第二章：数字集成门电路课件
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门电路分为分立元件门电路和集成门电路两种。 由于集成门电路具有重量轻、体积小、功耗低、可靠
性高、工作速度高以及使用方便等优点，因而被广泛 应用。 数字集成电路按所用半导体开关器件的不同，可分为 两大类：一类称为双极型数字集成电路，例如TTL电 路；另一类称为单极型或MOS型集成电路，例如 CMOS电路等。
CMOS反相器输入保护电路: 在输入电压的正常工作范围
内（0≤ uI ≤VDD），输入保护 电路是不起作用的。
设二极管的正向导通压降为UDF 则当uI <-UDF或uI >VDD+UDF时，MOS管的栅极 电位将被钳在-UDF～VDD+UDF之间，使栅极的 SiO2层不会被击穿
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1. MOS集成门电路
MOS集成逻辑门是采用半导体场效应管作为开关元 件的数字集成电路，它分为PMOS、NMOS和 CMOS三种类型。
CMOS器件的主要优点是结构简单、价格便宜、体 积小、功耗低。
2. 双极型集成门电路
双极型数字集成门电路有TTL、ECL电路和I2L电路 等类型。TTL是应用最早，技术最为成熟的集成电 路，曾被广泛使用。
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2.2 MOS集成门电路 2.2.1 MOS管的开关特性
栅-源极间、栅-漏极间、漏-源极间都有电容效 应，会影响着管子的开关速度。
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MOS管是一种电压控制型器件，只有一种载 流子参与导电。
优点：结构简单，便于集成，输入阻抗高，功 耗小等。
2）输入电平和输出电平
典型的CMOS电路在5V电源下工作，0～1.5V之间的
输入电压对应逻辑0，3.5～5V之间的输入电压对应于
逻辑1。不同系列的CMOS电路，逻辑1和逻辑0所对
应的电压范围也不同。在器件手册中通常给出4种逻
辑电平参数。
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2）输入电平和输出电平
①UILmax（关门电平UOFF），UILmax大约在0.3VDD左右 ②UIHmin（开门电平UON），UIHmin近似于0.7VDD左右 ③UOLmax，UOLmax一般为0.02VDD ④UOHmin， UOHmin一般为0.98VDD
3）阈值电压
从CMOS反相器的电压传输特性曲线中可以看出，输 出高低电平的过渡区很陡，其阈值电压UT约为VDD的 一半。
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4）抗干扰能力
抗干扰能力也称为噪声容限。
在保证输出高、低电平的变化不超过允许限度 的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入 端噪声容限。
输入高电平时的噪声容限: UNH＝UOHmin－UIHmin 输入低电平时的噪声容限: UNL＝UILmax－UOLmax
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（2）输入特性
电路在使用前输入端是悬空的，只要外界有很小的静电 场，都可能在输入端积累电荷而将栅极击穿。因此必须 采取保护措施。
主要缺点：开关速度较低。 但随着工艺的改进，速度已 和TTL电路不相 上下了。 MOS管开关电路工作波形:
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2Biblioteka Baidu2.2 CMOS反相器
1．电路结构与工作原理
设开启电压UTN＝∣UTP∣＝UT， VDD>2UT；uGSP<-UT时，TP导通 uGSN>UT时，TN导通。 当uI＝UIL＝0V时， TN截止，TP导通 当uI＝UIH＝VDD时， TN导通，TP截止 输入与输出满足非的逻辑关系。
的绝对值越大其导通内阻越小
当反相器的电源电压VDD越大，则加到TP管上的栅 源电压uGSP就越负，在同样的负载电流iO下，TP管 的导通压降就越小，电路的输出电压UOH也就下降 得越少。
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2）低电平输出特性
当负载电流iO=IOL↑ TN管的导通压降uDS↑ 输出电压uO＝UOL增大 ★同样的，TN管导通电阻也与栅源电压uGSN的大小有
(2) CMOS电路的有关参数：
1）工作电源电压
CMOS门电路的工作电压范围很宽，其中4000、
4000B系列，VDD＝3～18V；74HC和74HCT系列， VDD＝2～6V；74LVC系列，VDD ＝1.2～3.6V； 74AUC系列， VDD ＝ 0.8～2.7V。CMOS的各种参数 都与电源电压VDD呈线性关系。
关，uGSN的绝对值越大其导通内阻越小 当反相器的电源电压VDD越大，则加到TN管上的栅源
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输入特性曲线
当输入电压-UDF<uI<VDD+UDF 时，输入电流iI几乎为0。 当uI<-UDF时，iI的绝对值将 随uI绝对值的加大而迅速增 加。
当uI>VDD+UDF以后，iI也将迅 速增加。
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（3）输出特性
1）高电平输出特性
当负载电流iO=IOH↑ TP管的导通压降uDS↑ 输出电压uO＝UOH减小 ★TP管的导通电阻与栅源电压uGSP的大小有关，uGSP
数字电路与 系统设计
第二章
数字集成门电路
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第二章 数字集成门电路
2.1 概述 2.2 MOS集成门电路 2.3 TTL集成门电路 2.4 门电路使用中的几个实际问题
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2.1 概述
门电路：完成基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子电 路，它是组成数字电路的基本单元。
TP、TN始终有一个工作在截止状态，因此CMOS门电 路的静态功耗都很低。
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2．CMOS反相器的特性及有关参数
（1）电压传输特性和电流传输特性
3、UI增大到VDD的一半时，iD将达到最大值，输出电压 12而迅4始iD、、、迅T速向UU当P速减截管II＜＝U减小止依IU继U小状然TT续NN，态导时并增输转通，逐加出换，则渐，电，iT增DTN压迅TN大截P管u速管时止O继增也的，，续加下漏原T导，P降源来导通u至间截通O，接也等止，T近随效的Pu管低O之电T≈由N电下V阻管D导平降逐D开通渐始状增导态大通开，， 5、 UI增大到uI >VDD-|UTP|时，TP管完全截止，TN管继 续导通，此时，uO≈0，iD≈0，
性高、工作速度高以及使用方便等优点，因而被广泛 应用。 数字集成电路按所用半导体开关器件的不同，可分为 两大类：一类称为双极型数字集成电路，例如TTL电 路；另一类称为单极型或MOS型集成电路，例如 CMOS电路等。
CMOS反相器输入保护电路: 在输入电压的正常工作范围
内（0≤ uI ≤VDD），输入保护 电路是不起作用的。
设二极管的正向导通压降为UDF 则当uI <-UDF或uI >VDD+UDF时，MOS管的栅极 电位将被钳在-UDF～VDD+UDF之间，使栅极的 SiO2层不会被击穿
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1. MOS集成门电路
MOS集成逻辑门是采用半导体场效应管作为开关元 件的数字集成电路，它分为PMOS、NMOS和 CMOS三种类型。
CMOS器件的主要优点是结构简单、价格便宜、体 积小、功耗低。
2. 双极型集成门电路
双极型数字集成门电路有TTL、ECL电路和I2L电路 等类型。TTL是应用最早，技术最为成熟的集成电 路，曾被广泛使用。
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2.2 MOS集成门电路 2.2.1 MOS管的开关特性
栅-源极间、栅-漏极间、漏-源极间都有电容效 应，会影响着管子的开关速度。
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MOS管是一种电压控制型器件，只有一种载 流子参与导电。
优点：结构简单，便于集成，输入阻抗高，功 耗小等。
2）输入电平和输出电平
典型的CMOS电路在5V电源下工作，0～1.5V之间的
输入电压对应逻辑0，3.5～5V之间的输入电压对应于
逻辑1。不同系列的CMOS电路，逻辑1和逻辑0所对
应的电压范围也不同。在器件手册中通常给出4种逻
辑电平参数。
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2）输入电平和输出电平
①UILmax（关门电平UOFF），UILmax大约在0.3VDD左右 ②UIHmin（开门电平UON），UIHmin近似于0.7VDD左右 ③UOLmax，UOLmax一般为0.02VDD ④UOHmin， UOHmin一般为0.98VDD
3）阈值电压
从CMOS反相器的电压传输特性曲线中可以看出，输 出高低电平的过渡区很陡，其阈值电压UT约为VDD的 一半。
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4）抗干扰能力
抗干扰能力也称为噪声容限。
在保证输出高、低电平的变化不超过允许限度 的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入 端噪声容限。
输入高电平时的噪声容限: UNH＝UOHmin－UIHmin 输入低电平时的噪声容限: UNL＝UILmax－UOLmax
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（2）输入特性
电路在使用前输入端是悬空的，只要外界有很小的静电 场，都可能在输入端积累电荷而将栅极击穿。因此必须 采取保护措施。
主要缺点：开关速度较低。 但随着工艺的改进，速度已 和TTL电路不相 上下了。 MOS管开关电路工作波形:
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2Biblioteka Baidu2.2 CMOS反相器
1．电路结构与工作原理
设开启电压UTN＝∣UTP∣＝UT， VDD>2UT；uGSP<-UT时，TP导通 uGSN>UT时，TN导通。 当uI＝UIL＝0V时， TN截止，TP导通 当uI＝UIH＝VDD时， TN导通，TP截止 输入与输出满足非的逻辑关系。
的绝对值越大其导通内阻越小
当反相器的电源电压VDD越大，则加到TP管上的栅 源电压uGSP就越负，在同样的负载电流iO下，TP管 的导通压降就越小，电路的输出电压UOH也就下降 得越少。
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2）低电平输出特性
当负载电流iO=IOL↑ TN管的导通压降uDS↑ 输出电压uO＝UOL增大 ★同样的，TN管导通电阻也与栅源电压uGSN的大小有
(2) CMOS电路的有关参数：
1）工作电源电压
CMOS门电路的工作电压范围很宽，其中4000、
4000B系列，VDD＝3～18V；74HC和74HCT系列， VDD＝2～6V；74LVC系列，VDD ＝1.2～3.6V； 74AUC系列， VDD ＝ 0.8～2.7V。CMOS的各种参数 都与电源电压VDD呈线性关系。
关，uGSN的绝对值越大其导通内阻越小 当反相器的电源电压VDD越大，则加到TN管上的栅源
12
输入特性曲线
当输入电压-UDF<uI<VDD+UDF 时，输入电流iI几乎为0。 当uI<-UDF时，iI的绝对值将 随uI绝对值的加大而迅速增 加。
当uI>VDD+UDF以后，iI也将迅 速增加。
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（3）输出特性
1）高电平输出特性
当负载电流iO=IOH↑ TP管的导通压降uDS↑ 输出电压uO＝UOH减小 ★TP管的导通电阻与栅源电压uGSP的大小有关，uGSP
数字电路与 系统设计
第二章
数字集成门电路
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第二章 数字集成门电路
2.1 概述 2.2 MOS集成门电路 2.3 TTL集成门电路 2.4 门电路使用中的几个实际问题
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2.1 概述
门电路：完成基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子电 路，它是组成数字电路的基本单元。
TP、TN始终有一个工作在截止状态，因此CMOS门电 路的静态功耗都很低。
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2．CMOS反相器的特性及有关参数
（1）电压传输特性和电流传输特性
3、UI增大到VDD的一半时，iD将达到最大值，输出电压 12而迅4始iD、、、迅T速向UU当P速减截管II＜＝U减小止依IU继U小状然TT续NN，态导时并增输转通，逐加出换，则渐，电，iT增DTN压迅TN大截P管u速管时止O继增也的，，续加下漏原T导，P降源来导通u至间截通O，接也等止，T近随效的Pu管低O之电T≈由N电下V阻管D导平降逐D开通渐始状增导态大通开，， 5、 UI增大到uI >VDD-|UTP|时，TP管完全截止，TN管继 续导通，此时，uO≈0，iD≈0，