第二章：数字集成门电路课件

数字电路与系统设计第二章数字集成门电路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。

●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。

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。

2.2 MOS集成门电路2.2.1MOS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。

●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。

●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:2.2.2 CMOS反相器1．电路结构与工作原理●设开启电压UTN ＝∣UTP∣＝UT，V DD>2U T；u GSP<-U T时，T P导通u GSN>U T时，T N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。

T P、T N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。

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1、U I ＜U TN 时，则T N 截止，T P 导通，u O ≈V DD2、U I ＝U TN 并逐渐增大时，原来截止的T N 管开始导通，而T P 管依然导通，i D 迅速增加，u O 也随之下降3、U I 增大到V DD 的一半时，i D 将达到最大值，输出电压迅速减小4、当U I 继续增加，T N 管继续导通，T P 管由导通状态开始向截止状态转换，T P 管的漏源间等效电阻逐渐增大，i D 迅速减小，输出电压u O 也下降至接近低电平5、 U I 增大到u I >V DD -|U TP |时，T P 管完全截止，T N 管继(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，V DD＝3～18V；74HC和74HCT系列，V DD＝2～6V；74LVC系列，V DD＝1.2～3.6V；74AUC系列，V DD＝ 0.8～2.7V。

CMOS的各种参数呈线性关系。

都与电源电压VDD●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。

2）输入电平和输出电平●①U ILmax （关门电平U OFF ），U ILmax 大约在0.3V DD 左右 ●②U IHmin （开门电平U ON ），U IHmin 近似于0.7V DD 左右 ●③U OLmax ，U OLmax 一般为0.02V DD●④U OHmin ， U OHmin 一般为0.98V DD3）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U T 约为V DD 的一半。

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:●U NH ＝U OHmin －U IHmin●输入低电平时的噪声容限:●U NL ＝U ILmax －U OLma x●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。

CMOS 反相器输入保护电路:●在输入电压的正常工作范围内（0≤ u I ≤V DD ），输入保护电路是不起作用的。

●设二极管的正向导通压降为U DF则当u I <-U DF 或u I >V DD +U DF 时，MOS 管的栅极 电位将被钳在-U DF ～V DD +U DF 之间，使栅极的 SiO2层不会被击穿当输入电压-U DF <u I <V DD +U DF 时，输入电流i I 几乎为0。

当u I <-U DF 时，i I 的绝对值将随u I 绝对值的加大而迅速增加。

当u I >V DD +U DF 以后，i I 也将迅速增加。

（3）输出特性1）高电平输出特性当负载电流i O =I OH ↑T P 管的导通压降u DS ↑输出电压u O ＝U OH 减小★TP 管的导通电阻与栅源电压u GSP 的大小有关，u GSP 的绝对值越大其导通内阻越小当反相器的电源电压V DD 越大，则加到T P 管上的栅源电压u GSP 就越负，在同样的负载电流i O 下，T P 管的导通压降就越小，电路的输出电压U OH 也就下降得越少。

2）低电平输出特性当负载电流i O =I OL ↑T N 管的导通压降u DS ↑输出电压u O ＝U OL 增大★同样的，T N 管导通电阻也与栅源电压u GSN 的大小有关，u GSN 的绝对值越大其导通内阻越小当反相器的电源电压V DD 越大，则加到T N 管上的栅源电压u GSN 就越大，在同样的负载电流i O 下，T N 管的导通压降就越小，电路的输出电压U OL 也就越低。

3）带负载能力●门电路的负载能力通常用扇出系数N来表示。

●扇出系数是指其在正常工作情况下，所能驱动同类门的最大数目。

●扇出系数的计算需要考虑两种情况，一种是拉电流，另一种是灌电负载，即输出为高电平时的扇出数NH流负载，即输出为低电平时的扇出数N。

L3）带负载能力●当反相器输出U OH 时，拉电流I OH 从反相器输出端流出到负载门。

当负载门个数增加时，总的拉电流也会增加，这将引起输出高电平变低，但不得低于U OHmin ●当反相器输出U OL 时，灌电流I OL 将从负载门流入到反相器，当负载门个数增加时，总的灌电流也会增加，这将使反相器输出低电平变高，但不得高于U OLmax 。

（4）传输延迟时间●静态特性参数……；动态特性参数……；●传输延迟时间：表征门电路开关速度的参数。

t PHL为输出由高电平降到低电平时的传输时延 t PLH为输出由低电平升到高电平时的传输时间平均传输延迟时间：放电过程…；充电过程…；2/)(PHLPLHpdttt+=（5）动态功耗●功耗是门电路的重要参数之一●静态功耗：当电路的输出没有状态转换时的功耗。

●动态功耗：CMOS反相器从一个稳定状态转变为另一个稳定状态过程中产生的功耗。

●一是当MOS管TN 和TP在状态转换过程中会在短时间内同时导通产生的瞬时导通功耗●二是对负载电容充、放电所产生的功耗。

●动态功耗的大小与电源电压、输入信号的频率、负载电容量的大小有关。

一般来说，这些参数的数值越大，动态功耗就越大。

（6）延时-功耗积●对于理想的数字电路或系统，希望工作速度高、功耗低。

●但是数字系统在获得高速的同时必然要付出较大的功耗，两者不可兼得。

●逻辑门电路的性能通常采用传输延迟时间和功耗的乘积来描述，这种综合性的指标称为延时-功耗积。

●器件的延时-功耗积的值越小，表明它的性能越好，其特性越接近于理想情况。

2.2.3 其它类型CMOS门电路 1．其它逻辑功能的CMOS门电路（1）与非门电路●当输入端A、B中只要有一个为低电平时，…●当输入A、B全为高电平时，…（2）或非门电路●当输入端A、B中只要有一个为高电平时，…●当输入A、B全为低电平时…2．带缓冲器的CMOS电路若设每个MOS管导通时的漏源，截止时的漏源电阻电阻为RON为无穷大。

对右图的与非门：●当A=B=0时，输出为0.5R；ON当A、B中只有一个为0时，输出；当A=B=1时，输出电阻值为2R ON。

电阻值为RON●当CMOS门输入端增加时，其串联的NMOS管个数也增加。

串联的管子全部导通，则总的导通电阻将增加。

升高，而使或非门的输出使与非门的输出低电平UOL高电平U降低。

因此CMOS逻辑门电路输入端不宜OH过多。

为了克服上述CMOS门电路的缺点，在CMOS 电路的每个输入端和输出端各增加一级反相器（缓冲器），以规范电路的输入和输出逻辑电平。

3．CMOS漏极开路门（1）漏极开路门电路在实际系统中，往往需要将CMOS逻辑门的输出端并联使用，实现线与逻辑功能，但是输出端不能直接相连为了使CMOS门电路的输出能直接连在一起，并实现正常逻辑功能，可采用漏极开路（OD）门实现。

CD=Y⋅AB（2）上拉电阻计算 ●当n 个OD 门输出均为高电平时，为了保证输出的高电平不低于规定值U OHmin ，电阻R P 不能选得太大。

●当只有一个OD 门的全部输入都接高电平时，这时输出电压将变为低电平U OL 即所有负载电流全部流入唯一的导通门时，应保证输出的低电平仍能低于规定值U OLmax ，且输出电流I OL 不超过额定值I OLmax 。

IH OH min OH DD max P kI nI U V R +-'=max min max DD OL P OL IL V U R I m I '-='-例2.2.1 G 1、G 2为漏极开路CMOS 与非门，其参数为：V DD ＝5V ，I OH ＝5µA ，I OLmax ＝4mA ，U OLmax ＝0.33V ，U OHmin ＝3.84V 。

G 3、G 4和G 5的低电平输入电流为I IL ＝0.4mA ，高电平输入电流为I IH ＝20µA 。

电路如图2.2.20所示，试确定电路中上拉电阻R P 的合适阻值。

当OD 门输出为高电平时， 当OD 门输出为低电平时，IHOH min OH DD max P kI nI U V R +-'=ILmax OL max OL DD min P I m I U V R '--'=Ω≈Ω⋅+⋅-=k 1.6k 02.09005.0284.35Ω≈Ω⋅--=k 67.1k 4.03433.054．三态输出门电路三态门：门电路输出有三种状态，即高电平、低电平和高阻。