第2章逻辑门电路

1、第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路本章主要内容本章主要内容介绍基本门电路的概念介绍基本门电路的概念讨论数字集成电路的几种主要类型，重点是讨论数字集成电路的几种主要类型，重点是双极型双极型TTL集成门电路集成门电路MOS型数字集成电路型数字集成电路第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路集成逻辑门电路集成逻辑门电路:是把门电路的所有元器件是把门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上构及连接导线制作在同一块半导体基片上构成的。成的。它属于小规模集成电路它属于小规模集成电路(SSI)，它是组成一，它是组成一个较大数字系统的基本单元。个较大数字系统的基本单元。第第2章章 集成逻辑门电

2、路集成逻辑门电路目前，广泛使用的逻辑门有目前，广泛使用的逻辑门有TTL (Transistor-Transistor Logic)和和CMOS两个两个系列。系列。TTL门电路属双极型数字集成电路，其输入门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是三极管结构，故称级和输出级都是三极管结构，故称TTL。CMOS门电路是由门电路是由NMOS管和管和PMOS管组成管组成的互补的互补MOS集成电路，属单极性数字集成集成电路，属单极性数字集成电路。电路。第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路我国我国TTL系列数字集成电路型号与国际型系列数字集成电路型号与国际型号对应列入表号对应列入表2-1中中 标准

3、标准(通用系列通用系列)高速系列高速系列肖特基系列肖特基系列低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列 54/7454/74H54/74S54/74LSCT1000CT2000CT3000CT4000TTL系列系列分类名称分类名称国际型号国际型号国产型号国产型号系列系列获得高低电平的基本原理获得高低电平的基本原理电子电路中用高、低电平分别表示二电子电路中用高、低电平分别表示二值逻辑的值逻辑的1和和0两种逻辑状态。两种逻辑状态。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=VB=3V。由于。由于R接接 到电源到电源+12V上

4、，故上，故DA、DB均导通均导通VF= 3+0.7V=3.7V3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=3V，VB=0V由于由于DB导通，导通，VF=0.7V，因而因而DA截止截止通常将通常将DB导通，使导通，使VF=0+0.7V=0.7V0V称称为箝位。为箝位。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=0V，VB=3V由于由于DA导通导通VF=0+0.7V=0.7V0V，DB截止。截止。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门

5、电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=VB=0VVF=0.7V，此时，此时DA、DB均导通。均导通。 VF=0+0.7V=0.7V0V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。 结论：结论：(1)VA=VB=0V，VF0V(2)VA=0V, VB=3V，VF0V(3)VA=3V, VB=0V， VF0V(4)VA=VB=3V VF3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。 000

6、3 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输入输入 VF(V) VF(V) 电位关系电位关系2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。 A B0 00 11 01 1F0001真值表真值表2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA=VB=3V，由于，由于R接到电源接到电源-VEE（-12V）上，）上，故故DA、DB均导通。均导通。VF因因此为此为VA-VD=2.3V 3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电

7、路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA=0V，VB=3V，此，此时时DB导通，将导通，将VF钳位在钳位在2.3V，DA加反向电压截止。加反向电压截止。因此因此VF=VB-VD=2.3V3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA=3V，VB=0V，此，此时时DA导通，导通，DB截止，截止，VF=VA-VD=2.3V 3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA=VB=0V，DA、DB均导通，均导通，VF=0-VD=-0.7V

8、0V 。 2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。 结论结论(1)VA=VB=0V:VF0V(2) VA=0V, VB=3V: VF3V(3) VA=3V, VB=0V: VF3V(4)VA=VB=3V: VF3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。 0333 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输输 入入 VA(V) VB(V) 电位关系电位关系2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，

9、称为或门。 A B0 00 11 01 1F0111真值表真值表2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门数字电路中，二极数字电路中，二极管，三极管均工作在管，三极管均工作在开关状态。三极管工开关状态。三极管工作在饱和状态和截止作在饱和状态和截止状态。状态。12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门饱和时，其集电极输出饱和时，其集电极输出为低电平（为低电平（VO=Vces）；）；截止时，其集电极输出截止时，其集电极输

10、出高电平（无箝位时，高电平（无箝位时，VO=VCC，有箝位电路时，有箝位电路时，VO高电平将使高电平将使DQ导通，导通，由于由于VQ=2.5V，故，故VO=2.5V+0.7V=3.2V）。）。 -12V12V2.5V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门VI=0.3V时，一般硅管时，一般硅管死区电压为死区电压为0.5V，故，故T可可能截止，只考虑到能截止，只考虑到VEE时时VkkkVV923. 05 . 1185 . 112B 只考虑到只考虑到VI时时 VkkkVV277.05.118183.0B -12V

11、12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门总的总的VB=-0.646V，T截止，截止，VO为高电平。为高电平。由于此时钳位二极管由于此时钳位二极管DQ导通，故导通，故VO=VQ+VDQ=3.2V 3V。 -12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门CCESCCBSBRVVII 当当VI=3.2V时，时，输入高电平，输入高电平，T应应饱和，即饱和，即 -12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反

12、相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门在本例中在本例中 mARVVI7 .1113 . 012CCESCCCS mAII39. 0307 .11CSBS -12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门BSRRBImAIII 96. 0706. 0667. 118)12(7 . 05 . 17 . 02 . 321实际上实际上-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门

13、IBIBS，三极管饱和。，三极管饱和。输出为低电平输出为低电平VO=Vces=0.3V0V采用正逻辑，可列采用正逻辑，可列出非门的真值表。出非门的真值表。-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门3003VF (V)VI (V) 电位关系电位关系1001FA真值表真值表-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路4.与非门电路与非门电路2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路5.或非门电路或非门电路2.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 TTL与非门的工与非门的工作原理作原理 TTL与非门的

14、典与非门的典型电路型电路TTL与非门的典型与非门的典型电路如图电路如图2-6所示，所示，它分成输入级、中它分成输入级、中间级和输出级三个间级和输出级三个部分。部分。输入级输入级中间级中间级输出级输出级 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输入级输入级由多发射极由多发射极晶体管晶体管T1和电阻和电阻R1组成，通过组成，通过T1的各的各个发射极实现与逻个发射极实现与逻辑功能。辑功能。多发射极晶体管多发射极晶体管 T1 的等效电路的等效电路 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路中间级中间级由由T2、R2、R3组成。组成。其主要作用是从其主要作用是从T2管的集电极管的集电极c2和发和发射极射极e2

15、同时输出两同时输出两个相位相反的信号，个相位相反的信号，分别驱动分别驱动T3和和T5管，管，来保证来保证T4和和T5管有管有一个导通时，另一一个导通时，另一个就截止。个就截止。 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输出级输出级由由R4、R5、T3、T4、T5组成，组成，T5是反相是反相器，器，T3、T4组成复合管组成复合管构成一个射随器，作为构成一个射随器，作为T5管的有源负载，并与管的有源负载，并与T5组成推拉式电路，使组成推拉式电路，使输出无论是高电平或是输出无论是高电平或是低电平，输出电阻都很低电平，输出电阻都很小，提高了带负载能力小，提高了带负载能力。工作原理工作原理则则VB1=VI

16、L+VBE1 =0.3+0.7=1VVB2 =VC1=VCES1+VIL =0.1+0.3=0.4V0.3V3.6V3.6VDA导通导通！设设A=0 B=1 C=1 (VIL=0.3V) ，1V0.4V所以：所以：T2 、T5 截止截止T3 、T4 导通导通VF = 5UBE3UBE4 50.70.7 = 3.6V拉电流拉电流F = 1工作原理工作原理设设A = B = C =1，即，即VA=VB=VC=VIH=3.6V，3.6V3.6V3.6V2.1VT1管的基极电位升管的基极电位升高，使高，使T1管的集电结、管的集电结、T2和和T5的发射结正向的发射结正向偏置而导通，偏置而导通，T1管的管

17、的基极电位基极电位VB1被箝位被箝位在在2.1V。1.4V故故T1管处于倒置工管处于倒置工作状态：发射结和作状态：发射结和集电结反向运用状集电结反向运用状态，发射结反向偏态，发射结反向偏置、集电结正向偏置、集电结正向偏置。置。T3 导通导通 ，T4 截止截止 VF = 0.3V ， F = 0VF =0.3V灌电流灌电流结论：结论：电路只要输入有一个为低电平时，输出就电路只要输入有一个为低电平时，输出就为高电平；只有输入全为高电平时，输出为高电平；只有输入全为高电平时，输出才为低电平。该门为与非门。即才为低电平。该门为与非门。即1.输入不全为输入不全为1时，输出为时，输出为12.输入全为输入全

18、为1时，输出为时，输出为0真值表为：真值表为：ABCF 111111100 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 FA B C 真值表真值表2.TTL与非门的电压传输特性及与非门的电压传输特性及 抗干扰能力抗干扰能力电压传输特性电压传输特性电压传输特性是描述输出电压电压传输特性是描述输出电压vO与输入与输入电压电压vI之间对应关系的曲线，如图之间对应关系的曲线，如图2-7所所示。示。 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性AB段（截止区）：段（截止区）：vI0.6V，输出电压，输出电压vO不随输入电压不随输入电压vI变化，变化，保持在高电平

19、保持在高电平VH。VC10.7V，T2和和T5管截管截止，止，T3、T4管导通，输管导通，输出高电平，出高电平，VOH=3.6V。由于由于T2和和T5管截止，故管截止，故称截止区。称截止区。 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性BC段段(线性区线性区)：0.6VvI1.3V，0.7VVC11.4V。这时这时T2管开始导通并管开始导通并处于放大状态，处于放大状态，T2管管的集电极电压的集电极电压VC2和输和输出电压出电压vO随输入电压随输入电压vI的增大而线性降低，的增大而线性降低，故该段称为线性区。故该段称为线性区。由于由于T5管的基极电位还低于管的基极电位还低于0.7V，故，故T5

20、管仍截止。管仍截止。T3、T4管还是处于导通状态。管还是处于导通状态。 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段段(过渡区过渡区)：1.3VvI1.4V，T5管管开始导通，开始导通，T2、T3、T4管也都处于导通状管也都处于导通状态，态，T4、T5管有一小管有一小段时间同时导通，故段时间同时导通，故有很大电流流过有很大电流流过R4电电阻，阻，T2管提供管提供T5管很管很大的基极电流大的基极电流;T2、T5管趋于饱和导通，管趋于饱和导通，T4管趋于截止，输出电管趋于截止，输出电压压vO急剧下降到低电平急剧下降到低电平vO=0.3V。由于由于vI的微小变化而引起输出电压的微小变化而引起

21、输出电压vO的急剧下降，的急剧下降，故此段称为过渡区或转折区。故此段称为过渡区或转折区。 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段段(过渡区过渡区)：CD段中点对应的输入段中点对应的输入电压，既是电压，既是T5管截止管截止和导通的分界线，又和导通的分界线，又是输出高、低电平的是输出高、低电平的分界线，故此电压称分界线，故此电压称阈值电压阈值电压VT（门槛电（门槛电压），压），VT=1.4V。VT是决定与非门状态的重要参数。当是决定与非门状态的重要参数。当vIVT时，时，与非门截止，输出高电平。与非门截止，输出高电平。当当vIVT时，与非门饱和导通，输出低电平。时，与非门饱和导通，输

22、出低电平。VT TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性DE段（饱和区）：段（饱和区）：vI1.4V以后，以后，T1管处管处于倒置工作状态，于倒置工作状态，VB1被箝位在被箝位在2.1V，T2、T5管进入饱和导通状管进入饱和导通状态，态，T3管微导通，管微导通，T4管截止。管截止。由于由于T2、T5管饱和导管饱和导通，故称该段为饱和通，故称该段为饱和区。区。抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限输入噪声容限)关门电平关门电平VOFF：输出为：输出为标准高电平标准高电平VSH时所允时所允许的最大输入低电平值。许的最大输入低电平值。通常通常VOFF=0.8V。开门电平开门电平VON：输出为：输出

23、为标准低电平标准低电平VSL时所允时所允许的最小输入高电平值。许的最小输入高电平值。通常通常VON=1.8V。 VNL抗干扰能力（输入噪声容限）：不破坏与抗干扰能力（输入噪声容限）：不破坏与非门输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。非门输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。VNHVOFFVON输入低电输入低电平的抗干平的抗干扰能力扰能力 输入高电平输入高电平的抗干扰能的抗干扰能力力 抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限输入噪声容限)VNL=VILmax-VOLmaxVNH=VOHmin-VIHminTTL与非门的输入特性、输出与非门的输入特性、输出特性和带负载能力特性和带负载能力 了解输入输出特性，可正

24、确处理了解输入输出特性，可正确处理TTL与非与非门之间和其它电路之间的连接问题。门之间和其它电路之间的连接问题。只要输入端、输出端的电路结构形式和参只要输入端、输出端的电路结构形式和参数与数与TTL与非门相同，输入、输出特性对与非门相同，输入、输出特性对其它其它TTL电路也适用。电路也适用。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系曲线，如图曲线，如图2-8所示的特性曲线。规定输入电流流所示的特性曲线。规定输入电流流入输入端为正，而从输入端流出为负。入输入端为正，而从输入端流出为负。TTL与非门的输入特性与非门的

25、输入特性 当当vI小于小于0.6V时时T2是截止的，是截止的，T1基极电流均经其基极电流均经其发射极流出（因集电极的负载电阻很大，发射极流出（因集电极的负载电阻很大，IC1可以可以忽略不计），这时电流大小可以近似计算为忽略不计），这时电流大小可以近似计算为iI=-(VCC-VBE1-vI)/R1。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI=0时，相当于输入端接地，故将此时的输入时，相当于输入端接地，故将此时的输入电流称为电流称为输入短路电流输入短路电流IIS，IIS=(VCC-VBE1)/R1=(5-0.7)/31.4mA。输入短路电流输入短路电流IIS=1.4mATTL与非门的输入特性

26、与非门的输入特性 当当vI等于等于0.6V时时T2管开始导通，管开始导通，T2管导通以后管导通以后IB1一部分就要流入一部分就要流入T2管的基极，管的基极，iI的绝对值随之略有的绝对值随之略有减小；减小；vI继续增加，继续增加，IB2要继续增大，而要继续增大，而iI的绝对值的绝对值继续减小。继续减小。 0.6VTTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI增加到增加到1.3V以后，以后，T5管开始导通，管开始导通，VB1被箝位被箝位在在2.1V左右；此后，左右；此后，iI的绝对值随的绝对值随vI的增大而迅速的增大而迅速减小。减小。 TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 IB1绝大部分经绝大

27、部分经T1集电结流入集电结流入T2的基极。当的基极。当vI大于大于1.4V以后，以后，T1就进入倒置工作状态，就进入倒置工作状态，iI由由e1端流入端流入输入端，此时的输入电流称为输入端，此时的输入电流称为输入漏电流输入漏电流IIH，其，其值约为值约为10A。IIHTTL与非门的输入特性与非门的输入特性 输入短路输入短路（低电平）（低电平）电流电流IIS1.4mA。输入漏输入漏（高电平）（高电平）电流电流IIH10A。IIHIISTTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接电阻电阻RI接地。如图接地。如图2

28、-9(a)图所示。图所示。此时就有电流此时就有电流II流过流过RI，并在其上产生电压降，并在其上产生电压降vI。TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 当输入端所接电阻当输入端所接电阻RI=0时，即输入端接地时，输时，即输入端接地时，输出为高电平；出为高电平；而而RI=时，输入电流没有通路，与输入端加高电时，输入电流没有通路，与输入端加高电平等效，此时输出为低电平。平等效，此时输出为低电平。TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 即即RI比较小时，与非门截止，输出高电平；比较小时，与非门截止，输出高电平；RI较大时，与非门饱和，输出为低电平；较大时，与非门饱和，输出为低电平；R

29、I不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 TTL门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。vI和和RI之间的关系曲线叫做之间的关系曲线叫做输入端负载特性输入端负载特性。TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 发射结导通时发射结导通时 )(BE1CC1IIIVVRRRv TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 在在RIR1条件下，条件下，vI几乎和几乎和RI成正比，成正比，vI随随RI增增加而增加。如图加而增加。如图2-9(b)所示。所示。)(BE1CC1II

30、IVVRRRv RI ，vI=1.4V，T5管导通，管导通，VB1被箝位在被箝位在2.1V。RI，vI=1.4V。则公式不再适用。则公式不再适用。 TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 关门电阻关门电阻ROFF：保证：保证TTL与非门关闭，输出为标与非门关闭，输出为标准高电平时，所允许的准高电平时，所允许的RI最大值。一般最大值。一般ROFF=0.8k。RIROFF时，与非门输出高电平。时，与非门输出高电平。 TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 开门电阻开门电阻RON：保证：保证TTL与非门导通，输出为标与非门导通，输出为标准低电平时，所允许的准低电平时，所允许的RI最小

31、值。一般最小值。一般RON=2k。RIRON时，与非门输出低电平。时，与非门输出低电平。 输入负载特性是输入负载特性是TTL与非门特有的，与非门特有的，不能用于不能用于CMOS门。门。TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 与非门多余端的处理：输入信号数目少于与非门多余端的处理：输入信号数目少于与非门输入端个数，出现多余端。与非门输入端个数，出现多余端。与非门输入端悬空相当于接高电平与非门输入端悬空相当于接高电平实际使用时，不采用悬空的方法，防止干扰信实际使用时，不采用悬空的方法，防止干扰信号引入号引入多余输入端多余输入端接电源的正端或固定高电平接电源的正端或固定高电平并联使用并联使用

32、TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 TTL与非门实际工作时，输出端总要接负与非门实际工作时，输出端总要接负载，产生负载电流，此电流也在影响输出载，产生负载电流，此电流也在影响输出电压的大小。电压的大小。输出电压与负载电流之间的关系曲线，称输出电压与负载电流之间的关系曲线，称为为输出特性输出特性。输出电压有高电平、低电平两种状态，所输出电压有高电平、低电平两种状态，所以有两种输出特性。以有两种输出特性。 TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 与非门输入全为高电平时，输与非门输入全为高电平时，输出为低电平。出为低电平。T1管倒置工作，管倒置工作，T2、T5管饱和导通，管饱和导通，T3管微导通

33、，管微导通，T4管截止。管截止。这时输出级等效电路如图这时输出级等效电路如图2-10(a)所示，其电流很大，是灌电流所示，其电流很大，是灌电流负载。负载。 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 是三极管在基极电流为某一值时是三极管在基极电流为某一值时共射极接法的输出特性曲线如图共射极接法的输出特性曲线如图2-10(b)所示。所示。T5饱和，其导通电阻饱和，其导通电阻rce很小很小（十几欧姆），所以（十几欧姆），所以iL增加时增加时vO仅稍有增加，输出低电平仅稍有增加，输出低电平VOL。当当iL

34、增加到大于某值后，增加到大于某值后，T5管退管退出饱和进入放大，出饱和进入放大，vO迅速上升，迅速上升，破坏了输出为低电平的逻辑关系，破坏了输出为低电平的逻辑关系，因此对灌电流值要有限制。因此对灌电流值要有限制。 IOLmaxVOLmaxTTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 当与非门输入端其中有当与非门输入端其中有一端为低电平时，输出为一端为低电平时，输出为高电平。高电平。T1管处于饱和状态，管处于饱和状态，T2、T5管截止，管截止，T3、T4管导通。管导通。这时输出级等效电路如这时输出级等效电路如图图2-11(a)所示，负载是拉所示，负载是

35、拉电流负载。电流负载。 TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 在在iL较小时，较小时，T3处于饱和边处于饱和边缘，缘，T4管放大，管放大，T3、T4组成组成的复合管有一定的放大作用，的复合管有一定的放大作用，输出特性曲线如图输出特性曲线如图2-11(b)所示。所示。输出电阻很小，输出电阻很小，TTL与非与非门的输出电压门的输出电压vO 随随iL变化不变化不大，故输出高电平大，故输出高电平VOH。当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，R4上压降增大，上压降增大，VC3下降，使下降，使T3进入深饱和，进入深饱和， 复合管跟随器处于饱和状态，

36、复合管跟随器处于饱和状态，失去跟随作用，失去跟随作用，输出电压输出电压vO随负载电流的增随负载电流的增加而迅速下降，加而迅速下降，vOVCC-VCES3-VBE4-iLR4。 为了保证为了保证vO为标准高电平。为标准高电平。对拉电流值要有限制。对拉电流值要有限制。 IOHmaxVOHmin带负载能力带负载能力TTL与非门的输出端接上负载后，负载有灌电流与非门的输出端接上负载后，负载有灌电流负载和拉电流负载。图负载和拉电流负载。图2-12分别表示灌电流负载分别表示灌电流负载和拉电流负载。和拉电流负载。 拉电流负载增加会使与非门拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降；的输出高电平下降；灌电流负载

37、增加会使与非门的灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升。输出低电平上升。IL=NOIISIL=NOIIH带负载能力带负载能力电路输出高、低电平时有输出电阻，所以输电路输出高、低电平时有输出电阻，所以输出的高、低电平随负载电流改变，变化小，出的高、低电平随负载电流改变，变化小，说明门的带负载能力强。说明门的带负载能力强。用输出电平变化不超过某一规定值（用输出电平变化不超过某一规定值（高电平高电平不低于高电平下限值不低于高电平下限值VOHmin，低电平不高于，低电平不高于低电平的上限值低电平的上限值VOLmax）时的最大负载电流，）时的最大负载电流，来定量描述门电路的来定量描述门电路的带负载能力

38、大小带负载能力大小。带负载能力带负载能力负载电流大，带负载能力强；反之，带负载负载电流大，带负载能力强；反之，带负载能力弱。能力弱。一个门的输出电平有高电平、低电平之分，一个门的输出电平有高电平、低电平之分，因此，说这个门的带负载能力，必须因此，说这个门的带负载能力，必须综合考综合考虑输出高电平时的带负载能力和输出低电平虑输出高电平时的带负载能力和输出低电平时的带负载能力。时的带负载能力。带负载能力带负载能力扇出系数：扇出系数：门电路驱动同类门的最大数目。门电路驱动同类门的最大数目。输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数 IHmaxOHmaxOHIIN 输出低电平时的扇出系数输出低电平时

39、的扇出系数 ILmaxOLmaxOLIIN 一个门的扇出系数只能是一个。一个门的扇出系数只能是一个。若若NOH和和NOL不同时，应取不同时，应取NOH和和NOL中小的一个。中小的一个。 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极管构成的管构成的TTL电路的状态转换需要一定的时间，即电路的状态转换需要一定的时间，即输出不能立即响应输入信号的变化，输出不能立即响应输入信号的变化，有一定的延迟有一定的延迟。如图如图2-13所示。所示。再有电阻、二极管、三极管等元器件寄生电容的再有电阻、

40、二极管、三极管等元器件寄生电容的存在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得存在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得不那么陡。不那么陡。导通传输导通传输延迟时间延迟时间 截止传输截止传输延迟时间延迟时间 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 2PLHPHLpdttt 传输延迟时间小，传输延迟时间小，表明门的工作速度表明门的工作速度可以高，反之，门可以高，反之，门的工作速度必须降的工作速度必须降低。低。TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 动态尖峰电流动态尖峰电流 静态时静态时TTL与非门电路的电源电流比较小，在与非门电路的电源电流比较小，在10mA左右。左右。在动态情况下，存在瞬间在动态情况

41、下，存在瞬间T4和和T5都导通的状态。都导通的状态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持续时间较短，故称之为续时间较短，故称之为尖峰电流或浪涌电流尖峰电流或浪涌电流。导。导致致ICC出现尖峰。出现尖峰。TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 动态尖峰电流动态尖峰电流 如图如图2-14所示。所示。在工作频率较高在工作频率较高时，尖峰电流对电时，尖峰电流对电源平均电流影响不源平均电流影响不可忽略。它使电源可忽略。它使电源的平均电流增大，的平均电流增大，这就要求加大电源这就要求加大电源的容量。的容量。 电源的尖峰电流电源的尖峰电流形成一个干扰源形成一个

42、干扰源为此，为此，要采取合要采取合理的接地和去耦措理的接地和去耦措施施，使之在允许范，使之在允许范围内。围内。 2.3 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 TTL门电路除了与非门外，还有其它逻辑功门电路除了与非门外，还有其它逻辑功能的门电路，如与门、或门、或非门、与或能的门电路，如与门、或门、或非门、与或非门、异或门、同或门、集电极开路门和三非门、异或门、同或门、集电极开路门和三态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩展器等。展器等。主要介绍集电极开路门和三态门。主要介绍集电极开路门和三态门。集电极开路门集电极开路门(OC门门)线与线与 ：把几个逻辑门把

43、几个逻辑门的输出端直接连在一的输出端直接连在一起实现逻辑与。起实现逻辑与。 TTL与非门直接线与与非门直接线与出现的问题：出现的问题：F1=1，F2=0就会在电就会在电源和地之间形成一个低源和地之间形成一个低阻通路，破坏了逻辑关阻通路，破坏了逻辑关系，而且还会把截止门系，而且还会把截止门中的导通管中的导通管T4烧坏。烧坏。 集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极开路门集电极开路门(OC门门)电路结构：把电路结构：把TTL与非门电路的推拉输出级改与非门电路的推拉输出级改为三极管集电极开路输出为三极管集电极开路输出,称为称为集电极开路集电极开路(Open Collector)门电路。门电路。R

44、L上上拉拉电电阻阻集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极开路门集电极开路门(OC门门)逻辑符号如图逻辑符号如图(b)所示。所示。 逻辑功能：逻辑功能：ABF 几个几个OC门的门的输出端直接并输出端直接并联后可共用一联后可共用一个集电极负载个集电极负载电阻电阻RL和电源和电源VCC。 需要恰当地选需要恰当地选择电源电压和择电源电压和负载电阻。负载电阻。 集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极负载电阻集电极负载电阻RL的选择的选择利用利用OC门可以实现线与功能。门可以实现线与功能。当有当有m个个OC门直接并联，并带有门直接并联，并带有n个与非个与非门作负载时，只要公共外接负载电阻门作负载时

45、，只要公共外接负载电阻RL选选择适当，就可以择适当，就可以保证输出高电平不低于规保证输出高电平不低于规定的定的VOHmin值值；又可以保证；又可以保证输出低电平不高输出低电平不高于规定的于规定的VOLmax。集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极负载电阻集电极负载电阻RL的选择的选择当当OC门线与输出为高电平时门线与输出为高电平时 若若m个个OC与非门的输出都为高电平直接并联，则与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结果为高电平，如图线与结果为高电平，如图2-17所示。所示。为保证并联输出高电为保证并联输出高电平不低于规定的平不低于规定的VOHmin值，则要求值，则要求RL取值不取值不能太

46、大，才能保证能太大，才能保证VCC-IRLRLVOHmin。OC门门个数个数 TTL与非门输入与非门输入端的个数端的个数 OC门输出管截门输出管截止时的漏电流止时的漏电流 负载门每个输入端负载门每个输入端为高电平时的输入为高电平时的输入漏电流漏电流 IRL=mIOH+pIIH VCC-(mIOH+pIIH)RLVOHmin RL最大值最大值RLmax为：为： IHOHOHminCCLmaxpImIVVR VCC-IRLRLVOHmin集电极开路门集电极开路门(OC门门)当当OC门线与输出为低电平时门线与输出为低电平时，从最不利情，从最不利情况考虑，设只有一个况考虑，设只有一个OC门处于导通状态

47、，门处于导通状态，而其它的而其它的OC门均截止，如图门均截止，如图2-18所示。所示。 RL不能太小，应保证不能太小，应保证在所有的负载电流全部在所有的负载电流全部流入唯一导通的流入唯一导通的OC门时，门时，线与输出低电平仍能低线与输出低电平仍能低于规定的于规定的VOLmax值，即值，即VCC-IRLRLVOLmax。 OC门导通时的门导通时的最大负载电流最大负载电流 TTL与非门输与非门输入短路电流入短路电流 注注：无论一个门有：无论一个门有几个输入端接在几个输入端接在VOL上，上，IIS都是同样大。都是同样大。 IRL=IOL-nIIS VCC-IRLRLVOLmaxVCC-(IOL-nI

48、IS)RLVOLmaxRL最小值最小值RLmin为：为： ISOLOLmaxCCLminnIIVVR RLminRLRLmax 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：门的应用：实现与或非逻辑实现与或非逻辑(线与线与)将几个将几个OC门的输出直接并联在一起，然后通过门的输出直接并联在一起，然后通过一个公共上拉电阻一个公共上拉电阻RL接到电源接到电源VCC上，如图上，如图2-19所示。所示。111BAF 222BAF nnnBAF ， nnnBABABAFFFF 221121nnBABABA 2211实现了与或实现了与或非的功能非的功能 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用

49、：门的应用：实现电平转移实现电平转移 在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）需要有电平转换的时候，常用需要有电平转换的时候，常用OC门实现，如图门实现，如图2-20所示电路。所示电路。 ， 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：门的应用：用作驱动器用作驱动器 用用OC门驱动指示灯、继电器和脉冲变压器门驱动指示灯、继电器和脉冲变压器等。等。当用于驱动指示灯时，上拉电阻由指示灯当用于驱动指示灯时，上拉电阻由指示灯代替，指示灯的一端于代替，指示灯的一端于OC门的输出相连，门的输出相连，另一端接上电源。另一端接上电源。如果电流过大，可串入一个适

50、当的限流电如果电流过大，可串入一个适当的限流电阻。阻。， 集电极开路门集电极开路门(OC门门)用作驱动器用作驱动器 例例 试用试用74LS系列逻辑门，驱动一只系列逻辑门，驱动一只VD=1.5V，ID=6mA的发光二极管。的发光二极管。解：与非门解：与非门74LS00的的IOL为为4mA，不能驱动，不能驱动ID=6mA的发光二极管。集电极开路与非门的发光二极管。集电极开路与非门74LS01的的IOL为为6mA，故可选用，故可选用74LS01来驱动发光二极管，其电路来驱动发光二极管，其电路如图所示。如图所示。， 限流电阻限流电阻 kVVVR5 . 065 . 05 . 156OLDCC三态输出门（

51、三态输出门（TSL门）门）三态逻辑（三态逻辑（Three State Logic）输出门）输出门，简称简称TSL门。它是在一般门电路的基础上增门。它是在一般门电路的基础上增加控制电路和控制端构成的。加控制电路和控制端构成的。三态输出是指三态门处于工作状态三态输出是指三态门处于工作状态高电平高电平低电平低电平非工作状态的高阻态非工作状态的高阻态(禁止态、开路态禁止态、开路态)三态输出门（三态输出门（TSL门）门）三态与非门的电路结构如图三态与非门的电路结构如图(a) 所示。所示。EN三态输出门（三态输出门（TSL门）门）VEN=0.3V (EN=0),VB1=1.0V,VB3=1.0V, T4、

52、T5截止。截止。 输出为高阻输出为高阻态态BABAF 1工作原理工作原理VEN=3.6V(EN=1), D截止，就是与非门。截止，就是与非门。1.0V1.0V三态输出门（三态输出门（TSL门）门）三态门的用途：三态门的用途：在总线传输中的应用在总线传输中的应用利用三态门向同一个总线利用三态门向同一个总线MN上轮流传输信号不会上轮流传输信号不会互相干扰。互相干扰。 工作条件是：在任何时间工作条件是：在任何时间里只能有一个三态门处于里只能有一个三态门处于工作状态，其余的门处于工作状态，其余的门处于高阻态。高阻态。 三态输出门（三态输出门（TSL门）门）三态门的用途：三态门的用途：实现数据双向传输实

53、现数据双向传输EN=0，G1高阻，高阻，N经经G2向向M送数据。送数据。 EN=1，G2高阻，高阻，M经经G1向向N送数据。送数据。2.4 MOS逻辑门逻辑门单极型单极型MOS(Metal Oxide Semiconductor)集集成电路分成电路分PMOS、NMOS和和CMOS三种。三种。NMOS电气性能较好，工艺较简单，适合制电气性能较好，工艺较简单，适合制作高性能的存储器、微处理器等大规模集成作高性能的存储器、微处理器等大规模集成电路。电路。而由而由NMOS和和PMOS构成的互补型构成的互补型CMOS电电路以其性能好、功耗低等显著特点，得到愈路以其性能好、功耗低等显著特点，得到愈来愈广泛

54、的应用。来愈广泛的应用。主要介绍主要介绍NMOS和和CMOS门电路。门电路。NMOS管的开关特性管的开关特性当用增强型当用增强型NMOS做工作管时，如输入电压做工作管时，如输入电压vI为为高电平高电平（大于开启电压（大于开启电压VT）则）则NMOS管导通，开管导通，开关闭合，若满足关闭合，若满足RDRON，输出电压，输出电压vO为低电平。为低电平。vIVTNMOS管的开关特性管的开关特性输入电压输入电压vI为为低电平低电平时则时则NMOS管截止，开管截止，开关断开，若满足关断开，若满足RDROFF，输出电压，输出电压vO为为高电平。高电平。 NMOS 门电路门电路NMOS 反相器反相器NMOS

55、 与非门与非门 NMOS 或非门或非门 NMOS 与或非门与或非门 NMOS 异或门异或门 NMOS 三态门三态门NMOS反相器反相器T1管为工作管管为工作管(驱动管、控制管驱动管、控制管)，T2管为负管为负载管，故此电路称为有源负载反相器。载管，故此电路称为有源负载反相器。vI为高电平且为高电平且vIVT1时，时，T1、T2管同时导通，管同时导通，输出电压输出电压vO为两个管子为两个管子的导通电阻对的导通电阻对VDD的分的分压，即压，即当输入电压当输入电压vI为低电为低电平时平时(vIVT1)，T1管截管截止，输出为高电平止，输出为高电平(vO=VOH=VDD-VT2)。 为满足为满足RDS

56、1RDS2，制造时使制造时使T1、T2在结构在结构上有不同的宽长比，即上有不同的宽长比，即W1/L1W2/L2。 VGD=VGS-VDS=0VTT2管工作在饱和区，管工作在饱和区，称饱和型负载管，总是称饱和型负载管，总是处于导通态。处于导通态。DDDS2DS1DS1OVRRRv NMOS反相器反相器饱和型负载反相器有两个缺点：饱和型负载反相器有两个缺点：输出高电平较电输出高电平较电源电压低一个开启电源电压低一个开启电压值。为了保证有足压值。为了保证有足够高的输出高电平，够高的输出高电平，必须增大电源电压。必须增大电源电压。为了保证输出为了保证输出低电平足够低，要低电平足够低，要求求RDS2相应

57、的增大，相应的增大，造成工作管关闭时，造成工作管关闭时，输出端杂散电容或输出端杂散电容或负载电容负载电容CO的充电的充电时间较长，使输出时间较长，使输出电压上升沿拖长，电压上升沿拖长，降低了工作速度。降低了工作速度。对同一个对同一个MOS负载负载管，若要提高电路的管，若要提高电路的速度，就必须减小其速度，就必须减小其导通电阻，让它工作导通电阻，让它工作在非饱和区，即工作在非饱和区，即工作在可变电阻区。这样，在可变电阻区。这样，可以提高电路的工作可以提高电路的工作速度，降低电路的功速度，降低电路的功率损耗。率损耗。NMOS反相器反相器非饱和型有源负载反相器如图非饱和型有源负载反相器如图2-26所

58、示。所示。 该反相器负载管该反相器负载管的栅极采用独立电的栅极采用独立电源源VGG，当，当VGG-VDDVT2时，负载管时，负载管T2工作在非饱和区。工作在非饱和区。输 出 电 平 可 接 近输 出 电 平 可 接 近VDD值，电路的工值，电路的工作速度提高，功率作速度提高，功率损耗降低。损耗降低。缺点是增加了一缺点是增加了一个电源。个电源。NMOS与非门与非门具有两个输入端的具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图与非门电路如图2-27所所示。示。当输入当输入A、B都为都为高电平时，串联高电平时，串联的两个工作管的两个工作管T1、T2都导通，电路都导通，电路的输出即为低电的输出即为低电平；平

59、；NMOS与非门与非门具有两个输入端的具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图与非门电路如图2-27所所示。示。当输入当输入A、B中中有一个为低电平时，有一个为低电平时，则串联的两个工作则串联的两个工作管管T1、T2中必有一中必有一个截止，则使电路个截止，则使电路输出为高电平。输出为高电平。ABF NMOS或非门或非门NMOS 或非门电路如图或非门电路如图2-28所示。所示。 NMOS或非门或非门因为两个工作管因为两个工作管T1、T2相并联，所以只要相并联，所以只要输入输入A、B中有一个中有一个为高电平时，则相应为高电平时，则相应的工作管必导通，使的工作管必导通，使电路的输出为低电平；电路的输

60、出为低电平；工作原理工作原理NMOS或非门或非门工作原理工作原理BAF 只有输入只有输入A、B中都中都为低电平时，则并为低电平时，则并联的两个工作管联的两个工作管T1、T2都截止，则使电都截止，则使电路输出为高电平。路输出为高电平。NMOS 与或非门与或非门NMOS 与或非门电路如图与或非门电路如图2-29所示。所示。 工作原理：工作原理：A=B=1F=0NMOS 与或非门与或非门NMOS 与或非门电路如图与或非门电路如图2-29所示。所示。 工作原理：工作原理：A=B=1C=D=1F=0NMOS 与或非门与或非门CDABF 工作原理：工作原理：当两组输入当两组输入(A、B和和C、D)中都有低