第五章 集成门电路和触发器

36
A
B
TG1
Y TG2
A=0、B=1时，TG2截止，TG1导通，Y=B =1;
37
A
B
TG1
Y TG2
A=0、B=0时，TG2截止，TG1导通，Y=B =0;
38
A
B
TG1
Y TG2
A=1、B=1时，TG1截止，TG2导通，Y=B =0;
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四、漏极开路门和三态门 （一） 漏极开路输出缓冲器 为什么需要漏极开路输出门电路 （OD门）？ 普通与非门输出不能直接连在一 起实现“线与”！
动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率PC和 PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT。
在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗 要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。
26
（8）转换时间和传输延迟时间
平均传输时间
vi
t pd
1 (t pLH t pHL ) 2
50%
o
（二）三态输出缓冲器
VDD
1
G4 G2
A EN
1
vO
G1 G3
0
A EN
-
1
EN
逻辑符号
Y
EN 1 , G3、G4 同时截止，输出呈高阻态；
44
（二）三态输出缓冲器
VDD
0
G4 G2 G1 G3
A EN
0
0 1
vO
0
1
A EN
-
1
EN
逻辑符号
Y
1
YA
EN 0 , G3、G4 同时导通；
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第二节 TTL门电路
双极型三极管的开关特性
一、双极型三极管的结构
C B
集电极
集电极
C
基极
N P N E
发射极 NPN型三极管
C B E B
基极
P N P
E
发射极 PNP型三极管
C
B E
50
二、双极型三极管的输入特性和输出特性
IB(A)
80
60
饱 和 区
IC(mA )
4 3
放大区
100A 80A 60A
48
（1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可 靠接地。
（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包 装材料。 2．多余的输入端不能悬空。
输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件
的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或 接地，或者与其它输入端并联使用。
3．输入电路需过流保护
A B C D
& Y &
Y AB CD
40
四、漏极开路门和三态门 （一） 漏极开路输出缓冲器 为什么需要漏极开路输出门电路 （OD门）？
1
0
Y AB
产 生 一 个 很 大 的 电 流
需将一个MOS管的漏极开路构成OD门。
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四、漏极开路门和三态门 （一） 漏极开路输出缓冲器
VDD RL
18
（3）电压传输特性 电 压 传 输 特 T1T2同时导通 T1导通T2截止
性
vTN
vTP
T2导通T1截止
阈值电压VTH
19
阈值电压UTR：电压传输特性转折区中间那一点 所对应的输入电压值 当uI<UTR时，认为 反相器是截止的， 输出高电平。 当uI>UTR时，认为 反相器是导通的， 输出低电平。 T1导通T2截止 T1T2同时导通
40
20 0.4 0.8
2
40A
20A IB=0 12 UCE(V)
UBE(V) 1
3 6 9
截止区
开启电压
输入特性曲线
输出特性曲线
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三、双极型三极管的基本开关电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和 和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。
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截止状态 ＋ － ②ui=0.3V时，因为uBE<0.5V，iB=0，三极管工作在 截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压： Rb b c
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测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD， 且随VDD的增加而加大。 噪声容限－－衡量门电路的抗干扰能力。 噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。
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（4）输入特性 因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的 输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取
保护措施。
数字电路用得最多的是增强型场效应管
2
N沟道增强型绝缘栅场效应管 (1) N沟道增强型管的结构 源极S 栅极G 漏极D SiO2绝缘层
栅极和其它 电极及硅片之 间是绝缘的， 称绝缘栅型场 效应管。
金属电极
P型硅衬底
高掺杂N区
由于金属栅极和半导体之间的绝缘层目前常用二氧化硅， 故又称金属-氧化物-半导体场效应管，简称MOS场效应管。
34
C
②C ＝1、 0 ，即 C 端为 C uI A VT1 Vss VT2 u0 高电平（＋VDD）、C 端为低 Y
电平（0V）时，T1 和T2 至少
有一个导通，输入和输出之 间相当于开关接通一样，呈 低阻态，Vo＝Vi 。
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A
B
TG1
Y TG2
A=1、B=0时，TG1截止，TG2导通，Y=B =1;
3
vGS=0时
vGS S G vDS D
iD=0
D、S间相 当于两个 背靠背的 PN结
B
N P
N
S
D 不论D、S间有无 电压，均无法导 通，不能导电。
B
4
源极与 衬底接 在一起
vGS>0时
VGS VDS G vGS足够大时 （vGS>VGS(th)），
S
D
N B
道
N P
形成电场G—B,把 衬底中的电子吸引 到上表面，除复合 外，剩余的电子在 上表面形成了N型 层（反型层）为D、 S间的导通提供了 通道。
VT3 VT1 断开
33
三、CMOS传输门和异或门 1、CMOS传输门
C
C
uI A
VT2 VT1 Vss
u0 Y
uI A
u0 Y
①C＝0、C 1 ，即C 端为低电平（0V）、 C 端为高电 平（＋VDD）时， VT1和VT2都不具备开启条件而截止，输 入和输出之间相当于开关断开一样，呈高阻态。
的区域， iI从零开始增大，
24
（6）输出特性
低电平输出特性 VOL≈0 输出电压VOL随灌入电流 IOL的增加而升高
高电平输出特性 VOH≈VDD 输出电压VOH随拉入电流 25 IOH的增加而降低
(7)功耗特性 反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过 程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。
VGS(th)称为阈值电压(开启电压）
可以通过改变vGS的大小来控制iD的大小。
5
漏极
D
栅极
G S
源极
N沟道增强型
6
二、MOS管的输入、输出特性 (1) 转移特性曲线 UDS
开启 电压 UT UGS/ 无导电 有导电沟道 沟道 转移特性曲线
7
二、MOS管的输入、输出特性 (2) 输出特性曲线 对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧 化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零。
若A=0，则G1导通、G2截止，Y=1； 若A=1，则G1截止、G2导通，Y=0；
45
低电平有效
A EN
-
1
EN
逻辑符号
Y
A ( EN 0) Y Z ( EN 1)
高电平有效
A EN
1
EN
逻辑符号
Y
A ( EN 1) Y Z ( EN 0)
三态门有三种状态:高电平、低电平、高阻态。
输出特性曲线
（漏极特性曲线）
8
夹断区（截止区） 条件：整个沟道都夹断
vGS UTN
特点：
iD 0
用途：做无触点的、断开状态的电子开关。
9
可变电阻区 (又称非饱和区） 条件：源端与漏端沟道 都不夹断 特点:(1)当vGS 为定值 时,iD 是 vDS 的线性函数， 管子的漏源间呈现为线性 电阻，且其阻值受 vGS 控 制。 （2）管压降vDS 很小。 用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开 关。
46
（三）主要特点
CMOS电路的优点 1. 静态功耗小。 2. 允许电源电压范围宽(318V）。 3. 扇出系数大，噪声容限大。
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CMOS电路的正确使用
1．输入电路的静电保护 CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方 便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高， 极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝 缘层，造成器件的永久损坏。为避免静电损坏，应注意以下几 点：
G
S N 沟道耗尽型
14
D
G S
P 沟道增强型
D G S
P 沟道耗尽型
在数字电路中，多采用增强型。
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一、CMOS反相器
当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作 中互补，称为CMOS管(意为互补)。 （1）电路结构
VDD G2
vI
G1
S2 B2 D2
D1 B1 S1
PMOS管
VT2 VT1
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在正常的输入信号范围内 ，即–0.7V< vI <(VDD+0.7)V时 输入电流iI ≈0。(因为CMOS门 电路的GS间有一层绝缘的SiO2 薄层。) 在–0.7V ～ (VDD+0.7)V以外 -0.7