第三章逻辑门电路

1、门电路中晶体管均工作在门电路中晶体管均工作在开关状态开关状态。先介绍晶体管和场效应管的先介绍晶体管和场效应管的开关特性开关特性。再介绍两类门电路。再介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握一般掌握； 而各种门电路的而各种门电路的外部特性外部特性和和应用应用是要求是要求重点重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。3.1 3.1 概述概述1.定义：定义：门电路门电路是用以实现基本是用以实现基本逻辑运算逻辑运算和和复合逻辑复合逻辑运算的运算的电子电路电子电路。门电路门电路分立元件门电路分立元件门电路集成门电

2、路集成门电路双极型集成门双极型集成门（TTL ）MOS集成门集成门 NMOSPMOSCMOS2.分类分类:集成电路集成电路IC（Integrated Circuits）的分类）的分类. 按集成度分类按集成度分类（1）小规模）小规模ICSSI（含（含1 10门）门）（2）中规模）中规模ICMSI（含（含10 100门）门）（3）大规模）大规模ICLSI（含（含100 1000门）门）（4）超大规模）超大规模ICVLSI（含（含1000门以上）门以上）. 按按制造工艺分类制造工艺分类（1 1）双极型）双极型ICIC两种载流子（空穴和自由电子）参与导电两种载流子（空穴和自由电子）参与导电（2 2）单

3、极型）单极型ICIC只有一种载流子（空穴或自由电子）导电只有一种载流子（空穴或自由电子）导电 3、逻辑电平、逻辑电平1 10 05V0V0.8V2VUIH下限下限UIL上限上限 门电路的两种门电路的两种输入、输出输入、输出电平：电平：高电平高电平、低电平低电平。它们分别。它们分别对应逻辑电路的对应逻辑电路的1、0状态。状态。高电平高电平低电平低电平正逻辑正逻辑：高电平高电平1； 低电平低电平0。 负逻辑：负逻辑：高电平高电平0； 低电平低电平1 。输入电平输入电平(TTL)：输入高电平输入高电平UIH2V输入低电平输入低电平UIL2.7V输出低电平输出低电平UOL U Uthth），二极），二

4、极管导通，导通压降约为管导通，导通压降约为0.7V0.7V；外加反向电压，二极管截止。外加反向电压，二极管截止。uD(V) iD(mA) 0.7V0.7V3.2.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性 利用二极管的单向导电利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。极性控制的开关。当当u uI I=U=UILIL时，时，D D导通，导通，u uO O=0.7=U=0.7=UOLOL 开关闭合开关闭合 uI 二极管开关电路二极管开关电路 Vcc uo D R 二、二极管开关特性二、二极管开关特性假定：假定：U UIHIH=V=VCC CC ，U

5、UILIL=0=0当当u uI I=U=UIHIH时，时，D D截止，截止，u uo o=V=VCCCC=U=UOHOH 开关断开开关断开 1. 二极管的稳态开关特性二极管的稳态开关特性（1）理想开关特性）理想开关特性RKUKIK+-+-VIK闭合时：闭合时：RK=0，IK=VI/R，UK=0K断开时：断开时：RK= ，IK=0，UK=VIRDUDID+-+-VID正偏时：正偏时：RD=0，ID=VI/R，UD=0相当开关闭合相当开关闭合（2）二极管的理想开关特性）二极管的理想开关特性RDUDID+-+-+VID反偏时：反偏时：RD= ，ID=0，UD=VI相当开关断开相当开关断开（3）实际二

6、极管的开关特性（伏安特性）实际二极管的开关特性（伏安特性）ID/mAUD/V0VD锗锗 硅硅VZIS特性：特性： U UD D 0 0（反偏和零偏）（反偏和零偏）时时D D截止；截止； U UD D V VD D（开启电压）时（开启电压）时D D导通，导通，D D导通时导通时U UD D=V=VD D钳位作用钳位作用 ；V VD D( (锗锗)=0.1)=0.1 0.3V;0.3V;V VD D( (硅硅)=0.5)=0.5 0.7V0.7V（0.7V0.7V）2. 二极管的瞬态开关特性二极管的瞬态开关特性（1）理想特性）理想特性RDUDID+-+-VIVIt0V+V-UDt0IDt0trtf

7、（2）实际特性）实际特性（3）开关时间）开关时间 正向导通时间正向导通时间t tonon= = t tr r 反向截止时间反向截止时间t tOFFOFF= = t tf f因素：因素：PN结电容结电容位垒电容和扩散电容位垒电容和扩散电容 因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。双极型三极管。NPNNPN型型PNPPNP型型3.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性1、双极型三极管输入特性、双极型三极管输入特性 0 0.5 0.7 uBE(V) 输输入入特特性性曲曲线线 iB(A) b iC 硅硅料料NPN型型三三极极管管

8、c e iB 双极型三极管的应用中，通常是通过双极型三极管的应用中，通常是通过b,eb,e间的电流间的电流i iB B控制控制c,ec,e间的电流间的电流i iC C实现其电路功能的。因此，以实现其电路功能的。因此，以b,eb,e间的回路作为间的回路作为输入回路，输入回路，c,ec,e间的回路作为输出回路间的回路作为输出回路。 输入回路实质是一个输入回路实质是一个PNPN结结，其输入特性基本等同于，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。二极管的伏安特性。ICVCE0VCC/RCVCC放大区放大区饱和区饱和区截止区截止区（1）截止区截止区条件：条件：发射结、集电极均反偏发射结、集电极均反偏VBE

9、 0；特点：；特点：IB=IC=IE 0，VO=VCC；。；。+-VIVO+-RBRCICIBIEBCETVCC +12V（2）放大区放大区条件：条件：发射结正偏，集电结反偏；发射结正偏，集电结反偏；VBE VD(0.7V),VBC0；特点：特点：IB IBS=(VCC-VCES)/ RC，VO=VCES=0.3V2、双极型三极管输出特性、双极型三极管输出特性工作区工作区可靠条件可靠条件工程近似工程近似特点特点等效电路等效电路截止区截止区VBE 0VBC0VBE 0.7VVBC0VBC0VBE 0.7VVBC0IB IBS=(VCC-VCES)/ RCIC=ICSVO=VCES=0.3VBCE

10、BCE+VBE-+VCES-0.7V0.3VBCE+VBE-IC= IB0.7V3、双极型三极管开关特性、双极型三极管开关特性 ui iB e Rb b +VCC iC uo 三三极极管管开开关关电电路路 Rc c 利用三极管的饱和与截利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作出高、低电平，即开关工作状态。状态。当当u uI I=U=UILIL时，三极管截止，时，三极管截止，u uO O= =V Vcccc=U=UOHOH 开关断开开关断开假定：假定

11、：U UIHIH=V=VCC CC ，U UILIL=0=0当当u uI I=U=UIHIH时，三极管深度饱和，时，三极管深度饱和，u uo o= =U USEsSEs=U=UOLOL 开关闭合开关闭合 【例例3.1】分析如图所示的三极管分析如图所示的三极管开 关 电 路 ， 已 知开 关 电 路 ， 已 知 RC= 1 k ，VCC=12V，=60。在下列条件下。在下列条件下计算计算IB，IC及及VO，并确定三极管，并确定三极管T的工作状态。的工作状态。 当当Vi=-3V时；时； 当当Vi=+3V，RB=20k 时；时； 当当Vi=+3V，RB=10k 时。时。+-VIVO+-RBRCICI

12、BIEBCETVCC +12V4. 三极管开关电路的分析方法三极管开关电路的分析方法进行假设；进行假设； 分析估算；分析估算； 比较检查；比较检查； 写出结果写出结果解：解： 当当Vi=-3V时时T截止截止，IBICIE0，VO=VCC=12V；+-VIVO+-RBRCICIBIEBCETVCC +12V 当当Vi=+3V，RB=20k 时时，假设假设T导通导通，则则VBE=0.7V mA.RVVIB115. 020703BBEimA.RVVIBS195. 01603012CCESCC因为因为IBIBS，所以，所以T工作在放大区工作在放大区 IC= IB=600.115=6.9mA VO=VC

13、CICRC=126.91.0=5.1V 当当Vi=+3V，RB=10k 时时， mA.RVVIB23. 010703BBEiIBS=0.195mA因为因为IBIBS，所以，所以T工作在饱和区工作在饱和区 VO=VCES=0.3V。 mA.RVVIICSC7 .1113012CCESCC【例例3.2】在下图电路中，试计算当输入端分别接在下图电路中，试计算当输入端分别接0V、5V和悬空时输出和悬空时输出电压电压VO的数值，已知三极管导通时的数值，已知三极管导通时VBE=0.7V。解（解（1）当）当VI=0V时时T截止，截止，VO=VCC=5VVIVOR1 4.7 K RC 2K ICIBTVCC

14、+5V R2 18K -VBB 8V =50 R3 3K （2）当）当VI=5V时设时设T导通，导通，VBE=0.7VmARVVRVVIIIBBBEBEIRRB43. 01887 . 07 . 47 . 052121mARVVICCESCCBS047. 02503 . 05因为因为IBIBS，所以，所以T饱和，饱和，VO=0.3V（3）当输入悬空时设）当输入悬空时设T导通，导通，VBE=0.7VmARVVRRVVIIIBBBEBECCRRB075. 01887 . 037 . 47 . 0523121因为因为IBIBS，所以，所以T饱和，饱和，VO=0.3V5. 晶体三极管的瞬态开关特性晶体三

15、极管的瞬态开关特性（1）三极管）三极管基区少数载流子浓度分布曲线基区少数载流子浓度分布曲线 QBS基区基区（P）集电区集电区（N）发射区发射区（N）（2）理想三极管的开关特性）理想三极管的开关特性tdtrtstfVIt0ICt0VOt0+V-V（3）实际三极管的开关特性）实际三极管的开关特性VCC0.3V正向导通时间正向导通时间ton=td+tr延迟时间延迟时间td，上升时间，上升时间tr反向截止时间反向截止时间toff=ts+tf存储时间存储时间ts，下降时间，下降时间tf（4 4）平均传输延迟时间）平均传输延迟时间 tpd Vm0.5Vm0.5VmtphltplhVIVO2plhphlpd

16、ttt动态参数动态参数6.6.改善三极管开关速度的方法改善三极管开关速度的方法（1）晶体管内部）晶体管内部 基区面积小（存储的电荷少）；基区面积小（存储的电荷少）； 渗金技术渗金技术使扩散区积累多于载流子迅速被复合使扩散区积累多于载流子迅速被复合（2 2）电路设计）电路设计截止不深；饱和不深截止不深；饱和不深临界饱和临界饱和 0)(121RRRVVVBBIICCESCCBBBEBEIRVVSRVVRVV21BSBIIS 饱和系数饱和系数当当S=1时时T处于临界饱和，当处于临界饱和，当S1时时T饱和饱和输出钳位电路输出钳位电路VCL +3VDCLCOVIVOR1RCBCETVCC +12VR2-

17、VBB AFVOt012V3Vtr8. 三极管开关的带负载能力三极管开关的带负载能力（1）三极管截止时）三极管截止时以拉电流以拉电流（IOL）为主，带负载能力以保证钳）为主，带负载能力以保证钳位二极管工作为前提。位二极管工作为前提。VIVOR1RCBCETVCC +12VR2-VBB AVCL +3VDCLIOLIOGIDCLICIRCCCLCCRCOLDCLRCOLRVVIIIIImax（2）三极管导通时）三极管导通时以灌电流（以灌电流（IOG）为主，）为主，带负载能带负载能力以保证三极管不退出饱和区为前提。力以保证三极管不退出饱和区为前提。CCESCCBBBEBEIHRCBRCCSOGOG

18、RCCRVVRVVRVVIIIIIIII)(21max输入与输出量间能满足输入与输出量间能满足逻辑关系的电路逻辑关系的电路ABCVcc（5V）R3k 二极管与门电路二极管与门电路&ABCL=ABC逻辑符号逻辑符号ABCVcc（5V）R3k 二极管与门电路二极管与门电路VAVBVcVL00000050050005505000505055005555输入与输出电压的关系输入与输出电压的关系输入与输出电压的关系输入与输出电压的关系真值表真值表输入与输出量间能满足输入与输出量间能满足逻辑关系的电路逻辑关系的电路ABCR3k 二极管或门电路二极管或门电路 1ABCL=A+B+C逻辑符号逻辑符号V

19、AVBVcVL00000055050505555005505555055555输入与输出电压的关系输入与输出电压的关系ABCR3k 二极管或门电路二极管或门电路输入与输出电压的关系输入与输出电压的关系真值表真值表输入与输出量间能满足输入与输出量间能满足逻辑关系的电路逻辑关系的电路1AL=A逻辑符号逻辑符号RcRbT VccALBJT反相器反相器RcRbT VccALBJT反相器反相器VAVL0Vcc5VVcEs（0.20.3V)输入与输出电压的关系输入与输出电压的关系0110LA反相器的真值表反相器的真值表vovI0逻辑逻辑0逻辑逻辑1截止截止放大放大饱和饱和V1V2RcRb VccvICL考

20、虑负载电容的考虑负载电容的BJTBJT反相器反相器vO+ +- -四、四、 复合逻辑门复合逻辑门与非门、或非门与非门、或非门1. 与非门与非门（1）电路结构和逻辑符号）电路结构和逻辑符号（2）功能）功能&ABFVOR1RCBCETVCC +12VR2-VBB FVCL3VDCLRABA BF0 00 11 01 11110真值表真值表 表达式表达式 F=A B 工作波形（时序图）工作波形（时序图）ABF2. 或非门或非门（1）电路结构和逻辑符号）电路结构和逻辑符号（2）功能）功能 1ABFA BF0 00 11 01 11000真值表真值表 表达式表达式 F=A+B 工作波形（时序图）

21、工作波形（时序图）ABF-VBB VOR1RCBCETVCC +12VR2FVCL3VDCLRABVcc（5V） Rb1 4k RC21.6k RC4130 RLDT1 Re2 1k T2T4 T3+ +- -u uo ou ui i+ +- -输入级输入级中间倒中间倒相级相级输出级输出级推拉式输出级作用：推拉式输出级作用：降低功耗，提高带降低功耗，提高带负载能力负载能力Vcc（5V） Rb1 4k RC21.6k RC4130 RLDT1 Re2 1k T2T4 T3+ +- -v vo ov vi i+ +- - 输入为高电平输入为高电平3 3.6V.6VVccVccR Rb1b1T T1

22、 1T T2 2T T3 3 电流流向：电流流向：T T2 2饱和饱和T T4 4截止；截止；T T3 3饱和饱和输出为低电平。输出为低电平。T T1 1工作在工作在V VB1B1=V=VBC1BC1+V+VBE2BE2+V+VBE3BE3=0.7+0.7+0.7=2.1V=0.7+0.7+0.7=2.1VV VC2C2=V=VCES2CES2+V+VBE3BE3=0.3+0.7=1.0V=0.3+0.7=1.0VVcc（5V） Rb1 4k RC21.6k RC4130 RLDT1 Re2 1k T2T4 T3+ +- -v vo ov vi i+ +- - 输入为低电平输入为低电平0 0.

23、2V.2VVccVccR Rb1b1T T1 1输入端输入端 电流流向：电流流向：T T3 3截止；截止；T T2 2截止截止T T4 4、D D导通导通输出为高电平。输出为高电平。V VB1B1=V=VI I+V+VBE1BE1=0.2+0.7=0.9V=0.2+0.7=0.9VV VO O = V= VCCCC-V-VBE4BE4 -V-VD D = 5-0.7 -0.7 = 3.6V= 5-0.7 -0.7 = 3.6VAY0110Vcc（5V） Rb1 4k RC21.6k RC4130 RLDT1 Re2 1k T2T4 T3+ +- -v vo ov vi i+ +- -Vcc（5

24、V） Rb1 4k RC21.6k RC4130 RLDT1 Re2 1k T2T4 T3+ +- -v vo ov vi i+ +- -VI由由3.6V变为变为0.2V瞬间瞬间VB1= 0.9V；VC1= 1.4VT1工作在放大区，电流工作在放大区，电流从从T2的基极流入的基极流入T1基基极，使极，使T2迅速地脱离迅速地脱离饱和进入截止状态。饱和进入截止状态。T4也迅速导通，使也迅速导通，使T3的的存储电荷通过集电极快存储电荷通过集电极快速消散而截止，加速了速消散而截止，加速了状态转换速度。状态转换速度。Vcc（5V） Rb1 4k RC21.6k RC4130 RLDT1 Re2 1k T

25、2T4 T3+ +- -v vo ov vi i+ +- -反映输出电压反映输出电压u uo o与输入电压与输入电压u uI I之间关系的曲线之间关系的曲线123vI/VvO/V420DCBAVcc（5V）Rb14k RC21.6k RC4130 RLDRe2 1k T2T4 T3+ +- -u uo oA AB BC C区别：区别：T T1 1改为改为多发射极三极管多发射极三极管。T1ABY 四、四、TTLTTL或非门典型电路或非门典型电路区别：区别：有各自的输入级和倒相级，有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。并联使用共同的输出级。BAY 五、五、74S74S系列门电路系列门电路

26、74S74S系列又称肖特基系列。采用了系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖或称肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管特基势垒二极管SBDSBD组合而成。组合而成。 采用肖特基势垒二极管采用肖特基势垒二极管SBDSBD钳位达到抗饱和钳位达到抗饱和的效果，具有较高的传输速度。的效果，具有较高的传输速度。 具有单向导电性具有单向导电性 导通阀值电压较低，约为导通阀值电压较低，约为0.40.4 0.5V0.5V 势垒二极管的导电机构是多数载流子，势垒二极管的导电机构是多数载流子，因而存储效应很小。因而存储效应很小。bcebce

27、Vcc Rb12.8k RC2760 RC455 DARb6 370 T2T4 T3A AB BRC6 T6DBT5 Rb13.5k T1L L有源下拉电阻有源下拉电阻（泄放电路）（泄放电路）1 1、TTLTTL系列门电路系列门电路74：标准系列；：标准系列；74H：高速系列；：高速系列；74S：肖特基系列；：肖特基系列；74LS74LS：低功耗肖特基系列；：低功耗肖特基系列；74LS74LS系列成为功耗延迟积较系列成为功耗延迟积较小的系列。小的系列。74LS74LS系列产品具有最佳的综合性能，是系列产品具有最佳的综合性能，是TTLTTL集成集成电路的主流，是应用最广的系列。电路的主流，是应用

28、最广的系列。 性能比较好的门电路应该是工作性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小速度既快，功耗又小的的门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积( (简称功简称功耗耗延迟积延迟积) )来评价门电路性能的优劣。功耗来评价门电路性能的优劣。功耗延迟积越小，延迟积越小，门电路的综合性能就越好。门电路的综合性能就越好。74AS：先进肖特基系列；：先进肖特基系列；74ALS74ALS：先进低功耗肖特基系列。：先进低功耗肖特基系列。1829低功耗低功耗肖特基肖特基74LS30201.5先进的先进的肖特基肖特基74AS460100DP/pJ12010PD

29、/mW4310tpd/ns先进的低功先进的低功耗肖特基耗肖特基74ALS肖特肖特基基74S基本基本74 类型类型参数参数TTLTTL门电路的各种系列的性能比较门电路的各种系列的性能比较 14 13 12 11 10 9 8 74LS00 1 2 3 4 5 6 7 4 与非门与非门 74LS00 的引脚排列图 VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14 13 12 11 10 9 8 74LS04 1 2 3 4 5 6 7 6 反相器反相器 74LS04 的引脚排列图 VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A

30、3Y GND 14 13 12 11 10 9 8 74LS02 1 2 3 4 5 6 7 4 或非门或非门 74LS02 的引脚排列图 VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A 1Y 1B 1A 2Y 2B 2A GND 74LS74LS系列常用芯片系列常用芯片与门与门 A B AB & 1 Y=AB=ABAB&Y A B A+B 1 1 或或门门AB1YY=A+B=A+B异或门异或门 Y A B & 1 1 BABABABABABABABABAY )()(AB=1Y2、门电路构成、门电路构成1.1.电压传输特性电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。：

31、输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。测试电路测试电路电压传输特性电压传输特性六、六、TTLTTL门电路的重要参数门电路的重要参数2、输出和输入的高低电平、输出和输入的高低电平 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平使输入电平U UI I偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 高电平噪声容限高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压许叠加在输入高电平上的最

32、大噪声电压( (负向干扰负向干扰) )，用，用U UNHNH表示：表示： 低电平噪声容限低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压许叠加在输入低电平上的最大噪声电压( (正向干扰正向干扰) )，用，用U UNLNL表示：表示： U UNL NL = = U UIL,maxIL,maxU UILILU UNH NH = U= UIHIHU UIH,minIH,min3、噪声容限、噪声容限电路的抗干扰能力电路的抗干扰能力1 1输出输出0 0输出输出1 1输入输入0 0输入输入U UOH,minOH,minU UIH,minIH,

33、minU UNHNHU UIL,maxIL,maxU UOL,maxOL,maxU UNLNL11u uI Iu uO O输入低电平噪声容限：输入低电平噪声容限：UNL=UIL,maxUOL,max输入高电平噪声容限：输入高电平噪声容限：UNH=UOH,minUIH,min74LS74LS系列门电路前后级系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V0.5V=0.3VUNH=2.7V2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V扇入数：输入端的个数扇入数：输入端的个数扇出数：表示门电路输出端的驱动能扇出数：表示门电路输出端的驱动能 力，与负载的类型

34、有关。力，与负载的类型有关。要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流I IOHOH和和I IOLOL均大于或等于均大于或等于N N个后级门的输入电流的总和。个后级门的输入电流的总和。 计算：计算：输出为高电平时，可以驱动同类门的数目输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N N1 1； 输出为低电平时，可以驱动同类门的数目输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N N2 2； 扇出系数扇出系数minmin（N N1 1，N N2 2）。 4、扇入与扇出数、扇入与扇出数例：如图，试计算例：如图，试计算74LS74LS系列非门电路系列非门电路G G1

35、 1最多可驱动多少个同类门电路。最多可驱动多少个同类门电路。解：解： G G1 1输出为输出为低电平低电平时，可以驱动时，可以驱动N N1 1个同类门；个同类门；应满足应满足 I IOLOL N N1 1 |I|IILIL| | G G1 1输出为输出为高电平高电平时，可以驱动时，可以驱动N N2 2个同类门；个同类门； N Nminmin（N N1 1,N,N2 2） 2020N N1 1 I IOLOL / |I|IILIL| | 8mA/0.4mA 8mA/0.4mA 2020应满足应满足 |I|IOHOH| | N N2 2 I IIHIHN N2 2 | |I IOHOH| | /

36、I IIHIH 0.4mA/20A 0.4mA/20A 2020低电平输入电流低电平输入电流I IILIL，maxmax-0.4mA-0.4mA高电平输入电流高电平输入电流I IIHIH，maxmax20A20A低电平输出电流低电平输出电流I IOLOL，maxmax8mA8mA高电平输出电流高电平输出电流I IOHOH，maxmax-0.4mA-0.4mA74LS74LS系列门电路标准规定：系列门电路标准规定：PLHtPHLtPLHtPHLt输入输入同相同相输出输出反相反相输出输出PHLPLHPdttt 平均传输延迟时间：平均传输延迟时间：5、传输延迟时间、传输延迟时间表征门电路的开关速度表

37、征门电路的开关速度功耗功耗静态功耗静态功耗动态功耗动态功耗截止功耗截止功耗POFF空载导通功耗空载导通功耗PON7、延时、延时功耗积（越小越好）功耗积（越小越好）DPdPtDP 6、功耗、功耗Y&AB&CD& 七、集电极开路的门电路（七、集电极开路的门电路（OCOC门）门）CDABY 推拉式输出级并联推拉式输出级并联1.“1.“线与线与”的概念的概念“线与线与” 普通的普通的TTLTTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解决这个问题的方法就是把输出极改为解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路集电极开路的三的三极管结构。极管

38、结构。 OC OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。2.OC2.OC门的电路结构和逻辑符号门的电路结构和逻辑符号3.OC3.OC门的门的“线与线与”功能功能CDABYYY 21当当n个前级门输出均为个前级门输出均为高电平，即所有高电平，即所有OC门同门同时截止时，为保证输出时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的的高电平不低于规定的UOH，mi

39、n值，上拉电阻不值，上拉电阻不能过大，其最大值计算能过大，其最大值计算公式：公式：4.4.外接上拉电阻外接上拉电阻R RU U的计算方法的计算方法HIOHminOHCCUmInIUVR ，(max)当当n个前级门中有一个个前级门中有一个输出为低电平，即所有输出为低电平，即所有OC门中只有一个导通时，门中只有一个导通时，全部负载电流都流入导通全部负载电流都流入导通的那个的那个 OC门，为确保流门，为确保流入导通入导通OC门的电流不至门的电流不至于超过最大允许的于超过最大允许的IOL，max值，值，RU值不可太小，其最值不可太小，其最小值计算公式：小值计算公式：ILmaxOLmaxOLCCUImI

40、UVR ，(min)(min)maxUUURRR 实现线与。实现线与。可以简化电路，节省器件。可以简化电路，节省器件。实现电平转换。实现电平转换。如图所示，可使输出高电平变为如图所示，可使输出高电平变为10V10V。用做驱动器。用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。如图是用来驱动发光二极管的电路。+10V&OV+5V&2705.OC5.OC门的应用门的应用 国标符号 T4 A R1 3k T3 T2 T1 Y R4 100 +VCC(+5V) T5 R2 750 R3 360 R5 3k A EN 1 EN Y EN D 三三态态输输出出非非门门（高高电电平平有有效效）电

41、电路路结结构构 1.1.三态门的电路结构和逻辑符号三态门的电路结构和逻辑符号功能表功能表EN=0EN=0EN=1EN=1AY Y高阻态输出有三种状态：输出有三种状态： 高电平、低电平、高阻态。高电平、低电平、高阻态。控制端或控制端或使能端使能端八、三态输出门电路（八、三态输出门电路（TSTS门）门）三态与非门的工作原理：三态与非门的工作原理：VccR1R2R4DR3 T2T4 T3VccR6R5T5T6T7CSCS=1=1，T T5 5倒置，倒置，T T6 6饱和，饱和，T T7 7截止，截止，输出取决于输出取决于A A、B BCS=0CS=0，T T6 6截止，截止，T T7 7导通，导通，

42、 T T4 4截止，截止，同时由于同时由于T T2 2截止，截止，T T3 3也截止，输出也截止，输出端相当于开路，端相当于开路，呈现高电阻状态。呈现高电阻状态。三态与非门的真值表：三态与非门的真值表：高阻高阻011101110100BA01CS数据输入端数据输入端输出端输出端L高电平有效高电平有效低电平有效低电平有效两种控制模式：两种控制模式：数据总线结构数据总线结构 只要控制各个门的只要控制各个门的ENEN端轮端轮流为流为1 1，且任何时刻仅有一个，且任何时刻仅有一个为为1 1，就可以实现各个门，就可以实现各个门分时分时地向总线传输。地向总线传输。实现数据双向传输实现数据双向传输 EN=1

43、EN=1，G1G1工作，工作，G2G2高阻，高阻，A A经经G1G1反相送至总线；反相送至总线； EN=0EN=0，G1G1高阻，高阻，G2G2工作，总工作，总线数据经线数据经G2G2反相从反相从Y Y端送出。端送出。2.2.三态门的应用三态门的应用1.1.与非门的处理与非门的处理“1”“1”悬空悬空2.2.或非门、与或非门的处理或非门、与或非门的处理“0”“0”BAY ABY 九、九、TTLTTL门电路多余输入端的处理门电路多余输入端的处理（1 1）CMOSCMOS电路的电路的工作速度工作速度比比TTLTTL电路的电路的低低。（2 2）CMOSCMOS带负载的能力带负载的能力比比TTLTTL

44、电路电路强强。（3 3）CMOSCMOS电路的电路的电源电压允许范围较大电源电压允许范围较大，约在，约在3 318V18V，抗抗 干扰能力干扰能力比比TTLTTL电路电路强强。（4）CMOS电路的电路的功耗功耗比比TTL电路电路小小得多。得多。 门电路的功耗只有几个门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗，中规模集成电路的功耗 也不会超过也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成电路的集成度集成度比比TTL电路电路高高。（6）CMOS电路电路容易受静电感应而击穿容易受静电感应而击穿。 在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接 地良好

45、，尤其是地良好，尤其是CMOS电路电路多余不用的输入端不能悬多余不用的输入端不能悬 空，应根据需要接地或接高电平空，应根据需要接地或接高电平。CMOSCMOS电路的特点：电路的特点：3.5 CMOS3.5 CMOS门电路门电路常用常用CMOS逻辑门器件系列：逻辑门器件系列： 4000系列；系列； 74HC系列高速系列高速CMOS系列。系列。输入低电平，输入低电平，NMOSNMOS管截止；管截止；输入高电平，输入高电平，NMOSNMOS管导通。管导通。输入低电平，输入低电平，PMOSPMOS管导通；管导通；输入高电平，输入高电平，PMOSPMOS管截止。管截止。一、一、MOSMOS管的开关特性管

46、的开关特性 几何尺寸小，适合于制造大规模集成电路。几何尺寸小，适合于制造大规模集成电路。 结构简单，易于使用结构简单，易于使用CADCAD技术进行设计。技术进行设计。 工作管通常用增强型器件，而负载管可用工作管通常用增强型器件，而负载管可用 增强型或耗尽型。增强型或耗尽型。VDDIvOvT2T1VDDIvOvT1T2简化电路简化电路VDDIvOvT2T1输入为高电压时，输入为高电压时，T1T1导通，输导通，输出出VoVo为低电压。通常为低电压。通常T1T1跨导远跨导远大于大于T2T2的跨导，以保证输出低的跨导，以保证输出低电压值在电压值在1V1V左右。左右。输入为低电压时，输入为低电压时，T1

47、T1截止，输截止，输出出VoVo为高电压。输出电压约为为高电压。输出电压约为V VDDDD-V-VT T。VDDT1T2ABL=A+B或非门的工作管都是或非门的工作管都是并联的，增加管子数并联的，增加管子数目，输出低电平基本目，输出低电平基本稳定，在整体电路设稳定，在整体电路设计中很方便，所以计中很方便，所以NMOSNMOS门电路是以或非门电路是以或非门电路为基础的，主门电路为基础的，主要用于大规模集成电要用于大规模集成电路。路。VDDIvOvP沟道沟道N沟道沟道VDDIvOvTNTP简化电路简化电路要求：要求：|)|(TPTNDDVVV AY0110假设：假设：处于逻辑处于逻辑0 0时，相应

48、的电压近似为时，相应的电压近似为0 0；处于逻；处于逻辑辑1 1时，相应的电压近似为时，相应的电压近似为V VDDDDVDDIvOvTNTPvSGPvGSNiDvoVoL 00VGSN=VDDVSGP=0输入为高电平，输出为低电平输入为高电平，输出为低电平VDDIvOvTNTPvSGPvGSNiDvoVoH VDD0VSGP=VDDVGSN=0输入为低电平，输出为高电平输入为低电平，输出为高电平DCBA246vI/VvO/V4206810810T TN N截止截止T TN N在饱和区；在饱和区；T TP P在可变电阻区在可变电阻区T TN N、 T TP P均在饱和区均在饱和区T TP P在饱

49、和区，在饱和区，T TN N在可变电阻区在可变电阻区T TP P截止截止CMOSCMOS反相器在电容负载情况下，其开通时反相器在电容负载情况下，其开通时间和关闭时间是相等的，平均传输延迟时间和关闭时间是相等的，平均传输延迟时间约为间约为10ns10ns。VDDIvOvTNTPCLVDDIvOvTPCLiDP（0）CMOSCMOS反相器在电容负载下的工作情况反相器在电容负载下的工作情况VDDTN1TP2TN2TP1ABLVDDTN1TP2TN2TP1ABL总结总结：对于对于MOS门，若使用正电源（门，若使用正电源（NMOS、CMOS）驱）驱动管串与并或再非；若使用负电源（动管串与并或再非；若使用

50、负电源（PMOS）驱动管串或并）驱动管串或并与再非。与再非。LVDDTP5TP4TP3TN1TP2TN2TP1ABTN3TN4TN5XABX=A+BX=AB+XX=AB+A+BX=A B=1ABL=A B逻辑符号逻辑符号oIvv /Iovv /CCTPTN+5V-5VTGoIvv/Iovv /CC传输门由两管栅极的互补信号传输门由两管栅极的互补信号 C C 和和 C C 控制，控制，当当C=1C=1时，开关开通；时，开关开通；C=0C=0时，开关断开。开时，开关断开。开关的导通电阻近似为一个常数，阻值约为数关的导通电阻近似为一个常数，阻值约为数百欧。百欧。CMOSCMOS传输门工作原理：传输门

51、工作原理：oIvv /Iovv /CCTPTN+5V-5VC C接低电平接低电平-5V-5V，T TN N栅压栅压为为-5V-5V，T TP P栅压为栅压为+5V +5V ，当当V VI I在（在（-5-5 +5+5）V V范围范围时，时，T TN N、 T TP P均不导通均不导通开关是断开的。开关是断开的。C C接高电平接高电平+5V+5V，T TN N栅压为栅压为+5V+5V，当，当V VI I在（在（-5-5 +3+3）V V范围时范围时T TN N导通；导通； T TP P栅压为栅压为-5V-5V，当，当V VI I在（在（-3-3 +5+5）V V范围时范围时T TP P导通；当导

52、通；当V VI I在（在（-3-3 +3+3）V V范围时范围时T TN N、 T TP P均导通均导通开关是闭合的。开关是闭合的。94CMOSCMOS传输门和双向模拟开关传输门和双向模拟开关 uI/uo uo/uI VDD C TN TP C TG uI/uo uo/uI C C C0、 ，TN和和TP截止，相当于截止，相当于开关断开开关断开。C1、 ，TN和和TP导通，相当于导通，相当于开关接通开关接通，uoui。1 C0 C 由于由于T T1 1、T T2 2管的结构形式是对称的，即漏极和源极管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而可互易使用，因而CMOSCMOS传输门属于双向

53、器件，它的输入传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用端和输出端也可互易使用。95特点：需外接上拉电阻。特点：需外接上拉电阻。应用：与应用：与OC门类似，门类似， 输出端可以并接，实现输出端可以并接，实现“线与线与”功能；功能； 实现电平转换。实现电平转换。ABY 六、漏极开路的六、漏极开路的CMOSCMOS门电路（门电路（ODOD）96 A EN TP2 TP1 Y TN1 TN2 A EN 1 1 EN Y +VDD (a) CMOS三态门电路 (b) 逻辑符号 电路的输出有电路的输出有高阻态、高电平和低电平高阻态、高电平和低电平3 3种状态，是一种三态门。种状态，是一种三态门。

54、 时，时，TP2、TN2均均截止，截止，Y与地和电源都断开与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。了，输出端呈现为高阻态。 时，时，TP2、TN2均导均导通，通，TP1、TN1构成反相器。构成反相器。1 EN0 ENAY 1.CMOS1.CMOS三态门之一三态门之一七、七、CMOSCMOS三态输出门三态输出门97 时，时，TG截止，输出端呈现高阻态。截止，输出端呈现高阻态。 时，时，TG导通，导通， 。1 EN0 ENAY 2. CMOS2. CMOS三态门之二三态门之二CMOSCMOS门电路的各系列的性能比较门电路的各系列的性能比较13 .0261.0021374HCT系列系列0.0037

55、.52.974BCT系列系列15.50.15DP/pJ1.550.002PD/mW1075tpd/ns74HC系列系列4000/4000B系列系列 类型类型参数参数0.008722各种门电路的延迟时间与功耗的关系图各种门电路的延迟时间与功耗的关系图BiCMOSECLCMOS NMOSTTLPDtpd 驱动器件应能对负载器件提供灌电流最驱动器件应能对负载器件提供灌电流最大值。大值。 驱动器件必须对负载器件提供足够大的驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流。拉电流。 驱动器件的输出的电压必须处在负载器驱动器件的输出的电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围内，包括高、件所要求的输入电压范围内，包

56、括高、低电压值。低电压值。采用接口电路时需要考虑的几个条件：采用接口电路时需要考虑的几个条件：因两者的电压参数兼容，不需外加接口因两者的电压参数兼容，不需外加接口电路，只需按电流大小计算出扇出数。电路，只需按电流大小计算出扇出数。VDDT1T2VCCR1R2T3T4R3驱动门驱动门负载门负载门VDDT1T2VccR1R2DR3T1T2 T3RP用用TTLTTL驱动驱动CMOS-HCTCMOS-HCT时，由于电压参数兼容，不需外加时，由于电压参数兼容，不需外加接口电路，在数字电路设计中，常被用作接口器件。接口电路，在数字电路设计中，常被用作接口器件。上拉电阻上拉电阻RP接接VDD，将，将TTL电

57、路的输电路的输出高电平提高出高电平提高到能与到能与CMOS电路兼容的水电路兼容的水平。平。（1/6）74HC04LEDR1输入输入LEDR1输入输入VccDFOHIVVR DFCCIVVR OLV （1/6）74HC041输入输入1输入输入50 50 继电器继电器将两个反相器作为驱动电路将两个反相器作为驱动电路为防止干扰，一般不让多余输入端悬空，对多余输入端的处为防止干扰，一般不让多余输入端悬空，对多余输入端的处理以不改变电路工作状态及稳定可靠为原则。理以不改变电路工作状态及稳定可靠为原则。与类门的多余输与类门的多余输入端接电源正端入端接电源正端或类门的多余输或类门的多余输入端接地入端接地CM

58、OSCMOS门门多余输入端接地多余输入端接地TTLTTL“或或”类门类门利用反相器将输利用反相器将输入端接地，输出入端接地，输出的高电位接多余的高电位接多余输入端输入端通过上拉电阻接通过上拉电阻接电源正端电源正端TTLTTL“与与”类门类门处理方法处理方法门的类型门的类型与工作与工作端并接端并接用用1010 100100 F F的大电容与直流电源并联以滤除的大电容与直流电源并联以滤除不必要的频率成分，并且对每一集成芯片加不必要的频率成分，并且对每一集成芯片加接接0.10.1 F F的电容器以滤除开关噪声。的电容器以滤除开关噪声。将电源地与信号地分开，先将信号地汇集在将电源地与信号地分开，先将信

59、号地汇集在一点，然后将二者用最短的导线连在一起，一点，然后将二者用最短的导线连在一起，以避免含有多种脉冲波形的大电流引到某数以避免含有多种脉冲波形的大电流引到某数字器件的输入端而导致系统正常的逻辑功能字器件的输入端而导致系统正常的逻辑功能失常。失常。当系统兼有模拟和数字两种器件时，需将两当系统兼有模拟和数字两种器件时，需将两者的地分开，然后选用一个合适的共同点接者的地分开，然后选用一个合适的共同点接地，以免除两者的相互影响。地，以免除两者的相互影响。要注意连线尽可能短，以减少接线电容而导要注意连线尽可能短，以减少接线电容而导致寄生反馈有可能引起寄生振荡。致寄生反馈有可能引起寄生振荡。CMOSC

60、MOS器件在使用和储存过程中要注意静电感器件在使用和储存过程中要注意静电感应导致损伤的问题，可以采用静电屏蔽加以应导致损伤的问题，可以采用静电屏蔽加以 防护。防护。一、二极管和一、二极管和BJTBJT的开关特性的开关特性 影响它们的开关速度的主要因素是器件内影响它们的开关速度的主要因素是器件内 部的电荷存储和消散的时间。部的电荷存储和消散的时间。二、利用二极管和二、利用二极管和BJTBJT可以构成简单的二极可以构成简单的二极 管与门、或门电路和管与门、或门电路和BJTBJT反相器。反相器。三、三、TTLTTL反相器的输入级由反相器的输入级由BJTBJT构成，具有饱和、构成，具有饱和、 截止、放大和倒置放大等截止、放大和倒置放大等4 4种模式。采用推种模