非门 10 00 41山 01成 81 10通 11通截通截 0

数字电子技术-第二章门电路 5 2. 3 CMOS 集成门电路 教学目标： 1、 了解 CMOS 门电路的工作原理。 2、 掌握 CMOS 集成门的使用注意事项。 3、 掌握 CMOS 其他门电路的特性，了解其应用。 教学重点： COMS 门电路的电压传输特性曲线 COMS 门电路的使用注意事项。 教学难点： CMOS 门电路的工作原理。 CMOS 逻辑门电路：PMOS、NMOS 管组成的互补电路，具有静态功耗低，干扰性强、稳定性好及开关 速度高的特点，所以目前的超大规模存储器件中都采用 CMOS 工艺制造，其费用也较低。 2. 3. 1 CMOS 反相器 电压传输特性曲线 2. 3. 2 CMOS 与非门、或非门、与门和或门 1、CMOS 与非门和或非门 CMOS 与非门 ui=0V 时 uo=10V； ui=10V 时 uo=0V

数字电子技术第二章门电路 、与门阿 Y=AB CMOS或非门 A B TNI Tr TN2 TP2Y 1 00截通截通 1 01截通通 10通截截通 0 11通截通截 Y=4+B 2、CMOS与门和或门 CMOS与门Y=AB=AB 台D-r8- CMOS或门Y=A+B=A+B 卧-0-？一 2.3.3CMOs与或非门和异或门 1、CMOS与或非门 由CMOS基本电路（与非门和反相器）组成 AB.CD 舒 Y=AB.CD=AB-CD=AB+CD 2、CMOS异或门一由CMOS基本电路（与非门）组成 异或门电路

数字电子技术-第二章门电路 6 与非门 Y = AB CMOS 或非门 或非门 Y A B = + 2、CMOS 与门和或门 CMOS 与门 Y AB AB = = CMOS 或门 Y A B A B = + = + 2. 3. 3 CMOS 与或非门和异或门 1、CMOS 与或非门 由 CMOS 基本电路(与非门和反相器)组成。 Y AB CD =  =  AB CD = + AB CD 2、CMOS 异或门——由 CMOS 基本电路(与非门)组成 V L=A A B D D X + B 异或门电路

数字电子技术-第二章门电路 它是由两级组成，前级为或非门，输出为X=A+B。后级为与或非门，经过逻辑变换可得 L=4.B+X=A.B+4+B=4.B+4.B=A@B 即输出L为输入A、B的异或。 Y=A-AB.AB.B=A.4B+AB.B=4B+AB=A B 2.3.4CMOS传输门、三态门和漏极开路门 CMOS三态输出门电路 3 (a CW0S三态门(a)电路图(b)逻辑符号 其工作原理如下。 当EN=0时，TP2和TN2同时导通，TN1和TP1组成的非门正常工作，输出L=A。 当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出L对地和对电源都相当于开路，为高阻状态。 所以，这是一个低电平有效的三态门，逻辑符号如图2-52(b)所示 CMOS传输门 (6) (c CW0S传输门及模拟开关 由一个NMOS管T和一个PMOS管T,组成，C和C为控制端，使用时总是加互补的信号。CMOS

数字电子技术-第二章门电路 7 它是由两级组成，前级为或非门，输出为 X = A+ B 。后级为与或非门，经过逻辑变换可得 L = A B + X = A B + A + B = A B + A B = A  B 即输出 L 为输入 A、B 的异或。 Y A AB AB B =    =  +  A AB AB B = + AB AB = A B 2. 3. 4 CMOS 传输门、三态门和漏极开路门 CMOS 三态输出门电路 L V A EN D D TP 2 TP 1 TN 2 TN 1 1 △ EN A L （b） （a） 1 CMOS 三态门 （a）电路图 （b）逻辑符号 其工作原理如下。 当 EN=0 时，TP2 和 TN2 同时导通，TN1 和 TP1 组成的非门正常工作，输出 L = A。 当 EN=1 时，TP2 和 TN2 同时截止，输出 L 对地和对电源都相当于开路，为高阻状态。 所以，这是一个低电平有效的三态门，逻辑符号如图 2-52（b）所示。 CMOS 传输门 V V C C V 0V D D TN TP C C T G （a） （b） i /Vo Vi /Vo Vo /V o /Vi 1 V i / C V o （c） T G i V V o / i CMOS 传输门及模拟开关 由一个 NMOS 管 TN和一个 PMOS 管 TP组成，C 和 C 为控制端，使用时总是加互补的信号。CMOS

数字电子技术第二章门电路 传输门可以传输数字信号，也可以传输模拟信号，其工作原理如下。 设两管的开启电压|。如果要传输的信号，的变化范围为OV~,则将控制端C和C 的高电平设置为。，低电平设置为0。并将T,的衬底接低电平0V,T的衬底接高电平。 当C接高电平，C接低电平0v时，若0N<<(),T,导通：若|k≤斯≤，T 导通。即在0V一®的范围变化时，至少有一管导通，输出与输入之间呈低电阻，将输入电压 传到输出端，相当于开关闭合。 当C接低电平OV,c接高电平，K在OV~的范围变化时，T和T都截止，输出呈高 阻状态，输入电压不能传到输出端，相当于开关断开。 可见CMOS传输门实现了信号的可控传输。将CMOS传输门和一个非门组合起来，由非门产 生互补的控制信号，如图所示，称为模拟开关。 2.3.5CMOS电路使用中应注意的几个问题 1.注意输入端的静电防护和过流保护。 2.输出端不能和电源、地短接 3.管脚悬空问题：CMOS电路多余的输入端不应悬空 4.输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。 5、CMOS逻辑门使用常识 (1)CMOS门电路电路的系列型号 (2)CMOS集成电路使用注意事项 工作电压 输入电路的静电防护 多余输入端的处理 输入电路的过流保扩 输出端的处理 (3)CMOS集成电路的主要特点 ①功耗极低。LSI:几个μW,MSI:100μW ②电源电压范围宽。CC4000系列：DD=3~18V ③抗干扰能力强。输入端噪声容限=0.3pp~0.45D ④逻辑摆幅大。UaL≈0V,Uom≈'o⑤输入阻抗极高。≥102 ⑥扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小反映了门电路的带负载能力。 ⑦集成度很高，温度稳定性好。⑧抗辐射能力强。⑨成本低

数字电子技术-第二章门电路 8 传输门可以传输数字信号，也可以传输模拟信号，其工作原理如下。 设两管的开启电压 VTN=|VTP|。如果要传输的信号 Vi的变化范围为 0V～VDD，则将控制端 C 和 C 的高电平设置为 VDD，低电平设置为 0。并将 TN的衬底接低电平 0V，TP的衬底接高电平 VDD。 当 C 接高电平 VDD，C 接低电平 0V 时，若 0V＜Vi＜（VDD-VTN），TN导通；若|VTP|≤Vi≤VDD，TP 导通。即 Vi在 0V～VDD的范围变化时，至少有一管导通，输出与输入之间呈低电阻，将输入电压 传到输出端，Vo=Vi，相当于开关闭合。 当 C 接低电平 0V，C 接高电平 VDD，Vi在 0V～VDD的范围变化时，TN和 TP都截止，输出呈高 阻状态，输入电压不能传到输出端，相当于开关断开。 可见 CMOS 传输门实现了信号的可控传输。将 CMOS 传输门和一个非门组合起来，由非门产 生互补的控制信号，如图所示，称为模拟开关。 2. 3. 5 CMOS 电路使用中应注意的几个问题 1. 注意输入端的静电防护和过流保护。 2. 输出端不能和电源、地短接 3. 管脚悬空问题：CMOS 电路多余的输入端不应悬空 4. 输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。 5、CMOS 逻辑门使用常识 （1）CMOS 门电路电路的系列型号 （2）CMOS 集成电路使用注意事项 工作电压 输入电路的静电防护 多余输入端的处理 输入电路的过流保护 输出端的处理 （3）CMOS 集成电路的主要特点 ① 功耗极低。LSI：几个μW ， MSI：100μW ② 电源电压范围宽。CC4000 系列：VDD = 3 ~ 18 V ③ 抗干扰能力强。输入端噪声容限 = 0.3VDD ~ 0.45VDD ④ 逻辑摆幅大。 OL OH DD U U V   0V , ⑤ 输入阻抗极高。≥ 8 10 Ω ⑥ 扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小反映了门电路的带负载能力。 ⑦ 集成度很高，温度稳定性好。 ⑧ 抗辐射能力强。 ⑨ 成本低

数字电子技术第二章门电路 2.4TTL集成门电路(Transistor-Transistor Logic) 教学目标： )了解TTL与非门的工作原理 2)理解门电路的相关参数 3)掌握TTL集成门的使用注意事项。 4)掌握0C门、三态门的特性，了解其应用。 教学重点： TTL与非门的构成和重要参数。 0C门、三态门的特性，集成门电路的使用注意事项。 教学难点： TTL与非门工作原理的分析。 2.4.1TTL与非门 1.与非门的工作原理 输入级中间级输出级 输入级：多发射极三极管一一用PN结代替二极管实现“与”。 深度饱和状态/倒相工作状态 中间倒相级：发射极和集电极输出一对倒相信号。 输出级：提高负载能力： 首先考虑输入级，DTL是用二极管与门做输入级，速度较低。仔细分析我们发现电路中的 D、D2、D3、D4的P区是相连的。我们可用集成工艺将它们做成一个多发射极三极管。这样它 既是四个PN结，不改变原来的逻辑关系，又具有三极管的特性。一旦满足了放大的外部条件， 它就具有放大作用，为迅速消散饱和时的超量存储电荷提供足够大的反向基极电流，从而大 大提高了关闭速度。详细情况后面再讲。 第二，为提高输出管的开通速度，可将二极管D5改换成三极管T2,逻辑关系不变。同时在

数字电子技术-第二章门电路 9 2. 4 TTL 集成门电路（Transistor—Transistor Logic） 教学目标： 1) 了解 TTL 与非门的工作原理。 2) 理解门电路的相关参数。 3) 掌握 TTL 集成门的使用注意事项。 4) 掌握 OC 门、三态门的特性，了解其应用。 教学重点： TTL 与非门的构成和重要参数。 OC 门、三态门的特性,集成门电路的使用注意事项。 教学难点： TTL 与非门工作原理的分析。 2.4.1 TTL 与非门 1. 与非门的工作原理 输入级：多发射极三极管——用 PN 结代替二极管实现“与”。 深度饱和状态 / 倒相工作状态 中间倒相级：发射极和集电极输出一对 倒相信号。 输出级：提高负载能力； 首先考虑输入级，DTL 是用二极管与门做输入级，速度较低。仔细分析我们发现电路中的 Dl、D2、D3、D4 的 P 区是相连的。我们可用集成工艺将它们做成—个多发射极三极管。这样它 既是四个 PN 结，不改变原来的逻辑关系，又具有三极管的特性。一旦满足了放大的外部条件， 它就具有放大作用，为迅速消散 T2 饱和时的超量存储电荷提供足够大的反向基极电流，从而大 大提高了关闭速度。详细情况后面再讲。 第二，为提高输出管的开通速度，可将二极管 D5 改换成三极管 T2，逻辑关系不变。同时在

数字电子技术第二章门电路 电路的开通过程中利用T2的放大作用，为输出管T3提供较大的基极电流，加速了输出管的导 通。另外T2和电阻R。、R2组成的放大器有两个反相的输出端。和E2,以产生两个互补的 信号去驱动T3、T4组成的推拉式输出级。 第三，再分析输出级。输出级应有较强的负载能力，为此将三极管的集电极负载电阻C 换成由三极管T4、二极管D和RC4组成的有源负载。由于T3和T4受两个互补信号Ve2和 V©2的驱动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种结构，称为推拉式输出级。 工作原理： ①输入全为高电平3.6Y时。 T:、T,导通，%=0.7×3=2.1(V),从而使T的发射结因反偏而截止。此时T的发射结反 偏，而集电结正偏，称为倒置放大工作状态。 由于T,饱和导通，输出电压为：≈0.3V 这时=%=0.7V,而=0.3V,故有6=a+=1V。1V的电压作用于T的基极，使T,和 二极管D截止。 可见实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。 ②输入有低电平0.3V时。 该发射结导通，T,的基极电位被钳位到=1V。T、T都截止。由于T,截止，流过R的电流 仅为T,的基极电流，这个电流较小，在Re上产生的压降也较小，可以忽略，所以≈=V, 使T,和D导通，则有： %≈e-6=5-0.7-0.7=3.6(V) 可见实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。 综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，是一个与非门。 2.TTL反相器的传输特性 uo/V 3.6V3F 2 03v 0专青W 阀值电压 从TTL与非门的电压传输特性曲线上，我们可以定义几个重要的电路指标。 ①输出高电平电压一 一%m的理论值为3.6Y,产品规定输出高电压的最小值%=2.4W 即大于2.4V的输出电压就可称为输出高电压。 10

数字电子技术-第二章门电路 10 电路的开通过程中利用 T2 的放大作用，为输出管 T3 提供较大的基极电流，加速了输出管的导 通。另外 T2 和电阻 RC2、RE2 组成的放大器有两个反相的输出端 VC2 和 VE2，以产生两个互补的 信号去驱动 T3、T4 组成的推拉式输出级。 第三，再分析输出级。输出级应有较强的负载能力，为此将三极管的集电极负载电阻 RC 换成由三极管 T4、二极管 D 和 RC4 组成的有源负载。由于 T3 和 T4 受两个互补信号 Ve2 和 Vc2 的驱动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种结构，称为推拉式输出级。 工作原理： ①输入全为高电平 3.6V 时。 T2 、T3 导通，VB1=0.7×3=2.1（V），从而使 T1 的发射结因反偏而截止。此时 T1 的发射结反 偏，而集电结正偏，称为倒置放大工作状态。 由于 T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V 这时 VE2=VB3=0.7V，而 VCE2=0.3V，故有 VC2=VE2+ VCE2=1V。1V 的电压作用于 T4的基极，使 T4和 二极管 D 截止。 可见实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。 ②输入有低电平 0.3V 时。 该发射结导通，T1的基极电位被钳位到 VB1=1V。T2、T3都截止。由于 T2截止，流过 RC2的电流 仅为 T4的基极电流，这个电流较小，在 RC2上产生的压降也较小，可以忽略，所以 VB4≈VCC=5V ， 使 T4和 D 导通，则有： VO≈VCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V） 可见实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。 综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，是一个与非门。 2. TTL 反相器的传输特性 从 TTL 与非门的电压传输特性曲线上，我们可以定义几个重要的电路指标。 ①输出高电平电压 VOH——VOH的理论值为 3.6V，产品规定输出高电压的最小值 VOH（min）=2.4V， 即大于 2.4V 的输出电压就可称为输出高电压 VOH