cmos门电路

第3章集成门电路

内容提要

（1）晶体管开关特性及TTL逻辑门的基本工作原理。

（2）MOS管开关特性及CMOS逻辑门的基本工作原理。

（3）ECL、I 2L、BiCMOS门电路的工作原理。

（4）各类门电路的外部电气特性：电压传输特性、输入输出特性、抗干扰特性、电源特性等。

（5）门电路的标准推拉输出、开路输出、三态输出的特点及用途。（6）各类门电路性能比较。

教学基本要求

（1）掌握晶体管、MOS管开关特性。

（2）掌握TTL和CMOS门的逻辑功能、外部特性、主要参数和正确使用方法。

（3）掌握门电路标准推拉输出、开路输出、三态输出的特点和应用。（4）理解TTL和CMOS门电路的工作原理。

（5）了解ECL、I 2L、BiCMOS门电路的基本原理。

重点与难点

本章重点：

（1）晶体管、MOS管开关特性。

（2）门电路的外部电气特性和正确使用方法。

（3）门电路开路输出、三态输出的特点和应用。

本章难点：门电路的电路结构和参数计算。

主要教学内容

3.1 晶体管开关特性

3.1.1 晶体二极管开关特性

3.1.2 晶体二极管开关特性

3.2 TTL集成逻辑门

3.2.1 TTL集成逻辑门基本工作原理3.2.2 TTL集成逻辑门

3.2.3 OC门和三态门

3.2.4 TTL电路的改进系列

3.2.5 ECL和I2L

3.3 MOS逻辑门

3.3.1 MOS器件输出特性和阈值电压3.3.2 MOS反相器和逻辑门

3.4 CMOS电路

3.4.1 CMOS反相器

3.4.2 COMS传输门

3.4.3 OD门和三态门

3.4.4 BiCMOS电路

3.4.5 CMOS逻辑门电路技术参数3.4.6 CMOS电路的正确使用

3.1晶体管开关特性

3.1.1 晶体二极管开关特性

双极型TTL逻辑门电路是以晶体二极管和三极管作为开关器件，影响它们开关速度的主要因素是器件内部的电荷存储和消散时间。

1. 晶体二极管稳态工作状态

晶体二极管开关电路如图3–1–1所示。

当v I＞V th时，二极管导通，流过二极管的电流和输出电压为

图3–1–1 二极管开关电路

其中，V th为二极管正向开启电压，又称阈值电压。对于硅二极管

V th≈0.6~0.7 V，锗二极管V th≈0.2~0.3 V。v D为导通管压降，硅管v D≈0.7 V，锗管v D≈0.3 V。

当v I＜0时，二极管截止，i D≈0，v D=－v I，v O=0。

2. 晶体二极管瞬态开关特性

晶体二极管在外加大信号电压时，将由导通转向截止或由截止转向导通，过渡过程工作波形如图3–1–2所示。

图3–1–2 二极管瞬态开关特性

（1）由导通转向截止

需经历：

①i D由I R = –V R/R降至0.9I R所需驱散存储电荷的时间，称为存储时间t s。

②i D由0.9I R逐渐下降至0.1I R所需驱散存储电荷的时间，称为下降时间t f。

t rr = t s + t f时间称为反向恢复时间。

（2）由截止转向导通，

需经历由i Dmax=(V R+V F)/R下降至i D=V F/R所需的时间，称为二极管正向恢复时间t r。一般t r＜＜t rr，所以可以忽略不计。

3. 晶体二极管开关电路应用

（1）限幅电路

限幅电路是将部分输入信号抑制掉，部分输入信号传送到输出端。限幅电路主要应用于波形变换与整形。

常用限幅电路有：串联上限限幅、串联下限限幅、串联双向限幅、并联上限限幅、并联下限限幅、并联双向限幅等。

①串联限幅电路

串联限幅电路是利用二极管的截止状态起限幅作用。图3–1–3为三种典型限幅电路，其中V REF为限幅电平。

图3–1–3 二极管串联限幅电路

以图3–1–3（c）双向限幅为例，其工作波形如图3–1–4所示。在图3–1–3（c）中，限幅电平V REF2>V REF1。

图3–1–4 双向限幅工作波形

当v I=0时，由于V REF2>V REF1，则D1截止，D2导通，A点电位为

当v I≤V A时，D1截止，D2导通，输出v O≈V A，由D1实现下限限幅，限幅电平为V A。

当v I≥V REF2时，D1导通，D2截止，输出v O≈V REF2，由D2实现上限限幅，限幅电平为V REF2。

当V A＜v I＜V REF2时，D1导通，D2导通，输出v O≈v I。

②并联限幅电路

二极管并联限幅电路是利用二极管导通状态实现限幅，其电路图如图3–1–5所示。

图3–1–5 并联限幅电路

（2）二极管钳位电路

钳位电路是将输入信号波形的顶部或底部钳位在某一电平。图3–1–6（a）是将输入脉冲波形顶部钳位在V REF的电路，波形如图3–1–6（c）所示。图3–1–6（b）是将输入脉冲波形底部钳位在－V REF的电路，波形如图3–1–6（d）所示。

图3–1–6 二极管钳位电路及工作波形

3.1.2 晶体三极管开关特性

1. 晶体三极管工作状态

NPN型晶体三极管开关电路如图3–1–7所示。NPN型晶体三极管截止、放大、饱和工作状态的特点如表3–1–1所示。

表3–1–1 NPN型晶体三极管工作状态的特点

图3–1–7 三极管开关

晶体三极管作为开关，稳态时主要工作在截止状态，称为稳态断开状态。此时 i C≈0，v O≈V CC。工作在饱和状态时称为稳态闭合状态，此时i B＞i BS，v o=V CE(set)≈0.3 V≈0 V。

2. 晶体三极管的瞬态开关特性

晶体三极管开关稳态是处于截止或饱和态，在外加信号作用下，晶