3.1-3.2河北科技大学数字电子技术基础

CMOS逻辑门电路是在TTL器件之后出现，是应 用比较广泛的数字逻辑器件，在功耗、抗干扰、带负 载能力上优于TTL逻辑门，所以超大规模器件几乎都 采用CMOS门电路，如存储器ROM、可编程逻辑器件 PLD等 国产的CMOS器件有CC4000(国际 CD4000/MC4000)、高速54HC/74HC系列（国际 MC54HC/74HC),此外还有兼容型的74HCT和74BCT 系列（BiCMOS） 先介绍74系列的反相器和逻辑门，再简单介绍其 它系列的逻辑门
设vi的高电平为VIH＝VCC， vi的低电平为VIL＝0， 且D为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷 大，则稳态时当vI＝VIH＝VCC时，D截止，输出电压 vD＝VOH＝ VCC
3.2.1半导体二极管的开关特性
当vI＝VIL＝0时，D导通， 输出电压vo＝ VOL ＝0
即可以用输入电压vi的高低电 平控制二极管的开关状态，并在 输出端得到相应的高低电平 2.二极管动态特性：
c b e
S
与 PNP 三极管相似， PMOS 管为电压控制 器件，当 UGS<UGS(th) P,MOS 管导通。
N 沟道增强 型场效应管
D G B
P沟道增强型 场效应管
D G B
Ui
S
Ui S
当： U i ＞U GS ( th)
当：Ui＞UGS ( th)
MOS 管导通。
MOS 管导通。
iD
3.2.2 二极管与门 其输入输出及真值表如表 3.2.1和3.2.2所示 其输出Y和输入A、B是与的关系， 即
Y A B
表3.2.1 A 0V 0V 3V 3V B 0V 3V 0V 3V Y 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V
规定3V以上为“1”
表3.2.2 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 Y 0 0 0 1
图3.2.1 二极管的开关电路
当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反 向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关 特性（简称动态特性）
3.2.1半导体二极管的开关特性 二极管的动态电流波形如图3.2.3所示 这是由于在输入电压转 换状态的瞬间，二极管由反 向截止到正向导通时，内电 场的建立需要一定的时间， 所以二极管电流的上升是缓 慢的；当二极管由正向导通 到反向截止时，二极管的电 流迅速衰减并趋向饱和电流 也需要一定的时间。由于时 间很短，在示波器是无法看 到的 图3.2.3 二极管动态电流波形
G
D B G
iD
D B
Ui
S
Ui S
3.3 CMOS门电路P79 3.3.2 CMOS反相器的工作原理
NMCS管反相器 设：1/2UDD＞UGS(th) 当ui=0时, D、S之间断 uo=UDD 希望RD的阻值越小越好 当ui=UDD时, D、S之间通uo=0
希望RD的阻值越大越好
3.3.2 CMOS反相器的工作原理
tre
3.2.2 二极管与门 简单的二极管与 门电路如图3.2.4所示 设VCC＝5V，输 入端A、B的高低电平 为VIH＝3V， VIL ＝0V，二极管的正向 导通压降为 VDF＝ 0.7V，则：
图3.2.4 二极管与门电路
当A、B中有一个是低电平0V时，至少有一个二极管导 通，使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；只有A、B 中都加高电平3V时，两个二极管同时导通，使得输出Y 为3.7V，为高电平。
本章主要内容
3.1 概述 3.2 半导体二极管门电路
3.3 CMOS门电路
3.4* 其他类型的MOS集成门电路
3.5 TTL门电路
3.6* 其他类型的双极型集成门电路 3.8* TTL门电路与CMOS门电路的接口
3.1 概述
1. 门电路： 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门 电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或 门、与或非门等 2. 正负逻辑系统 (2) (1) 负逻辑： 正逻辑： 在二值逻辑中，如果 在二值逻辑中，如果 用高电平表示逻辑“ 用高电平表示逻辑“1” 0” ， ， 低电平表示逻辑“ 低电平表示逻辑“0” 1” ，在 ，在 这种规定下的逻辑关系称 这种规定下的逻辑关系称 为正逻辑，如图 3.1.1所示。 所示 为负逻辑，如图3.1.1 图3.1.1 正负逻辑示意图
3.3CMOS门电路
场效应（MOS）管分类
结型
结 型 场 耗 效 尽 应 型 管
绝缘栅
N沟道
增强型
P沟道
绝缘栅 效应管
耗尽型
N沟道
P沟道
3.3 CMOS门电路
3.3.1 MOS管的开关特性 一、绝缘栅型场效应管（ MOS 管） D 源极 栅极 漏极 D
S G D
G B G
D
G S
B
S
(a)标准符号
图3.1.1 正负逻辑示意图
3.1 概述
(2) 分类： 可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路： 分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接 而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工 艺集成在很小的半导体芯片上。 数字集成电路根据规模可分为
n） 小规模（SSI －SmallScale Integratio n) 中规模（MSI - Medium Scale Integratio 按规模分（每片 IC所含元器件数） n) 大规模（LSI－LargeScale Integratio 超大规模（VLSI －Very LargeScale 3 5 10 ~ 10 /片 Integratio n）
3.2.1半导体二极管的开关特 性 在输入信号频率较低时， 二极管的导通和截止的转换时 间可以认为是瞬间完成的。但 在输入信号频率较高时，此时 间就不能忽略了。 将二极管由截止转向导 ton 通所需的时间称为正向恢复 时间（开通时间）ton；二极 管由导通转向截止所需的时 间称为反向恢复时间（关断 时间）tre，两者统称为二极 图3.2.3 二极管动态电流波形 管的开关时间，一般ton<< tre
3.1 概述
单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路 （如CMOS门电路），即用一个管子代替图3.1.2中的电 阻，如图3.1.3所示
Vcc S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
图3.1.2高低电平实现原理电路
3.1 概述
互补开关电路的原理为 开关S1和S2受同一输入 信号vI的控制，而且导通和 断开的状态相反。当S1闭合 时，S2断开，输出为高电平 “1”；相反当S1断开时，S2 闭合，输出为高电平“0”。
场效应管与三极管的比较
N 沟道增强 型场效应管
D G B
NPN 型 三极管
c
b
S
G------- b
e
D------- c S------- e
与 NPN 三极管相似， NMOS管为电压控制 器件，当 UGS>UGS(th) N ， MOS 管导通。
P沟道增强型 场效应管
D
G B
PNP型 三极管
一、电路结构 UDD S
PMOS管 T2 F CMOS电路
A
D
T1 NMOS管
工作原理：
ugs2=UDD UDD S
设：1/2UDD＞UGS(th)
导通
u ０="１"
ui =0 ui
1 U DD
D
T2 T1
uo
0
S
截止
工作原理：
UDD
截止 u０="０"
ui =１ ui
1 U DD
S
D
T2 T1
0.7V以下为“0”
3.2.3 二极管或门
二极管或门电路如图 3.2.5所示 设输入端A、B的高 低电平为VIH＝3V， VIL＝0V，二极管的正 向导通压降为VDF＝ 0.7V，则：
图3.2.5 二极管或门电路
当A、B中有一个是高电平3V时，至少有一个二极管导 通，使得输出Y的电压为2.3V，为高电平；只有A、B 中都加低电平0V时，两个二极管同时截止，使得输出 Y为0V，为低电平。
UDS
iD
耗尽层 反型层
3.3 CMOS门电路
二、结型场效应管的结构和工作原理
N沟道
P沟道
工作原理 1. UDS＝0，UGS对导电沟道的影响
增大到一定值，耗尽层闭合。 U GS (off ) 夹断电压
U GS 沟道变窄，当 U GS
2、当UGS(off) < UGS <0,UDS对iD的影响
数字电子技术基础
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第三章 门电路
内容提要：
本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元－－门电 路，有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极 管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它们 的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等， 为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点 讨论TTL门电路和CMOS门电路。
当UDS =0
三、 场效应管的主要参数
直流参数 1. 开启电压 UGS(th) : 当 UDS 一定时 , 使漏极电流 iD=10
μA时所需加的UGS值。
2. 夹断电压UGS(off) :UDS一定时,使iD减小到规定的微小 电流时所需的uGS值。 3. 饱和漏极电流IDSS ：当UGS等于零, 产生预夹断时对应 的漏极电流。
≤100/片
（100～1000）/片
105 以上/片
3.1 概述
按导电类型可分为
单极型（FET） 按导电类型双极型（BJT） 兼容型（FET＋BJT）
数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因 此本章先介绍TTL和CMOS数字集成逻辑门的结构、 工作原理
3.2 半导体二极管门电路