第6章邏輯門電路

第6章邏輯門電路6.1TTL邏輯門電路6.2其他類型的雙極型數(shù)字集成電路6.3CMOS門電路6.4NMOS集成電路本章簡單介紹TTL與CMOS電路間連接需要注意的問題及其接口電路。要求重點掌握TTL電路和CMOS電路的工作原理和它們外特性的分析方法，并能夠?qū)W以致用，逐步提高分析問題和解決問題的能力。學(xué)習(xí)要點

1.掌握TTL集成邏輯反相器電路結(jié)構(gòu)、工作原理和外特性及參數(shù)分析。

2.理解其他TTL集成邏輯門電路的構(gòu)成（與非門、或非門等）及邏輯概念；了解TTL電路的改進系列。

3.理解集電極開路（OC門）電路和TTL三態(tài)邏輯門（TS）電路的工作原理及有關(guān)的邏輯概念，了解其應(yīng)用領(lǐng)域。

4.了解MOS場效應(yīng)管的開關(guān)特性。

5.掌握CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)及工作特性；熟悉由CMOS單元電路構(gòu)成的各類門電路的形式及工作原理；理解CMOS傳輸門、模擬開關(guān)及三態(tài)門電路的組成特點及工作原理。

6.理解NMOS邏輯門電路的組成及邏輯概念。6.1TTL邏輯門電路6.1.1TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理6.1.2其他邏輯功能的TTL門電路6.1.3其他類型的TTL門電路根據(jù)制造工藝的不同，集成電路又分雙極型（三極管）和單極型（MOS）兩大類。

TTL電路是目前雙極型中小規(guī)模數(shù)字集成電路中用得最多的一種，國際上目前主要有五種TTL系列，參考表6-1-1可以比較它們的特性。表6-1-1TTL系列特性比較6.1.1TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

TTL這種類型的集成電路的輸入端和輸出端均為三極管結(jié)構(gòu)，所以稱為三極管－三極管邏輯電路（Transistor-TransistorLogic），簡稱為TTL電路。反相器是TTL門電路中電路結(jié)構(gòu)最簡單的一種，電路結(jié)構(gòu)如圖6-1-1所示。1.電路結(jié)構(gòu)圖6-1-1TTL反相器的典型電路結(jié)構(gòu)2.TTL反相器的靜態(tài)特性（1）電壓傳輸特性

TTL反相器電路輸出電壓隨輸入電壓的變化關(guān)系曲線叫做電壓傳輸特性曲線，如圖6-1-2所示，該曲線大體可分為4個區(qū)段。①在AB段，因為ui<0.6V，所以Ubl<1.3V，VT2和VT5截止而VV4導(dǎo)通，故輸出為高電平uo＝UoH=UCC-Ib4R2-Ube4-UD2≈3.4V。圖6-1-2電壓傳輸特性曲線②在BC段里，由于ui>0.7V但低于1.3V，所以VT2導(dǎo)通而VT5依舊截止。③在CD段，當(dāng)ui上升到1.4V左右時，Ubl約為2.1V，這時VT2和VT5將同時導(dǎo)通，VT4截止，輸出電位急劇地下降為低電平。④在DE段，由于ui>1.4V，Ubl被鉗位在2.1V，VT2和VT5管均飽和導(dǎo)通，uo將不隨ui的升高而變化，uo=UoL=UCES5≈0.3V。在將若干門電路互相連接組成系統(tǒng)時，如圖6-1-3所示，前一級門電路G1的輸出就是后一級門電路G2的輸入。圖6-1-3輸入端噪聲容限的示意圖輸入特性是指輸入電流隨輸入電壓變化的特性。對于圖6-1-1給出的TTL反相器電路，當(dāng)考慮輸入電壓ui在0～5V范圍內(nèi)變化時，輸入電流ii隨之變化的輸入特性曲線如圖6-1-4所示。（2）輸入特性圖6-1-4TTL反相器的輸入特性

TTL反相器輸出電壓uo隨輸出負(fù)載電流iL的關(guān)系特性叫做輸出特性。灌電流負(fù)載特性當(dāng)輸出為低電平時，輸出級的VT5管飽和導(dǎo)通而VT4管截止（見圖6-1-1），輸出端的等效電路如圖6-1-5所示,其特性如圖6-1-6所示。（3）輸出特性圖6-1-5反相器灌電流負(fù)載輸出等效電路圖6-1-6TTL反相器低電平輸出特性拉電流負(fù)載特性對圖6-1-1所示TTL反相器的分析可知，輸出高電平時VT5截止，VT4和VD2導(dǎo)通，輸出端的等效電路可以畫成圖6-1-7所示的形式。圖6-1-8給出了74系列門電路在輸出為高電平時的輸出特性曲線。圖6-1-7TTL反相器高電平輸出等效電路圖6-1-8TTL反相器高電平輸出特性反相器帶同類門的個數(shù)，即輸出高電平時的扇出系數(shù)為（6-1-5）式中，IiH為各負(fù)載門輸入高電平時的輸入電流。3.TTL反相器的動態(tài)特性（1）傳輸延遲特性在TTL電路中，當(dāng)把理想的矩形電壓信號加到TTL反相器的輸入端時，輸出電壓的波形不僅要比輸入信號滯后，而且波形的上升沿和下降沿也將變壞，這樣的特性被稱為傳輸延遲特性，如圖6-1-9所示。它主要是由集成電路中的二極管和三極管的瞬態(tài)開關(guān)特性引起的。圖6-1-9TTL反相器的動態(tài)電壓波形

TTL門電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)時，電源供電電流大約為幾毫安。然而在動態(tài)情況下，特別是當(dāng)輸入電壓ui由高電平向低電平快速過渡時，圖6-1-1中的VT5管必須經(jīng)過一段存儲時間后才能進入截止?fàn)顟B(tài)，在過渡時間內(nèi)，就會出現(xiàn)VT4、VD2、VT5同時導(dǎo)通的情況，電源到地之間形成了一個低電阻通路，使得流經(jīng)電源的電流iCC產(chǎn)生一個尖峰脈沖，如圖6-1-10所示。（2）電源的動態(tài)尖峰電流圖6-1-10TTL反相器的電源動態(tài)尖峰電流集成電路的功耗和集成度密切相關(guān)。如果功耗大，芯片的集成度就不能高，否則將無法散熱而容易燒毀。其次，功耗大也將浪費電源能量，縮短電源的使用周期。當(dāng)輸出端空載時，反相器輸出低電平時電路的功耗稱為空載導(dǎo)通功耗PON。PON=ICCLUCC

（6-1-7）（3）空載功耗6.1.2其他邏輯功能的TTL門電路1.與非門圖6-1-11所示是74系列與非門的典型電路，它與圖6-2-1反相器電路的區(qū)別在于輸入端改用了多發(fā)射極三極管。圖6-1-11中所示的二極管VDA、VDB、VDC為輸入端鉗位二極管，其作用是限制出現(xiàn)在輸入端的負(fù)極性干擾脈沖，起到保護VT1管的作用。圖6-1-11TTL與非門電路圖6-1-12TTL或非門電路結(jié)構(gòu)圖或非門的典型電路如圖6-1-12所示。2.或非門圖6-1-13TTL與或非門電路結(jié)構(gòu)圖與或非門的電路結(jié)構(gòu)如圖6-1-13所示，圖中的輸入級采用兩個多發(fā)射極三極管組成“與或”邏輯形式。3.與或非門圖6-1-14TTL異或門電路結(jié)構(gòu)圖典型的異或門電路如圖6-1-14所示。4.異或門為滿足用戶在提高工作速度和降低功耗這兩方面的要求，繼上述的74系列電路之后，又相繼研制和生產(chǎn)了74H、74S、74LS、74AS、74ALS系列等改進的TTL電路。5.TTL電路的改進由74系列TTL與非門的工作過程可知，其產(chǎn)生傳輸延遲時間的主要原因是電路內(nèi)各三極管工作在深度飽和狀態(tài)。為了提高TTL與非門的開關(guān)速度，必須設(shè)法降低各三極管的飽和深度。第二方面是減小了電阻的阻值，卻使電路的靜態(tài)功耗增大，通常74H系列電路的電源平均電流均為74系列電路的兩倍。因此，74H系列電路的改進效果并不理想。（1）74H系列

74S系列又稱為肖特基系列。為了進一步提高開關(guān)速度，可以采用抗飽和三極管（又稱為肖特基三極管），它是由普通三極管和肖特基勢壘二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD）組合而成，如圖6-1-15所示。（2）74S系列圖6-1-15抗飽和三極管肖特基勢壘二極管是金屬半導(dǎo)體二極管，其特點是：①正向?qū)妷旱?，約為0.4V；②為多數(shù)載流子導(dǎo)電，電荷存儲效應(yīng)小。電路中仍采用較小的電阻值，所以電路的靜態(tài)功耗仍較大。

74S系列與非門（74S00）的電路結(jié)構(gòu)如圖6-1-16所示。圖6-1-1674S系列與非門的電路結(jié)構(gòu)圖通常性能較理想的門電路應(yīng)該不僅工作速度快，而且功耗也應(yīng)該小。

74LS系列就具有這樣的特點，故又稱為低功耗肖特基系列。為了縮短傳輸延遲時間、提高開關(guān)工作速度，在74LS系列中采用的辦法有：①延用74S系列提高工作速度的兩個方法——使用抗飽和三極管和引入有源泄放電路；（3）74LS系列圖6-1-1774LS系列與非門的電路結(jié)構(gòu)圖②將輸入端的多發(fā)射極三極管的發(fā)射結(jié)用SBD代替，以利于提高工作速度；③接入VD3、VD4這兩個SBD，分別為VT4和VT5提供附加的放電通路，進一步加速電路開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程。6.1.3其他類型的TTL門電路1.集電極開路的門電路（OC門）為了增強TTL門的驅(qū)動能力和擴展邏輯功能，往往需要將幾個邏輯門的輸出端并聯(lián)起來，而這種并聯(lián)對前面介紹的TTL門電路卻無法實現(xiàn)。由圖6-1-18可見，主要原因是：圖6-1-18推拉式輸出級并聯(lián)的情況①推拉式輸出電路，無論輸出高電平還是低電平，其輸出電阻都很低。②推拉式輸出結(jié)構(gòu)不能滿足驅(qū)動較大電流、較高電壓負(fù)載的要求。③推拉式輸出電路中，電源一經(jīng)確定（通常規(guī)定工作在＋5Ｖ），輸出的高電平也就固定了，因此無法滿足對不同輸出高低電平的需要。為了使門電路的輸出端能夠并聯(lián)使用，采用的方法就是把輸出級改為集電極開路的三極管結(jié)構(gòu)，稱為集電極開路的門電路（OpenCollectorGate，OC門），電路如圖6-1-19所示。

OC門工作時輸出端需要外接負(fù)載電阻和電源。如果將兩個OC與非門輸出并聯(lián)在一起，由圖6-1-20可知，圖6-1-19集電極開路與非門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號圖6-1-20OC門輸出并聯(lián)的接法及邏輯圖普通的TTL門有兩個狀態(tài)，即輸出邏輯“0”和輸出邏輯“1”，這兩個狀態(tài)都是低阻輸出。三態(tài)輸出門（Three-StateOutputGate，TS門）是在普通門電路的基礎(chǔ)上附加控制電路而構(gòu)成的，它的特點是多了一種高阻狀態(tài)，電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號如圖6-1-21所示。低電平有效三態(tài)與非門輸出狀態(tài)Y與輸入變量A、B和控制端EN的邏輯關(guān)系如表6-1-2所示。2.三態(tài)輸出門電路（TS門）圖6-1-21三態(tài)輸出門的電路圖表6-1-2TS與非門真值表三態(tài)門的基本用途是在數(shù)字電路系統(tǒng)中構(gòu)成總線，也就是采用圖6-1-23所示的連接方式。另外，用TS門還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。在圖6-1-23所示的電路中，當(dāng)EN＝1時，G1門工作，G2門高阻狀態(tài)，數(shù)據(jù)D0經(jīng)G1門反相后送到總線上；當(dāng)EN＝0時，G1門高阻狀態(tài)，總線上的數(shù)據(jù)經(jīng)G2門反相后從D1輸出。圖6-1-22TS門構(gòu)成總線結(jié)構(gòu)圖6-1-23用TS門實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸6.2其他類型的雙極型數(shù)字集成電路在雙極型數(shù)字集成電路中，TTL電路只是其中的一種。從數(shù)字電路的發(fā)展來看，還有早期的二極管—三極管邏輯（Diode-TransistorLogic，DTL），現(xiàn)已被TTL電路取代；另一種高域值邏輯（HighThresholdLogic，HTL）電路現(xiàn)也幾乎被CMOS電路所取代。

目前使用較多的還有雙極型數(shù)字邏輯電路是發(fā)射極耦合邏輯（EmitterCoupledLogic，ECL）電路，由于ECL電路中的三極管工作在非飽和狀態(tài)，所以是一種非飽和型的高速邏輯電路，可達(dá)到極高的工作速度。與TTL電路相比，ECL電路具有如下優(yōu)點：①由于ECL門電路中的三極管導(dǎo)通時為非飽和狀態(tài)（由圖6-3-1所示的參數(shù)不難算出，VT1～VT3導(dǎo)通時Uc1b≈0V，VT4導(dǎo)通時Uc2b＝0.32V，導(dǎo)通時均未進入飽和狀態(tài)，根本上消除了飽和導(dǎo)通產(chǎn)生的電荷存儲效應(yīng)），而且電路的電阻取值較小，邏輯高低電平變化幅度小，因而其工作速度是各種集成門電路中最高的，傳輸時間可縮短至0.1ns以內(nèi)。②同時具有或、或非兩個互補輸出，使用方便、靈活。③因為輸出端采用射極跟隨器，輸出阻抗低，帶負(fù)載能力強，扇出系數(shù)NO可達(dá)25～100。④由于設(shè)計時電路在開關(guān)工作狀態(tài)下的電源電流基本不變，所以電路內(nèi)部的開關(guān)噪聲很低。ECL電路的主要缺點也是很突出的：①噪聲容限低。②電路功耗大。③輸出電平的穩(wěn)定性較差。6.3CMOS門電路6.3.1MOS管的開關(guān)特性6.3.2CMOS反相器6.3.3其他類型的CMOS門電路MOS管是金屬－氧化物－半導(dǎo)體場效應(yīng)管（Metal－Oxide－SemiconductorField－Effect－Transistor）的簡稱，屬單極型晶體管。以MOS場效應(yīng)管作為開關(guān)元件的門電路叫做MOS門電路。MOS門電路有3種：使用P溝道管的PMOS電路；使用N溝道管的NMOS電路以及由PMOS管和NMOS管共同組成的互補CMOS單元電路構(gòu)成的CMOS電路。6.3.1MOS管的開關(guān)特性1.MOS管的轉(zhuǎn)移特性圖6-3-1（a）示出了增強型NMOS場效應(yīng)管共源極接法的開關(guān)電路。漏極電流iD與柵源間壓降uGS的關(guān)系即為轉(zhuǎn)移特性，如圖6-3-1（b）所示，這條曲線也可以利用輸出特性曲線作出，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為（6-3-1）式中，KT是uGS=2UT時的iD值。圖6-3-1NMOS的基本開關(guān)電路和其特性曲線由圖6-3-1（a）MOS管開關(guān)電路可以看出，當(dāng)ui≤UT時（ui=uGS），MOS管工作在截止區(qū)，只要漏極負(fù)載電阻RD遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于MOS管的截止電阻RDSOFF，在輸出端就會輸出高電平UoH≈UDD，此時的漏源極間相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)。只要電路參數(shù)選擇合理，就可以做到輸入為低電平時MOS管截止，開關(guān)電路輸出高電平；而輸入為高電平時MOS管導(dǎo)通，開關(guān)電路輸出低電平。2.MOS管的開關(guān)特性6.3.2CMOS反相器CMOS邏輯門電路是目前應(yīng)用較為普遍的邏輯電路，它同NMOS一樣，適宜制作大規(guī)模集成電路（如存儲器和微處理器等），下面先討論CMOS反相器，然后再介紹其他CMOS邏輯門電路。CMOS反相器如圖6-3-2所示，它由一對增強型NMOS和PMOS管組成，其中VT1為驅(qū)動管，而VT2為負(fù)載管。圖6-3-2CMOS反相器在正常工作時，VT1和VT2管總是一個導(dǎo)通而另一個截止，即工作在互補狀態(tài)。因此，被稱為互補對稱式MOS電路（Complementary-SymmetryMOSCircuit，CMOS電路）。1.CMOS反相器的工作原理2.CMOS反相器電壓傳輸特性和電流特性（1）電壓傳輸特性圖6-3-3（a）所示為CMOS反相器的電壓傳輸特性。圖中分為五段，下面討論各段的工作情況。圖6-3-3CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流特性圖6-3-2示出了UDD為15V和10V不同值時CMOS反相器的電壓傳輸特性。圖6-3-2示出了UDD為15V和10V不同值時CMOS反相器的電壓傳輸特性。（2）輸入噪聲容限圖6-3-2CMOS反相器由圖6-3-3（b）中可以看到，輸入電壓ui在1/2UDD附近時，VT1和VT2管同時導(dǎo)通，輸出電流最大，出現(xiàn)了一個尖峰。（3）輸入電流特性圖6-3-3CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流特性由于MOS管的二氧化硅絕緣層很薄，存在較大的電容效應(yīng)，極易被擊穿（耐壓約100V），所以必須采取保護措施。圖6-3-5示出了74HC系列CMOS器件的輸入保護電路形式，虛線內(nèi)為輸入保護電路，C1、C2為CMOS的柵極等效輸入電容。3.CMOS反相器的輸入端保護圖6-3-4不同UDD時CMOS反相器的噪聲容限圖6-3-574HC系列的輸入保護電路由于CMOS反相器中的NMOS和PMOS管在導(dǎo)通時均工作在可變電阻區(qū)，其輸出電壓隨負(fù)載電流不同而變化。4.CMOS反相器的輸出特性和負(fù)載能力（1）低電平輸出特性（2）高電平輸出特性圖6-3-6CMOS反相器的輸出特性（1）靜態(tài)功耗PS（2）動態(tài)功耗PD5.CMOS反相器的功率損耗雖然CMOS門電路的開關(guān)過程中，沒有電荷的積累和消散現(xiàn)象，但是由于集成電路內(nèi)部電阻、電容的存在，以及負(fù)載電容的影響，輸出電壓的變化仍然滯后于輸入電壓的變化，產(chǎn)生傳輸延遲時間，圖6-3-7所示為CMOS反相器傳輸延遲特性。6.CMOS反相器的傳輸延遲特性由于CMOS電路的輸出電阻比TTL電路的輸出電阻大得多，所以負(fù)載電容對傳輸延遲時間和輸出電壓的上升、下降時間影響最大。流過電容的電流與其兩端電壓之間的關(guān)系如下：圖6-3-7CMOS反相器的傳輸延遲特性6.3.3其他類型的CMOS門電路以CMOS單元電路作為開關(guān)元件的數(shù)字電路稱為CMOS數(shù)字邏輯電路。在CMOS門電路的產(chǎn)品中，除反相器外常用的還有與非門、或非門、或門、與門、與或非門、異或門等。圖6-4-8示出了CMOS與非門電路的基本結(jié)構(gòu)，由兩個串聯(lián)的增強型NMOS管VT1、VT3和兩個并聯(lián)的增強型PMOS管VT2、VT4組成。1.CMOS與非門圖6-3-8CMOS與非門的基本電路圖6-3-9所示為或非門電路，是由兩個并聯(lián)的增強型NMOS管VT1、VT3和兩個串聯(lián)增強型PMOS管VT2、VT4組成。2.CMOS或非門圖6-3-9CMOS或非門的基本電路上述CMOS門電路存在以下缺點：一是當(dāng)輸入狀態(tài)不同時，其輸出電阻值是不相同的；二是輸出的高、低電平會受輸入端數(shù)目影響。需要注意的是在輸入、輸出端引入緩沖級后，電路的邏輯功能也發(fā)生了變化。如圖6-3-10所示的與非門電路是在圖6-3-9或非門電路的基礎(chǔ)上增加了緩沖級后得到的。因此，若要實現(xiàn)或非門功能，應(yīng)在圖6-3-8與非門的基礎(chǔ)上增加緩沖級來得到。3.帶緩沖級的CMOS門電路圖6-3-10帶緩沖級的CMOS與非門電路與TTL電路中的OC門一樣，CMOS門的輸出電路結(jié)構(gòu)也可以做成漏極開路的形式?？梢杂糜趯崿F(xiàn)“線與”的功能，但常用做輸出緩沖/驅(qū)動器，或用做輸出電平的轉(zhuǎn)換器以滿足吸收大負(fù)載電流的需要。圖6-3-11所示就是CC40107二輸入與非緩沖/驅(qū)動器電路，其輸出電路是一個漏極開路的增強型NMOS管。4.漏極開路的CMOS門電路（簡稱OD門）圖6-3-11漏極開路的CMOS與非緩沖/驅(qū)動器CMOS傳輸門也如同反相器一樣，是構(gòu)成各種邏輯電路的一種基本單元電路。圖6-3-12所示電路為CMOS傳輸門，這是一種可控的雙向傳輸信號的開關(guān)電路，由增強型NMOS管VT1和增強型PMOS管VT2并聯(lián)構(gòu)成的。5.CMOS傳輸門和雙向模擬開關(guān)圖6-3-12CMOS傳輸門的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號傳輸門的另一個重要的用途是作模擬開關(guān)，用來傳輸變化的模擬電壓信號。CMOS傳輸門和CMOS反相器的結(jié)合就可組成模擬開關(guān)的基本電路，電路形式及符號如圖6-3-13所示。圖6-3-13CMOS雙向模擬開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和符號慮到CMOS雙向模擬開關(guān)在外接負(fù)載RL的情況下，如圖6-3-14（a）所示。當(dāng)C＝0時（低電平）開關(guān)截止，輸出與輸入之間的聯(lián)系被切斷，uo=0。當(dāng)C＝1（高電平）時，開關(guān)接通，因此，雙向模擬開關(guān)只要一個控制端即可工作。圖6-3-14CMOS雙向模擬開關(guān)外接負(fù)載的情況6.CMOS三態(tài)門電路（1）串聯(lián)型三態(tài)門電路CMOS三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)大體上有三種形式。圖6-3-15串聯(lián)型CMOS三態(tài)門這種電路結(jié)構(gòu)是在反相器的基礎(chǔ)上串接一個增強型MOS管并增加一個門電路而形成的，圖6-3-16（a）所示為或非門控制的三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)，圖6-3-16（b）所示為與非門控制的三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)。（2）門控制型三態(tài)門圖6-3-16門控制CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)是在反相器的輸出端串接一個CMOS模擬開關(guān)，作為輸出狀態(tài)的控制開關(guān)，如圖6-3-17所示。（3）模擬開關(guān)控制三態(tài)門圖6-3-17CMOS模擬開關(guān)控制三態(tài)門主要的改進形式有兩種。一種是高速的CMOS電路，采用工藝改進模式，減小溝道的長度，縮小整個MOS管的尺寸，從而降低了寄生電容的數(shù)值，其平均傳輸延遲時間小于10ns。