课时章节或第二章集成门电路课题名称本章介绍了MOS门电路，LSTTL门电路和BICMOS门电路。其中主要介绍目前用量最多的高速、超高速CMOS门电路、BICMOS门电路，重点剖析各种门电路的外部特性（包括输入特性、输出特性、教学内容动态特性、电压传输特性等）和常用典型电路的结构和工作原理。旨在让读者从中受到启迪，熟练掌握集成门电路芯片的选型与应用。（1）掌握CMOS、LSTTL、BICMO集成门电路的外部特性与主要参数，了解它们的逻辑电路结构。教学目标（2）熟练掌握几种常用CMOS、LSTTL和普通TTL集成芯片的逻辑功能及其应用。教学要点重点：CMOS反相器的电路结构、工作原理、表态输入特性与输出特性及难点难点:CMOS门电路逻辑功能的分析集成门电路按逻辑功能、输出结构分类1.CMOS门电路按制造工艺分类2.复习要点CMOS门电路的外部特性3.或题目CMOS门电路、LSTTL门电路的性能比较4.运用多媒体播放CMOS门电路的动画图片来讲解其逻辑功能1.教学方法与2.运用数电实验来？接“应用电路实例”来掌握常用CMOS集成门电路教学手段的封装图、功能表及其应用说明2.1概述2.2CMOS门电路教学时间2.3双极型门电路安排2.4BiCMOS门电路结构2.5集成门电路的应用举例作业布置（预习、思P70: T2.1T2.2T2.4T2.6T2.8T2.10考题、练习、参考资料等）1
1 课时章节或 课题名称 第二章 集成门电路 教学内容 本章介绍了 MOS 门电路，LSTTL 门电路和 BICMOS 门电路。其 中主要介绍目前用量最多的高速、超高速 CMOS 门电路、BICMOS 门 电路，重点剖析各种门电路的外部特性(包括输入特性、输出特性、 动态特性、电压传输特性等)和常用典型电路的结构和工作原理。 旨在让读者从中受到启迪，熟练掌握集成门电路芯片的选型与应 用。 教学目标 （1）掌握 CMOS、LSTTL、BICMO 集成门电路的外部特性与主要 参数，了解它们的逻辑电路结构。 （2）熟练掌握几种常用 CMOS、LSTTL 和普通 TTL 集成芯片的 逻辑功能及其应用。 教学要点 及难点 重点:CMOS 反相器的电路结构、工作原理、表态输入特性与输出特性 难点:CMOS 门电路逻辑功能的分析 复习要点 或题目 1. 集成门电路按逻辑功能、输出结构分类 2. CMOS 门电路按制造工艺分类 3. CMOS 门电路的外部特性 4. CMOS 门电路、LSTTL 门电路的性能比较 教学方法与 教学手段 说明 1． 运用多媒体播放 CMOS 门电路的动画图片来讲解其逻辑功能 2． 运用数电实验来？接“应用电路实例”来掌握常用 CMOS 集成门电路 的封装图、功能表及其应用 教学时间 安排 2.1 概述 2.2 CMOS 门电路 2.3 双极型门电路 2.4 BiCMOS 门电路结构 2.5 集成门电路的应用举例 作业布置 （预习、思 考题、练 习、参考资 料等） P70: T2.1 T2.2 T2.4 T2.6 T2.8 T2.10
第2章集成门电路内容提要与要求本章介绍了MOS门电路，LSTTL门电路和BICMOS门电路。其中主要介绍目前用量最多的高速、超高速CMOS门电路、BICMOS门电路，重点剖析各种门电路的外部特性（包括输入特性、输出特性、动态特性、电压传输特性等）和常用典型电路的结构和工作原理。旨在让读者从中受到后迪，熟练掌握集成门电路芯片的选型与应用。通过本章学习，要求：（1）掌握CMOS、LSTTL、BICMO集成门电路的外部特性与主要参数，了解它们的逻辑电路结构。（2）熟练掌握几种常用CMOS、LSTTL和普通TTL集成芯片的逻辑功能及其应用。2.1概述逻辑门电路是能够实现各种基本逻辑关系的电路，简称为“门电路”或“逻辑器件”。各种逻辑门均可用半导体器件（如晶体二极管，三极管，场效应管等）来实现。最基本的门电路是“与”、“或”、“非”门，利用它们可以构成各种复合逻辑门电路。在逻辑电路中，逻辑事件的肯定与否可以用电平的高与低来表示。高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态，或分别用“1”和“0”来表示。若用“1”代表高电平，“0”代表低电平，则称为正逻辑；若用“0”代表高电平，“1”代表低电平，则称为“负逻辑”。在无特殊说明时，本书采用“正逻辑”。集成门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类：一类为双极型晶体管集成门电路，包括TTL（晶体管一一晶体管逻辑电路），ECL(射极耦合逻辑）电路和IL（集成注入逻辑）电路等几种类型，第二类为单极型MOS集成门电路，包括NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、VVMOS、IGT等几种类型。第三类则是二者的组合BICMOS门电路。常用的是CMOS集成门电路。TTL集成门电路工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低：CMOS集成门电路功耗极低，成本低，电源电压范围宽，集成度高，抗干扰能力强，输入阻抗高，扇出能力强。据报道，CMOS门电路占目前销售和使用门电路总量的80%以上，而且呈大幅度上升的趋势。VLSI(超大规模集成电路)基本上都是CMOS集成电路，其缺点是工作速度略低。例2.1图2.1是一个由与非门构成的三人表决器，A、B、C为输入端，Y为输出端。当A、B、C中两个或两个以上变量取值为1时，Y=1，其余情况，Y=0。电路的输入输出逻辑关系如表2.1所示。根据表2.1可以写出图2.1电路的输出逻辑表达式为：Y=AB+BC+AC+ABC=AB+BC+AC=AB.BC.AC(2.1)2
2 第 2 章 集成门电路 内容提要与要求 本章介绍了 MOS 门电路，LSTTL 门电路和 BICMOS 门电路。其中主要介绍 目前用量最多的高速、超高速 CMOS 门电路、BICMOS 门电路，重点剖析各种门 电路的外部特性(包括输入特性、输出特性、动态特性、电压传输特性等)和常用典 型电路的结构和工作原理。旨在让读者从中受到启迪，熟练掌握集成门电路芯片 的选型与应用。 通过本章学习，要求： （1）掌握 CMOS、LSTTL、BICMO 集成门电路的外部特性与主要参数，了解 它们的逻辑电路结构。 （2）熟练掌握几种常用 CMOS、LSTTL 和普通 TTL 集成芯片的逻辑功能及其 应用。 2.1 概述 逻辑门电路是能够实现各种基本逻辑关系的电路，简称为“门电路”或“逻辑器件”。各 种逻辑门均可用半导体器件(如晶体二极管，三极管，场效应管等)来实现。最基本的门电路是 “与”、“或”、“非”门，利用它们可以构成各种复合逻辑门电路。 在逻辑电路中，逻辑事件的肯定与否可以用电平的高与低来表示。高电平表示一种状态， 低电平表示另一种状态，或分别用“1”和“0”来表示。若用“1”代表高电平，“0”代表低 电平，则称为正逻辑；若用“0”代表高电平，“1”代表低电平，则称为“负逻辑”。在无特殊 说明时，本书采用“正逻辑”。 集成门电路按其内部有源器件的不同可以分为三大类：一类为双极型晶体管集成门电路， 包括 TTL(晶体管――晶体管逻辑电路)，ECL(射极耦合逻辑)电路和 I 2L(集成注入逻辑)电路等 几种类型，第二类为单极型 MOS 集成门电路，包括 NMOS、PMOS、LDMOS、VDMOS、 VVMOS、IGT 等几种类型。第三类则是二者的组合 BICMOS 门电路。常用的是 CMOS 集成 门电路。TTL 集成门电路工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低；CMOS 集成门电 路功耗极低，成本低，电源电压范围宽，集成度高，抗干扰能力强，输入阻抗高，扇出能力强。 据报道，CMOS 门电路占目前销售和使用门电路总量的 80%以上，而且呈大幅度上升的趋势。 VLSI(超大规模集成电路)基本上都是 CMOS 集成电路，其缺点是工作速度略低。 例 2.1 图 2.1 是一个由与非门构成的三人表决器，A、B、C 为输入端，Y 为输出端。当 A、B、C 中两个或两个以上变量取值为 1 时，Y＝1，其余情况，Y＝0。电路的输入输出逻辑 关系如表 2.1 所示。根据表 2.1 可以写出图 2.1 电路的输出逻辑表达式为： Y = AB + BC + AC + ABC = AB + BC + AC = AB BC AC （2.1）
表2.1多数表决器真值表A&AB00400121图2.1多数表决器逻辑图11UY!集成门电路按其集成度又可分为：SSI小规模集成电路，每片组件包含10～20个等效门)。MAI(中规模集成电路，每个组件包含20～100个等效门)。LAI(大规模集成电路，每组件内含1001000个等效门)。VLSI(超大规模集成电路，每片组件内含1000个以上等效门)。常用的逻辑门和触发器属于SSI，编码器、译码器，数据选择器，数据分配器，加法器，计数器，移位寄存器，锁存器等组件都属于MSI。集成电路正朝着高速低耗，大密度集成的方向发展。集成门电路尤其是CMOS集成门电路在实际应用中非常广泛。例2.1是其典型应用之一。2.2CMOS门电路常用的MOS门电路有NMOS，PMOS，CMOS，LDMOS，VDMOS等5种。用N沟通增强型场效应管构成的集成电路称为NMOS电路：用P沟通场效应管构成的集成电路称为PMOS电路：CMOS电路则是NMOS和PMOS的互补型电路，用横向双扩散MOS管构成的集成电路称为LDMOS电路：用垂直双扩散MOS管构成二集成电路称为VDMOS电路。本章将特别介绍用互补MOS工艺和双极晶体管工艺混合制成的集成电路称为BICMOS电路。PMOS集成电路因工作速度低，电源为负且电压较高，同其他集成电路配接不方便等原因，故现在几乎淘汰，NMOS集成电路速度较高，在微处理器，存储器计算机硬件中仍有应用。当前使用普遍的是CMOS电路，它分为4000系列和54H/74HCO00高速系列两种电路。4000标准系列是首先问世的，目前仍为主流CMOS数字集成电路产品，已约有200个型号，采用铝栅工艺生产。有4000A和4000B两个品系，还有4500和5000两个扩展品系。4000A与4000B两者的不同点是：①4000A的电源电压范围为3～15V，4000B的电源电压范围为3～18V：②4000B是在4000A的基础上后接2级缓冲器构成的，使电路的增益大大提高而且使输入，输出充分隔离。在4000B系列中同时保留了不带缓冲器的产品，称为4000VB。4500扩展系在4000的基础上补充了约90个通用型号，5000扩展系则补充了一些集成度较高的品种。高速CMOS电路54H/74HCOO的工作和输出驱动电流能力和LSTTL（低功耗肖特基系列)电路相仿，它有HC、HCU和HCT三种标准化类型。其中HC输出部分带有缓冲器的器件：HCU输入输出也是CMOS电平，但输出部分不带缓冲器的器件；HCT则是输入为TTL逻辑电平而输出为CMOS电平，输出带有缓冲器的器件。三种类型的高速CMOS电路的芯片引脚、功能完全相同，主要的特性参数也类似，而常见的是HC系列。当74HC系列与TTL的74LS系列两者都采用+5V电源时，可以直接替换。现在还有工作速度更高的AC/ACT系列，AHC/AHCT，LVC/LCX，LVQ/LVX，LVT和HLL等系列器件问世，在AC/ACT系列中，同样有AC、ACU和ACT三种标准化类型3
3 表 2.1 多数表决器真值表 集成门电路按其集成度又可分为：SSI(小规模 集成电路，每片组件包含 10～20 个等效门)。MAI(中规模集成电路，每个组件包含 20～100 个等效门)。LAI(大规模集成电路，每组件内含 100～1000 个等效门)。VLSI(超大规模集成电 路，每片组件内含 1000 个以上等效门)。常用的逻辑门和触发器属于 SSI，编码器、译码器， 数据选择器，数据分配器，加法器，计数器，移位寄存器，锁存器等组件都属于 MSI。集成电 路正朝着高速低耗，大密度集成的方向发展。 集成门电路尤其是CMOS集成门电路在实际应用中非常广泛。例2.1是其典型应用之一。 2.2 CMOS 门电路 常用的 MOS 门电路有 NMOS，PMOS，CMOS，LDMOS，VDMOS 等 5 种。用 N 沟通 增强型场效应管构成的集成电路称为 NMOS 电路；用 P 沟通场效应管构成的集成电路称为 PMOS 电路；CMOS 电路则是 NMOS 和 PMOS 的互补型电路，用横向双扩散 MOS 管构成的 集成电路称为 LDMOS 电路；用垂直双扩散 MOS 管构成二集成电路称为 VDMOS 电路。本 章将特别介绍用互补 MOS 工艺和双极晶体管工艺混合制成的集成电路称为 BICMOS 电路。 PMOS 集成电路因工作速度低，电源为负且电压较高，同其他集成电路配接不方便等原 因，故现在几乎淘汰，NMOS 集成电路速度较高，在微处理器，存储器计算机硬件中仍有应 用。当前使用普遍的是 CMOS 电路，它分为 4000 系列和 54H∕74HC00 高速系列两种电路。 4000 标准系列是首先问世的，目前仍为主流 CMOS 数字集成电路产品，已约有 200 个型 号，采用铝栅工艺生产。有 4000A 和 4000B 两个品系，还有 4500 和 5000 两个扩展品系。 4000A 与 4000B 两者的不同点是：①4000A 的电源电压范围为 3～15V，4000B 的电源电压范 围为 3～18V；②4000B 是在 4000A 的基础上后接 2 级缓冲器构成的，使电路的增益大大提高 而且使输入、输出充分隔离。在 4000B 系列中同时保留了不带缓冲器的产品，称为 4000VB。 4500 扩展系在 4000 的基础上补充了约 90 个通用型号，5000 扩展系则补充了一些集成度 较高的品种。 高速 CMOS 电路 54H∕74HCOO 的工作和输出驱动电流能力和 LSTTL(低功耗肖特基系 列)电路相仿，它有 HC、HCU 和 HCT 三种标准化类型。其中 HC 输出部分带有缓冲器的器 件；HCU 输入输出也是 CMOS 电平，但输出部分不带缓冲器的器件；HCT 则是输入为 TTL 逻辑电平而输出为 CMOS 电平，输出带有缓冲器的器件。三种类型的高速 CMOS 电路的芯片 引脚、功能完全相同，主要的特性参数也类似，而常见的是 HC 系列。当 74HC 系列与 TTL 的 74LS 系列两者都采用+5V 电源时，可以直接替换。 现在还有工作速度更高的 AC∕ACT 系列，AHC∕AHCT，LVC∕LCX，LVQ∕LVX，LVT 和 HLL 等系列器件问世，在 AC∕ACT 系列中，同样有 AC、ACU 和 ACT 三种标准化类型 A B C Y 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 图 2.1 多数表决器逻辑图
的设计。它的工作速度同ALSTTL（先进低功耗肖特基系列）相仿，驱动电流则和54H/74HCOO相同，引脚、功能和对应的ALSTTL一致。AC/ACT，AHC/AHCT系列中，54是军用器件，74是民用器件。2.2.1CMOS门电路的构成1.CMOS非门（反相器）CMOS非门，又叫做CMOS反相器，如图2.2所示。由N沟道增强型场效应管TN和P沟道增强型场效应管Tp组成。TN和Tp的栅极连接在一起，Tp的源极接电源VpD。当输入电压V.为低电平（OV)时，TN管截止；Tp管的源极接VDD，栅极接低电平，其UsG>Urp(PMOS管的开启电压)，则Tp管导通，故输出Vo为高电平。当输入V.为高电平(VDD)时，TN管的UGs>UiN(NMOS管的阀值电压），则TN管导通，而Tp管因栅极和源极同为高电平而截止，故输出为低电平。综上所述，电路的逻辑关系为：V。=V(2. 2)2.CMOS与非门图2.3是一个两输入的CMOS与非门VDDVoD电路，它由4个增强型绝缘栅型场效应管组成。TI、T2为两个串联的NMOS管，T3、T4p沟道北Tp为两个并联的PMOS管。当A、B两个输入端均为高电平时，Ti、0T2导通，T3、T4截止，输出为低电平。EN沟道TN当A、B两个输入端中只要有一个为低电平时，T、T2中必有一个截止，T3、T4中必有一个导通，使输出为高电平。电路的逻(a)(b)辑关系为Y=A·B：图2.2CMOS非门(2. 3)(a)电路（b）本书中简化电路9+UooUDCS.SoPTPFTDTDYD,NT,Acs.TD,RG,Ts,(a)(b)图2.3CMOS与非门电路3.CMOS或非门CMOS或非门电路如图2.4所示。当A、B两个输入端均为低电平时，Ti、T2截止，T3、T4导通，输出Y为高电平：当A、B两个输入端中有一个为高电平时，T1、T2中必有一个导4
4 的设计。它的工作速度同 ALSTTL(先进低功耗肖特基系列)相仿，驱动电流则和 54H∕ 74HCOO 相同，引脚、功能和对应的 ALSTTL 一致。AC∕ACT，AHC∕AHCT 系列中，54 是 军用器件，74 是民用器件。 2.2.1 CMOS 门电路的构成 1.CMOS 非门(反相器) CMOS 非门，又叫做 CMOS 反相器，如图 2.2 所示。由 N 沟道增强型场效应管 T N 和 P 沟道增强型场效应管 TP 组成。TN 和 TP 的栅极连接在一起，TP 的源极接电源 VDD。当输入电 压 Vi 为低电平(OV)时，TN管截止；TP管的源极接 VDD，栅极接低电平，其 USG＞UTP(PMOS 管的开启电压)，则 TP管导通，故输出 VO为高电平。当输入 Vi 为高电平(VDD)时，TN管的 UGS ＞UTN(NMOS 管的阀值电压)，则 TN管导通，而 TP管因栅极和源极同为高电平而截止，故输 出为低电平。综上所述，电路的逻辑关系为： V0 =Vi (2.2) 2.CMOS 与非门 图 2.3 是一个两输入的 CMOS 与非门 电路，它由 4 个增强型绝缘栅型场效应管组 成。T1、T2 为两个串联的 NMOS 管，T3、T4 为两个并联的 PMOS 管。 当A、B两个输入端均为高电平时，T1、 T2 导通，T3、T4 截止，输出为低电平。 当 A、B 两个输入端中只要有一个为低 电平时，T1、T2 中必有一个截止，T3、T4 中 必有一个导通，使输出为高电平。电路的逻 辑 关 系 为 ： Y = A B (2.3) 图 2.3 CMOS 与非门电路 3.CMOS 或非门 CMOS 或非门电路如图 2.4 所示。当 A、B 两个输入端均为低电平时，T1、T2 截止，T3、 T4 导通，输出 Y 为高电平；当 A、B 两个输入端中有一个为高电平时，T1、T2 中必有一个导 图 2.2 CMOS 非门
(2. 4)通，T3、T4中必有一个截止，输出为低电平。电路的逻辑关系为：Y=A+B+Upos+Ur11.T(a)(b)图2.4CMOS或非门4.CMOS与门如图2.5所示，二输入与门电路的结构。因为Y=AB=AB=A+B(2. 5)D品F(b) (a)图2.5与门电路(a).逻辑图（b）.CC4081四2输入与门的内部电路所以，实际的输入与门电路（例如CC4081)是由四个非门和一个或非门实现。如图2.5(b）所示。5.CMOS或门CMOS或门的电路结构如图2.6所示。因为Y=A+B=A+B=A·B(2. 6)所以，实际的或门电路（例如CC4071)由四个非门和一个与非门实现，如图2.6(b)所示。Yor.H+FFE5A(a)(b）CC4071四2输入或门的内部电路
5 通，T3、T4 中必有一个截止，输出为低电平。电路的逻辑关系为： Y = A + B (2.4) 图 2.4 CMOS 或非门 4. CMOS 与门 如图 2.5 所示，二输入与门电路的结构。因为 Y = AB = AB = A+ B (2.5) 图 2.5 与门电路 (a).逻辑图 (b).CC4081 四 2 输入与门的内部电路 所以，实际的输入与门电路(例如 CC4081)是由四个非门和一个或非门实现。如图 2.5(b) 所示。 5. CMOS 或门 CMOS 或门的电路结构如图 2.6 所示。因为 Y = A+ B = A+ B = A B (2.6) 所以，实际的或门电路(例如 CC4071)由四个非门和一个与非门实现，如图 2.6(b)所示。 (b)CC4071 四 2 输入或门的内部电路