第3章门电路教案

第3章门电路

一、教学目的：

门电路是数字电路的基本逻辑单元。构成门电路的基本元件是晶体二极管和三极管，本章首先介绍晶体管的开关特性，然后重点讨论目前广泛使用的TTL集成门电路和CMOS集成门电路。对于每一种门电路，除了介绍其电路结构、工作原理和逻辑功能外，还着重讨论它们的电气特性，为实际使用这些器件打下基础。

二、教学题要

在这一章里，首先介绍了晶体管的开关原理，然后介绍分立元件门、TTL集成逻辑门和MOS集成逻辑门等门电路的结构、工作原理和特性。

3.1 概述

TTL和CMOS集成电路是目前数字系统中应用最广的基本电路。在TTL中，有两种载流子参与导电，因此称为双极型集成电路；在CMOS中，只有一种载流子参与导电，因此称为单极型集成电路。尽管TTL和CMOS集成电路在制造工艺方面存在区别，但从逻辑功能和应用的角度上讲，TTL和CMOS集成电路没有多大的区别。从产品的角度上讲，凡是TTL具有的集成电路芯片，CMOS一般也具有，不仅两者的功能相同，而且芯片的尺寸、管脚的分配都相同。换句话说，以TTL为基础设计实现的电路，也可以用CMOS电路来替代。因此，在数字电路系统设计时，不必事先考虑设计目标芯片的类型。

学习集成电路时，应将重点放在它们的外部特性上。外部特性包括电路的逻辑功能和电气特性。集成电路的逻辑功能一般可以用逻辑符号、功能表、真值表、逻辑函数表达式和工作波形来表示。电气特性包括电压传输特性、输入特性、输出特性和动态特性等。

工作速度、抗干扰能力和静态功耗是集成电路的主要技术指标。对于TTL、CMOS和ECL这几种类型的集成电路产品来说，ECL集成电路的速度最快，TTL次之，CMOS最慢；CMOS集成电路的抗干扰能力最强，TTL次之，ECL最弱；CMOS集成电路的静态功耗最低，TTL次之，ECL最大。在设计数字系统时，可以根据需要选择这些产品。

3.2 晶体二极管和三极管的开关特性

半导体器件如晶体二极管、三极管和MOS管都有导通和截止两种状态，在导通状态下，允许电信号通过，在截止状态下，禁止电信号通过，这就是它们的开关特性。半导体器件的开关特性又分为静态特性和动态特性，前者指器件稳定在导通和截止两种状态下的特性，后者指器件在状态发生变化过程中的特性。

3.2.1 晶体二极管的开关特性

3.2.2 晶体三极管的开关特性

3.3 分立元件门

由电阻、电容、二极管、三极管等分立元件构成的逻辑门称为分立元件门。分立元件门的体积大、耗电高、故障多，现在几乎很少使用。这一节介绍的分立元件门，仅作为逻辑门电路学习的入门基础。

3.3.1 二极管与门

3.3.2 二极管或门

3.3.3 三极管非门

3.3.4 复合逻辑门

3.3.5 正逻辑和负逻辑

3.4 TTL集成门

TTL集成电路是一种单片集成电路，其输入端和输出端都是由晶体三极管构成的电路，称为晶体管—晶体管逻辑，简称TTL(Transistor-TransistorLogic)。TTL门是构成数字逻辑系统的基本器件。下面以与非门为典型电路，介绍TIL集成电路的结构、工作原理、外部特性和使用方法。

3.4.1 TTL集成与非门

3.4.2 TTL与非门的外部特性

3.4.3 TTL与非门的主要参数

3.4.4 TTL与非门的改进电路

3.4.5 TTL其他类型的集成电路

3.4.6 TTL集成电路多余输入端的处理

3.5 其他类型的双极型集成电路

在双极型数字集成电路中，TTL电路的应用最广泛。其他种类的双极型集成电路，如二极管三极管逻辑DTL(Diode Transistor Logic)、高阈值逻辑HTL(High Threshold Logic)、发射极耦合逻辑ECL(Emitter Coupled Logic)和集成注入逻辑I2L(Integrated Injection Logic)等，在某些有特殊要求的场合使用。下面简单介绍ECL和12L电路，让读者对它们有一定了解。

3.5.1 ECL电路

3.5.2 I2L电路

3.6 MOS集成门

MOS集成电路是用MOS管作基本元件构成的。MOS管是金属-氧化物-半导体场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)的简称。在MOS管内，只有一种载流子参与导电，因此MOS集成电路称为单极型集成电路。

3.6.1 MOS管

3.6.2 MOS反相器

3.6.3 MOS门

3.6.4 CMOS门的外部特性

三、教学重点、难点

TTL和CMOS集成电路的逻辑功能和电气特性

四、教学过程及方法

学时：4学时

门电路是数字电路的基本逻辑单元。构成门电路的基本元件是晶体二极管和三极管，本章首先介绍晶体管的开关特性，然后重点讨论目前广泛使用的TTL集成门电路和CMOS集成门电路。对于每一种门电路，除了介绍其电路结构、工作原理和逻辑功能外，还着重讨论它们的电气特性，为实际使用这些器件打下基础。

以二极管与门和或门和三极管非门介绍分离元件的门电路。

以TTL与非门入手介绍TTL电路的各种电气特性和特点，然后介绍OC门和三态门。

以NMOS和PMOS的与非门和或非门入手，介绍CMOS电路的电气特性和特点。

TTL电路和CMOS电路多余端处理的异同。

详见第3章教学过程与方法

五、作业布置及参考资料

第四章习题8、12、13(A)，14、15、16 (B)，教师网站上公布习题、复习题和课程教案六、教学后记