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第三章. 门电路. 本章总的要求： 熟练掌握 TTL 和 CMOS 集成门电路输出与输入间的逻辑关系、外部电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性和动态特性等；掌握各类集成电子器件正确的使用方法。 重点： TTL 电路与 CMOS 电路的结构与特点. 3.1 概述. 门电路 是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有 与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门 等。. 正逻辑 ：高电平表示逻辑 1 、低电平表示逻辑 0 。. 负逻辑 ：高电平表示逻辑 0 、低电平表示逻辑 1 。.
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第三章 门电路
本章总的要求： 熟练掌握TTL和CMOS集成门电路输出与输入间的逻辑关系、外部电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性和动态特性等；掌握各类集成电子器件正确的使用方法。 重点： TTL电路与CMOS电路的结构与特点.
3.1 概述 门电路是用以实现逻辑运算的电子电路，与已经讲过的逻辑运算相对应。常用的门电路在逻辑功能上有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。 正逻辑：高电平表示逻辑1、低电平表示逻辑0。 负逻辑：高电平表示逻辑0、低电平表示逻辑1。 获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的 导通、截止（即开、关）两种工作状态。
3.2 半导体二极管门电路 §3.2.1 半导体二极管的开关特性 Ui<0.5V时，二极管截止，iD=0。 Ui>0.5V时，二极管导通。
ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开， uo＝0V。
ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源， uo＝4.3V。
当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。当外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向电流的建立稍微滞后一点。 反向恢复时间 （几纳秒内） 当外加电压突然由正向变为反向时，存储电荷反向电场的作用下，形成较大的反向电流。经过ts后，存储电荷显著减少，反向电流迅速衰减并趋于稳态时的反向饱和电流。
反向恢复时间即存储电荷消失所需要的时间，它远大于正向导通所需要的时间。这就是说，二极管的开通时间是很短的，它对开关速度的影响很小，以致可以忽略不计。 因此，影响二极管的开关时间主要是 反向恢复时间，而不是开通时间。
A Y B §3.2.2 二极管与门 Y=A·B
§3.2.3 二极管或门 Y=A+B
G S D N N P 3.3 CMOS门电路 §3.3.1 MOS管的开关特性 在CMOS集成电路中，以金属－氧化物－半导体场效应管（MOS管)作为开关器件。 一、MOS管的结构和工作原理 金属铝 两个N区 导电沟道 P型衬底 SiO2绝缘层
D G S 漏极 栅极 源极 N沟道增强型
vDS vGS S iD=0 D S D G B N N P vGS=0时 D、S间相当于两个背靠背的PN结 不论D、S间有无电压，均无法导通，不能导电。
VDS VGS S D G N N P vGS>0时 vGS足够大时（vGS>VGS(th)），形成电场G—B,把衬底中的电子吸引到上表面，除复合外，剩余的电子在上表面形成了N型层（反型层）为D、S间的导通提供了通道。 源极与衬底接在一起 N沟道 VGS(th)称为阈值电压(开启电压） 可以通过改变vGS的大小来控制iD的大小。
二、MOS管的输入、输出特性 对于共源极接法的电路，栅极和衬底之间被二氧化硅绝缘层隔离，所以栅极电流为零。 输出特性曲线 （漏极特性曲线）
特点： 夹断区（截止区） 条件：整个沟道都夹断 用途：做无触点的、断开状态的电子开关。
可变电阻区 条件：源端与漏端沟道都不夹断 特点:(1)当vGS为定值时,iD是vDS的线性函数，管子的漏源间呈现为线性电阻，且其阻值受vGS控制。 （2）管压降vDS很小。 用途：做压控线性电阻和无触点的、闭合状态的电子开关。
恒流区： (又称饱和区或放大区） 条件:(1)源端沟道未夹断 (2)漏端沟道予夹断 特点:(1)受控性： 输入电压vGS控制输出电流 (2)恒流性：输出电流iD基本上不受输出电压vDS的影响。 用途:可做放大器和恒流源。
三、MOS管的基本开关电路 当vI=vGS<VGS(th)时，MOS管工作在截止区。D-S间相当于断开的开关，vO=vDD.
当vI>VGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合的开关,vO≈0。当vI>VGS(th)且vI继续升高时，MOS管工作在可变电阻区。MOS管导通内阻RON很小，D-S间相当于闭合的开关,vO≈0。
D D G G S S N沟道增强型 N 沟道耗尽型 四、MOS管的四种基本类型
D D G G P 沟道耗尽型 P 沟道增强型 S S 在数字电路中，多采用增强型。
VDD PMOS管 T1 vI vO CMOS电路 T2 NMOS管 §3.3.2 CMOS反相器工作原理 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。 一、电路结构
VDD 导 通 TP vI vO TN 截止 vI=0 vo=“１”
VDD 截止 T1 vI vO T2 导通 vI=1 vo=“０” 静态下，无论vI是高电平还是低电平，T1、T2总有 一个截止，因此CMOS反相器的静态功耗极小。
二、电压传输特性和电流传输特性 T1导通T2截止 电 压 传 输 特 性 T1T2同时导通 T2导通T1截止 阈值电压VTH
CMOS反相器 在使用时应尽 量避免长期工 作在BC段。 电 流 传 输 特 性 T2截止 T1截止
输入高电平时噪声容限： 输入低电平时噪声容限： 三、输入端噪声容限 在保证输出高、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。
测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD，且随VDD的增加而加大。测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD，且随VDD的增加而加大。 噪声容限－－衡量门电路的抗干扰能力。 噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。
§3.3.3 CMOS反相器的静态输入输出特性 一、输入特性 因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。
iI (mA) -0.7 0 VDD +0.7vI (V) 在正常的输入信号范围内，即–0.7V< vI <(VDD+0.7)V时输入电流iI≈0。(因为CMOS门电路的GS间有一层绝缘的SiO2薄层。) 在–0.7V ～ (VDD+0.7)V以外的区域，iI从零开始增大，并随vI增加急剧上升，原因是保护电路中的二极管已进入导通状态。 注意：由于门电路输入端的绝缘层使输入的阻抗极高，若有静电感应会在悬空的输入端产生不定的电位，故CMOS门电路的输入端不允许悬空。
低电平输出特性 二、输出特性 VOL≈0
高电平输出特性 VOH≈VDD
§3.3.4 CMOS反相器的动态特性 一、传输延迟时间 平均传输时间
二、交流噪声容限 噪声电压作用时间越短、电源电压越高，交流噪声容限越大。 三、动态功耗 反相器从一种稳定状态突然变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，即为动态功耗。 动态功耗包括：负载电容充放电所消耗的功率PC和PMOS、NMOS同时导通所消耗的瞬时导通功耗PT。
在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。在工作频率较高的情况下，CMOS反相器的动态功耗要比静态功耗大得多，静态功耗可忽略不计。
§3.3.5 其他类型CMOS门电路 一、其他逻辑功能的CMOS门电路 1.与非门
导通 断开 任一输入端为低，设vA=0 vO=1 vA=0
断开 vA=1 导通 vB=1 输入全为高电平 vO=0
断开 导通 任一输入端为高，设vA=1 vA=1 vO=0
导通 vB=0 vA=0 断开 输入端全为低 vO=1
带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及带缓冲级的门电路其输出电阻、输出高、低电平以及 电压传输特性将不受输入端状态的影响。电压传输特性的 转折区也变得更陡。
1 A B Y 0 C D 二、漏极开路输出门电路（OD门） 为什么需要OD门？ 普通与非门输出不能 直接连在一起实现“线与”！ 产生一个很大的电流 需将一个MOS管的漏极开路构成OD门。
需加一上拉电阻 VDD RL A A Y B Y B C D OD输出与非门的逻辑符号及函数式 OD门输出端可直接连接实现线与。
VDD RL VIL VIL VIL RL的选择： IOH IIH VOH n个 m个 n是并联OD门的数目，m是负载门电路高电平输入电流的数目。
