第2章 门电路 第2讲(总5)

1、门电路门电路 TTL集成逻辑门电路的输入和输出集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称结构均采用半导体三极管，所以称晶体晶体管管晶体管逻辑门晶体管逻辑门电路，简称电路，简称TTL电路。电路。 TTL电路的基本环节是反相器电路的基本环节是反相器。 因而要求了解因而要求了解TTL反相器的电路组成反相器的电路组成 , 理解其工作原理理解其工作原理 , 理解理解TTL反相器的反相器的 特性曲线和主要参数。特性曲线和主要参数。2.4.1 TTL反相器反相器( (1) )电路组成及工作原理电路组成及工作原理输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级D1 保护二极管保护二极管防止输入电压过低防

2、止输入电压过低起输入钳位作用起输入钳位作用电路组成电路组成D1只起保护作用只起保护作用不参与逻辑判断不参与逻辑判断+VCC(5V) R1uIuO 4k AD1T1T2T3T4DR2 1.6k R31k R4130 Y工作原理工作原理+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y T1 的基极电压无法使的基极电压无法使T2 和和 T4 的发射结导通的发射结导通T2 、T4 截止截止0.3V1V VRiu CCB1 1B11mA=UuIIL0.3V= uuB1BE11V= 由由T1发射极流出发射极流出即由反相器输入端流出即由反相器输入端流出+VCC(5

3、V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 YT3 和和 D 导通导通 uuuu DOB3BE3=(5 0.7 0.7)V 3.6 VT1 导通导通 T2 、 T4 截止截止0.3V1V5V3.6VVRiuCCB3B3 2=- -V CC5V=RLUuIIL0.3V=+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y uE1uB1uC1 T1 :发射结发射结反反偏偏 集电结集电结正正偏偏 4.3V3.6V1.4V0.7V2.1VT1 倒置放大状态倒置放大状态:UuIIH3.6V=ebciT1= i ib =(1+ i)

4、 ibc e ii02. 0 iic 0工作原理工作原理+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y uE1 uB1 uC1 T1 : 发射结发射结反反偏偏 集电结集电结正正偏偏 4.3V3.6V1.4V0.7V2.1VT1 倒置放大状态倒置放大状态T2 饱和饱和T4 饱和饱和1V0.3V0.3V T3 截止截止D 截止截止uO=UCES40.3V工作原理工作原理UuIIH3.6V=+VCC(5V)R1uIuO4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 YAY1综上所述：综上所述：A=0 T1-T3导通导通 T2-T4截止截止Y

5、=1A=1 T1 倒置倒置 T2-T4 饱和饱和 T3-D 截止截止Y=0YA=通常用通常用T4的工作状态表示反相器的工作状态的工作状态表示反相器的工作状态-输入短路电流输入短路电流 ( (2) )静态特性静态特性输入伏安特性：输入伏安特性：)(IIufi 1iI+VCC+5 VuI+uoT1iIuI+be2be4+VCC+5 VR14k UUuI1ILB,=0V 0.7VVIRui CCB1IIS 1= 1.075mA-IV/uImA/i012-1ISI1iI+VCC+5 VuI+uoT1iIuI+be2be4+VCC+5 VR14k VIRiu CCB1IIL 1= 1 mA-ILI-低电

6、平输入电流低电平输入电流UUuIILB1=0.3V , =1V输入伏安特性：输入伏安特性：)(IIufi IV/uImA/i012-1( (2) )静态特性静态特性输入输入伏安特性：伏安特性：)(IIufi 1iI+VCC+5 VuI+uoUUuIIHB1=3.6V,=2.1V T1倒置放大倒置放大() iiVIRuii 1CCB1IIHB152.1 V=0.02=0.0145mA4K- - -W W- 高电平输入电流高电平输入电流 ( 输入端漏电流输入端漏电流 )UIHIHIV/IuImA/i012-1ILIISI3T1iIuI+be2be4+VCC+5 VR14k ( (2) )静态特性静

7、态特性输出低电平时的输出特性输出低电平时的输出特性负载电流负载电流 io不可过大，否则输出低电平会升高。不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流一般灌电流 IOL 20mA时，电路可以正常工作。时，电路可以正常工作。输出特输出特性性fuioo()=ii / mA 灌灌电电流流负负载载uO1+5VuI+ iO负载电流负载电流 iO不可过大不可过大 , 否则输出高电平会降低。否则输出高电平会降低。 拉电流拉电流 IOH受芯片功耗限制，受芯片功耗限制，一般为一般为400uA。ii / mA 拉电流负载拉电流负载uO1+5VuI+ iO输出特性输出特性fuioo()=输出高电平时的输出特性输出高电平

8、时的输出特性ii / mA 拉电流负载拉电流负载若输出端对地短接若输出端对地短接(RL=0) , 则则 iO=IOS= 33mA- 输出短路电流输出短路电流 ( 短路时间不能超过短路时间不能超过 1s )uO1+5VuI+ iO输出特性输出特性fuioo()=输出高电平时的输出特性输出高电平时的输出特性输出低电平时的输出特性输出低电平时的输出特性负载电流负载电流 io不可过大，否则输出低电平会升高。不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流一般灌电流 IOL 20mA时，电路可以正常工作。时，电路可以正常工作。输出特输出特性性fuioo()=ii / mA 灌灌电电流流负负载载uO1+5VuI

9、+ iO负载电流负载电流 iO不可过大不可过大 , 否则输出高电平会降低。否则输出高电平会降低。 拉电流拉电流 IOH受芯片功耗限制，受芯片功耗限制，一般为一般为400uA。ii / mA 拉电流负载拉电流负载uO1+5VuI+ iO输出特性输出特性fuioo()=输出高电平时的输出特性输出高电平时的输出特性ii / mA 拉电流负载拉电流负载若输出端对地短接若输出端对地短接(RL=0) , 则则 iO=IOS= 33mA- 输出短路电流输出短路电流 ( 短路时间不能超过短路时间不能超过 1s )uO1+5VuI+ iO输出特性输出特性fuioo()=输出高电平时的输出特性输出高电平时的输出特

10、性uO1 + 5VuI+ iOuO/ViO /mA0 10 20 30-10-20-30123 UUuuIIHOOL=,:反相器导通反相器导通, 带带灌电流灌电流负载负载uUIIH=0.3V UUuuIILOOH,=:UuIIL=3.6V输出特性输出特性fuioo( )=综上：综上：反相器截止反相器截止, 带带拉电流拉电流负载负载灌电流或拉电流均不能太大灌电流或拉电流均不能太大,必须满足电路要求。必须满足电路要求。门电路输出端不能接地门电路输出端不能接地 ! ! ! 电压传输特性电压传输特性( )uf uOI=1+VCC+5VuI+uO+AB0uO /VuI /V12341234AB段：段：u

11、I 0.5 V ，uB11.4 V ，T2 、T4 饱和饱和导通，导通， T3 、D 截止。截止。uO = UOL 0.3 V电压传输特性电压传输特性( )uf uOI=1+VCC+5VuI+uO+AB0uO /VuI /V12341234截止区截止区C线性区线性区D转折区转折区E导通区导通区阈值电压阈值电压uI UTH 时，反相器时，反相器开通开通，uO=UOL 。简化定性分析简化定性分析:电压传输特性电压传输特性( )uf uOI=( (3) )动态特性动态特性传输延迟时间传输延迟时间1uIuO 50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL输出电压由高到输出电压由高到 低时

12、的传输延迟时间低时的传输延迟时间tpd 平均传输延迟时间平均传输延迟时间PHLPLHpd=2ttt tPLH输出电压由低到输出电压由低到 高时的传输延迟时间高时的传输延迟时间tPHLtPLH典型值典型值: tPHL=8ns , tPLH=12ns最大值最大值: tPHL=15ns , tPLH=22nsCMOS反相器反相器YA=AY 1+10VRONPuY STNTPA=0 Y=1+10VRONNuY STNTPA=1 Y=0+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSSA Y AB段段：截止区截止区， 输出为高电平。输出为高电平。ABEFUTNVDDUTHUTPUNL

13、UNH0uO/VuI/VEF段：段：导通区，导通区， 输出为低电平。输出为低电平。BE段：段：转折区转折区 阈值电压阈值电压UTHVDD/2（VDD = 3 18 V）CMOS反相器传输特性反相器传输特性（1）普通与非门）普通与非门 每一个发射极均能各自独立每一个发射极均能各自独立形成正向偏置的发射结形成正向偏置的发射结输入级采用输入级采用多发射极三极管多发射极三极管 输入有输入有0.3V输入全为输入全为3.6V集电结集电结 导通导通2. 4. 2 TTL与非门与非门“与与”UB1 箝位箝位于于1.0VUB1 箝位箝位于于2.1V+VCC+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R

14、31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1B A、B 只要有一个为只要有一个为 “0” 0.3V1V u B1=(0.3 0.7) V=1VT2 - T4 截止截止5VT3 - D 导通导通 u O(5 0.7 0.7) V=3.6V3.6V有有 0 0 出出 1 1BA= 0 .3 VuuBA=0.3 V , =3. V 6 uuBA=3.6 V , =0. V 3 uuRL（1）TTL普通与非门普通与非门 +VCC+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1B A、B 均为均为 “1” AB3.6

15、 V uu 3.6V3.6V u B1(3 0.7) V=2.1VT2 - T4 导通导通0.7V1VT3 - D 截止截止RL+VCC0.3VuO = UCES4 0.3V全全 1 1 出出 0 0 2.1V=（1）TTL普通与非门普通与非门 +VCC+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1B综上：综上：ABY&YAB 1110ABY00011011（1）TTL普通与非门普通与非门 （2）集电极开路集电极开路与非与非门门 OC与非与非门门+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B电路组成及符号电路组成及符

16、号：外外接接YAB&OC 门必须外接负载电阻和电源才能正常工作！门必须外接负载电阻和电源才能正常工作！输出级输出级T4的集电极开路的集电极开路“ ”表示集电极开路表示集电极开路RC+V CCRC+V CC工作原理工作原理：主要特点主要特点： 可以可以“线与线与”连接连接 可根据电路需要进行选择可根据电路需要进行选择 CC OC门电路必须门电路必须外接电源和负载电阻，外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。才能提供高电平输出信号。YAB&RC+V CC当当T4饱和饱和时，时，输出低电平：输出低电平：UOL= 0.3V；当当T4截止截止时，时，由外接电源由外接电源 VCC通过外接通过外接上拉电

17、阻上拉电阻 RC 提供高电平：提供高电平：UOH = VCC OC门应用举例门应用举例：YY Y 12=AB CD =+VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT 1T 2T 4Y2DRC+V CCRCY1AB&G1Y2CD&G2线与线与YY 实现线与功能实现线与功能CDAB =+V CC 用用OC门实现电平转换门实现电平转换OC门应用举例门应用举例： 实现线与功能实现线与功能三态门电路的输出有三种可能出现的状态三态门电路的输出有三种可能出现的状态： 高电平高电平 “1”-低电平低电平 “0”-高阻高阻 “Z”何何 为为 高高 阻阻 状状 态态 ？悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。悬空、悬浮状态，又

18、称为禁止状态。测电阻为测电阻为，故称为高阻状态。，故称为高阻状态。测电压为测电压为0V，但不是接地。，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为因为悬空，所以测其电流为 0 A。（3）三态输出与非门）三态输出与非门 TS与非与非门门工作原理工作原理1时时 0 EN D3 反偏截止反偏截止YA BA B 1=0 态态1 态态+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3EN0（3）三态输出与非门）三态输出与非门+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3EN时时 1 EN T2 - T4 截止截止D3 正偏导通正偏导通T3 - D 截止截止011V1V Y = Z工作原理

19、工作原理（3）三态输出与非门）三态输出与非门+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3EN图形符号图形符号YA &BENEN工作原理工作原理（3）三态输出与非门）三态输出与非门+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3EN1YA&BENENEN图形符号图形符号工作原理工作原理（3）三态输出与非门）三态输出与非门三态三态输出输出与非门与非门YA B =0 态态1 态态YA &ENBEN 使能端低电平有效使能端低电平有效 EN0=时时Y = Z EN1=时时 使能端高电平有效使能端高电平有效ENYA&BENENYA B =0 态态1 态态 =1EN时时Y = Z

20、 = 0EN时时 使能端高电平有效使能端高电平有效YA&BENENYA B =0 态态1 态态 EN1=时时Y = Z EN0=时时三态三态输出输出非门非门YA=0 态态1 态态YA 1EN 使能端低电平有效使能端低电平有效 EN0=时时Y = Z EN1=时时ENYA=0 态态1 态态 使能端高电平有效使能端高电平有效 EN1=时时Y = ZEN0=时时YA 1ENEN三态门三态门应用举例：应用举例： 用做多路开关用做多路开关A1=EN=0 时时：YA1 1EN 1ENA21G1G2ENG1导通导通G2截止截止 Y = A1EN=1 时时：G1截止截止G2导通导通 Y = A2A2=0 1 用于信号双向传输用于信号双向传输A1EN1EN1ENA21G1G2A1=A2=三态门三态门应用举例：应用举例：EN=0 时时：G1导通导通G2截止截止 A2 = A1EN=1 时时：G1截止截止G2导通导通 A1 = A20 1 构成数据总线构成数据总线EN1EN1EN1G1G2Gn1EN2ENnENA1A2An数数 据据 总总 线线注意注意任何时刻只允许一个三态门使能，任何时刻只允许一个三态门使能，其余为高阻态。其余为高阻态。011101110三态门三态门应用举例：应用举例：常用芯片逻辑图及引脚排列常用芯片逻辑图及引脚排列114GNDGNDV VCCCC12345678910121