【正文】 第 6章 門 電 路 門電路是實(shí)現(xiàn)邏輯的電路，常由二極管、三極管或場(chǎng)效應(yīng)管組成。邏輯門是所有數(shù)字電路的基礎(chǔ)，本章介紹 CMOS與 TTL邏輯門電路的基本 工作原理與技術(shù)參數(shù) 。 數(shù)字邏輯信號(hào) 1． 數(shù)字邏輯值“ 0”和“ 1”與數(shù)字邏輯信號(hào)電平之間的關(guān)系 數(shù)字邏輯信號(hào)是具有“低電平”和“高電平”的電壓值，要想用數(shù)字電路來操作數(shù)字邏輯值“ 0”和“ 1”，就必須使數(shù)字邏輯值“ 0”和“ 1”與數(shù)字邏輯信號(hào)“低電平”和“高電平”之間有對(duì)應(yīng)關(guān)系。 按照 正邏輯約定 ，邏輯 “ 0”用低電平 信號(hào)表示；邏輯 “ 1”用高電平 信號(hào)表示。 按照 負(fù)邏輯約定 ， “ 0”用高電平 信號(hào)表示； “ 1”用低電平信號(hào)表示，這種邏輯約定不太符合人們的習(xí)慣思維方式。 2．?dāng)?shù)字邏輯信號(hào)電平 數(shù)字邏輯信號(hào)電平分為高電平和低電平 輸出的高電平表示邏輯 1 輸出的高電平表示邏輯 0 輸出的低電平表示邏輯 0 輸出的低電平表示邏輯 1 需要注意的是邏輯 高電平和低電平都是一個(gè)范圍 VLmax VHmin CMOS門電路 MOS晶體管 金屬 氧化物 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor，簡(jiǎn)稱 MOS管）是 外加電壓控制導(dǎo)電溝道寬窄 的器件，依據(jù)參與導(dǎo)電的載流子分類，若空穴參與導(dǎo)電稱為 PMOS管，若是電子參與導(dǎo)電稱為 NMOS管。 由于導(dǎo)電溝道的寬窄與導(dǎo)電溝道呈現(xiàn)的電阻成比例，所以 MOS管可以模型化為輸入電壓控制的可變電阻，其輸入電壓可以控制電阻阻值的大小。 確定的輸入電壓可以使電阻的阻值很大，使 MOS管夾斷（ off）；或是使電阻的阻值很小，使 MOS管導(dǎo)通（ on）。 若 MOS管在無控制電壓時(shí)，不具有導(dǎo)電溝道，加控制電壓形成導(dǎo)電溝道，則稱為 增強(qiáng)型 MOS管 ；若MOS管在無控制電壓時(shí)，具有導(dǎo)電溝道，加控制電壓使導(dǎo)電溝道變窄，則為 耗盡型 MOS管 。 控制柵極和源極之間的電壓 Vgs，就可以控制漏極和源極之間的電阻 Rds，當(dāng) Vgs=0時(shí)，就是柵極電壓與源極電壓相等時(shí)， Rds電阻很大，至少有 106 Ω；當(dāng) Vgs增加到足夠大，就是柵極電壓減去源極電壓的數(shù)值很大時(shí)， Rds電阻可以很小 。 PMOS管的柵極與源極之間的電壓 Vgs也可以控制漏極和源極之間的電阻 Rds。 當(dāng) Vgs=0時(shí)，就是柵極電壓與源極電壓相等時(shí)， Rds電阻很大，至少有 106 Ω；當(dāng) Vgs減小到足夠大的負(fù)值，就是柵極電壓減去源極電壓的數(shù)值是負(fù)值， Rds電阻可以很小。簡(jiǎn)化符號(hào)中柵極上的 小圈表示柵極電壓低于源極電壓時(shí)， PMOS管導(dǎo)通。 基本 CMOS非門 當(dāng) VIN是 0 V時(shí)， NMOS管 Q1的 Vgs=0 V，所以截止；而 PMOS管 Q2由于 Vgs=5 V，所以導(dǎo)通。導(dǎo)通后的 Q2管呈現(xiàn)小的電阻值，使輸出端VOUT=VDD=5 V。 當(dāng) VIN是 5 V時(shí)， NMOS管 Q1的 Vgs=5 V，所以導(dǎo)通；而 PMOS管 Q2由于 Vgs=0 V，所以截止。導(dǎo)通后的 Q1管呈現(xiàn)小的電阻值，使輸出端與地之間相連，VOUT=0 V。 NMOS管 PMOS管 具有動(dòng)作電平表示的 MOS管非門電路， PMOS和 NMOS管的符號(hào)除了在 PMOS管的柵極加一個(gè)小圈以外是完全相同的。 如果小圈代表該管在輸入電壓為低電平 L時(shí)漏極和源極之間導(dǎo)通，而沒有小圈代表在輸入電壓為高電平 H時(shí)漏極和源極導(dǎo)通，則可以知道：在 VIN=L時(shí)， Q2導(dǎo)通， Q1截止， VOUT=H；在 VIN=H時(shí)， Q1導(dǎo)通， Q2截止， VOUT=L。 CMOS與非門和或非門 1． CMOS與非門 2． CMOS或非門 74HC系列門電路的電特性 74HC系列門電路的極限電參數(shù) 當(dāng)芯片使用條件 超出極限電參數(shù) 時(shí)，就會(huì)使芯片特性變差，甚至造成永久的損壞。 ?輸入電壓 VI的最高極限值與 VCC有關(guān)，當(dāng) VCC降低時(shí)，輸入電壓也必須降低， ?直流輸出電壓 VO也是有極限值的，外加到輸出引腳的電壓值不能超 VCC+ V。 ?輸入保護(hù)二極管電流 IIK值不能超出 177。 20 mA， ?輸出端的保護(hù)二極管電流 IOK也不能超出 177。 20 mA， ?輸出電流 IO也不能超出極限值 符 號(hào) 參 數(shù) 數(shù) 值 單 位 VCC 電源電壓 ～ 7 V VI 直流輸入電壓 ～ VCC+ V VO 直流輸出電壓 ～ VCC+ V IIK 輸入保護(hù)二極管電流 177。 20 mA IOK 輸出保護(hù)二極管電流 177。 20 mA IO 直流輸出電流 177。 25 mA 74HC系列門電路的推薦工作條件 推薦工作條件 是芯片制造廠向芯片用戶提供的芯片正常工作條件。 只要保證芯片在推薦工作條件下工作，芯片就能夠?qū)崿F(xiàn)正確的邏輯功能。從推薦工作條件可以看出，74HC系列芯片正常工作的電源電壓范圍是 2～ 6 V。 符 號(hào) 參 數(shù) 數(shù) 值 單 位 VCC 電源電壓范圍 2～ 6 V VI 直流輸入電壓范圍 0～ VCC V VO 直流輸出電壓范圍 0～ VCC V 74HC系列門電路的靜態(tài)電特性 1．靜態(tài)電特性 靜態(tài)電特性有時(shí)又稱為 直流特性 ，靜態(tài)電特性給出芯片的輸入電平、輸入電流、輸出電平以及負(fù)載特性等參數(shù)。 ?符號(hào) 參 數(shù) 實(shí)驗(yàn)條件（環(huán)境溫度為 25℃ ） 最小值 典型值 最大值 單位 VIH 輸入高電平 2 V V V V 6 V V VIL 輸入低電平 2 V V V V 6 V V VOH 輸出高電平 2 V 20 mA V V 20 mA V 6 V 20 mA V V 4 mA V 6 V mA V VOL 輸出低電平 2 V 20 mA V V 20 mA V 6 V 20 mA V V 4 mA V 6 V mA V IIH 輸入高電平電流 6 V 25℃ mA IIL 輸入低電平電流 6 V 25℃ － mA ICC 靜態(tài)電源電流 6 V 25℃ 1 mA 74HC04靜態(tài)電特性 靜態(tài)電特性 （ 1）對(duì)于輸入端，有兩個(gè)邏輯電平參數(shù) VIHmin：輸入高電平時(shí)的最小電壓值， VILmax：輸入低電平時(shí)的最大電壓值， （ 2）對(duì)于輸出端，也有兩個(gè)邏輯電平參數(shù) VOLmax：低電平輸出時(shí)的最大輸出電壓。 VOHmin：高電平輸出時(shí)的最小輸出電壓。 電源電壓 VCC與地線像兩根軌道，通常稱為 電源軌道 。 VIHmin=70%VCC VILmax=30%VCC VOHmin=VCC V VOLmax=地線電平 + V 由于在最壞情況下電源電壓 VCC降落 10%，為 V，所以 VOHmin最小為 V。 5 V電源電壓時(shí) 74HC04的輸出、輸入高低電平如圖所示。 （ 3）輸入高電平電流 IIH與輸入低電平電流 IIL IIH為輸入在高電平狀態(tài)（簡(jiǎn)稱高態(tài)）時(shí)流入輸入端的電流。 IIL為輸入在低電平狀態(tài)（簡(jiǎn)稱低態(tài)）時(shí)流入輸入端的電流。 （ 4）靜態(tài)電源電流 ICC 靜態(tài)電源電流 ICC是在輸入信號(hào)接地或是接電源時(shí)的電源電流。在溫度為 25℃ 時(shí)， 74HC04的靜態(tài)電源電流 ICC為 1 uA。 2．傳輸特性 （ 1）輸入 輸出 電壓 傳輸特性 電壓傳輸特性是邏輯門的輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系曲線。 （ 2）輸入電壓 MOS管 電流 特性 是輸入電壓與流過非門中兩 MOS管電流特性曲線。 （ 3）不滿足輸入高低電平參數(shù)時(shí)的 CMOS門特性 當(dāng)非門的輸入電壓滿足高電平或低電平電壓參數(shù)時(shí)， MOS管中總有一個(gè)是在夾斷狀態(tài)，使流過兩MOS管的電流近乎為 0。若是輸入電壓不是很接近電源軌道，則 導(dǎo)通的 MOS管不能充分導(dǎo)通，截止的MOS管不能充分截止，使 CMOS非門輸出電壓遠(yuǎn)離電源軌道。 當(dāng)輸入電壓為 V時(shí)，可以計(jì)算出流過兩個(gè)MOS管的電流為 mA，輸出電壓為 V。由于流過兩個(gè) MOS管的電流太大，不僅增大了功耗，也降低了拉電流負(fù)載能力。 當(dāng)輸入電壓為 V時(shí)，可以計(jì)算出輸出電壓為 V。這時(shí)流過兩個(gè) MOS管的電流為 mA。由于流過兩個(gè) MOS管的電流太大，因此降低了灌電流能力，并增加了功耗。 3．噪聲容限 噪聲容限就是對(duì) 噪聲的容忍程度 ，或者說是可以在前級(jí)輸出信號(hào)上可以疊加的噪聲電壓幅度是多少。噪聲容限定義為： 最小高電平噪聲容限 VNH = VOHmin VIHmin 最小低電平噪聲容限 VNL= VILmax VOLmax 74HC04連接同類電路的噪聲容限等于（電源電壓取最壞情況 V，環(huán)境溫度 25℃ ）： VNH = VOHmin VIHmin = V V = V VNL= VILmax VOLmax = V V= V 4．輸出特性 （ 1）電阻性負(fù)載 CMOS門與電阻性負(fù)