第 2 章集成逻辑门电路

第2章集成逻辑门电路 二极管、三极管的开关特性分立元件门电路 CMOS集成逻辑门 TTL集成逻辑门不同类型门电路的接口门电路应用举例

本章教学基本要求 掌握：（１）与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、ＣＭＯＳ传输门、三态门、ＯＤ门和ＯＣ门等的逻辑功能（２）用波形图法分析数字逻辑电路的方法（３）推拉输出和高阻状态的含义熟悉：ＯＤ门和ＯＣ门负载电阻的计算

本章教学基本要求 了解：（１）半导体器件开关作用和开关特性（２）ＣＭＯＳ和ＴＴＬ电路结构及工作原理、外特性、主要参数、使用方法和注意事项（３）线与概念

2.1 二极管、三极管的开关特性 能够实现各种基本逻辑关系的电路称为门电路。二值逻辑变量1和0在电路中是两种截然相反的状态，靠二极管、三极管开关的闭合和断开来控制和实现的，所以门电路也称开关电路。 S为受控开关，当二极管、三极管截止时相当于S断开，输出为高电平。当二极管、三极管导通时，相当于S 闭合，输出为低电平。

高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。高电平高电平低电平低电平正逻辑负逻辑

2.1.1二极管的开关特性 当输入信号为高电平时，二极管截止，输出为高电平当输入信号为低电平时，二极管导通，输出为低电平

2.1.1二极管的开关特性 外电阻 R较大 ,但外电压u较小,D的压降不可忽略时外电压 U和电阻R较小,D的压降和内阻不可忽略时 u和R均较大,D的压降和内阻均可忽略时等效于等效于等效于

在动态情况下，二极管两端电压突然反向时，电流的建立和衰在动态情况下，二极管两端电压突然反向时，电流的建立和衰反向电流的大小和维持时间的长短，与正向导通时电流大小、反向电压和外电路电阻值及二极管本身特性有关反向电流从峰值衰减到它的0.1倍所需要的时间定义为为反向恢复时间tre 在外加反向电压作用下， PN结两侧堆积的存储电荷，会形成较大的瞬态反向电流。随着存储电荷的消散，反向电流会迅速衰减并趋于零。减总是滞后于电压的变化。这是因为当外加电压由反向突然变为正向时，PN结内部有一个因电荷积累形成一定浓度梯度的过程，从而引起扩散电流的过程，因而电流对电压而言稍有滞后。

iC 临界饱和线 T M S IB(sat) IC(sat) Q + A uBE - O UCE(sat) N uCE C B uBE < Uth E 2.1.2三极管的开关特性放大区一、双极型三极管的开关特性负载线饱和区截止区 uI=UIL 三极管截止状态等效电路三极管关断的条件和等效电路当输入 uI 为低电平，使 uBE< Uth时，三极管截止。 iB 0，iC 0，C、E 间相当于开关断开。 Uth为门限电压

iC 临界饱和线 T M S IB(sat) IC(sat) Q A O UCE(sat) N uCE C B uBE < Uth E uI 增大使iB 增大，从而工作点上移， iC 增大，uCE 减小。 S 为放大和饱和的交界点，这时的 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示；相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； UBE(sat) 为饱和基极电压；UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， UBE(sat)  0.7V， UCE(sat)  0.3V。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用。放大区饱和区截止区三极管截止状态等效电路 uI 增大使 uBE > Uth时，三极管开始导通，iB > 0，三极管工作于放大导通状态。

iC 临界饱和线 T M S IB(sat) IC(sat) Q + A uBE - O UCE(sat) N uCE C B uBE < Uth E C B UBE(sat) UCE(sat) iB ≥IB(sat) E 放大区饱和区截止区 uI=UIH 三极管截止状态等效电路三极管开通的条件和等效电路　　当输入uI 为高电平，使 iB ≥IB(sat)时，三极管饱和。三极管饱和状态等效电路 uBE UCE(sat)  0.3 V  0， C、E 间相当于开关合上。

三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间,所以集电极电流的变化滞后于基极电压的变化.三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间,所以集电极电流的变化滞后于基极电压的变化. 输出电压的变化比输入电压的变化也相应地滞后. 三极管的动态开关特性

大（），可看作断路。在导通状态下，其内阻也可达到数量级。二、MOS管的开关特性等效电路截止状态导通状态 MOS管的栅极g与沟道及衬底 C1代表输入端的等效电容，它包含栅极与沟道之间的电容和前级输出端的等效电容。在截止状态下，漏源之间的内阻非常之间是绝缘的，极间电容的泄放电阻非常高。

由于器件内部、线间和负载电容的存在，电流和电压的变化都需要时间，所以在动态开关工作情况下（即 在高、低电平间跳变时），漏极电流的变化和输出电压的变化都将滞后于输入电压的变化。开关元件的开关时间是决定整个电路工作速度和最高工作频率的重要因素. MOS管的动态开关特性

2.2分立元件门电路 分立元件门电路包括二极管门电路和三极管门电路两类。 2.2.1二极管门电路一、二极管与门在输入端A、B中只要有一个只有A、 B同时为高电平时，（或一个以上）为低电平，则与该输入端相连的二极管必然输出Z才是高电平。因获得正偏电压而导通，使输出端Z为低电平。逻辑式为

真值表 1 A B Z 0 0 0 0 1 1 1 0 0 波形图 1 1 0 0 0 1 1 1

二、二极管或门 A B Z 波形图 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 逻辑式为 1 0 真值表只要输入端A、B中有高电平，输出就是高电平 1 0 1 1 只有A、B同时为低电平时， Z才是低电平

2.2.2 三极管门电路 一、三极管非门（反相器） A Z 0 1 1 0 真值表输入低电平信号时，三极管能可靠截止，输出为高电平。输入高电平信号时，三极管处于饱和状态，输出为低电平.

二、与非门和或非门 1.与非门将二极管与门和反相器连接起来，就构成与非门。 A B Z 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 逻辑式为

与非门的波形图 截止延迟时间导通延迟时间和是输出、输入波形变化至幅值的50%所对应的时间差。

A Z B 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 2.或非门将二极管或门和反相器连接起来，构成了或非门。逻辑式为

CMOS 门电路比之TTL的主要特点 功耗极低抗干扰能力强电源电压范围宽输出信号摆幅大(UOH VDD，UOL  0 V) 输入阻抗高扇出系数大 2.3 CMOS集成逻辑门集成逻辑门电路有两大类,一类是输入端和输出端均由三极管构成,称为三极管—三极管逻辑电路,简称TTL电路(又称电路) 另一类是由CMOS器件组成的逻辑电路.

CMOS器件系列分为: ◆ 普通CMOS:4000 (3~15V) 电源电压 ◆ (2~6V) 高速CMOS:HC ◆ 能够与TTL兼容的CMOS:HCT 5V ◆ 先进的CMOS:AC 5V ◆ 先进的能够与TTL兼容的CMOS:ACT 5V ◆ 无输出缓冲器的高速CMOS:HCU

CMOS命名方法 C C 54/74 HC 04 M D 多层陶瓷双列直插封装形式工作温度范围六反相器器件系列品种高速CMOS 民用军用 CMOS 器件类型中国国际国标

2.3.1 CMOS反相器 一、工作原理增强型PMOS 管(负载管) 增强NMOS 管(驱动管) 要求: VDD > ｜UGS(th)P｜+UGS（th）N 增强型 PMOS 管开启电压增强型NMOS 管开启电压

增强型 P M O S 转移特性增强型NMOS转移特性 + + 时,增强型PMOS管导通. 时,增强型NMOS管导通. 时,增强型PMOS管截止。时,增强型NMOS管截止。

- VDD uGSP S + VP 衬底 B G 截止 UIH =VDD D Y uO A uI ◎ 输入为低电平 UIL = 0 V 时， ◎ 输入为高电平 UIH = VDD 时， D VN 衬底 B uGSN = 0V < UGS(th)N ， VN 截止，导通 uGSN = VDD > UGS(th)N , VN 导通， + G uGSN S - uOVDD , 为高电平。 VP 导通， VP 截止，一.工作原理可见该电路构成 CMOS 非门，又称 CMOS 反相器。　　无论输入高低，VN、VP 中总有一管截止，使静态漏极电流 iD  0。因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。

二.特性和参数(以4000系列为例介绍) 1.电压传输特性和阈值电压电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的曲线如果 , , 其电压传输特性为上图

1.电压传输特性和阈值电压 在输入电压处于0~2V之间, , 截止, , 导通, ;在区间, ,同时 , 、将同时导通,相当于两导通管对

1.电压传输特性和阈值电压 进行分压，较低时内阻较大，内阻较小，较高。较高时内阻较小，内阻较大，较低，而在处，二者内阻相等，使，在该输入电压附近，如果由

1.电压传输特性和阈值电压 低向高变化，两管均处于放在状态，输出电压将由高电平剧变为低电平；在区间，，导通，，截止，使输出发生高低电平转换的输入电压的值称为阈值电压（也称门槛电压），CMOS反相器的阈值电压为

为在输出高电平的变化不大于10% 的条件下，输入信号低电平允许的最大变化量称为输入低电平噪声容限为在输出低电平的变化不大于10% 的条件下，输入信号高电平允许的最大变化量称为高电平噪声容限。 2.输入端噪声容限在保证输出高、低电平基本不变（或者变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。噪声容限越大，抗干扰能力越强。

3.输入特性 C1、C2表示TN、TP的栅极等效电容导通电压不超出VDD+UDF 栅极电位uG钳位在VDD+UDF uI>VDD+UDF uI<-0.7V 栅极电位钳位在-UDF 导通电压不超出VDD+UDF

CMOS器件使用的电源电压VDD在3~18V，所以加到C1和C2上的电压不会超过管的耐压极限。CMOS器件使用的电源电压VDD在3~18V，所以加到C1和C2上的电压不会超过管的耐压极限。但这种保护也是有限度的，如果超限的输入电压持续时间过长，D1、D2的正向导通电流或反向击穿电流过大，都会损坏输入保护电路，进而使栅极被击穿，因此仍需注意器件的使用规范或采取一些附加的保护措施。不难分析，当保护电路起作用时，会产生一定的输入电流（实为二极管电流）。

在-UDF<uI<VDD+UDF范围内iI=0,当uI>VDD+UDF以后，iI迅速增大，而在uI<-UDF以后，D2经RS（约1.5--2.5K ）导通，iI的绝对值随uI增加而增加，二者近似呈线性关系，变化的斜率由RS决定。输入特性

4.输出特性 (1)低电平输出特性输出特性是指电路的输出电压与输出电流的关系曲线分为低电平输出特性和高电平输出特性电流为 + 导通当输出为低电平时( ),反相器的截止, 导通. 注入的负载电流将使其输出电平随电流的增加而有所上升.由于的内阻与有关, 越高越大, 内阻越小,在同样的下, 增加会稍有降低.

(2)高电平输出特性 当输出为高电平时( ),反相器的截止, 导通. 随负载电流增加内阻压降将增加,输出电平将下将. 越高, 越负, 内阻越小, 下降的越快. (3)扇出系数门电路在不影响输出高、低电平情况下，带同类型门电路的个数称为扇出系数。它反映门电路的最大带负载能力对于CMOS而言，可达几百~几千以上。

5.脉冲工作特性(也称动态特性) (1)传输延迟时间 MOS管在开关过程中沟道中载流子的聚集和消散几乎不需要时间,但由于集成电路内部电阻、电容的存在以及负载电容的影响，输出电压的变化仍然要滞后于输入电压的变化，产生传输延迟。负载电容是影响传输延迟时间和输出电压上升时间、下降时间的主要因素。 CMOS反相器的输出电阻受大小的影响，而通常情况下，因而传输延迟时间还与有关。

(1)传输延迟时间 和是输入、输出波形对应边上等于最高幅度50%的两点之间的时间差. 一般对门电路的传输延迟性能常用平均传输延迟时间来表示,其定义为:

（２）动态功耗 在动态情况下，输入电压在高、低电平之间转换的极短时间内，两管同时导通，使瞬间电源电流增加，同时负载电容充、放电电流也要消耗一部分功率，就构成了动态功耗．输入信号频率越高，电源电压越高，负载越大，动态功耗就越大．CMOS反相器动态功耗约为一至几毫瓦数量级，比TTL电路小得多。（３）速度－功耗积（dp积）用速度－功耗积来衡量其质量.平均延迟时间与空载功耗的积即为速度－功耗积，也称dp积，其数值越小越好．

2.3.2 其它类型的CMOS逻辑门 一其它逻辑功能的CMOS门电路 • 与非门 ⑴ 电路将两个以上CMOS反相器的P沟道增强型MOS管源极和漏极分别并接，N沟道增强型MOS管串接，就构成了CMOS与非门。

⑵ 逻辑功能分析 或者导通导通 A和B有低电平时输出为高电平截止或者或者截止

⑵ 逻辑功能分析 截止截止 A和B都高电平时输出为低电平导通导通

2. 或非门 ⑴ 电路将两个CMOS反相器的开关管部分并联、负载管部分串接就构成了或非门。

⑵ 逻辑功能分析 截止或者或者输出为低电平截止当A、B中有高电平时导通或者导通

⑵ 逻辑功能分析 导通输出为高电平导通 A和B都低电平时截止截止

二带缓冲级的CMOS门 由与非门和或非门电路可见，串接部分管子多，会影响输出高、低电平的值，对与非门来说，输出低电平将提高，对或非门来说，输出高电平将降低。串接部分的管子多少影响输出电阻。为了克服缺点，国产74HC和4000系列都采用了带缓冲级的电路结构。所谓缓冲级，就是在原来的基本电路基础上，输入端和输出端都增加一级反相器，以恢复正常的高、低电平和输出电阻。但与非门加缓冲级之后变成了或非门，而或非门加缓冲级之后变成了与非门。所以为保持与非门的逻辑关系，带缓冲级的CMOS与非门可用在输入、输出端接反相器的或非门获得（因为）），如图2.3.13所示。

带缓冲级的CMOS与非门

三 CMOS传输门和双向模拟开关 CMOS传输门也是构成各种CMOS逻辑电路的基本单元电路。传输门电路和逻辑符号

T1的源极（或漏极）和T2的漏极（或源极）连在一起作输入端 T1的漏极（或源极）与T2的源极（或漏极）连在一起作输出端两个栅极是一对控制端，分别接入c和

第 2 章 集成逻辑门电路