数字电路与逻辑设计--第二章ppt课件

1、 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院第二章第二章 逻辑门电路逻辑门电路2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类 2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门 2.4 三极管反相器三极管反相器2.5 TTL集成逻辑门集成逻辑门 2.6 ECL逻辑门路逻辑门路2.7 CMOS反相器反相器2.8 不同工艺逻辑门之间的互联不同工艺逻辑门之间的互联2.2 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院逻辑门电路逻辑门电路 门电路：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单门电路：用以实现基本逻辑运算

2、和复合逻辑运算的单元电路通称门电路。元电路通称门电路。门电路是构成数字电路的基本器件，可以由分立元门电路是构成数字电路的基本器件，可以由分立元件构成，但实际中常用的是集成逻辑门。件构成，但实际中常用的是集成逻辑门。理解逻辑门的基本结构、工作原理；理解逻辑门的基本结构、工作原理；掌握基本逻辑门的外部特性。掌握基本逻辑门的外部特性。本章重点本章重点重点重点 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院半导体集成电路半导体集成电路半导体集成电路是采用外延生长、光刻、氧化物生半导体集成电路是采用外延生长、光刻、氧化物生长、离子注入等技术，将晶体管、电阻、电容等元长、离子

3、注入等技术，将晶体管、电阻、电容等元件和内部电路连线一起做在一块半导体基片上所构件和内部电路连线一起做在一块半导体基片上所构成的电路单元。它又称为集成电路组件。成的电路单元。它又称为集成电路组件。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类双极型集成电路双极型集成电路MOS集成电路集成电路按有源器件类型分按有源器件类型分PMOSNMOSCMOSTTL、ECLI2L、HTL两类集成电路相比较：两类集成电路相比较：双极型集成电路工作速度高，驱动双极型集成电路工作速度高，驱动能力强，但功耗大，集成度低。能力强，但功

4、耗大，集成度低。MOS集成电路集成度高，功耗相对较低。缺点是工作速集成电路集成度高，功耗相对较低。缺点是工作速度略低。目前度略低。目前CMOS器件是主要的数字集成电路工艺。器件是主要的数字集成电路工艺。单位面积上晶体管数。单位面积上晶体管数。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类按集成按集成度分度分SSI10-100个晶体管，个晶体管，10-20个等效门）个等效门）MSI100-1000个晶体管，个晶体管，20-100个等效门）个等效门）LSI （103-105个晶体管，个晶体管，100-1000个等效

5、门）个等效门）VLSI（ 105个晶体管，个晶体管，104个以上等效门）个以上等效门）常用常用SSI、MSI：门、触发器、译码器、多路选择器、加：门、触发器、译码器、多路选择器、加法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器。法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器。常见常见LSI、VLSI：只读存储器、随机存取寄存器、可：只读存储器、随机存取寄存器、可编程逻辑器件、大规模移位寄存器、微处理器、单片编程逻辑器件、大规模移位寄存器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器。和专用数字信号处理器。 电电

6、路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院 2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类按设计方法分按设计方法分通用芯片通用芯片可编程逻辑器件可编程逻辑器件半定制集成电路半定制集成电路全定制集成电路全定制集成电路逻辑门电路是构成数字器件的基本单元。逻辑门电路是构成数字器件的基本单元。功能固定，所实现的系功能固定，所实现的系统体积和功耗都较大。统体积和功耗都较大。通过对器件内部的连通过对器件内部的连线编程来实现预期的线编程来实现预期的逻辑功能。使用灵活，逻辑功能。使用灵活，减少了系统的芯片数减少了系统的芯片数和功耗。和功耗。门阵列、标准单元等构成的集成门阵列、

7、标准单元等构成的集成电路，内部连线向厂家定做，适电路，内部连线向厂家定做，适用于器件需求较多时。用于器件需求较多时。针对用户的技术要求由器件生产针对用户的技术要求由器件生产厂家专门进行设计和制作，只适厂家专门进行设计和制作，只适用于很大批量的生产。用于很大批量的生产。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.2晶体管的开关特性晶体管的开关特性2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性半导体二极管具有单向导半导体二极管具有单向导电性，外加正向电压时导电性，外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，通，外加反向电压时截止，相当于一个受外加电压极相当于

8、一个受外加电压极性控制的开关。性控制的开关。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院二极管的等效电路二极管的等效电路当二极管的正向导通压降和当二极管的正向导通压降和外加电压相比不能忽略，而外加电压相比不能忽略，而导通电阻与外接电阻相比可导通电阻与外接电阻相比可以忽略时，近似特性曲线和以忽略时，近似特性曲线和等效电路如右下图所示。等效电路如右下图所示。在数字电路中，多数情况都符合在数字电路中，多数情况都符合外加电压较低而外接电阻较大的外加电压较低而外接电阻较大的条件，因此常用这种近似方法。条件，因此常用这种近似方法。VDVD 电电 路路 中中 心心 张张 咏

9、咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性二极管由正向导通状态变为反向截止状态所需要的时二极管由正向导通状态变为反向截止状态所需要的时间，称为反向恢复时间间，称为反向恢复时间tR，它是扩散区所存储的电荷，它是扩散区所存储的电荷消散所需要的时间。影响二极管开关速度的主要因素消散所需要的时间。影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。是反向恢复时间。二极管由反向截止状态变为正向导通状态所需要的时二极管由反向截止状态变为正向导通状态所需要的时间来，称为开通时间，它是在扩散区存储电荷所需要间来，称为开通时间，它是在扩散区存储电荷所需要的时间，这个

10、时间很短，可以忽略不计。的时间，这个时间很短，可以忽略不计。二极管在导通与截止两种状态之间转换需要一定的时二极管在导通与截止两种状态之间转换需要一定的时间，转换时间的长短决定了器件可以工作的最大速度。间，转换时间的长短决定了器件可以工作的最大速度。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.2.2 双极型晶体管的开关特性双极型晶体管的开关特性饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区输出特性曲线输出特性曲线在数字电路中，晶体管工在数字电路中，晶体管工作在饱和与截止状态。通作在饱和与截止状态。通过改变基极信号过改变基极信号vI来控制来控制C、E间的接通与断开。间的

11、接通与断开。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态截止状态：发射结和集电结均反向偏置。截止状态：发射结和集电结均反向偏置。 iB 0，iC=0，VBE 0V(硅管硅管0，iC=iB，有电流放大作用。，有电流放大作用。饱和状态：发射结和集电结均正向偏置。饱和状态：发射结和集电结均正向偏置。iBIBS （ iC iB ），），VCE 很小很小(VCE(sat)0.3V)，饱和得，饱和得越深，越深， VCE就越小，深度饱和时就越小，深度饱和时VCE(sat)0.1V。饱和压降饱和压降基极临界饱基极临界饱和电流和电流 电电

12、 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路当当I =VIL Vth时，三极时，三极管导通。管导通。随着随着I的增加，的增加，iB增加，增加，RC上的压降增大，上的压降增大，O减小。减小。BBEIBRVviCBCCCCCCCEoRiVRiVvvVIL截止截止vIVth导通导通iBiCVCC 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路当当vI增大到一定值时，三极管进入增大到一定值时，三极管进入饱和状态，三极管相当于闭合的饱和状态，三

13、极管相当于闭合的开关，开关，O= VCEsat) =VOL 0.3V。BBEICCCCBCCCCCCCEoRVvRVRiVRiVvv晶体管进入临界饱和状态时的集晶体管进入临界饱和状态时的集电极和基极电流分别记为电极和基极电流分别记为ICS、IBS： CsatCECCBSRVVI)(CsatCECCCSRVVI)( 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路当当RC上的压降增大到接近电源上的压降增大到接近电源电压电压VCC时，三极管上的压降近时，三极管上的压降近似为似为0，三极管处于深度饱和状，三极管处于深度饱

14、和状态，态，O= VCEsat) =VOL 0.1V。饱和状态时饱和状态时iBIBS （ iCIBS=ICS/。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院双极型三极管的开关等效电路双极型三极管的开关等效电路截止状截止状态等效态等效电路电路ICEO 0饱和导通状饱和导通状态等效电路态等效电路VCEsat) 0当当I =VIL时，三极管时，三极管截止，截止，O=VOH；当当I =VIH 时，三极时，三极管饱和，管饱和，O=VOL。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院双极型三极管的动态开关特性双极型三极管的动态开关特性延迟

15、时间延迟时间td：三极管发射结电：三极管发射结电压由反偏上升到压由反偏上升到0.5V，晶体管，晶体管开始导通，所需要的时间。开始导通，所需要的时间。上升时间上升时间tr：集电极电流：集电极电流iC从从0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需时间。所需时间。截止状态截止状态饱和状态饱和状态开通时间开通时间ton：三：三极管从截止状态极管从截止状态转换为饱和状态转换为饱和状态所需要的时间，所需要的时间，ton=td+tr 。tdtrton 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院三极管的关闭时间三极管的关闭时间存储时间存储时间ts：三极管从饱和状态进：三极管从饱

16、和状态进入放大状态过程中，基区所存储的入放大状态过程中，基区所存储的多余电荷消散所需要的时间。多余电荷消散所需要的时间。饱和状态饱和状态截止状态截止状态下降时间下降时间tf：集电极电流从：集电极电流从0.9ICS到到减小为减小为0.1ICS 所需要的时间。所需要的时间。关闭时间关闭时间toff：三极管从饱和状三极管从饱和状态转换为截止状态转换为截止状态所需要的时间，态所需要的时间，toff=ts+tf 。tstftoff 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院三极管的开关时间三极管的开关时间一般延迟时间一般延迟时间td较小，存储时间较小，存储时间ts随饱和

17、深度而变化。当饱和深随饱和深度而变化。当饱和深度较深时，度较深时，ts时间最长，成为影时间最长，成为影响三极管工作速度的主要因素。响三极管工作速度的主要因素。由于晶体管存在开关时间，当作由于晶体管存在开关时间，当作开关使用时，不能随控制信号的开关使用时，不能随控制信号的状态变化而立即改变状态，因此，状态变化而立即改变状态，因此，晶体管的开关时间将是影响电路晶体管的开关时间将是影响电路工作速度的主要因素。工作速度的主要因素。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院0V5V0.7VvAvBvFHHHHLLLHLLLL5V5V5V2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门

18、2.3.1、二极管与门电路、二极管与门电路ABF111100010000A A、B B中有一个或一个以中有一个或一个以上为低电平上为低电平0V0V，则输出，则输出F F就为低电平就为低电平0.7V0.7V。只有只有A A、B B全为高全为高电平电平5V5V，则输出，则输出F F才为高电平才为高电平5V5V。F=AB低电平上升了低电平上升了0.7V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.3.2 二极管或门电路二极管或门电路VDVDA AVDVDB BA AB BF FR R5V0V4.3VvAvBvFHHHHLLLHLLHHABF111100010011

19、F=A+B0V0VA A、B B中有一个或一个以中有一个或一个以上为高电平上为高电平5V5V，则输出，则输出F F就为高电平就为高电平4.3V4.3V。高电平下降高电平下降了了0.7V只有只有A A、B B全为低电平全为低电平0V0V，则输出则输出F F才为低电平才为低电平0V0V。0V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院二极管门电路的缺点二极管门电路的缺点当信号通过二极管门电路时，会因为二当信号通过二极管门电路时，会因为二极管的正向导通压降而导致电平偏离。极管的正向导通压降而导致电平偏离。二极管门电路带负载能力差。二极管门电路带负载能力差。克服缺点的

20、方法：在二极管门电克服缺点的方法：在二极管门电路的输出端连接一个三极管反相路的输出端连接一个三极管反相器，构成与非门、或非门。器，构成与非门、或非门。CLLFERRRVRL越小，越小，VF越低，越越低，越偏离高电平偏离高电平EC输出高电平输出高电平二极管门电路不能实现非逻辑。二极管门电路不能实现非逻辑。R RL L 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.4 晶体管反相器晶体管反相器bbERRRV211V92. 0)12(185 . 15 . 1BE结反偏，三极结反偏，三极管可靠截止。管可靠截止。VO=VCC=12V=VOH0V12VEb的接入使得即使输

21、入低电平稍大于的接入使得即使输入低电平稍大于0，三极管也能可靠截止，使输出为高电平。三极管也能可靠截止，使输出为高电平。-0.92VVI=VIL=0V时：时：VVbe7 . 030 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.4.1 晶体管反相器的工作原理晶体管反相器的工作原理VI=VIH=3V时：时：Ib=I1-I221REVRVVbbebeIHmA82. 018127 . 05 . 17 . 03IbIBS三极管饱和三极管饱和 VO=Vce(sat)0.3V=VOL3VIOVV 0.3VCsatCECCSBSRVEII)(mA4 .01000301 .0

22、12VVbe7 . 030IbI1I2 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.4.2 反相器的负载能力反相器的负载能力灌电流负载灌电流负载IL反相器后反相器后面所接的面所接的其它电路其它电路负载电流负载电流IL流入反相器流入反相器三极管三极管VTVT饱和时，饱和时，VO=VOL=0.3VVO=VOL=0.3V，D D截止。截止。IC=IRC+IL EC/RC+ IL =12mA+ IL 随着随着ILIL的增大，的增大，IcIc也增大，到也增大，到Ic=ICSIc=ICS时时VTVT临界饱和，临界饱和，IcIc再增大，再增大，VTVT就会退出饱和，就会退

23、出饱和，VOVO就会上升而不能维持为低电平。就会上升而不能维持为低电平。负载能力：在保证正常的输出负载能力：在保证正常的输出高、低电平值的情况下，反相高、低电平值的情况下，反相器输出端所能承受的最大电流。器输出端所能承受的最大电流。3VICIRC3V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院反相器的灌电流负载能力反相器的灌电流负载能力ILmax=ICS-ILmax=ICS-IRC=12.6mAIRC=12.6mA提高灌电流负载能力的方法：提高灌电流负载能力的方法：1、提高三极管的饱和深度。、提高三极管的饱和深度。2、加大、加大Rc使使IRC减小。减小。临界饱

24、和时：临界饱和时：ICS=IBS=Ib=30ICS=IBS=Ib=300.82=24.6mA0.82=24.6mAIC=IRC+ILEC/RC+IL=12mA+ILIC=IRC+ILEC/RC+IL=12mA+ILICSICSIL3V3V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院反相器的拉电流负载能力反相器的拉电流负载能力IRCIDIL负载电流负载电流IL从从反相器流出反相器流出晶体管晶体管VTVT截止，截止，IC=0 IC=0 ，二极管导通，二极管导通，VO=VOH=VO=VOH=q qV V3.7V3.7V。随着随着IL的增大，的增大，ID减小，减小，极

25、限时极限时ID=0，D截止。截止。减小减小Rc使使IRC增加。增加。提高拉电流负载能力的方法：提高拉电流负载能力的方法：mARVEEIICDqCRLC8 . 8)(max3VmARVEERVEICDqCORC8 . 8)(LDRIIIC0V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院系列系列型号型号电 源 电 压电 源 电 压V）门传输时延门传输时延ns）门 静 态 功 耗门 静 态 功 耗mW）TTL54/74TTL54/74LSTTL54/74ALSTTL55%(74)510%(54)107.5510212.5 TTL集成逻辑门集成逻辑门同型号不同系列的器

26、件同型号不同系列的器件, 逻辑功能相同，管脚兼容，但性能不同。逻辑功能相同，管脚兼容，但性能不同。TTL电路电路分类分类TTLSTTLLSTTLALSTTL中速标准中速标准TTL肖特基肖特基TTL，速度快，功耗大。，速度快，功耗大。低功耗肖特基低功耗肖特基TTLASTTLFTTL先进低功耗肖特基先进低功耗肖特基TTL快速快速TTL先进肖特基先进肖特基TTL 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.5.1 TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理输输入入级级中中间间级级输输出出级级中间级是放大级，由中间级是放大级，由T2、R2和和R3组组

27、成，成，T2的集电极和发射极可以分别提的集电极和发射极可以分别提供两个相位相反的电压信号。供两个相位相反的电压信号。输入级由多发射极晶体管输入级由多发射极晶体管T1和基极电阻和基极电阻R1组成，它组成，它实现了输入变量实现了输入变量A、B、C的与运算。二极管的与运算。二极管D1、D2和和D3可以限制输入端可能可以限制输入端可能出现的负极性干扰。出现的负极性干扰。输出级由输出级由T3、T4、T5和和R4、R5组成，其中组成，其中T3、T4构成复合构成复合跟随器，与跟随器，与T5组成推挽输出结构，具有较强的负载能力。组成推挽输出结构，具有较强的负载能力。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅

28、电电 子子 工工 程程 学学 院院多发射极晶体管多发射极晶体管F=ABC多发射极晶体管实现了输入多发射极晶体管实现了输入变量变量A、B、C的与运算。的与运算。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门工作原理与非门工作原理VCC=5VVCC=5V、VIL=0.3VVIL=0.3VVIH=3.6VVIH=3.6V、=30 =30 Vce(satVce(sat深深)=0.1V )=0.1V Vce(sat) =0.3VVce(sat) =0.3V有一个输入为低电平：有一个输入为低电平： VA=0.3V， VB= VC=3.6V T1管的管的beA结抢

29、先导通，使结抢先导通，使T1基极基极Vb1=0.3+0.7=1V，另两个发射结因反偏而截止。另两个发射结因反偏而截止。T2管截止管截止Vb1Vbc1+Vbe2 =0.7+0.7=1.4V ）ib1=(Vcc-Vb1)/R1=(5-1)/3=1.3mAic100.3V3.6V3.6V1V三极管饱和条件：三极管饱和条件： icIBS5V5Vic1ib1 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门工作原理与非门工作原理Vb2=Vc1=0.1+0.3=0.4V 因此因此T5也截止。也截止。Vc2Vcc=5V，使，使T3和和T4导通。导通。VF=Vcc-ib

30、3R2-Vbe3-Vbe45-0.7-0.7=3.6Vic1ib1，T1处于深处于深度饱和状态，度饱和状态，Vces1=0.1V。输入有一个或一个以上为低输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平电平时输出为高电平3.6V。5V0.4V3 .6V0.3V3.6V3.6V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门工作原理与非门工作原理输入全为高电平输入全为高电平VA=VB=VC=3.6VVb1的电位较高，使的电位较高，使T1的的集电结和集电结和T2、T5全导通。全导通。Vb1=2.1V，T1的发射结反偏，因此的发射结反偏，因此T1处于倒置状态。处于

31、倒置状态。ic1=(1+F)ib1ic2max Vcc/R2 6.67mAic2 ib2 (=30)2.1V3.6V3.6V3.6VT2饱和饱和Vc2=Vces2+Vbe51V5Vib1 =(VCC-Vb1)/R1=0.97mA =ib2=0.3+0.7=1V =Vb3 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门工作原理与非门工作原理Vb3=VC2=1V，使，使T3导通，而导通，而T4截止。截止。iC50ib5很很大大ic5ib5 , T5处于深度饱和状态处于深度饱和状态VF=Vces(sat)5=0.1VABCF 0 .1V输入全为高电平时输出为

32、低电平输入全为高电平时输出为低电平0.1V1V输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平3.6V3.6V3.6V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门的优点与非门的优点VO=VOH时，时，T5截止，截止，输出为复合跟随器输输出为复合跟随器输出，输出电阻很低，出，输出电阻很低，负载能力强。负载能力强。VO=VOL时，时， T4截止，截止，T5饱和，输出电阻很低，饱和，输出电阻很低，负载能力强。负载能力强。无论是高电平输出还是低电平输出，无论是高电平输出还是低电平输出，TTL与非门的与非门的输出电阻都很低

33、，都有较强的带负载能力。输出电阻都很低，都有较强的带负载能力。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院3k750360100Vcc2.5.2 TTL与非门的特性参数与非门的特性参数1. 电压传输特性电压传输特性电压传输特性：输出电压传输特性：输出VO电压随输入电压电压随输入电压VI的变化而变化的曲线。的变化而变化的曲线。线性区线性区: :当当0.6VVI1.3V0.6VVI1.3V，0.7VVb20.7VVb21.4V1.4V时，时，T2T2导通，导通，T5T5仍截止，仍截止，VC2VC2随随VIVI升高而下降，经升高而下降，经T3T3、T4T4两级射随两

34、级射随器使器使VOVO线性下降。线性下降。转折区：转折区： 1.3VVi1.4V，T5由截由截止变为导通，输出迅速降低。止变为导通，输出迅速降低。饱和区：饱和区：VI1.4V， T4截止，截止，T5深深度饱和，输出低电平度饱和，输出低电平0.2V。截止区：当截止区：当VI0.6V，T2、T5截止，输出截止，输出高电平高电平VOH =3.6V。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门的参数与非门的参数从传输特性曲线可从传输特性曲线可知：知：TTL电路的电路的VOH=3.6V，VOL=0.2V。 手册上规定：手册上规定： VOH2.4V，VOL0.

35、4V。3.6V0.2V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院阈值电压阈值电压VT门限电压）门限电压）V VT T电压传输特性曲线上电压传输特性曲线上转折区转折区CD段中点对段中点对应的输入电压，既是应的输入电压，既是三极管三极管T5截止和导通截止和导通的分界线，也是输出的分界线，也是输出高、低电平的分界线，高、低电平的分界线，因此这个电压称为阈因此这个电压称为阈值电压值电压VT也叫门限也叫门限电压。电压。VT1.4VVT1.4V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院开门电平开门电平VONVON在保证输出为低电平在保

36、证输出为低电平的前提下，所允许的的前提下，所允许的输入高电平的最小值输入高电平的最小值称为开门电平称为开门电平VON 。 VONVON0.4VVON=1.5VVON=1.5V手册规定：手册规定：VON1.8VVON1.8V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院关门电平关门电平VOFFVOFF在保证输出为高电平在保证输出为高电平的前提下，所允许的的前提下，所允许的输入低电平的最大值输入低电平的最大值称为关门电平称为关门电平VOFF 。 VOFVOFF F2.4VVOFF=1.1VVOFF=1.1V手册规定：手册规定：OFF0.8VOFF0.8V 电电 路路

37、 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院噪声容限噪声容限噪声容限：在保证输出高、噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变或者说低电平基本不变或者说变化的大小不超过允许的变化的大小不超过允许的限度的前提下，输入电限度的前提下，输入电平允许波动的范围。平允许波动的范围。VIVIVOVO噪声噪声 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院噪声容限噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限VNL：保：保证输出为高电平的前提下，证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上允许叠加在输入低电平上的最大噪声或干扰电压。的最大噪声或干扰电压。高电平噪声容限

38、高电平噪声容限VNH：保：保证输出为低电平的前提下，证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上允许叠加在输入高电平上的最大噪声或干扰电压。的最大噪声或干扰电压。VOFVOFF FVONVON2.4V0.4VVNLVILVIL噪声噪声VNL=VOFF-VILVNH=VIHVONVIHVIH噪声噪声VNH 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院噪声容限噪声容限VOFVOFF FVONVON2.4V0.4V开门电平和关门电开门电平和关门电平越接近，传输特平越接近，传输特性越接近理想情况，性越接近理想情况，与非门的噪声容限与非门的噪声容限越大，抗干扰能力越大，

39、抗干扰能力越强。越强。VNL=VOFF-VILVNH=VIHVON 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院噪声容限噪声容限将多个门组成系统时，前级将多个门组成系统时，前级门的输出是后级门的输入。门的输出是后级门的输入。前级的输出高电平为前级的输出高电平为VOH1=VIH2=2.4VVOH1=VIH2=2.4V，器件的开，器件的开门电平门电平VON=1.8VVON=1.8V，则，则VNH=VON-VIH=2.4-1.8=0.6VVNH=VON-VIH=2.4-1.8=0.6V。 前级的输出低电平为前级的输出低电平为VOL1=VIL2=0.4VVOL1=VIL

40、2=0.4V，器件的关，器件的关门电平门电平VOFF=0.8VVOFF=0.8V，那么，那么 VNL=VOFF-VIL=0.8- VNL=VOFF-VIL=0.8-0.4=0.4V0.4=0.4V。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2、静态输入特性、静态输入特性(1)静态输入电流与输入电压之间的关系曲线，即静态输入电流与输入电压之间的关系曲线，即iI = fVI）。）。假定输入电流流入假定输入电流流入T1发射极发射极时方向为正，反之为负。时方向为正，反之为负。0.2VIIIIL LmA 4 .1K 32 .07 .05RVVI 1be1CCILILV

41、当当VI=VIL=0.2V时时, T1饱和，饱和，T2、T5截止。截止。IILIIL是是VI=VILVI=VIL时流过时流过R1R1的电流，是的电流，是输入端的总电流，当与非门的输输入端的总电流，当与非门的输入端并接使用时，总的低电平输入端并接使用时，总的低电平输入电流等于单个输入端的电流。入电流等于单个输入端的电流。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院输入短路电流输入短路电流IIS输 入 短 路 电 流输 入 短 路 电 流 IIS： 指 输 入 信 号： 指 输 入 信 号VI=0V时，由输入端流出的电流。时，由输入端流出的电流。mA 4 .1K

42、37 .05RVVI 1be1CCIS由上式可以看出：由上式可以看出：IIS IIS 是是VI=0VVI=0V时流过时流过R1R1的电流，的电流，是输入端的总电流，当是输入端的总电流，当有有n n个输入端为个输入端为VI=0VVI=0V时，时，总的总的IISIIS不变。不变。-1.4mA0VIISIIS 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2、静态输入特性、静态输入特性当当VI=VIH=3.4V时，时，T1处于倒置放大状态，处于倒置放大状态，T2、T5处于饱和状态，处于饱和状态， T4截截止。止。ARVVVVIIbebebcCCFbFIH7 . 931

43、. 2501. 015211IIH称为输入漏电流称为输入漏电流输入高电平电流）：输入高电平电流）：当当VIVT时的输入电时的输入电流，即流，即T1倒置工作时的倒置工作时的反向电流，其电流值很反向电流，其电流值很小，约为小，约为10A。IIH当与非门的输入端并接使用当与非门的输入端并接使用时，总的高电平输入电流等时，总的高电平输入电流等于各输入端电流之和。于各输入端电流之和。 Ib1 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2、静态输入特性、静态输入特性7474系列门电路每个系列门电路每个输入端的输入端的IIHIIH值在值在4040A A以下。以下。 电电 路

44、路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院输入负载特性输入负载特性在在Ri 较小，较小，T5导通之前，近似有：导通之前，近似有：)(11beCCiiIVVRRRV当当Ri较小时，较小时，VI几乎与几乎与 Ri成正比。成正比。当当Ri增加到使增加到使VI=1.4V 时，时， Vb1升高为升高为2.1V，使，使 T5导通，导通，以后，以后，Vb1被钳位在被钳位在2.1V，则，则输入维持输入维持VI=1.4V不变。不变。随着随着Ri的增加，的增加，VI增加，到增加，到Ri大大到一定程度上面的公式就不再适用。到一定程度上面的公式就不再适用。1.4V 电电 路路 中中 心心 张

45、张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院输入负载特性输入负载特性Ri较小时，较小时， VI= VIL，与非门截止，与非门截止，输出高电平；输出高电平； Ri较大时，较大时， VI= VIH，与非门导通，输出低电平。与非门导通，输出低电平。关门电阻关门电阻ROFF ：保证与非门关闭，：保证与非门关闭，输出为高电平输出为高电平VOH2.4V的条的条件下所允许的件下所允许的 Ri的最大值。的最大值。开门电阻开门电阻RON ：保证与非门导通，：保证与非门导通，输出为低电平输出为低电平VOL0.4V的条的条件下所允许的件下所允许的Ri的最小值。的最小值。标准标准TTL的的ROFF700，RON

46、 2K 。TTL门电路的输入端悬空相当于输入高电平。门电路的输入端悬空相当于输入高电平。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院3、静态输出特性、静态输出特性输出电压随输出电流输出电压随输出电流(负载负载)的变化情况。的变化情况。IL输出高电平输出高电平T5截止截止 T3、T4导通导通拉电流负载拉电流负载空载时：空载时：VO=VOH5-20.7=3.6V3.6V5mA当当RL较大，较大， IL5mA时，时，T3深饱和。深饱和。 输出输出VO随随IL的增加而降低。的增加而降低。 2.4VO=VCC-Vces3-Vbe4-VO=VCC-Vces3-Vbe4-I

47、R5IR5R5 R5 5mAIL14mAVcc-Vces3-Vbe4-Vcc-Vces3-Vbe4-ILILR5R5 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院3、静态输出特性、静态输出特性T5的导通电阻的导通电阻Rces5很小，大致很小，大致为十几欧姆，因此，当为十几欧姆，因此，当IL增加时，增加时， VOL上升很缓慢。上升很缓慢。输出低电平输出低电平T4截止、截止、T5饱和饱和从曲线上可以看出，要使从曲线上可以看出，要使VOL0.4V，则，则IL20mA。灌电流负载灌电流负载0.4VVo=ILRces5IL 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电

48、子子 工工 程程 学学 院院负载能力负载能力以推动同类门的个数来衡量以推动同类门的个数来衡量推动同类门的个数称为扇出系数推动同类门的个数称为扇出系数NO。VO=VOH2.4V时时对于推动门有：对于推动门有：ILmax拉拉=0.4mA对于负载门有：对于负载门有：IIH40A10maxIHLIIN拉IL IIHIIHIIHVOH 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院负载能力负载能力VO=VOL0.4V时时对于推动门有：对于推动门有：ILmax灌灌=20mA对于负载门有：对于负载门有：IIL-1.3mAILLIIN灌max15综上可得：扇出系数综上可得：扇出系

49、数NO=10NO=10。一般手册上给出一般手册上给出NO8IL IILIILIILVOL-1.3mA 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.5.3 TTL逻辑门的动态特性逻辑门的动态特性1、平均传输延迟时间、平均传输延迟时间tpd导通延迟时间导通延迟时间tPHL tPHL ：输入信号：输入信号vIvI上升致幅值的上升致幅值的50%50%到输出响应到输出响应vOvO下下降致幅值的降致幅值的50%50%所需要的时间间隔。所需要的时间间隔。截止延迟时间截止延迟时间tPLH tPLH ：输入信号：输入信号vIvI下降致幅值的下降致幅值的50%50%到输出响应到

50、输出响应vOvO上上升致幅值的升致幅值的50%50%所需要的时间间隔。所需要的时间间隔。平均传输延迟时间指输出电压波平均传输延迟时间指输出电压波形滞后于输入电压波形的时间。形滞后于输入电压波形的时间。tPHLtPLtPHLtPLH HtPHtPHL LtPLtPLH H2PLHPHLpdttt标准标准TTLTTL门电路：门电路：tpd=10nstpd=10ns20ns20ns 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院、交流噪声容限、交流噪声容限由于由于TTL电路中存在三极管的开关时间和分布电容的电路中存在三极管的开关时间和分布电容的冲放电过程，因此输入信号状

51、态变化时必须有足够的冲放电过程，因此输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出状态可靠改变。变化幅度和作用时间才能使输出状态可靠改变。当输入信号为窄脉冲，而且脉冲宽度接近于门电路的当输入信号为窄脉冲，而且脉冲宽度接近于门电路的传输延迟时间时，为使输出状态可靠改变所需要的脉传输延迟时间时，为使输出状态可靠改变所需要的脉冲幅度远大于信号为直流时所需要的信号变化幅度。冲幅度远大于信号为直流时所需要的信号变化幅度。门电路对这类窄脉冲的容限称为交流噪声容限，交流门电路对这类窄脉冲的容限称为交流噪声容限，交流噪声容限大于直流噪声容限。噪声容限大于直流噪声容限。 电电 路路 中中 心心 张张

52、 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院、交流噪声容限、交流噪声容限正脉冲噪声容限：使输出高电平降正脉冲噪声容限：使输出高电平降到到2.0V时所需输入正脉冲的幅度。时所需输入正脉冲的幅度。负脉冲噪声容限：使输出低电平升负脉冲噪声容限：使输出低电平升到到0.8V时所需输入负脉冲的幅度。时所需输入负脉冲的幅度。绝大多数绝大多数TTL门电路的传输延迟时门电路的传输延迟时间都在间都在50ns以内，因此当输入脉冲以内，因此当输入脉冲的宽度达到的宽度达到s数量级时，在信号数量级时，在信号作用时间内电路已经达到稳态，应作用时间内电路已经达到稳态，应将输入信号按直流信号处理。将输入信号按直流信号处理。

53、脉冲宽度越窄，交脉冲宽度越窄，交流噪声容限越大。流噪声容限越大。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院、空载平均功耗、空载平均功耗空载导通功耗空载导通功耗Pon：输出端空载，输出为低电平时的电路功耗。：输出端空载，输出为低电平时的电路功耗。对对74H系列，系列，Pon32mWPon=IEVccIE为空载导通时的电源电流为空载导通时的电源电流空载截止功耗空载截止功耗Poff：输出端空载，输出为高电平时的电路功耗。：输出端空载，输出为高电平时的电路功耗。PoffvGS-VTvGS VT恒流区放大区）恒流区放大区）vGS VT截止区截止区vDS=vGS-VTv

54、GS=0V截止区，截止区，D-S之间的内阻之间的内阻ROFF极大，达极大，达109以以上。上。可变电阻区：可变电阻区：VGS一定一定时，时，iD与与VDS之比近似之比近似等于一个常数。等于一个常数。)(21|0TGSvONVvKRDS数字电路中，数字电路中，MOS管管工作在截止区和可变工作在截止区和可变电阻区，恒流区只是电阻区，恒流区只是一种瞬时的过渡状态。一种瞬时的过渡状态。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院MOS管的基本开关电路管的基本开关电路vi=vGSVT，MOS管导通，管导通，导通电阻导通电阻RON只有几百欧姆。只有几百欧姆。DDDONON

55、OLoVRRRVviovv 若若RD RON，则，则VOL0V。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院MOS管的开关等效电路管的开关等效电路MOS管导通管导通等效电路等效电路MOS管截止管截止等效电路等效电路栅极输入电容，栅极输入电容，约为几皮法。约为几皮法。导通电阻，约在导通电阻，约在1K以下，与以下，与vGS有关。有关。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院MOSMOS管的开关时间管的开关时间 MOSMOS管三个电极之间，均有电容存在，它们分别管三个电极之间，均有电容存在，它们分别是栅源电容是栅源电容CGSCG

56、S、栅漏电容、栅漏电容CGDCGD和漏源电容和漏源电容CDSCDS，一般一般CGSCGS和和CGDCGD约为约为1 13pF3pF，CDSCDS约在约在0.10.11pF1pF之之间。间。MOSMOS管的动态特性开关速度受这些电容充、管的动态特性开关速度受这些电容充、放电过程的制约，使得输出波形的变化滞后于放电过程的制约，使得输出波形的变化滞后于输入波形的变化。输入波形的变化。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院MOSMOS管的开关时间管的开关时间 开通时间开通时间ton =td1+tr关断时间关断时间toff =td2+tf导通延导通延迟时间迟时间上

57、升时间上升时间关断延关断延迟时间迟时间下降时间下降时间MOS管电容上电压不能突管电容上电压不能突变，是造成变，是造成ID滞后滞后VI变化变化的主要原因。的主要原因。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院MOSMOS管的四种类型管的四种类型D DS SG GD DS SG GD DS SG GD DS SG GN N沟道增强型，沟道增强型， VT VT为正，用正电源，衬为正，用正电源，衬底接源极或系统的最低电位。底接源极或系统的最低电位。P P沟道增强型，沟道增强型， VT VT为负，用负电源，衬为负，用负电源，衬底接源极或系统的最高电位。底接源极或系统的

58、最高电位。N N沟道耗尽型，衬底接源极或系统的最沟道耗尽型，衬底接源极或系统的最低电位。低电位。P P沟道耗尽型，衬底接源极或系统的最沟道耗尽型，衬底接源极或系统的最高电位。高电位。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院MOSMOS集成逻辑门集成逻辑门以以MOS晶体管作为开关元件的门电路称晶体管作为开关元件的门电路称为为MOS门电路。门电路。PMOSPMOS电路电路NMOSNMOS电路电路CMOSCMOS电路电路速度低速度低工艺简单工艺简单速度中等速度中等速度最高速度最高工艺复杂工艺复杂工艺复杂工艺复杂负电源负电源正电源正电源正电源正电源 电电 路路 中

59、中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院 2.7.2 CMOS反相器工作原理反相器工作原理PMOSNMOS柵极相连柵极相连作输入端作输入端电源电压电源电压VDDVDDVTN+|VTP|VTN+|VTP|，适用范围较大适用范围较大(3(318V)18V)。 漏极相连漏极相连作输出端作输出端衬底与漏源间的衬底与漏源间的PNPN结始终处结始终处于反偏，于反偏，N N管的衬底总是接到管的衬底总是接到电路的最低电位，电路的最低电位，P P管的衬底管的衬底总是接到电路的最高电位。总是接到电路的最高电位。 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院 2

60、.7.2 CMOS反相器工作原理反相器工作原理输入为低电平输入为低电平VIL=0VVIL=0V时时vGS1=0VvGS1=0VVTNVTN|vGS2|=VDD|vGS2|=VDD|VTP|VTP|电路中电流近似为零忽略电路中电流近似为零忽略VT1VT1的截止漏电流）的截止漏电流）,VDD,VDD主要降落主要降落在在 V T 1V T 1 上 ， 输 出 为 高 电 平上 ， 输 出 为 高 电 平VOHVDDVOHVDD。输入为高电平输入为高电平VIH=VDDVIH=VDD时时IOVV vGS1=VDDvGS1=VDDVTNVTN|vGS2|=0V|vGS2|=0V|VTP|VTP|0V0V导