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本章系统地讲述了数字集成电路中的基本逻辑单元电路——门电路，为后续使用门电路器件打下了基础。本章主要介绍了二极管和三极管在开关状态下的工作特性，CMOS门电路和TTL门电路的工作原理和逻辑功能。本章的重点内容为CMOS门电路和TTL门电路。
1 门电路的概念和类型（见表3-1-1）
表3-1-1 门电路的概念和类型
2 正逻辑与负逻辑
在电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态。如果以高电平表示逻辑1，以低电平表示逻辑0，则称这种表示方法为正逻辑；反之，则称这种表示方法为负逻辑，如图3-1-1所示。
图3-1-1 正、负逻辑示意图
3 集成电路分类（见表3-1-2）
表3-1-2 集成电路分类
1 半导体二极管的开关特性
（1）半导体二极管的单向导电性：
外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，开关电路如图3-1-2所示，但其并不具有理想的开关特性，而是相当于一个受外加电压极性控制的开关，伏安特性如图3-1-3所示。
（2）工作原理：
① 当v I ＝V IH ，D截止，v O ＝V OH ＝V CC ；
② 当v I ＝V IL ＝0，D导通，v O ＝V OL ＝0。
图3-1-2 二极管开关电路图
图3-1-3 二极管伏安特性示意图
（3）伏安特性的近似法：
① 当外电路的等效电源V CC 和等效电阻R L 都很小时，二极管的正向导通压降和正向电阻都不能忽略，如图3-1-4（a）所示；
② 当二极管的正向导通压降和外加电源电压相比不能忽略，而与外接电阻相比二极管的正向电阻可以忽略时，如图3-1-4（b）所示；
③ 当二极管的正向导通压降和正向电阻与电源电压和外接电阻相比均可忽略时，可以将二极管看作理想开关，如图3-1-4（c）所示。
图3-1-4 几种二极管伏安特性近似法
2 二极管与门、或门（见表3-1-3）
表3-1-3 二极管与门、或门要点总结
1 MOS管的开关特性
（1）MOS管的结构与工作原理：
① 结构示意图与符号见图3-1-5：
图3-1-5 MOS管的结构与符号
② 工作原理：电路图见图3-1-6，具体工作原理为：
a．当v I ＝v GS ＜V GS （ th ） 时，MOS管工作在截止区，在输出端即为高电平V OH ≈V DD ；
b．当v I ＞V GS （ th ） ，且V DS 较高时，MOS管工作在恒流区，随着v I 升高I D 增加，而v O 下降，电路工作在放大状态；
c．当v I 继续升高以后，MOS管的导通内阻R ON 变得很小，输出端变为低电平V OL ≈0，相当于开关。
图3-1-6 MOS管的开关电路图
（2）MOS管的四种类型见表3-1-4：
表3-1-4 MOS管的四种类型对照表
2 CMOS反相器的电路结构和工作原理
（1）CMOS反相器的电路结构如图3-1-7所示；
（2）工作原理：
①
当v
1
＝V
IL
＝0时，有
，故T
1
导通而T
2
截止，输出为高电平V
OH
≈V
DD
；
②
当v
I
＝V
IH
＝V
DD
时，有
，故T
1
截止而T
2
导通，输出为低电平V
OL
≈0。
CMOS电路优点：静态下无论v i 是高电平还是低电平，T 1 和T 2 总有一个是截止的，截止内阻极高，流过两个CMOS管的静态电流极小，故CMOS反相器静态功耗极小。
图3-1-7 CMOS反相器的电路图
（3）电压传输特性和电流传输特性：
① 电压传输特性：在图3-1-7所示的电路图中，CMOS输出电压随输入电压变化的曲线，具体见图3-1-8。
② 电流传输特性：漏极电流随输入电压而变化的曲线，具体见图3-1-9。
图3-1-8 CMOS反相器的电压传输特性
图3-1-9 CMOS反相器的电流传输特性
（4）输入端噪声容限：
① 定义：在保证输出高、低电平基本不变（变化的大小不超过规定的允许限度）的条件下，允许输入信号的高、低电平的波动范围。
② 计算方法：输入为高电平时的噪声容限为V NH ＝V OH （ min ） －V IH （ min ） ；输入为低电平时的噪声容限为V NL ＝V IL （ max ） －V OL （ max ） 。
3 其他类型的CMOS门电路
（1）其他类型CMOS门电路见表3-1-5：
表3-1-5 几种类型CMOS门电路
（2）缓冲级结构：
① 普通逻辑功能CMOS门电路缺点：
a．CMOS门电路输出电阻R O 受输入端状态的影响；
b．输出的高、低电平受输入端数目的影响；
c．输入端工作状态不同时对电压传输特性也有一定的影响。
② 缓冲级的结构作用：为克服上述缺点，在门电路的每个输入端和输出端各增设一级反相器，即缓冲器。需要注意，输入、输出端加入缓冲器后，电路的逻辑功能也发生了变化，与非门电路中加入缓冲级结构则该门电路变为或非门电路，或非门电路中加入缓冲级结构则该门电路变为与非门电路。加入缓冲级的电路结构是实际的器件内部电路结构。
1 双极型三极管的开关特性
（1）双极型三极管的结构：一个独立的双极型三极管由管芯、三个引出电极和外壳组成，分为NPN和PNP两种。结构图见图3-1-10。
图3-1-10 双极型三极管的两种类型
（2）双极型三极管的基本开关电路如图3-1-11所示；
（3）工作原理：
① 当v I ＜V ON 时三极管处于截止状态，i B ＝0，三极管开关电路的输出为高电平V OH ≈V CC ；
② 当v I ＞V ON ，有i B 产生，集电极电流i C 流过R C 和三极管的输出回路，三极管开始进入放大区。v I 继续升高时i B 增加，R C 上的压降也随之增大。当R C 上的压降接近电源电压V CC 时，输出端为低电平v O ＝V OL ≈0。
图3-1-11 双极型三极管的开关电路
2 TTL反相器的电路结构和工作原理
（1）TTL反相器电路如图3-1-12所示；
（2）工作原理：
① 当v I ＝V IL ，T 1 发射结导通，T 2 发射结不导通，使T 4 导通、T 5 截止，输出为高电平V OH ；
② 当v I ＝V IH ，T 2 发射结导通使T 4 截止、T 5 导通，输出为低电平V OL 。
输出和输入是反相关系：Y＝A′。
图3-1-12 TTL反相器电路
3 其他类型的TTL门电路（见表3-1-6）
表3-1-6 其他类型的TTL门电路
