CMOS 集成邏輯門(mén)電路

3.4.1CMOS反相器

3.4.2其它功能的CMOS門(mén)電路

3.4CMOS集成邏輯門(mén)電路3.5.1TTL電路和CMOS電路的接口3.5集成邏輯門(mén)電路的應(yīng)用返回結(jié)束放映3.4.3CMOS集成門(mén)的使用注意事項(xiàng)

3.5.2集成邏輯門(mén)的應(yīng)用12/9/20221a復(fù)習(xí)為什么要用OC門(mén)？OC門(mén)的工作條件？OC門(mén)有何應(yīng)用？三態(tài)門(mén)有哪三態(tài)？三態(tài)門(mén)有何應(yīng)用？12/9/20222a

MOS門(mén)電路：以MOS管作為開(kāi)關(guān)元件構(gòu)成的門(mén)電路。

MOS門(mén)電路，尤其是CMOS門(mén)電路具有制造工藝簡(jiǎn)單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得到了十分迅速的發(fā)展。3.4

CMOS集成邏輯門(mén)電路12/9/20223a

MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。當(dāng)NMOS管和PMOS管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱(chēng)為CMOS管(意為互補(bǔ))。在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。返回3.4.1CMOS反相器

12/9/20224a圖3-19NMOS管的電路符號(hào)及轉(zhuǎn)移特性(a)電路符號(hào)（b）轉(zhuǎn)移特性D接正電源截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小

（1）NMOS管的開(kāi)關(guān)特性

1．MOS管的開(kāi)關(guān)特性12/9/20225a圖3-20PMOS管的電路符號(hào)及轉(zhuǎn)移特性(a)電路符號(hào)（b）轉(zhuǎn)移特性D接負(fù)電源

（2）PMOS管的開(kāi)關(guān)特性

導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小截止12/9/20226a圖3-21CMOS反相器

PMOS管負(fù)載管NMOS管驅(qū)動(dòng)管

開(kāi)啟電壓|UTP|=UTN，且小于VDD。

2．CMOS反相器的工作原理

（1）基本電路結(jié)構(gòu)12/9/20227a

（2）工作原理UIL=0V截止導(dǎo)通UOH≈VDD1、當(dāng)uI=UIL=0V時(shí)，VTN截止，VTP導(dǎo)通，

uO=UOH≈VDD

12/9/20228aUIH=VDD截止UOL≈0V2、當(dāng)uI=UIH=VDD，VTN導(dǎo)通，VTP截止，uO=UOL≈0V導(dǎo)通12/9/20229a

（3）邏輯功能實(shí)現(xiàn)反相器功能（非邏輯）。

（4）工作特點(diǎn)

VTP和VTN總是一管導(dǎo)通而另一管截止，流過(guò)VTP和VTN的靜態(tài)電流極小（納安數(shù)量級(jí)），因而CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小。這是CMOS電路最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。12/9/202210a圖3-22CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性

3．電壓傳輸特性和電流傳輸特性AB段：截止區(qū)iD為0BC段：轉(zhuǎn)折區(qū)閾值電壓UTH≈VDD/2轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)：電流最大CMOS反相器在使用時(shí)應(yīng)盡量避免長(zhǎng)期工作在BC段。CD段：導(dǎo)通區(qū)12/9/202211a4.CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)

（1）微功耗。

CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級(jí)。（2）抗干擾能力很強(qiáng)。輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。（3）電源電壓范圍寬。多數(shù)CMOS電路可在3～18V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作。

（4）輸入阻抗高。（5）負(fù)載能力強(qiáng)。

CMOS電路可以帶50個(gè)同類(lèi)門(mén)以上。（6）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平VDD）12/9/202212a圖3-23CMOS與非門(mén)

1、CMOS與非門(mén)

負(fù)載管并聯(lián)（并聯(lián)開(kāi)關(guān)）

驅(qū)動(dòng)管串聯(lián)（串聯(lián)開(kāi)關(guān)）3.4.2其它功能的CMOS門(mén)電路

（1）A、B全為高電平，則驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，輸出為低電平。10導(dǎo)通截止12/9/202213a該電路具有與非邏輯功能，即Y=AB（2）A、B中有低電平，則驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，輸出為低電平。01截止導(dǎo)通12/9/202214a

負(fù)載管串聯(lián)（串聯(lián)開(kāi)關(guān)）2、CMOS或非門(mén)

驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)（并聯(lián)開(kāi)關(guān)）圖3-24CMOS或非門(mén)

（1）A、B有高電平，則驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，輸出為低電平。10截止導(dǎo)通返回12/9/202215a

該電路具有或非邏輯功能,即Y=A+B（2）當(dāng)輸入全為低電平，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管均截止，兩個(gè)負(fù)載管均導(dǎo)通，輸出為高電平。00截止導(dǎo)通112/9/202216a

（1）電路結(jié)構(gòu)

C和C是一對(duì)互補(bǔ)的控制信號(hào)。由于VTP和VTN在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱(chēng)，所以圖中的輸入和輸出端可以互換，又稱(chēng)雙向開(kāi)關(guān)。3．CMOS傳輸門(mén)

圖2-25CMOS傳輸門(mén)（a）電路（b）邏輯符號(hào)12/9/202217a

若

C=1（接VDD)、C=0（接地），

當(dāng)0＜uI＜(VDD－|UT|)時(shí)，VTN導(dǎo)通；當(dāng)|UT|＜uI＜VDD時(shí)，VTP導(dǎo)通；

uI在0~VDD之間變化時(shí)，VTP和VTN至少有一管導(dǎo)通，使傳輸門(mén)TG導(dǎo)通。（2）工作原理（了解）若C=0（接地)、C=1（接VDD

），

uI在0~VDD之間變化時(shí)，VTP和VTN均截止，即傳輸門(mén)TG截止。12/9/202218a

（3）應(yīng)用舉例

圖3-26CMOS模擬開(kāi)關(guān)

①CMOS模擬開(kāi)關(guān)：實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開(kāi)關(guān)的功能。

C=0時(shí)，TG1導(dǎo)通、TG2截止，uO=uI1；

C=1時(shí)，TG1截止、TG2導(dǎo)通，uO=uI2。12/9/202219a圖3-27CMOS三態(tài)門(mén)(a)電路(b)邏輯符號(hào)

當(dāng)EN=0時(shí)，TG導(dǎo)通，F(xiàn)=A；當(dāng)EN=1時(shí)，TG截止，F(xiàn)為高阻輸出。

②CMOS三態(tài)門(mén)12/9/202220a

1．輸入電路的靜電保護(hù)

CMOS電路的輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，給使用者帶來(lái)很大方便。但是，這種保護(hù)還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)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(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

返回3.4.3CMOS集成門(mén)的使用注意事項(xiàng)

12/9/202221a

（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(chǔ)和運(yùn)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(yīng)較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對(duì)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。12/9/202222a

TTL和CMOS電路的電壓和電流參數(shù)各不相同，需要采用接口電路。一般要考慮兩個(gè)問(wèn)題：一是要求電平匹配，即驅(qū)動(dòng)門(mén)要為負(fù)載門(mén)提供符合標(biāo)準(zhǔn)的輸出高電平和低電平；二是要求電流匹配，即驅(qū)動(dòng)門(mén)要為負(fù)載門(mén)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。返回3.5.1TTL電路和CMOS電路的接口12/9/202223a1.

TTL門(mén)驅(qū)動(dòng)CMOS門(mén)

（1）電平不匹配TTL門(mén)作為驅(qū)動(dòng)門(mén)，它的UOH≥2.4V,UOL≤0.5V；CMOS門(mén)作為負(fù)載門(mén)，它的UIH≥3.5V，UIL≤1V。

可見(jiàn)，TTL門(mén)的UOH不符合要求。

（2）電流匹配

CMOS電路輸入電流幾乎為零，所以不存在問(wèn)題。12/9/202224a（3）解決電平匹配問(wèn)題圖3-28TTL門(mén)驅(qū)動(dòng)CMOS門(mén)①外接上拉電阻RP在TTL門(mén)電路的輸出端外接一個(gè)上拉電阻RP，使TTL門(mén)電路的UOH≈5V。（當(dāng)電源電壓相同時(shí)）

12/9/202225a②選用電平轉(zhuǎn)換電路(如CC40109)若電源電壓不一致時(shí)可選用電平轉(zhuǎn)換電路。

CMOS電路的電源電壓可選3~18V；而TTL電路的電源電壓只能為5V。③采用TTL的OC門(mén)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。若電源電壓不一致時(shí)也可選用OC門(mén)實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。12/9/202226a2.CMOS門(mén)驅(qū)動(dòng)TTL門(mén)（1）電平匹配CMOS門(mén)電路作為驅(qū)動(dòng)門(mén)，UOH≈5V，UOL≈0V；TTL門(mén)電路作為負(fù)載門(mén)，UIH≥2.0V，UIL≤0.8V。電平匹配是符合要求的。（2）電流不匹配CMOS門(mén)電路4000系列最大允許灌電流為0.4mA，TTL門(mén)電路的IIS≈1.4mA，

CMOS4000系列驅(qū)動(dòng)電流不足。12/9/202227a（3）解決電流匹配問(wèn)題

CMOS電路常用的是4000系列和54HC/74HC系列產(chǎn)品，后幾位的序號(hào)不同，邏輯功能也不同。①選用CMOS緩沖器比如，CC4009的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)4mA。②選用高速CMOS系列產(chǎn)品選用CMOS的54HC/74HC系列產(chǎn)品可以直接驅(qū)動(dòng)TTL電路。12/9/202228a表3-7各種系列門(mén)電路的主要參數(shù)12/9/202229a表3-8常用集成門(mén)電路(TTL系列）

型號(hào)名稱(chēng)主要功能74LS00四2輸入與非門(mén)

74LS02四2輸入或非門(mén)

74LS04六反相器

74LS05六反相器OC門(mén)74LS08四2輸入與門(mén)

74LS13雙4輸入與非門(mén)施密特觸發(fā)74LS20雙4輸入與非門(mén)

74LS32四2輸入或門(mén)

74LS644-2-3-2輸入與或非門(mén)

74LS13313輸入與非門(mén)

74LS136四異或門(mén)OC輸出74LS365六總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器同相、三態(tài)、公共控制74LS368六總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器反相、三態(tài)、兩組控制12/9/202230a表3-8常用集成門(mén)電路(CMOS系列）

型號(hào)名稱(chēng)主要功能CC4001四2輸入或非門(mén)

CC4011四2輸入與非門(mén)

CC4030四異或門(mén)

CC4049六反相器

CC4066四雙向開(kāi)關(guān)

CC4071四2輸入或門(mén)

CC4073三3輸入與門(mén)

CC4077四異或非門(mén)

CC40788輸入或/或非門(mén)

CC40862-2-2-2輸入與或非門(mén)可擴(kuò)展CC4097雙8選1模擬開(kāi)關(guān)

CC4502六反相器/緩沖器三態(tài)、有選通端12/9/202231a二、TTL門(mén)電路的使用知識(shí)

1．多余或暫時(shí)不用的輸入端不能懸空，可按以下方法處理：（1）與其它輸入端并聯(lián)使用。（2）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接地。比如將與門(mén)、與非門(mén)的多余輸入端接電源，將或門(mén)、或非門(mén)的多余輸入端接地。返回3.5.2集成邏輯門(mén)的應(yīng)用12/9/202232a

(1)在每一塊插板的電源線(xiàn)上，并接幾十μF的低頻去耦電容和0.01~0.047μF的高頻去耦電容，以防止TTL電路的動(dòng)態(tài)尖峰電流產(chǎn)生的干擾。(2)整機(jī)裝置應(yīng)有良好的接地系統(tǒng)。2．電路的安裝應(yīng)盡量避免干擾信號(hào)的侵入，保證電路穩(wěn)定工作。12/9/202233a本章小結(jié)門(mén)電路是構(gòu)成各種復(fù)雜數(shù)字電路的基本邏輯單元，掌握各種門(mén)電路的