门电路 二极管 课件

VI
0
VDD/2 VDD
2-5-2 CMOS反向器的 静态输入特性和输出特性
一、 输入特性
由于CMOS反向器的栅极和衬底之间有SiO2绝缘层， 所以CMOS反向器正常工作时，有II=IG=0成立。
但绝缘层非常薄，极易击穿 ,
所以，制作CMOS器件时，
集成了“输入保护电路”, 以保护绝缘层不被击穿。
ຫໍສະໝຸດ Baidu
1.输出为低电平时
（U0 = U0L≤0.4V)
输出端带负载的情形如图： 低电平输出电流 :
IOL=N1·IIL N1·IIS
N1是输出低电平时负载门的数目。
由于T4管的导通电阻为RON， 所以，UOL=IOL·RON。 为了保证 UOL≤0.4v， 要限制负载门的数目N1。
+VCC
T3
截止 IIL +VCC
UOL
T1
T4
导通 IOL
IIL
+VCC T1
驱动门
负载门
2.输出端为高电平时
(U0 = UOH ≥ 2.4v)
输出端带负载的情形如图：
RC3
+VCC IOH
T3
导通
+VCC
高电平输出电流： IOH = N2·IIH
UOH 截止
T1 IIH +VCC
N2是输出高电平时负载门的数目。 T4
T1
由于T3管的导通电阻为RON ，所以： UOH VCC -N2·IIH (RC3+RON)- 0.7v
当EN=0时：
EN 10
D （以三态非门为例）
T1输入端被封锁，UB1为低电平，T2、T4截止；
同时，二极管D 导通，T3基极为低电平，T3截止。
T3、T4均截止，非门电路输出为高阻状态。
三态非门逻辑符号
A
1
EN EN
+VCC 截止 T3
Y T4 截止
Y
2、常用三态门的图形符号和输出逻辑表达式
逻辑符号
A1
Y
EN EN
A1
Y
EN EN
A& B
Y
EN EN
A& B
Y
EN EN
名称
输出表达式
三态非门 （1 控制有效）
三态非门 （0 控制有效）
三态与非门 （1 控制有效）
Y = A （EN=1 时） 高阻 （EN=0 时）
Y=
A （EN= 0 时） 高阻 （EN= 1 时）
Y=
AB （EN=1 时） 高阻 （EN= 0 时）
门间限流电阻R不能太大，要求：
1、当UO1=UOH 时， UI2≥UIH（min)应满足
此时，门间电流流向如图， 所以，下式应满足:
UOH - IIH ·R ≥UIH（min) …… （1）
2、当UO1=UOL 时， UI2≤UIL（max)应满足
此时，门间电流流向如图， 所以，下式应满足:
UOL + IIL ·R ≤UIL（max) …… （2） 根据（1）、（2）式可确定门间连接电阻R的数值。
RL的大小应根据公式计算，
通常在12K之间。 4. 线与输出函数式
A& B
C&
若电路如图：
D
则：Y= AB•CD = AB+CD
(与非与）（与或非）
+VCC’ RL
Y
线与
二、三态门（TS门）
1、三态门的组成及工作原理
EN端为“使能
当端E”N=。1时：
A
对T1没有影响；
R1
0
T1
0
T2
同时，二极管D 截止， 对T2、T3也没有影响， 原非门电路正常工作。
当C=0时，Y=A+B+0=A+B 或门打开，或功能成立。
能“打开”或者“封锁”门电路的信号叫“控制信号”。 控制信号的输入端叫“控制端”，或“使能端”。
与门、与非门可用“0”封锁，用“1”打开；
或门、或非门可用“1”封锁，用“0”打开；
§2-4 TTL门电路
2-4-1 TTL非门 R1
+VCC
1、 电路结构图
UOL(max) =0.4v
UIH (min) =2.0v
UIL(max) =0.8v
2-4-2 TTL非门的
静态输入特性和输出特性
+VCC
一. 输入特性（讨论T1管）
R1
1.输入低电平（UIL≤ 0.8v)时
输入简化电路如图：
IIL
截止
UIL
T1
低电平输入电流IIL较大，当Vcc=5v，UIL=0.2v时，IIL1mA 。
VDD
B
两TP管在上，串联；
T3
1、 组成
两TN管在下，并联； A
T1
2、工作原理 B A
A B T3P T1P T2N T4N Y
T4 功能特点：
Y T2
0 0 通通止 止 1 0 1 止通止 通 0 1 0 通止通 止 0 1 1 止止通 通 0
IOH
UIL
UOH
RL
TN
UOH VDD
O IOH
2-5-3 其它类型的CMOS门电路
CMOS门电路中的与或非门、异或门、同或门等
下面重点介绍CMOS与非门和或非门
一、CMOS与非门（以二输入为例）
+VDD
1、 组成
两TP管在上，并联； 两TN管在下，串联；
T3
T1
Y
T2
A
2、工作原理
B A
B
T4
驱动门
IIH 负载门
为了保证UOH≥2.4v，要限制负载门的数目N2。
三. 门电路的扇出系数N
扇出系数N是门电路可以驱动同类门电路的最大数目。 N应该确定为上述N1和N2的较小值.
四、门间限流电阻的确定
1 UOH R UIH 1
G1
IIH G2
1 UOL R UIL 1
G1
IIL G2
为了保证G1输出的高、低电平能正确地传输到G2的输入端，
+VDD TP
IOL
RL
UOL
TN
IOL
2.高电平输出特性
U0=U0H时： TP管导通， TN管截止， IOH从TP管流向负载电路。 由于UGS越负， TP管的导通电阻RON就越小，
所以：
在同样的IOH值下， VDD越高， 使TP管导通时的UGS就越负， 其RON就越小，VOH也就越高。
TP +VDD
1、NM OS 管开关等效电路
当UGS≥2v时，TN导通：
当UGS<2v时， TN 截止
2. PMOS管开关等效电路。
当UGS≤-2v时，TP导通：
（等效开关图同上）
当UGS>-2v时, TP截止：
§2—3 最简单的与、或、非门电路
+VCC
2-3-1 二极管与门
1. 电路组成（以二输入为例）
Da R
4. 输出函数式 Y=A•B
5. 逻辑符号
A B
&
Y
2-3-2 二极管或门
1。 电路组成(以二输入为例)
2。 工作原理
Ua Ub 00 0 3v 3v 0 3v 3v
Da Db
截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
3。真值表
A BY 000 011 101 111
UY 0 2.3v 2.3v 2.3v
§2—2. 二极管三极管和MOS管 开关等效电路
一、二极管开关等效电路（理想情况下）
开关
当Ua>Ub时，D导通
闭合
当Ua≤Ub时,D截止
开关
断开
二、 三极管开关等效电路（理想情况下）
开关
当Ub为高电平UIH时，T饱和
闭合
当Ub为低电平UIL时，T截止
开关 断开
三. M OS管开关等效电路（理想情况下）
4.输出函数式
Y=A+B
5。逻辑符号 A ≥1 Y B
2-3-3. 三极管非门
2.工作原理
1。电原理图
Ua T UY 0 截止 Vcc 3v 饱和 0 3. 真值表
4.输出函数式
AY 01 10
Y=A
5.逻辑符号
A1
Y
-VEE
注：为了保证在输入低电平时三极 管可靠截止，常将电路接 成上图形式。由于接入了负电源VEE，即使输入低电平信号稍 大于零，也能使三极管的基 极为负电位，使三极管可靠截止， 输出为高电平。
A
Y
输入脉冲幅度通常为VDD。
二.工作原理
VDD
0
TN
VA TP TN UY
AY
0V 导通 截止 VDD 真值表 0 1 表达式 Y=A
VDD 截止 导通 0
10
三. 电压传输特性
VO
其阈值电平VTH = VDD/2
VDD
当UI ≥VDD/2 时, U0 = U0L 0 VDD/2
当UI ≤VDD/2 时, U0 = U0H VDD
第二章 门电路
§2-1 概述 §2-2 二极管、三极管、MOS 管开关等效电路 §2-3 最简单的与、或、非门电路 §2-4 TTL门电路 §2-5 CMOS门电路
§2—1. 概 述
一、门电路
用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的 单元电路统称为 门电路
二、正、负逻辑 如果以输出的高电平表示逻辑 “ 1 ”，则为正逻 辑，反之为负逻辑。 本课件中，全部采用正逻辑。
A
Y
2. 工作原理
设：VCC=5V，
UIH=3v,UIL=0v
二极管正向压降0.7V。
Ua Ub 00 0 3v
B Db
Da Db UY 导通 导通 0.7V 导通 截止 0.7V
3. 真值表（状态表） A BY
3v 0 截止 导通 0.7V 3v 3v 导通 导通 3.7v
0 O0 0 10 1 00 1 11
三态与非门 （0 控制有效）
Y=
AB （EN=0 时） 高阻 （EN= 1 时）
3、 三态门的应用
1）同一条线上分时传送数据， 其连线方式称为“总线结构”。
A 1 Y1 EN1 EN
工作原理：（以三路输入为例）
B
1
总 Y2
EN1 EN2 EN3 总线传递
EN2 EN
1 0 0 Y1路数据 0 1 0 Y2路数据 0 0 1 Y3路数据
2.OC 门 解决上述问题的办法：
需要线与时，用OC 门。
T3
1）结构 （以OC与非门为例）
G2
A
B
T1
+VCC
T2
Y
T4
2）逻辑符号 T4
A& B
Y
+VCC 线与
导通
1
Y=0
截止 IIL
+VCC
截止 0
导通
电流大 损坏T4
3. OC 门的使用
使用OC门时，应外接上拉电阻RL和电源VCC’。
VCC’的数值根据UOH的需要选定；
2-3-4. 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。（略）
二、 门电路的“封锁”和“打开”问题
A B
&
Y
C
当C=1时，Y=AB.1=AB
A B ≥Y C 当C=1时，Y=A+B+1=1
与门打开，与功能成立。
或门封锁，或门不能工作。
当C=0时，Y=AB.0=0 与门封锁，与门不能工作。
A B T3P T1P T2N T4N Y 功能特点：
0 0 通 通止 止 1
0 1 止 通止 通 1 1 0 通 止通 止 1 1 1 止 止通 通 0
只有当AB同为1、 使串联的TN管同时导通时 ，
输出才为0， 其它情况输出为1。
3、输出逻辑表达式 Y=A•B Y=A•B
二、 CMOS或非门（以二输入为例）
VO/V
TTL非门的电压传输特性如图，其转折
区对应的输入电压叫阈值电压，记为UTH 3
2
UTH = 1.4v
1
当非门的UI ≥UTH 时，U0 = U0L 当非门的UI ≤UTH 时，U0 = U0H
VI/V
O 0.5 1.0 1.5
UTH
TTL门电路有7174系列，74系列的标准参数：
UOH（min）=2.4v
C
1
线 Y3
EN3 EN
2）实现数据的双向传输
A 1 G1 EN EN
总
1
B G2 EN
线 EN Y
工作原理
EN
G1 G2 传输结果
1 工作 高阻态 Y=A
0 高阻态 工作 B=Y
§2-5 CMOS门电路
2-5-1 CMOS反向器的工作原理 TP +VDD
一. 电路结构
基本电路用TP管和TN管构成。
输入保护措施是有限度的， 使用时还必须注意器件的 正确使用方法。
二、 输出特性
1.低电平输出特性
U0=U0L时:
TN管导通， TP管截止， IOL从负载电路注入TN管。
UIH
由于UGS越大， TN管的导通电阻RON就越小，
所以：
UOL
在同样的IOL值下，
VDD越高，
使TN管导通时的UGS就越大，
其RON就越小，UOL也就越低。 O
近似分析时，常用IIS来代替。
+VCC
IIS 是输入短路（UIL=0）时的 电流。
2.输入为高电平（ UIH≥2v）时
UIH
等效简化电路如图：
IIH
R1 导通
T1 be2 be4
T1管倒置工作β0，高电平输入电流IIH很小，为 A 级。 74系列门电路的每个输入端的IIH ≤40μA。
二. 输出特性
通常，R≤1KΩ。
2-4-3.其它类型的TTL门电路
TTL门电路中的与非门、或非门、与或非门、 异或门、同或门等，
下面重点介绍TTL OC门和三态门
一、 OC 门（集电极开路的门）
1.线与问题
在数字系统中，有些场合需要将门电 T3 路的输出端并联使用，即“线与”。 G1
但推拉式输出的门电路不能并联。 例如，如图所示情形时,门电路会损坏。 T4
0 1
导通
Y 1 0
T3 T4 UY
导通 截止 3.4v 截止 导通 0.2v
A1 Y
因为：T2，T4导通后，把UB1 钳制在 2 .1V。
UB1
2.1V
此时： T1处于倒置工作状态；β、IIH 都很小, 3.4V
1.4V
74系列门电路的每个输入端的IIH ≤40μA。 IIH T1
5、电压传输特性
2、 工作原理
A
设Vcc=5V, UIH = 3.4v, UIL = 0.2v,
PN结的导通电压为0.7v。
UB1 T1
T3 T2
Y
T4
输入级 倒相级 输出级
UA T1发射结 UB1 T1集电结 T2
0.2V 导通 0.9v 截止 截止
3.4V 导通 4.1v 导通
?
2 .1V
A
3、真值表和逻辑符号