第三章 门电路

半导体基础知识（1） 两种载流子 本征半导体：纯净的具有晶体结构的半导体。 常用：硅Si，锗Ge

半导体基础知识（2） 杂质半导体 N型半导体 多子：自由电子 少子：空穴

半导体基础知识（2） 杂质半导体 P型半导体 多子：空穴 少子：自由电子

半导体基础知识（3） PN结的形成 空间电荷区（耗尽层） 扩散和漂移

半导体基础知识（4） PN结的单向导电性 外加正向电压

半导体基础知识（4） PN结的单向导电性 外加反向电压

半导体基础知识（5） PN结的伏安特性 正向导通区 反向截止区 K:波耳兹曼常数 T:热力学温度 q: 电子电荷 反向击穿区

3.1 概述 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 ······ 门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0

获得高、低电平的基本原理

正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示1

3.2半导体二极管门电路 半导体二极管的结构和外特性 （Diode） 二极管的结构： PN结 + 引线 + 封装构成 N P

3.2.1二极管的开关特性： 高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0 VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V

二极管的开关等效电路： 在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）

这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。 动态特性 输入信号快变化时的特性。 当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时间导通。 tre 这段时间用tre表示，称为反向恢复时间。 D RL i 它是由于二极管正向导通时PN结两侧的多数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。

3.2.2 二极管与门 A B Y 0V 0.7V 3V 3.7V A B Y 1 规定3V以上为1 0.7V以下为0 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V A B Y 0V 0.7V 3V 3.7V A B Y 1 规定3V以上为1 0.7V以下为0

3.2.3 二极管或门 A B Y 0V 3V 2.3V A B Y 1 规定2.3V以上为1 0V以下为0 设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3V VIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7V A B Y 0V 3V 2.3V A B Y 1 规定2.3V以上为1 0V以下为0

二极管构成的门电路的缺点 电平有偏移 带负载能力差 只用于IC内部电路

3.3 CMOS门电路 3.3.1MOS管的开关特性 氧化物层 半导体层 金属层 PN结 S (Source)：源极 G (Gate)：栅极 D (Drain)：漏极 B (Substrate):衬底

以N沟道增强型为例：

开启电压 以N沟道增强型为例： 当加+VDS时， VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0 加上+VGS，且足够大至VGS >VGS (th), D-S间形成导电沟道（N型层）

二、输入特性和输出特性 输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。 输出特性： iD = f (VDS) 对应不同的VGS下得一族曲线 。

漏极特性曲线（分三个区域） 截止区 恒流区 可变电阻区

漏极特性曲线（分三个区域） 截止区：VGS<VGS(th)，iD = 0, ROFF > 109Ω

漏极特性曲线（分三个区域） 恒流区： iD 基本上由VGS决定，与VDS 关系不大

漏极特性曲线（分三个区域） 可变电阻区：当VDS 较低（近似为0）， VGS 一定时， 这个电阻受VGS 控制、可变。

三、MOS管的基本开关电路

四、等效电路 等效电路如图，其中CI为栅极输入电容。约为几皮法。 动态特性—延迟作用。 OFF ，截止状态 ON，导通状态 D 由于是单极型器件，无电荷存储效应。动态情况下，主要是输入电容和负载电容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞后于输入电压的变化。

五、MOS管的四种类型 增强型 耗尽型 大量正离子 导电沟道

P沟道增强型：

3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理 Complementary-Symmetry MOS .互补对称式MOS电路。 一、电路结构

工作原理 N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN; P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP; 要求满足VDD VTN+|VTP|; 输入低电平为0V；高电平为VDD; （1）输入为低电平0V时； T2截止；T1导通。iD = 0， =VDD; （2）输入为高电平VDD时； T1截止；T2导通。iD = 0， =0V; 输入与输出间是逻辑非关系。

在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即所谓互补状态。 特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围内选取。 CC4000系列CMOS电路的VDD可在3－18V之间选取。

二、电压、电流传输特性

三、输入噪声容限

结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限

3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性 一、输入特性

二、输出特性

二、输出特性

3.3.4 CMOS反相器的动态特性 一、传输延迟时间

二、交流噪声容限 三、动态功耗

三、动态功耗

3.3.5 其他类型的CMOS门电路 一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门 2.或非门

设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。 1.与非门 特点：N沟道管串联、P沟道管并联； 输出电阻随输入状态变化。 设：MOS管的导通电阻为RON、门电路的输出电阻为RO。 2RON RON/2 1 RON R0N RON RON RON/2 2R0N RO（与非) RO（或非） B A 输出高电平偏低 输出低电平偏高 使用带缓冲级的门电路可以克服上述缺点。 2.或非门 特点：P沟道管串联、N沟道管并联； 此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。

特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。 （二）带缓冲级的CMOS门电路 1.与非门： Y= AB = A + B = A + B 2.或非门 Y = A + B = A B = A B 特点：输出电阻恒为RON；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。

二、漏极开路的门电路（OD门）

三、 CMOS传输门及双向模拟开关 1. 传输门

功能：可控制传输0V－VDD间的模拟电压值。 C 功能：可控制传输0V－VDD间的模拟电压值。 C=0时，传输门截止；C=1,传输门导通。 设：传输门的导通电阻为RTG、管T1和T2的导通电阻分别为RON1和RON2。则： RTG= RON1//RON2 = RL/ (RTG+RL) 若满足 RL>>RTG 则

分析原理。先分析只有一个管时的情况： P沟道管导通 N沟道管导通 VDD 0V VGS(th)P VGS(th)N 单管工作的缺点是： 1.有死区； 2.导通电阻随输入电压变化很大。 采用双管可克服这些缺点。

2. 双向模拟开关

采用改进电路的CMOS四模拟开关CC4066在VDD=15V时，RTG值不大于240Ω。而且在 变化时，RTG基本保持不变。 2.模拟开关 将电压传输系数定义如下： KTG= = 采用改进电路的CMOS四模拟开关CC4066在VDD=15V时，RTG值不大于240Ω。而且在 变化时，RTG基本保持不变。 目前，某些精密CMOS模拟开关的导通电阻已降低到20 Ω 以下。

四、三态输出门

三态门的用途

CMOS电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。 一.输入电路的静电防护 CMOS电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。 (1)储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装； (2)操作时使用的电烙铁等，要妥善接地； (3)不用的输入端不应悬空。 二.输入电路的过流保护 保护二极管只能承受1mA电流，因此下列三种情况下输入端要串入保护电阻。 (1)输入端接低内阻信号源； (2)输入端接有大电容； (3)输入端接长线。

CMOS电路的发展：低功耗（降低电源电压）、高速度（缩短传输延迟时间）、带负载能力（提供大的负载电流）。 关键措施是采用短沟道、硅栅自对准工艺。 系列化产品：4000系列、HC\HCT、AHC\AHCT、VHC\VHCT、LVC\ALVC系列。 T：它们采用+5V电源，输出高低电平与TTL电路兼容。平均传输业延迟时间小于10nS。与TTL电路相当。 54HC/74HC系列，书表3.3.2

3.5 TTL门电路 3.5.1 半导体三极管的开关特性 双极型三极管的开关特性 （BJT, Bipolar Junction Transistor）

一、双极型三极管的结构 管芯 + 三个引出电极 + 外壳

发射区高掺杂 基区薄 低掺杂 集电区低掺杂

以NPN为例说明工作原理： 当VCC >>VBB be 结正偏, bc结反偏 e区发射大量的电子 b区薄，只有少量的空穴 bc反偏，大量电子形成IC

二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPN） VON ：开启电压 硅管，0.5 ~ 0.7V 锗管，0.2 ~ 0.3V 近似认为: VBE < VON iB = 0 VBE ≥ VON iB 的大小由外电路电压，电阻决定

三极管的输出特性 固定一个IB值，即得一条曲线， 在VCE > 0.7V以后，基本为水平直线

特性曲线分三个部分 放大区：条件VCE > 0.7V, iB >0, iC随iB成正比变化， ΔiC=βΔiB。 饱和区：条件VCE < 0.7V, iB >0, VCE 很低，ΔiC 随ΔiB增加变缓，趋于“饱和”。 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。

三、双极型三极管的基本开关电路 只要参数合理： VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL

工作状态分析：

图解分析法：

四、三极管的开关等效电路 截止状态 饱和导通状态

五、动态开关特性 从二极管已知，PN结存在电容效应。 在饱和与截止两个状态之间转换时，iC的变化将滞后于VI，则VO的变化也滞后于VI。 注意：三极管饱和越深，由饱和到截止的延迟时间越长。

六 、三极管反相器 三极管的基本开关电路就是非门 实际应用中，为保证 VI=VIL时T可靠截止，常在 输入接入负压。 参数合理？ VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL

例3.5.1：计算参数设计是否合理 5V VIH=5V VIL=0V 1KΩ 3.3KΩ β=20 VCE(sat) = 0.1V 10KΩ

例3.5.1：计算参数设计是否合理 将发射极外接电路化为等效的VB与RB电路

当 又 因此，参数设计合理

3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 设

T2,T5截止。因为T5有漏电流，可等效为大电阻。 0.3 0.2 1.4 T4导通，忽略R2压降，可求出 0.7 =3.6V=VOH 4.1? 2.工作原理 VCC=5V,VIH=3.4V,VIL=0.2V 1.0 =VIL: 2.1 0.9 T1导通，深饱和 3.4 T2,T5截止。因为T5有漏电流，可等效为大电阻。 0.3 0.2 1.4 T4导通，忽略R2压降，可求出 0.7 =3.6V=VOH =VIH: 输入级 中间级 输出级 T1的BE结截止、BC结导通；T2、T5导通。 T2: ICS=4V/1.6K=2.5mA; iB=2.9v/4k=0.72mA =20 所以，T2饱和。 推拉式（push-pull）、 图腾柱（totem-pole）输出电路 T4截止，因此T5饱和。 =0.2V

二、电压传输特性

二、电压传输特性

二、电压传输特性

需要说明的几个问题：

三、输入噪声容限 对于74系列门电路，VNH、VNL都不小于0.4V。

3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性 例：扇出系数（Fan-out）， 试计算门G1能驱动多少个同样的门电路负载。

输入特性 IIH 输入为0.2V时 IIL称为输入低电平电流。 IIS IIL IIS称为输入短路电流— =0V的输入电流。 输入为3.4V时 IIH称为输入漏电流。 输入为其他电压时 输入电压小于0.6V时，计算IIL的公式仍然成立(把VIL换为 ），是一直线方程。 ii 输入电压为负时，基本是保护二极管的伏安特性。

输出特性 1.高电平输出特性 T4饱和前，VOH基本不随iL变，T4饱和后，VOH将随负载电流增加线性下降，其斜率基本由R4决定。 受功耗限制，74系列门输出高电平时最大负载电流不超过0.4mA。 rce 2.低电平输出特性 T5饱和，c-e间等效电阻不超过10欧姆，因此直线斜率很小。

3.5.4 TTL反相器的动态特性 一、传输延迟时间 1、现象

二、交流噪声容限 当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd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。 （a）正脉冲噪声容限 （b）负脉冲噪声容限

三、电源的动态尖峰电流

2、动态尖峰电流

3.5.5其他类型的TTL门电路 一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门

2. 或非门

3.与或非门 在或非门的基础上，增加与输入端，从而实现与或非逻辑。 Y= (AB + CD)’

4. 异或门

二、集电极开路的门电路 1、推拉式输出电路结构的局限性 ① 输出电平不可调 ② 负载能力不强，尤其是高电平输出 ③ 输出端不能并联使用 OC门

2、OC门的结构特点

OC门实现的线与

3、外接负载电阻RL的计算

3、外接负载电阻RL的计算

3、外接负载电阻RL的计算

三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）

三态门的用途

3.5.6 TTL电路的改进系列 （改进指标： ) 一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL） 电路的改进 (1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro） (2)减少各电阻值 2. 性能特点 速度提高 的同时功耗也增加

二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL） 电路改进 采用抗饱和三极管 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 减小电阻值 2. 性能特点 速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大

三、低功耗肖特基系列 74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL） · · · 3.6 其他类型的双极型数字集成电路* DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用 HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代 ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统 I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路

多余输入端如何处理： 以与非门为例， 欲实现Y=AB=A 显然应使B=1，方法有： 1.接高电平； 2.接VCC； 3.悬空； 4.接大电阻，大于2K欧姆； 另外： 5.与A端并联。 若为或非门，情况则不同。