数字电路第三章 MOS逻辑门
数字电路讲义 第三章
是构成数字电路的基本单元之一
CMOS 集成门电路 用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。
TTL 集成门电路 输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。
CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 即即 Transistor-Transistor Logic 按功能特点不同分 普通门 输出 三态门 CMOS (推拉式输出) 开路门 传输门 EXIT
E
B UBE(sat) iB ≥ IB(sat) E C
三极管 截止状态 等效电路
UCE(sat)
三极管 饱和状态 等效电路
EXIT
逻辑门电路
开关工作的条件
截止条件 uBE ＜ Uth 可靠截止条件为 uBE ≤ 0
VCC U CE(sat) RC VCC RC
饱和条件
iB ＞ IB(Sat)
逻辑门电路
[例] 下图中，已知 ROFF 800 ，RON 3 k，试对应 输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。
A 3.6 V 0.3 V
逻辑0 (a)
逻辑1
O Ya t
(b)
解：图(a)中，RI = 300 < ROFF 800 相应输入端相当于输入低电平， O 也即相当于输入逻辑 0 。 Yb 不同因此 TTLY 系列， R R 不同。 ON、 OFF UOH 。 a 输出恒为高电平 图(b)中，RI = 5.1 k > RON 3 k 相应输入端相当于输入高电平， O 也即相当于输入逻辑 1 。 Yb A 1 A 因此，可画出波形如图所示。
0. 3 O
t
EXIT
逻辑门电路
二、三极管的动态开关特性
数字电路第六版第03章
L=Y
TG1 L
TG2
3.3 CMOS逻辑门电路的不同输出结构及参数
3.3.1 CMOS逻辑门电路的保护和缓冲电路 3.3.2 CMOS漏极开路和三态门电路 3.3.3 CMOS逻辑门电路的重要参数
3.3 CMOS逻辑门电路的不同输出结构及参数
3.3.1 CMOS逻辑门电路的保护和缓冲电路
采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路 具有相同的输入和输出特性。
NMOS门 PMOS门 CMOS门
3.1 逻辑门电路简介
3.1.1 各种逻辑门电路系列简介
1.CMOS集成电路: 广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路
4000系列
速度慢 与TTL不兼容 抗干扰 功耗低
74HC 74HCT
速度加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低
74VHC 74VHCT
速度两倍于74HC 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低
1 0 导通 截止 截止 导通 1
1 1 导通 截止 导通 截止 0
或非门 A L AB B
N输入的或非门的电路? 输入端增加有什么问题?
3.2 基本CMOS逻辑门电路
3.2.3 其他基本CMOS逻辑门电路 3. CMOS异或门
3.2 基本CMOS逻辑门电路
3.2.3 其他基本CMOS逻辑门电路 3. CMOS异或门
CMOS门电路是以MOS管为开关器件
MOS管的分类： 增强型
MOS 耗尽型
N沟道 P沟道 N沟道
P沟道
3.2 基本CMOS逻辑门电路
3.2.1 MOS管及其开关特性
d
衬底 g
B
s
N沟道增强型MOSFET
有沟通：导通 无沟道：截止
数字逻辑第3章 门电路
逻辑式：Y=A + B
逻辑符号： A 1
B
Y
电压关系表
uA uB uY
0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
真值表
ABY
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
三、三极管非门
5V
利用二极管的压降为0.7V， 保证输入电压在1V以下时，
电路可靠地截止。
A(V) Y(V) <0.8 5 >2 0.2
II H &
II L &
… …
NOH
I OH (max) I IH
N MIN ( NOH , NOL )
NOL
IOL(max) I IL
六、CMOS漏极开路门（OD）门电路（Open Drain）
1 . 问题的提出
普通门电路
在工程实践中，往往需要将两个门的输出端 能否“线与”？
并联以实现“与”逻辑功能，称为“ 线与 。
输入 0 10% tr tf
tPHL
输出
tPLH
tr：上升时间
tf：下降时间 tw：脉冲宽度 tPHL：导通传输时间
tPLH：截止传输时间
平均传输延迟时间 （Propagation delay)
tpd= tpHL+ tpLH 2
5、功耗： 静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。 动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。
PMOS
NMOS
3、增强型MOSFET的开关特性
iD管可变子类型恒
VGS1 击开/关的条（件1）N沟道增强开型/M关O的S等FE效T电：路
数字电路教案-阎石-第三章-逻辑门电路
第3章逻辑门电路3.1 概述逻辑门电路:用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。
简称门电路.用逻辑1和0 分别来表示电子电路中的高、低电平的逻辑赋值方式，称为正逻辑,目前在数字技术中，大都采用正逻辑工作；若用低、高电平来表示，则称为负逻辑。
本课程采用正逻辑。
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.在数字集成电路的发展过程中，同时存在着两种类型器件的发展。
一种是由三极管组成的双极型集成电路,例如晶体管-晶体管逻辑电路（简称TTL电路）及射极耦合逻辑电路（简称ECL电路）.另一种是由MOS管组成的单极型集成电路，例如N-MOS逻辑电路和互补MOS(简称COMS）逻辑电路。
3。
2 分立元件门电路3。
3.1二极管的开关特性3.2.2三极管的开关特性NPN型三极管截止、放大、饱和3种工作状态的特点工作状态截止放大饱和条件i B＝0 0＜i B＜I BS i B＞I BS工作特点偏置情况发射结反偏集电结反偏u BE〈0，u BC〈0发射结正偏集电结反偏u BE>0，u BC〈0发射结正偏集电结正偏u BE〉0，u BC〉集电极电流i C＝0 i C＝βi B i C＝I CSce间电压u CE＝V CC u CE＝V CC－i C R cu CE＝U CES＝0.3Vce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合3.2。
3二极管门电路1、二极管与门2、二极管或门u A u B u Y D1D20V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V0V4。
3V4。
3V4.3V截止截止截止导通导通截止导通导通3。
2.4三极管非门3。
2。
5组合逻辑门电路1、与非门电路2、或非门电路3.3 集成逻辑门电路一、TTL与非门1、电路结构(1）抗饱和三极管作用：使三极管工作在浅饱和状态。
因为三极管饱和越深，其工作速度越慢，为了提高工作速度，需要采用抗饱和三极管。
构成:在普通三极管的基极B和集电极C之间并接了一个肖特基二极管(简称SBD）。
数电第三章门电路
§3.4 TTL门电路
数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个 完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。 使用时接：电源、输入和输出。数字集成电 路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价 格便宜的特点。
TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为: Transistor— Transistor Logic。
输出高电平
UOH (3.4V)
u0(V)
UOH
“1”
输出低电平
u0(V)
UOL
UOL (0.3V)
1
(0.3V)
2 3 ui(V)
1 2 3 ui(V)
阈值UT=1.4V
传输特性曲线
理想的传输特性 28
1、输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。
uA t
uF
截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ——C、 E间相当于开关断开。
+ucc
t
4
0.3V
3.2.3MOS管的开关特 恒流区：UGS>>Uth ， UDS
性： +VDD
0V ——D、S间相当于 开关闭合。
R
uI
Uo
Ui
NMO S
uO
夹断区： UGS< Uth， ID=0 ——D、S间相当于开关断开。
3.3.4 其它门电路
一、 其它门电路
其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等,比如：
二、 门电路的“封锁”和“打开”问题
A B
&
Y
C
当C=1时，Y=AB.1=AB
第 3 章 逻辑门电路总结
EXIT
逻辑门电路
一、三极管的开关作用及其条件
iC 临界饱和线 M T IC(sat) S
放大区
IB(sat)
uI=UIL
三极管为什么能用作开关？ 饱 Q + 怎样控制它的开和关？ uBE 和 区
O UCE(sat) B uBE < Uth
负载线
A N C
截止区
uCE
三极管关断的条件和等效电路
当输入 uI 为低电平，使 uBE < Uth时，三极管截止。
逻辑门电路
第3章
逻辑门电路
概 述 三极管的开关特性
TTL 集成逻辑门 CMOS 集成逻辑门 集成逻辑门的应用
本章小结
EXIT
逻辑门电路
3.1
主要要求：
概 述
了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。
EXIT
逻辑门电路
一、门电路的作用和常用类型
按逻辑功能不同分 指用以实现基本逻辑关系和 门电路 (Gate Circuit) 常用复合逻辑关系的电子电路。 与门 或门 非门 异或门 与非门 或非门 与或非门 按电路结构不同分
上例中三极管反相 器的工作波形是理想波 形，实际波形为 ：
t
UCE(sat) O
EXIT
逻辑门电路
二、三极管的动态开关特性
uI
UIH
UIL O iC 0.9IC(sat) IC(sat) 0.1IC(sat) O uO VCC ton toff t
uI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称 为三极管开通时间。
逻辑门电路
(2) 对应输入波形画出输出波形 三极管截止时， iC 0，uO +5 V 三极管饱和时， uO UCE(sat) 0.3 V
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第一节 常见元器件的开关特性
3.MOS管的开关特性
A、MOS管静态开关特性
在数字电路中，MOS管也是作为 开关元件使用，一般采用增强型的 MOS管组成开关电路，并由栅源电压 uGS控制MOS管的导通和截止。
时间。
toff = ts +tf 关断时间toff：从输入信号负跃变的瞬间，到iC 下降到 0.1ICmax所经历的时间。
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第一节 常见元器件的开关特性
2.三极管的开关特性
B、晶体三极管动态开关特性
ton和toff一般约在几十纳秒（ns=10-9 s）范围。通常都
有toff > ton，而且ts > tf 。
0 .3V 3 .6V 3 .6V
1V 5V
3 .6V
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
1.TTL集成逻辑门电路
3 .6V 3 .6V 3 .6V
2.1V
0 .3V
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
1.TTL集成逻辑门电路
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
❖ 2.教学重点：不同元器件的静态开关特性，分立元件门电路 和组合门电路，TTL和CMOS集成逻辑门电路基本功能和电气特 性。
❖ 3.教学难点：组合逻辑门电路、TTL和CMOS集成逻辑门4.课时 安排： 第一节 常见元器件的开关特性 第二节 基本逻辑门电路 第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
3逻辑门电路
vGS>0
域又称为可调电阻区域。
vDS N沟道增强型MOS管输出特性曲线图
(Ⅲ)截止区
O
饱和区：当vDS≥(vGS-VGS(th)N)以后，漏极附近的沟道被夹断。 iDS不随vDS线性上升，而是达到某一数值，几乎近似不变。
截止区：vGS<VGS(th)N，还没有形成导电沟道，因此iDS=0。 ２．转移特性和跨导 MOS管的转移特性是指在漏源电压v DS 一定时，栅源电压 vGS和漏源电流iDS之间的关系。 当v GS <V GS(th)N 时，i DS =0，只有当
由三个CMOS反相器和 3.1.5 CMOS门电路 一个CMOS传输门组成
3、“异或”门电 路 输入端A和B相同 0 1 当A = B = 0时 TG断开，则C=B=1， F=C=0。 当A = B = 1时， TG接通，C = B = 1， 反相器2的两只MOS 管都截止，输出F=0。 0 1 得：输入端A和B相同， 输出 F=0
PD：门电路功耗
DP值愈小，表明门电路的特性愈接近于理想情况。
6. 扇入数与扇出数
（1）门电路的扇入数决定于它的输入引脚的个 数，如：三输入逻辑门的扇入数Ni=3。 A B C A B C L Ni=3
&
≥
L
Ni=3
（2）扇出数：门电路正常工作下能带同类逻辑 门电路负载的最大个数。
a)拉电流工作情况
3.1 MOS逻辑门电路
CMOS反相器 CMOS门电路 CMOS传输门、三态门
3.1.1 数字集成电路简介
上世纪60年代初美国德克萨斯公司率先将分立元件和连 线制作在同一硅片上，形成集成电路(Integrated Circuit，简 称IC)。并且，由于微电子技术的迅速发展，使集成电路在 大多数领域内迅速取代了分立元件电路。 从总体上说，集成 电路可分为模拟集成电路、数字集成电路以及数模混合集成 电路三大类。 在数字集成电路里，根据制造工艺的不同，可分为双极型 （电子、空穴两种载流参与导电）和单极型（只有电子或空穴 一种载流子参与导电）两大类。 TTL电路是双极型数字集成电路中应用最广泛的一种，它由 于输入端是晶体管（Transistor）输出端也是晶体管而得名，即 Transistor-Transistor Logic简称TTL。双极型数字电路除TTL类 型之外，还有ECL和I2L电路。ECL是一种通过射极电阻耦合的 非饱和型高速逻辑电路，称为发射极耦合电路。I2L电路是一种 单元结构简单、功耗低、适合于制造大规模集成电路的集成注入 逻辑门电路，在大规模器件中应用。
数字电路第三章习题与答案
第三章集成逻辑门电路一、选择题1、三态门输出高阻状态时,( )就是正确的说法。
A、用电压表测量指针不动B、相当于悬空C、电压不高不低D、测量电阻指针不动2、以下电路中可以实现“线与”功能的有( )。
A、与非门B、三态输出门C、集电极开路门D、漏极开路门3.以下电路中常用于总线应用的有( )。
A、TSL门B、OC门C、漏极开路门D、CMOS与非门4.逻辑表达式Y=AB可以用( )实现。
A、正或门B、正非门C、正与门D、负或门5.TTL电路在正逻辑系统中,以下各种输入中( )相当于输入逻辑“1”。
A、悬空B、通过电阻2、7kΩ接电源C、通过电阻2、7kΩ接地D、通过电阻510Ω接地6.对于TTL与非门闲置输入端的处理,可以( )。
A、接电源B、通过电阻3kΩ接电源C、接地D、与有用输入端并联7.要使TTL与非门工作在转折区,可使输入端对地外接电阻RI( )。
A、＞RONB、＜ROFFC、ROFF＜RI＜ROND、＞ROFF8.三极管作为开关使用时,要提高开关速度,可( )。
A、降低饱与深度B、增加饱与深度C、采用有源泄放回路D、采用抗饱与三极管9.CMOS数字集成电路与TTL数字集成电路相比突出的优点就是( )。
A、微功耗B、高速度C、高抗干扰能力D、电源范围宽10.与CT4000系列相对应的国际通用标准型号为( )。
A、CT74S肖特基系列B、 CT74LS低功耗肖特基系列C、CT74L低功耗系列D、 CT74H高速系列11.电路如图(a),(b)所示,设开关闭合为1、断开为0;灯亮为1、灯灭为0。
F 对开关A、B、C的逻辑函数表达式( )。
F1F 2(a)(b)Ａ.C AB F =1 )(2B A C F +=Ｂ.C AB F =1 )(2B A C F +=Ｃ. C B A F =2 )(2B A C F +=12.某TTL 反相器的主要参数为IIH ＝20μA;IIL ＝1、4ｍA;IOH ＝400μA;水IOL ＝14ｍA,带同样的门数( )。
第3章门电路
3.3 CMOS门电路
6. CMOS电路的优点
（1）微功耗。 CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。
（2）抗干扰能力很强。 输入噪声容限可达到VDD/2。
（3）电源电压范围宽。 多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常
Digital Electronics Technolo20g2y0/12/29
3.2 半导体二极管门电路
2. 二极管与门
3. 二极管或门
A Y
B
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3.3 CMOS门电路
MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。 MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、 集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得 到了十分迅速的发展。
3.3 CMOS门电路
➢ 功耗 ❖ 静态功耗: 逻辑电路输出状态不发生变化时的功耗。
大多数CMOS电路具有很低的静态功耗，所以在很 多低功耗的场合采用CMOS集成电路。
❖ 动态功耗: 逻辑电路输出状态发生变化时的功耗， 其值比静态功耗大得多。
PCCLVD 2D f
PTCPD VD 2 D f PDPCPT
buses.
RP IOLmax
VP
ILL Z=VOLmax RL
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3.3 CMOS门电路
❖ 施密特触发器
VOUT
5.0
VT-
VT+
2.1 2.9 5.0 VIN
Voltage of hysteresis =VT+-VT-
模电集成逻辑门电路
按电路结构不同分 是构成数字电路的基本单元之一
TTL 集成门电路
输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。
CMOS 集成门电路
用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。
CTMT按LO功即S 能即T特rCa点nomsi不sptlo同erm-分TernatnasriystMoreLtaolg-Oicxide-Semiconductor
中规模集成电路(MSI-Medium Scale Integration)，每 片组件内含100~1000个元件(或20~100个等效门)。
大规模集成电路(LSI-Large Scale Integration)， 每片 组件内含1000~100 000个元件(或100~1000个等效门)。
超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale Integration)， 每片组件内含100 000个元件(或1000个以上等效门)。
3.1.1三极管的开关特性
⒈ 静态开关作用
ube
ubc
ui
截止 反偏 反偏， iB＝iC ＝0，开关断开。 10K
( 集 射极间近似于断路)
放大 正偏 反偏， iC ＝ βiB， 线性放大。
饱和 正偏 正偏， iB >IBS ， 开关闭合。
( uCE 0.1 ~ 0.3V ,集 射极间近似于短路)
t
uI 负跳变到 iC 下降到
0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称
为三极管关断时间。 通常
toff > ton
t 开通关常时工间作主频要率由不于高电时，
荷可存忽储略效开应关引时起间，要而提工高作
开频关率速高度时，必须降考低虑三开极关
管速饱度和是深否度合，适加，速否基则区导存致
数电-第三章逻辑门电路
了解和掌握常见时序逻辑电路的原理和应用，如寄存器、 计数器、顺序脉冲发生器等。
可编程逻辑器件应用
1 2
可编程逻辑器件简介
了解可编程逻辑器件的基本概念和分类，如PAL、 GAL、CPLD、FPGA等。
可编程逻辑器件编程
学习使用相应的开发工具和编程语言，对可编程 逻辑器件进行编程和配置，实现特定的逻辑功能。
典型组合逻辑电路
了解和掌握常见组合逻辑电路的 原理和应用，如编码器、译码器、
数据选择器、比较器等。
时序逻辑电路分析与设计
时序逻辑电路分析
分析时序逻辑电路的工作原理，包括触发器的状态转换、 时钟信号的作用等，进而理解电路的功能。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，设计实现特定功能的时序逻辑电路。包括 确定输入、输出变量，选择适当的触发器类型，画出状态 转换图或时序图等步骤。
数电-第三章逻辑门 电路
• 逻辑门电路基本概念 • 基本逻辑门电路 • 复合逻辑门电路 • 逻辑门电路应用 • 逻辑门电路实验与仿真 • 逻辑门电路总结与展望
目录
Part
01
逻辑门电路基本概念
逻辑门定义与分类
逻辑门定义
逻辑门是数字电路中的基本单元 ，用于实现基本的逻辑运算功能 ，如与、或、非等。
逻辑符号为带有小圆圈的与门符号。
或非门电路
01
02
03
或非门逻辑功能
实现输入信号的逻辑或操 作，并取反输出结果。
或非门符号
逻辑符号为带有小圆圈的 或门符号。
或非门真值表
输入全为0时，输出为1； 输入有1时，输出为0。
异或门电路
异或门逻辑功能
实现输入信号的异或操作， 即输入信号相同时输出为0， 不同时输出为1。
第3章-逻辑门电路
3 逻辑门电路3.1 MOS 逻辑门电路3.1.2 求下列情况下TTL 逻辑门的扇出数：（1）74LS 门驱动同类门；（2）74LS 门驱动74ALS 系列TTL 门。
解：首先分别求出拉电流工作时的扇出数N OH 和灌电流工作时的扇出数N OL ，两者中的最小值即为扇出数。
从附录A 可查得74LS 系列电流参数的数值为I OH =0.4mA ，I OL =8mA ，I IH =0.02mA,I IL =0.4mA ；74ALS 系列输入电流参数的数值为I IH =0.02mA ，I IL =0.1mA ，其实省略了表示电流流向的符号。
（1） 根据（3.1.4）和式（3.1.5）计算扇出数74LS 系列驱动同类门时，输出为高电平的扇出数0.4200.02OH OH IH I mA N I mA=== 输出为低电平的扇出数 8200.4OL OL IL I mA N I mA ===所以，74LS 系列驱动同类门时的扇出数N O 为20。
（2） 同理可计算出74LS 系列驱动74ALS 系列时，有0.4200.02OH OH IH I mA N I mA=== 8800.1OL OL IL I mA N I mA === 所以，74LS 系列驱动74ALS 系列时的扇出数N O 为20。
3.1.4 已知图题3.1.4所示各MOSFET 管的T V =2V ，忽略电阻上的压降，试确定其工作状态（导通或截止）。
解：图题3.1.4（a ）和（c ）的N 沟道增强型MOS ，图题3.1.4（b ）和（d ）为P 沟道增强型MOS 。
N 沟道增强型MOS 管得开启电压V T 为正。
当GS V ＜V T 时，MOS 管处于截止状态；当GS V ≥V T ，且DS v ≥（GS V —V T ）时，MOS 管处于饱和导通状态。
对于图题3.1.4（a ），GS V =5V ，DS v =5V ，可以判断该MOS 管处于饱和导通状态。
第3章 门电路(打印)
噪声容限
74系列典型值为：
VOH（min) = 2.4V
VOL（max) = 0.4V
VIH（min) = 2.0V VIL（max) = 0.8V VNH=0.4V VNL=0.4V
VNL =VIL(max) - VOL(max) VNH =VOH(min) - VIH(min)
二、输入特性
iIL iIH
四、输入负载特性 输入端 “1”,“0”？
ui
RP
简化电路
A
R1
VCC
ui
ui
T1
RP
be
2
be 0
5
RP
RP较小时
RP ui (Vcc Von ) RP R1
当RP<<R1时, ui ∝ RP
简化电路
A
R1
VCC
ui
ui
T1
RP
1.4V
be
2
be 0
5
RP
RP增大时
Ruiui≥UT （1.4V）时，输入变高， 由于钳位作用， ui 动态固定为1.4V 。
N1 ≤ IOH /IIH N1 ≤400μA/40μA=10
前级输出为 低电平时
前级
后级
IOL IIL
N2
IIL
数电-第三章 门电路
三、门电路概述 • 工艺分类 –双极型门电路 双极型门电路 – MOS门电路 门电路 – Bi-CMOS电路 电路 • 基本逻辑门电路 –与门、或门、非门 与门、或门、 与门 • 常用门电路 –与门、或门、非门 与门、 与门 或门、 –与非门、或非门、与或非门、同或、异或 与非门、 与非门 或非门、与或非门、同或、
A B ≥1 L=A+B
逻辑电平关系 正逻辑
真值表
VD1 A VD2 B R Y
A/V B/V Y/V
0 0 3 3 0 3 0 3 0 2.3 2.3 2.3
A B
0 0 1 1 0 1 0 1
Y
0 1 1 1
只有A、B同时为低电平（0V），Y才为低电平 （0V）。即：只有A+B=0，才有Y=0。 只要A、B中有一个为高电平（3V），Y就为高电 平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。 这种或门电路同样存在“电平偏离” 这种或门电路同样存在“电平偏离”和带载能力差的问 题
四、二极管或门 或门
VD1 A
Y 2.7V 0V
3V 0V A、B——输入，Y——输出 VD2 B 以A=1为例 设：UIH=3V， UIL=0V 0V 二极管正向导通压降 UDF=0.7V。
R
只要A、B中有一个为高电平（3V）， 则相应的二极管导通， Y就为低电平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。 只有A、B同时为低电平（0V），两个二极管均截止。 Y才为低电平（0V）,即：只有A+B=0，才有Y=0 所以：管的截止条件和等效电路 当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V<0.5V） i 三极管截止，B=0， iC ≈ 0， uO=UOH=UCC 可靠截止条件为:UBE<0V 截止时，iB、iC都很小，三个极均可看作开路
《数字电子技术基础》第3章 门电路
导通
TP vI vO
TN
vo=―１” 截止
vI=1
VDD
截止
T1 vI
vO T2
vo=―０” 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 输 特 性
T1T2同时导通
T2导通T1截止
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
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。
VNL VIL (max) VOL (max)
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。
§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
S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的， 流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字 电路中得到广泛的应用
3.1 概述
4. 数字电路的概述 （1）优点： 在数字电路中由于采 用高低电平，并且高低电 平都有一个允许的范围， 如图3.1.1所示，故对元器 件的精度和电源的稳定性 的要求都比模拟电路要低， 抗干扰能力也强。
康华光《电子技术基础-数字部分》(第5版)笔记和课后习题(含考研真题)详解-逻辑门电路【圣才出品】
第3章逻辑门电路3.1复习笔记一、MOS逻辑门电路1．逻辑电路的一般特性（1）输入和输出的高、低电平数字电路中的高、低电压常用高、低电平来描述，并规定在正逻辑体制中，用逻辑1和0分别表示高、低电平。
当逻辑电路的输入信号在一定范围内变化时，输出电压并不会改变，因此逻辑1和0对应一定的电压范围。
（2）噪声容限噪声容限表示门电路的抗干扰能力。
在数字系统中，各逻辑电路之间的连线可能会受到各种噪声的干扰，这些噪声会叠加在工作信号上，只要其幅度不超过逻辑电平允许的最小值或最大值，则输出逻辑状态不会受影响。
通常将这个最大噪声幅度称为噪声容限。
（3）传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长时间。
（4）功耗①静态功耗当电路的输出没有状态转换时的功耗。
静态时，CMOS电路的电流非常小，使得静态功耗非常低。
②动态功耗CMOS电路在输出发生状态转换时的功耗，它主要由两部分组成：a ．由于电路输出状态转换的瞬间，其等效电阻比较小，从而导致有较大的电流从电源VDD 经CMOS 电路流入地；b ．由于CMOS 管的负载通常是电容性的，因此当输出由高电平到低电平，或者由低电平到高电平转换时，会对电容进行充、放电，这个过程将增加电路的损耗。
（5）延时-功耗积理想的数字电路或系统，要求它既速度高，同时功耗低。
用符号DP 表示延时-功耗积：pd DDP t P 式中，pd t 为传输延迟时间，D P 为门电路功耗。
DP 值越小，特性越理想。
（6）扇入数和扇出数门电路的扇入数取决于它的输入端的个数。
门电路的扇出数指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。
考虑如下两种情况：①拉电流工作情况负载电流从驱动门流向外电路，输出为高电平的扇出数表示：②灌电流工作情况负载电流从外电路流入驱动门，驱动门所能驱动同类门的个数：2．MOS 开关及等效电路（1）MOS 管开关特性图3-1（a ）为N 沟道增强型MOS 管构成的开关电路。
第三章_CMOS门电路
MOS管作负载时，对信号源的要求很低，不需要 信号源提供电流。
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19
二、输出特性（反映CMOS带负载能力） 1、低电平输出特性 即T2管的输出 特性曲线
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VIH=VDD越大，VGS越大， 则导通内阻越小， IOL相 同，因此VOL越小。
二氧化硅 二氧化硅
++ NN
++ NN
PP 衬底 衬底
B B
5
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定义： 开启电压（ UT）——
-
S
VGS
VDS
G - i D
-D
二氧化硅
沟道刚开始形成时的栅源
电压UGS。（一般2 ~ 3V）
N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS ＜ UT，管子截止，iD= 0； uGS ＞UT，管子导通，有iD。 电流iD 越大。 可通过改变 uGS 改变 iD 的大小，因此是电压控制元件。
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漏极开路的门电路（OD门）（Open-Drain）
VDD2
VDD1
使用时必须外接上拉电阻
D vO
内部逻辑 A B
RL
Y=(AB)'
A B Y
G
TN•
S
OD与非门逻辑符号
74HC03电路结构
与OC门类似，能实现线与连接、电平转换，提高驱动能力。 电平转换：vI：0~VDD1 vO：0~VDD2
C 电路结构 VTN=︱VTP︱
如何判断MOS管的源极和漏极？ 根据MOS管工作时的电流方向： PMOS管从S端流向D端； NMOS管由D端流向S端。
模电课件第三章集成逻辑门电路
R1
R2
4k 1.6k
A
uI
T1
T2
D1
R3 1k
输入级 中间级
+VCC(5V) R4
130 T4
DY T5 uo
输出级
26
2. 工作原理
(1)输入为低电平（0.0V）时: uI UIL 0 V
不足以让 T2、T5导通
0.7V
三个PN结
导通需2.1V
T2、T5截止
27
(1) uI UIL 0 V
RC＋（1＋）Re
17
[例2]下图电路中 = 50,UBE(on) = 0.7 V,UIH = 3.6 V,UIL = 0.3 V,为
使三极管开关工作,试选择 RB 值,并对应输入波形画出输出波形。
+5 V
uI
1 k
UIH
UIL O
t
解：(1)根据开关工作条件确定 RB 取值
uI = UIL = 0.3 V 时,三极管满足截止条件
按电路结构不同分 是构成数字电路的基本单元之一
TTL 集成门电路
输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。
CMOS 集成门电路
用互补对称 MT特rCa点nomsi不sptlo同erm-分TernatnasriystMoreLtaolg-Oicxide-Semiconductor
Ucc =5V
1k uo
T
β =30
iB
I BS
Ucc Uces RC
Ucc RC
, Uces 0.7V
8
三极管的开关特性
3V
0V RB ui
+UCC
RC
3V
uO T
截饱止和 0V
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3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出门电路
3.1.7 CMOS传输门 3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数
3.1.1
数字集成电路简介
1 、逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。
2、 逻辑门电路的分类
分立门电路
逻辑门电路 集成门电路
二极管门电路
相当于开关“断开” 输出为低电平。 当输入为高电平时： MOS管工作在可变电阻区，
相当于开关“闭合”，
输出为低电平。 MOS管相当于一个由vGS控制的 无触点开关。
3.1.4 CMOS 反相器
1.工作原理 VTN = 2 V
扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。 （a)带拉电流负载 当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压 的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的 个数。 高电平扇出数:
N OH
I OH ( 驱动门 ) I IH ( 负载门 )
IOH :驱动门的输出端为高电平电流 IIH :负载门的输入电流为。
输出
t PHL
90% 50% 10%
tPLH
90%
50% 10%
t
f
tr
4. 功耗
静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时
电源总电流ID与电源电压VDD的乘积。 动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗， 对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。 CMOS电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗 5. 延时功耗积 是速度功耗综合性的指标.延时功耗积，用符号DP表示 6. 扇入与扇出数 扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。
NMOS门 PMOS门 CMOS门
3.1.1 数字集成电路简介
1.CMOS集成电路: 广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路
4000系列 速度慢 与TTL不兼容 抗干扰 功耗低 74HC 74HCT 速度加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低 74VHC 74VHCT 速度两倍于74HC 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低 74LVC 74VAUC 低(超低)电压 速度更加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰功耗低
2.TTL 集成电路: 广泛应用于中大规模集成电路
74系列 74LS系列 74AS系列 74ALS
3.1.2 逻辑门电路的一般特性
1. 输入和输出的高、低电平 vI 1 vO
驱动门 G1 1
负载门 G2 + VDD 输入 高电平 VIH( min) VIL( max)
vO
输出 高电平
+VDD
VOH( min)
vI
输入低电平的上限值 VIL(max) 输入高电平的下限值 VIL(min) 输出高电平的下限值 VOH(min) 输出低电平的上限值 VOH(max)
输出 低电平
VOL( max) 0
输入 低电平 0 G2 门 vI 范围
G1 门 vO 范围
2. 噪声容限
在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表 示门电路的抗干扰能力 负载门输入高电平时的噪声容限： VNH —当前级门输出高电平的最小
驱动 1门
vo
噪声
vI
负载门
1
值时允许负向噪声电压的最大值。
VNH =VOH(min)－VIH(min) 负载门输入低电平时的噪声容限： VNL —当前级门输出低电平的最大 值时允许正向噪声电压的最大值 VNL =VIL(max)－VOL(max)
3.传输延迟时间 传输延迟时间是表征门电路开关速度
的参数，它说明门电路在输入脉冲波
CMOS电路传输延迟时间
形的作用下，其输出波形相对于输入
输入
50%
50%
波形延迟了多长的时间。
类型 参数 tPLH或 tPHL(ns) 74HC 74HCT 74LVC 74AUC VDD=5 VDD=5 VDD=3.3 VDD=1.8 V V V V 7 8 2.1 0.9
TTL
ECL
CE10K系列 CE100K系列 VDD=5V VDD=15V
CMOS
15×10－3 180 ×10－3 1×10－3 8 ×10－3
高速CMOS
3.1.3 MOS开关及其等效电路
当υI < VT 当υI > VT
: MOS管截止， 输出高电平 ：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平
当输入为低电平时： MOS管截止，
3
逻辑门电路
3.1 MOS逻辑门电路 3.2 TTL逻辑门电路 *3.3 射极耦合逻辑门电路 *3.4 砷化镓逻辑门电路 3.5 逻辑描述中的几个问题 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题 * 3.7 用VerilogHDL描述逻辑门电路
3. 逻辑门电路
教学基本要求： 1、了解半导体器件的开关特性。
2 、熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或
门）、三态门、OD门（OC门）和传输门的逻辑功能。
3、学会门电路逻辑功能分析方法。
4、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。
3.1 MOS逻辑门
3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 数字集成电路简介 逻辑门的一般特性 MOS开关及其等效电路 CMOS反相器 CMOS逻辑门电路
电路类型 CT54/74 CT54LS/74LS HTL
直流噪声容限 输出逻 传输延 电源电 静态功耗 功耗－延迟积 迟时间 辑摆幅 /mW /mW-ns 压/V VNL/V VNH/V /ns /V
＋5 ＋5 ＋15 －5.2 －4.5 ＋5 ＋15 ＋5 10 7.5 85 2 0.75 45 12 8 15 2 30 25 40 5×10－3 150 15 2550 50 30 225 ×10－3 1.2 0.4 7 0.155 0.135 2.2 6.5 1.0 2.2 0.5 7.5 0.125 0.130 3.4 9.0 1.5 3.5 3.5 13 0.8 0.8 5 15 5
(b)带灌电流负载
当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起 输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输 出低电平的上限值。
I OL ( 驱动门 ) I IL ( 负载门 )
N OL
IOL ：驱动门的输出端为低电平电流 IIL ：负载门输入端电流之和
各类数字集成电路主要性能参数的比较