数字电路逻辑设计第三章

1、数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计第三章第三章 集成逻辑门集成逻辑门第三章第三章 集成逻辑门集成逻辑门目的与要求：目的与要求： 了解半导体二极管、三级管和了解半导体二极管、三级管和MOSMOS的开关特性；的开关特性； 掌握掌握TTLTTL门电路和门电路和CMOSCMOS门电路的基本工作原理和外特性；门电路的基本工作原理和外特性； 熟悉熟悉TTLTTL门电路和门电路和CMOSCMOS门电路的主要参数，掌握门电路门电路的主要参数，掌握门电路 的正确使用。的正确使用。重点与难点：重点与难点： TTLTTL门电路和门电路和CMOSCMOS门电路的外特性。门电路的外特性。 3.1 3.1 晶体管的开关

2、特性晶体管的开关特性 3.2 TTL3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门 3.3 MOS3.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路 3.4 CMOS3.4 CMOS电路电路(a) (a) 二极管符号表示二极管符号表示 (b) (b) 二极管伏安特性二极管伏安特性 二极管符号表示及伏安特性二极管符号表示及伏安特性 3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性1 1二极管的稳态开关特性二极管的稳态开关特性3.1.13.1.1晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性 正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿特性特性开启电压开启电压 加正向电压时导通，伏安特性很陡、压降很小（硅管为加正向电压时导通，

3、伏安特性很陡、压降很小（硅管为 0.7V，锗管为，锗管为0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关），可以近似看作是一个闭合的开关 加反向电压时截止，反向电流很小可以近似看作是一加反向电压时截止，反向电流很小可以近似看作是一 个断开的开关。个断开的开关。1、理想模型、理想模型 2、恒压降模型、恒压降模型 3、折线模型、折线模型正向压降为正向压降为0，反向，反向电流为电流为0（正向导通（正向导通反向截止）反向截止）硅管正向压降为硅管正向压降为0.7V，锗管正向压降为锗管正向压降为0.3V。反向截止反向截止(1)(1)加正向电压加正向电压V VF F时，二极管导通，管压降时，二极管导通，管压降V V

4、D D可忽略。可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。二极管相当于一个闭合的开关。（a a）二极管正向导通电路）二极管正向导通电路 （b b）二极管正向导通等效电路）二极管正向导通等效电路 外加正向电压的情况外加正向电压的情况 3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性(2)(2)加反向电压加反向电压V VR R时，二极管截止，反向电流时，二极管截止，反向电流I IS S可忽略。可忽略。二极管相当于一个断开的开关。二极管相当于一个断开的开关。（b b）二极管反向截至等效电路）二极管反向截至等效电路可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压控制的开关。可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压控制

5、的开关。（a a）二极管反向截至电路）二极管反向截至电路 外加反向电压的情况外加反向电压的情况 3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性2.2.二极管的动态特性二极管的动态特性在在0t1期间，期间，vi VF时，时，D导通，电路中有电流流过：导通，电路中有电流流过：RLviiD1.1.二极管从正向导通到反向截止的过程二极管从正向导通到反向截止的过程vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存储正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。产生反向恢复的

6、过程的原因：存储电荷消散需要时间产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间二极管与门电压关系二极管与门电压关系1). 1). 二极管与门二极管与门UAUB VD1VD2UF00导通导通导通导通0.703导通导通截止截止0.730截止截止导通导通0.733导通导通导通导通3.7UAUB UF000010100111二极管与门真值表二极管与门真值表ABF ABY3 3二极管的应用电路二极管的应用电路2 2）二极管或门）二极管或门ABY二极管或门电压关系二极管或门电压关系UAUB VD1VD2UF00截止截止截止截止003截止截止导通导通2.330导通导通截止截止2.333截止截止截止截止2.3

7、UAUB UF000011101111二极管或门真值表二极管或门真值表BAFABVDuiuoRE并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路 VDuiuoER并联二极管下限幅电路并联二极管下限幅电路 3 3）限幅电路）限幅电路1 1）限幅电路。限幅电路是将输入波形的一部分传送到输出端，）限幅电路。限幅电路是将输入波形的一部分传送到输出端，而将其余部分抑制，从而实现对脉冲波形的变换或整形。而将其余部分抑制，从而实现对脉冲波形的变换或整形。从电路结构结构上看，限幅电路可分为串联、并联限幅两种。从电路结构结构上看，限幅电路可分为串联、并联限幅两种。VD1uiuoRE1VD2E2双向限幅电路双向限幅电路

8、例：图示二极管限幅电路，例：图示二极管限幅电路，R R1k1k，U UREFREF=2V=2V，输入信号为，输入信号为u ui i。(1) (1) 若若 u ui i为为4V4V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流算电流I I和输出电压和输出电压u uo o+-+UIuREFRiuO解：理想模型解：理想模型mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUu恒压降模型恒压降模型mA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu（2 2）如果）如果u ui i为幅度为幅度4V4V的交流三角波，波形如图（的交流三

9、角波，波形如图（b b）所示，）所示，分别采用理想二极管模型和恒压降模型分析电路并画出相分别采用理想二极管模型和恒压降模型分析电路并画出相应的输出电压波形。应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：理想模型（波形如图所示）。解：理想模型（波形如图所示）。0-4V4Vuit2V2Vuot u ui iUUUREFREF时，二极管正偏导通，相当时，二极管正偏导通，相当于短路，于短路，u uo o U UREFREF；02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V恒压降模型（波形如图所示）。恒压降模型（波形如图所示）。+-+UIuREFRiuO u ui iUUUREFREF+U+Uonon时，二

10、极管正偏导时，二极管正偏导通，相当于短路，通，相当于短路，u uo o= = U UREFREF+Uon+Uon；2 2）钳位电路。钳位电路是将脉冲波形的顶部或底部钳定）钳位电路。钳位电路是将脉冲波形的顶部或底部钳定在某一选定电平上。其实质是由在某一选定电平上。其实质是由二极管的通断来改变二极管的通断来改变RCRC电电路的充放电时间常数，路的充放电时间常数，使得电容使得电容C C实现快充慢放或者慢充实现快充慢放或者慢充快放，达到钳位波形的目的。快放，达到钳位波形的目的。3.1.23.1.2晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性 1. 1. 三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性 3.1 3.1

11、 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区 uI 增大增大使使 iB 增大，增大，从而工作点上移，从而工作点上移， iC 增增大，大，uCE 减小。减小。截止区截止区uBE U Uthth时，三极管开始导通，时，三极管开始导通，i iB B 0 0，三极管工作于，三极管工作于放大导通状态。放大导通状

12、态。IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区截止区截止区uBE I IB(sat)B(sat)因为因为 i iB B = =IHIHB B-0.7 V-0.7 VU UR RBBV .92V 7 . 06 . 3RR CCCB(sat)RVI mA 1 . 0k 150V 5 所以求得所以求得 R RB B 29 k t tonon开关时间主要由于开关时间主要由于电电荷存储效应荷存储效应引起，要提高引起，要提高开关速度，必须降低三极开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。储电荷的消

13、散。C C E E B B SBD SBD B B C C E E 在普通三极管的基极和集电极之间并在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管接一个肖特基势垒二极管( (简称简称 SBD) SBD) 。B BC CSBDSBD抗饱和三极管的开关速度高抗饱和三极管的开关速度高 没有电荷存储效应没有电荷存储效应 SBD SBD 的导通电压只有的导通电压只有 0.10.3V 0.10.3V 而非而非 0.7 V0.7 V， 因此因此 U UBC BC = 0.3 V = 0.3 V 时，时，SBD SBD 便导通，使便导通，使 U UBC BC 钳在钳在 0.3 V 0.3 V 上，降低

14、了饱和深度。上，降低了饱和深度。3.2.1 TTL3.2.1 TTL逻辑门电路逻辑门电路1. TTL1. TTL与非门电路与非门电路输入级是由多发射极输入级是由多发射极晶体管晶体管T1T1和电阻和电阻R1R1组组成的一个与门，其功成的一个与门，其功能是实现输入逻辑变能是实现输入逻辑变量量A A、B B、C C的与运算。的与运算。 中间级是由中间级是由T2T2、R2R2及及R3R3组组成的一个电压分相器，它成的一个电压分相器，它在在T2T2的发射极与集电极上的发射极与集电极上分别得到两个相位相反的分别得到两个相位相反的电压信号，用来控制输出电压信号，用来控制输出级晶体管级晶体管T3T3和和T4T

15、4的工作状的工作状态，使它们轮流导通。态，使它们轮流导通。 是由是由 T3T3、D4D4、T4T4和和R4R4构成的一个构成的一个非门。输出非门。输出级采用的推级采用的推挽结构，使挽结构，使T3T3、T4T4轮流轮流导通导通 （1 1）电路组成）电路组成 3.2 TTL 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门多发射极三极管多发射极三极管 有有0.3V0.3V箝位于箝位于1.0V1.0V全为全为3.6V3.6V集电集电结导结导通通等效电路图等效电路图 当当VTVT1 1输入端有一个或数个输入端有一个或数个为为 低电平时，输出高电平低电平时，输出高电平。输入低电平端对应的发射结输入低电平端对应的发射结

16、导通，导通， u uB1B1=0.3V+0.7V=1V=0.3V+0.7V=1V其他发射结因反偏而截止。其他发射结因反偏而截止。0.3 V0.3 V3.6 V3.6 V3.6 V3.6 V1V1V截止截止截止截止 VTVT2 2和和VTVT4 4均截止均截止VTVT2 2 截止使截止使 u uC2 C2 V VCC CC = 5 V= 5 V， VTVT3 3和和VDVD导通。导通。 u uF F =V=VCCCC -U -UBE3BE3-U-UD D-I-IB3B3R R2 2 5V5V - - 0.70.7 V V - - 0.70.7 V V = = 3.63.6 V V5 V5 V导通

17、导通3.63.6 V V输出高电平，与非门处于关闭状态。输出高电平，与非门处于关闭状态。（2 2）功能分析）功能分析 输入均为高电平时，输输入均为高电平时，输出低电平出低电平VTVT1 1集电结导通（倒置），集电结导通（倒置）， VTVT2 2 VTVT4 4饱和导通饱和导通u uB1B1=0.7V+0.7V+0.7V=2.1V=0.7V+0.7V+0.7V=2.1V， u uB3B3=0.7V+0.3V=1V=0.7V+0.3V=1VVTVT3 3和和VDVD截止，截止， U UF F =U =UCE4 CE4 0.3V0.3V3.6 V3.6 V3.6 V3.6 V3.6 V3.6 V倒置

18、放大倒置放大导通导通导通导通2.1V2.1V1V1V截止截止0.3V0.3V输出低电平，与非门处于开门状态输出低电平，与非门处于开门状态由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系。由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系。 CBAF在两种工作状态下，各晶体管工作情况如表所示：在两种工作状态下，各晶体管工作情况如表所示：TTLTTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态输输 入入T T1 1T T2 2T T3 3D D4 4T T4 4输输 出出与与非非门门状状态态全部为高全部为高电位电位倒置工倒置工作作饱饱和和截截止止截截止止饱饱和和低电低电平平V VOLOL开开门门至少一个至少一个

19、低电位低电位深饱和深饱和截截止止导导通通导导通通截截止止高电高电平平V VOHOH关关门门(3) (3) 推拉输出电路和多发射极晶体管的作用推拉输出电路和多发射极晶体管的作用 T3 T3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。能提高负载能力。 当当T2T2由饱和转为截止时，由饱和转为截止时， T3T3和和D D导通，由于导通，由于T3T3是射是射极输出器，极输出器，T4T4的集电极电阻很小，此时瞬间电流很大，的集电极电阻很小，此时瞬间电流很大，从而加速了从而加速了T4T4管脱离饱和的速度，使管脱离饱和的速度，使T4T4迅速截止。迅速截

20、止。 由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平由于采用推拉式输出级，与非门输出低电平VT4VT4处于处于深度饱和状态，输出电阻很低，输出高电平时深度饱和状态，输出电阻很低，输出高电平时VT3VT3和和VDVD导导通，组成射极跟随器，其输出电阻很低，因此无论哪种通，组成射极跟随器，其输出电阻很低，因此无论哪种状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力。3.2.2 TTL3.2.2 TTL与非门的主要外部特性与非门的主要外部特性1.1.TTLTTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 3.2 TTL 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门电压传输特性测试电路电

21、压传输特性测试电路0 0u uO O/V/Vu uI I/V/V0.30.31.01.02.02.03.03.03.63.61.01.02.02.0A AC CD DB BU UOHOHU UOLOLSTTLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线 u uI I 较小时工作于较小时工作于AB AB 段，这时段，这时 V V2 2、V V4 4 截止，截止，V V3 3、D D4 4 导通，输出恒为高导通，输出恒为高电平，电平，U UOH OH 3.6V 3.6V，称与非，称与非门工作在截止区或处于关门工作在截止区或处于关门状态。门状态。 u uI I 较大时工作较大时工作于于 BC

22、 BC 段，段， u uI I 的微小增的微小增大引起大引起 u uO O 急剧下降，称急剧下降，称与非门工作在转折区。与非门工作在转折区。 u uI I 很大时工作于很大时工作于 CD CD 段，这时段，这时 T T2 2、T T4 4 饱和，输出饱和，输出恒为低电平，恒为低电平，U UOL OL 0.3V0.3V，称，称与非门工作在饱和区或处于开与非门工作在饱和区或处于开门状态。门状态。 0 0u uO O/V/Vu uI I/V/V0.30.31.01.02.02.03.03.03.63.61.01.02.02.0A AC CD DB BU UOHOHU UOLOLSTTLSTTL与非门

23、与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线饱和区：与非门饱和区：与非门处于开门状态。处于开门状态。 截止区：与非门截止区：与非门处于关门状态。处于关门状态。 转折区转折区 -输出电压随输入电压变化的特性输出电压随输入电压变化的特性 下面介绍与下面介绍与电压传输特电压传输特性有关的主要参数：性有关的主要参数：有关参数有关参数 0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线电压传输特性曲线标准高电平标准高电平 USH 当当 uO USH 时，则认为输出高时，则认为输出高电平，通常取电平，通常取 USH = 3 V。 标准低电平标准低电平 USL当当 u

24、O USL 时，则认为输出低时，则认为输出低电平，通常取电平，通常取 USL = 0.35 V。 关门电平关门电平 UOFF保证输出保证输出不小于不小于标准高电平标准高电平USH 时时,允许的输入低电平的最大值。允许的输入低电平的最大值。开门电平开门电平 UON保证输出保证输出不高于不高于标准低电平标准低电平USL 时时,允许的输入高电平的最小值。允许的输入高电平的最小值。阈值电压阈值电压 UTH转折区中点对应的输入电压，转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。又称门槛电平。USH = 3VUSL = 0.35VUOFFUONUTH近似分析时认为：近似分析时认为：uI UTH，则与非门开通，则

25、与非门开通， 输出低电平输出低电平UOL；uI UTH，则与非门关闭，则与非门关闭， 输出高电平输出高电平UOH。噪声容限越大，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。 指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。U UNL NL = = U UOFF OFF U UILIL 指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。U UNH NH = = U UIH IH U UONON 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值，就不会影响电路的正

26、常逻辑功能，这个允许值称为值称为噪声容限噪声容限。 输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限 U UNHNH输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限 U UNLNL0VOLVILVOFFVONVIHVIVOH3.6 VVOVNHVNL低电平噪声容限：低电平噪声容限：V VNLNL=V=Voffoff -V -VILIL 高电平噪声容限：高电平噪声容限： V VNHNH= V= VIHIH -V -Vonon 抗干扰容限用来表征逻辑门的抗干扰能力，一旦干扰抗干扰容限用来表征逻辑门的抗干扰能力，一旦干扰电平超过抗干扰容限，逻辑门将不能正常工作。电平超过抗干扰容限，逻辑门将不能正常工作。2. 2. 输入特性

27、输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即输入电流与输入电压之间的关系曲线，即i iI I=f(v=f(vI I) ) （2 2）输入漏电流）输入漏电流I IIH IH 输入特性曲线输入特性曲线（1 1）输入短路电流）输入短路电流I IISIS 输入端接地时流经输入端的电流输入端接地时流经输入端的电流 当当v vI IV Vthth时的输入电流称为输入漏电流，其数值很小。时的输入电流称为输入漏电流，其数值很小。 输入电流输入电流i iI I以流出以流出T T1 1发射极方向为正。发射极方向为正。 输入负载特性测试电路输入负载特性测试电路 输入负载特性曲线输入负载特性曲线0 0u uI I /

28、V/VR R1 1/k/k U UOFFOFF1.11.1F FN NR ROFFOFFR RONON（3 3） 输入负载特性输入负载特性 R ROFF OFF 称关门电阻。称关门电阻。R RI I R RON ON 时，相应输入端相当时，相应输入端相当于输入高电平。对于输入高电平。对 TTL TTL 系列，系列，R RON ON 3.2k 3.2k 。R RONONR ROFFOFFU UOFFOFF 例例 下图中，已知下图中，已知 R ROFF OFF 800 800 ，R RON ON 3 k 3 k ，试对应，试对应 输入波形定性画出输入波形定性画出TTLTTL与非门的输出波形。与非门

29、的输出波形。(a)(a)(b)(b)t tA A0.3 0.3 V V3.6 3.6 V VO O不同不同 TTL TTL 系列，系列， R RONON、 R ROFF OFF 不同。不同。相应输入端相当于输入低电平，相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 0 0 。逻辑逻辑0 0因此因此 Y Ya a 输出恒为高电平输出恒为高电平 U UOH OH 。相应输入端相当于输入高电平，相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 1 1 。逻辑逻辑1 1AAYb 1因此，可画出波形如图所示。因此，可画出波形如图所示。Y Yb bt tO OY Ya a

30、t tU UOHOHO O解：图解：图(a)(a)中，中，R RI I = 300 = 300 R RON ON 3.2 k 3.2 k 3. 3. 输出特性输出特性 TTLTTL与非门的输出特性反映了输出电压和输出电流的关系与非门的输出特性反映了输出电压和输出电流的关系 （1 1）与非门处于开态时：此时）与非门处于开态时：此时T T4 4饱和，输出低电平，饱和，输出低电平，输出电流输出电流i iL L从负载流进从负载流进T T4 4，形成灌电流。，形成灌电流。 TTL TTL与非门输出低电平的输出特性与非门输出低电平的输出特性（2 2）与非门处于关态时：此时）与非门处于关态时：此时T T4

31、4截止，截止，T T3 3、D D4 4导通，输出高电导通，输出高电平平 , ,负载电流为拉电流负载电流为拉电流 . . TTLTTL与非门输出高电平时的输出特性与非门输出高电平时的输出特性 由于三极管存在开关时间，元、由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。 输入信号输入信号U UOmOm0.5 0.5 U UOmOm0.5 0.5 U UImImU UImIm输出信号输出信号4. 4. 传输延迟时间传输延迟时间 输入电压波形下降沿输入电压波形下降沿 0.5

32、 0.5 U UIm Im 处到输出电压上升沿处到输出电压上升沿 0.5 0.5 U Uomom处间隔的时间称处间隔的时间称截止延迟时间截止延迟时间 t tPLHPLH。 输入电压波形上升沿输入电压波形上升沿 0.5 0.5 U UIm Im 处到输出电压下降沿处到输出电压下降沿 0.5 0.5 U Uomom处间隔的时间称处间隔的时间称导通延迟时间导通延迟时间 t tPHLPHL。平均传输延迟时间平均传输延迟时间 t tpdpd 2PLHPHLpdttt t tPHLPHLt tPLHPLHt tpd pd 越小，则门越小，则门电路开关速度越高，电路开关速度越高，工作频率越高。工作频率越高。

33、 0.5 0.5 U UImIm0.5 0.5 U UOmOm5. 5. 功耗功耗- -延迟积延迟积 常用功耗常用功耗 P P 和平均传输延迟时间和平均传输延迟时间 t tpd pd 的乘积的乘积( (简简称功耗称功耗 延迟积延迟积) )来综合评价门电路的性能，即来综合评价门电路的性能，即M M = = P tP tpdpd 性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的特点，然而这两者矛盾。特点，然而这两者矛盾。 M M 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。 6 TTL6 TTL与非门的带负载能力与非门的带负载

34、能力（1 1）灌电流负载）灌电流负载+V+V13D12312313截止3饱和CC（ +5V）TTR截止4c4RCC4Kb1b14KR输出低电平IILIILIOLC3I= 当驱动门输出低电平时当驱动门输出低电平时, ,把允许灌把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平入输出端的电流定义为输出低电平电流电流I IOLOL。ILOLOLIINN NOLOL称为输出低电平时的扇出系数称为输出低电平时的扇出系数 扇入系数是指合格的输入端的个数；扇入系数是指合格的输入端的个数；扇出系数是指逻辑门输出端最多能扇出系数是指逻辑门输出端最多能 驱动同类门的个数。驱动同类门的个数。 （2 2）拉电流负载）拉电流负载

35、当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出，把允许拉出输出端的电流定义为输出高出，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流电平电流I IOHOH。+V+V1231312313DRCCR3导通b14K截止T（+5V）b1Tc4R4CC4K导通输出高电平IIHIIHOHE4=IIIHOHOHIINN NOHOH称为输出高电平时的扇出系数。称为输出高电平时的扇出系数。 一般一般N NOLOLN NOHOH，常取两者中的较小值作为门电路的，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用扇出系数，用N NO O表示。表示。负载电流流入与负载电流流入与非门的输出端。非门的输出

36、端。 负载电流从与非门负载电流从与非门的输出端流向外负载。的输出端流向外负载。负载电流流入驱动门负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门负载电流流出驱动门IOH输入均为输入均为高电平高电平 输入有输入有低电平低电平 输出为低电平输出为低电平 输出为高电平输出为高电平 灌电流负载灌电流负载拉电流负载拉电流负载 不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中，逻辑门输出低电平时的扇出系数一般小于输出高电实用中，逻辑门输

37、出低电平时的扇出系数一般小于输出高电平时的扇出系数。常用平时的扇出系数。常用扇出系数扇出系数 NOL 表示电路负载能力。表示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。 通常按照负通常按照负载电流的流向将载电流的流向将与非门负载分为与非门负载分为 灌电流负载灌电流负载 拉电流负载拉电流负载 1.TTL1.TTL非门非门L L+V+V1 12 23 31 12 23 3D D1 12 23 31 13 3A AT TT TT T1 12 23 3R Re2e21 1A AL=AL=A(a)(a)(b)(b)R Rc2c2R RCCCCR RT

38、 Tc4c4b1b14 4请大家自行分析一下非门的工作原理！请大家自行分析一下非门的工作原理！二、其他功能的二、其他功能的 TTL 门电路门电路 2.TTL2.TTL或非门或非门TTLTTL或非门电路或非门电路 T T1 1和和T T1 1为输入级；为输入级；T T2 2和和T T2 2的两个集电极的两个集电极并接，两个发射极并接，并接，两个发射极并接，构成中间级；构成中间级；T T3 3、D D4 4和和T T4 4构成推拉式输出级。构成推拉式输出级。 输入端全部为低电平时，输入端全部为低电平时，输出高电平，有一个或输出高电平，有一个或两个为高电平输入时，两个为高电平输入时，输出就为低电平，

39、该电路输出就为低电平，该电路实现或非逻辑功能。实现或非逻辑功能。 3.2 TTL 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门3.TTL3.TTL异或门异或门V VCCCCT T9 9T T8 8D DT T6 6Y YTTLTTL异或电路异或电路B BA AT T2 2T T3 3T T7 7T T4 4T T5 5T T1 1p px xy yABp BAx xpy BABABAABBAxpyY 使用时需使用时需外接外接上拉电阻上拉电阻 RL 即即 Open collector gate，简称简称 OC 门。门。 常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、

40、与或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来的，的，TTL 与非门的上述特性对这些门电路大多适用。与非门的上述特性对这些门电路大多适用。 VC 可以等于可以等于 VCC也可不等于也可不等于 VCC 4.4.集电极开路与非门集电极开路与非门 1. 电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理 输入都为高电平时，输入都为高电平时， V2 和和 V5 饱和导通，输出饱和导通，输出为低电平为低电平 UOL 0.3 V 。输入有低电平时，输入有低电平时，V2和和 V5 截止，输出为高电平截止，输出为高电平 UOH VC 。 因此具有与非功能。因此

41、具有与非功能。 工作原理工作原理 OC门门 相当于与门作用。相当于与门作用。 因为因为 Y1、Y2 中有低电中有低电平时，平时，Y 为低电平；只有为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，均为高电平时，Y才为高电平，故才为高电平，故 Y = Y1 Y2。2. 应用应用 ( (1) ) 实现线与实现线与两个或多个两个或多个 OC 门的输出端直接相连，门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与。相当于将这些输出信号相与，称为线与。 Y只有只有 OC 门才能实现线与。普通门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联，否则可能损坏器件。门输出端不能并联，否则可能损坏器件。注意注意CDAB

42、CDABY 说明说明: :普通的普通的TTLTTL电路不电路不能将输出端连在一能将输出端连在一起起, ,输出端连在一输出端连在一起起, ,可能使电路形可能使电路形成低阻通道成低阻通道, ,使电使电路因电流过大而烧路因电流过大而烧毁毁; ; 3.2 TTL 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门( (2) )驱动显示器和继电器等驱动显示器和继电器等 例例 下图为用下图为用 OC 门驱动发光二极管门驱动发光二极管 LED 的显示电路。的显示电路。 已知已知 LED 的正向导通压降的正向导通压降 UF = 2V，正向工作电流，正向工作电流 IF = 10 mA，为保证电路正常工作，试确定，为保证电路正常

43、工作，试确定 RC 的值。的值。解解：为保证电路正常工作，应满足为保证电路正常工作，应满足FCOLFV5CIRUUIR mA 10V 3 . 0V 2V 5 C R即即因此因此RC = 270 分析：分析：该电路只有在该电路只有在 A、B 均为均为高电平，使输出高电平，使输出 uO 为低电平时，为低电平时，LED 才导通发光；否则才导通发光；否则 LED 中无电流流通，不发光。中无电流流通，不发光。 要使要使 LED 发光，应满足发光，应满足IRc IF = 10 mA。TTLCMOSRLVDD+5 V(3)(3)实现电平转换实现电平转换 TTL TTL 与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不

44、与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用同种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC OC 门就门就可以适应负载门对电平的要求。可以适应负载门对电平的要求。OC OC 门的门的 U UOL OL 0.3V 0.3V，U UOH OH V VDDDD，正好符合，正好符合 CMOS CMOS 电路电路 U UIH IH V VDDDD，U UIL IL 0 0的要求。的要求。 VDDRL 即即 Tri- -State Logic 门，门，简称简称 TSL 门。其输出有高门。其输出有高电平态、低电平态和高阻电平态、低电平态和高阻态三种状态。态三种状态。三态输出与非

45、门电路三态输出与非门电路 EN = 1 时，时，P = 0，uP = 0.3V0110 0.3V1V导通导通截止截止截止截止 另一方面，另一方面，V1 导通，导通， uB1 = 0.3V + 0.7V = 1V, V2、V5 截止。截止。这时，从输出端这时，从输出端 Y 看进去，看进去，对地和对电源对地和对电源 VCC 都相当于开都相当于开路，路，输出端呈现高阻态输出端呈现高阻态，相当，相当于输出端开路。于输出端开路。Y=AB1V导通导通截止截止截止截止Z这时这时 VD 导通，使导通，使 uC2 = 0.3 V + 0.7 V = 1 V，使，使 V4 截止。截止。5. 5. 三态输出门三态输

46、出门 1. 电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理工作原理工作原理 EN = 0 时，时，P = 1，VD 截止截止电路等效为一个输入为电路等效为一个输入为 A、B 和和1 的的 TTL 与非门。与非门。 Y = AB 综上所述，可见：综上所述，可见：只有当使能信号只有当使能信号 EN = 0 时才允许三态时才允许三态门工作，故称门工作，故称 EN 低电平有效低电平有效。EN 称使能信号或控制信号，称使能信号或控制信号，A、B 称数据信号。称数据信号。当当 EN = 0 时，时，Y = AB，三态门处于工作态；三态门处于工作态；当当 EN = 1 时，三态门输出呈时，三态门输出呈现高

47、阻态，又现高阻态，又称称禁止态。禁止态。( (a a) ) 电路电路 1)1) 当当EN=1EN=1时时,P=1,P=1,二二 极管截止极管截止, ,电路等电路等效为普通与非门。效为普通与非门。2)2)当当EN=0EN=0,P=0,T,P=0,T4 4 和和T T5 5均截止均截止, ,输输 出高阻态出高阻态“Z Z”。EN 即即 Enable功能表功能表Z0AB1YEN使能端的两种控制方式使能端的两种控制方式使能端低电平有效使能端低电平有效使能端高电平有效使能端高电平有效功能表功能表Z1AB0YENEN2. 应用应用 任何时刻任何时刻 EN1、EN2、 EN3 中只能有一个为有效电平，中只能

48、有一个为有效电平，使相应三态门工作，而其他三使相应三态门工作，而其他三态输出门处于高阻状态，从而态输出门处于高阻状态，从而实现了总线的复用。实现了总线的复用。总线总线 ( (1) )构成单向总线构成单向总线 DIDO/DIDO00高阻态高阻态工作工作DI EN = 0 时，时，总线上的数据总线上的数据 DI经反相后在经反相后在 G2 输输出端输出。出端输出。( (2) )构成双向总线构成双向总线 DIDO/DIDO11工作工作DO高阻态高阻态 EN = 1 时，时，数据数据 DO 经经 G1 反相后传送到反相后传送到总线上。总线上。 DIDO/DIDO11工作工作DO高阻态高阻态 EN = 1

49、 时，时，数据数据 DO 经经 G1 反相后传送到反相后传送到总线上。总线上。 DIDO/DIDO TTL 集成门的类型很多集成门的类型很多, ,那么那么如何识别它们如何识别它们? ?各类型之间有何异各类型之间有何异同同? ?如何选用合适的门如何选用合适的门? ?三、三、TTL 集成门应用要点集成门应用要点 1. . 各系列各系列 TTL 集成门的比较与选用集成门的比较与选用 用于民品用于民品 用于军品用于军品 具有完全相同的电路结构和电气性能具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但参数，但 CT54 系列更适合在温度条件恶系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。劣、供电电源变化

50、大的环境中工作。 按工作温度和电源允许变化范围不同分为按工作温度和电源允许变化范围不同分为 CT74 系列系列 CT54 系列系列向高速向高速发展发展 向低功向低功耗发展耗发展 按平均传输延迟时间和平均功耗不同分按平均传输延迟时间和平均功耗不同分 向减小向减小功耗功耗 - -延迟积延迟积发展发展 措施：增大电阻值措施：增大电阻值 措施：措施：( (1) ) 采用采用 SBD 和抗饱和三极管；和抗饱和三极管；( (2) ) 采用有源泄放电路；采用有源泄放电路；( (3) ) 减小电路中的电阻值。减小电路中的电阻值。其中，其中，LSTTL 系列综合性能优越、品种多、系列综合性能优越、品种多、价格便

51、宜；价格便宜； ALSTTL 系列性能优于系列性能优于 LSTTL，但品，但品种少、价格较高，因此种少、价格较高，因此实用中多选用实用中多选用 LSTTL。 CT74 系列系列( (即标准即标准 TTL ) )CT74L 系列系列( (即低功耗即低功耗 TTL简称简称 LTTL) ) CT74H 系列系列( (即高速即高速 TTL简称简称 HTTL) )CT74S 系列系列( (即肖特基即肖特基TTL简称简称 STTL) ) CT74AS 系列系列( (即先进肖特基即先进肖特基TTL简称简称 ASTTL) ) CT74LS 系列系列( (即低功耗肖特基即低功耗肖特基TTL 简称简称 LSTTL

52、) )CT74ALS 系列系列( (即先进低功耗肖特基即先进低功耗肖特基TTL 简称简称 LSTTL) ) 集成门的选用要点集成门的选用要点( (1) )实际使用中的最高工作频率实际使用中的最高工作频率 fm 应不大于逻辑门最高工作应不大于逻辑门最高工作 频率频率 fmax 的一半。的一半。 实实物物图图片片 ( (2) )不同系列不同系列 TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度度( (平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd ) )和平均功耗不同。实际使用和

53、平均功耗不同。实际使用时，时， 高速门电路可以替换低速的；反之则不行。高速门电路可以替换低速的；反之则不行。 例如例如 CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00 xx74xx00 引脚图引脚图 双列直插双列直插 14 引脚引脚四四 2 输入与非门输入与非门 2. TTL 2. TTL 集成逻辑门的使用要点集成逻辑门的使用要点 (1)(1)电源电压用电源电压用 + 5 V+ 5 V， 74 74 系列应满足系列应满足 5 V 5 V 5% 5% 。(2)(2)输出端的连接输出端的连接 普通普通 TTL TTL 门输出端不允许直接并联

54、使用。门输出端不允许直接并联使用。 三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。一个门工作，其他门输出处于高阻状态。 集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源电源 V VCC CC 之间应接负载电阻之间应接负载电阻 R RL L。 输出端不允许直接接电源输出端不允许直接接电源 V VCC CC 或直接接地。或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。 3. 3. 多余输入端的处理多余输入端的处理 与门和与非门的多余输

55、入端接逻辑与门和与非门的多余输入端接逻辑 1 1 或者与有用输入端并接。或者与有用输入端并接。接接 V VCCCC通过通过 1 10 k1 10 k 电阻接电阻接 V VCCCC与有用输入端并接与有用输入端并接TTL TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平，电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。或门和或非门的多余输入端接逻辑或门和或非门的多余输入端接逻辑 0 0或者与有用输入端并接或者与有用输入端并接 例例 欲用下列电路实现非运算

56、，试改错。欲用下列电路实现非运算，试改错。( (R ROFF OFF 700 700 ，R RON ON 2.1 k 2.1 k ) )解：解：OC 门输出门输出端需外接端需外接上拉电阻上拉电阻RC5.1kY = 1Y = 0 RI RON ，相应输入，相应输入端为高电平。端为高电平。510 RI ROFF ，相应，相应输入端为低电平。输入端为低电平。 是由增强型是由增强型 PMOS 管和增强型管和增强型 NMOS 管组成管组成的互补对称的互补对称 MOS 门电路。比之门电路。比之 TTL，其突出优点，其突出优点为：微功耗、抗干扰能力强。为：微功耗、抗干扰能力强。 主要要求：主要要求： 掌握掌

57、握 CMOS 反相器的电路、工作原理反相器的电路、工作原理和主要外特性和主要外特性。 了解了解 CMOS 数字集成电路的应用要点。数字集成电路的应用要点。 了解了解 CMOS 与非门、或非门、开路门、与非门、或非门、开路门、三态门和传输门的电路和逻辑功能。三态门和传输门的电路和逻辑功能。 3.4MOS 集成逻辑门集成逻辑门 3.4.1 MOS3.4.1 MOS晶体管晶体管1 1N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管（a a）结构示意图）结构示意图 （b b）符号）符号 N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管场效应管 3.4 MOS3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路2 2增强型增强型

58、NMOSNMOS管的转移特性曲线管的转移特性曲线转移特性曲线反映了当转移特性曲线反映了当v vDSDS为常数时，为常数时，v vGSGS对对i iDSDS的控制作用的控制作用 当当v vGSGS V V VGS(th)NGS(th)N后，后，在在v vDSDS作用下形成作用下形成i iDSDS电流电流 N N沟道沟道MOSMOS管转移特性管转移特性3. MOS3. MOS管分类管分类 MOSMOS管按其沟道和工作类型可分为四种管按其沟道和工作类型可分为四种 MOSMOS管管N N沟道增强型沟道增强型(enhancement type NMOS)(enhancement type NMOS) P

59、 P沟道增强型沟道增强型(enhancement type PMOS)(enhancement type PMOS) N N沟道耗尽型沟道耗尽型(depletion type NMOS)(depletion type NMOS) P P沟道耗尽型沟道耗尽型(depletion type PMOS)(depletion type PMOS) 由于由于NMOSNMOS管沟道中的载流子是电子，其迁移率较高，管沟道中的载流子是电子，其迁移率较高，工作速度较快，因而目前工作速度较快，因而目前NMOSNMOS管应用十分广泛管应用十分广泛 由于空穴载流子的迁移率约为电子迁移率的一半，由于空穴载流子的迁移率约

60、为电子迁移率的一半，故故PMOSPMOS管的工作速度较管的工作速度较NMOSNMOS管的工作速度低。管的工作速度低。 P P沟道耗尽型场效应管较难于制造，沟道耗尽型场效应管较难于制造，在数字集成电路中很少使用。在数字集成电路中很少使用。3.3 MOS3.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.4.2 MOS3.4.2 MOS反相器反相器MOSMOS反相器分类反相器分类电阻负载电阻负载MOSMOS电路电路E/E MOSE/E MOS（增强型（增强型/ /增强型增强型MOSMOS）反相器）反相器E/D MOSE/D MOS（增强型（增强型/ /耗尽型耗尽型MOSMOS）反相器）反相器CMOSCMOS（C