数字电路技术基础（三）

门电路的分类

第三章 门电路

概述

用以实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门电路
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

TTL的缺点是功耗过大，CMOS有很大的优势

半导体二极管门电路

半导体二极管的开关特性

假定输入信号的高电平$V_{IH}=V_{CC}$，低电平$V_{IL}=0$，
假定二极管D为理想开关元件，即正向导通电阻为0，反向内阻为无穷大
当$V_I=V_{IH}$时，D截止，$V_O=V_{CC}$
当$V_I=V_{IL}$时，D导通，$V_O=V_{OL}=0$

二极管与门

虽然电路很简单，但是有缺点
缺点：
1.输出的高低电平数值和输入的高低电平数值不相等。多级串联时会发生信号的偏移
2.当输出端对地接上负载时负载电阻的改变会影响输出的高电平。
因此，这种电路只做集成电路内部的逻辑单元，而不用它去驱动负载负载

二极管或门

CMOS门电路

MOS管的开关特性

MOS管的工作原理

见模电第一章

MOS管的输入特性和输出特性

输出特性

转移特性

MOS管的四种类型

CMOS反相器的电路结构和工作原理

反相器的电路结构

$T_1$为P沟道增强型MOS管,$T_2$为N沟道增强型MOS管
当$V_I=V_{OH}=V_{DD}$时，$T_1$截止，$T_2$导通，所以$V_O=V_{OL}$
输入与输出之间为逻辑非的关系。所以也称反相器

电压传输特性和电流传输特性

1.电压传输特性

(1)A-B段，$V_I<V_{GS(th)N}$,而$|V_{GS1}|>|V_{GS(th)P}|$,所以$T_1$导通而$T_2$截止，所以$V_O=V_{OH}\approx V_{DD}$
(2)C-D段，$V_I>V_{DD}-|V_{GS(th)P|}$,使得$|V_{GS1}|<|V_{GS(th)P}|$,所以$T_1$截止，而$V_{GS2}>V_{GS(th)N}$，$T_1$导通。所以$V_O=V_{OL}\approx 0$
(3)B-C段，$V_{DD}-|V_{GS(th)P|}<V_I<V_{GS(th)N}$，$V_{GS2}>V_{GS(th)N}$，$|V_{GS1}|>|V_{GS(th)P}|$，$T_1$和$T_2$同时导通，$V_I=\frac{1}{2}{V}_{DD}$时，$V_O=\frac{1}{2}{V}_{DD}$

2.电流传输特性

当工作在A-B段和C-D段时由于总有一个管子是截止的，所以流经$T_1$和$T_2$的电流几乎为0.
当工作在B-C段时，$T_1$和$T_2$之间有电流流过，在$\frac{1}{2}{V}_{DD}$处出现尖峰电流
所以不应使器件长期工作在B-C段，以免功耗过大而损坏

输入端噪声容限

$V_{NH}=V_{OH(min)-V_{IH(min)}}$
$V_{NL}=V_{IL(max)-V_{OL(max)}}$

$V_{DD}$越高，噪声容限越大

CMOS反相器的静态输入特性和输出特性

一.输入特性
输入特性，即反相器输入电压和输入电流的关系
MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘层非常薄，易被击穿，所以要加入输入保护

当$V_I>V_{DD}+V_{D1(th)}$时，电位被钳制在$V_{DD}+V_{D1(th)}$
当$V_I<-V_{D1(th)}$,电位被钳制在$-V_{D2(th)}$

二.输出特性
反相器输出电压和输出电流的关系为输出特性
1.低电平输出特性

$V_{OL}$和$I_{OL}$的关系就是T2的漏极特性曲线
2.高电平输出特性

CMOS反相器的动态特性

1.传输延迟时间$t_{PHL}$,$t_{PLH}$

由于MOS管的电极之间以及电极和衬底之间都存在寄生电容，尤其在反相器的输出端更不可避免的存在负载电容，所以当输入信号发生跳变时，输出电压的变化必然滞后于输入电压的变化。把输出电压变化落后于输入电压变化的时间称为传输延迟时间并且将输出由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间记做$t_{PHL}$，将输出由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间记做$t_{PLH}$。在CMOS电路中，$t_{PHL}$和$t_{PLH}$是以输入和输出波形对应边上等于最大幅度50%的两点间时间间隔来定义的。因为$t_{PHL}$和$t_{PLH}$通常是相等的，所以也用$t_{pd}$表示$t_{PHL}$和$t_{PLH}$

2.交流噪声容限

$V_{NA}$为交流噪声容限，$t_w$为噪声电压作用时间
可以得到噪声电压作用时间越短，电源电压越高，交流噪声容限越大

3.动态功耗

动态功耗由两部分组成，一是电容充放电所消耗的功率$P_C$，二是两个MOS管$T_1$和$T_2$短时间导通所消耗的功率$P_T$
$P_C=C_{L}f{V}_{DD}^2$
推导过程：

$P_T=C_{PD}f{V}_{DD}^2$
$C_{PD}$为功耗电容，f 为输入信号的重复频率
总动态功耗为$P_D=P_C+P_T$

总功耗为$P_{TOT}=P_D+P_S$
$P_S$静态功耗=$V_{DD}{I}_{DD}$
当频率很高时，静态功耗可忽略

其他类型的CMOS门电路

一.其他逻辑功能的CMOS门电路

常用的有或非门，与非门，与门，或门，与或非门，异或门

与非

或非

上面电路组成问题

输出电阻会变化，会影响电压输出特性
因此要在电路前后加缓冲非门


注意，与非门里核心器件是或非，或非门核心器件是与非门

二.漏极开路输出门电路（OD门）

两与非门直接相连会发生电源和地短路的情况
解决办法：去掉上面半端

得到的电路，下端的MOS管的漏极为开路，所以为开漏电路

OD门工作时需要上拉电阻$R_L$至电源
对于OD门
可以将输出并联使用，实现 线与
使用时需外接$R_L$，$V_{DD}$

$R_L$的计算方法：
1.上限

$R_L$不能太高，因为会将高电平拉低

2.下限

也不能太小，否则前端直接将电源接地，会损毁管子

$R_L$要满足

三.CMOS传输门和三态门

将衬底一个接电源，一个接地，该结构导通的关键在于栅极有没有加上合适的电场
只要C加1，就能导通


*双向模拟开关

当C为0时，为高阻态

*三态门

应用

TTL门电路

TTL工作原理

见模电第一章

TTL的输入特性和输出特性

输入特性

输出特性

TTL的基本开关电路

TTL的动态开关特性

极间电容效应

TTL反相器的电路结构和工作原理

一.电路结构

典型电路

1.工作特性

2.工作原理
电压传输特性曲线

当$V_I<0.6v$时，假设$V_I=0$，当电路刚上电时$V_{B1}$和A之间压差为5v左右，而$T_2$的集电结有0.7的压降，导致$T_1$集电结正偏，所以$T_1$饱和导通，此时$T_1$管的集电极即$T_2$的基极的电位为0+饱和压降0.2=0.2v左右，所以$T_2$截止，所以$T_5$也截止，$T_4$基极电位为5v，所以$T_4$导通

当$V_I$增大到使得$T_2$的基极大于0.7v时，$T_2$导通且工作在放大区

当$V_I$上升到1.3v时，使得$T_5$基极电位到0.7v，$T_5$导通，$T_4$截止，截止原因是$T_4$的基极被$T_2$和$T_5$拉到0.8v

(1)A-B段，截止区$V_I<0.6v$,所以$V_{B1}$<1.3v,此时$T_1$导通，$T_2$，$T_5$截止，$T_4$导通
$V_{OH}=V_{CC}-V_{R2}-V_{BE4}-VD2=3.4V$
(2)B-C段，线性区$0.6v<V_I<1.3v$,$T_2$导通且在放大区，$T_5$截止，$T_4$导通，$V_I$上升，$V_O$下降
(3)C-D段，转折区$V_I=V_{TH}\approx 1.4v$,$V_{B1}>2.1V$$T_2$ $T_5$导通,$T_4$截止，所以$V_O$迅速下降，为0
(4)D-E段，饱和区，$V_I$继续上升，而$V_o$不变

几个问题：
T2的输出$V_{C2}$与$V_{E2}$方向相反，故称为倒相极
输出级在稳态下$T_4$和$T_5$总有一个导通和截止，既降低功耗又提高带负载能力，又称推拉式
$D_1$抑制负向干扰，$D_2$保证$T_4$截止

二.输入噪声容限

$V_{NH}=V_{OH(min)-V_{IH(min)}}$
$V_{NL}=V_{IL(max)-V_{OL(max)}}$

TTL反相器的静态输入特性和输出特性

一.输入特性
稳态下的$i_I=f(V_I)$
重点讨论$V_I=V_{IH}/V_{IL}下的i_I$
1.当$V_I=V_{IL}=0.2v$
$I_{IL}=\frac{-(V_{CC}-V_{BE1}-V_{IL})}{R_1}=-1mA$
$I_{IL}$是流出的
2.当$V_I=V_{IH}=3.4v$时
发射结反偏，$I_{IH}$很小

一.输出特性
1.高电平输出特性
当$V_O=V_{OH}$，$V_{OH}=f(i_L)$
$i_L$流出，所以为负值，这时$T_4$导通
工作在射级输出状态，$R_O$很小
$i_{L(max)}<0.4mA$

2.低电平输出特性
当$V_O=V_{OL}$，$V_{OH}=f(i_L)$
(1)$i_L$流入，$T_5$饱和导通 ,$R_o$很小
(2)$V_{OL}<0.4v$,$i_{L(min)}=16mA$
TTL低电平时带负载能力较强

TTL反相器的输入端负载特性

1.当输入端经电阻接地，$V_I̸=0$,且随$R_P$升高而升高
当$V_{B1}=2.1V$时，$R_P$上升，$V_I$不在上升
2.在$V_{B1}<2.1V（V_I<1.4v）$时，$V_I=\frac{R_P}{R_I+R_P}(V_{CC}-V_{BE1})$

TTL反相器的扇出系数

$V_{OH}\ge 3.2V时，查得|i_{OH}|=0.4mA$
$V_{OL}\le 0.2V时，查得|i_{OL}|=16mA$
对于一个标准TTL门电路扇出系数是10

TTL反相器的动态特性

传输延迟时间

1.现象

2.原因
结电容的原因

$t_{PD}$找最长路径
$t_{CD}$找最短路径

交流噪声容限

当输入信号为窄脉冲时，且接近$t_{PD}$时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限
正脉冲噪声容限

负脉冲噪声容限

动态尖峰电流

静态电流

交流电流

其他类型的TTL门电路

其他逻辑功能的TTL门电路

1.与非门


2.或非门


3.与或非门
上面两个结合

4.异或门

集电极开路输出的门电路（OC门）

和CMOS的OD门类似
推拉式输出电路的局限性：
(1).输出电平不可调
(2).负载能力不强，尤其是高电平输出
(3).输出端不能并联输出

会产生电源到地的短路
2.OC门的结构特点
取消了上半部分

$T_5$可承受较大电流
工作时需要外接$R_L$,$V_{cc}$

3.OC门的线与

R_L的计算

上限

下限

三态门（TS门）

以下图做分析：
当$EN\prime$输入高电平
则，T4和T5都会被截止

输出有三个状态：
逻辑1，逻辑0，高阻态