第2章 门电路1

1、第二章第二章 门电路门电路 2.1 概述 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性 2.3 最简单的与、或、非门电路 2.4 TTL门电路 2.5 其它类型的双极型数字集成电路 2.6 CMOS门电路 2.7 其它类型的MOS集成电路 2.8 TTL电路与CMOS电路的接口返回返回2.1 概述 图2.1.1 获得高、低电平的基本原理 图2.1.2 正逻辑与负逻辑返回返回图2.1.1 获得高、低电平的基本原理返回返回图2.1.2 正逻辑与负逻辑返回返回2.1 概概 述述 门电路：逻辑门电路是能够实现各种基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，简称“门电路”或逻辑元件。最基本的门电路是与门、或门和非门

2、。利用与、或、非门就可以构成各种逻辑门。在逻辑电路中,一般用电路电平的高、低来表示逻辑事件的逻辑1与逻辑0（即是与否）。若用低电平代表0、高电平代表1，则称为正逻辑。相反为负逻辑。获得高、低电平的基本原理如右图所示： 该图实际上就是一个非门。 集成门按内部有源器件的不同可分为两大类：一类为双极型晶体管集成电路，主要有晶体管TTL逻辑、射极耦合逻辑ECL和集成注入逻辑I2L等几种类型；另一类为单极型MOS集成电路，包括NMOS、 PMOS和CMOS等几种类型。常用的是TTL和CMOS集成电路。 集成门电路按其集成度又可分为：小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路（MSI）、大规模集成电路（LS

3、I）和超大规模集成电路（VLSI）。高低电平都有一个允许的范围。如下图所示：2.2 半半导导体体二极管和三极管的开关特性二极管和三极管的开关特性图2.2.1 二极管开关电路图2.2.2 二极管的伏安特性图2.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法图2.2.4 二极管的动态电流波形图2.2.5 双极型三极管的两种类型 (a)NPN型 (b)PNP型图2.2.6 双极型三极管的特性曲线 (a)输入特性曲线 (b)输出特性曲线图2.2.7 双极型三极管的基本开关电路图2.2.8 用图解法分析图2.2.7电路 (a)电路图 (b)作图方法图2.2.9 双极型三极管的开关等效电路 (a)截止状态 (b)饱

4、和导通状态图2.2.10 双极型三极管的动态开关特性返回返回下页下页图2.2.11 MOS管的结构和符号图2.2.12 MOS管共源接法及其输出特性曲线 (a)共源接法 (b)输出特性曲线图2.2.13 MOS管的转移特性图2.2.14 MOS管的基本开关电路图2.2.15 MOS管的开关等效电路 (a)截止状态 (b)导通状态 图2.2.16 P沟道增强型MOS管图2.2.17 P沟道增强型MOS管的漏极特性图2.2.18 用P沟道增强型MOS管接成的开关电路图2.2.19 N沟道耗尽型MOS管的符号图2.2.20 P沟道耗尽型MOS管的符号返回返回上页上页图2.2.1 二极管开关电路返回返

5、回2.2.1 半半导导体体二极管的开关特性二极管的开关特性 半导体二极管的单向导电性使半导体二极管相当于一个受外加电压极性控制的开关。如下图所示：图2.2.2 二极管的伏安特性返回返回 但是，实际二极管的特性并不是理想的开关特性。根据半导体物理理论得知，实际二极管的特性可以近似地用PN结方程：) 1(/TVseIi和下图所示的伏安特性曲线来描述。可以看出，实际的半导体二极管反向电阻不是无穷大，正向电阻也不是0。而且，电压和电流之间是非线性关系。其中，Is是反向饱和电流；VT=kT/q，是温度电压。图2.2.3 二极管伏安特性的几种近似方法返回返回在多数情况下，需要通过近似的分析迅速判断二极管的

6、开关状态。为此，必须利用近似的简化特性，以简化分析和计算过程。下图给出了二极管的三种近似的伏安特性曲线和对应的等效电路。(a)图：二极管的正向导通压降和正向电阻都不能忽略时的近似特性和等效电路。(b)图：二极管的正向导通压降不能忽略，但正向电阻可以忽略时的近似特性和等效电路。(c)图：二极管的正向导通压降和正向电阻都可以忽略时的近似特性和等效电路。图2.2.4 二极管的动态电流波形返回返回 在动态情况下，亦即加到二极管两端的电压突然反向时，电流的变化过程如下图所示：反向电流持续的时间用反向恢复时间tre来定量描述。反向恢复时间tre指反向电流从它的峰值衰减到峰值的十分之一所经过的时间。 图2.

7、2.5 双极型三极管的两种类型 (a)NPN型 (b)PNP型返回返回2.2.2 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性一、双极型三极管的开关特性1、双极型三极管的结构 双极型三极管由管芯、三个引出电极和外壳组成。 双极型三极管有如下两种类型：图2.2.6 双极型三极管的特性曲线 (a)输入特性曲线 (b)输出特性曲线返回返回2、双极型三极管的输入特性和输出特性双极型三极管的输入特性和输出特性如下图所示：输入特性曲线近似于指数曲线。可用虚线所示的折线来近似。VON称为开启电压，硅管为0.50.7V，锗管为0.20.3V。输出特性曲线明显地分成放大区（线性区）、饱和区、截止区三个区域。图2

8、.2.7 双极型三极管的基本开关电路返回返回3、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如下图所示：0I当输入电压 时，输出电压为高电平CCOHVV当输入电压 时，输出电压为ONIV0OLVICBCCORiV当输入电压 继续升高，使三极管处于深度饱和状态时，开关电路处于导通状态，输出电压为低电平BBEIBRVi/ )(其中，图2.2.8 用图解法分析图2.2.7电路 (a)电路图 (b)作图方法返回返回在给出输出特性曲线的条件下，也可以用非线性电路的图解法，求出给定电路参数下输出电压的具体数值。如下图所示：当输入电压、电阻RB、三极管确定后，输入电流IB也就确定了。于是，与IB值对

9、应的一条输出特性曲线和负载线的交点就是开关电路实际所处的工作点。这一点对应的iC和 值也就是所求的集电极电流和输出电压的数值。CE深度饱和时三极管所需要的基极电流为CsatCECCBSRVVI)(，称为饱和基极电流。)(satCEV称为饱和压降。合理选择电路参数，可使三极管的c-e间相当于一个受输入电压控制的开关。图2.2.9 双极型三极管的开关等效电路 (a)截止状态 (b)饱和导通状态返回返回4、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如下图所示：图2.2.10 双极型三极管的动态开关特性返回返回5、双极型三极管的动态开关特性在动态情况下，亦即三极管在截止与饱和导通两种状态间迅

10、速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流的变化将滞后于输入电压的变化。在接成三极管开关电路以后，开关电路的输出电压的变化也必然滞后于输入电压的变化。如下图所示：图2.2.11 MOS管的结构和符号返回返回二、MOS管的开关特性1、MOS管的结构 MOS管是金属-氧化物-半导体场效应管的简称。其结构如下图所示：图2.2.12 MOS管共源接法及其输出特性曲线 (a)共源接法 (b)输出特性曲线返回返回2、MOS管的输入特性和输出特性(1) MOS管的输入特性：栅极电流等于零，故不必画出输入特性曲线。(2) MOS管的输出特性：MOS管的共源接法及其输出特性曲线（漏极特

11、性曲线）如下图所示：漏极特性曲线分为截止区、可变电阻区、恒流区这三个工作区。图2.2.13 MOS管的转移特性返回返回(3) MOS管的转移特性：表示漏-源电流与栅-源电压之间的关系的曲线称为MOS管的转移特性曲线。如下图所示：)(thGSV称为开启电压。 时，漏-源电流近似地与栅-源电压的平方成正比。)(thGSGSV图2.2.14 MOS管的基本开关电路返回返回3、 MOS管的基本开关电路MOS管的基本开关电路如下图所示：只要电路参数选择得合理，就可以做到输入为低电平时MOS管截止，开关电路输出高电平；而输入为高电平时MOS管导通，开关电路输出低电平。也就是说，如果合理选择电路参数，则可使

12、MOS管的D-S间相当于一个受输入电压控制的开关。图2.2.15 MOS管的开关等效电路 (a)截止状态 (b)导通状态返回返回4、MOS管的开关等效电路MOS管的开关等效电路如下图所示：CI代表栅极的输入电容，约为几皮法。5、MOS管的四种类型MOS管有N沟道增强型、P沟道增强型、N沟道耗尽型、P沟道耗尽型这四种基本类型。（1）N沟道增强型N沟道增强型的MOS管如下图所示：图2.2.16 P沟道增强型MOS管返回返回（2）P沟道增强型P沟道增强型的MOS管如下图所示：图2.2.17 P沟道增强型MOS管的漏极特性返回返回图2.2.18 用P沟道增强型MOS管接成的开关电路返回返回图2.2.1

13、9 N沟道耗尽型MOS管的符号返回返回（3）N沟道耗尽型其结构形式与N沟道增强型MOS管相同。所不同的是在耗尽型MOS管中掺进了一定浓度的正离子。这些正离子所形成的电场足以将衬底中的少数载流子电子吸引到栅极下面的衬底表面，在D-S间形成导电沟道。因此，在栅-源电压为零时就已经存在导电沟道了。N沟道耗尽型的MOS管的符号如右图所示：图2.2.20 P沟道耗尽型MOS管的符号返回返回（4）P沟道耗尽型其结构形式与P沟道增强型MOS管相同。所不同的是在耗尽型MOS管中掺进了一定浓度的负离子。这些负离子所形成的电场足以将衬底中的少数载流子空穴吸引到栅极下面的衬底表面，在D-S间形成导电沟道。因此，在栅

14、-源电压为零时就已经存在导电沟道了。P沟道耗尽型的MOS管的符号如右图所示：2.3 最简单的与、或、非门电路 图2.3.1 二极管与门 图2.3.2 二极管或门 图2.3.3 三极管非门（反相器） 图2.3.4 图2.3.3电路的化简返回返回图2.3.1 二极管与门返回返回2.3.1 二极管与门二极管与门最简单的与门可以用二极管和电阻组成。如下图所示：优点：结构简单。缺点：首先，输出的高、低电平数值和输入的高、低电平数值不等，相差一个二极管的导通压降。其次，当输出端对地接上负载电阻时，负载电阻的改变有时会影响输出的高电平。图2.3.2 二极管或门返回返回2.3.2 二极管或门二极管或门最简单的

15、或门也可以用二极管和电阻组成。如下图所示：优点：结构简单。缺点：输出的高、低电平数值和输入的高、低电平数值不等，相差一个二极管的导通压降。即也存在电平偏移问题。图2.3.3 三极管非门（反相器）返回返回2.3.3 三极管非门三极管非门用三极管和电阻可以构成非门。如下图所示：当输入信号为高电平时，应保证三极管工作在深度饱和状态，以使输出电平接近于零。为此，电路参数的配合必须合适，以使提供给三极管的基极电流大于深度饱和的基极电流。即满足：BSBII 图2.3.4 图2.3.3电路的化简返回返回2.4 TTL门电路图2.4.1 TTL反相器的典型电路图2.4.2 TTL反相器的电压传输特性图2.4.

16、3 输入端噪声容限示意图图2.4.4 TTL反相器的输入端等效电路图2.4.5 TTL反相器的输入特性图2.4.6 TTL反相器高电平输出等效电路图2.4.7 TTL反相器高电平输出特性图2.4.8 TTL反相器低电平输出等效电路图2.4.9 TTL反相器低电平输出特性图2.4.10 例 2.4.1的电路图2.4.11 TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路图2.4.12 TTL反相器输入端负载特性图2.4.13 例2.4.2的电路返回返回下页下页图2.4.14 TTL反相器的动态电压波形图2.4.15 TTL反相器的交流噪声容限（a）正脉冲噪声容限（b）负脉冲噪声容限图2.4.16 TTL

17、反相器电源电流的计算（a）vOVOL 的情况 （b） vOVOH的情况图2.4.17 TTL反相器的电源动态尖峰电流图2.4.18 TTL反相器的电源尖峰电流的计算图2.4.19 电源尖峰电流的近似波形图2.4.20 TTL与非与非门电路图2.4.21 多发射极三极管（a）结构示意图 （b）符号及等效电路图2.4.22 TTL或非或非门电路图2.4.23 TTL与与或非或非门图2.4.24 TTL异异或或门图2.4.25 推拉式输出级并联的情况图2.4.26 集电极开路与非与非门的电路和图形符号返回返回上页上页下页下页图2.4.27 OC门输出并联的接法及逻辑图图2.4.28 计算OC门负载电

18、阻最大值的工作状态图2.4.29 计算OC门负载电阻最小值的工作状态图2.4.30 例 2.4.4 的电路图2.4.31 三态输出门的电路图和图形符号（a）控制端高电平有效 （b）控制端低电平有效图2.4.32 用三态输出门接成总线结构图2.4.33 用三态输出门实现数据的双向传输图2.4.34 74H系列与非与非门（ 74H 00）的电路结构图2.4.35 抗饱和三极管图2.4.36 肖特基势垒二极管的结构图2.4.37 74S系列与非与非门 (74S 00)的电路结构图2.4.38 74S系列反相器的电压传输特性图2.4.39 74LS系列与非与非门 (74LS 00)的电路结构返回返回上

19、页上页图2.4.1 TTL反相器的典型电路返回返回2.4.1 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一、电路结构TTL反相器是TTL门电路中电路结构最简单的一种。如下图所示：工作原理简介：（1）当输入电压为低电平时，T1发射结导通，T1工作在深度饱和状态，集-发电压约为零，T2基极电压较低，故T2截止。这又使T4导通，T5截止，从而使反相器输出高电平。（2）当输入电压为高电平时，T1基极电压较高，T1工作于倒置状态，从而使T2基极电压也较高，故T2导通。这又使T4截止，T5导通，从而使反相器输出低电平。这也就实现了反相器的反相功能。D1是输入端钳位二极管，起到低电压保护作用

20、和去负脉冲干扰的作用。D2使T4在T5饱和导通时能可靠地截止。图2.4.2 TTL反相器的电压传输特性返回返回二、电压传输特性二、电压传输特性TTL反相器的电压传输特性如下图所示：截止区：曲线的AB段。VVVOHOI4 . 3,6 . 0线性区：曲线的BC段。OIVV,3 . 16 . 0的升高而线性下降。随I转折区：曲线的CD段。OTHIVV,4 . 1随I的略升而急剧下降。饱和区：曲线的DE段。OTHIV,不再随I的升高而变化。图2.4.3 输入端噪声容限示意图返回返回三、输入端噪声容限在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平的允许波动范围被称为输入

21、端噪声容限。如下图所示：对于74系列TTL门电路，其标准参数为：VVOH4 . 2(min)VVOL4 . 0(max)VVIH0 . 2(min)VVIL8 . 0(max)所以，其输入为高电平时的噪声容限为VVNH4 . 0VVNL4 . 0所以，其输入为低电平时的噪声容限为图2.4.4 TTL反相器的输入端等效电路返回返回2.4.2 TTL反相器的静态特性和输出特性反相器的静态特性和输出特性一、输入特性一、输入特性如果仅仅考虑输入信号是高电平和低电平而不是某一个中间值的情况，则可将TTL反相器的输入端画成下图所示的等效电路形式：输入低电平电流为：11/ )(RVVIILBECCIL输入短

22、路电流为：11/ )(RVIBECCIS,4 . 3时当VVIHIT1工作于倒置状态（发射极与集电极对调使用的状态），倒置状态下三极管的电流放大系数很小（在0.01以下），所以高电平输入电流IIH很小。74系列TTL门电路每个输入端的IIH值都在40微安以下。图2.4.5 TTL反相器的输入特性返回返回根据上述等效电路，可画出TTL反相器的输入特性曲线（输入电流随输入电压变化的曲线）如下图所示：图2.4.6 TTL反相器高电平输出等效电路返回返回二、输出特性1、高电平输出特性,时当OHOVTTL反相器输出端的等效电路如下图所示：此时，T4工作在射极输出状态，电路的输出电阻很小。因此，在负载电流

23、较小的范围内，负载电流的变化对VOH的影响很小。当负载电流iL的绝对值逐渐增大，从而使T4进入饱和状态时，T4将失去射极跟随功能，因而使VOH随iL绝对值的增加几乎线性地下降。图2.4.7 TTL反相器高电平输出特性返回返回根据上述等效电路，可画出TTL反相器的高电平输出特性曲线（高电平输出电压VOH随负载电流iL变化的曲线）如下图所示：从曲线上可见，在负载电流iL绝对值小于5毫安的范围内，VOH变化很小；当iL绝对值大于5毫安以后，随着iL绝对值的增加VOH下降较快。由于受到功耗的限制，手册上给出的高电平输出电流的最大值要比5毫安小得多。74系列TTL门电路的运用条件规定，输出为高电平时，最

24、大负载电流不能超过0.4mA。图2.4.8 TTL反相器低电平输出等效电路返回返回2、低电平输出特性,时当OLOVTTL反相器输出端的等效电路如下图所示：此时，T5饱和导通，T4截止。由于T5饱和导通时c-e间的内阻很小（通常在10欧姆以内）。所以，负载电流iL增加时，输出的低电平VOL仅稍有升高。图2.4.9 TTL反相器低电平输出特性返回返回根据上述等效电路，可画出TTL反相器的低电平输出特性曲线（低电平输出电压VOL随负载电流iL变化的曲线）如下图所示：可以看出，VOL与iL在较大的范围里基本上呈线性关系。图2.4.10 例 2.4.1的电路返回返回TTL电路的扇出系数一个TTL电路可以

25、驱动的同类型TTL电路的最大数目。可以算出，TTL反相器的扇出系数N=10。图2.4.11 TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路返回返回三、输入端负载特性在具体使用门电路时，有时需要在输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻RP，如下图所示：因为输入电流流过RP ，这就必然会在RP上产生压降而形成输入端电位 。而且， RP越大 也越高。III 随RP变化的规律被称为输入端负载特性。)/()(11PPBECCIRRRVI上式表明，在RPR1的条件下， 几乎与RP成正比。图2.4.12 TTL反相器输入端负载特性返回返回TTL反相器的输入端负载特性如下图所示：I上式表明，在RPR1的

26、条件下， 几乎与RP成正比。但当 上升到1.4V以后，特性曲线趋尽于一条水平线。I图2.4.13 例2.4.2的电路返回返回图2.4.14 TTL反相器的动态电压波形返回返回2.4.3 TTL反相器的动态特性一、传输延迟时间传输延迟时间输出电压波形滞后于输入电压波形的时间。tPLH输出电压由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间。tPHL输出电压由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间。图2.4.15 TTL反相器的交流噪声容限（a）正脉冲噪声容限输出高电平降致2.0V时输入正脉冲的幅度。（b）负脉冲噪声容限输出低电平升致0.8V时输入负脉冲的幅度。返回返回二、交流噪声容限交流噪声容限指门电路对窄脉冲

27、的噪声容限。常用的交流噪声容限有正脉冲噪声容限、负脉冲噪声容限这两类。如下图所示：图2.4.16 TTL反相器电源电流的计算（a）vOVOL 的情况 （b） vOVOH的情况返回返回三、电源的动态尖峰电流在输入电压出现高、低电平转换的时刻（特别是输入电压从高电平跳变为低电平的时刻），电源电流将出现尖峰。称为电源尖峰电流。(a)电源电流为：21CBCCLiiI(b)电源电流为：1BCCHiI图2.4.17 TTL反相器的电源动态尖峰电流返回返回图2.4.18 TTL反相器电源尖峰电流的计算返回返回电源尖峰电流带来的影响主要表现为两个方面。首先，它使电源的平均电流增加了。其次，当系统中有许多门电路

28、同时转换工作状态时，电源的瞬时尖峰电流数值很大，这个尖峰电流将通过电源线和地线以及电源的内阻形成一个系统内部的噪声源。(a)电源尖峰电流为：144BBCCCMiiiI图2.4.19 电源尖峰电流的近似波形返回返回一个周期内尖峰脉冲的平均值为：PLHCCLCCMPLHCCLCCMPAVtIIfTtIII)(21)(21电源电流的平均值为：)(21)(21CCLCCHPLHCCLCCMCCAVIItIIfI图2.4.20 TTL与非与非门电路返回返回2.4.4 其它类型的其它类型的TTL门电路门电路一、其它逻辑功能的门电路一、其它逻辑功能的门电路1、与非门、与非门(1)电路图电路图图2.4.21

29、多发射极三极管（a）结构示意图 （b）符号及等效电路返回返回&UI UCCUO&UI UCCUO&UIUO(a)(b)(c)R与非门多余输入端的处理方法(a) 接电源; (b) 通过R接电源; （c） 与使用输入端并联与非门多余输入端的三种处理方法如图所示。(2) TTL与非门的外特性与参数与非门的外特性与参数电压传输特性电压传输特性 TTL与非门电压传输特性是表示输出电压UO随输入电压UI变化的一条曲线， 电压传输特性曲线大致分为四段：如图所示。 TTL与非门电压传输特性（a） 测试电路示意图（b） 曲线 AB段称截止区 0UI0.6V，U03.6V BC段称线性区

30、0.6UI1.3V，U0线性下降 CD段称转折区 1.3VUI1.4V，U0急剧下降 DE段称饱和区 UI1.4V，U00.3V 主要参数主要参数 A、输出高电平UOH和输出低电平UOL。电压传输特性曲线截止区的输出电压为UOH，饱和区的输出电压为UOL。一般产品规定UOH2.4V，UOL0.4 V。 B、阈值电压Uth。电压传输特性曲线转折区中点所对应的输入电压为Uth，也称门槛电压。一般TTL与非门的Uth 1.4V。 C、关门电平UOFF和开门电平UON。保证输出电平为额定高电平（2.7V左右）时，允许输入低电平的最大值，称为关门电平UOFF。通常UOFF1V , 一般产品要求UOFF0

31、.8 V。 保证输出电平达到额定低电平（0.3V）时，允许输入高电平的最小值，称为开门电平UON。通常UON1.4V，一般产品要求UON1.8 VD、 噪声容限UNL、UNH。在实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI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。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。 低电平噪声容限是指在保证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平UIL上的最大正向干扰（或噪声）电压。用UNL表示: UNL = UOFF - UIL 高电平噪声容限是指在保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电平UIH上的最大负向干扰（或噪声

32、）电压。用UNH表示： UNH = UIH - UON E、输入短路电流输入短路电流IIS。当。当UI=0时，流经这个输入端的时，流经这个输入端的电流称为输入短路电流电流称为输入短路电流IIS。在如图所示电路中。在如图所示电路中 IIS= -1.4 mA输入短路电流的典型值约为输入短路电流的典型值约为-1.5mA。 370511RUUBECC F、 输入漏电流IIH。当UIUth时, 流经输入端的电流称为输入漏电流IIH， 即T1倒置工作时的反向漏电流。其值很小，约为10A。 G、 扇出系数N。扇出系数是以同一型号的与非门作为负载时，一个与非门能够驱动同类与非门的最大数目，通常N8。 H、平均

33、延迟时间tpd。平均延迟时间指输出信号滞后于输入信号的时间，它是表示开关速度的参数， 如图所示IIS的计算图 延迟时间 从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿中点之间的时间称为导通延迟时间 tPHL；从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点之间的时间称为截止延迟时间tPLH, 所以TTL与非门平均延迟时间为 tpd= ( tPHL+ tPLH) 一般, TTL与非门tpd为340ns。21（3） TTL与非门产品介绍与非门产品介绍 常用常用TTL门电路型门电路型号号型 号 逻 辑 功 能 74LS00 74LS10 74LS20 74LS30 四-2输入与非门 三-3输入与非门 二-4输入

34、与非门 8输入与非门74LS00、 74LS20管脚图&1211109814133456712&VCC4B4A4Y3B3A3Y1B1A1Y2B2A2Y GND1211109814133456712&VCC2D3C2BNC 2A2Y1B1ANC1D1C1Y GND(a)(b)74LS0074LS20（4） TTL器件型号组成的符号及意义器件型号组成的符号及意义 第 1 部 分 第 2 部 分第 3 部 分第4 部 分 第5部分型号前级工作温度符号范围器件系列器件品种封装形式符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义CT SN中国制造的TTL类美国TEXAS公司5474-55

35、+125V 0+70 HSLSASALSFAS标准高速肖特基低功能肖特基先进肖特基先进低功能肖特基快捷肖特基阿拉伯数字器件功能WBFDPJ陶瓷扁平封装扁平全密封扁平陶瓷双列直播塑料双列直播黑陶瓷双列直播（5）TTL与非门的改进电路与非门的改进电路 典 型 TTL10 ns / 10 mWH系 列 TTL6 ns / 22 mWL系 列 TTL33 ns / 1 mWS系 列 TTL3 ns / 20 mWAS系 列 TTL1.5 ns / 22 mWLS系 列 TTL5 ns / 2 mWALS系 列 TTL4 ns / 1 mWT000各种系列的TTL门电路 LS系列TTL门tpd5ns，而

36、功耗2mW，因而得到广泛应用。 我国TTL集成电路目前有CT54/74(普通) 、CT54/74H(高速) 、 CT54/74S（肖特基）和CT54/74LS(低功耗）等四个系列国家标准的集成门电路。它们的主要性能指如表2.4所示。在TTL门电路中，无论是哪一种系列，只器件品名相同, 那么器件功能就相同，只是性能不同。 电路型号参数名称CT74系列CT74H系列CT745系列CT74LS系列电源电压/V5555UOH(MIN)/V2.42.42.52.5UOL(MAX)/V0.40.40.50.5逻辑摆幅3.33.33.43.4每门功耗1022192每门传输延时10639.5最高工作频率355

37、012545扇出系数10101020抗干扰能力一般一般好好（6） TTL各系列集成门电路主要性能指标各系列集成门电路主要性能指标图2.4.22 TTL或非或非门电路返回返回2、或非门、或非门或非门多余输入端的三种处理方法如图所示。1UI UCCUOUIUO1UI UCCUO(a)(b)(c)1R 或非门多余输入端的处理方法(a) 接地; (b) 通过R接地; （c） 与使用输入端并联图2.4.23 TTL与与或非或非门返回返回3、与或非门、与或非门图2.4.24 TTL异异或或门返回返回4、异或门、异或门图2.4.25 推拉式输出级并联的情况返回返回二、集电极开路的门电路（二、集电极开路的门电

38、路（OC门）门） 在实际使用中，可直接将几个逻辑门的输出端相连，这种输出直接相连，实现输出与功能的方式称为线与。 但是，普通TTL与非门的输出端是不允许直接相连的， 因为当一个门的输出为高电平（Y1），另一个为低电平（Y2）时， 将有一个很大的电流从VCC经Y1到Y2，到导通门的T5管，因功耗过大而损坏该门电路。如右图所示。图2.4.26 集电极开路与非与非门的电路和图形符号返回返回克服上述局限性的方法就是把输出级改为集电极开路的三极管结构。如下图所示：图2.4.27 OC门输出并联的接法及逻辑图返回返回T5的集电极是断开的，必须经外接电阻RL接通电源后，电路才能实现与非逻辑及线与功能。图2.

39、4.28 计算OC门负载电阻最大值的工作状态返回返回外接电阻RL的选取：假设有n个OC门接成线与的形式，其输出负载为m个TTL与非门，如下图所示。当所有OC门都为截止状态时，输出电压UO为高电平，为保证输出的高电平不低于规定值，RL不能太大。根据左图所示的情况，RL的最大值为：IHOHOHCCLmInIVVRminmax 式中, n为OC门并联的个数，m为并联负载门的个数，IOH为OC门输出管截止时的漏电流，IIH为负载门输入端为高电平时的输入漏电流。 图2.4.29 计算OC门负载电阻最小值的工作状态返回返回当有一个OC门处于导通状态时，输出电压UO为低电平。而且应保证在最不利的情况下，所有

40、负载电流全部流入唯一的一个导通门时，输出低电平仍低于规定值。根据上图所示的情况，RL的最小值为：ILLOLCCLImIVVRmaxmaxmin 式中, ILmax是导通OC门所允许的最大漏电流，IIL为负载门的低电平输入电流的绝对值。 综合以上两种情况，RL的选取应满足： RLminRLRLmax为了减少负载电流的影响，RL值应选接近RLmin的值。图2.4.30 例 2.4.4 的电路返回返回图2.4.31 三态输出门的电路图和图形符号 （a）控制端高电平有效 （b）控制端低电平有效返回返回三、三态输出门电路（三、三态输出门电路（TS门）门）三态门，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，

41、还有第三种状态高阻状态（或称禁止状态）的门电路，简称TS门。电路如下图所示：EN为控制端或称使能端。 当EN1时，二极管D截止，TS门与TTL门功能一样： 当EN0时，T1处于正向工作状态，促使T2、T5截止， 同时, 通过二极管D使T3基极电位钳制在V左右，致使T4也截止。这样T4、T5都截止，输出端呈现高阻状态。 TS门中控制端EN除高电平有效外，还有为低电平有效的。BAY图2.4.32 用三态输出门接成总线结构返回返回三态门的主要用途是实现多个数据或控制信号的总线传输，如下图所示： 图2.4.33 用三态输出门实现数据的双向传输返回返回利用三态门还可以实现数据的双向传输，如下图所示： 表

42、表1 一种一种TS门的真值表门的真值表 控制端 输 入 输 出 E A B F 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 高阻态TTL集成门电路使用注意事项集成门电路使用注意事项 在使用TTL集成门电路时， 应注意以下事项： (1) 电源电压（VCC）应满足在标准值5V+10%的范围内。 (2) TTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。 (3) 注意TTL门多余输入端的处理方法。图2.4.34 74H系列与非与非门(74H 00)的电路结构返回返回2.4.5 TTL电路的改进系列一、74H系列（高速系列）在电路结构上采取了如下两项措施：一是在输出级采用了达

43、林顿结构，用T3和T4组成的复合三极管代替原来的T4；二是将所有电阻的阻值普遍降低了将近一倍。图2.4.35 抗饱和三极管返回返回二、74S系列（肖特基系列）采用抗饱和三极管以使三极管导通时避免进入深度饱和状态，从而达到大幅度减小传输延迟时间，提高门电路的工作速度的目的。抗饱和三极管的结构如下图所示：由普通的双极型三极管和SBD管（肖特基势垒二极管）组合而成。图2.4.36 肖特基势垒二极管的结构返回返回图2.4.37 74S系列与非与非门 (74S 00)的电路结构返回返回该电路的一大特点是采用了抗饱和三极管。另一大特点是用T6、RB和RC组成的有源电路代替了74H系列中的电阻R3，为T5管

44、的发射结提供了一个有源泄放回路。有源泄放回路的存在，不但缩短了门电路的传输延迟时间，而且改善了门电路的电压传输特性。图2.4.38 74S系列反相器的电压传输特性返回返回图2.4.39 74LS系列与非与非门 (74LS 00)的电路结构返回返回三、74LS系列除使用抗饱和三极管和引入有源泄放回路外，还将输入端的多发射极三极管用SBD代替，并接入了D3、D4这两个SBD。为了降低功耗，还大幅度地提高了电路中各个电阻的阻值。2.5 其它类型的双极型数字集成电路 图2.5.1 ECL或或 / 或非或非门的电路及逻辑符号 图2.5.2 ECL或或 / 或非或非门的电压传输特性 图2.5.3 I2L电

45、路的基本逻辑单元（a）结构和电路图 （b）简化的电路图 图2.5.4 I2L或或 / 或非或非门电路返回返回图2.5.1 ECL或或 / 或非或非门的电路及逻辑符号返回返回2.5.1 ECL电路一、ECL电路的结构与工作原理是一种非饱和型的高速逻辑电路。图2.5.2 ECL或或 / 或非或非门的电压传输特性返回返回二、ECL电路的主要特点与TTL电路相比，ECL电路有如下几个优点：第一，ECL电路是目前各种数字集成电路中工作速度最快的一种。第二，因为输出端采用了射极输出结构，所以输出内阻很低，带负载能力很强。第三，电路内部的开关噪声很低。第四，多设有互补的输出端，同时还可以直接将输出端并联以实

46、现线或逻辑功能，因而使用时十分方便、灵活。其主要缺点是：第一，功耗大。第二，输出电平的稳定性较差。第三，噪声容限比较低。图2.5.3 I2L电路的基本逻辑单元 （a）结构和电路图 （b）简化的电路图返回返回2.5.2 I2L电路具有电路结构简单、功耗低的特点，因而特别适于制成大规模集成电路。一、 I2L电路的结构与工作原理I2L电路的基本单元是由一只多集电极三极管构成的反相器，反相器的偏流由另一只三极管提供。图2.5.4 I2L或或 / 或非或非门电路返回返回I2L电路的多集电极输出结构在构成复杂的逻辑电路时十分方便。我们可以通过线与方式把几个门的输出端并联，以获得所需要的逻辑功能。如下图所示

47、：二、 I2L电路的主要特点（1）优点：第一，电路结构简单。第二，各逻辑单元之间不需要隔离。第三， 能够在低电压、微电流下工作。（2）缺点：第一，抗干扰能力差。第二，开关速度较慢。2.6 CMOS电路图2.6.1 CMOS反相器（a）结构示意图 （b）电路图图2.6.2 CMOS反相器的电压传输特性图2.6.3 CMOS反相器的电流传输特性图2.6.4 不同VDD下CMOS反相器的噪声容限图2.6.5 CMOS反相器输入端噪声容限与VDD的关系图2.6.6 CMOS反相器的输入保护电路（a）CC4000系列的输入保护电路（b）74HC系列的输入保护电路图2.6.7 CMOS反相器的输入特性（a

48、）图2.6.6 (a)电路的输入特性 （b） 图2.6.6 (b)电路的输入特性图2.6.8 vO=VOL时CMOS反相器的工作状态图2.6.9 CMOS反相器的低电平输出特性图2.6.10 vO=VOH时CMOS反相器的工作状态图2.6.11 CMOS反相器的高电平输出特性图2.6.12 CMOS反相器传输延迟时间的定义图2.6.13 VDD 和CL对传输延迟时间的影响返回返回下页下页图2.6.14 CMOS反相器的交流噪声容限图2.6.15 CMOS反相器的瞬时导通电流图2.6.16 CMOS反相器对负载电容的充、放电电流图2.6.17 CMOS反相器的静态漏电流（a） vI= 0 （b）

49、 vI=VDD 图2.6.18 CMOS与非与非门图2.6.19 CMOS或非或非门图2.6.20 带缓冲级的CMOS与非与非门电路图2.6.21 带缓冲级的CMOS或非或非门电路图2.6.22 漏极开路输出的与非与非门CC40107图2.6.23 CMOS传输门的电路结构和逻辑符号图2.6.24 CMOS传输门中两个MOS管的工作状态图2.6.25 CMOS双向模拟开关的电路结构和符号图2.6.26 CMOS模拟开关接负载电阻的情况返回返回下页下页上页上页图2.6.27 CMOS模拟开关的电阻特性图2.6.28 CMOS三态门电路结构之一图2.6.29 CMOS三态门电路结构之二（a）用或非

50、或非门控制（b）用与非与非门控制图2.6.30 CMOS三态门电路结构之三图2.6.31 MOS管的寄生电容效应图2.6.32 BiCMOS反相器（a）最简单的电路结构 （b）常用的电路结构图2.6.33 BiCMOS与非与非门电路图2.6.34 BiCMOS或非或非门电路图2.6.35 输入端接大电容时的防护图2.6.36 输入端接长线时的防护图2.6.37 CMOS反相器中的双极型寄生三极管效应图2.6.38 CMOS反相器中的寄生三极管电路图2.6.39 CMOS电路的钳位保护电路（a）输入端的钳位电路（b）输出端的钳位电路图2.6.40 在 CMOS电路的电源上加去耦保护返回返回上页上

51、页 MOS集成逻辑门是采用MOS管作为开关元件的数字集成电路。 它具有工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、 功耗低等优点，MOS门有PMOS、 NMOS和CMOS三种类型， CMOS电路又称互补MOS电路，它突出的优点是静态功耗低、抗干扰能力强、工作稳定性好、开关速度高，是性能较好且应用较广泛的一种电路。 与TTL集成电路相比，CMOS电路具有如下特点： 制造工艺较简单，集成度和成品率较高。 功耗低。 电源电压范围宽。 输入阻抗高，扇出系数大。 抗干扰能力强。 当配备适当的缓冲器后，能与现有的大多数逻辑电路兼容图2.6.1 CMOS反相器（a）结构示意图 （b）电路图返回返回2.6.1 CMOS

52、反相器的工作原理一、电路结构图2.6.2 CMOS反相器的电压传输特性返回返回二、电压传输特性和电流传输特性图2.6.3 CMOS反相器的电流传输特性返回返回图2.6.4 不同VDD下CMOS反相器的噪声容限返回返回三、输入端噪声容限图2.6.5 CMOS反相器输入端噪声容限与VDD的关系返回返回图2.6.6 CMOS反相器的输入保护电路 （a）CC4000系列的输入保护电路 （b）74HC系列的输入保护电路返回返回2.6.2 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性图2.6.7 CMOS反相器的输入特性 （a）图2.6.6 (a)电路的输入特性 （b）图2.6.6 (b)电路的输入

53、特性返回返回图2.6.8 vO= VOL时CMOS反相器的工作状态返回返回二、输出特性1、低电平输出特性图2.6.9 CMOS反相器的低电平输出特性返回返回图2.6.10 vO= VOH时CMOS反相器的工作状态返回返回2、高电平输出特性图2.6.11 CMOS反相器的高电平输出特性返回返回图2.6.12 CMOS反相器传输延迟时间的定义返回返回2.6.3 CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间图2.6.13 VDD 和CL对传输延迟时间的影响返回返回图2.6.14 CMOS反相器的交流噪声容限返回返回二、交流噪声容限图2.6.15 CMOS反相器的瞬时导通电流返回返回三、动态功耗图2.6.

54、16 CMOS反相器对负载电容的充、放电电流返回返回图2.6.17 CMOS反相器的静态漏电流 （a） vI= 0 （b） vI=VDD返回返回图2.6.18 CMOS与非与非门返回返回2.6.4 其它类型的CMOS门电路一、其它逻辑功能的CMOS门电路T1T2UDDYABT4T3PPNNUDDYABS4S3S2S1G4G3T3D3D4T4D2G2T2D1T1G1(a)(b) CMOS与非门上图是一个两输入的CMOS与非门电路。 当A、B两个输入端均为高电平时，T1、T2导通，T3、T4截止，输出为低电平。 当A、B两个输入端中只要有一个为低电平时，T1、T2中必有一个截止，T3、T4中必有一

55、个导通， 输出为高电平。 电路的逻辑关系为BAY图2.6.19 CMOS或非或非门返回返回T1T2 UDDYABT4T3PPNN UDDYABS4S3S2S1G4G3T3D3D4T4D2G2T2D1T1G1(a)(b)CMOS或非门CMOS或非门电路如上图所示。当A、B两个输入端均为低电平时，T1、T2截止，T3、T4导通，输出Y为高电平；当A、B两个输入中有一个为高电平时，T1、T2中必有一个导通，T3、T4中必有一个截止，输出为低电平。 电路的逻辑关系为BAY图2.6.20 带缓冲级的CMOS与非与非门电路返回返回二、带缓冲级的CMOS门电路图2.6.21 带缓冲级的CMOS或非或非门电路

56、返回返回图2.6.22 漏极开路输出的与非与非门CC40107返回返回三、漏极开路的门电路（OD门）图2.6.23 CMOS传输门的电路结构和逻辑符号返回返回四、CMOS传输门和双向模拟开关UIUO UDDYS2S1D2T2D1T1ACCTGCCAY(a)(b) 当控制信号C=1（UDD）( =0)时， 输入信号UI接近于UDD，则UGS1-UDD，故T1截止，T2导通；如输入信号UI接近0，则T1导通，T2截止；如果UI接近UDD/2，则T1、T2同时导通。所以，传输门相当于接通的开关，通过不同的管子连续向输出端传送信号。 反之，当C=0（ =1）时，只要UI在0UDD之间，则T1、T2都截

57、止，传输门相当于断开的开关。 因为MOS管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使用，所以CMOS传输门具有双向性，又称双向开关，用TG表示。 CC图2.6.24 CMOS传输门中两个MOS管的工作状态返回返回图2.6.25 CMOS双向模拟开关的电路结构和符号返回返回图2.6.26 CMOS模拟开关接 负载电阻的情况返回返回图2.6.27 CMOS模拟开关的电阻特性返回返回图2.6.28 CMOS三态门电路结构之一返回返回五、三态输出的CMOS门电路图2.6.29 CMOS三态门电路结构之二 （a）用或非或非门控制 （b）用与非与非门控制返回返回图2.6.30 CMOS三态门电路结构之三返回返回

58、图2.6.31 MOS管的寄生电容效应返回返回2.6.5 改进的CMOS门电路一、高速CMOS电路图2.6.32 BiCMOS反相器（a）最简单的电路结构 （b）常用的电路结构返回返回二、BiCMOS电路图2.6.33 BiCMOS与非与非门电路返回返回图2.6.34 BiCMOS或非或非门电路返回返回 TTL电路的使用注意事项， 一般对CMOS电路也适用。因CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点： (1) 避免静电损失。 存放CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。2.6.6 CMOS电路

59、的正确使用一、输入电路的静电防护 (2) 多余输入端的处理方法。 CMOS电路的输入阻抗高，易受外界干扰的影响，所以CMOS电路的多余输入端不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源DD(与非门、 与门），或接地（或非门、或门），或与其他输入端连接。 图2.6.35 输入端接大电容时的防护返回返回二、输入电路的过流保护图2.6.36 输入端接长线时的防护返回返回图2.6.37 CMOS反相器中的双极型寄生三极管效应返回返回三、CMOS电路锁定效应的防护图2.6.38 CMOS反相器中的寄生三极管电路返回返回图2.6.39 CMOS电路的钳位保护电路 （a）输入端的钳位电路 （b）输出端的钳位

60、电路返回返回图2.6.40 在 CMOS电路的电源上加去耦保护返回返回四、四、CMOS门电路系列及型号的命名法门电路系列及型号的命名法 CMOS逻辑门器件有三大系列: 4000系列、74C系列和硅氧化铝系列。 1. 4000系列 表2.5列出了4000系列CMOS器件型号组成符号及意义。 表表1 CMOS器件型号组成符号及意义器件型号组成符号及意义第1部分第2部分第3部分第4部分产品制造单位器件系列器件品种工作温度范围符号意义符号意义符号意义符号意义CCCDTC中国制造的类型美国无线电公司产品日本东芝公司产品4045145系列符号阿拉伯数字器件功能CERM070-4085-5585-55125 几家国外公司几家国外公司CMOS产品代号产品代号国别公司名称 简 称型