数字电路3-门电路new

1、第三章第三章 门电路门电路常用的常用的TTL门电路和门电路和CMOS门电路的工门电路的工作原理、逻辑功能及输入输出特性。作原理、逻辑功能及输入输出特性。分立元件分立元件门电路门电路集成门电路学习要点：学习要点：二极管、三极管的开关特性二极管、三极管的开关特性 集成电路（集成电路（Integrated Circuit，简称，简称IC)：将数字电将数字电路的半导体元、器件、电阻、电容连线制作在同一个半路的半导体元、器件、电阻、电容连线制作在同一个半导体基片（硅片）上，构成一个完整的电路，封装在一导体基片（硅片）上，构成一个完整的电路，封装在一个管壳内。与分立元件电路相比，具有体积小、重量轻、个管壳

2、内。与分立元件电路相比，具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、功耗小、成本低、工作速度快等优可靠性高、寿命长、功耗小、成本低、工作速度快等优点。点。 集成电路的分类：集成电路的分类：按照集成度（每一硅片中所含的元、器件数）分为按照集成度（每一硅片中所含的元、器件数）分为（Small Scale Integrated ，简称，简称SSI）1-101-10个门个门(10-10010-100个元件个元件) ；（Medium Scale Integrated ，简称，简称MSI）10-10010-100个门个门(100-1000100-1000个元件个元件) ；（Large Scale Integra

3、ted ，简称，简称LSI）100100个门个门(10001000个元件个元件) ；（Very Large Scale Integrated ，简称，简称LSI）1010万个元件。万个元件。根据制造工艺的不同，分为根据制造工艺的不同，分为和和两大类。两大类。TTL电路电路是目前双极型数字集成电路中用的最多的一种。是目前双极型数字集成电路中用的最多的一种。3.1 概述概述获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的的导通、截止导通、截止（即开、关）两种工作状态。（即开、关）两种工作状态。逻辑逻辑0和和1： 电子电路中用高、低电平来表示。电子电路中用高

4、、低电平来表示。逻辑门电路：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算逻辑门电路：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。简称门电路。的单元电路。简称门电路。基本和常用门电路有基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门与非门、或非门、与或非门和异或门等。等。ccVSovIv输输入入信信号号输输出出信信号号开关开关S断开时，输出电压为高电平；断开时，输出电压为高电平；S接通后输出便为低电平。接通后输出便为低电平。单开关电路单开关电路功耗大功耗大ccV2SovIv输输入入信信号号输输出出信信号号1S S1、S2开关状态相反；开关状态相反

5、；vI使使S2接通的同时，使接通的同时，使S1断开断开，则输出，则输出vo便为低电平。便为低电平。互补开关电路互补开关电路vI使使S1接通的同时，使接通的同时，使S2断开断开，则输出，则输出vo便为高电平。便为高电平。无论无论vo是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，S1和和S2总有一个是断开的，总有一个是断开的，所以流过所以流过S1和和S2的电流始终为零，电路的功耗极小。的电流始终为零，电路的功耗极小。开关开关S由半导体二极管或三极管组成。由输入信号控制由半导体二极管或三极管组成。由输入信号控制二极管或三极管工作在截止和导通两个状态时就起到开二极管或三极管工作在截止和导通两个状态时就起到开

6、关作用。关作用。10正逻辑正逻辑01负逻辑负逻辑：以高电平表示逻：以高电平表示逻辑辑1，低电平表示逻辑，低电平表示逻辑0；相反。相反。 每一种逻辑都有允许的高低电平的范围。每一种逻辑都有允许的高低电平的范围。因此数字电因此数字电路对元、器件参数精度及供电电源稳定度的要求比模拟路对元、器件参数精度及供电电源稳定度的要求比模拟电路要低些。电路要低些。3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性v 二极管符号：二极管符号：阳极阳极阴极阴极vD 由于半导体二极管具有单向导电性，由于半导体二极管具有单向导电性，ccVovIvD DR R+ + +-

7、 - -而当而当vI =VIL=0时，时，D导通，导通， vO =VOL=0。v 理想二极管：理想二极管：设设VIH=VCC,VIL=0,D为理想开关元件。为理想开关元件。则当则当vI =VIH时，时，D截止，截止，vO =VOH = VCC ；所以它相当于一个受外加电压所以它相当于一个受外加电压即外加正向电压时即外加正向电压时导通导通，外加反向电压时外加反向电压时截止截止，极性控制的开关。极性控制的开关。 0.5 0.7 i(mA) v(V) 伏安特性 UBR 0 v0.5V时，二极管导通。 实际上二极管的特性并不是理想的开关特性，其特性实际上二极管的特性并不是理想的开关特性，其特性可近似的

8、用可近似的用PNPN结方程和伏安特性曲线表示。结方程和伏安特性曲线表示。 mVVqTkqkTVIvieIiTTsVvsT26 ; 1 为为电电子子电电荷荷。常常温温为为热热力力学学温温度度，为为玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数，。；极极管管材材料料、尺尺寸寸等等有有关关为为反反向向饱饱和和电电流流，与与二二压压为为加加到到二二极极管管两两端端的的电电为为流流过过二二极极管管的的电电流流；伏伏安安特特性性方方程程为为：v 实际二极管：实际二极管： 分析二极管组成的电路时，要通过近似分析迅速分析二极管组成的电路时，要通过近似分析迅速判断二极管的开关状态。必须利用二极管的判断二极管的开关状态。必须利用二极管

9、的。当外电路的等效电源和等效电阻当外电路的等效电源和等效电阻都很小时，二极管的正向导通压降都很小时，二极管的正向导通压降和正向电阻都不能忽略。和正向电阻都不能忽略。DrONV为为开开启启电电压压ONVv 二极管近似等效电路：二极管近似等效电路：ONV当二极管的正向导通压降和正向电当二极管的正向导通压降和正向电阻与电源电压和外接电阻相比均可以阻与电源电压和外接电阻相比均可以忽略时，可看作理想开关。忽略时，可看作理想开关。ONV当二极管的正向导通压降和外加电当二极管的正向导通压降和外加电源电压相比不能忽略，且与外接电阻源电压相比不能忽略，且与外接电阻相比二极管的正向电阻可以忽略时。相比二极管的正向

10、电阻可以忽略时。常用这种近似方法。常用这种近似方法。 +VCC(+5V) R 3k Y D1 A D2 B 3V 0V A BY0 00 11 01 10001Y=AB3V以上为高以上为高电平，电平，0.7V以下为低电以下为低电平平缺点：将发生信号的缺点：将发生信号的高、低电平的偏移高、低电平的偏移；3.2.2 二极管与门二极管与门 当输出端对地接上负载电阻时，负载电阻的改变有当输出端对地接上负载电阻时，负载电阻的改变有时会时会影响输出的高电平影响输出的高电平。 因此，这种门电路仅用作集成电路内部的逻辑单因此，这种门电路仅用作集成电路内部的逻辑单元，而元，而不用它直接去驱动负载电路不用它直接去

11、驱动负载电路。uA uBuYD1 D20V 0V0V 3V3V 0V3V 3V0.7V0.7V0.7V3.7V导通导通 导通导通导通导通 截止截止截止截止 导通导通导通导通 导通导通 A D1 B D2 3V 0V Y R 3k 3.2.3 二极管或门二极管或门A BY0 00 11 01 10111Y=A+B高于高于2.3V为高电平，为高电平，低于低于0V为低电平为低电平也存在电平偏移也存在电平偏移问题，只能用作问题，只能用作集成电路内部的集成电路内部的逻辑单元。逻辑单元。ABuA uBuYD1 D20V 0V0V 3V3V 0V3V 3V0V2.3V2.3V2.3V截止截止 截止截止导通导

12、通 截止截止截止截止 导通导通导通导通 导通导通3.3 CMOS门电路门电路一一. MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理 MOS管是金属管是金属氧化物氧化物半导体场效应管的简称。半导体场效应管的简称。结构和符号如图。结构和符号如图。3.3.1 MOS管的开关特性管的开关特性二二.MOS管的输入特性和输出特性管的输入特性和输出特性 iD(mA) 0 vDS(V) 0 VGS(th) vGS(V) iD(mA) vGS=10V 8V 6V 4V 2V 工作原理电路工作原理电路转移特性曲线转移特性曲线输出特性曲线输出特性曲线vIvOGDSRD+VDD共源接法共源接法由于绝缘层使得即使栅极和源极

13、之间加上电压，也不会有由于绝缘层使得即使栅极和源极之间加上电压，也不会有栅极电流流通，因此不用栅极电流流通，因此不用 画输入特性曲线。画输入特性曲线。漏极特性曲线漏极特性曲线可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区截止区截止区：当：当vGS VGS(th)时，漏极和源极之间有导电沟道，有时，漏极和源极之间有导电沟道，有iD产生，分成两产生，分成两个区域。个区域。：当：当vGS一定时，一定时，iD与与vDS之比近似的等于一个常数。之比近似的等于一个常数。而导通电阻而导通电阻RON|vDS=0=1/2K(vGS-VGS(th)与与vGS成反比，为得到成反比，为得到较小的导通电阻，应取尽可能大的较小的导通电

14、阻，应取尽可能大的vGS值。值。：漏电流：漏电流iD的大小基本上由的大小基本上由vGS决定，决定，vDS变化对变化对iD的影响很的影响很小。小。值值时时的的是是D)th(GSGSDS2)th(GSGSDSDiV2vI 1VvIi 三、三、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路GDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态截止状态uIVGS(th)uo=VOL只要负载电阻只要负载电阻RD远远小于远远小于MOS管的截止内阻管的截止内阻ROFF，在输出端，在输出端即为高电平即为高电平VOH, VOH VDD 。这时这时MOS管的管的D-S之间就相当之间就相当于一个断开的开关。于一个断开的开关。随着随着

15、vI的的 升高升高iD增加，而增加，而vO随之随之下降。当下降。当vI继续升高后，继续升高后，MOS管管的导通内阻的导通内阻RON变得很小，只要变得很小，只要RON |VGS(th)p|故故T1导通导通,而而vGS2=0VG S ( t h ) N T2导通，导通， vGS1=0|VGS(th)P|+ VGS(th)N。 静态时，无论静态时，无论vI是高电平还是低电平，两是高电平还是低电平，两个管子总是一个导通而另一个截止，即所谓个管子总是一个导通而另一个截止，即所谓的互补状态，所以把这种电路结构形式称为的互补状态，所以把这种电路结构形式称为互补对称式金属互补对称式金属氧化物氧化物半导体电路半

16、导体电路（Complementary Symmetery Metal Oxide Semiconductor Circuit，简称，简称）。）。 其其是静态功耗低，因为截止内阻极高，是静态功耗低，因为截止内阻极高，流过管子的静态电流极小。流过管子的静态电流极小。二、电压传输特性和电流传输特性二、电压传输特性和电流传输特性AB段：段：vI |VGS(th)p|故故T1导通导通,而而T2截止，输截止，输出电压出电压vO VOH VDD 。CD段段:vI VDD - |VGS(th)p| VGS(th)N,使使|vGS1|VGS(th)p| 故故T2导通，导通，T1截止。输出电压截止。输出电压vO

17、VOL 0 。BC段段: VGS(th)N vI |VGS(th)p|， vGS2VGS(th)N 故故T2 T1同时导通。若两个管子的参数完全对称，则同时导通。若两个管子的参数完全对称，则vI =0.5 VDD 、vO =0.5 VDD 。把。把0.5 VDD称为称为阈值电压阈值电压VTH 。电压传输特性是输出电压随输入电压变化的曲线。电压传输特性是输出电压随输入电压变化的曲线。设设VDD VGS(th)N + |VGS(th)P|,且且VGS(th)N =|VGS(th)P|,T1和和T2具有同样的导通内阻具有同样的导通内阻RON和截止内阻和截止内阻ROFF。 vI +VDD +10V T

18、1 T2 vO G G S S D D AB段：段：T1导通导通,而而T2截止，内阻非常高，所以流过截止，内阻非常高，所以流过T1和和T2漏极电漏极电流几乎为零流几乎为零 。CD段段:T2导通，导通，T1截止，所以流过截止，所以流过T1和和T2漏极电流也几乎为零漏极电流也几乎为零 。BC段段: T1T2同时导通，有电流同时导通，有电流iD流过流过T1T2 ，且在，且在vI =0.5 VDD 附近附近iD最大。最大。电流传输特性是漏极电流随输入电压变化的曲线。电流传输特性是漏极电流随输入电压变化的曲线。 vI +VDD +10V T1 T2 vO G G S S D D 1 输出 0 输出 0

19、输入 1 输入 vO vI vIvOVOH(min)VOL(max)VIL(max)VIH(min)VNHVNL输入端噪声容限输入端噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变（或者说：在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度，能完成正常逻辑功能）的条件变化的大小不超过允许限度，能完成正常逻辑功能）的条件下，输入电平的允许波动范围下，输入电平的允许波动范围(能承受的最大抗干扰电压值能承受的最大抗干扰电压值)。 三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限(min)(min)IHOHNHVVV-=容限容限：输入为高电平时的噪声输入为高电平时的噪声关门电平关门电平VOFF:为保为保证非门输出

20、电路处证非门输出电路处于截止状态的最大于截止状态的最大输入低电平值输入低电平值 开门电平开门电平VON:为保为保证非门输入电路处证非门输入电路处于饱和状态时的最于饱和状态时的最小输入高电平值小输入高电平值 多个门电路连多个门电路连成系统时成系统时 (max)(max)OLILNLVVV-=容限：容限：输入为低电平时的噪声输入为低电平时的噪声3.3.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性一、输入特性 因为因为MOS管的栅极和衬底之间存在着输入电容，而绝缘介质管的栅极和衬底之间存在着输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，故必须采取保护措施非常薄，极易

21、被击穿，故必须采取保护措施。D2是在输入端的是在输入端的N型扩散电阻区型扩散电阻区和和P型衬底之间自然形成的，是型衬底之间自然形成的，是一种所谓一种所谓C1、C2是是T1 、T2栅极的等效电容栅极的等效电容在输入端出现瞬间过冲电压使二极管击穿时，只要反向击穿电在输入端出现瞬间过冲电压使二极管击穿时，只要反向击穿电流不过大，且持续时间短，则反向击穿电压消失后，流不过大，且持续时间短，则反向击穿电压消失后，PN结仍可结仍可恢复。恢复。74HC系列的输入保护电路系列的输入保护电路D1D2RSC1C2T1T2VDDVSSvIvOvG输入保护电路输入保护电路RS的阻值一般在的阻值一般在1.52.5k之间

22、之间0vIVDD输入保护电路不起作用输入保护电路不起作用vIVDD VDF ，D1导通，导通，VGVDD VDF，保证，保证C2上的电压不超过上的电压不超过VDD VDF ；v10.7V ，D2导通，导通， VG-VDF ，保证保证C1上的电压不超过上的电压不超过VDD VDF 74HC系列的输入特性曲线系列的输入特性曲线VDF vIVDDVDF , iI迅速增大迅速增大 vIVDF , D2经经Rs导通，导通，iI的绝对值迅速增大，的绝对值迅速增大，Rs决定斜率决定斜率 二、输出特性二、输出特性负载电流灌入负载电流灌入T T2 2，V VOLOL随随I IOLOL增加而提高，增加而提高，因为

23、管子的导因为管子的导通压降增加。通压降增加。 因为因为VGS2越大，导通内阻越小，所以，越大，导通内阻越小，所以，IOL相同时相同时VDD越大越大 ，VGS2越大，越大，VOL越小。越小。负载电流拉电负载电流拉电流，流，VOH随随IOH增加而下降。增加而下降。 因为因为vGS越大，导通内阻越小越大，导通内阻越小 ，所以，所以，IOH相同相同时时VDD越大越大 ，则，则T1导通时导通时vGS1越负，它的导通越负，它的导通内阻越小，内阻越小，VOH下降的越小。下降的越小。3.3.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性 由于由于MOS管的电极之间以及电管的电极之间以及电极和衬底之间都存在着寄生

24、电容，极和衬底之间都存在着寄生电容，尤其在反相器的输出端不可避免尤其在反相器的输出端不可避免的存在着负载电容（当负载为下的存在着负载电容（当负载为下一级反相器时，下一级反相器的一级反相器时，下一级反相器的输入电容和接线电容就构成了这输入电容和接线电容就构成了这一级的负载电容），当输入信号一级的负载电容），当输入信号发生跳变时，输出电压的变化必发生跳变时，输出电压的变化必然滞后于输入电压的变化。把输然滞后于输入电压的变化。把输出电压变化落后于输入电压变化出电压变化落后于输入电压变化的时间称为传输延迟时间。的时间称为传输延迟时间。一、传输延迟时间一、传输延迟时间CMOS与非门与非门BY+VDDAT

25、P1TN1TN2TP2)BA(Y A、B当中有一个或全为当中有一个或全为低电平时，低电平时，TN1、TN2中有一中有一个或全部截止，个或全部截止，TP1、TP2中中有一个或全部导通，输出有一个或全部导通，输出Y为高电平。为高电平。只有当输入只有当输入A、B全为高全为高电平时，电平时，TN1和和TN2才会都导才会都导通，通，TP1和和TP2才会都截止，才会都截止，输出输出Y才会为低电平。才会为低电平。3.3.5 其他类型的其他类型的CMOS门电路门电路一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的CMOS门电路门电路常用的有与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门常用的有与非门、或非门、与门、或门、与

26、或非门和异或门100101101 011BY+VDDATN1TP2TN2TP1CMOS或非门或非门)BA(Y 只要输入只要输入A、B当当中有一个或全为高中有一个或全为高电平，电平，TP1、TP2中有中有一个或全部截止，一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或中有一个或全部导通，输出全部导通，输出Y为为低电平。低电平。只有当只有当A、B全为全为低电平时，低电平时，TP1和和TP2才会都导通，才会都导通，TN1和和TN2才会都截止，输才会都截止，输出出Y才会为高电平。才会为高电平。与门与门或或门门 A B C D Y 由与非门和反相器构成由与非门和反相器构成 CMOS与或非门与或非门)DCBA()

27、 ) )DC()BA(Y )DCBA(Y Y=(AB)=ABY=(A+B)=A+BBAYYBAABYY二、带缓冲级的二、带缓冲级的CMOS门电路门电路输出电阻输出电阻RO受输入端状态的影响。假定每个管子的导通电阻相受输入端状态的影响。假定每个管子的导通电阻相同，输入端状态的不同，可以使输出电阻相差同，输入端状态的不同，可以使输出电阻相差4倍。倍。 前面的与非门（或非门）存在的前面的与非门（或非门）存在的：。，则则，若若，则则，若若，则则若若，则则若若，则则截截止止内内阻阻，管管的的导导通通内内阻阻均均为为设设每每个个ON1ONOON3ONOON3ON1ONOON4ON2ONOOFFONRRR1

28、B0A;RRR0B1A;R21R/RR0BA;R2RRR1BARRMOS B Y +VDD A T1 T2 T4 T3 输出的高、低电平受输入端数输出的高、低电平受输入端数目的影响。目的影响。BY+VDDATP1TN1TN2TP2 输入端数目越多，串联的驱输入端数目越多，串联的驱动管数目也越多，输出的低电平动管数目也越多，输出的低电平VOL也越高。也越高。 当输入全部为低电平时，输当输入全部为低电平时，输入端越多，负载管并联的数目越入端越多，负载管并联的数目越多，输出的高电平多，输出的高电平VOH更高。更高。输入端工作状态不同时对电压传输特性也有一定的影响。输入端工作状态不同时对电压传输特性也

29、有一定的影响。 为克服这些缺点，在为克服这些缺点，在CC4000和和74HC系列系列CMOS电路中电路中在门电路的每个输入端、输出端增加一级具有标准参数的在门电路的每个输入端、输出端增加一级具有标准参数的反相器（缓冲器）的反相器（缓冲器）的。电路的电路的，与非门是在或非门电路的基础上增加了缓冲器，与非门是在或非门电路的基础上增加了缓冲器后得到的；或非门是在与非门的基础上增加了缓冲器以后后得到的；或非门是在与非门的基础上增加了缓冲器以后得到的。得到的。)AB()BA(Y 图图3.3.29 带缓冲级的带缓冲级的CMOS与非门电路与非门电路VDDBAYDDV图图3.3.30 带缓冲级的带缓冲级的CM

30、OS或非门电路或非门电路)BA()BA(Y A Y B 三、漏极开路输出门电路（三、漏极开路输出门电路（ OD门）门） Y A B +VDD2 RL 外接 A B Y (a) 电路 (b) 符号 VDD1 内部逻辑 )AB(Y 常用于输出缓冲常用于输出缓冲/ /驱动器中，或者用于实现输出电平的变驱动器中，或者用于实现输出电平的变换，以满足吸收大负载电流的需要，此外可以用于实现线与逻换，以满足吸收大负载电流的需要，此外可以用于实现线与逻辑。辑。五、三态输出的五、三态输出的CMOS门电路门电路接在集成电路的输出端，成为输出缓冲器接在集成电路的输出端，成为输出缓冲器T1T2VDDYG1G2G4G5G

31、3AEN AEN 当当EN =0时，若时，若A=1，则，则G4、G5的输出同为高电平，的输出同为高电平，T1截止、截止、T2导通，导通，Y=0；若若A=0，则，则G4、G5的输出同为低的输出同为低电平，电平，T1导通、导通、T2截止，截止，Y=1。电路的输出有高阻态、高电平和电路的输出有高阻态、高电平和低电平低电平3种状态，是一种三态门。种状态，是一种三态门。Y=A ，反相器处于正常工作状态。反相器处于正常工作状态。当当EN =1时，不论时，不论A的状态如何，的状态如何，G4输出高电平而输出高电平而G5输出低电平，输出低电平，TI和和T2同时截止，输出呈现同时截止，输出呈现高阻态。高阻态。 在

32、存储和运输在存储和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层做包装材料。材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层做包装材料。组装、调试时应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良组装、调试时应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。不用的输入端不应悬空。不用的输入端不应悬空。3.3.6 CMOS电路的正确使用电路的正确使用一、输入电路的静电防护一、输入电路的静电防护CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项数字电路的

33、特点及使用时的注意事项（1）CMOS电路的工作速度比电路的工作速度比TTL电路的低。电路的低。（2）CMOS带负载的能力比带负载的能力比TTL电路强。电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干，抗干扰能力比扰能力比TTL电路强。电路强。（4）CMOS电路的功耗比电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有电路小得多。门电路的功耗只有几个几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比集成电路的集成度比TTL电路高。电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。电路适合于

34、特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。CMOS数字电路的特点数字电路的特点3.5 TTL门电路门电路3.5.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性一、双极型三极管的结构一、双极型三极管的结构 有有PNP型和型和NPN型两种，在工作时有型两种，在工作时有电子电子和和空穴空穴两种载两种载流子参与流子参与导电导

35、电过程，因此被称为过程，因此被称为双极型双极型三极管。三极管。 N N P c b e 基极 发射极 集电极 e b c NPN 型 P P N c b e 基极 发射极 集电极 e b c PNP 型 Q2 vi iB e Rb b iC (mA) 直流负载线 VCC Rc 0 +VCC iC vo 工作原理电路 输出特性曲线 80A 60A 40A 20A iB=0 0 UCES VCC vCE(V) 0 VON vBE(V) 输入特性曲线 iB(A) Q1 Q Rc c 饱和区饱和区截止区截止区放放大大区区二、双极型三极管的输入特性和输出特性二、双极型三极管的输入特性和输出特性基极基极b

36、和发射极和发射极e之之间的电压间的电压vBE和输和输入电流入电流iB之间关系之间关系的特性曲线。的特性曲线。为简化分析，常用为简化分析，常用虚折线来近似虚折线来近似在不同在不同iB下集电极下集电极电流电流iC和集电极电和集电极电压压vCE之间的关系之间的关系曲线。曲线。VON称为开启电压。称为开启电压。硅三极管为硅三极管为0.50.7V；锗三极；锗三极管为管为0.20.3VRbRc+VCCb ce截止状态截止状态vi=UIL0.5Vvo=+VCC饱和状态饱和状态iBIBSvi=UIHvo=0.3VRbRc+VCCb ce0.7V0.3V。小小的的反反向向穿穿透透电电流流流流过过几几乎乎等等于于

37、零零，仅仅有有极极微微ci。约为饱和区的进入而趋向饱和。硅三极管倍的比例增加以不再随VviiCEBc3 . 01 . 0 vi= 0.3V时，时，vo=VCC=5V说明说明输入为低电平输入为低电平时，时， 10k vi iB e Rb b +VCC=+5V iC vo Rc 1k c =50 10k三、双极型三极管的基本开关电路三、双极型三极管的基本开关电路 BEu Bi0 Ci三极管工作在三极管工作在输出电压为输出电压为相当于相当于输出为输出为高电平高电平，开关断开开关断开。V.VON70 V.300截止状态截止状态， vi= 1V时时三极管三极管导通导通，因为因为0iBIBS，voVCES

38、0.3V说明说明输入为高电平输入为高电平时，时， 10k vi iB e Rb b +VCC=+5V iC vo Rc 1k c =50 10k三极管三极管基极电流：基极电流：导通，导通，mA.230 mA.10703 三极管工作在三极管工作在饱和状态饱和状态。输出电压：输出电压：输出为输出为低电平低电平， 相当于相当于开关开关闭合。闭合。 只要合理的选择电路参数，只要合理的选择电路参数，结论：结论：输出低电平。输出低电平。三极管工作在三极管工作在 截止状态截止状态；iBIBS ，而而vI 为高电平为高电平VIH时时三极管工作在三极管工作在深度饱和状态深度饱和状态，的的c-e间就相当于一个受间

39、就相当于一个受vI 控制的开关。控制的开关。则三极管则三极管三极管三极管截止截止时，时， 相当于相当于开关开关断开断开， 在开关电路的在开关电路的输出端输出端输出输出高电平高电平； 三极管三极管饱和导通时饱和导通时，相当于相当于开关开关接通接通， 在开关电路的在开关电路的输出端输出端保证当保证当vI为低电平为低电平VIL时时vBE VON ， NPN 型三极管截止、放大、饱和3 种工作状态的特点工作状态截 止放 大饱 和条 件iB00iBIBSiBIBS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集电极电流iC0iCiBiCICSce间电压uCEVCCuCEVCCiCRc

40、uCEUCES0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合四、三极管的开关等效电路四、三极管的开关等效电路bce截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态bceVONVCE(SAT)RCE(SAT)bceVONVCE(SAT)bceVONVCE(SAT)五、双极型三极管的动态开关特性五、双极型三极管的动态开关特性 三极管在截止和饱和导三极管在截止和饱和导通两种状态间迅速转换的通两种状态间迅速转换的动态情况下，因为内部电动态情况下，因为内部电荷的建立和消散都需要一荷的建立和消散都需要一定的时间，因此，集电极定的时间，因此，集电极电流电流iC的变化将滞后于输的变化将滞后于输

41、入电压入电压vI的变化，使得开的变化，使得开关电路的输出电压关电路的输出电压vo的变的变化也必然滞后于输入电压化也必然滞后于输入电压vI的变化。的变化。vIt0iCt0vOt0 Rb Rc A =30 +5V Y 电路图电路图 逻辑符号逻辑符号 A Y 1k 4.3k uA0V时，三极管截止，时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作，三极管工作在饱和状态。输出电压在饱和状态。输出电压uYVCE(sat)0.3V。mA1mA3 . 47 . 05Bi三极管临界饱和时的基极电流为：三极管临

42、界饱和时的基极电流为：mA16. 01303 . 05)(CsatCECCBSRVVIAY0110AY 高、低电平分别为高、低电平分别为大于大于5V和小于和小于0.3V六、三极管反相器六、三极管反相器VEE -8VR1Rc+VCC5V 反相器反相器 A(vI)R23.3k10k Y(vO)1k T(=20) 为保证在输入低电平时三为保证在输入低电平时三极管可靠的截止，常接入极管可靠的截止，常接入电电阻阻R2和负电源和负电源VEE ，即使输入，即使输入的低电平信号稍大于零，也的低电平信号稍大于零，也能使三极管的基极为负电位，能使三极管的基极为负电位，从而使三极管能可靠地截止，从而使三极管能可靠地

43、截止，输出高电平。输出高电平。例如：例如：饱和压降饱和压降VCE(sat) =0.1V，输入的高低电平分别为输入的高低电平分别为VIH5V、 VIL0V，试计算输入高、低电，试计算输入高、低电平时对应的输出电平，并说明平时对应的输出电平，并说明电路参数的设计是否合理电路参数的设计是否合理 。解：利用解：利用戴维宁定理戴维宁定理将发射结的外接电路化简成由等效电将发射结的外接电路化简成由等效电压源压源vB和等效内阻和等效内阻RB串联的单回路。串联的单回路。vB+-RBbeb-e两端开两端开路电压路电压电源短接时电源短接时的等效电阻的等效电阻+-vIR1R2VEEbeVEE -8VR1Rc+VCC5

44、V 反相器反相器 A(vI)R23.3k10k Y(vO)1k T(=20)V)3 . 33 .13V8vv(RRRVvvvII121EEIIB k5 . 2103 . 3103 . 3RRRRR2121BRBRc+VCC5V 反相器反相器 A(vB) Y(vO)1k T(=20)当当vI= VIL0V 时时此时此时b-e结上加反向电压，三极管结上加反向电压，三极管截止截止，iC0，vOVCC5VV0 . 23 . 33 .13V8vvRRRVvvvII121EEIIB RBRc+VCC5V 反相器反相器 A(vB) Y(vO)1k T(=20)RBRc+VCC5V 反相器反相器 A(vB)

45、Y(vO)1k T(=20)当当vI=VIH5V时时V8 . 13 . 33 .13V8vvRRRVvvvII121EEIIB mA44. 0105 . 27 . 08 . 1RVvi3BBEBB 因为因为mA.)(25010201053 CsatCECCBSRVVIiBIBS，三极管工作在，三极管工作在饱和饱和状态。输出电压状态。输出电压uYVCE(sat) 0一、电路结构一、电路结构设电源电压设电源电压VCC5V，输入，输入信号的高、低电平分别为信号的高、低电平分别为VIH3.4V、VIL0.2V，开启电，开启电压压VON0.7V 。C)sat(CECCBSRVVI 3.5.2 TTL反相

46、器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理 当当 vI = VIL时，输出为高电平时，输出为高电平VOH 。T1导通。基极被钳位在导通。基极被钳位在vB1 = VIL+ VON0.9V。T2的发射结不会导通。而的发射结不会导通。而T1的集电极回路电阻的集电极回路电阻= R2 +(T2的的b-c结反向电阻结反向电阻)1，故，故T1工作在深度饱和状态，其饱和电压工作在深度饱和状态，其饱和电压降降VCES0.1V，集电极电位，集电极电位VC1为为0.3V，T2和和T5管截止。由于管截止。由于T2管截止，管截止，故故R2上压降很小，上压降很小， Vc2=VB 4VC C=5V，T4和和D2导通，

47、因此导通，因此UO=VOH=VB4-VBE4-VD23.6V为高电平为高电平, 而而vE2为低电平，从而为低电平，从而T4导通、导通、 T5截止。截止。三极管三极管三极管逻辑电路三极管逻辑电路(TransistorTransistor Logic)一、电路结构一、电路结构设电源电压设电源电压VCC5V，输入，输入信号的高、低电平分别为信号的高、低电平分别为VIH3.4V、VIL0.2V，开启电，开启电压压VON0.7V 。C)sat(CECCBSRVVI 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理 当当 vI = VIH时，输出为低电平时，输出为低电平 VOL =

48、VCE(sat) 。T1导通导通 ，基极，基极vB1 = VIH+VON4.1V ,T1的集电结、的集电结、T2、T5导通导通 ， vB1钳位在钳位在2.1V左右左右, T1管管发射结反偏。发射结反偏。UO=VOL=VCES5=0.1V，而，而VC2=VB4=VCES2+VBE5=0.8V，此，此电压不足以使电压不足以使T4和和D2导通，故导通，故T4和和D2截止，截止，vC2降低，而降低，而vE2升高，升高， vE2= VBE5 =0.7v。从而。从而T4截止、截止、 T5导通（饱和，由于导通（饱和，由于T2能给它提供足能给它提供足够的基极电流）够的基极电流）AY 反相关系，即反相关系，即可

49、见输入和输出之间是可见输入和输出之间是T2集电极输出的电压信号和发射极输出的电压信号变化方向相集电极输出的电压信号和发射极输出的电压信号变化方向相反反(即相位相反即相位相反)分别驱动分别驱动T4和和T5管，管，完成倒相和放大。完成倒相和放大。在稳定状态下，在稳定状态下，T4和和T5总是一个导通而另一个截止，有效的降总是一个导通而另一个截止，有效的降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力，这种形式的低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力，这种形式的电路称为电路称为或或。输入端钳位二输入端钳位二极管极管，可以抑，可以抑制输入端可能制输入端可能出现的负极性出现的负极性干扰脉冲和防干扰脉冲和防

50、止输入电压为止输入电压为负时负时T1的发射的发射极电流过大起极电流过大起到到保护作用保护作用。确保确保T5饱和饱和导通时导通时T4可可靠的截止。靠的截止。3.02.01.000.51.01.5vO /VvI /VVTH二、电压传输特性二、电压传输特性：AB段。段。vI 0.6V所以所以vB1 1.3V, T1饱和导通。饱和导通。 UC1= UI+UCE10.7V时，时，T2和和T5截止，截止，T4 和和 D2导通。因此，输出导通。因此，输出为高电平为高电平VOH = VCC- vR2- vBE4 - vD2 3.4V(3.6V)。：BC段。段。 0.6V vI 1.3V，0.7VUC11.4V

51、，由于，由于T2的发的发射极通过电阻接地，因此射极通过电阻接地，因此T2开始导通并处于放大状态，但开始导通并处于放大状态，但T5管管仍然截止，因此随仍然截止，因此随vI的升高的升高vC2和和vO线性下降。线性下降。：CD段。段。1.3VvI1.4V， vB1约为约为2.1V， T2和和T5趋于饱和导通，而趋于饱和导通，而T4截止，截止， vO急剧降为低电平，转折区中点急剧降为低电平，转折区中点对应的输入电压称为阈值电压或门槛电压对应的输入电压称为阈值电压或门槛电压VTH。：DE段。段。vI 1.4V后，后，vB1被箝位在被箝位在2.1V，T2和和T5管均饱管均饱和，和，vO= vOL=VCES

52、5=0.1V， 不再变化。不再变化。ABCDE输出电压输出电压vO随输随输入电压入电压vI变化的变化的关系曲线关系曲线 1 输出 0 输出0 输入 1 输入 vO vI vIvO输入端噪声容限输入端噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变（或者说：在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度，能完成变化的大小不超过允许限度，能完成正常逻辑功能正常逻辑功能）的条件）的条件下，输入电平的下，输入电平的允许波动范围允许波动范围(能承受的最大抗干扰电压值能承受的最大抗干扰电压值)。 三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限(min)(min)IHOHNHVVV-=容限容限：输入为高电平时的噪

53、声输入为高电平时的噪声关门电平关门电平VOFF:为保为保证非门输出电路处证非门输出电路处于截止状态的最大于截止状态的最大输入低电平值输入低电平值 开门电平开门电平VON:为保为保证非门输出电路处证非门输出电路处于饱和状态时的最于饱和状态时的最小输入高电平值小输入高电平值 多个门电路连多个门电路连成系统时成系统时VOH(min)VOL(max)VIL(max)VIH(min)VNHVNL (max)(max)OLILNLVVV-=容限：容限：输入为低电平时的噪声输入为低电平时的噪声例：例：74系列门电路的系列门电路的VOH(min)=2.4V，VOL(max)=0.4V ，VIH(min)=2V

54、， VIL(max)=0.8V 。故可知故可知VNL= VIL(max)VOL(max)=0.80.4=0.4V ，VNH=VOH(min)VIH(min)=2.42=0.4V v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（不会破坏不会破坏非门输出逻辑状态所允许的干扰电压值）非门输出逻辑状态所允许的干扰电压值）。v非门的输入端为低电平时，允许叠加在输入非门的输入端为低电平时，允许叠加在输入端的干扰信号最大值不能超过端的干扰信号最大值不能超过VNL。v非门的输入端为高电平时，允许叠加在输入非门的输入端为高电平时，允许叠加在输入端的干扰信号不能超过端的干扰信号不能超过VNH。 3.

55、5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性一、输入特性当输入信号是高、当输入信号是高、低电平而不是中间低电平而不是中间值时，忽略值时，忽略T2 、T5的的b-c结反向电流结反向电流及及R3对对T5基极回路基极回路的影响的影响当当VCC5V，vI =VIL0.2V时，时，输入的低电平电流输入的低电平电流为为 T4 A vI R1 4k T2 T1 R4 130 +VCC(+5V) T5 R2 1.6k R3 1k D1 Y D2 vI R1 4k T1 VCC D1 be2 be5 iI mA1RVvV 1IL1BECC 当当vI =VIH3.4V时，

56、时， vB1被钳位被钳位2.1V， vBC1 0 、vBE10，相，相当于原来的发射极和集电极互换使用因此被称为当于原来的发射极和集电极互换使用因此被称为倒置倒置状态，状态，此时三极管的电流放大系数极小（约此时三极管的电流放大系数极小（约0.01以下），所以以下），所以高高电平的输入电流电平的输入电流 (输入漏电流输入漏电流 )很小，很小，74系列门电路系列门电路每个每个输入端输入端的的值在值在40A以下。以下。 vI R1 4k T1 VCC D1 be2 be5 iI 二、输出特性二、输出特性1.高电平输出特性高电平输出特性T4工作在射极输出状态，电路的输出电阻很小。在负载电流很工作在射极

57、输出状态，电路的输出电阻很小。在负载电流很小的范围内，负载电流小的范围内，负载电流iL的变化对的变化对VOH 的影响很小。随着的影响很小。随着iL的绝的绝对值增加，对值增加， R4上的压降加大，最终使上的压降加大，最终使T4 b-c结变为正向偏置，结变为正向偏置， T4进入饱和状态，随进入饱和状态，随iL绝对值的增加绝对值的增加VOH几乎线性下降。负载电几乎线性下降。负载电流流IL=IOH由由T4的发射极流出，故的发射极流出，故IOH称为拉电流称为拉电流 。当输出是高电当输出是高电平时，平时，T4和和D2导通导通, T5截止截止 T4 R4 130 VCC R2 1.6k RL D2 iL v

58、O T4 A vI R1 4k T2 T1 R4 130 +VCC(+5V) T5 R2 1.6k R3 1k D1 Y D2 3.0 2.0 1.0 0 -15 -10 -5 VOH /V iL /mA T4 A vI R1 4k T2 T1 R4 130 +VCC(+5V) T5 R2 1.6k R3 1k D1 Y D2 2.低电平输出特性低电平输出特性 T5饱和导通饱和导通c-e间的内阻很小，所以负载电流间的内阻很小，所以负载电流iL的增加的增加VOH仅仅稍有升高，并且在较大的范围里基本呈线性。稍有升高，并且在较大的范围里基本呈线性。 负载电流负载电流IL=IOL由负载流入由负载流入T

59、5管的集电极，故称管的集电极，故称IOL为为灌电灌电流流。但负载电流过大将使。但负载电流过大将使T5管退出饱和而进入放大状态，管退出饱和而进入放大状态，VOL开开始明显上升。始明显上升。74系列的系列的IOL(max)=16mA。输出是低电平输出是低电平时，时， T5饱和导饱和导通通, T4 截止截止 RL VCC T5 R3 1k vO iL 3.0 2.0 1.0 0 5 10 15 VOL /V iL /mA 例例3.5.2图示电路中，试计算门图示电路中，试计算门G1最多可以驱动多少个同样的最多可以驱动多少个同样的门电路负载。这些门电路的输入特性和输出特性分别由图门电路负载。这些门电路的

60、输入特性和输出特性分别由图3.5.12、图、图3.5.14、图、图3.5.16给出。要求给出。要求G1输出的高、低电平满输出的高、低电平满足足VOH3.2V, VOL 0.2V。解：首先计算保证解：首先计算保证VOL 0.2V时可以驱动的门电路数目时可以驱动的门电路数目N1。由由低电平低电平输出特性曲线可知，输出特性曲线可知， VOL =0.2V时，负载电流时，负载电流iL=16mA；vI =0.2V 每个门的低电平输入电流每个门的低电平输入电流iIL = - 1mA，因此有，因此有 3.0 2.0 1.0 0 5 10 15 VOL /V iL /mA LIL1iiN G1 N vO VOH