第三章 門電路

1、第 三 章 門電路 共 需 6 學時授課課題3.1概述3.2半導體二極管門電路學時2授課時間年 月 日 星期 第 節(jié)（第 周）教學目的與要求掌握二極管與門、二極管或門、三極管非門教學重點二極管組成的門電路教學難點二極管組成的門電路授課方法講授法教具儀器教案 多媒體課件教學過程、內(nèi)容分析、授課提綱組織教學考勤講授新課第三章 門電路3.1 概述TTL電路問世幾十年來，經(jīng)過電路結(jié)構(gòu)的不斷改進和集成工藝的逐步完善，至今仍廣泛應用，幾乎占據(jù)著數(shù)字集成電路領域的半壁江山。把若干個有源器件和無源器件及其連線，按照一定的功能要求，制做在同一塊半導體基片上，這樣的產(chǎn)品叫集成電路。若它完成的功能是邏輯功能或數(shù)字功

2、能， 則稱為邏輯集成電路或數(shù)字集成電路。最簡單的數(shù)字集成電路是集成邏輯門。 集成邏輯門，按照其組成的有源器件的不同可分為兩大類： 一類是雙極性晶體管邏輯門；另一類是單極性絕緣柵場效應管邏輯門，簡稱MOS門。 雙極性晶體管邏輯門主要有TTL門(晶體管-晶體管邏輯門)、ECL門(射極耦合邏輯門)和I2L門(集成注入邏輯門)等。 單極性MOS門主要有PMOS門(P溝道增強型MOS管構(gòu)成的邏輯門)、NMOS門(N溝道增強型MOS管構(gòu)成的邏輯門)和CMOS門(利用PMOS管和NMOS管構(gòu)成的互補電路構(gòu)成的門電路，故又叫做互補MOS門門電路：實現(xiàn)基本運算、復合運算的單元電路，如與門、與非門、或門 門電路中

3、以高/低電平表示邏輯狀態(tài)的1/0 獲得高、低電平的基本原理如圖1所示。 圖 1 高/低電平都允許有一定的變化范圍如圖2所示。正邏輯：高電平表示1，低電平表示0負邏輯：高電平表示0，低電平表示1 圖 23.2 半導體二極管門電路二極管的結(jié)構(gòu)如圖3所示： PN結(jié) + 引線 + 封裝構(gòu)成 圖3二極管的開關特性如圖4，高電平：VIH=VCC，低電平：VIL=0 圖43.2.2二極管與門最簡單的與門可以用二極管和電阻組成,圖5是有兩個輸入端的與門電路。圖中A，B為兩個輸入變量，Y為輸出變量。圖5 二極管與門電路 及圖形符號設VCC=5V，A，B輸入端的高、低電平分別為VIH=3V，VIL=0V，二極管D

4、1，D2的正向?qū)▔航礦DF=0.7V。由圖可見，A，B當中只要有一個是低電平0V，則必有一個二極管導通，使Y=0.7V。只有A，B同時為高電平3V時，Y才為3.7V。將輸出與輸入邏輯電平的關系列表，即得如表1電路的邏輯電平表 電路的真值表 如果規(guī)定3V以上為高電平,用邏輯1表示,0.7V以下為低電平,用邏輯0表示,則可將電平表改成電路真值表。顯然，Y和A，B是與邏輯關系。這種與門電路雖然簡單，但是存在著嚴重的問題。首先，輸出的高，低電平的數(shù)值和輸入的高，低電平數(shù)值不相等，相差一個二極管的導通壓降。如果把這個門的輸出作為下一級門的輸入信號，將發(fā)生信號高，低電平的偏移。其次，當輸出端對地接上負載

5、電阻時，負載電阻的改變有時會影響輸出的高電平。因此，這種二極管與門電路僅用作集成電路內(nèi)部的邏輯單元，而不用它直接去驅(qū)動負載電路。3.2.3 二極管或門最簡單的或門電路如圖6所示，它也是由二極管和電阻組成的。A，B是兩個輸入變量，Y是輸出變量。若A，B輸入端的高、低電平分別為VIH=3V，VIL=0V，二極管D1，D2的正向?qū)▔航礦DF=0.7V。則只要A，B當中有一個是高電平輸出就是2.3V。只有當A，B同時為低電平時，輸出才是0V。因此，可以列出電平關系表如表1：圖6 二極管或門電路及圖形符號表1 電路的邏輯電平表 表2 電路的真值表 如果規(guī)定2.3V為高電平,用邏輯1表示,而低于0V為低

6、電平,用邏輯0表示,則可將電平表改寫成真值表如表2. 顯然Y和A,B之間是或邏輯關系。二極管或門同樣存在著輸出電平偏移的問題，所以這種電路結(jié)構(gòu)也只用于集成電路內(nèi)部的邏輯單元。小結(jié)：1、半導體二極管的開關特性。2、二極管與門。3、二極管或門。作業(yè)：3.1 3.2 第 三章 門電路共 需 6 學時授課課題3.3 CMOS門電路學時2授課時間年 月 日 星期 第 節(jié)（第 周）教學目的與要求1、 掌握MOS管的開關特性2、熟練掌握CMOS門電路3、掌握CMOS 反相器的靜態(tài)輸入/出特性4、掌握CMOS反相器的動態(tài)特性3、其他邏輯功能的CMOS門電路4、了解其他類型的MOS集成電路教學重點1、MOS管的

7、開關特性2、CMOS門電路、OC門電路、TS門電路教學難點其他類型的MOS集成電路授課方法講授法教具儀器教案教學過程、內(nèi)容分析、授課提綱組織教學考勤復習TTL門電路講授新課3.3 CMOS門電路 CMOS反相器電路結(jié)構(gòu)和工作原理一、電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 電路結(jié)構(gòu)二、電壓、電流傳輸特性CMOS反相器電壓、電流傳輸特性如圖2所示 圖2 電壓、電流傳輸特性3.3.2 CMOS 反相器的靜態(tài)輸入/出特性一、輸入特性輸入特性如圖3所示。 圖3二、輸出特性低電平輸出特性如圖4所示。 圖4 低電平輸出特性高電平輸出特性如圖5所示。 圖5 高電平輸出特性3.3.3 其他類型的CMOS門電路一、其

8、他邏輯功能的門電路1. 與非門 2.或非門 圖6 與非門 圖7或非門二、帶緩沖極的CMOS門電路如圖8所示。 圖8 帶緩沖極的CMOS門三、漏極開路的門電路（OD門）漏極開路的門電路（OD門）電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。 圖9四、CMOS傳輸門及雙向模擬開關1. 傳輸門 圖102. 雙向模擬開關 圖11五、三態(tài)輸出門 圖123.3.4 CMOS電路的正確使用1. 輸入電路的靜電保護CMOS電路的輸入端設置了保護電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應較高的靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應注意以下幾

9、點： （1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。 （2）存儲和運輸CMOS電路，最好采用金屬屏蔽層做包裝材料。2. 多余的輸入端不能懸空。輸入端懸空極易產(chǎn)生感應較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)使用。3. 輸入電路需過流保護小結(jié)：1、MOS管的開關特性2、CMOS門電路3、CMOS 反相器的靜態(tài)輸入/出特性4、CMOS反相器的動態(tài)特性5、其他邏輯功能的CMOS門電路6、其他類型的MOS集成電路作業(yè)：3.5 3.7 3.9 第 三章 門電路 共 需 6 學時授課課題3.4 TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理學時2授

10、課時間年 月 日 星期 第 節(jié)（第 周）教學目的與要求1、 熟練掌握TTL反相器的工作原理2、 掌握TTL反相器的電氣特性3、 了解TTL反相器的動態(tài)特性4、 掌握TTL反相器的帶負載能力5、其他類型的TTL門電路教學重點TTL反相器的工作原理、電氣特性TTL反相器的帶負載能力教學難點TTL反相器的工作原理掌握TTL反相器的帶負載能力授課方法講授法教具儀器教案教學過程、內(nèi)容分析、授課提綱組織教學考勤復習二極管、三極管的開關特性講授新課3.5 TTL 門電路3.5.1雙極型三極管的結(jié)構(gòu)雙極型三極管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，管芯 + 三個引出電極 + 外殼 圖1發(fā)射區(qū)高參雜,基區(qū)薄低參雜,集電區(qū)低參雜3.

11、5.2 TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理一TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2 TTL與非門的基本結(jié)構(gòu)當輸入高電平時， UI=3.6V，VT1處于倒置工作狀態(tài)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏，UB1=0.7V×3=2.1V， IB2=(5-2.1)/4=0.725mA；假定 b2>10，若T2工作于放大狀態(tài)，則IC2>7.25mA,所以 VC2<VCC-IC2R2=-6.6V,故T2不可能工作于放大狀態(tài)和截止狀態(tài)，只可能是飽和狀態(tài)。 因VB4=VCES2+VBE5=1V,VT4截止。VT5狀態(tài)取決于外電路，在輸出電流小于IOLmax時，輸出為低電平U

12、O=00.3V。二、TTL反相器的電壓傳輸特性 圖3 TTL反相器的電壓傳輸特性3.5.3 TTL反相器的輸入特性和輸出特性 圖4 輸入特性 圖5 輸出特性3.5.4 其他類型的TTL門電路 一. 其他邏輯功能的門電路1.與非門圖6 與非門2.或非門 圖7 或非門 3.與或非門 圖8 與或非門4.異或門圖9 異或門二.集電極開路輸出門電路（OC門） 圖10 集電極開路輸出門電路結(jié)構(gòu)三. 三態(tài)輸出門電路 （TS門) 圖11 三態(tài)輸出門電路結(jié)構(gòu)3.5.6 TTL數(shù)字集成電路的各種系列 74H系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代價換取的，效果不夠理想。74S系列：肖特基系列。采用抗飽和三極管，提高了工作速度，但電路功耗加大，并且輸出的低電平升高。74LS系列：低功耗肖特基系列。兼顧功耗和速度兩個方面，得到更小的延遲功耗積。74AS系列：電路結(jié)構(gòu)與74LS系列相似，采用低 阻值，提高了工作速度，但功耗較大。74ALS系列：其延遲功耗積是TTL電路所有系列中最小的一種。54、54H、54S、54LS系列：54