第二章 门电路 本章重点及要求: 1、理解半导体二极管和三极管的开关特性；2、掌握分立元件组成的“与、或、非”门电路；3、理解TTL集成门电路和CMOS集成门电路；4、掌握集成门电路的逻辑功能和正确使用方法。5、理解TTL与非门的电压传输特性、输入输出特性等参数。 § 2—1 概述 一、逻辑门电路 门电路----能完成基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。

二、门电路分类 1、分立元件门电路 2、集成门电路 集成电路按一定面积的半导体基片中包含元件数量的多少（集成度），分为小、中、大、超大规模集成电路。 小规模集成电路SSI,包含元件在10----100个。        中规模集成电路MSI,包含元件在100----1000个。    大规模集成电路LSI,包含元件在1000----10000个。 超大规模集成电路 VLSI,包含元件在10000个以上。

集成电路按制造工艺不同分为：双极型和单极型。 （1）   TTL（Transistor-Transistor Logic）----简称TTL。晶体管晶体管逻辑电路。它是由双极型三极管组成的门电路，改进后的TTL电路，具有工作速度较高，抗干扰性好，带负载能力强，但功耗大。 （2）   CMOS（Complementary Symmetry Mos Logic）----互补对称MOS管逻辑电路。 MOS管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）----金属-氧化物-半导体场效应管简称。 CMOS门集成电路特点：具有静态功耗低，抗干扰能力强，工作稳定性好，开关速度高，电路制造工艺复杂。

§ 2—2 二极管、三极管开关特性 一、二极管开关特性 1、二极管的组成 由一个PN结、二个引极和外壳组成。 § 2—2 二极管、三极管开关特性 一、二极管开关特性 1、二极管的组成 由一个PN结、二个引极和外壳组成。 2、二极管最基本特性----单向导电性。PN 结加正向电压 导通，加反向电压截止。

理想模型： 3、二极管伏安特性 （1）伏安特性 （2）二极管的特性方程 （3） 二极管伏安特性曲线

（4）二极管的开关特性 实际电路 近似模型 理想模型 二、 三极管开关特性 1、双极型三极管结构 （1）NPN型 实际电路 近似模型 理想模型 VD≥0.7V VD=0.7V VD=0V 忽略压降 二、 三极管开关特性 1、双极型三极管结构 （1）NPN型

（2）PNP型 2、三极管输入特性、输出特性 （1）输入特性 （2）输出特性

☆ 输出特性的分析： ① 放大区 特点：iC和iB成正比地变化，几乎不受uCE变化的影响。 iC =βiB。 ② 饱和区 特点：iC不再随iBβ倍的比例增加趋于饱和，硅管进入饱和区uCE 的值约为0.6-0.7V,在深度饱和状态下,集电极和发射极之间uCE 大约在0.3以下。三极管饱和导通，相当电子开关闭合。 ③ 截止区 特点：iB=0，iC =0，三极管不导通，相当电子开关打开。

3、三极管的开关特性 （1）截止状态 三极管等效电路 （2）放大状态

§2—3 分立元件门电路 （3）饱和状态 数字电路中，利用三极管的截止状态和饱和状态，相当开关打开和闭合，起到电子开关的作用。 §2—3 分立元件门电路 一、二极管与门电路 1、电路结构 2、工作情况

(1) A=0V，B=0V，D1、D2均导通Y=0.7V。 (2) A=0V，B=5V，D1先导通，D2截止，Y=0.7V。 A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 3、真值表 4、逻辑函数式 二、二极管“或门”电路 1、电路结构

T—三极管电子开关，A—输入变量，Y--输出变量，Rb—基极电阻，Rc—集电极电阻。 2、工作原理 A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 3、真值表 4、逻辑函数式 三、三极管“非门”电路 （反相器） 1、电路结构 T—三极管电子开关，A—输入变量，Y--输出变量，Rb—基极电阻，Rc—集电极电阻。 2、工作原理

A (Ui) Y (Uo) 1 3、真值表 4、逻辑函数式 5、实际电路 四、“与非”门电路 1、电路组成

2、工作原理 3、真值表 4、逻辑函数式 五、“或非”门电路 1、电路组成 2、工作原理 3、真值表 A B Y` Y 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 3、真值表 4、逻辑函数式 五、“或非”门电路 A B Y` Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1、电路组成 2、工作原理 3、真值表

§2—4 TTL集成门电路 一、TTL“与非”门电路 （以典型国产TTL集成门电路为例分析） 1、电路 组成

（1）输入级：由R1、T1构成。 作用：其一实现“与”逻辑功能，其二提高开关速度。 （2）中间级：由T2、R2和R3构成。 作用：主要给输出级提供一对相位相反的驱动信号。 （3）输出级： 由T3、T4、T5、R4和R5构成。 作用：实现非逻辑功能，提高电路的带负载能力。 2、工作原理

（1） 输入级T1是一个多发射极三极管，相当三个二极管组成“与门”电路。 与后面的电路实现了“与非”逻辑。 A B C Y 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 真值表 （2）工作情况 （3）逻辑功能分析

二、TTL集成门电路内部电路结构 1、内部电路结构框图 2、输入级电路形式 有：单发射极，多发射极，二极管与门，二极管或门等。 Uo Ui 输 入 级 信号输入放大 中 间 级 信号处理耦合 输 出 级 输出放大驱动 Uo Ui 2、输入级电路形式 有：单发射极，多发射极，二极管与门，二极管或门等。

3、输出级电路形式 TTL集成门电路输出级电路形式有：集电极开路输出，三态门输出，图腾柱输出，复合管图腾柱输出等形式。 （1）集电极开路输出：（OC门） ① 电路结构特点 ② 逻辑电路符号 常用符号 国标符号

③ OC门特点 外接负载电阻和驱动电压，可实现高电平，大电流驱动。 ④ 典型应用 ▲“线与”逻辑电路的应用 电路输出端的连接点的逻辑关系 … 使用时，只要合理的选择RL和电源的数值，即可保证输出高、低电平符合要求，而且保证电路器件的安全。

⑤ 外接负载电阻RL的选择 ▲ 计算机数据驱动器 工作过程分析： 选择原则：应该保证输出高电平UOH≥UOHmin，输出低电平UOL≤UOLmax。在满足上述原则下，先求出负载电阻的最大值RLmax和最小值RLmin，然后在二者中间选一个合适阻值作为负载电阻。

▲求负载电阻的最大值RLmax OC门输出为高电平此时，流过负载电阻RL的电流为： 式中: OC门输出高电平 由式中可知：RL越大，UOH越低.

若保证UOH＞UOHmin，则RL最大值为： ▲ 求负载电阻的最小值RLmin： 由于OC门1输出为低电平，其余输出为高电平，则输出线与之后为低电平。此时流入低电平端的电流为： 其中:IIS为普通TTL与非门的输入短路电流。 选RL的取值范围为： RLmin≤RL≤RLmax OC门输出低电平为： 通常为了减少负载电容的影响RL选择接近RLmin为宜。 由上式可知RL越小，输出低电平越高，若保证UOL＜UOLmax 则RL的最小值为：

例题：电路图如图所示，用4个集电极开路与非门的输出端线与，驱动4个二输入与非门，要求输出高电平UOH＞UOHmin(2 例题：电路图如图所示，用4个集电极开路与非门的输出端线与，驱动4个二输入与非门，要求输出高电平UOH＞UOHmin(2.4V),UOL＜UOLmax(0.4V),OC门的IOH=50uA，IOL=20mA，与非门的 IIH=70uA，IIS=1.4mA，试选择负载电阻RL的阻值。 解: 应取RL=1KΩ （2）三态逻辑门 （TSL—Three State Logic）

三态门输出状态有：高电平状态，低电平状态，高阻状态。 ① 三态输出与非门 ◆　电路结构： EN为使能端（控制端） ◆ 工作原理 当控制端EN=1时，EN=0，二极管D导通，输出端悬空电路呈现高阻状态； 当EN=0，EN=1，二极管D截止，电路的工作状态与一般TTL与非门完全相同。

由真值表可知当EN=0时，输入与输出逻辑关系为： ◆　逻辑功能分析 真 值 表 由真值表可知当EN=0时，输入与输出逻辑关系为： EN AB Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 高阻 ② 三态门逻辑符号 常用符号 国标符号 注意：控制端EN小圆圈表示低电平有效。 ③ 三态门的应用 三态与非门逻辑符号 ● 双向传输总线接收器 ●多路信号分时传输电路

当EN=0，门G1传输数据，门G2被禁止（高阻状态），信号由A传输到B。当EN=1，门G1被禁止，门G2传输数据，由B传输到A。 ● 双向传输总线接收器 工作原理分析： 当EN=0，门G1传输数据，门G2被禁止（高阻状态），信号由A传输到B。当EN=1，门G1被禁止，门G2传输数据，由B传输到A。 ● 多路信号分时传输电路 工作原理分析： 电路中只要EN1、EN2、……、ENn顺序出现低电平控制信号，则一条总线可分时传输G1、G2、……Gn门信号。

三、TTL集成门电路的主要参数和特性 ④ 三态门特点： 同时控制输出三极管截止，使输出端呈现高阻状态，具有低阻输出，开关速度比OC门高。在数字系统中经常作为输出缓冲级。 三、TTL集成门电路的主要参数和特性 1、主要参数 (TTL中速与非门电参数) UIH—输入高电平电压 UIH(min)—输入高电平最小值(≥2.0V) UIL—输入低电平电压 UIL(max)—输入低电平最大值(≤0.8V) UOH—输出高电平（≥2.4V） UOL—输出低电平(≤0.4V)

2、TTL与非门特性曲线 IIH—高电平输入电流(≤40uA) IIL—低电平输入电流(≤1.6mA) IOH—高电平输出电流(≤400uA) IOL—低电平输出电流(≤16mA) 2、TTL与非门特性曲线 （1）电压传输特性曲线 输出电压随输入电压变化的曲线称为电压传输特性曲线。 分析： 对于不同类型的门电路对应不同的电压传输特性。

输入电压Ui与输入电流Ii关系曲线—输入特性曲线。 （2）输入特性曲线 输入电压Ui与输入电流Ii关系曲线—输入特性曲线。 习惯规定：流入门电路电流的方向为正方向，流出门电路电流的方向为负方向。 分析： （3）输出特性曲线 输出电压与输出电流之间的关系曲线—输出特性曲线。 ① 输出高电平时输出特性曲线

§2—5 CMOS集成门电路 一、MOS管 ② 输出低电平时输出特性曲线 分析： 本节要点：CMOS集成电路内部电路介绍，逻辑功能分析。 1、场效应管 （1）结型 2、类型 场效应管—是利用电场效应来控制电流的一种压控器件。 （2）绝缘栅型

场效应管特点：栅极不取电流，输入阻抗高，受温度、辐射等外界影响小，噪声较小。 3、绝缘栅型增强型场效应管工作原理 利用栅极电压的变化来改变感应电荷的数量，从而改变形成沟道的宽窄，控制漏极电流的变化。 场效应管特点：栅极不取电流，输入阻抗高，受温度、辐射等外界影响小，噪声较小。 4、增强型场效应管符号 N沟道 P沟道

当Ui=UGS≥UTN时，NMOS管导通，RON很小，当导通电阻RON＜＜RD，如同开关闭合。 （1）截止状态 NMOS管开启电压UTN＞0，管子导通。 当Ui=UGS＜UTN时，Ui＜UTN，NMOS管工作在截止状态，此时ID=0，UDS=UO=+VDD。相当开关打开。 （2）电阻状态 当Ui=UGS≥UTN时，NMOS管导通，RON很小，当导通电阻RON＜＜RD，如同开关闭合。 此时NMOS管处于电阻状态。 则

6、PMOS管开关特性 （1）截止状态 （开关断开） PMOS管开启电压UTP＜0，为负电压，管子导通。 当Ui=UGS＞UTP时，PMOS管截止，ID=0V，UO=UDS=VDD （2）电阻状态 （开关闭合) 当Ui=UGS＜UTP时，D-S之间的导通电阻RON很小。 管子处于电阻状态。

二、NMOS管反相器 （非门） 1、电路结构 2、工作原理 ① 当Ui=0V＜UTN，管子处在截止状态，漏极D和源极S之间呈现高阻。ID=0 UO=VDD=10V 高电平。 ② 当Ui=10V＞UTN，管子处于电阻状态（饱和导通状态）。∵RD＞＞RON，∴ 输出电压 低电平。 分析可知：Ui=0V UO=10V，Ui=10V UO=0V 为反相器电路。 问题提出：RD的合理选择；采用PMOS管来替代。

三、CMOS反相器 CMOS集成门电路，是用PMOS管和NMOS管构成互补对称的集成门电路。 具有静态低功耗，抗干扰能力强，工作稳定性好，开关速度高，但电路制造工艺复杂。 特点： 1、电路构成： 2、工作原理 设开启电压UTN=2V，UTP=-2V。 （1）当Ui=UIL=0V UGSN=0V＜UTN，TN管截止，UGSP=-10V＜UTP，TP管导通，且RON很小，此时输出UO=VDD=10V 高电平。

（2）当Ui=UIH=10V 高电平，UGSN=10V＞UTN， TN管饱和导通，UGSP=0V＞UTP 故TP管截止。且RON很小，输出UO=0V。 （3）这种电路输出高电平，RON等效电阻小；输出低电平，ROFF等效电阻大。 （4）在输入高或者低电平情况下，由于TN和TP管参数对称总是一个导通而另一个截止，既处于互补对称状态，故称互补对称-CMOS电路。 3、逻辑功能 4、特点： ① 电源利用率高。 ② 静态功耗低。 ③ 开关速度快。

四、CMOS集成门电路 1、CMOS“与非”门 （1）电路结构 （2）工作原理 （3）逻辑函数式 （4）存在问题 A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 （1）电路结构 （2）工作原理 （3）逻辑函数式 （4）存在问题 2、CMOS集成门电路的一般内部结构 CMOS集成门电路的内部结构分为三部分：输入级、中间级和输出级。

示意图： 3、实际CMOS集成门电路分析 （CC4011） （1）电路结构 （2）逻辑功能分析 Ui UO A` B` Y` 0 0 0 1 输入级 （反相器） 中间级 输出级 （反相器） Ui UO 3、实际CMOS集成门电路分析 （CC4011） （1）电路结构 A` B` Y` 0 0 0 1 1 0 1 1 1 （2）逻辑功能分析

等效电路： （3） 逻辑函数式 4、CMOS三态门 （1）电路结构 （2）工作原理 （3）非逻辑三态门符号

5、CMOS传输门 传输门是一种传输模拟信号的压控开关。 （1）电路结构 （2）工作原理 （3）CMOS传输门逻辑符号 五、COMS集成门电路的主要参数和特性曲线 1、主要参数 2、特性曲线 （以CMOS反相器为例） （1）电压传输特性曲线

电压传输特性曲线如图所示 分析: （2）CMOS反相器输入特性曲线 分析：

（3）CMOS反相器输出特性曲线 分析： 六、实际集成门电路介绍 1、TTL集成门电路识别 2、CMOS集成门电路识别