第三章门电路
3.1 概述
3.2 半导体二极管门电路
3.3 CMOS门电路
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.5 其他类型的CMOS门电路
3.5 TTL门电路
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
3.5.5 其他类型的TTL门电路
★
★
3.1 概述
◆门电路：实现基本逻辑运算、复合逻辑运算的单元电路，如与门、或门、与非门、······
◆以高/低电平表示逻辑状态的1/0，高/低电平都允许有一定的变化范围。采用正逻辑。
已讲述哪 8种门电路？
获得高、低电平的基本原理——
S断开→V
O
高电平1
S接通→V
O
低电平0
3.2 半导体二极管门电路二极管的结构：PN结+ 引线+ 封装
P
N
3.2.1 半导体二极管的开关特性
V
I
=V
IH
=VCC D截止，V
O
=V
OH
=V
CC
V
I
=V
IL
=0 D导通，V
O
=V
OL
=0.7V
二极管的开关等效电路——
V
ON
与V
cc
比较
r
D
与R
L
比较二极管的动态电流波形——
3.2.2 二极管与门
A B Y
0V 0V 0.7V
0V 3V 0.7V
3V 0V 0.7V
3V 3V 3.7V
A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
规定3V以上为1
0.7V以下为0
设V
CC
= 5V
加到A，B的V
IH
=3V，V
IL
=0V
二极管导通时V
DF
=0.7V
3.2.3 二极管或门
A B Y
0V 0V 0V
0V 3V 2.3V
3V 0V 2.3V
3V 3V 2.3V
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
规定2.3V以上为1
0V以下为0
设VCC = 5V
加到A，B的VIH=3V，VIL=0V
二极管导通时VDF=0.7V
二极管构成的门电路的缺点
高低电平有偏移
带负载能力差只用于IC内部的逻辑单元双极型
（BJT,Bipolar Junction
Transistor）
如：TTL
单极型
（Field-Effect-Transistor,
Metal-Oxide-Semiconductor ）
如：场效应管（MOS管）
混合型数字集成电路
3.3 CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
3.3.5 其他类型的CMOS门电路
3.3.6 CMOS电路的正确使用
3.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列
3.3 CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性一、结构和工作原理
S (Source)：源极G (Gate)：栅极
D (Drain)：漏极B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层
PN结
N沟道增强型——
当加+V
DS
时，
V
GS
=0时，D-S间是两个背向PN结串联，i
D
=0
加上+V
GS
，且V
GS
>V
GS (th)
，开启电压,D-S间形成导电沟道
N沟道增强型——
①输入特性：i
G
~ V
GS
仅有V
GS
时，直流电流i
G
＝0
②输出特性：i
D
~V
DS
对应不同的V
GS
下的一族曲线
i
G
二、输入特性和输出特性（共源接法）
MOS管输出特性曲线
（漏极特性曲线）
双极型三极管输出特性曲线可变电阻区截止区恒流区漏极特性曲线截止区：V
GS
<V
GS(th)
，i
D
= 0，R
OFF
> 10
9
Ω
漏极与源极之间无导电沟道截止区漏极特性曲线恒流区：i
D
基本上由V
GS
决定，与V
DS
关系不大
2
)(
2
)(
)1(
GSDthGSGS
thGS
GS
DSD
ViVV
V
V
Ii
∝>>
=
下，当恒流区转移特性曲线漏极特性曲线可变电阻区：当V
DS
较低（近似为0），V
GS
一定时，这个电阻受V
GS
控制、可变。
常数（电阻）≈
DDS
iV
可变电阻区三、基本开关电路
9
10,1
()
() 0
OFF ON
I IL GS O OH DD
IIHGS OOL
I
RRK
VV Vth T VV V
VV Vth T VV
MOS D S V
>Ω <Ω
=<?→→= ≈
=>?→→= ≈
当截止当导通所以 管 间相当于一个受 控制的开关。
逻辑非四、开关等效电路
OFF,截止状态ON，导通状态五、MOS管的四种类型大量正离子导电沟道增强型耗尽型
+++
___
_
_
+
+
+
+
_
_
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构
0
0
2
0
01
12
2
1
21
2
1
≈=?
>=
<=
=
≈=?
<=
>=
=
OLO
NTHGSDDGS
PTHGSGS
DDIHI
DDOHO
NTHGSGS
PTHGSDDGS
ILI
VVTT
VVV
VV
VVV
VVVTT
VV
VVV
VV
截止导通，
＝）
截止导通，
＝）
)(
)(
)(
)(
逻辑非互补工作状态
()
12
()
21
() ()
12
12
0
,
11
,
22
IGSTHN
OOHD
IDDGSTHP
OOL
GS TH N I DD GS TH P
I DD O DD
A VV
TT VVV
VV V
TT VV
VVVV
TT
TT V V
B
C
V
D
BC
V
<
= =
>?
= =
<<?
==
导通,截止导通,截止同时导通若 参数完全对称,时段：
，
段：
段：
二、电压、电流传输特性电压传输特性电压传输特性
V
O
~ V
I
二、电压、电流传输特性电流传输特性
i
D
~ V
I
1）AB及CD段，T1或者T2截止，内阻很高，则i
D
=0
2）BC段，T1及T2均导通，且V
I
＝0.5V
DD
时，i
D
最大三、输入端噪声容限
(
IIHIL
O
VVV
V
在偏离 )的一定范围内,基本不变；
在保证输出高、低电平基本不变的条件下，
允许输入信号的高、低电平有一个波动范围，
该范围称为输入端的噪声容限
(max)(max)
(min)(min)
OLILNL
IHOHNH
VVV
VVV
=
=
三、输入端噪声容限结论：可以通过提高V
DD
来提高噪声容限随着V
DD
的增加，V
NH
和V
NL
也相应地加大
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性（i
G
~V
I
)
D
1
D
2
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性（i
G
~V
I
)
二、输出特性（输出低电平）
二、输出特性（输出低电平）
()
OL OL
OL GS IH DD
DD GS OL
VfI
IVVV
VVV
=
==
∴ ↑↑?↓
输出低电平特性同样的 下，
，则
G
S
D
I
OL
V
OL
二、输出特性（输出高电平）
二、输出特性（输出高电平）
()
OH OH
OH DD GS
SD OH
VfI
IVV
VV
=
↑ ↑
↓
输出高电平特性同样的 下，
导通内阻越小越小,越少
G
S
D
I
OH
V
OH
=V
DD
-V
SD
3.3.4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间
1.
2,74HC 10ns 74AHC 5ns
ON
PHL PLH
R
tt≈
因为 较大，所以电容充放电的影响也较大；
,系列为,系列为 。
二、交流噪声容限传输延迟时间越长，交流噪声容限也越大；
交流噪声容限受电源电压和负载电容的影响。
三、动态功耗（包括导通功耗和电容充放电功耗）
12
24
13
1
,(
1.
)
tt
TDDTAV TAV T T
tt
TT
PVI I idt idt
T
==+
∫∫
（ 与 同时导通）
其中导通功耗
12
2
,
.
,
2
I DD L P I L N
CLD
C
D
VV TC i VCT i
PCfV
P
↓↑
=
当 经 向 充电有 ；当 经 放电有可得平均功耗
负载电容充放电功耗
3.
DTC
PPP=+
总的动态功耗三、动态功耗（包括导通功耗和电容充放电功耗）
3.3.5 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路
（与门、或门、与非门。。。）
()YAB
′
= +
()YAB
′
=
1,与非门
2.或非门
1
3
2.
3
0,1
1,0
.
OON ON
OON ON
OL OH
RR R
RR RB
V
B
A
V
A=
=
==
===
=
输出的高低电平则则输入端越多,越高,也更高受输入端数目的影响输入端工作状态不同影响电压传输特性
24
13
1,1
2
1
0,
/
1
/
2
.
0
OON ON ON
OON N ON
O
O
RR R R
R
A
R
RR R
B
AB
=+=
==
==
==
与输出电阻非门存在的,
则缺受输入状态影响点则带缓冲极的CMOS门电路解决方法：在每个输入端、输出端各增设一级反相器与非门缓冲器或非门?+
二、漏极开路的门电路（OD门）
T
N
构成一个非门吗？
++与非门 非门 非门 = 与非门
1.
2,( )
LDDD D
RVV V
′′
可将输出并联使用，实现或用作,驱动器使用时允许外接,可以不等于线与电平转换
OD门优点
)())).()(((
).()(.
21
′
+=
′′′′
=
′′
==
CDABCDAB
CDABYYY
×
？普通门电路，可以直接线与吗？
A
B
A
′
B
′
AB
′ ′
i
三、CMOS传输门及双向模拟开关
1,传输门
I
L
V
R
设为正，
另一端经 接地
C
’
C
’
互补的控制信号
12
() 1
() 2
12
,0
0~
0
(1) 0 1
(2) 1 0
~0
0~
LONIHDIL
IDD
I DD I DD GS th N
GS th P I DD
IDD IO
RRVVV
VVTT
VV VVV T
VVVT
VVTT VV
CC
CC
′
=
>> = =
=
=
=
′
==
<<?
<<
设，
则只要,则,均截止，传输门截止时,导通
，导通所以 在,和 至少一当，
当个导通,之
，
间为低电阻
I
L
V
R
设 为正，
另一端经 接地
2,双向模拟开关
（用以传输连续变化的模拟电压信号）
CMOS传输门＋CMOS反相器＝模拟开关四、三态输出门
)(高阻时，
时，
ZYNE
AYNE
==
′
′
==
′
1
0
三态输出反相器三态门的用途（总线分时复用、数据双向传输）
0
1
1
0
END
EN D
′
==
′
′
=
，总线数据
,=总线数据
3.3.6 CMOS电路的正确使用一、输入电路的静电防护
1、储存和运输时，采用金属屏蔽层作包装材料；
2、组装、调试时，工具和人体应良好接地；
2、不用的输入端不应该悬空。
二、输入电路的过流保护
1、当输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻；
2、输入端接有大电容时，也应该在输入端与电容之间串进保护电阻；
3、在输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。
三、CMOS电路锁定效应的防护由于制造工艺上的原因，在CMOS电路内部有寄生三极管和电阻存在，形成了正反馈电路，
通电后由于正反馈作用将电流迅速放大，电路处于导通状态，发生锁定效应。
防护措施：加钳位电路或者去耦电路，使得
)(
)(
击穿电压
BRDDDD
FDDoF
FDDIF
VV
VVvV
VVvV
<
+<<?
+<<?
3.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列
CMOS电路的突出优点是低功耗、高抗干扰能力
1、4000系列
2、HC/HCT (高速CMOS)
3,AHC/AHCT (改进的高速CMOS)
VHC/VHCT
4,LVC (低压CMOS)
5,ALVC (低压CMOS)
3.5 TTL门电路
3.3.1 双极型三极管的开关特性
3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
3.3.3 TTL反相器的静态输入和输出特性
3.3.4 TTL反相器的动态特性
3.3.5 其他类型的TTL门电路
3.3.6 TTL数字集成电路的各种系列
3.5.1 双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构双极型三极管（BJT,Bipolar Junction Transistor）
管芯+ 三个引出电极+ 外壳管芯部分的结构——
基区薄，
低掺杂集电区，低掺杂发射区，高掺杂输入特性输出特性二、双极型三极管的输入特性和输出特性
)(
CEC
Vfi =
()
B BE
i f V=
双极型三极管的输入特性曲线（NPN）
V
ON
：开启电压
硅管：0.5 ~ 0.7V
锗管：0.2 ~ 0.3V
V
BE
< V
ON
i
B
= 0
V
BE
≥V
ON
i
B
的大小由外电路电压和电阻决定类似PN结的伏安特性在不同的i
B
值下，得一族曲线，分为3个区域。
双极型三极管的输出特性曲线（NPN）
()
CCEB
i f Vi=,
放大区：条件V
CE
> 0.7V,
i
B
>0,i
C
随i
B
成正比变化，
Δi
C
=βΔi
B
。
饱和区：条件V
CE
< 0.7V,
i
B
>0,Δi
C
随Δi
B
增加变缓，趋于“饱和”。
截止区：条件V
BE
= 0V,
i
B
= 0,i
C
= 0,
c—e间“断开”。
三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：
V
I
=V
IL
时，T截止，V
O
=V
OH
V
I
=V
IH
时，T导通，V
O
=V
OL
逻辑非工作状态分析——
( 01),0,
BE ON BI OCIL CC
VVT ii VVVV= = < ≈则截止，近，若 似为
(2)
,
ION
BB CB
B
C O CE CC C C CC B
IBC O
C
O
V
ION
I
VV
ii ii
R
RVVViR
V
VV
ViR
V
A
V
iiV
β
β
↑→ ↑→ ↑→ ↓
==
==? =?
Δ
=
Δ
>
当上升至 后,有 产生，,并有对应的流过,于是得到 。
所以 三极管工作在放大区
()
(3)
0
0
BO
CCCO
OOLCsat
I
E
iV
RV
V
V
V
VV
≈
= =≈
当继,继续上升,继续下降当 上的压降接近于 时,。
管子工作在深度饱和状态续上升图解分析法——
C
CE CC C C CC C B
RCC
VVRiVRi
VRi
β=?=?
=
四、双极型三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态五、双极型三极管的动态开关特性
PN结存在电容效应，在饱和与截止两个状态之间转换时，i
C
的变化将滞后于V
I
，
相应V
O
的变化也滞后于V
I
。
六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是非门
（反相器）。实际应用中，为保证V
I
=V
IL
时T可靠截止，常在输入端接入负电源。
检验参数合理与否的标准：V
I
=V
IL
时，T截止，V
O
=V
OH；V
I
=V
IH
时，T导通，V
O
=V
OL
例3.5.1：试通过计算说明参数设计是否合理？
5V
-8V
3.3KΩ
10KΩ
1KΩ
V
IH
=5V
V
IL
=0V
β=20
V
CE(sat)
= 0.1V
①将发射结外接电路化为等效的V
B
与R
B
电路
33
313
8
52
1
21
21
.
.
.//
×
+
=
+
=
Ω==
I
I
EEI
IB
B
V
VR
RR
VV
VV
KRRR
②当
③当
④又
⑤因此，参数设计合理
8
03.32.0
13.3
.
0
05
IIL B
COOHC
VV
TiVVV
VV
V
=? =?
==
==
==
，
所以 截止，,
时
58
53.31.8
13.3
0.
4
5
7
0.4
IIH B
BE
BBE
B
B
VVT
VV
VV
V
mA
VV
i
R
+
=? =
=
==
== 所以 导通如果用折线等效电路，认为则得：
时，
()
0.25
()0
CS CC CE
BS
C
BBS O CE
BS
IVVsat
ImA
R
ii T VVsat V
I
ββ
== =
>=≈
深度饱和时的 为：
可见,故 饱和，
一、电路结构设
5
3.4
0.2
0.7
CC
IH
IL
ON
VV
VV
VV
VV
=
=
=
=
0.2
1
0)
()
(
IIL
OOH
VV V
A
VVY
=
==
==
3.4
0
1)
()
(
IIH
OOL
VV V
A
VVY
=
==
==
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
YA
′
=
(0)
0.2
IL
I
VV
A
V==
=
11
0.9
B
TVV=导通
2
22EC
T
VV
截止低电平 高电平
54
TT截止 导通
OOH
VV=
(1)
3.4
IH
I
VV
A
V==
=
11
4.1
B
TVV=导通
25
1
2.1
B
TT
VV
=
、导通钳制
2
4
C
V
T
低电平截止
OOL
VV=
互补工作状态二、电压传输特性
(V
O
~V
I
)
1
1254 242
1
254
0.6,1.3
3.4
0.7 1.3 1.4 2.0
IB
OH CC R BE D
IB
IO
VVVV
TTTT VVVVVV
VV V VV V
T
B
V
C
V
A
B
<∴<
==
<< ∴ < <
↑? ↓
导通,,截止,导通
，
导通且工作在放大区,截止,导通截止区线性
：
,区段
，
段
1
25 4
1.4,2.1
0
ITH B
OOL
IOOOL
VV V V V
TT T V
CD
DE
V
VVVV
=≈ ∴≥
∴ ↓? ≈
↑=
,同时导通,截止,迅速继续,不转折区饱和区段,
段：
变：
需要说明的几个问题——
①
②
③
222CE
TVV的输出 和 变化方向相反，故称倒相级。
45
TT输出级在稳态下,和 总有一个导通、一个截止。既能降低功耗又提高了带负推拉载能力，
称 式电路 。
1
2 2
5
T
T
D
D
抑制负向干扰；
保证 导通时可靠地截止。
三、输入噪声容限
IIHIL O
VVV V在 偏离 和 一定的范围内,基本不变；
在保证输出高、低电平基本不变的条件下，
允许输入电平的波动范围称为输入端噪声容限。
(max)(max)
(min)(min)
OLILNL
IHOHNH
VVV
VVV
=
=
一、输入特性i
I
=f(u
I
)
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性二、输出特性i
L
=f(V
O
)
输出高电平输出低电平扇出系数（Fan-out）：指当前门电路能驱动同类型门电路的个数。
3.2 0.4
0.2 16
IIL
OH OH
IIH
OL OL
VV
VVi mA
VV
VVimA
=
≥≤
=
≤≤
要求保证——
时，
（查得 ）；
时，
（查得 ）。
3.5.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间产生的原因：结电容和寄生电容的存在二、交流噪声容限正脉冲噪声容限当输入信号为窄脉冲，且接近门电路的传输延迟时间时，输出状态的变化跟不上输入信号，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。
负脉冲噪声容限
OOL
VV=
OOH
VV=
12
2,5 4
1
11
1
3.4
1.1
CC BE CC C
COOL
OO
CL
CC BE
CC BH H
VV VV
TTI mA
RR
VV
VV
VV
TIi mA
R
=+=
==
=
= =
空载条件下：
，导通，截止，
，仅 导通时
，时三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流
45
I
V
TT
↑↓和过程中，
瞬时,同成因：
时导通。
CC
fI↑? ↑；
通过电源线和地线形成影响：
干扰源。
3.5.5 其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路
1,与非门
154
1425
0.2
0.9,
2.1,
B
OOH
B
OOL
AB V
AB
VVT T
VV
VVT T
VV
=
=
=
=
，
，
截止而 导通，
，
当 和 有一个为 时当 和 同为高电导通，
平截止，
时
()YAB
′
=
2,或非门
()YAB
′
= +
54
54
11
00
OOL
OOH
AB
TT
VV
AB
TT
VV
= =?
=
= =?
=
或导通,截止且截止,导通
3.与或非门将或非门的每个输入端改用多发射极三极管
()YABCD
′
=+
4,异或门
YAB= ⊕
二、集电极开路的门电路（OC门）
推拉式电路结构的局限性
①输出高电平不可调
②带负载能力不强，不能驱动大电流、高电压的负载
③输出端不能并联使用
OC门
OC门结构特点
5
5
5
7407:40 /30
2
0
3;
0
LCC
CC CC
LCC
OL
OCC
SN mA V
RV
AB T V
AB T V V
OC T
RV
VV
′
′
′
≈
′
≈
1、
如
、工 只要 和 取值合适，
输出端为 三极管,可定可使：,同为承受较大的电压和电流作时需要外接 和
（ 可以不等于 ）
若干个OC门的输高时,饱和出端并联可或为时实现
，截止
,“线与”
OC门实现的线与
12
12
()()( )
YY Y Y
YYY AB CD ABCD
′′ ′
==? =+
,有一个为低,即为低；只有两者同高,才为高，
所以
'
(max)
,
,
()
OH
IH
OOH
CC L OH IH OH
CC OH
LL
OH IH
OC
I
I
VV
VRnIm V
VV
RR
nI mI
≥
+≥
∴ ≤=
+
门同时截止，
截止漏电流为负载输入电流为为保证外接负载电阻R
L
的计算（输出高电平）
'
(min)
(max)
,
IL
OOL OL
L
CC OL
LL
OL IL
I
VV I
R
VV
RR
Im
≤
∴ ≥=
′
负载门输入电流为为保证 且 不过大不能太小外接负载电阻R
L
的计算（输出低电平）
(max)OL
OC
OC I
当仅一个 门导通，
门饱和时允许的最大电流为三、三态输出门（TS）
)(,ZVV
OHOL
，高阻输出有三个状态：
ZYDPEN
ABYDPEN
=?==
′
=?==
导通，为“高阻状态”
截止，为“工作状态”
,,)(
)(,,)(
012
101
三态门的用途（总线分时复用、数据双向传输）
0
1
1
0
END
EN D
′
==
′
′
=
，总线数据
,=总线数据一、74H/74L系列电路的改进：减少（或者加大）各电阻值性能特点：提高速度与减小功耗成为一对矛盾
3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列
() ( )
pd
dp t ns P mw↓↓ =?进一步改进的目标：
二、74S系列（肖特基Schottky TTL）
电路的改进：(1)采用抗饱和三极管；(2)用有源泄放电路代替74H系列中的R3；(3)减小电阻值。
1.1 0.4
TH OL
VVVV↑下降到 左右,至 左右性能特点:速度得到提高，电压传输特性无线性区，功耗增大三、74LS系列(低功耗肖特基系列）
（Low-Power Schottky TTL）
四、74AS系列五、74ALS系列六、74F系列作业及要求——
要求：用正规的练习本书写，有必要的推导过程和必要的陈述说明语句（废话少说）；每周二上课前交，课后补交的不要。
作业：P150 3.2 与门异或门3.3
3.7 (a) (d) 3.8
3.15 3.10(P154有参数)
3.13 (b) (c) 3.14
3.18 3.21
3.29
3.1 概述
3.2 半导体二极管门电路
3.3 CMOS门电路
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.5 其他类型的CMOS门电路
3.5 TTL门电路
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
3.5.5 其他类型的TTL门电路
★
★
3.1 概述
◆门电路：实现基本逻辑运算、复合逻辑运算的单元电路，如与门、或门、与非门、······
◆以高/低电平表示逻辑状态的1/0，高/低电平都允许有一定的变化范围。采用正逻辑。
已讲述哪 8种门电路？
获得高、低电平的基本原理——
S断开→V
O
高电平1
S接通→V
O
低电平0
3.2 半导体二极管门电路二极管的结构：PN结+ 引线+ 封装
P
N
3.2.1 半导体二极管的开关特性
V
I
=V
IH
=VCC D截止，V
O
=V
OH
=V
CC
V
I
=V
IL
=0 D导通，V
O
=V
OL
=0.7V
二极管的开关等效电路——
V
ON
与V
cc
比较
r
D
与R
L
比较二极管的动态电流波形——
3.2.2 二极管与门
A B Y
0V 0V 0.7V
0V 3V 0.7V
3V 0V 0.7V
3V 3V 3.7V
A B Y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
规定3V以上为1
0.7V以下为0
设V
CC
= 5V
加到A，B的V
IH
=3V，V
IL
=0V
二极管导通时V
DF
=0.7V
3.2.3 二极管或门
A B Y
0V 0V 0V
0V 3V 2.3V
3V 0V 2.3V
3V 3V 2.3V
A B Y
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
规定2.3V以上为1
0V以下为0
设VCC = 5V
加到A，B的VIH=3V，VIL=0V
二极管导通时VDF=0.7V
二极管构成的门电路的缺点
高低电平有偏移
带负载能力差只用于IC内部的逻辑单元双极型
（BJT,Bipolar Junction
Transistor）
如：TTL
单极型
（Field-Effect-Transistor,
Metal-Oxide-Semiconductor ）
如：场效应管（MOS管）
混合型数字集成电路
3.3 CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性
3.3.4 CMOS反相器的动态特性
3.3.5 其他类型的CMOS门电路
3.3.6 CMOS电路的正确使用
3.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列
3.3 CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性一、结构和工作原理
S (Source)：源极G (Gate)：栅极
D (Drain)：漏极B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层
PN结
N沟道增强型——
当加+V
DS
时，
V
GS
=0时，D-S间是两个背向PN结串联，i
D
=0
加上+V
GS
，且V
GS
>V
GS (th)
，开启电压,D-S间形成导电沟道
N沟道增强型——
①输入特性：i
G
~ V
GS
仅有V
GS
时，直流电流i
G
＝0
②输出特性：i
D
~V
DS
对应不同的V
GS
下的一族曲线
i
G
二、输入特性和输出特性（共源接法）
MOS管输出特性曲线
（漏极特性曲线）
双极型三极管输出特性曲线可变电阻区截止区恒流区漏极特性曲线截止区：V
GS
<V
GS(th)
，i
D
= 0，R
OFF
> 10
9
Ω
漏极与源极之间无导电沟道截止区漏极特性曲线恒流区：i
D
基本上由V
GS
决定，与V
DS
关系不大
2
)(
2
)(
)1(
GSDthGSGS
thGS
GS
DSD
ViVV
V
V
Ii
∝>>
=
下，当恒流区转移特性曲线漏极特性曲线可变电阻区：当V
DS
较低（近似为0），V
GS
一定时，这个电阻受V
GS
控制、可变。
常数（电阻）≈
DDS
iV
可变电阻区三、基本开关电路
9
10,1
()
() 0
OFF ON
I IL GS O OH DD
IIHGS OOL
I
RRK
VV Vth T VV V
VV Vth T VV
MOS D S V
>Ω <Ω
=<?→→= ≈
=>?→→= ≈
当截止当导通所以 管 间相当于一个受 控制的开关。
逻辑非四、开关等效电路
OFF,截止状态ON，导通状态五、MOS管的四种类型大量正离子导电沟道增强型耗尽型
+++
___
_
_
+
+
+
+
_
_
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、电路结构
0
0
2
0
01
12
2
1
21
2
1
≈=?
>=
<=
=
≈=?
<=
>=
=
OLO
NTHGSDDGS
PTHGSGS
DDIHI
DDOHO
NTHGSGS
PTHGSDDGS
ILI
VVTT
VVV
VV
VVV
VVVTT
VV
VVV
VV
截止导通，
＝）
截止导通，
＝）
)(
)(
)(
)(
逻辑非互补工作状态
()
12
()
21
() ()
12
12
0
,
11
,
22
IGSTHN
OOHD
IDDGSTHP
OOL
GS TH N I DD GS TH P
I DD O DD
A VV
TT VVV
VV V
TT VV
VVVV
TT
TT V V
B
C
V
D
BC
V
<
= =
>?
= =
<<?
==
导通,截止导通,截止同时导通若 参数完全对称,时段：
，
段：
段：
二、电压、电流传输特性电压传输特性电压传输特性
V
O
~ V
I
二、电压、电流传输特性电流传输特性
i
D
~ V
I
1）AB及CD段，T1或者T2截止，内阻很高，则i
D
=0
2）BC段，T1及T2均导通，且V
I
＝0.5V
DD
时，i
D
最大三、输入端噪声容限
(
IIHIL
O
VVV
V
在偏离 )的一定范围内,基本不变；
在保证输出高、低电平基本不变的条件下，
允许输入信号的高、低电平有一个波动范围，
该范围称为输入端的噪声容限
(max)(max)
(min)(min)
OLILNL
IHOHNH
VVV
VVV
=
=
三、输入端噪声容限结论：可以通过提高V
DD
来提高噪声容限随着V
DD
的增加，V
NH
和V
NL
也相应地加大
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性（i
G
~V
I
)
D
1
D
2
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性一、输入特性（i
G
~V
I
)
二、输出特性（输出低电平）
二、输出特性（输出低电平）
()
OL OL
OL GS IH DD
DD GS OL
VfI
IVVV
VVV
=
==
∴ ↑↑?↓
输出低电平特性同样的 下，
，则
G
S
D
I
OL
V
OL
二、输出特性（输出高电平）
二、输出特性（输出高电平）
()
OH OH
OH DD GS
SD OH
VfI
IVV
VV
=
↑ ↑
↓
输出高电平特性同样的 下，
导通内阻越小越小,越少
G
S
D
I
OH
V
OH
=V
DD
-V
SD
3.3.4 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间
1.
2,74HC 10ns 74AHC 5ns
ON
PHL PLH
R
tt≈
因为 较大，所以电容充放电的影响也较大；
,系列为,系列为 。
二、交流噪声容限传输延迟时间越长，交流噪声容限也越大；
交流噪声容限受电源电压和负载电容的影响。
三、动态功耗（包括导通功耗和电容充放电功耗）
12
24
13
1
,(
1.
)
tt
TDDTAV TAV T T
tt
TT
PVI I idt idt
T
==+
∫∫
（ 与 同时导通）
其中导通功耗
12
2
,
.
,
2
I DD L P I L N
CLD
C
D
VV TC i VCT i
PCfV
P
↓↑
=
当 经 向 充电有 ；当 经 放电有可得平均功耗
负载电容充放电功耗
3.
DTC
PPP=+
总的动态功耗三、动态功耗（包括导通功耗和电容充放电功耗）
3.3.5 其他类型的CMOS门电路一、其他逻辑功能的门电路
（与门、或门、与非门。。。）
()YAB
′
= +
()YAB
′
=
1,与非门
2.或非门
1
3
2.
3
0,1
1,0
.
OON ON
OON ON
OL OH
RR R
RR RB
V
B
A
V
A=
=
==
===
=
输出的高低电平则则输入端越多,越高,也更高受输入端数目的影响输入端工作状态不同影响电压传输特性
24
13
1,1
2
1
0,
/
1
/
2
.
0
OON ON ON
OON N ON
O
O
RR R R
R
A
R
RR R
B
AB
=+=
==
==
==
与输出电阻非门存在的,
则缺受输入状态影响点则带缓冲极的CMOS门电路解决方法：在每个输入端、输出端各增设一级反相器与非门缓冲器或非门?+
二、漏极开路的门电路（OD门）
T
N
构成一个非门吗？
++与非门 非门 非门 = 与非门
1.
2,( )
LDDD D
RVV V
′′
可将输出并联使用，实现或用作,驱动器使用时允许外接,可以不等于线与电平转换
OD门优点
)())).()(((
).()(.
21
′
+=
′′′′
=
′′
==
CDABCDAB
CDABYYY
×
？普通门电路，可以直接线与吗？
A
B
A
′
B
′
AB
′ ′
i
三、CMOS传输门及双向模拟开关
1,传输门
I
L
V
R
设为正，
另一端经 接地
C
’
C
’
互补的控制信号
12
() 1
() 2
12
,0
0~
0
(1) 0 1
(2) 1 0
~0
0~
LONIHDIL
IDD
I DD I DD GS th N
GS th P I DD
IDD IO
RRVVV
VVTT
VV VVV T
VVVT
VVTT VV
CC
CC
′
=
>> = =
=
=
=
′
==
<<?
<<
设，
则只要,则,均截止，传输门截止时,导通
，导通所以 在,和 至少一当，
当个导通,之
，
间为低电阻
I
L
V
R
设 为正，
另一端经 接地
2,双向模拟开关
（用以传输连续变化的模拟电压信号）
CMOS传输门＋CMOS反相器＝模拟开关四、三态输出门
)(高阻时，
时，
ZYNE
AYNE
==
′
′
==
′
1
0
三态输出反相器三态门的用途（总线分时复用、数据双向传输）
0
1
1
0
END
EN D
′
==
′
′
=
，总线数据
,=总线数据
3.3.6 CMOS电路的正确使用一、输入电路的静电防护
1、储存和运输时，采用金属屏蔽层作包装材料；
2、组装、调试时，工具和人体应良好接地；
2、不用的输入端不应该悬空。
二、输入电路的过流保护
1、当输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻；
2、输入端接有大电容时，也应该在输入端与电容之间串进保护电阻；
3、在输入端接长线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。
三、CMOS电路锁定效应的防护由于制造工艺上的原因，在CMOS电路内部有寄生三极管和电阻存在，形成了正反馈电路，
通电后由于正反馈作用将电流迅速放大，电路处于导通状态，发生锁定效应。
防护措施：加钳位电路或者去耦电路，使得
)(
)(
击穿电压
BRDDDD
FDDoF
FDDIF
VV
VVvV
VVvV
<
+<<?
+<<?
3.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列
CMOS电路的突出优点是低功耗、高抗干扰能力
1、4000系列
2、HC/HCT (高速CMOS)
3,AHC/AHCT (改进的高速CMOS)
VHC/VHCT
4,LVC (低压CMOS)
5,ALVC (低压CMOS)
3.5 TTL门电路
3.3.1 双极型三极管的开关特性
3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
3.3.3 TTL反相器的静态输入和输出特性
3.3.4 TTL反相器的动态特性
3.3.5 其他类型的TTL门电路
3.3.6 TTL数字集成电路的各种系列
3.5.1 双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构双极型三极管（BJT,Bipolar Junction Transistor）
管芯+ 三个引出电极+ 外壳管芯部分的结构——
基区薄，
低掺杂集电区，低掺杂发射区，高掺杂输入特性输出特性二、双极型三极管的输入特性和输出特性
)(
CEC
Vfi =
()
B BE
i f V=
双极型三极管的输入特性曲线（NPN）
V
ON
：开启电压
硅管：0.5 ~ 0.7V
锗管：0.2 ~ 0.3V
V
BE
< V
ON
i
B
= 0
V
BE
≥V
ON
i
B
的大小由外电路电压和电阻决定类似PN结的伏安特性在不同的i
B
值下，得一族曲线，分为3个区域。
双极型三极管的输出特性曲线（NPN）
()
CCEB
i f Vi=,
放大区：条件V
CE
> 0.7V,
i
B
>0,i
C
随i
B
成正比变化，
Δi
C
=βΔi
B
。
饱和区：条件V
CE
< 0.7V,
i
B
>0,Δi
C
随Δi
B
增加变缓，趋于“饱和”。
截止区：条件V
BE
= 0V,
i
B
= 0,i
C
= 0,
c—e间“断开”。
三、双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：
V
I
=V
IL
时，T截止，V
O
=V
OH
V
I
=V
IH
时，T导通，V
O
=V
OL
逻辑非工作状态分析——
( 01),0,
BE ON BI OCIL CC
VVT ii VVVV= = < ≈则截止，近，若 似为
(2)
,
ION
BB CB
B
C O CE CC C C CC B
IBC O
C
O
V
ION
I
VV
ii ii
R
RVVViR
V
VV
ViR
V
A
V
iiV
β
β
↑→ ↑→ ↑→ ↓
==
==? =?
Δ
=
Δ
>
当上升至 后,有 产生，,并有对应的流过,于是得到 。
所以 三极管工作在放大区
()
(3)
0
0
BO
CCCO
OOLCsat
I
E
iV
RV
V
V
V
VV
≈
= =≈
当继,继续上升,继续下降当 上的压降接近于 时,。
管子工作在深度饱和状态续上升图解分析法——
C
CE CC C C CC C B
RCC
VVRiVRi
VRi
β=?=?
=
四、双极型三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态五、双极型三极管的动态开关特性
PN结存在电容效应，在饱和与截止两个状态之间转换时，i
C
的变化将滞后于V
I
，
相应V
O
的变化也滞后于V
I
。
六、三极管反相器三极管的基本开关电路就是非门
（反相器）。实际应用中，为保证V
I
=V
IL
时T可靠截止，常在输入端接入负电源。
检验参数合理与否的标准：V
I
=V
IL
时，T截止，V
O
=V
OH；V
I
=V
IH
时，T导通，V
O
=V
OL
例3.5.1：试通过计算说明参数设计是否合理？
5V
-8V
3.3KΩ
10KΩ
1KΩ
V
IH
=5V
V
IL
=0V
β=20
V
CE(sat)
= 0.1V
①将发射结外接电路化为等效的V
B
与R
B
电路
33
313
8
52
1
21
21
.
.
.//
×
+
=
+
=
Ω==
I
I
EEI
IB
B
V
VR
RR
VV
VV
KRRR
②当
③当
④又
⑤因此，参数设计合理
8
03.32.0
13.3
.
0
05
IIL B
COOHC
VV
TiVVV
VV
V
=? =?
==
==
==
，
所以 截止，,
时
58
53.31.8
13.3
0.
4
5
7
0.4
IIH B
BE
BBE
B
B
VVT
VV
VV
V
mA
VV
i
R
+
=? =
=
==
== 所以 导通如果用折线等效电路，认为则得：
时，
()
0.25
()0
CS CC CE
BS
C
BBS O CE
BS
IVVsat
ImA
R
ii T VVsat V
I
ββ
== =
>=≈
深度饱和时的 为：
可见,故 饱和，
一、电路结构设
5
3.4
0.2
0.7
CC
IH
IL
ON
VV
VV
VV
VV
=
=
=
=
0.2
1
0)
()
(
IIL
OOH
VV V
A
VVY
=
==
==
3.4
0
1)
()
(
IIH
OOL
VV V
A
VVY
=
==
==
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
YA
′
=
(0)
0.2
IL
I
VV
A
V==
=
11
0.9
B
TVV=导通
2
22EC
T
VV
截止低电平 高电平
54
TT截止 导通
OOH
VV=
(1)
3.4
IH
I
VV
A
V==
=
11
4.1
B
TVV=导通
25
1
2.1
B
TT
VV
=
、导通钳制
2
4
C
V
T
低电平截止
OOL
VV=
互补工作状态二、电压传输特性
(V
O
~V
I
)
1
1254 242
1
254
0.6,1.3
3.4
0.7 1.3 1.4 2.0
IB
OH CC R BE D
IB
IO
VVVV
TTTT VVVVVV
VV V VV V
T
B
V
C
V
A
B
<∴<
==
<< ∴ < <
↑? ↓
导通,,截止,导通
，
导通且工作在放大区,截止,导通截止区线性
：
,区段
，
段
1
25 4
1.4,2.1
0
ITH B
OOL
IOOOL
VV V V V
TT T V
CD
DE
V
VVVV
=≈ ∴≥
∴ ↓? ≈
↑=
,同时导通,截止,迅速继续,不转折区饱和区段,
段：
变：
需要说明的几个问题——
①
②
③
222CE
TVV的输出 和 变化方向相反，故称倒相级。
45
TT输出级在稳态下,和 总有一个导通、一个截止。既能降低功耗又提高了带负推拉载能力，
称 式电路 。
1
2 2
5
T
T
D
D
抑制负向干扰；
保证 导通时可靠地截止。
三、输入噪声容限
IIHIL O
VVV V在 偏离 和 一定的范围内,基本不变；
在保证输出高、低电平基本不变的条件下，
允许输入电平的波动范围称为输入端噪声容限。
(max)(max)
(min)(min)
OLILNL
IHOHNH
VVV
VVV
=
=
一、输入特性i
I
=f(u
I
)
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性二、输出特性i
L
=f(V
O
)
输出高电平输出低电平扇出系数（Fan-out）：指当前门电路能驱动同类型门电路的个数。
3.2 0.4
0.2 16
IIL
OH OH
IIH
OL OL
VV
VVi mA
VV
VVimA
=
≥≤
=
≤≤
要求保证——
时，
（查得 ）；
时，
（查得 ）。
3.5.4 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间产生的原因：结电容和寄生电容的存在二、交流噪声容限正脉冲噪声容限当输入信号为窄脉冲，且接近门电路的传输延迟时间时，输出状态的变化跟不上输入信号，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。
负脉冲噪声容限
OOL
VV=
OOH
VV=
12
2,5 4
1
11
1
3.4
1.1
CC BE CC C
COOL
OO
CL
CC BE
CC BH H
VV VV
TTI mA
RR
VV
VV
VV
TIi mA
R
=+=
==
=
= =
空载条件下：
，导通，截止，
，仅 导通时
，时三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流
45
I
V
TT
↑↓和过程中，
瞬时,同成因：
时导通。
CC
fI↑? ↑；
通过电源线和地线形成影响：
干扰源。
3.5.5 其他类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的门电路
1,与非门
154
1425
0.2
0.9,
2.1,
B
OOH
B
OOL
AB V
AB
VVT T
VV
VVT T
VV
=
=
=
=
，
，
截止而 导通，
，
当 和 有一个为 时当 和 同为高电导通，
平截止，
时
()YAB
′
=
2,或非门
()YAB
′
= +
54
54
11
00
OOL
OOH
AB
TT
VV
AB
TT
VV
= =?
=
= =?
=
或导通,截止且截止,导通
3.与或非门将或非门的每个输入端改用多发射极三极管
()YABCD
′
=+
4,异或门
YAB= ⊕
二、集电极开路的门电路（OC门）
推拉式电路结构的局限性
①输出高电平不可调
②带负载能力不强，不能驱动大电流、高电压的负载
③输出端不能并联使用
OC门
OC门结构特点
5
5
5
7407:40 /30
2
0
3;
0
LCC
CC CC
LCC
OL
OCC
SN mA V
RV
AB T V
AB T V V
OC T
RV
VV
′
′
′
≈
′
≈
1、
如
、工 只要 和 取值合适，
输出端为 三极管,可定可使：,同为承受较大的电压和电流作时需要外接 和
（ 可以不等于 ）
若干个OC门的输高时,饱和出端并联可或为时实现
，截止
,“线与”
OC门实现的线与
12
12
()()( )
YY Y Y
YYY AB CD ABCD
′′ ′
==? =+
,有一个为低,即为低；只有两者同高,才为高，
所以
'
(max)
,
,
()
OH
IH
OOH
CC L OH IH OH
CC OH
LL
OH IH
OC
I
I
VV
VRnIm V
VV
RR
nI mI
≥
+≥
∴ ≤=
+
门同时截止，
截止漏电流为负载输入电流为为保证外接负载电阻R
L
的计算（输出高电平）
'
(min)
(max)
,
IL
OOL OL
L
CC OL
LL
OL IL
I
VV I
R
VV
RR
Im
≤
∴ ≥=
′
负载门输入电流为为保证 且 不过大不能太小外接负载电阻R
L
的计算（输出低电平）
(max)OL
OC
OC I
当仅一个 门导通，
门饱和时允许的最大电流为三、三态输出门（TS）
)(,ZVV
OHOL
，高阻输出有三个状态：
ZYDPEN
ABYDPEN
=?==
′
=?==
导通，为“高阻状态”
截止，为“工作状态”
,,)(
)(,,)(
012
101
三态门的用途（总线分时复用、数据双向传输）
0
1
1
0
END
EN D
′
==
′
′
=
，总线数据
,=总线数据一、74H/74L系列电路的改进：减少（或者加大）各电阻值性能特点：提高速度与减小功耗成为一对矛盾
3.5.6 TTL数字集成电路的各种系列
() ( )
pd
dp t ns P mw↓↓ =?进一步改进的目标：
二、74S系列（肖特基Schottky TTL）
电路的改进：(1)采用抗饱和三极管；(2)用有源泄放电路代替74H系列中的R3；(3)减小电阻值。
1.1 0.4
TH OL
VVVV↑下降到 左右,至 左右性能特点:速度得到提高，电压传输特性无线性区，功耗增大三、74LS系列(低功耗肖特基系列）
（Low-Power Schottky TTL）
四、74AS系列五、74ALS系列六、74F系列作业及要求——
要求：用正规的练习本书写，有必要的推导过程和必要的陈述说明语句（废话少说）；每周二上课前交，课后补交的不要。
作业：P150 3.2 与门异或门3.3
3.7 (a) (d) 3.8
3.15 3.10(P154有参数)
3.13 (b) (c) 3.14
3.18 3.21
3.29
