数字电子技术3

三、输入端噪声容限
在保证输出高、低电 平基本不变的条件下,输入 电平的允许波动范围称为 输入端噪声容限。
输入高电平时噪声容限：
VNHVOH (minV) IH(min)
输入低电平时噪声容限：
VNLVIL(maxV )O(Lmax)
测试表明：CMOS电路噪声容限 VNH=VNL＝30％VDD，且随VDD的增加而加大。
相当于断开的开关，vO≈vDD.
当vI>VGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变 电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合
的开关,vO≈0。
四、MOS管的四种基本类型
D
G S
N沟道增强型
D
G S
N 沟道耗尽型
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。
本章总的要求：
熟 练 掌 握 TTL 和 CMOS 集 成 门 电 路 输出与输入间的逻辑关系、外部电气 特性，包括电压传输特性、输入特性、 输出特性和动态特性等；掌握各类集 成电子器件正确的使用方法。
重点：
TTL电路与CMOS电路的结构与特点.
3.1 概述
门电路是用以实现逻辑运算的电子电路，与已 经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功 能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或 非门、异或门等。
VIH
VIL
RLIO(LVmDaD x)m VO |L IIL|
RL(min)
VIL
RL
IOL
IIL
VOL
m′个 例3.3.2
三、CMOS传输门
①C＝0、C 1，即C 端为低电平（0V）、C 端为高电平
（＋VDD）时， T1和T2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。
§3.3.6 CMOS电路的特点
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。
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：
§3.3.2 CMOS反相器工作原理
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)。
一、电路结构 VDD
PMOS管
T1
vI
vO
CMOS电路
T2 NMOS管
vI=0
VDD
导通
TP
vI
vO
TN vo=“１”
截止
vI=1
VDD
截止
T1
vI
vO vo=“０”
3.5 TTL门电路
§3.5.1 双极型三极管的开关特性
一、双极型三极管的结构
C 集电极
N
C
B
P
B
基极 N
E
E
发射极
NPN型三极管
集电极 C
C
B
P N
B
基极 P
E
E
发射极
PNP型三极管
二、双极型三极管的输入特性和输出特性
IB(A)
80
饱4
和
60
区3
40
2 20
0.4 0.8 UBE(V) 1
开启电压
二、输出特性
低电平输出特性
VOL≈0
高电平输出特性
VOH≈VDD
§3.3.4 CMOS反相器的动态特性
一、传输延迟时间
vi
50%
平均传输时间 o vo
1 tpd2(tpLHtpH)L
o
t
50% t
tpdHL
tpdLH
二、交流噪声容限
噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容 限越大。
三、动态功耗
0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
AB
00 01 10 11
Y
0
Y=A·B
0
0
A
1
B
uY
0.7V 0.7V 0.7V 3.7V
Y
§3.2.3 二极管或门
AB Y
00 0 01 1 10 1 11 1
Y=A+B
uA uB
0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
uY
0V 2.3V 2.3V 2.3V
S GD
N
N
D、S间 相当于两 个背靠背 的PN结
P
S
D
不论D、S间有无
电压，均无法导通，
B
不能导电。
vGS>0时
源极与 衬底接 在一起
VGS VDS S GD
N
N
N沟道
P
VGS(th)称为阈值电压(开启电压）
vGS足够大时 （vGS>VGS(th)）， 形成电场G—B,把 衬底中的电子吸引
到上表面，除复合
特点： iD 0
用途：做无触点的、断开状态的电子开关。
可变电阻区
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。
ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源， uo＝4.3V。
当外加电压由反向突然变 为正向时，要等到PN结内部 建立起足够的电荷梯度后才开 始有扩散电流形成，因而正向 电流的建立稍微滞后一点。
反向恢复时间 （几纳秒内）
当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场 的作用下，形成较大的反向电流。经过ts后，存储电荷显著 减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。
T2
导通
静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有 一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。
二、电压传输特性和电流传输特性
T1导通T2截止
电
压
传
T1T2同时导通
输
特
性
T2导通T1截止
阈值电压VTH
电 流 传 输 特 性
T2截止
CMOS反相器 在使用时应尽 量避免长期工 作在BC段。
T1截止
uD (V)
0
0.5 0.7
Ui>0.5V时，二 极管导通。
伏安特性
D
+
+
ui
RL uo
－
－
开关电路
D
+
ui=0V －
+ RL uo
－
ui=0V 时的等效电路
ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开， uo＝0V。
D
+
+
ui
RL uo
－
－
开关电路
D
+ +－
+
ui=5V 0.7V RL uo
－
－
ui=5V 时的等效电路
反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间， 它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二 极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响 很小，以致可以忽略不计。
因此，影响二极管的开关时间主要是 反向恢复时间，而不是开通时间。
§3.2.2 二极管与门
3V
D1
A
D2 0V B
+VCC(+5V) R
Y
uA uB
Y (A ( B )) (A B )
Y (A ( B )) (A B )
带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及 电压传输特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的 转折区也变得更陡。
二、漏极开路输出门电路（OD门）
为什么需要OD门？ 普通与非门输出不能 直接连在一起实现“线与”！
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。
可以通过改变vGS的大小来控制iD的大小。
二、MOS管的输入、输出特性
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。
输出特性曲线 （漏极特性曲线）
夹断区（截止区）
条件：整个沟道都夹断
vGSvGS(th)
输入特性曲线
IC(mA )
100A
放大区
80A 60A
40A
20A IB=0
3 6 9 12 UCE(V)
截止区
输出特性曲线
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。
正逻辑：高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。 负逻辑：高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。
获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的 导通、截止（即开、关）两种工作状态。
3.2 半导体二极管门电路
§3.2.1 半导体二极管的开关特性
Ui<0.5V时，二极管
iD ( mA)
截止，iD=0。
IF
U BR
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。
§3.3.3 CMOS反相器的静态输入输出特性
一、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。
在正常的输入信号范围内，
即–0.7V< vI <(VDD+0.7)V时输
VDD
RL
IOH
IIH
VOH
VIL
RLnVO D I H D V mOIH IHRL(max)
n个
m个
n是并联OD门的数目，m是负载门电路高电平输入电流的数目。
m′是负载门电路低电平输入电流的数目。在负载门为
CMOS门电路的情况下，m和m′相等。
VDD
(V D D V O)L /R Lm IILIO(L max)
一、其他逻辑功能的CMOS门电路
1. 与 非 门
Y(AB)
任一输入端为低，设vA=0 vA=0
导通 vO=1
断开
输入全为高电平 断开
vA=1 vB=1
vO=0 导通
2.或非门
Y(AB)
任一输入端为高，设vA=1
断开
vA=1
vO=0 导通
输入端全为低 vB=0 vA=0
导通
vO=1 断开
3. 带缓冲级的CMOS门电路
恒流区： (又称饱和区或放大区）
条件:(1)源端沟道未夹断 (2)漏端沟道予夹断
特点:(1)受控性： 输入电压
vGS控制输出电流
i I D
vGS DSVGS(th)
12
(2)恒流性：输出电流iD 基本上不受输出电压vDS的影响。
用途:可做放大器和恒流源。
三、MOS管的基本开关电路
当vI=vGS<VGS(th)时，MOS管工作在截止区。D-S间
②C＝1、C0，即C 端为
高电平（＋VDD）、 C端 为
低电平（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 。
A
B
TG1
Y TG2
A=1、B=0时，TG1截止，TG2导通，Y=B ′=1;
A
B
TG1
Y TG2
A=0、B=1时，TG2截止，TG1导通，Y=B =1;
3.3 CMOS门电路
§3.3.1 MOS管的开关特性
在CMOS集成电路中，以金属－氧化物－半导体 场效应管（MOS管)作为开关器件。
一、MOS管的结构和工作原理
SG D
金属铝
导电沟道 P型衬底
N
N
P
两个N区 SiO2绝缘层
栅极
D G
S
N沟道增强型
漏极 源极
vGS=0时
vGS vDS iD=0
入电流iI ≈0。(因为CMOS门电
路的GS间有一层绝缘的SiO2薄 层。)
iI (mA)
-0.7 0 VDD + 0.7 vI (V)
在–0.7V ～ (VDD+0.7)V以外的 区域， iI从零开始增大，并随 vI增加急剧上升，原因是保护 电路中的二极管已进入导通状
态。
注意：由于门电路输入端的 绝缘层使输入的阻抗极高， 若有静电感应会在悬空的输 入端产生不定的电位，故 CMOS门电路的输入端不允 许悬空。
A
B
Y
C
D
1

产
生
一
个
很
大
的
电
0
流
Y(A)B (C)D
需将一个MOS管的漏极开路构成OD门。
A
B
Y Y(AB)
OD输出与非门的逻辑符号及函数式
OD门输出端可直接连接实现线与。
VDD 需加一上
RL
拉电阻
A
B
Y
YY1•Y2 (AB)(CD)
C
(ABCD)
D
RL的选择：
VIL
V D D (nO I H m IH )I R L V OH VIL
0
1
10
0
10
01
10
EN ′
A
Y
逻辑符号
EN0
YA
若A=1，则G4、G5输出均为高电平，T1截止、T2导通，Y=0；
若A=0，则G4、G5输出均为低电平，T1导通、T2截止，Y=1；
低电平有效
EN ′
A
A (EN0)
Y
YZ (EN1)
高电平有效
EN
A (EN1)
A
Y
YZ (EN0)
三态门有三种状态:高电平、低电平、高阻态。
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。
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。
§3.3.5 其他类型CMOS门电路
（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
TG1
Y TG2
A=0、B=0时，TG2截止，TG1导通，Y=B =0;
A
B
TG1
Y TG2
A=1、B=1时，TG1截止，TG2导通，Y=B ′=0;
YAB
双向模拟开关
四、三态门
1
0
1
1 0
EN ′
A
Y
逻辑符号
EN1, G4输出高电平，G5输出低电平，T1、T2 同时截止，输出呈高阻态；