TTL与非门电路结构、工作原理、电压传输特性、输入输出特性、主要参数及其测量方法

1、TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-1） 第二章第二章 门电路门电路 内容：内容： 分立元件逻辑门分立元件逻辑门 TTL与非门与非门 MOS门电路门电路 目的与要求：目的与要求： 掌握掌握TTL与非门电路结构、工作原理、电压传输特性、与非门电路结构、工作原理、电压传输特性、 输入输入/输出特性、主要参数及其测量方法；了解输出特性、主要参数及其测量方法；了解 CMOS反相器、反相器、CMOS门电路、门电路、 CMOS传输门的逻传输门的逻 辑功能和应用。辑功能和应用。 重点与难点：重点与难点： 重点：重点： TTL与非门与非门； 难点：难点：

2、 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理。 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-2） 2.1 概述概述 门电路的作用：门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电是用以实现逻辑关系的电子电 路，与基本逻辑关系相对应。路，与基本逻辑关系相对应。 门电路的主要类型：门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或与门、或门、与非门、或 非门、异或门等。非门、异或门等。 门电路的输出状态与赋值对应关系：门电路的输出状态与赋值对应关系： 正逻辑：高电位对应正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应；低电位对应“0”。 混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输混

3、合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输 入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。 一般采用一般采用 正逻辑正逻辑 负逻辑：高电位对应负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应；低电位对应“1”。 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-3） 1 0 0V Vcc 在数字电路中，对电压值为多少并不重要，在数字电路中，对电压值为多少并不重要， 只要能判断高低电平即可。只要能判断高低电平即可。 K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1” 。 K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0” 。 VO K Vcc R V V TT

4、L与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-4） 2.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路 一、二极管与门一、二极管与门 F D1 D2 A B +12V uAuBuF 0V0V0.3V 0V3V0.3V 3V0V0.3V 3V3V3.3V 逻辑变量逻辑变量 逻辑函数逻辑函数 ( uD=0.3V ) 0 0 0 0 1 0 A B F 1 0 0 1 1 1 真值表：真值表： 逻辑式：逻辑式：F=A B 逻辑符号：逻辑符号： &A B F TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-5） 二、二极管或门二、

5、二极管或门 uAuBuF 0V0V-0.3V 0V3V2.7V 3V0V2.7V 3V3V2.7V F D1 D2 A B -12V 0 0 0 0 1 1 A B F 1 0 1 1 1 1 逻辑式：逻辑式：F=A+B 逻辑符号：逻辑符号： A B F 真值表：真值表： TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-6） R1D R2A F +12V +3V 三、三极管非门三、三极管非门 uAuF 3V0.3 0V3.3 嵌位二极管嵌位二极管 AF 01 10 逻辑式：逻辑式： AF 逻辑符号：逻辑符号： 1 A F 真值表：真值表： TTL与非

6、门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-7） R1D R2 F +12V +3V 三极管非门三极管非门 D1 D2 A B +12V 二极管与门二极管与门 四、与非门四、与非门 逻辑式：逻辑式：BAF &A B F 逻辑符号：逻辑符号： TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-8） 2.3 TTL与非门与非门 数字集成电路：数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个在一块半导体基片上制作出一个 完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。 使用时接：电源、输入和输出。数

7、字集成电使用时接：电源、输入和输出。数字集成电 路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价 格便宜的特点。格便宜的特点。 TTL型电路：型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为体管，称之为: Transistor Transistor Logic。 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-9） CBAF 2.3.1 TTL与非门的基本原理与非门的基本原理 一、结构一、结构 TTL与非门的内部结构与非门的内部结构 +5V F R4R2 R1 3k T2 R5 R3

8、T3 T4 T1 T5 b1 c1 A B C 360 3k 750 100 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-10） 输入级输入级输出级输出级中间级中间级 +5V A B C R1 T1 R2 T2 R3 F R4 R5 T3 T4 T5 T1 多发射极晶多发射极晶 体管：实现体管：实现“与与” 运算。运算。 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-11） +5V A B C R1 T1 R2 T2 R3 F R4 R5 T3 T4 T5 “非非” 复合管形式复合管形式 与非门与非门

9、 输出级输出级“与与” TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-12） 1. 任一输入为低电平（任一输入为低电平（0.3V）时）时 “0” 0.7V 不足以让不足以让 T2、 、T5导通 导通 +5V F R4R2 R1 3k T2 R5 R3 T3 T4 T1 T5 b1 c1 A B C 360 3k 750 100 二、工作原理二、工作原理 三个三个PN结结 导通需导通需2.1V TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-13） +5V F R4R2 R1 3k R5 R3 T3 T4

10、T1 T5 b1 c1 A B C 0.7V “0” uo uo=5-uR2-ube3-ube4 3.4V 高电平！高电平！ 逻辑关系：任逻辑关系：任0则则1。 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-14） +5V F R4R2 R1 3k T2 R5 R3 T3 T4 T1 T5 b1 c1 A B C “1” 全导通全导通 电位被嵌电位被嵌 在在2.1V 全反偏全反偏 1V 截止截止 2. 输入全为高电平（输入全为高电平（3.4V）时）时 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-15）

11、 +5V F R2 R1 3k T2 R3 T1 T5 b1 c1 A B C 全反偏全反偏 “1” 饱和饱和 uF =0.3V ABCF 输入、输出的逻辑关系式：输入、输出的逻辑关系式： 逻辑关系：全逻辑关系：全1则则0。 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-16） 一、电压传输特性一、电压传输特性 2.3.2 TTL与非门的特性和技术参数与非门的特性和技术参数 测试电路测试电路 & +5V uiuo 电压传输特性是指电压传输特性是指 输出电压输出电压 Vo随输入电随输入电 压压 Vi变化的特性。变化的特性。 TTL与非门电路结构、工作

12、原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-17） 传输特性曲线传输特性曲线 uo(V) ui(V)123 UOH “1” UOL (0.3V) 阈值阈值UT=1.4V 理想的传输特性理想的传输特性 输出高电平输出高电平 输出低点平输出低点平 A UOH B C DE UOL UI(V) UO(V) 0.3 2.7 UOFFUTUON TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-18） 1. 输出高电平输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。 典型值典型值U

13、OH=3.4V UOL=0.3V 。 2. 开门电平开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF uiUTON=2.0V时，是输入高电平。时，是输入高电平。 3. 高电平噪声容限高电平噪声容限 UNH和低电平噪声容限和低电平噪声容限UNL (max) (min) OLOFFNL ONOHNH UUU UUU TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-19） 二、输入、输出负载特性二、输入、输出负载特性 & ？ 分两种情况讨论：分两种情况讨论： （1）前级输出为）前级输出为 高电平时高电平时 （2）前级输出为）前级输出为 低电平时低电平时 1. 扇

14、出系数扇出系数: 与非门电路输出能驱动同类门的个数。与非门电路输出能驱动同类门的个数。 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-20） IiH1 IiH3 IOH 前级输出为前级输出为 高电平时：高电平时： +5V R4R2 R5 T3 T4 T1 前级前级 T1 T1 IiH2 21iHiHOH III拉拉电电流流 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-21） T1 T1 T1 +5V R2 R1 3k T2 R3 T1 T5 b1 c1 前级前级 IOL IiL1 IiL2 IiL3

15、前级输出为低电平时：前级输出为低电平时： 21iLiLOL III灌灌电电流流 与非门的扇出系数一般是与非门的扇出系数一般是10。 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-22） 例：某例：某TTL门电路，最大灌入电流门电路，最大灌入电流IOL=10mA, 最大最大 拉出电流拉出电流IOH=1mA, 输入低电平电流输入低电平电流IIL1.0mA, 输入高电平电流输入高电平电流IIH80A。求该门电路的扇出。求该门电路的扇出 系数。系数。 解：输出为高电平时的扇出系数：解：输出为高电平时的扇出系数： 输出为低电平时的扇出系数：输出为低电平时的扇

16、出系数： 所以该门电路的扇出系数为所以该门电路的扇出系数为10。 OL IL I10 =10 I1 OH IH I1000 =25 I80 TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-23） 2. 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 t ui 0 t uo 0 50% 50% tPHLtPLH pdPHLPLH 1 t = (t+t) 2 典型值：典型值：3 10 ns TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-24） +5 V F R4R2 R1 3k T 2R5 R3 T3 T 4 T 1 T

17、5 b 1 c1 A B C Rui k45. 1 3 3 . 4 )V(4 . 1 临临界界R R R 计算临界电阻值：计算临界电阻值： 即：当即：当R 1.45k 时，可以认为输入为时，可以认为输入为“1”； 当当R UT 导通导通 有源有源 负载负载 (非线性电阻非线性电阻) 实际结构实际结构 UCC ui uo TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-37） 二二. CMOS反相器反相器 NMOS管管 PMOS管管 CMOS电路电路 工作原理：工作原理： ui=0时：时： ugs2= UCC ， T2导通、导通、T1截止，截止， uo

18、=“”； ui=1时：时： T1导通、导通、T2截截 止，止，uo=“0”。 UCC S T2 D T1 uiuo D S Complementary -Symmetry MOS 互补对称式互补对称式MOS,简称简称CMOS。 T1 : ON T2: OFF 同一电平同一电平: OFF ON TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-38） 三三. CMOS与非门与非门 &A B F 工作原理工作原理: +UDD A F T2 T1 B T3 T4 S S S S G G 结构结构 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 A B T1

19、T2 T3 T4 F BAF TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-39） A B T1 T2 T3 T4 F A B F 工作原理工作原理: +UDD F A T2 T1 B T3T4 G G S S S 结构结构 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 四四. CMOS或非门或非门 BAF TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-40） 附附: 门电路的常见逻辑符号门电路的常见逻辑符号 与门与门 或门或门 非门非门 F=AB F=A+BAF &A B F A B F A B F A B F A B F A B F A 1 F A F AF A F TTL与非门电路结构、工作原理、 电压传输特性、输入输出特性、主 要参数及其测量方法 （2-41） 与非门与非门 或非门或非门 OC门门 (两输入与非两输入与非) BAF BAF &A B F A B F A B F A B F A B F A B F &A B F A B F A B