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I2L3.3 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，晶体三极管由截止转向饱和或由饱和转向截止的过渡过程为瞬态开关特性，如图3–1–8所示。

在过渡过程中，晶体三极管处于放大状态。

图3–1–8 三极管开关特性（1）三极管由截止转向饱和的过程当v I由–V跳至+V时：①形成集电极电流，i C上升至0.1I CS的过程，所需时间t d称为延迟时间。

②i C由0.1I CS上升至0.9I cs的过程，所需时间t r称为上升时间。

三极管由截止到饱和所经历的时间，称为开启时间t on，其大小为t on=t d+t r。

（2）三极管由饱和状态转向截止状态的过程当v I由+V下跳至–V时，三极管要经历：①三极管集电极电流由I CS下降至0.9I CS所需的时间称为存储时间t s。

②三极管集电极电流由0.9I CS下降至0.1I CS所需的时间称为下降时间t f。

三极管由饱和状态转向截止状态所经历的时间称为关断时间t off，其大小为t off=t s+t f。

3. 晶体三极管反相器晶体三极管开关电路的最基本应用电路为反相器电路。

反相器电路如图3–1–9所示。

图3–1–9 晶体管反相器当v I=V L时，保证三极管截止，即要求V BE≤0，此时v O≈V CC。

当v I=V H时，保证三极管饱和，要求i B≥i BS，即此时，v O=V CE(sat)≈0.3 V≈0 V。

3.2 TTL集成逻辑门3.2.1 TTL集成逻辑门基本工作原理1. 基本工作原理TTL集成与非门电路结构如图3–2–1所示。

分析晶体管工作状态时，以估算的办法，每个PN结压降为0.7 V，深饱和时V CE(sat)≈0.1 V。

不难分析出该电路的逻辑功能为Y=ABC。

图3–2–1 TTL集成与非门2. 电路特点（1）该电路采用了推拉输出电路。

在稳态时，不论电路处于开态还是处于关态，均具有较低的输出电阻，从而大大提高了带负载能力。

（2）多发射极晶体管和推拉输出电路共同作用，大大提高了工作速度。

3.2.2 TTL与非门的主要外部特性1. 电压传输特性电压传输特性是指输出电压v O随输入电压v I的变化曲线。

由电压传输特性曲线，可以反映出TTL与非门的主要特性参数。

（1）输出逻辑高电平V OH和输出逻辑低电平V OL通常V OH≈3.6 V，V OL≈0.3 V。

（2）开门电平V on和关门电平V off开门电平V on是指在保证输出为额定低电平条件下，允许输入高电平的最小值，一般V on≤1.8 V。

关门电平V off是指在保证输出为额定高电平条件下，允许输入低电平的最大值，一般V off≥0.8 V。

（3）阈值电压V th阈值电压是指电压传输曲线转折区中点对应的输入电压。

当v I＜V th 时，v O=V OH；当v I＞V th时，v O=V OL。

通常V th≈1.4 V。

（4）噪声容限噪声容限反映了门电路的抗干扰能力。

在输入低电平时，允许的干扰容限为低电平噪声容限V NL=V off–V IL；在输入高电平时，允许的干扰容限为高电平噪声容限V NH=V IH–V on。

2. 输入特性输入特性是指输入电压与输入电流之间的关系。

输入特性反映了与非门输入短路电流I IS的大小。

在输入端接有接地电阻R i时（有时称为输入负载特性），对于典型TTL 与非门电路，保证与非门处于关态时，R i＜0.91 kΩ；保证与非门处于开态时，R i＞3.2 kΩ。

3. 输出特性输出特性是指输出电压与输出电流之间的关系。

与非门处于开态时，等效输出电阻约为10~20 Ω，输出低电平随灌入电流增加而略有增加。

与非门处于关态时，等效输出电阻约为100 Ω，输出高电平随拉电流的增加而减少。

4. 平均延迟时间t pd平均延迟时间反映了TTL逻辑门的开关特性，说明其工作速度。

5. 电源特性电源特性的重要参数是功耗，功耗有静态功耗和动态功耗。

静态功耗是电路没有状态转换时的稳态功耗。

电路处于开态时，为导通功耗。

处于关态时，为截止功耗，导通功耗总比截止功耗大。

当电路发生状态转换时，由于动态尖峰电流的涌现，动态功耗大于静态功耗。

因此，高速数字电路往往需付出较大的功耗。

一种综合性的指标是延时–功耗积：DP=t pd×P D，其单位为焦[耳]，t pd为平均延迟时间，P D为功耗。

DP值越小，表明其特性愈接近于理想情况。

3.2.3 OC门和三态门在工程实践中，往往需要将两个门的输出端并联以实现与逻辑的功能，称为线与。

如将两个TTL与非门电路的输出端连接在一起，当一个门输出高电平另一个门输出低电平时，将会产生很大的电流，有可能导致器件损毁，无法形成有效的线与逻辑关系，这一个问题可以采用OC门、三态门来解决。

1. OC门OC门为集电极开路门，它是将TTL与非门电路的推拉式输出级中，删去电压跟随器。

为了实现线与的逻辑功能，可将多个门电路的输出并接在一起，加一公共上拉电阻R L接电源V CC。

OC门的逻辑符号如图3–2–2所示，其 线与结构如图3–2–3所示。

图3–2–2 OC门逻辑符号图3–2–3 OC门线与结构Y=AB·CD···IJ在实际应用中必须合理选择R L，其原则是：（1）上拉电阻R L起限流作用，要保证I R L=V CC/R L的值不超过I OL(max)。

（2）R L值大小影响OC门的开关速度。