第四章 门电路第四章 门电路
了解 TTL与非门、集电极开路门和三态门的工作原理，熟悉它们的外特性及其应用。
熟悉 TTL 门电路及 CMOS门电路的主要参数（工作速度、功耗、抗干扰能力、
带负载能力），参数的物理意义和数值的量级。
4.1 数字集成电路的特点与分类
半导体集成电路：采用外延生长、氧化、光刻、扩散等技术，将多个晶体管、电阻、电容等元件以及它们之间的连线做在一块半导体基片上所构成的电路。
按内部有源器件不同分类：
双极型数字集成电路（ TTL电路）
MOS型数字集成电路（ CMOS电路）
按集成度不同分类：
小规模集成电路（ SSI）,10～ 100元件／片如各种逻辑门电路、集成触发器。
中规模集成电路（ MSI）,100～ 1000元件／片，
如译码器、编码器、寄存器、计数器。
大规模集成电路（ LSI）,1000 ～ 105元件／片，
如中央处理器，存储器。
超大规模集成电路（ VLSI）,105元件以上／片。
CPU（ Pentium)含有元件 310万～ 330万个逻辑状态与正、负逻辑约定
在数字电路中，我们可以规定高电位为逻辑 1,低电位为逻辑 0,反之也可以规定低电位为逻辑 1,高电位为逻辑 0 。前者叫做“正逻辑
”约定，后者叫做“负逻辑
”约定。
uo
1 0
0 1
高电位低电位正逻辑约定负逻辑约定
4.2 晶体管－晶体管逻辑电路 (TTL电路 )
4.2.1 最简单的与门、非门和与非门电路
1,二极管与门设 UIH=+3V ； UIL=0V。二极管正向导通时的压降近似为 0
输入 输出
FA B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
输入 输出
FA B
0V 0V 0V
0V 3V 0V
3V 0V 0V
3V 3V 3V
电路的输入与输出电位 电路的真值表
由真值表可知，上面电路是一个与门
2,三极管非门设 UIH=5V ； UIL=0.2V。三极管饱和时 UCES = 0.2V
输入 A 输出 F
0 1
1 0
输入 A 输出 F
0.2V 5V
5V 0.2V
电路的输入与输出电位 电路的真值表
由真值表可知，上面电路是一个非门
+
3
晶体管与非门
4.2.2 TTL与非门电路输入 输出
FA B
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
输入 输出
FA B
0.2V 0.2V 5V
0.2V 5V 5V
5V 0.2V 5V
5V 5V 0.2V
输入与输出电位电路的真值表
晶体管的结构示意图及电路符号
C 集电极
B
E 发射极
P
集电结发射结
N
N
MOS场效应管
P型硅片作衬底，表面制作两个 N型区，引出源极 (s)
和漏极 (d)，覆盖一层 SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极 (g) 。
金属 -氧化物 -半导体场效应管（ Metal-Oxide-semiconductor)
电路符号
g
d
s
P沟道增强型 MOS管 S＋ D－
电流从 S流入,D流出
P沟道增强型 MOS管 P60--61
输出级：
推拉式电路结论,1.输入高电位时,T4饱和,T3截止,UOL=0.2V
2,IIH=40μA; IOL=16mA (UOL=0.2V)
饱和结论,1.输入低电位时,T4截止,T3导通,UOH=3.6V
2,IIL=1.6mA(器件手册 ); IOH=0.4mA (UOH=3.6V)
TTL与非门的电压传输特性
1．电压传输特性曲线,Vo=f（ Vi）
当 uI 增大到 1.4 V左右时，输出电压 uO迅速下降，
此时对应的输入电压值称为阈值电压 uTH
为了区别 1 和 0 两种逻辑状态，规定了输出高电位的下限 UOH(min)＝ 2.4V，
输出低电位的上限 UOL(max)＝ 0.4V。
UO＞ 2.4V，为逻辑 1 状态
UO＜ 0.4V，为逻辑 0 状态
UIH(min)：保证输出为低电位即 UO＜ 0.4V
，输入高电位的下限（开启电压）。
UIL(max)：保证输出为高电位即 UO＞ 2.4V
，输入低电位的上限（关闭电压）。
TT
L
非门传输特性
UIH(min)=2.0VUIL(max)=0.8V
在前一级输出为最坏的情况下,后一级门的输入电压允许的变化幅度叫做噪声容限。
高电位噪声容限
UNH=UOH(min) － UIH(min) =2.4 － 2.0V=0.4V
低电位噪声容限
UNL=UIL(max) － UOL (max)=0.8 － 0.4V=0.4V
门电路噪声容限 = min{UNH,UNL}
噪声容限是用来说明门电路抗干扰能力大小的参数。
IH
OH
OH I
IN?
101040 104.0 6
3
扇出系数 NO：
一个门能够驱动同类型门的最大数目
IL
OL
OL I
IN?
106.116
扇出系数
N0=min{NOH,NOL}
集电极开路门简称 OC门
UCC
RL
与普通 TTL与非门相比,OC门去掉了 T3,D，使 T4
集电极开路，并作为电路的输出端。
OC门正常工作时，要外接一个上拉电阻 RL。
T4 截止 输出为高电位
T4 饱和 输出为低电位
Y1
Y2
Y
ABY?1
CDY?2
1
2
Y1 和 Y2 分开 连接后门 1 T4 饱和
（ Y1 = 0 ）
门 2 T4 饱和
（ Y2= 0 ） Y = 0
门 1 T4 饱和
（ Y1 = 0 ）
门 2 T4 截止
（ Y2= 1 ） Y = 0
门 1 T4 截止
（ Y1 = 1 ）
门 2 T4 饱和
（ Y2= 0 ） Y = 0
门 1 T4 截止
（ Y1 = 1 ）
门 2 T4 截止
（ Y2= 1 ） Y = 1
T4
R L
UCC
T4
OC门 1
OC门 2
Y1
Y2
Y
CDABYYY 21 CDAB
实现了与功能，称为线与。
三态 TTL门三态 TTL门与普通 TTL门不同，它的输出端除了可以出现高、低电位
（正常工作状态，低阻输出），还可以出现第三种状态 —— 高阻状态
（或称阻塞状态、禁止状态）
A,B输入端 F输出端
G 控制端三态门输入 输出
FG A
1 0 高阻态1
0 0 01 1
三态门最重要的一个用途是可以实现用同一根导线轮流传送不同的数据或信号，这根线叫做总线。
4.3 CMOS逻辑电路
4.3.1 CMOS反相器
CMOS反相器传输特性
2.阈值电压 UTH=UDD/2;
UDD=5V,UTH=2.5V
1,UOH≈5V;
UOL≈0V
3,UNL=UNH = 1.4V
1.4V(CMOS)>0.4V(TTL)
COMS反相器抗干扰能力强
MOS门电路互相连接时，门电路输出总要接到其他门电路的输入端，所以相当于带有电容性负载 CL。
与 TTL不同,MOS管的栅极电流极小,CMOS门的扇出系数取决于负载电容的大小和工作速度的要求，即驱动的门数越多，负载电容越大，充放电时间越长，工作速度越慢。
CMOS 传输门
A 和 A 控制传输门的通断,A
＝＋ UDD A＝ 0V时，传输门接通 A
＝ 0V A＝＋ UDD时，传输门断开左下图 uI 由 0V变为 UDD时,CL充电右下图 uI 由 UDD变为 0V时,CL放电逻辑符号见 P286附录
√
了解 TTL与非门、集电极开路门和三态门的工作原理，熟悉它们的外特性及其应用。
熟悉 TTL 门电路及 CMOS门电路的主要参数（工作速度、功耗、抗干扰能力、
带负载能力），参数的物理意义和数值的量级。
4.1 数字集成电路的特点与分类
半导体集成电路：采用外延生长、氧化、光刻、扩散等技术，将多个晶体管、电阻、电容等元件以及它们之间的连线做在一块半导体基片上所构成的电路。
按内部有源器件不同分类：
双极型数字集成电路（ TTL电路）
MOS型数字集成电路（ CMOS电路）
按集成度不同分类：
小规模集成电路（ SSI）,10～ 100元件／片如各种逻辑门电路、集成触发器。
中规模集成电路（ MSI）,100～ 1000元件／片，
如译码器、编码器、寄存器、计数器。
大规模集成电路（ LSI）,1000 ～ 105元件／片，
如中央处理器，存储器。
超大规模集成电路（ VLSI）,105元件以上／片。
CPU（ Pentium)含有元件 310万～ 330万个逻辑状态与正、负逻辑约定
在数字电路中，我们可以规定高电位为逻辑 1,低电位为逻辑 0,反之也可以规定低电位为逻辑 1,高电位为逻辑 0 。前者叫做“正逻辑
”约定，后者叫做“负逻辑
”约定。
uo
1 0
0 1
高电位低电位正逻辑约定负逻辑约定
4.2 晶体管－晶体管逻辑电路 (TTL电路 )
4.2.1 最简单的与门、非门和与非门电路
1,二极管与门设 UIH=+3V ； UIL=0V。二极管正向导通时的压降近似为 0
输入 输出
FA B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
输入 输出
FA B
0V 0V 0V
0V 3V 0V
3V 0V 0V
3V 3V 3V
电路的输入与输出电位 电路的真值表
由真值表可知，上面电路是一个与门
2,三极管非门设 UIH=5V ； UIL=0.2V。三极管饱和时 UCES = 0.2V
输入 A 输出 F
0 1
1 0
输入 A 输出 F
0.2V 5V
5V 0.2V
电路的输入与输出电位 电路的真值表
由真值表可知，上面电路是一个非门
+
3
晶体管与非门
4.2.2 TTL与非门电路输入 输出
FA B
0 0 1
0 1 1
1 0 1
1 1 0
输入 输出
FA B
0.2V 0.2V 5V
0.2V 5V 5V
5V 0.2V 5V
5V 5V 0.2V
输入与输出电位电路的真值表
晶体管的结构示意图及电路符号
C 集电极
B
E 发射极
P
集电结发射结
N
N
MOS场效应管
P型硅片作衬底，表面制作两个 N型区，引出源极 (s)
和漏极 (d)，覆盖一层 SiO2，在漏源之间绝缘层上再制作一层金属铝，引出栅极 (g) 。
金属 -氧化物 -半导体场效应管（ Metal-Oxide-semiconductor)
电路符号
g
d
s
P沟道增强型 MOS管 S＋ D－
电流从 S流入,D流出
P沟道增强型 MOS管 P60--61
输出级：
推拉式电路结论,1.输入高电位时,T4饱和,T3截止,UOL=0.2V
2,IIH=40μA; IOL=16mA (UOL=0.2V)
饱和结论,1.输入低电位时,T4截止,T3导通,UOH=3.6V
2,IIL=1.6mA(器件手册 ); IOH=0.4mA (UOH=3.6V)
TTL与非门的电压传输特性
1．电压传输特性曲线,Vo=f（ Vi）
当 uI 增大到 1.4 V左右时，输出电压 uO迅速下降，
此时对应的输入电压值称为阈值电压 uTH
为了区别 1 和 0 两种逻辑状态，规定了输出高电位的下限 UOH(min)＝ 2.4V，
输出低电位的上限 UOL(max)＝ 0.4V。
UO＞ 2.4V，为逻辑 1 状态
UO＜ 0.4V，为逻辑 0 状态
UIH(min)：保证输出为低电位即 UO＜ 0.4V
，输入高电位的下限（开启电压）。
UIL(max)：保证输出为高电位即 UO＞ 2.4V
，输入低电位的上限（关闭电压）。
TT
L
非门传输特性
UIH(min)=2.0VUIL(max)=0.8V
在前一级输出为最坏的情况下,后一级门的输入电压允许的变化幅度叫做噪声容限。
高电位噪声容限
UNH=UOH(min) － UIH(min) =2.4 － 2.0V=0.4V
低电位噪声容限
UNL=UIL(max) － UOL (max)=0.8 － 0.4V=0.4V
门电路噪声容限 = min{UNH,UNL}
噪声容限是用来说明门电路抗干扰能力大小的参数。
IH
OH
OH I
IN?
101040 104.0 6
3
扇出系数 NO：
一个门能够驱动同类型门的最大数目
IL
OL
OL I
IN?
106.116
扇出系数
N0=min{NOH,NOL}
集电极开路门简称 OC门
UCC
RL
与普通 TTL与非门相比,OC门去掉了 T3,D，使 T4
集电极开路，并作为电路的输出端。
OC门正常工作时，要外接一个上拉电阻 RL。
T4 截止 输出为高电位
T4 饱和 输出为低电位
Y1
Y2
Y
ABY?1
CDY?2
1
2
Y1 和 Y2 分开 连接后门 1 T4 饱和
（ Y1 = 0 ）
门 2 T4 饱和
（ Y2= 0 ） Y = 0
门 1 T4 饱和
（ Y1 = 0 ）
门 2 T4 截止
（ Y2= 1 ） Y = 0
门 1 T4 截止
（ Y1 = 1 ）
门 2 T4 饱和
（ Y2= 0 ） Y = 0
门 1 T4 截止
（ Y1 = 1 ）
门 2 T4 截止
（ Y2= 1 ） Y = 1
T4
R L
UCC
T4
OC门 1
OC门 2
Y1
Y2
Y
CDABYYY 21 CDAB
实现了与功能，称为线与。
三态 TTL门三态 TTL门与普通 TTL门不同，它的输出端除了可以出现高、低电位
（正常工作状态，低阻输出），还可以出现第三种状态 —— 高阻状态
（或称阻塞状态、禁止状态）
A,B输入端 F输出端
G 控制端三态门输入 输出
FG A
1 0 高阻态1
0 0 01 1
三态门最重要的一个用途是可以实现用同一根导线轮流传送不同的数据或信号，这根线叫做总线。
4.3 CMOS逻辑电路
4.3.1 CMOS反相器
CMOS反相器传输特性
2.阈值电压 UTH=UDD/2;
UDD=5V,UTH=2.5V
1,UOH≈5V;
UOL≈0V
3,UNL=UNH = 1.4V
1.4V(CMOS)>0.4V(TTL)
COMS反相器抗干扰能力强
MOS门电路互相连接时，门电路输出总要接到其他门电路的输入端，所以相当于带有电容性负载 CL。
与 TTL不同,MOS管的栅极电流极小,CMOS门的扇出系数取决于负载电容的大小和工作速度的要求，即驱动的门数越多，负载电容越大，充放电时间越长，工作速度越慢。
CMOS 传输门
A 和 A 控制传输门的通断,A
＝＋ UDD A＝ 0V时，传输门接通 A
＝ 0V A＝＋ UDD时，传输门断开左下图 uI 由 0V变为 UDD时,CL充电右下图 uI 由 UDD变为 0V时,CL放电逻辑符号见 P286附录
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