第三章門電路

1、第三章第三章 門電路門電路3.1 概述概述 集成電路集成電路(Integrated Circuit)就是將所有的元件和連線都制作在同一就是將所有的元件和連線都制作在同一塊半導體基片塊半導體基片(芯片芯片)上。上。集成電路分模擬和數(shù)字兩大類。集成電路分模擬和數(shù)字兩大類。在數(shù)字集成邏輯電路中，常以在數(shù)字集成邏輯電路中，常以“門門”為最小單位。我們可按其為最小單位。我們可按其“集成集成度度”(一定大小的芯片上所含門的數(shù)量多少一定大小的芯片上所含門的數(shù)量多少)分成：分成：小規(guī)模集成電路小規(guī)模集成電路(SSI：Small Scale Integrating)，一塊芯片上含，一塊芯片上含150個門。個門。

2、中規(guī)模集成電路中規(guī)模集成電路(MSI：Medium Scale Integrating),一塊芯片上含一塊芯片上含50100個門。個門。 大規(guī)模集成電路大規(guī)模集成電路(LSI：Large Scale Integrating),一塊芯片上含一塊芯片上含10010000個門。個門。 超大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路(VLSI：Very Large Scale Integrating),一塊芯片一塊芯片上含上含104106個門。個門。 Intel做出做出45納米一個門，正在研制納米一個門，正在研制20納米一個門納米一個門的芯片，極限的芯片，極限9納米一個門。納米一個門。摩爾定律的基本內容是：集成電路

3、的集成度每摩爾定律的基本內容是：集成電路的集成度每18個月就翻一番，特征個月就翻一番，特征尺寸每尺寸每3年縮小年縮小1/2。計算機界對于摩爾定律的兩點推論是：計算機界對于摩爾定律的兩點推論是： 微處理器的性能每隔微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降了一半。用一個月提高一倍，而價格下降了一半。用一美元所能買到的計算機性能，每隔美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番。個月翻兩番。 集成邏輯門是以雙極型晶體管集成邏輯門是以雙極型晶體管(電子和空穴兩種載流電子和空穴兩種載流子均參與導電子均參與導電)為基礎的，稱為雙極型集成邏輯門電路。為基礎的，稱為雙極型集成邏輯門電路。它主要有下列幾種

4、類型：它主要有下列幾種類型： 晶體管晶體管晶體管邏輯晶體管邏輯(TTL：Transistor-Transistor Logic)； 高閾值邏輯高閾值邏輯(HTL：High Threshold Logic)； 射極耦合邏輯射極耦合邏輯(ECL：Emitter Coupled Logic)； 集成注入邏輯集成注入邏輯(I2L：Integrated Injection Logic)。 集成邏輯門是以單極型晶體管集成邏輯門是以單極型晶體管(只有一種極性的載流只有一種極性的載流子：電子或空穴子：電子或空穴)為基礎的，稱為單極型集成邏輯門電路。為基礎的，稱為單極型集成邏輯門電路。目前應用得最廣泛的是金屬目

5、前應用得最廣泛的是金屬氧化物氧化物半導體場效應管邏半導體場效應管邏輯電路輯電路(MOS：Metal Oxide Semiconductor)。MOS電電路又可分為：路又可分為： PMOS(P溝道溝道MOS)； NMOS(N溝道溝道MOS)； CMOS(PMOSNMOS互補互補)。在邏輯門電路中：在邏輯門電路中：正邏輯用高電平表示正邏輯用高電平表示1，低電平表示，低電平表示0狀態(tài)。狀態(tài)。負邏輯用高電平表示負邏輯用高電平表示0，低電平表示，低電平表示1狀態(tài)。狀態(tài)。CMOS門用正邏輯，門用正邏輯，PMOS用負邏輯。用負邏輯。單開關電路單開關電路互補開關電路互補開關電路基本開關電路基本開關電路3.2二

6、極管門電路二極管門電路 半導體二極管、三極管和半導體二極管、三極管和MOS管管都用在都用在開關開關狀態(tài)。狀態(tài)。二極管的開關特性：二極管的開關特性：導通導通=短路，有短路，有0.7V壓降，壓降，截止截止=斷路，電阻斷路，電阻=1二極管與門二極管與門 二極管與門由二極二極管與門由二極管和電阻組成，管和電阻組成，Vcc=5V，A、B輸入高輸入高電平為電平為VIH=3V、低電平、低電平VIL=0V， 二極管導通壓降二極管導通壓降VD=0.7V。 A、B中只要有一個中只要有一個是低電平，必有一個二是低電平，必有一個二極管導通，使輸出鉗位極管導通，使輸出鉗位為為0.7V，邏輯，邏輯0。 A、B同時為同時為

7、1，兩個二，兩個二極管都截止，輸出極管都截止，輸出3.7V ，邏輯邏輯1。 Y=ABA/VB/V Y/V003303030.70.70.73.7二極管與門的邏輯電平和真值表二極管與門的邏輯電平和真值表ABY00110101000100.7V113.7V2二極管或門二極管或門 二極管或門由二極管二極管或門由二極管和電阻組成，和電阻組成，Vcc=5V，A、B輸入高為輸入高為VIH=3V、低電、低電平平VIL=0V。 A、B中有一個是高電中有一個是高電平，輸出端電位為平，輸出端電位為2.3V，邏輯邏輯1； A、B同時為低電平時，同時為低電平時，輸出才是輸出才是0。 Y=A+BA/V B/VY/V00

8、33030302.32.32.3 二極管或門的邏輯電平二極管或門的邏輯電平ABY00110101011132.3V000V3.3 CMOS門電路門電路1MOS管的開關特性管的開關特性 金屬金屬-氧化物氧化物-半導體場效應晶體管作半導體場效應晶體管作為開關器件為開關器件1）MOS管工作原理管工作原理 在漏極和源極之間加電壓在漏極和源極之間加電壓vDS，令，令柵、源極間的電壓柵、源極間的電壓VGS=0，漏極、源極，漏極、源極間相當于兩個間相當于兩個PN結反向串聯(lián)，結反向串聯(lián)，D-S間間不導通，不導通，iD=0。 在柵源之間加正電壓在柵源之間加正電壓VGS，VGS大大于于VGS(th)時，形成一個時

9、，形成一個N型的反型層，型的反型層，D-S間的導電溝道形成。間的導電溝道形成。VGS升高，導升高，導電溝道的截面積加大，電溝道的截面積加大，iD增加增加。VGS控控制制iD的大小。的大小。 SiO2絕緣層電阻絕緣層電阻1012歐姆，沒有歐姆，沒有iG電電流流 2）MOS管的輸出特性管的輸出特性 柵極電流等于柵極電流等于0，沒有輸入特性，沒有輸入特性曲線。曲線。 漏極輸出特性曲線分為三個工作漏極輸出特性曲線分為三個工作區(qū)區(qū) a)截止狀態(tài)：當截止狀態(tài)：當 VGSVGS(th)，漏，漏源之間沒有導電溝道，源之間沒有導電溝道，iD0，D-S間的內阻非常大，間的內阻非常大，109，開關斷開。開關斷開。V

10、GSVGS(th)，出現(xiàn)導電溝道，出現(xiàn)導電溝道，iD產生，分成兩個區(qū)。產生，分成兩個區(qū)。 VGS一定時，一定時，iD與與VDS之比近似為常數(shù)，之比近似為常數(shù)，具有線性電阻的性質，稱為可變電阻區(qū)。具有線性電阻的性質，稱為可變電阻區(qū)。在在VDS0時，導通電阻時，導通電阻RON和和VGS的關系：的關系：表明當表明當VGSVGS(th)，RON近似地與近似地與VGS成反比，成反比， 若要若要RON小，取小，取VGS大。大。在恒流區(qū)，在恒流區(qū)，iD大小由大小由VGS決定，決定，VDS的變化對的變化對iD的影響很小。的影響很小。iD與與VGS的關系：的關系：)(21|)(0thGSGSDSvONVvKR2

11、)() 1(thGSGSDSDVvIi其中其中IDS是是VGS=2 VGS(TH)時的時的iD值。值。在在VGS VGS(th) ，iD近似與近似與VGS2成正比。成正比。iD與與VGS關系的曲線稱為轉移特性曲線，關系的曲線稱為轉移特性曲線，在恒流區(qū)在恒流區(qū)VDS對轉移特性的影響不大。對轉移特性的影響不大。了解了解3）MOS管的開關等效電路管的開關等效電路 MOS管截止時漏、源之間的內阻管截止時漏、源之間的內阻ROFF非常大，開關斷開；非常大，開關斷開； MOS管導通時內阻管導通時內阻RON大約大約1k，阻值，阻值較小，與較小，與VGS有關，開關閉合。有關，開關閉合。 CI代表柵極電容，幾皮法

12、。代表柵極電容，幾皮法。P溝道增強型溝道增強型MOS管的結構管的結構2CMOS反相器反相器1）電路結構）電路結構T1是是P溝道增強型溝道增強型MOS管，管，T2是是N溝道增強型溝道增強型MOS管，管，T1 、T2開啟電壓分別為開啟電壓分別為VGS(th)p 、VGS(th)N，電路正常工作必須滿足于電路正常工作必須滿足于 VDD VGS(th)N+|VGS(th)p|。當當vI=VIL=0時，時，|VGS1|=VDD|VGS(th)p|； VGS2=0 VGS(th)N；T1導通，內阻小；導通，內阻?。籘2截止，內阻大。截止，內阻大。輸出高電平輸出高電平VOHVDD當當vI=VOH=VDD時，

13、時，VGS1=0VGS(th)N；T1截止，截止，T2導通，導通，輸出低電平輸出低電平VOL0T1和和T2總是工作在一個導通一個截止的狀態(tài)，互補狀態(tài)，總是工作在一個導通一個截止的狀態(tài)，互補狀態(tài)，靜態(tài)靜態(tài)功耗低功耗低。CMOS互補對稱式金屬互補對稱式金屬-氧化物氧化物-半導體電路。半導體電路。0VDD2）電壓傳輸特性和電流傳輸特性）電壓傳輸特性和電流傳輸特性設設VDD VGS(th)N+|VGS(th)p|，且，且VGS(th)N=|VGS(th)p|，T1和和T2具有同樣的導通內阻具有同樣的導通內阻RON和截止內阻和截止內阻ROFF。AB段：段：vI|VGS(th)p| T2截止，分壓結果輸出

14、高電平，截止，分壓結果輸出高電平，vo=VOHVDDCD段：段：vIVDD-|VGS(th)p| 使使|VGS1|VGS(th)N T2導通導通vo=VOL0。BC段：段：VGS(th)N vIVGS(th)N ，|VGS1|VGS(th)p| T1、T2同時導通，參數(shù)對稱，同時導通，參數(shù)對稱，vI=1/2VDD vo=1/2VDD，將，將電壓傳輸特性轉折區(qū)的中點稱為電壓傳輸特性轉折區(qū)的中點稱為閾值電壓閾值電壓VTH VTH=1/2 VDD電壓傳輸特性轉折區(qū)曲線陡峭，接近理想開電壓傳輸特性轉折區(qū)曲線陡峭，接近理想開關特性。關特性。VGS(th)NVGS(th)p 電流傳輸特性：電流傳輸特性：

15、AB段：段：T2截止截止 CD段：段：T1截止，截止， 漏極電流幾乎為漏極電流幾乎為0； BC段段T1、T2同時導通，有同時導通，有iD 流過流過T1、T2，在，在vi=1/2VDD附近附近iD最大。最大。 工作在工作在BC段，段，動態(tài)功耗大動態(tài)功耗大。3）輸入噪聲容限）輸入噪聲容限 在保證輸出高、低電平基本在保證輸出高、低電平基本不變的條件下，允許輸入信號的不變的條件下，允許輸入信號的高、低電平有一個波動范圍。高、低電平有一個波動范圍。輸入高電平的噪聲容限輸入高電平的噪聲容限 VNH=VOH(min)-VIH(min)輸入低電平的噪聲容限輸入低電平的噪聲容限 VNL=VIL(max)-VOL

16、(max) 規(guī)定規(guī)定VOH(min)= VDD -0.1V ， VOL(max)= VSS+0.1V。 VSS是是N溝道溝道MOS管的源極電位，管的源極電位，源極接地，源極接地， VOL(max)= 0.1V。 測試結果在輸出高、低電平的變化不大于限定的測試結果在輸出高、低電平的變化不大于限定的10% VDD情況下，輸入信號情況下，輸入信號高、低電平允許的變化量大于高、低電平允許的變化量大于30% VDD，得到，得到VNH =VNL=30% VDD。VDD越高，越高，噪聲容限越大。噪聲容限越大。0VOH(min)VIH(min)01VOL(max)VIL(max)1VNH、VNL隨隨VDD變化

17、曲線變化曲線不同不同VDD下的電壓傳輸特性下的電壓傳輸特性CMOS反相器輸入噪聲容限與反相器輸入噪聲容限與VDD的關系的關系3傳輸延遲時間傳輸延遲時間 輸出電壓變化落后于輸入輸出電壓變化落后于輸入電壓變化的時間。電壓變化的時間。 輸出高電平跳變低電平的輸出高電平跳變低電平的傳輸延遲時間傳輸延遲時間tPHL 輸出低電平跳變高電平的輸出低電平跳變高電平的傳輸延遲時間傳輸延遲時間tPLHCMOS電路的電路的tPHL、tPLH是相等的是相等的平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間 tpd=1/2(tPHL+tPLH) tpd是是幾幾ns量級量級tPHLtPLH4CMOS與非門與非門CMOS或非門或非門與非邏

18、輯與非邏輯A BY0 00 11 01 1111001110或非邏輯或非邏輯A BY0 00 11 01 11000100015漏極開路輸出門電路漏極開路輸出門電路 （OD門）門） OD門輸出電路是一個漏極開門輸出電路是一個漏極開路的路的N溝道增強型溝道增強型MOS管管TN，OD門工作時輸出端必須經上拉電阻門工作時輸出端必須經上拉電阻接電源，滿足接電源，滿足 ROFFRLRON。 TN截止時截止時vO=VOHVDD2 TN導通時導通時vO=VOL0。 VDD2選為不同于選為不同于VDD1的數(shù)值，的數(shù)值，可以將輸入高、低電平可以將輸入高、低電平VDD1/0V變變換為輸出高、低電平換為輸出高、低電

19、平VDD2/0V。1110001線與邏輯：將幾個線與邏輯：將幾個OD門的輸門的輸出端直接相連，實現(xiàn)線與出端直接相連，實現(xiàn)線與邏輯。邏輯。 當當Y1或或Y2任何一個為低電任何一個為低電平時，平時，Y都為低電平；都為低電平； 只有只有Y1、Y2同時為高電平，同時為高電平，Y才為高電平。才為高電平。 Y=Y1Y2 CDABCDABYY1Y2GHCDABGHCDAB 當所有當所有OD門截止，漏電門截止，漏電流流IOH和負載門高電平輸入電和負載門高電平輸入電流流IIH流過流過RL 要求保證輸出高電平不低要求保證輸出高電平不低于于VOH VDD-(nIOH+mIIH)RLVOH RL(max)= (VDD

20、- VOH)/(nIOH+mIIH)外接電阻的計算方法：外接電阻的計算方法：n是并聯(lián)是并聯(lián)OD門的數(shù)目，門的數(shù)目，m是負載門電路高電平輸入電流的數(shù)是負載門電路高電平輸入電流的數(shù)目。目。 當輸出為低電平，并聯(lián)當輸出為低電平，并聯(lián)OD門中只有一個門的輸出門中只有一個門的輸出MOS管管導通，負載電流全流入導通管，導通，負載電流全流入導通管，為保證負載電流不超過輸出為保證負載電流不超過輸出MOS管允許的最大電流，管允許的最大電流，RL不能太小。不能太小。 最大負載電流最大負載電流IOL(max) ， 低電平輸入電流低電平輸入電流IIL(VDD- VOL)/ RL+m|IIL|IOL(max) RL(m

21、in)= (VDD- VOL)/ (IOL(max) -m|IIL|)m是負載門低電平輸入電流的數(shù)目，負載門為是負載門低電平輸入電流的數(shù)目，負載門為CMOS門電路，門電路，m=m取取RL(max)RLRL(min)10IOL(max)IIL例例 輸出高電平的漏電流輸出高電平的漏電流IOH(max)=5A, VOL(max) =0.33V時允許的最大負載電流時允許的最大負載電流IOL(max)=5.2mA；負載門的輸入電流負載門的輸入電流IIH(max) IIL(max)均為均為1A，VDD =5V, VOH4.4V ,VOL0.33V 求求RL取值范圍？取值范圍？解：解：RL(max)= (V

22、DD- VOH)/(nIOH+mIIH)=(5-4.4)/(3510-6+610-6)=28.6kRL(min)= (VDD- VOL)/ (IOL(max) -m|IIL(max)|)=(5-0.33)/(5.210-3-610-6)=0.9k28.6kRL0.9k6.CMOS傳輸門傳輸門T1是是N溝道增強型溝道增強型MOS管，管，T2是是P溝道增強型溝道增強型MOS管，管， T1和和T2的源極和漏極結構上完全對的源極和漏極結構上完全對稱，柵極引出端在中間，稱，柵極引出端在中間，T1和和T2源極和源極和漏極相連作為傳輸門的輸入和輸出端，漏極相連作為傳輸門的輸入和輸出端，C和和C是一對互補的控

23、制信號。是一對互補的控制信號。 傳輸門的一端接輸入正電壓傳輸門的一端接輸入正電壓vI，另，另一端接負載電阻一端接負載電阻RL,設控制信號設控制信號C、C的的高電平高電平VDD、低電平、低電平0V；當當C=0，C=1時，輸入信號時，輸入信號vI的變化范圍不超過的變化范圍不超過0-VDD，T1和和T2同時截止。同時截止。輸入與輸出間高阻態(tài)輸入與輸出間高阻態(tài)(109)，傳輸門截止。，傳輸門截止。01當當C=1，C=0時，時，RL T1、T2的導通電阻，的導通電阻，0vI VDD - VGS(TH)N，T1導通；導通；|VGS(TH)p|vI VDD，T2導通。導通。 vI在在0- VDD之間變化時，

24、之間變化時，T1和和T2至少有一個是導通的，至少有一個是導通的，vI與與vo之間呈低阻態(tài)之間呈低阻態(tài)(1k)，傳，傳輸門導通。輸門導通。由于由于T1、T2結構是對稱的，漏極和源結構是對稱的，漏極和源極可以互用，因此極可以互用，因此CMOS傳輸門是雙傳輸門是雙向器件，輸入端和輸出端也可以互易向器件，輸入端和輸出端也可以互易使用。使用。10VDD01 用用CMOS傳輸門和傳輸門和CMOS反相器可反相器可以構成各種復雜的邏輯電路，構以構成各種復雜的邏輯電路，構成異或門：成異或門：當當A=1、B=0時，時，TG1截止、截止、TG2導導通，通， ；當當A=0、B=1時，時，TG1導通、導通、TG2截截止

25、，止，Y=B=1；當當A=B=0時，時，TG1導通、導通、TG2截止，截止， Y=B=0；當當A=B=1時，時，TG1截止、截止、TG2導導通，通， ；異或邏輯異或邏輯Y=A BA BY0 00 11 01 1011010011 BY0 BYB 7.三態(tài)輸出的三態(tài)輸出的CMOS門電路門電路 三態(tài)輸出門的輸出有高、低電三態(tài)輸出門的輸出有高、低電平和高阻態(tài)。平和高阻態(tài)。 三態(tài)門總是接在集成電路的輸出三態(tài)門總是接在集成電路的輸出端，稱為輸出緩沖器，端，稱為輸出緩沖器，三態(tài)控制端三態(tài)控制端 。 ，A=1，G4、G5的輸出同時為高電的輸出同時為高電平，平，T1截止、截止、T2導通導通Y=0；A=0，G4

26、、G5的輸出同時為低電的輸出同時為低電平，平，T1導通、導通、T2截止截止Y=1。Y=反相器正常工作。反相器正常工作。0EN ，不管，不管A的狀態(tài)如何，的狀態(tài)如何，G4輸出高電平、輸出高電平、G5輸出低電平，輸出低電平，T1和和T2截止，輸出高阻態(tài)。截止，輸出高阻態(tài)。01111000011高阻態(tài)高阻態(tài)EN1EN0ENA 輸入處的圓圈表示低電平輸入處的圓圈表示低電平有效，有效， 低電平時電路正常工低電平時電路正常工作，作， EN高電平時電路正常工作。高電平時電路正常工作。ENEN總線結構總線結構EN不能同時為不能同時為1。EN1EN2+EN1EN3+EN2EN3+=0雙向傳輸雙向傳輸EN=1，G

27、1工作工作G2高阻態(tài)，數(shù)據高阻態(tài)，數(shù)據DO反相后送到總線；反相后送到總線；EN=0，G2工作工作G1高阻態(tài)，高阻態(tài)，來自總線的數(shù)據來自總線的數(shù)據DI反相后送入電路。反相后送入電路。NNENAENAENAY22113.4 TTL門電路門電路(transistor-transistor-logic)1雙極性三極管的開關特性雙極性三極管的開關特性雙極型三極管的開關等效電路：雙極型三極管的開關等效電路： (a)截止狀態(tài)：截止狀態(tài)：VBE0.7V，iBIBS ，VBE=0.7V=VON，VON開啟電壓，開啟電壓，集電極和發(fā)射極近似短路，集電極和發(fā)射極近似短路，飽和壓降飽和壓降VCE(sat)，開關接通。

28、，開關接通。 bce3. TTL反相器電路結構及工作原理反相器電路結構及工作原理1） TTL反相器的電路結構反相器的電路結構由三部分組成：由三部分組成：輸入級：由輸入級：由T1、D1和電阻和電阻R1組成。組成。中間級：由中間級：由T2、R2、R3組成。組成。T2的集電極和發(fā)射極為的集電極和發(fā)射極為T4、T5提提供了兩個相位相反的信號，所供了兩個相位相反的信號，所以這級又稱倒相級。以這級又稱倒相級。輸出級：由輸出級：由T4、T5、R4、D2組成。組成。T5為反相器，為反相器，T4是是T5的有源負載，的有源負載，完成邏輯上的完成邏輯上的“非非”。輸入級輸入級中間級中間級輸出級輸出級由中間級提供的兩

29、個相位相反的信號，使由中間級提供的兩個相位相反的信號，使T4、T5總是一管導通總是一管導通而另一管截止的工作狀態(tài)。輸出電路的形式稱為而另一管截止的工作狀態(tài)。輸出電路的形式稱為“推拉式輸出推拉式輸出”電路，或稱電路，或稱“圖騰輸出圖騰輸出”。 +- 2）工作原理）工作原理 Vcc=5V、 VIH=3.4V 、VIL=0.2V、 VON=0.7V (1)當當vi=VIL輸入低電平輸入低電平(0.2V)時，時，T1的發(fā)射結導通，的發(fā)射結導通，T1基極電壓基極電壓VB1被鉗位在被鉗位在 VB1=Vi+VBE1=0.2+0.7=0.9V VB1不能使不能使T1集電結、集電結、T2、T5導導通，通，T1集

30、電結，集電結，T2、T5截止。截止。 由于由于T2的的b-c結反向電阻大，結反向電阻大， T1工作在深度飽和狀態(tài)。工作在深度飽和狀態(tài)。VCE10，VC2=高電平，高電平， VE2=低電平，低電平， VB1VC2VE2T4導通、導通、T5截止，截止， 輸出高電平輸出高電平VOH0.2V0.9V10VOH (2)當當vi=VIH輸入高電平輸入高電平(3.4V)或懸空或懸空時，時， VB1=VIH+VON=4.1V， 因為因為T1的集電結、的集電結、T2、T5導通導通的電壓是的電壓是2.1V，T1的的VB1被鉗位在被鉗位在2.1V上，上， T1的發(fā)射結反偏。的發(fā)射結反偏。 電源電源VCC通過通過R1，T1的集電結的集電結 向向T2、T5提供基流，使提供基流，使T2導通飽和，導通飽和， VC2、VE2，T4截止、截止、T5導通，導通， 輸出輸出Y為為 低電平低電平VOL。 Y=VCES5=0.2V Y= 輸出級的特點是：輸出級的特點是： 無論輸出是高電平還是低電平，輸出電阻都比較低。無論輸出是高電平還是低電平，輸出電阻都比較低。 這是因為當輸出為低電平時，這是因為當輸出為低電平時，T5