02门电路.docx
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02门电路
第二章门电路教学大纲
学时：
6（5）
1、本章教学目的要求
门电路是构成数字电路的基本单元。
通过本章学习，了解晶体管开关特性，掌握门电路构成及工作情况。
2、教学内容及要求（注明掌握内容A，理解内容B，了解内容C）
（1）晶体管开关特性；B
（2）分立元件门电路；B
（3）CMOS集成门电路；A
（4）TTL集成门电路；A
3、重点、难点
重点：
集成门电路。
难点：
集成门电路构成及工作情况。
4、教学方法教学手段说明
讲授、自学讨论、图表模型、采用多媒体辅助教学，理论和实践密切结合。
第二章门电路
（5学时——第9～13学时）
目的有求：
通过本章学习，掌握分立器件构成的逻辑门及MOS管构成互补对称集成逻辑门构成及特性。
教学内容：
本章主要包括二个方面内容：
分立器件逻辑门、CMOS集成逻辑门。
教学重点：
逻辑门构成及特性。
教学难点：
CMOS集成逻辑门。
基本要求：
掌握基本逻辑门的构成及特性。
教学方法：
启发式、讨论式、探究时，理论、实验和实际应用有机结合。
教具：
多媒体装置、投影机、幻灯片等。
作业：
见具体教学内容。
[第9学时]
概述
一．门电路
实现基本逻辑及常用逻辑运算的电路，这种电路的输入、输出只有1、0两种状态。
二．高低电平及两种逻辑
高电平——3.6V左右、低电平——0.2V左右。
正逻辑——高电平用1表示、第电平用0表示；负逻辑——高电平用0表示、第电平用1表示。
2.1半导体器件开关特性
一．理想开关
理想开关具有如下特性：
1．静态特性
断开时，无论电压如何，开关电阻Roff=∞、电流Ioff=0；
闭合时，无论电流如何，开关电阻Ron=0、电压Uon=0。
2．动态特性
开通时间ton=0，关断时间toff=0。
但理性开关是不存在的。
实际中的机械开关静态特性很接近理性开关，但动态特性较差，不能满足每秒钟开关很多次的需要。
半导体器件（二极管、三极管、场效应管）充当开关时，静态特性虽不太好，但动态特性比较理想，特别适合于每秒钟开关很多次的需要。
二．二极管开关特性
二极管两极之间相当于开关，其正向导通及反向截止状态相当于开关的闭合及断开。
下面以硅管为例讨论。
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。
（2）截止条件及截止特性
二极管两端所加电压UD＜0.5V时，二极管截止，近似看作ID=0的截止开关。
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。
二极管开关特性
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。
三．三极管开关特性（以NPN管为例）
三极管c、e两极之间相当于开关，其饱和（导通）及截至状态相当于开关的闭合及断开。
1．静态特性
（1）饱和（导通）条件及饱和（导通）特性
三极管基极电流iB大于临界饱和电流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）截止条件及截止特性
基极—射极间电压电压UBE＜U0（Si管0.5V、Ge管0.1V）时，三极管截止，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。
三极管开关特性
四．MOS管开关特性（以N沟道管为例）
MOS管D、S两极之间相当于开关，其导通及截至状态相当于开关的闭合及断开。
同样存在着静态特性及动态特性。
1．静态特性
（1）导通条件及导通特性
当uGS大于开启电压UT时，管子导通，D、S两极之间电流较大、压降较小或电阻较小，相当于闭合的开关。
（2）截止条件及截止特性
当uGS小于开启电压UT时，管子截止，此时iD=0，相当于断开的开关。
场效应管开关特性
2．动态特性
MOS管结电容的存在，使得其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）。
关断时间在几十个纳秒，而开通时间比关断时间要短。
MOS管开通时间和关断时间比三极管长，导通电阻也比三极管大得多，即动态性能性对较差。
2.2分立器件门电路
[第10学时]
一．二极管与门
输入信号
输出信号
ABC
Y
000
001
010
011
100
101
110
111
0
0
0
0
0
0
0
1
二极管与门及符号
输入A、B、C有一个为低电平0（0V）时，低电平对应的二极管正偏导通，其余二极管反偏截至，使得输出Y为低电平0（0.7V）；只有全部输入A、B、C均为高电平1（3V）时，所有二极管均正偏导通，使得输出Y为高电平1（3.7V）。
二．二极管或门
输入信号
输出信号
ABC
Y
000
001
010
011
100
101
110
111
0
1
1
1
1
1
1
1
二极管或门及符号
输入A、B、C有一个为高电平1（3V）时，高电平对应的二极管正偏导通，其余二极管反偏截至，使得输出Y为高电平1（2.3V）；只有全部输入A、B、C均为低电平0（0V）时，所有二极管均正偏导通，使得输出Y为低电平0（－0.7V）。
输入
输出
A
Y
0
1
1
0
三．三极管非门
三极管非门及符号
输入A为高电平1时，三极管处于饱和导通状态，输出Y为低电平0；输入A为低电平0时，三极管处于截止状态，输出Y为高电平1。
四．MOS管非门
MOS管非门及符号
输入A为低电平0时，栅源电压小于开启电压，场效应管处于截止状态，输出Y为高电平1；输入A为高电平1时（高于开启电压），场效应管处于导通状态，输出Y为低电平0。
2.3CMOS集成门电路
[第11学时]
CMOS集成门由P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管互补对称构成。
一．CMOS反相器
1．基本电路
反相器即非门。
假设MOS管开启电压UTN＝－UTP＝2V，分析如下非逻辑功能：
输入A为低电平0V时，UGSN＝0V＜UTN、TN截止，UGSP＝－10V＜UTP、TP导通，输出Y为高电平1；
输入A为高电平10V时，UGSN＝10V＞UTN、TN导通，UGSP＝0V＞UTP、TP截止，输出Y为低电平0。
CMOS非门带保护功能CMOS非门
2．带输入端保护功能点路
栅极与沟道之间的SiO2绝缘层厚度为10-8米，容易受干扰影响（所以输入端不得悬空），电压超标时容易击穿损坏。
为此加入保护电路。
D1、D2、D3构成保护电路。
若输入高于VDD＋UD或低于－UD时，相应二极管会导通，使栅源电压控制在－UD～（UD＋VDD）之间。
R、C1、C2构成积分电路，消除输入干扰信号。
3．静态特性
（1）输入特性
输入端所加电压uI与输入电流iI之间的关系。
当A在－UD～（UD＋VDD）时，iI≈0——MOS管输入电流为0；
当A＞（UD＋VDD）时，保护二级管D3导通，iI从输入端流入而流向VDD——相当于二级管D3正向导通特性（因为电流从输入端流入门，故电流为负值）；
当A＜－UD时，保护二级管D1导通，iI自D1、R流出输入端——相当于二级管D1正向导通特性（因为电流从门向外流出输入端，故电流为负值）。
输入电流关系实际上是保护网络的电流关系——近似为二级管的正向特性。
CMOS电路的输入端不得悬空，否则TN、TP无法工作而导致逻辑混乱。
CMOS非门输入特性
（2）输出特性
输出端电压uO与输出电流iO之间的关系。
当A＝0时，输出为1，输出电流由门向外流向负载——此时负载为拉电流负载，反向器能输出的最大电流IOH称为“带拉电流负载的能力”；
CMOS非门输出特性
当A＝1时，输出为0，输出电流由负载向内流入门——此时负载为灌电流负载，反向器能灌入的最大电流IOL称为“带灌电流负载的能力”。
若VDD降低，导电沟道变窄，使得UOH下降、UOL上升，带负载能力变差。
（3）传输特性
输入端电压与输出端电压之间的关系及输入端电压与漏极电流（由VDD经TP、TN流向地的电流）之间的关系。
AB段：
uI＜UTN，TN截止、TP导通，uO＝VDD、iD＝0；
BC段：
uI＞UTN，TN开始导通，但导通电阻较大，uO略有下降、iD开始增加；
CD段：
uI在0.5VDD附近，TN、TP均导通，且导通电阻均较小，uO急剧下降、iD增至最大；
DE、EF段与AB、BC段相反。
uI＝0.5VDD叫作反向器的转折电压或阈值电压，用UTH表示。
CMOS非门传输特性
4．动态特性
（1）传输延迟时间
输入电压与输出电压之间的传输关系。
tPHL：
输出由高电平变为低电平的传输延迟时间；
tPLH：
输出由低电平变为高电平的传输延迟时间；
CMOS非门延迟特性
平均传输延迟时间：
（2）输出端状态转换时间
输入信号变化时，输出信号发生变化，输出电压高低转换时间称为输出端状态转换时间。
CMOS非门输入输出转换特性
tTHL：
输出由高电平到低电平的转换时间；
tTLH：
输出由低电平到高电平的转换时间。
（3）噪声容限
噪声容限反映的是电路的抗干扰能力，即电路在干扰噪声的作用下，能维持电路原来的逻辑状态并正确进行状态的转换。
噪声容限给出的是电路所能允许的最大干扰信号，分为交流噪容限和直流噪声容限。
图中，UNA表示噪声容限幅度——电路能承受的干扰信号幅度，tNA表示噪声容限宽度——电干扰信号脉宽。
可看出，若tNW小于门电路平均传输延迟时间，则噪声容限——能承受的干扰信号幅度UNA迅速增大，若tNW大于门电路平均传输延迟时间，则噪声容限逐渐下降到直流噪声容限（约为0.4VDD）。
噪声容限随电源电压VDD不同而不同。
（4）功耗
分为动态功耗和静态功耗。
门电路状态转换过程中瞬间电流很大，会产生较大的动态功耗。
动态功耗与电源电压、信号变化频率等有关。
CMOS静态功耗较小。
5．主要参数
（1）IDD：
静态电源电流，给出最大值；
（2）IOL：
输出低电平电流，给出最小值；
（3）IOH：
输出高电平电流，给出最小值；
（4）II：
输入电流，给出最大值；
（5）UOL：
输出低电平电压，给出最大值；
（6）UOH：
输出高电平电压，给出最小值；
（7）UIL：
输入低电平电压，给出最大值；
（8）UIH：
输入高电平电压，给出最小值；
（9）tPHL、tPLH：
传输延迟时间，给出最大值；
（10）tTHL、tTLH：
输出端状态转换时间，给出最大值；
（11）CI：
输入电容，给出最大值。
[第12学时]
二．CMOS与门、或门、与非门、或非门
1．COMS与非门
两个P沟道管并联、两个N沟道管串联。
若A、B均为0，TP1和TP2均导通、TN1、TN2均截止，Y为1；
若A、B有一个为0，TP1和TP2一个导通、一个截止，TN1、TN2也是一个导通、一个截止，Y为1；
若A、B均为1，TP1和TP2均截止、TN1、TN2均导通，Y为0。
2．COMS或非门
两个P沟道管串联、两个N沟道管并联。
若A、B均为0，TP1和TP2均导通、TN1、TN2均截止，Y为1；
若A、B有一个为0，TP1和TP2一个导通、一个截止，TN1、TN2也是一个导通、一个截止，Y为0；
若A、B均为1，TP1和TP2均截止、TN1、TN2均导通，Y为0。
3．COMS与门
由与非门加上非门构成。
4．COMS或门
由或非门加上非门构成。
三．CMOS传输门、三态门、漏极开路门
1．传输门
传输门是一种可以传送信号的压控开关（可双向传送）。
靠控制信号
、
来控制传输情况：
CMOS传输门及符号
（1）
、
，两MOS门均导通——传输门导通，uo=ui
（2）
、
，两MOS门均截止——传输门截至，输入与输出断开。
2．三态门
三态门是一种具有使能控制端的逻辑门，具有高1、低0、高阻Z三种状态。
使能时电路具有正常逻辑功能，否则为高阻（相当于输出端悬空）。
CMOS三态门及符号
低电平有效三态门具体逻辑功能如下：
，TP1、TN1导通，TP2、TN2构成反向器——
，TP1、TN1截止，TP2、TN2进一步也截止——
高电平有效三态门具体逻辑功能如下：
，
，
三态门分为三态非门（反向器）、三态与非门、三态缓冲门等。
3．漏极开路门（OD门）
输出MOS管的漏极是开路的，使用时必须加上上拉电阻及电源（否则不能工作）。
OD门可以实现线与（但使用时必须加上上拉电阻及电源）。
OD门符号
四．CMOS集成逻辑门主要特点
（1）功耗极低（一般不超过100uW）；
（2）电源电压范围宽（可达几V～十几V之间）；
（3）高干扰能力强；
（4）逻辑电平差别大（低电平约为0V、高电平约为VDD）
（5）输入电阻极高（可达108Ω以上）；
（6）扇出系数（可带同类门的数目）大（可达几十）；
（7）集成度高；
（8）抗辐射能力强；
（9）成本低。
五．CMOS集成逻辑门使用注意事项
（1）注意输入端的静电防护，包括运输、组装等过程；
（2）注意输入电路的过流保护；
（3）电源极性不可接反；
（4）CMOS门接入电路时输入端不得悬空，可接高电平（相当于1）或通过电阻接地（相当于0，所接电阻视为短路）；
（5）CMOS门接入电路时输出端既不能和电源短接、也不能和地短接。
2.4TTL门电路
[第13学时]
一．TTL反向相（非门）
1．电路构成
电路由输入级、中间级和输出级三部分组成。
输入低电平0V时，T1基极电流iB1入发射极（电流自反向器输入端流出），使得iB2为0，则T2截止，进一步T4也截止，而T3和D2饱和导通（因为流经R2的电流几乎全部流向T3），输出为高电平。
常把T4的状态称为反向器的状态（这是一种约定）。
此时T4截止，称反向器处于截止状态或关断状态（输入低电平、输出高电平）；
输入高电平3.6V时，T1处于倒置状态（发射极和集电极颠倒），电流自反向器输入端流入，进而较大电流流入T2基极，使得T2饱和导通，进一步T4也导通，而T3基极电位较低，使得T3和D2截止（因为流经R2的电流几乎全部流向T2），输出为低电平。
因为输出三极管T4导通，称反向器处于导通状态（输入高电平、输出低电平）；
TTL非门
由以上逻辑功能分析看出，电路为反相器（非门）。
2．静态特性
（1）输入特性
输入伏安特性：
输入端电压和输入电流之间的关系。
当uI＝0（0V）时，
，称为输入端短路电流，由反向器输入端流出的电流；
当uI＝1（3.6V）时，iI＝IIH≈0.01mA，称为输入端漏电流，又叫输入高电平电流，流入反向器输入端的电流。
TTL非门输入伏安特性
输入端负载特性：
输入端电阻和电压之间的关系。
TTL非门输入端负载特性
当Ri＝∞时（输入端悬空），uO＝UOL≤0.3V，反向器处于导通状态。
实际上，只需Ri≥2.5k，既可保证反向器处于导通状态，常将2.5k称作开门电阻，记作Ron
当Ri＝0时，uO＝UOH＝3.6V，反向器处于截止状态。
实际上，只需Ri≤0.7k，既可保证反向器处于截止状态，常将0.7k称作关门电阻，记作Roff
若Roff≤Ri≤Ron，反向器处于不正常工作状态——逻辑混乱，要禁止。
（2）输出特性（输出伏安特性）
输出电压和输出电流之间的关系。
带灌电流负载特性（uI＝1，uO＝0）：
此时电路处于导通状态——T4导通、T3和D2截止。
负载外加电源形成电流，流向反向器内部（灌入电流）。
带灌电流负载能力IOL可达16mA。
带灌电流负载时，输出低电平有所上升（串联分压所致）。
带拉电流负载特性（uI＝0，uO＝1）：
此时电路处于截止状态——T4截止、T3和D2导通。
在负载上形成电流，由反向器流向负载（拉出电流）。
带拉负载能力IOH一般为－400uA。
当RL＝0（输出短路）时，IO可达33mA，此时的拉电流IO＝IOS＝33mA叫输出短路电流，但短路时间不得超过1s，否则烧坏器件。
带拉电流负载时，输出高电平有所下降（串联分压所致）。
（3）电压传输特性
输入电压和输出电压之间的关系。
AB段：
uI＜0.6V时，uB1＜1.3V，T2、T4截止，T3、D2导通，输出高电平3.6V——截止区。
BC段：
uI＞0.6V后，uB1升高，T2导通、T4处于放大状态，输出随uI增加而线性下降——线性区。
CD段：
uI＞1.4V，T2导通、T4也导通，使得输出急剧下降——转折区。
转折区中心对应的电压称作反向器的阈值电压或门槛电压，用Uth表示。
Uth＝1.4V。
DE段：
uI＞1.5V后，T2、T4导通，T3、D截止，输出低电平0.3V——饱和区。
输出特性（输出伏安特性）电压传输特性
TTL非门输出伏安特性TTL非门电压传输特性
3．动态特性
（1）传输延迟时间
输入电压和输出电压之间的关系。
TTL非门传输延迟特性
tPHL：
输出有高电平变为低电平的传输延迟时间；
tPLH：
输出有低电平变为高电平的传输延迟时间；
：
平均传输延迟时间
产品规定典型值：
tPHL＝8ns、tPLH＝12ns，最大值tPHL＝15ns、tPLH＝22ns
（2）动态尖峰电流
当输入电压在高电平和低电平跳变时，电路在转换期间会出现较大的动态电源尖峰电流。
（3）噪声容限
与COMS反相器类似，反相器对窄脉冲的交流噪声容限要比直流噪声容限大。
4．主要参数
（1）IIL：
输入为低电平时的输入电流，给出最大值；
（2）IIH：
输入为高电平时的输入电流，给出最大值；
（3）IOS：
输出短路电流，给出最大值和最小值；
（4）ICCH：
输出为高电平时的电源电流，给出最大值和典型值；
（5）ICCL：
输出为低电平时的电源电流，给出最大值和典型值。
二．TTL与非门、或非门等
1．TTL与非门
输入A、B有一个（或全部）为低电平时，T1基极电流流入发射极（电流自反向器输入端流出），使得IB2为0，则T2截止，进一步T4也截止，而T3和D饱和导通，输出为高电平。
因为输出三极管T4截止，电路此时状态叫做截止状态（输入低电平、输出高电平）；
输入A、B均为高电平时，T1处于倒置状态（发射极和集电极颠倒），电流自反向器输入端流入，进而较大电流流入T2基极，使得T2饱和导通，进一步T4也导通，而T3基极电位较低，使得T3和D截止，输出为低电平。
因为输出三极管T4导通，电路此时状态叫做导通状态（输入高电平、输出低电平）。
TTL与非门
由以上分析看出，电路为与非逻辑。
2．TTL或非门
参见P122图2.4.12。
电路为或非逻辑。
三．TTL集电极开路门、三态门
1．TTL集电极开路门（OC门）
OC门及符号
输出三极管T4集电极开路，使用时必须外接负载和直流电源。
OC门可实现线与。
2．TTL三态门
三态门是一种具有使能控制端的非门。
使能时电路具有正常逻辑功能，否则为高阻（相当于输出端开路悬空）。
三态门符号
三态门分为三态与非门、三态非门（反向器）、三态缓冲门等。
三态门应用举例：
（1）用作多路开关
根据
的取值，让G0或G1工作，使得数据A0或A1反向后传输到输出端。
三态门用作多路开关三态门用于信号双向传输
三态门应用-1
（2）用于信号双向传输
根据
的取值，让G0或G1工作，使得数据
或
，实现数据双向传输。
（3）构成数据总线
三态门应用-2
工作时每次只传送一个数据。
为此只让某一个门Gi使能工作，使得数据Ai传送到数据总线上。
四．TTL集成逻辑门使用注意事项
（1）TTL门输入端悬空相当于高电平1，为避免逻辑混乱，不要悬空；
（2）TTL门接入电路时输入端不得接中值电阻（Roff～Ron，即0.7k～2.5k），可接小电阻（相当于短路）或较大电阻（相当于开路使得输入悬空——输入为1）；
（3）输出高电平时输出端短路时间不得超过1s。
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