数字电子技术3门电路

1、1第三章门电路2第三章第三章 门电路门电路3.1 概述概述3.1 概述概述3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.3 CMOS门电路门电路*3.4 其它类型的其它类型的MOS集成电路集成电路3.5 TTL门电路门电路3内容提要内容提要 本章系统的讲述数字电路的基本逻辑本章系统的讲述数字电路的基本逻辑单元电路单元电路门电路。门电路。 介绍半导体二极管、三极管、介绍半导体二极管、三极管、MOS场场效应管的开关特性；重点讨论效应管的开关特性；重点讨论CMOS门电门电路和路和TTL门电路的工作原理、逻辑功能，门电路的工作原理、逻辑功能，以及作为电子器件的电器特性。以及作为电子器件的电器特性。4

2、3.1 概述概述门电路：门电路：是用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算是用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。的单元电路。门电路的主要类型：门电路的主要类型：与门、或门、非门、与非门、与门、或门、非门、与非门、或非门、异或门等。或非门、异或门等。门电路的输出状态与赋值对应关系：门电路的输出状态与赋值对应关系：正逻辑：正逻辑：高电平对应高电平对应“1”；低电；低电平平对应对应“0”。混合逻辑：混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。一般采用一般采用正逻辑正逻辑负逻辑：负逻辑：高电高电平平对应对应“0”

3、；低电；低电平平对应对应“1”。5100VVCC在数字电路中，对电压值为多少并不重在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。要，只要能判断高低电平即可。S开开-vo输出高电平，对应输出高电平，对应“1”。S合合-vo输出低电平，对应输出低电平，对应“0”。 V VvoSVCCRvI（a）单开关电路）单开关电路图图3.1.1 用来获得高、用来获得高、低电平的基本开关电路低电平的基本开关电路如何获得高电平或者低电平呢？如何获得高电平或者低电平呢？电子开关电子开关（二极管、（二极管、三极管）三极管）6数字电路的发展数字电路的发展数字集成电路：数字集成电路：在一块半导体基片上制作出

4、在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的而且价格便宜的特点特点。电子管电子管半导体分立器件半导体分立器件数字集成电路数字集成电路7数字电路的发展数字电路的发展集成度规格集成度规格三极管数三极管数/片片典型应用典型应用小规模小规模100以下以下门电路门电路中规模中规模100几千个几千个计数器计数器大规模大规模104105各种专用芯片各种专用芯片超大规模超大规模 105106存储器存储器甚大规模甚大规模106以上以上可编程逻辑器件可编

5、程逻辑器件数字集成电路按集成度分为：数字集成电路按集成度分为：SSI、MSI、LSI、VLSI、USI等五类。等五类。集成度是指每一芯片所包含的三极管的个数。集成度是指每一芯片所包含的三极管的个数。81971年年集成度：集成度：2300个晶体管个晶体管1972年年集成度：集成度：3500个个1978年年集成度：集成度：2.9万万1982年年集成度：集成度：13.4万万2008年年集成度：集成度：8.2亿亿9数字集成电路按制造工艺分为：数字集成电路按制造工艺分为：双极型、双极型、单极型和混合型单极型和混合型IC。双极型双极型IC：直到直到20世纪世纪80年代初一直是主流年代初一直是主流IC。缺点

6、：功耗大。缺点：功耗大。CMOS IC： 出现于出现于20世纪世纪60年代后期，当前的主年代后期，当前的主流流IC。优点：功耗极低。优点：功耗极低。10反向截止：反向截止： 正向导通：正向导通： 开关接通开关接通开关断开开关断开3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 半导体半导体二极管相当于一个受外加电压极性控二极管相当于一个受外加电压极性控制的开关。制的开关。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11图图3.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法二极管伏安特性的几种近似方法正向导通压降和正正向导通压降和正向电阻不能忽略向电阻不能忽略仅忽略正向电阻仅忽略正向电阻正向导通压

7、降和正向导通压降和正向电阻都忽略正向电阻都忽略12半导体半导体二极管的动态工作情况二极管的动态工作情况:(1)(1)二极管外加电压由反二极管外加电压由反向变正向时，正向导通电向变正向时，正向导通电流的建立稍微滞后一点；流的建立稍微滞后一点；(2)(2)二极管外加电压由正二极管外加电压由正向变反向时，产生较大的向变反向时，产生较大的瞬态反向电流，并持续一瞬态反向电流，并持续一定的时间；定的时间；反向恢复时间反向恢复时间tre ：反向电流从峰值衰反向电流从峰值衰减到峰值的十分之减到峰值的十分之一所经过的时间一所经过的时间二极管产生反向恢复过程的原因是：二极管产生反向恢复过程的原因是：电荷存储效应。

8、电荷存储效应。tre为纳秒数量级为纳秒数量级13ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V输入变量输入变量输出变量输出变量( VDF =0.7V ) 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 &ABY3.2.2 二极管与门二极管与门0V3VAB+5VYD1D2R14ABY0V0V 0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 ABY3.2.3 二极管或门二极管或门YD1D2ABR0V3V( VDF =0.7V )151、MOS场效应管的类型及特性场效应管的类型及特性N沟道增强型沟道增强型MOS管管

9、P沟道增强型沟道增强型MOS管管N沟道沟道耗尽耗尽型型MOS管管P沟道沟道耗尽耗尽型型MOS管管增强型增强型：耗尽型耗尽型：3.3.1 MOS管的开关特性管的开关特性3.3 CMOS门电路门电路 CMOS集成电路中，以金属集成电路中，以金属-氧化物氧化物-半导体场半导体场效应晶体管（效应晶体管（ MOS场效应管场效应管）作为开关器件。）作为开关器件。16图图3.3.1 N沟道增强型沟道增强型MOS管的结构和符号管的结构和符号 G:栅极栅极 D:漏极漏极 S:源极源极17图图3.3.2 N沟道沟道 MOS管共源接法及其输出特性曲线管共源接法及其输出特性曲线 (a)共源接法共源接法 (b)输出特性

10、曲线输出特性曲线可变电可变电阻区阻区恒流区恒流区截止区截止区18图图3.3.3 NMOS管的转移特性曲线管的转移特性曲线可以通过改变可以通过改变vGS控制控制iD的大的大小小19图图3.3.4 NMOS管的基本开关电路管的基本开关电路vGS VGS(th) 0 (开启电压）开启电压）D S导通导通（几百欧）（几百欧）vGS VGS(th) 0 (开启电压）开启电压）vGS VGS(th) D S断开断开D S导通导通（几百欧）（几百欧）vGS VGS(th) VGS(th) D S导通导通（几百欧）（几百欧）D S断开断开+VDDRDDSG+VDDSDG253.3.2 CMOS反相器的电路结构

11、和工作原理反相器的电路结构和工作原理CMOS电路电路Complementary -Symmetry MOS互补对称式互补对称式MOST1(负载管）负载管）T2 (驱动管）驱动管）PMOS管管NMOS管管T1 : ONT2: OFFOFFON同一电平同一电平:+VDDSDADSGF一、电路结构：一、电路结构：26“0”(0V)vGS1 VGS (th)P0导通导通+VDDSDAFDSGT1T2PMOSNMOSvGS2VGS (th)P截止截止+VDDSDADSGT1T2PMOSNMOSvGS2 VGS (th)N导通导通“1”(+VDD)F VA= VDD 280VVDD真真 值值 表：表：A

12、F T2 T1 F+VDDSDADSGT1T21 导通导通 截止截止0 0 截止截止 导通导通11AF逻辑式：逻辑式：F=AVDD0V293）CMOS反相器的工作图解分析反相器的工作图解分析（考虑两种极限情况）（考虑两种极限情况）iDvO0vGSN=VDDvSGP=0驱动管的特性曲线驱动管的特性曲线负载特性曲线负载特性曲线工作点工作点vI=VDD时时：vI=0 时时：iDvO0vSGP=VDDvGSN=0负载特性曲线负载特性曲线工作点工作点驱动管的驱动管的特性曲线特性曲线可见，两种极限可见，两种极限情况下情况下CMOS反反相器的静态功耗相器的静态功耗几乎为零。几乎为零。优点+VDDSDvI D

13、STPTNvOVSGPVGSN+-iD30图图3.3.12 CMOS反相反相器的电压传输特性器的电压传输特性二、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当当vIvo=VDD;当当VGS(th) vIvo;当当vIVDD- VGS(th)时时:(CD段段)T1=off, T2=on =vo=0;+VDDSDvI DST1T2vO 3132图图3.3.12 CMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性DDTHVV21转折区的变化率很大，更转折区的变化率很大，更接近于理想的开关特性。接近于理想的开关特性。CMOS反相器的输入端反相器的输入端噪声容限较大。噪声容限较大。二、电压传输

14、特性和电流传输特性二、电压传输特性和电流传输特性33图图3.3.13 CMOS反相器的电流传输特性反相器的电流传输特性+VDDSDvIDSGT1T2电流传输特性电流传输特性漏极电流随漏极电流随输入电压而变化的曲线输入电压而变化的曲线.iD34三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限高电平噪声容限高电平噪声容限VNH为：为：VNH= VOH（min）-VIH（min） 在保证输出高、在保证输出高、低电平不超过允许低电平不超过允许限度的条件下，输限度的条件下，输入电平的允许波动入电平的允许波动范围称为范围称为输入噪声输入噪声容限容限。低电平噪声容限低电平噪声容限VNL为：为：VNL= VIL（max）

15、-VOL（max）图图3.3.14 输入端噪声容限示意图输入端噪声容限示意图35图图3.3.15 CMOS反相器反相器输入噪声容限与输入噪声容限与VDD的关系的关系(a)不同不同VDD下的电压传输特性下的电压传输特性 (b)噪声容限随噪声容限随VDD的变化曲线的变化曲线VDD越高，噪声容限越大。越高，噪声容限越大。VNH= VNL= 30% VDD 0.1V0.1V363.3.3 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 指从反相器输入端看进去的输入电压与输入电流指从反相器输入端看进去的输入电压与输入电流的关系。的关系。由于由于CMOS反向器

16、的栅极和衬底之间有反向器的栅极和衬底之间有SiO2绝缘层，绝缘层，所以所以CMOS反向器正常工作时，有反向器正常工作时，有iI=iG=0成立。成立。但绝缘层非常薄，极易击穿但绝缘层非常薄，极易击穿 , 所以，制作所以，制作CMOS器件时，器件时，集成了集成了“输入保护电路输入保护电路”, 以以保护绝缘层不被击穿。保护绝缘层不被击穿。为了正确地处理门电路与门电路，以及门电路与其为了正确地处理门电路与门电路，以及门电路与其它电路之间的连接问题，必须了解门电路输入端和它电路之间的连接问题，必须了解门电路输入端和输出端的输出端的伏安特性伏安特性，即输入特性和输出特性。，即输入特性和输出特性。37输入保

17、护措施是有限度的，输入保护措施是有限度的，使用时使用时还必须注意器件的还必须注意器件的正确使用方法。正确使用方法。 D1、D2是保护二极管，正向压降是保护二极管，正向压降0.7V，反向击穿电压，反向击穿电压30V。 D1是是P型扩散区和型扩散区和N型衬底间自然形成的分布式二极管结构，型衬底间自然形成的分布式二极管结构，用一条虚线和两个二极管表示。用一条虚线和两个二极管表示。C1、C2是是TP、TN管栅极等效电容。管栅极等效电容。Rs是限流电阻，阻值是限流电阻，阻值1.52.5k。D1D238 当输入当输入 0 VDD+VDF时时：保护二极管保护二极管D1导通，输入电流导通，输入电流 i I 迅

18、迅速增加，同时将速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于管栅极电压钳位于VDD+VDF。保证加在。保证加在C2上的电压，不超过其耐压极限。上的电压，不超过其耐压极限。 当输入当输入VIVDF时：保护二极管时：保护二极管D2导通，导通，|i I| 随随|VI|增加而增加而增大。其变化斜率由增大。其变化斜率由RS决定。决定。39 当输入当输入 0 VDD+VDF时时：保护二极管保护二极管D1导通，输入电流导通，输入电流 i I 迅迅速增加，同时将速增加，同时将TP、TN管栅极电压钳位于管栅极电压钳位于VDD+VDF。保证加在。保证加在C2上的电压，不超过其耐压极限。上的电压，不超过其耐压极限。 当

19、输入当输入VIRLRON, VOH=VDD2, VOL=0。52Y=Y1 Y2 Y3任任 0 则则 0全全 1 则则 1RL（外接外接）VDD输出级输出级YY1Y2Y3A1B1C1A2B2C2A3B3C3&VDDRLYY1Y3Y2533 3、外接电阻阻值的计算、外接电阻阻值的计算IHOHLmInIIOHLLDDVRIV(a)外接电阻最大值外接电阻最大值IOHIOHIIH&VDD&VIL&VIL1&RL1ILnm为保证输出高电平不低为保证输出高电平不低于规定的数值，于规定的数值， RL不能不能太大。太大。（a）RL最大值的计算最大值的计算)/()(IHOH

20、OHDDLmInIVVRIOH:与非门截止时的漏电流。与非门截止时的漏电流。54(b)外接电阻最小值外接电阻最小值电阻的最小值受与非门低电平输出电流的限制。要保电阻的最小值受与非门低电平输出电流的限制。要保证流入与非门的电流不超过负载电流的允许值。极限证流入与非门的电流不超过负载电流的允许值。极限情况：只有一个与非门输出低电平。情况：只有一个与非门输出低电平。IOL IIL&VDD&VIH&VIL0&RL1ILm（b）RL最小值的计算最小值的计算ILLOLDDILLLOImRVVImII/ )(max)OLOLII)/()(max)ILOLOLDDLImIVVR

21、55三、三、 CMOS传输门传输门1、电路结构：、电路结构：逻辑逻辑符号符号vi /vovo /vi CTGC 如左图所示，如左图所示，CMOS传传输门由一个输门由一个P沟道沟道MOSFET和一个和一个N沟道沟道MOSFET并联而成。并联而成。 其中，其中，C和和 是一对是一对互补的控制信号。互补的控制信号。C 传输门传输门(TGTransmissionGate）也是构成各种）也是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路。逻辑电路的一种基本单元电路。vi /vovo /vi T2T1VDDCC562、工作原理：、工作原理：CTG10导通导通01截止截止(2)C=1, =0:(1)C=0, = 1(V

22、DD)：C设设 0vi VDD:vi /vovo /vi T2T1VDDCCT1 T2都截止都截止,输入输出之间呈输入输出之间呈高阻态高阻态,传输门截止传输门截止；0vi VDD- VGS(th)N时，时，T1导通。导通。因此因此,vi在在0和和VDD 之间变化时之间变化时T1和和 T2至少有一个至少有一个是导通的是导通的,输入输出之间呈低阻态输入输出之间呈低阻态,传输门导通。传输门导通。VGS(th)P vi VDD时，时，T2导通。导通。573、CMOS传输门的作用：传输门的作用：（1）实现逻辑运算；）实现逻辑运算；（2）作为模拟开关，用来传输连续变化的模拟）作为模拟开关，用来传输连续变化

23、的模拟信号；信号；58三态输出三态输出:高电平、低电平、高电平、低电平、高阻态高阻态。输输出出缓缓冲冲器器三态控制端三态控制端EN=0T1、T2导通；导通；AY EN=1T1 、T2截止；截止；四、四、 三态输出的三态输出的CMOS门电路（门电路（TS门）门）输出为高阻态输出为高阻态低电平低电平为为工作状态工作状态59三态门电路应用三态门电路应用1作为电路与作为电路与总线（总线（BUS)间的间的接口电路接口电路总线总线E1E2E3用总线用总线分时分时传送若干门电路的输出信号传送若干门电路的输出信号G1门工作门工作G2 门工作门工作G3 门工作门工作&A1B1E1&A2B2E2&

24、amp;A3B3E3G1G2G360三态门应用三态门应用2-实现数据的双向传输实现数据的双向传输01613.3.6 CMOS电路的正确使用电路的正确使用(1)输入电路的静电保护输入电路的静电保护在存贮和运输在存贮和运输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作包装材料；材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料；组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台面等组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台面等良好接地。必要时带防静电手套；良好接地。必要时带防静电手套；不同的输入端不应悬空。应根据逻辑要求或接电

25、源不同的输入端不应悬空。应根据逻辑要求或接电源VDD(与非与非门门)，或接地，或接地(或非门或非门)， 或与其它输入端连接。或与其它输入端连接。(2)输入电路的过流保护输入电路的过流保护输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻；电阻；输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接入保护电阻；输入端接有大电容时，应在输入端与电容之间接入保护电阻；62图图3.3.43 输入端接大电容时的防护输入端接大电容时的防护图图3.3.44 输入端接长线时的防护输入端接长线时的防护输入端接长线时，应在门电路的输入端输入端接长线时，应在门电路的

26、输入端接入保护电阻接入保护电阻。因长。因长线上不可避免地伴有分布电容、分布电感，信号突变时可能线上不可避免地伴有分布电容、分布电感，信号突变时可能产生正、负振荡的脉冲。根据经验：产生正、负振荡的脉冲。根据经验：RP=VDD/1mA，且当长度，且当长度大于大于10米后，每增加米后，每增加10米，米，RP的值应增加的值应增加1k。63( (3) )防止锁定效应防止锁定效应 在输入端和输出端设置钳位电路；在输入端和输出端设置钳位电路；在在VDD可能出现高压时，加电源去耦电路；可能出现高压时，加电源去耦电路；多电源供电时，应先接通多电源供电时，应先接通CMOS电源，或最后关闭电源，或最后关闭CMOS电

27、路电源。电路电源。 643.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列数字集成电路的各种系列CMOS门电路的系列产品：门电路的系列产品：CC4000/4000B系列（系列（基本的基本的CMOS)54/74HC系列（系列（高速高速CMOS）54/74HCT系列（系列（与与TTL兼容的高速兼容的高速CMOS）54/74AHC系列（系列（改进的高速改进的高速CMOS ）74LVC系列（系列（低压低压CMOS）74ALVC系列（系列（改进的低压改进的低压CMOS）54/74AHCT系列（系列（与与TTL兼容的改进高速兼容的改进高速CMOS ）TI公司公司产品产品54系列系列74系列系列（工作环境温度：（工

28、作环境温度：-55+125)（工作环境温度：（工作环境温度：-40+85)65、是电压控制元件，、是电压控制元件，静态功耗小静态功耗小。3、允许电源电压范围、允许电源电压范围宽宽（3 18V）。）。4 、扇出系数、扇出系数大大，抗噪声容限，抗噪声容限大大。优点优点、工艺简单，集成度、工艺简单，集成度高高。CMOS集成集成电路是目前的主流器件：电路是目前的主流器件：66习题：习题：题题3.5， 3.7(d) ，3.8，3.9。673.5 TTL门电路门电路TTL门电路：输入和输出端结构都采门电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为用了半导体晶体管，称之为: Transistor Tra

29、nsistor Logic。683.5.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性1、BJT的开关作用的开关作用工作状态工作状态截截 止止放放 大大饱饱 和和条条 件件iB00iB ICS /工工作作特特点点偏置情况偏置情况发射结和集电发射结和集电结均为结均为反反偏偏发射结发射结正正偏偏集电结集电结反反偏偏发射结和集电发射结和集电结均为结均为正正偏偏集电极电流集电极电流iC 0iC iBiC=ICS 管压降管压降VCEO VCCVCE =VCC-iCRCVCES 0.20.3Vc、e间等效间等效内阻内阻相当于开关相当于开关断断开（很大）开（很大）可可 变变 相当于开关相当于开关闭闭合（很

30、小）合（很小）NPN型型BJT工作状态和特点工作状态和特点69BONIBRVviCBCCCCCCCEoRiVRiVvv70五、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71六、六、 三极管反相器三极管反相器RCDR1AY+VCC+3VAY3V0.3V0V3.7V钳位二极管钳位二极管 1 0 0 1 1AY 1)为了保证在输入低电平时三极管可靠截止，常在基极为了保证在输入低电平时三极管可靠截止，常在基极接入接入R2和负电源和负电源VEE。-VEER2 2)为了保证在输入高电平时三极管工作在深度饱和状态，以为了保证在输入高电平时三极管工作在深度饱和状态，以使输出电平接近零，电路的参数

31、必须合适，以保证使输出电平接近零，电路的参数必须合适，以保证IB IBS （饱（饱和基极电流）。和基极电流）。720V 5VAY+5V3.3k 1k 10k -8V =20TR1R2RC例例3.5.1 电路及参数如图所示，试计算输入高、低电平时电路及参数如图所示，试计算输入高、低电平时对应的输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。对应的输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。VCE(sat)=0.1V121RRRVvvvEEIIB3 . 33 .138IIvvk5 . 2k3 .13103 . 32121RRRRRB由戴维宁等效电路可得：由戴维宁等效电路可得：解：解：731)当当vI=VIL=

32、0V时时:V23 . 33 .1380Bv三极管可靠截止三极管可靠截止iC= 0，vO=VCC=5V2)当当vI=VIH=5V时时:V8 . 13 . 33 .13855BvmA44. 0A105 . 27 . 08 . 13BBEBBRVvimA25. 0A101201 . 053)(CsatCECCBSRVVIBSBIi 三极管工作在深度饱和状态。三极管工作在深度饱和状态。 由由1）2）分析可知，电路参数的设计合理。）分析可知，电路参数的设计合理。vO =VCE(sat) 0VAY+5V3.3k 1k 10k -8V =20TR1R2RC743.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相

33、器的电路结构和工作原理+5VYR4R2R14kT2R3T4T1T5b1c11k 1.6 k 130AD1D21AY1111111 2 3 4 5 6 714 13 12 11 10 9 8+5V0V一、电路结构与一、电路结构与工作原理工作原理74LS0475+5VYR4R2R14kT2R3T4T1T5b1c11k 1.6 k 130 AD1D2输入级输入级倒相级倒相级 输出级输出级0.2V3.4V1、当输入、当输入A为低电平为低电平VIL=0.2V时：时：0.9V0.2V0.2VT1导通导通，T2截止截止， T5截止，截止，Vc2为高电平，从而为高电平，从而T4导导通，通，输出为输出为高电平高

34、电平VOH。VOH=5 VD2-VBE4 -VR2 3.4V(vO)(vI)76+5VYR4R2R14kT2R3T4T1T5b1c11k 1.6 k 130 AD1D2输入级输入级倒相级倒相级 输出级输出级0.2V3.4V2、当输入、当输入A为高电平为高电平VIH=3.4V时：时：电位箝电位箝在在2.1V3.4V4.1V3.4V1.4VT1导通导通,T2导通导通,T5导通导通, T4截止；截止； 输出为低电平输出为低电平VOL。1.0VT1:发射结反偏，集电结正偏，处于倒发射结反偏，集电结正偏，处于倒置放大状态置放大状态C、E作用颠倒。作用颠倒。(vO)(vI)AY 逻辑功能：逻辑功能：77+

35、5VYR4R2R14kT2R3T4T1T5b1c11k 1.6 k 130 AD1D2输入级输入级倒相级倒相级 输出级输出级0.2V3.4V输出级输出级：推拉式电路，有效地降低了输出级的静态功耗：推拉式电路，有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力；并提高了驱动负载的能力；D1：箝位二极管，抑制输入端可能出现的负极性干扰脉：箝位二极管，抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，防止输入电压为负时冲，防止输入电压为负时T1的发射极电流过大的发射极电流过大;D2：确保：确保T5饱和导通时饱和导通时T4可靠截止。可靠截止。78图图3.5.10 TTL反相器反相器的电压传输特性的电压传输特性二、电

36、压传输特性二、电压传输特性1AY0V5V3.02.01.00.51.01.5VI/VVO/V0ACD EB当输入当输入VIVI0.6V时，时，T5截止截止T4导通，但导通，但T2导通放导通放大，输出大，输出VO线性下降线性下降;当输入为当输入为1.4V左右时，左右时，T5、T2导通，但导通，但T4截止，输出截止，输出VO急剧下降为低电平。急剧下降为低电平。当输入继续升高，当输入继续升高，T5、T2导通，导通，T4截止，输出截止，输出VO为为低电平不再变化。低电平不再变化。即输出电压随输入电压的变化曲线。即输出电压随输入电压的变化曲线。截止区截止区线性区线性区转折区转折区饱和区饱和区VTHVTH

37、为阈值电压或门槛电压。为阈值电压或门槛电压。79uo(V)ui(V)123UOH“1”TTL反相器理想的电压传输特性反相器理想的电压传输特性VTH=1.4V80三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限74系列门电路的系列门电路的标准参数为：标准参数为：VOH（min）=2.4V, VOL（max）=0.4V, VIH（min）=2V, VIL（max）=0.8V故故VNH=0.4V高电平噪声容限高电平噪声容限VNH为：为：VNH= VOH（min）-VIH（min）低电平噪声容限低电平噪声容限VNL为：为：VNL= VIL（max）-VOL（max）故故VNL=0.4V813.5.3 TTL反相器

38、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1、输入电压为、输入电压为VIL时，相应的时，相应的低电平输低电平输入电流入电流IIL约为约为1mA，方向为流出。，方向为流出。2、输入电压为、输入电压为VIH时，相应时，相应高电平输入高电平输入电流电流IIH约为约为40 A，方向为流进。，方向为流进。高电平高电平低电平低电平一、输入特性一、输入特性82二、输出特性二、输出特性高电平输出特性高电平输出特性VOH(MIN)输出高电平时，负载电流的方向为流出。输出高电平时，负载电流的方向为流出。iL较小时，较小时， iL对对VOH的影响很小，的影响很小， iL较大时，较大时， VOH随随iL绝

39、对值的增加成线性下降。绝对值的增加成线性下降。由于受功耗的限制，实际工作中输出电流由于受功耗的限制，实际工作中输出电流IOH不超过不超过0.4mA。IOH0.4mA拉电流拉电流83二、输出特性二、输出特性低电平输出特性低电平输出特性说明：输出低电平时，负载电流的方向为流进。由于说明：输出低电平时，负载电流的方向为流进。由于T5饱和导饱和导通时通时c-e间的内阻很小，所以负载电流增加时间的内阻很小，所以负载电流增加时VOL 稍有升高，稍有升高， VOL与与iL在较大范围里成线性。在较大范围里成线性。0.2IOL16mA灌电流灌电流84输入输出特性总结输入输出特性总结1、无论是输入还是输出，电流和

40、电压是相、无论是输入还是输出，电流和电压是相互影响的，其关系由特性曲线确定。互影响的，其关系由特性曲线确定。2、在实际工作中，当电流变化时会影响电、在实际工作中，当电流变化时会影响电压的值，当电压的变化超出压的值，当电压的变化超出0和和1的逻辑的逻辑定义时，它就是无效的！定义时，它就是无效的！85应用举例：例应用举例：例3.5.2G1可以驱动多少个可以驱动多少个TTL门？门？其中其中VOH 3.2V，VOL 0.2V0iLiIiI=1mAiL=16mAiL=N iIN iI=16mAN=161VOHiL=7.5mAiL=0.4mAiLiIiI=40 AiL=iI NiI N=0.4mAN=10

41、N=10扇出系数扇出系数扇出系数：扇出系数：与非门电路输出能驱动同类门的个数。与非门电路输出能驱动同类门的个数。86三、输入端负载特性三、输入端负载特性1AY11BY2R1BY2Rp问题：问题：这时，输入这时，输入B是是“1”还是还是“0”？871BY2Rp Rp R1+RpVi=(VCC-0.7V)RpViRp 1.45k 相当于输入高电平。相当于输入高电平。1.4V悬空引脚等效为悬空引脚等效为输入高电平输入高电平1Vi =1.4V时，时，T2、T5饱和导通饱和导通1.45k 88IHIHOHPIVVR)min(由输入特性得由输入特性得IIH=0.04mAk351004002433-P.RI

42、IH89OLILPILBECCVVRRVvV(max)1(max)11(max)1(max)R-VvVVVRILBECCOLILPIILIIL(max)ILOLPILVVRI0.69kPR90习题：题习题：题3.11913.5.4 TTL反相器的反相器的动态特性动态特性tuiotuoo50%50%tPHLtPLH导通传输导通传输时间时间截止传输截止传输时间时间波形边沿变坏波形边沿变坏有延迟变化有延迟变化uo 平均传输时间平均传输时间（Propagation delay)tpd=tPHL + tPLH2典型值：典型值：3 10 ns一、传输延迟时间一、传输延迟时间92二、交流噪声容限二、交流噪声

43、容限 由于由于TTL电路中存在三极管的开关时间和分布电电路中存在三极管的开关时间和分布电容的充放电过程，因而输入信号状态变化时必须有足容的充放电过程，因而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改变。够的变化幅度和作用时间才能使输出状态改变。当输当输入信号为入信号为窄脉冲窄脉冲，而且脉冲宽度接近于门电路传输延，而且脉冲宽度接近于门电路传输延迟时间的情况下，为使输出状态改变所迟时间的情况下，为使输出状态改变所需要的脉冲幅需要的脉冲幅度将远大于信号为直流（宽脉冲）时所需要的信号变度将远大于信号为直流（宽脉冲）时所需要的信号变化幅度化幅度。因此，门电路对这类窄脉冲的噪声容限。因

44、此，门电路对这类窄脉冲的噪声容限交流噪声容限交流噪声容限高于前面讲过的直流噪声容限。高于前面讲过的直流噪声容限。 绝大多数绝大多数TTL门电路的传输延迟时间都在门电路的传输延迟时间都在50ns以内，所以当以内，所以当输入脉冲的宽度达到微秒数量级输入脉冲的宽度达到微秒数量级时，时，在信号作用时间内电路已达到稳态，应将输入信号在信号作用时间内电路已达到稳态，应将输入信号按按直流信号直流信号处理。处理。93（a）正脉冲噪声容限）正脉冲噪声容限（b）负脉冲噪声容限）负脉冲噪声容限图中图中tw表示输入脉冲宽度，表示输入脉冲宽度，VNA表示输入脉冲幅度。表示输入脉冲幅度。 在图（在图（a）中将输出高电）中

45、将输出高电平降至平降至2.0V时对应的（某一宽时对应的（某一宽度的）输入正脉冲幅度定义为度的）输入正脉冲幅度定义为正脉冲噪声容限正脉冲噪声容限。 在图（在图（b）中将输出低电）中将输出低电平升至平升至0.8V时时对应的对应的（某一宽（某一宽度的）输入负脉冲幅度定义为度的）输入负脉冲幅度定义为负脉冲噪声容限负脉冲噪声容限。注意：交流噪声容限实际上也反注意：交流噪声容限实际上也反映了门电路对输入信号的脉宽和映了门电路对输入信号的脉宽和幅度的要求。幅度的要求。图图3.5.22TTL反相器的交流噪声容限反相器的交流噪声容限正脉冲使反相器的输出高电平下降；正脉冲使反相器的输出高电平下降；负脉冲使反相器的

46、输出低电平升高。负脉冲使反相器的输出低电平升高。94三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流 通过计算可以证明，通过计算可以证明，TTL门电路在稳态状态下，门电路在稳态状态下，输出电平不同时，它从电源所取的电流也不一样。输出电平不同时，它从电源所取的电流也不一样。 若若输入为高电平输入为高电平， 则则T1 、T2和和T5导通，导通，T4截止，输出低电平，电截止，输出低电平，电源电流源电流ICCL等于等于iB1和和iC2之和。之和。21CBCCLiiI2211RvVRvVCCCBCCmA4 . 3106 . 18 . 051041 . 25332.1V0.8V95三、电源的动态尖峰电流三、电

47、源的动态尖峰电流 若若输入低电平输入低电平(0.2V)，则，则T1和和T4导通，导通，T2和和T5截截止，输出高电平，电源电流止，输出高电平，电源电流ICCH等于等于iB1 。如果。如果T1发发射结的导通电压为射结的导通电压为0.7V，则，则VB1=0.9V，于是得到：，于是得到：1BCCHiI11RvVBCCmA11049 .05396 动态情况下，特别是在输出电压由动态情况下，特别是在输出电压由低电平突变为低电平突变为高电平高电平的过程中，由于的过程中，由于T5原来在深度饱和状态，所以原来在深度饱和状态，所以T4的导通必然先于的导通必然先于T5的截止，这样就出现了短时间内的截止，这样就出现

48、了短时间内T4和和T5同时导通的状态，有很大的瞬时电流流经同时导通的状态，有很大的瞬时电流流经T4和和T5，使电源电流出现，使电源电流出现尖峰脉冲尖峰脉冲。电源电流的最大瞬时值：电源电流的最大瞬时值：ICCM=iC4+ iB4+ iB1=34.7mA电源尖峰电流带来的影响主要表现在两个方面电源尖峰电流带来的影响主要表现在两个方面:使电源的平均电流增加使电源的平均电流增加,且信号频率越高、门电路的且信号频率越高、门电路的传输延迟时间传输延迟时间tPLH越长，电越长，电流平均值增加越多。流平均值增加越多。多个门电路同时转换状多个门电路同时转换状态时，尖峰电流将增大，态时，尖峰电流将增大，形成系统内

49、部噪声。形成系统内部噪声。97例例3.5.4 若若74系列系列TTL反相器的电路参数如图反相器的电路参数如图3.5.9所所给出，并知给出，并知tPHL=15ns，试计算在，试计算在f=5MHz的矩形波输的矩形波输入电压信号作用下电源电流的平均值。输入电压信号入电压信号作用下电源电流的平均值。输入电压信号的占空比（高电平持续时间与周期之比）为的占空比（高电平持续时间与周期之比）为50%。)(21)(21CCLCCMPLHCCLCCHCCAVIItfIII考虑电源动态尖峰电流的影响之后，电源电流的考虑电源动态尖峰电流的影响之后，电源电流的平均值为：平均值为：解：解：mA37. 3mA)17. 12

50、 . 2()4 . 37 .34(101510521)4 . 31 (2196CCAVI983.5.5 其它类型的其它类型的TTL门电路门电路多发射极三极管多发射极三极管一、其它逻辑功能的门电路一、其它逻辑功能的门电路99图图3.2.29 TTL或非门电路或非门电路100101102二、集电极开路的门电路（二、集电极开路的门电路（OC门门）1 . 问题的提出问题的提出&ABEF&CDG 能否能否“线与线与”？（Open Collector)103推拉式输出电路结构推拉式输出电路结构的的TTL与非门的与非门的输出电阻很低。输出电阻很低。i功耗功耗可能使门可能使门电路损坏电路损坏i

51、UOL不允许不允许直接直接“线线与与”&ABEF&CDG与非门与非门 “关门关门”与非门与非门 “开门开门”+5VR4R2T3T4T5100 750 3k R3UOH+5VR4R2T3T4T5100 750 3k R3UOL1042 . 集电极开路与非门电路结构集电极开路与非门电路结构+5VYR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC去掉去掉标准标准TTL与非门与非门105Y = ABC&符号：符号：集电极集电极悬空悬空RL（外接）（外接）VCCYT5+5VR2R13kT2R3T1b1c1ABC&工作时输出端需外接上拉负载工作时输出端需外接上拉负

52、载电阻电阻 RL和电源和电源 。2 . 集电极开路与非门电路结构集电极开路与非门电路结构只要只要RL和电源电压的数值选择得当，就能既保证输出的高和电源电压的数值选择得当，就能既保证输出的高、低电平符合要求，输出端三极管的负载电流又不过大。、低电平符合要求，输出端三极管的负载电流又不过大。1063、OC门外接负载电阻门外接负载电阻RL的计算的计算“1”RLVILVILIOHIOHIIHIIHILn个个OC门门m个个TTL与非与非门的输入端门的输入端驱动拉电驱动拉电流负载流负载IOH:每个每个OC门输出三极门输出三极管管T5截止时截止时的漏电流的漏电流IIH:负载负载门每个输门每个输入端的高入端的

53、高电平输入电平输入电流电流&VCC&107 为保证输出高电平不低于规定的为保证输出高电平不低于规定的VOH值值 ，RL不宜不宜选得过大。由以上分析列出选得过大。由以上分析列出RL最大值的公式：最大值的公式：IHOHOHCCLmInIVVR(min)(max)(1)(IHOHLCCLLCCOHmInIRVIRVV(min)(OHIHOHLCCVmInIRVIHOHOHCCLmInIVVR(min)108“0”VIHVILIILIILILn个个OC门门m个个TTL与非与非门的数目门的数目驱动灌电驱动灌电流负载流负载IOL:OC门门低电平输低电平输出电流出电流IIL:每个负每个负载门

54、的低载门的低电平输入电平输入电流电流IOL&VCC&RL109 在最坏情况下，只有一个在最坏情况下，只有一个OC门导通，流过门导通，流过RL的电的电流和负载电流全部灌入该导通的流和负载电流全部灌入该导通的OC门中，所以门中，所以RL的值的值不可太小，以确保灌入导通不可太小，以确保灌入导通OC门的电流不超过最大允门的电流不超过最大允许的负载电流许的负载电流ILM。由以上分析可列出。由以上分析可列出RL最小值的公式：最小值的公式：ILLMOLCCtotalILLMOLCCLImIVVIIVVR)(min)(2)所以，所以，RL(min) RL RL(max)(totalILLOLC

55、COLIRVVILMtotalILLOLCCIIRVV)(根据要求：根据要求：110IHOHOHCCLmInIVVR(min)(max)ILLMOLCCtotalILLMOLCCLImIVVIIVVR)(min)3、OC门外接负载电阻门外接负载电阻RL的计算的计算说明：说明：负载门为负载门为TTL与非门电路的与输入端与非门电路的与输入端并联时，并联时，m 指负载门的个数。指负载门的个数。111例例3.5.5 试为图试为图3.5.37电路中的外接负载电阻电路中的外接负载电阻RL选定合适选定合适的阻值。已知的阻值。已知G1、G2为为OC门，输出管截止时的漏电流门，输出管截止时的漏电流为为IOH=2

56、00 A，输出管导通时允许的最大负载电流，输出管导通时允许的最大负载电流IOL(max)=16mA。 G3、G4 和和G5均为均为74系列与非门，它们系列与非门，它们的低电平输入电流的低电平输入电流IIL= -1mA，高电平输入电流，高电平输入电流IIH=40 A。给定。给定VCC=5V，要求，要求OC门输出的高电平门输出的高电平VOH3.0V，低电平低电平VOL0.4V。解：解：IHOHOHCCLmInIVVR(min)(max)k63. 2k04. 092 . 0235k35.0k13164 .05(min)ILLMOLCCLImIVVR112三三 、三态输出门电路（三态输出门电路（TS门

57、门）(Three State)三种输三种输出状态出状态高电平高电平低电平低电平高阻状态（禁止状态）高阻状态（禁止状态）三态输出门三态输出门是在普通门电路的基础上是在普通门电路的基础上附加附加控制电路控制电路而构成。而构成。1131 . 三态与非门电路结构三态与非门电路结构控制端控制端DENEN1(使能端使能端:Enable）AB输入端输入端+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5114 2 . 工作原理工作原理F“1”3.4V截止截止“0”0.3V与非工作状态与非工作状态（1） EN =“0”+5VR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5ABDENEN1ABF0E 时时：115F“0”

58、0.3V“1”3.4V截止截止导通导通截止截止（2） EN =“1”高阻状态高阻状态（禁止状态）（禁止状态）+5VR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5ABDENEN1 E=“1”时：时：F = Z (高阻状态高阻状态)1V116符号：符号：功能表：功能表：0 ABF （工作状态工作状态）输出输出EN接接低电平低电平时时为工作状态为工作状态1 高阻状态高阻状态（禁止状态）（禁止状态） YABEN EN&117若去掉使能端的非门：若去掉使能端的非门：DEN控制端控制端(使能端使能端:Enable）+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB输入端输入端EN=0：F=Z (高阻状

59、态高阻状态)ABFEN 时：1 YABEN EN&1183.5.6 TTL数字集成电路的各种系列数字集成电路的各种系列 前面介绍的前面介绍的TTL电路是一个典型的电路电路是一个典型的电路,它基本上它基本上是国产是国产CT1000(相当于国际相当于国际74)系列产品。系列产品。TTL电路电路的一个重要性能指标就是的一个重要性能指标就是速度速度-功耗积，功耗积，即对于一个即对于一个高质量的门电路，高质量的门电路，既要求工作速度高，又要求其功既要求工作速度高，又要求其功耗小。耗小。为了实现这一目标为了实现这一目标TTL电路的设计者一直在电路的设计者一直在不断努力，对原有电路进行了多方面的改进

60、，相继不断努力，对原有电路进行了多方面的改进，相继开发出了：开发出了：CT2000（74H）、）、CT3000（74S）、）、CT4000（74LS）。）。一、一、74H系列系列 74H系列又称高系列又称高速系列，和速系列，和74系列系列相比主要是减小了相比主要是减小了电路中各电阻值。电路中各电阻值。1191、改进之一：引入肖特基二极管、改进之一：引入肖特基二极管SBD 74H系列门电路的系列门电路的平均传输延迟时间平均传输延迟时间比比74系列缩系列缩短了一半，但电路的短了一半，但电路的电源平均电流电源平均电流约增加了一倍。即约增加了一倍。即延迟延迟-功耗积未得到改善，已被淘汰。功耗积未得到改善，已被淘汰。二、二、74S系列系列 74S系列又称肖特基（系列又称肖特基（Schottky）系列。）系列。 通过对通过对74系列电路的动态分析发现，影响其工作系列电路的动态分析发