第6章逻辑门电路-ST-

？

内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？？问题的提出与非门的逻辑功能：输入有“0”，输出为“1”

输入全为“1”，输出才为“0”F1=AB目前一页\总数一百三十二页\编于二十一点本章学习重点半导体二极管和三极管（包括双极型和MOS型）开关状态下的等效电路的外特性；理解TTL门电路结构与工作原理，掌握TTL门电路外特性，正确使用TTL门电路；理解CMOS门电路结构与工作原理，掌握CMOS门电路外特性，正确使用CMOS门电路。目前二页\总数一百三十二页\编于二十一点门电路：实现基本运算、复合逻辑运算的单元电路。基本和常用门电路有：与门、或门、非门、与非门或非门、与或非门、异或门……门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/06.1概述

获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的

导通、截止（即开、关）两种工作状态。

逻辑1和逻辑0：电子电路中用高、低电平来表示。

高、低电平：指电压的范围。目前三页\总数一百三十二页\编于二十一点电路中高、低电平的实现逻辑值的定义：1010正逻辑负逻辑高/低电平都允许有一定的变化范围基本原理电路一般采用正逻辑目前四页\总数一百三十二页\编于二十一点6.1概述电路中的高、低电平都有一定的范围，而不是固定的值！！对电路元器件参数精度和供电电源的要求较模拟电路低！10100VVccVV目前五页\总数一百三十二页\编于二十一点门(电子开关)满足一定条件时，电路允许信号通过开关接通。开门状态：关门状态：条件不满足时，信号通不过开关断开。6.1概述门（种类）半导体二极管门电路TTL门电路CMOS门电路PMOS和NMOS电路(略)其他类型的双极型数字集成电路(略)目前六页\总数一百三十二页\编于二十一点开关作用二极管反向截止：开关接通开关断开三极管(C,E)饱和区：截止区：开关接通CEB开关断开

正向导通：CEB目前七页\总数一百三十二页\编于二十一点6.2半导体二极管门电路理想开关特性的静态特性：闭合时电阻为0

实际上开关闭合时总是有一个很小的电阻，断开时电阻不可能为∞，转换过程总要花一定的时间。开关动作在瞬间完成断开时电阻为∞目前八页\总数一百三十二页\编于二十一点二极管具有单向导电性二极管加正向电压时导通，可以近似看作是一个闭合的开关二极管加反向电压时截止，可以近似看作是一个断开的开关导通时的等效电路截止时的等效电路+--+半导体二极管的开关特性：目前九页\总数一百三十二页\编于二十一点半导体二极管的开关特性：VI=VIH

D截止，VO=VOH=VCCVI=VIL

D导通，VO=VOL=0.7V高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0可以用VI的高、低电平控制二极管D

的开关状态，并在输出端Vo输出相应的高、低电平信号。目前十页\总数一百三十二页\编于二十一点

静态特性伏安特性加正向电压时导通，伏安特性很陡，压降很小（硅管：0.7V，锗管0.6V）加反向电压时截止，截止后的伏安特性具有饱和特性（反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）且反向电流很小（nA级），Ui<VON时，二极管截止，iD=0。Ui>VON时，二极管导通。6.2半导体二极管门电路从伏安特性可见，二极管的正向电阻不是0，反向电阻也不是无穷大。VON：开启电压目前十一页\总数一百三十二页\编于二十一点可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压Vi控制的开关。当外加电压Vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。

三种近似方法：6.2半导体二极管门电路rD:正向电阻目前十二页\总数一百三十二页\编于二十一点存储时间

动态特性

当uI

为一矩形电压时电流波形的不够陡峭（不理想）tt00漏电流iDuIuIiD上升时间二极管VD的电流的变化过程上升时间、恢复时间都很小，基本上由二极管的制作工艺决定；存储时间与正向电流，反向电压有关。VDR这就限制了二极管的最高工作频率6.2半导体二极管门电路反向恢复时间目前十三页\总数一百三十二页\编于二十一点？

内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？？问题的提出与非门的逻辑功能：输入有“0”，输出为“1”

输入全为“1”，输出才为“0”F1=AB目前十四页\总数一百三十二页\编于二十一点Y=AB6.1半导体二极管门电路

二极管与门&规定3V以上为10V以下为0目前十五页\总数一百三十二页\编于二十一点Y=A+B6.1半导体二极管门电路

二极管或门1规定2.3V以上为10V以下为0目前十六页\总数一百三十二页\编于二十一点

高低电平偏移0.7V1.4V

分立元件门电路存在的问题2.1V既非高电平也非低电平VCC=5VVCC=5VVCC=5V3V3V3V0V＆＆＆3V0V3V3V00001116.1半导体二极管门电路只能用于IC内部电路目前十七页\总数一百三十二页\编于二十一点双极型三极管的开关特性(掌握）TTL反相器的电路结构和工作原理(理解)TTL反相器的静态输入特性和输出特性(理解)TTL反相器的动态特性(理解)其他类型的TTL门电路(了解)TTL门电路目前十八页\总数一百三十二页\编于二十一点双极型三极管的结构管芯+三个引出电极+外壳双极型半导体三极管的开关特性目前十九页\总数一百三十二页\编于二十一点基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂双极型半导体三极管的内部结构（了解）掺杂：在本征半导体中掺入少量的杂质元素，从而改善半导体的导电性能。目前二十页\总数一百三十二页\编于二十一点双极型半导体三极管的掺杂掺杂：在本征半导体中掺入少量的杂质元素，从而改变半导体的导电性能。N型半导体：在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的5价杂质元素（如磷P、砷As、锑Sb等），形成N型半导体；P型半导体：在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的3价杂质元素（如硼B、铝Al、镓Ga等），形成P型半导体。载流子：运载电荷的粒子，包括带负电的自由电子和带正电的空穴。发射区高掺杂：以便于产生较多的载流子。基区薄低掺杂，有利于发射区载流子穿过基区到达集电区；集电区低掺杂，但面积大，以保证尽可能多地收集到从发射区发出的载流子。目前二十一页\总数一百三十二页\编于二十一点

图2.2.5双极型三极管的两种类型(a)NPN型

(b)PNP型双极型三极管的简化结构目前二十二页\总数一百三十二页\编于二十一点

(a)输入特性曲线

(b)输出特性曲线返回双极型三极管的特性曲线输入特性和输出特性VON:开启电压:

硅三级管：VON=0.5V～0.7V

锗三极管：VON=0.2V～0.3V目前二十三页\总数一百三十二页\编于二十一点三极管CE之间相当于一个开关：在饱和区“闭合”，截止区“断开”三极管是电流控制的电流源，在模拟电路中，工作在放大区在数字电路中工作在饱和区或截止区——开关状态饱和区截止区放大区双极型三极管的开关特性

输入特性和输出特性von目前二十四页\总数一百三十二页\编于二十一点三极管的三种工作状态

（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压(VON)时，IB≈0，IC≈0，VCE≈VCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。

三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压 (VBE<VON)双极型三极管的开关特性iCIB1IB2B3IB4IB5IB=0=IBSABCDEvCEVCCVCC/RCICS0.7VI目前二十五页\总数一百三十二页\编于二十一点

此时，若调节Rb↓，则IB↑，IC↑，VCE↓，工作点沿着负载线由A点→B点→C点→D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为IC＝βIB。三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏

（2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有

双极型三极管的开关特性iCIB1IB2B3IB4IB5IB=0=IBSABCDEvCEVCCVCC/RCICS0.7VI目前二十六页\总数一百三十二页\编于二十一点

若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型值为：VCES≈0.3V。

（3）饱和状态：VI继续升高，RC上的压降也随之增大，当RC上的压降接近电源电压VCC时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图中的E点。此时的集电极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，此时基极电流称为基极临界饱和电流，用IBS表示，有:三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB＞IBS

电压条件为：集电结和发射结均正偏双极型三极管的开关特性目前二十七页\总数一百三十二页\编于二十一点

三极管的基本开关电路VI=VIL，T截止，输出高电平——“开关断开”VI=vIH，T饱和导通，输出低电平(饱和压降)——“开关闭合”因此输出与输入的电平之间是反相关系，实际上就是一个反相器（非门）。双极型三极管的开关特性iCIB1IB2B3IB4IB5IB=0=IBSABCDEvCEVCCVCC/RCICS0.7VIVO目前二十八页\总数一百三十二页\编于二十一点解：根据饱和条件IB＞IBS解题。例1

电路及参数如图所示，设输入电压VI=3V，三极管的VBE=0.7V。（2）将RC改为6.8k，重复以上计算。∵IB＞IBS∴三极管饱和。

IB不变，仍为0.023mA

∵IB＜IBS∴三极管处在放大状态。+V­++-T123RRbCCIVC(+12V)OV10kΩ100kΩ（1）若β＝60，试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。6.5.1双极型三极管的开关特性目前二十九页\总数一百三十二页\编于二十一点（3）RC=6.8k，将Rb改为60k，重复以上计算。由上例可见，Rb

、RC

、β等参数都能决定三极管是否饱和。三极管电路的饱和条件可写为：即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，Rb越小，β越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。

IBS≈0.029mA∵IB＞IBS∴三极管饱和。

+V£­++-T123RRbCCIVC(+12V)OV6.8kΩ60kΩ6.5.1双极型三极管的开关特性目前三十页\总数一百三十二页\编于二十一点由上例可见:Rb

、RC

、β等参数都能决定三极管是否饱和。三极管电路的饱和条件可写为：即:在VI一定要保证发射结和集电结同时正偏的条件下，Rb越小，β越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择这几个参数，确保：三极管截止时相当于开关断开(在开关电路的输出端给出高电平）三极管饱和导通时相当于开关闭合

(在开关电路的输出端给出低电平）6.5.1双极型三极管的开关特性目前三十一页\总数一百三十二页\编于二十一点开关作用二极管反向截止：开关接通开关断开三极管(C,E)饱和区：截止区：开关接通CEB开关断开

正向导通：CEB目前三十二页\总数一百三十二页\编于二十一点＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态饱和状态iB≥IBSui=UIL<0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V三极管的开关等效电路开关断开CEB开关接通CEB目前三十三页\总数一百三十二页\编于二十一点截止状态饱和状态三极管的开关等效电路开关断开CEB开关接通CEBbecbec目前三十四页\总数一百三十二页\编于二十一点uI

iC

uO

UIL

UIH

ICS

0

Ucc

UCES

tontoff在动态情况下，即三极管在截止与饱和两种状态间迅速切换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定时间，因此：集电极电流ic和输出电压uO的变化都滞后于输入电压UI的变化。当基极施加一矩形电压uI时

三极管三极管的动态开关特性TRcRBUCCiCuCEiBuOuI目前三十五页\总数一百三十二页\编于二十一点当基极施加一矩形电压uI时截止到饱和所需的时间称为开启时间ton，它基本上由三极管自身决定。iC、uO波形不够陡峭，iC、uO滞后于uI，即三极管在截止与饱和状态转换需要一定的时间。这是由三极管的结电容引起的，内部载流子的运动过程比较复杂。uI

iC

uO

UIL

UIL

ICS

0

Ucc

UCES

tontoff饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff，它与饱和深度S有直接关系，S越大toff越长。

三极管三极管的动态开关特性目前三十六页\总数一百三十二页\编于二十一点TTL集成门电路概述集成逻辑门－－把晶体管、电阻及电路连线等制作在一块半导体的芯片上，并封装在一个壳体内的逻辑门电路。

1961年美国德克萨斯仪器公司率先将数字电路元器件和连线作在同一硅片上，制成了集成电路（简称IC）。随着工艺的完善和发展，集成电路按集成度（单位硅片中所含元、器件数）的高低可分为：

SSI→MSI→

LSI→

VLSI

目前三十七页\总数一百三十二页\编于二十一点集成逻辑电路的发展(按集成度的高低)小规模集成电路SSI(SmallScaleIntegration)中规模集成电路MSI(MiddleScaleIntegration)大规模集成电路LSI(LargeScaleIntegration)超导大规模集成电路VLSI(VeryLargeScaleIntegration)逻辑门电路典型组合逻辑与时序逻辑电路可编程器件专用系统TTL集成门电路概述目前三十八页\总数一百三十二页\编于二十一点集成逻辑门电路的分类TTL

(Transistor-TransistorLogic)：以双极型三极管作为开关器件CMOS

(ComplementaryMetal-oxide-Semiconductor)：由NMOS和PMOS互补组合而成两者性能比较：按基本组成元件可分为：TTL：电路速度较快，功耗较大CMOS：电路速度慢，功耗很低TTL集成门电路概述目前三十九页\总数一百三十二页\编于二十一点DTLTTLH-TTLL-TTLLS-TTL被CMOS取代（速度低）（低功耗）（高速）（低功耗、高速）74XX，74HXX，74SXX，74LSXX不同：平均传输延迟时间和平均功耗有差异。相同：其他参数和外引线彼此相容，结构特点相同，电气参数基本相同。TTL集成电路的分类TTL产品系列：TTL集成门电路概述目前四十页\总数一百三十二页\编于二十一点

电路结构：如图所示，它由输入级、中间级和输出级三部分组成。6.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理所有的TTL电路工作电压都是5V。反相器是最简单的TTL集成门电路。目前四十一页\总数一百三十二页\编于二十一点(1)输入级：输入级由三极管T1、D1和电阻R1组成；(2)中间级：中间级由T2、R2和R3组成。T2的集电极和发射极输出两个相位相反的信号，作为T4和T5的驱动信号；(3)输出级：输出级由D2、T4、T5和R4组成，这种电路形式称为推拉式电路。TTL反相器的电路结构和工作原理目前四十二页\总数一百三十二页\编于二十一点（1）输入低电平0.2V时T1发射结导通，VB1=0.9V，所以T2、T5都截止。由于T2截止，流过R2的电流较小，可以忽略，所以VB4≈VCC=5V，使T4和D2导通，则有：

VO≈VCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）

。——关态实现了非门的逻辑功能之一：输入为低电平时，输出为高电平。

工作原理：TTL反相器的电路结构和工作原理目前四十三页\总数一百三十二页\编于二十一点（2）输入为高电平3.4V时

T2、T5导通，VB1=0.7×3=2.1（V），由于T5饱和导通，输出电压为：VO=VCES5≈0.3V，这时T2也饱和导通，故有VC2=VE2+VCE2=1V。使T4和二极管D2都截止。——开态实现了非门的逻辑功能的另一方面：输入为高电平时，输出为低电平。综合上述两种情况，该电路满足非的逻辑功能，即：TTL反相器的电路结构和工作原理目前四十四页\总数一百三十二页\编于二十一点（1）采用三极管输入级加快了存储电荷的消散过程；（2）输入端钳位二极管D1：抑制输入端负极性干扰、防止输入电压为负时T1发射极电流过大，起到保护作用。TTL输入、输出级作用TTL反相器的电路结构和工作原理（略）目前四十五页\总数一百三十二页\编于二十一点

（2）中间级：T2集电极输出的电压信号和发射极输出的电压信号变化 方向相反，故又称倒相级。 TTL反相器的电路结构和工作原理（略）（3）输出级：在稳定状态下，一个导通而另一个截止，故又称推拉式电路。采用了推拉式输出级，静态功耗减少、负载能力加大。目前四十六页\总数一百三十二页\编于二十一点TTL反相器的电压传输特性1．电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）TTL反相器的电路结构和工作原理目前四十七页\总数一百三十二页\编于二十一点TTL反相器的电路结构和工作原理AB段称截止区：

BC段称线性区：CD段称转折区：DE段称饱和区：0≤UI＜0.6V,T2、T5都截止，T4导通，U0≈3.6V0.6≤UI＜1.3V,T2导通、T5截止，T4导通，U0线性下降1.3V≤UI＜1.4V，

T2、T5都导通，T4截止,U0急剧下降UI≥1.4V，T2导通，T4截止，T5饱和导通，U0≈0.3V目前四十八页\总数一百三十二页\编于二十一点

输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V，即为输出高电平的下限。2．几个重要参数

输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。

VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V，

即为输出低电平的上限。TTL反相器的电路结构和工作原理目前四十九页\总数一百三十二页\编于二十一点关门电平电压VOFF——是指输出高电压下降到VOH（min）时对应的输入电压，即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）（即输入低电平上限）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。开门电平电压VON——是指输出低电压上升到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）（即输入高电平下限）表示。产品规定VIH（min）=2V。TTL反相器的电路结构和工作原理目前五十页\总数一百三十二页\编于二十一点阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线，用Vth表示。

即Vi＜Vth，非门关门，输出高电平；

Vi＞Vth，非门开门，输出低电平。

Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V～1.４V。TTL反相器的电路结构和工作原理目前五十一页\总数一百三十二页\编于二十一点高电平噪声容限：低电平噪声容限：---表明电路抗干扰能力的大小。电压V050.4“0”

2.4“1”050.8“0”

2.0“1”

VOH(min)

VIH(min)

VNH

VOL(max)

VIL(max)

VNL

典型值：

输入端噪声容限TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。TTL反相器的电路结构和工作原理VOVi目前五十二页\总数一百三十二页\编于二十一点（1）输入低电平电流IIL——是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：产品规定IIL＜1.6mA。

输入特性TTL反相器的静态输入特性和输出特性目前五十三页\总数一百三十二页\编于二十一点（2）输入高电平电流IIH——是指当门电路的输入端接高

电平时，流入输入端的电流。

由于βi的值远小于1，所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH＜40uAT1倒置的放大状态：如图（b）所示。这时IIH=βiIB1，βi为倒置放大的电流放大系数。TTL反相器输入特性曲线如下:TTL反相器的静态输入特性和输出特性目前五十四页\总数一百三十二页\编于二十一点

输出特性---输出特性显示电路驱动负载能力的大小（1）高电平输出特性输出高电平时的等效电路UCCR2R4T4D2uoRLIOHT4工作在射极输出器状态，输出电阻较小，带拉电流负载能力较强，故拉电流IOH对输出高电平影响不大。但考虑到门电路（主要是T4

工作在放大状态）的功耗限制，74LS系列规定IOH=0.4mA。UCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2uouIYA输出高电平时，T2

、T5

，截止等效TTL反相器的静态输入特性和输出特性目前五十五页\总数一百三十二页\编于二十一点（2）低电平输出特性输出低电平时，T4

截止，T2、T5饱和当我们发现门电路的输出电平不正常时，应从三个方面来考虑：1.输入电平是否满足要求；

2.负载是否太重；3.门电路本身损坏UCCR1R2R4T4D2T5R3D1T1T2uouIYAT5工作在饱和状态，输出电阻很小（一般只有10Ω左右），故灌电流IOL对输出低电平影响也很小。输出低电平时的等效电路等效RLUCCT5uoIOL

考虑到门电路的功耗（主要是T4）限制，74××系列的IOL=16mA。TTL反相器的静态输入特性和输出特性目前五十六页\总数一百三十二页\编于二十一点----表明数字集成电路驱动负载能力的大小。扇出系数

通常以电路的一个输出端能驱动同类门的输入端数来表示。(1)输出为高电平时1111“0”“1”(2)输出为低电平时1111“1”“0”TTL反相器的静态输入特性和输出特性目前五十七页\总数一百三十二页\编于二十一点例、以下是用门电路来驱动LED（发光二极管）的两种接法，哪一种较为合理？(发光二极管导通电流为10-20mA,导通电压为1.6V左右）+5VLEDR1LEDR1TTL反相器的静态输入特性和输出特性设反相器IOH=0.4mA，IOL=16mA，VOH=2.4V，VOL=0.4V目前五十八页\总数一百三十二页\编于二十一点

输入端负载特性

在具体使用门电路时，往往需要在输入端与地之间或者输入端与信号之间接入电阻，如图所示。在Rp《R1时，vI与Rp成正比;vI>1.4V后，vI与Rp不再成正比TTL反相器的静态输入特性和输出特性

保证门的输入为逻辑“0”的最大电阻值.典型值:关门电阻开门电阻

保证门的输入为逻辑“1”的最小电阻值.典型值:目前五十九页\总数一百三十二页\编于二十一点结论：（1）悬空相当于接高电平；

（2）当输出端通过一个电阻接到下级输入时，当这个电阻太大时，低电平可能无法传送到下级电路。RvO2vI111＞0.8V0.2VTTL反相器的静态输入特性和输出特性目前六十页\总数一百三十二页\编于二十一点导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值。即

一般TTL非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒——

十几个纳秒。

传输延迟时间TTL反相器的动态特性目前六十一页\总数一百三十二页\编于二十一点TTL非门举例——74LS0474LS04是一种典型的TTL非门器件，内部含有6个非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。目前六十二页\总数一百三十二页\编于二十一点1.与非门其他类型的TTL门电路

其他逻辑功能门电路目前六十三页\总数一百三十二页\编于二十一点（1）有一个输入端输入低电平其他类型的TTL门电路目前六十四页\总数一百三十二页\编于二十一点（2）两个输入高电平其他类型的TTL门电路(略)2.1VVV3.4V3.4VT2饱和T5深度饱和0.7V1.0VD3，T4截止0.3VABY+5VT1T2D3T4T5R1R2R3R44k1.6k130W1k目前六十五页\总数一百三十二页\编于二十一点功能表真值表逻辑表达式输入有低，输出为高；输入全高，输出为低，实现与非逻辑功能。其他类型的TTL门电路目前六十六页\总数一百三十二页\编于二十一点其他类型的TTL门电路74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。目前六十七页\总数一百三十二页\编于二十一点①A、B中只要有一个为1，即高电平，如A＝1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y＝0。②A＝B＝0时，iB1、i'B1均分别流入T1、T'1发射极，使T2、T'2、T5均截止，D3、T4导通，输出为高电平，即Y＝1。2.TTL或非门其他类型的TTL门电路目前六十八页\总数一百三十二页\编于二十一点①A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T‘2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。②A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T‘2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。3.TTL与或非门其他类型的TTL门电路目前六十九页\总数一百三十二页\编于二十一点①A和B都为高电平时，T6、T9导通，T8截止，输出Y=0；反之，A和B都为低电平时，T4

、T5截止，使T7

、T9导通，输出Y=0。②A和B不同时、T1饱和导通，T6截止，又A、B中必有一个高电平，使T4、T5中有一个导通，使T7截止，T6、T7同时截止后，使T8导通，T9截止，输出Y=1。4.TTL异或门其他类型的TTL门电路(略)目前七十页\总数一百三十二页\编于二十一点其他类型的TTL门电路例：已知门电路的参数

IOHmax=0.5mAIOLmax=－16mA试求门GP的扇出系数No应为多少？

对门GP输出高电平和低电平时的情况分别讨论，然后取两个数中一个较小的作为门的扇出系数。解：IIH=50AIIL=－1.6mA目前七十一页\总数一百三十二页\编于二十一点扇出系数：与非门与或非门（P.133）目前七十二页\总数一百三十二页\编于二十一点其他类型的TTL门电路解：当门P输出为低电平时，当门P输出为高电平时，N应选取{NOL，NOH}min，即N＝5目前七十三页\总数一百三十二页\编于二十一点与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B5.其他其他类型的TTL门电路(略)目前七十四页\总数一百三十二页\编于二十一点例:求下图所示各电路的输出F

&AF1

R≥1AF2

R解:“0”

“1”

其他类型的TTL门电路目前七十五页\总数一百三十二页\编于二十一点

输入端负载特性

在具体使用门电路时，往往需要在输入端与地之间或者输入端与信号之间接入电阻，如图所示。TTL反相器的静态输入特性和输出特性

保证门的输入为逻辑“0”的最大电阻值.典型值:（1）关门电阻（2）开门电阻

保证门的输入为逻辑“1”的最小电阻值.典型值:&F1

Rp（3）悬空相当于接高电平；

目前七十六页\总数一百三十二页\编于二十一点例:求下图所示各电路的输出F

&AF1

R≥1AF2

R解:(1)若R<0.8KΩ“0”

(2)若R>2KΩ“1”

解:(1)若R<0.8KΩ“0”

(2)若R>2KΩ“1”

若输入端”悬空”,等效为什么?其他类型的TTL门电路目前七十七页\总数一百三十二页\编于二十一点例：在使用常用TTL门电路时，会遇到多余输入端的问题，处理方法是：&&&AABAB&YBUCCABYUCCYY与门、与非门的处理办法是一样的，并联使用或接电源其他类型的TTL门电路目前七十八页\总数一百三十二页\编于二十一点例：在使用常用TTL门电路时，会遇到多余输入端的问题，处理方法是：BAAB≥1ABY≥1≥1≥1YYBA或门、或非门的处理办法是一样的，并联使用或接地其他类型的TTL门电路目前七十九页\总数一百三十二页\编于二十一点

在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。TTL与非门直接线与的情况其他类型的TTL门电路

集电极开路的门电路（OC门）

与非门的线与连接图为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路——集电极开路门。目前八十页\总数一百三十二页\编于二十一点1、推拉式输出电路结构的局限性①输出电平不可调②负载能力不强，尤其是高电平输出③输出端不能并联使用

OC门其他类型的TTL门电路此时负载电流可能很大目前八十一页\总数一百三十二页\编于二十一点OC(OpenCollector)门，其电路及符号如图所示。其他类型的TTL门电路(略)以集电极开路的与非门为例，就是原与非门去掉T4、D2，T5的集电极内部开路。（如，这样就可以驱动一些小型的继电器）实际上这种电路必须接上拉电阻才能工作，负载的电源UCC2一般可工作在12—30V。目前八十二页\总数一百三十二页\编于二十一点

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。

图是实现线与逻辑的OC门，其逻辑表达式为其他类型的TTL门电路目前八十三页\总数一百三十二页\编于二十一点（1）实现线与电路如右图所示，逻辑关系为:

0C门主要有以下几方面的应用：（2）实现电平转换如图示，可使输出高电平变为10V。（3）用做驱动器如图是用来驱动发光二极管的电路。其他类型的TTL门电路线与目前八十四页\总数一百三十二页\编于二十一点

OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：其他类型的TTL门电路(略)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，如图所示。目前八十五页\总数一百三十二页\编于二十一点（1）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。根据图（a）所示的情况，RL的最大值为

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。其他类型的TTL门电路(略)目前八十六页\总数一百三十二页\编于二十一点

（2）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，所有负载电流全部流入唯一的一个导通门时，所以RL不可太小，以确保流入导通OC门的电流不至超过最大允许的电流ILmax。根据上图所示的情况，RL的最小值为

式中,ILmax是导通OC门所允许的最大电流，IIS为负载门的输入短路电流。综合以上两种情况，RL的选取应满足：RLmin＜RL＜RLmax其他类型的TTL门电路(略)目前八十七页\总数一百三十二页\编于二十一点

三态输出门电路（TS门）0.7V0.9V截止截止目前八十八页\总数一百三十二页\编于二十一点三态门的用途目前八十九页\总数一百三十二页\编于二十一点

TSL门典型的应用：

三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。其他类型的TTL门电路（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.分时控制电路依次使三态门G0、G1

……G7使能（且任意时刻使能一个），就将D0、D1

……D7（以反码的形式）分时送到总线上1EN1EN1EN分时控制电路D0D1D7G0G1G7在一些复杂的数字系统中（如计算机）为了减少各单元电路之间的连线，使用了“总线”

011101110总线目前九十页\总数一百三十二页\编于二十一点(b)组成双向总线，实现信号的分时双向传送其他类型的TTL门电路(略)当E=0时，门1工作，门2禁止，数据从A送到B；E=1时，门1禁止，门2工作，数据从B送到A。目前九十一页\总数一百三十二页\编于二十一点TTL系列集成电路及主要参数①74××

：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路非门的平均传输时间tpd＝10ns，平均功耗P＝10mW。②74H××：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路非门的平均传输时间tpd＝6ns，平均功耗P＝22mW。③74S××：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路非门的平均传输时间tpd＝4ns，平均功耗P＝20mW。④74LS××：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝10ns，平均功耗P＝2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。说明：只要××的数字相同逻辑功能就相同目前九十二页\总数一百三十二页\编于二十一点CMOS集成电路是集成电路家族中的后起之秀。它以MOS管作为开关元件，由于MOS管的输入电阻极高（可达1010Ω以上），是一种电压控制型器件，故MOS电路具有功耗低的明显特征。在速度要求不高的场合中，CMOS电路已基本取代TTL电路。高速的CMOS器件也被广泛应用，目前市面上的74HC系列的CMOS器件，其平均传输延迟时间约9ns，与TTL的74LS系列的传输延迟时间相当，并且74HC系列器件的管脚、功能与74LS兼容，在应用74LS系列器件的场合都可用74HC系列代替。低功耗器件不仅在便携式设备或仪器中广泛应用，而且低功耗器件的使用寿命也长于高功耗器件，因此，在数字电子技术中CMOS器件是数字集成电路发展的主流。6.3CMOS门电路目前九十三页\总数一百三十二页\编于二十一点

场效应半导体三极管是仅由一种载流子参与导电的半导体器件，是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。MOS管是金属氧化物半导体又称为绝缘栅型场效应三极管（Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransisteor,MOSFET）MOS管分为增强型和耗尽型两大类，从参与导电的载流子来划分，每类又有N沟道和P沟道之分；它们的工作原理基本相同。管开关特性MOS管概念目前九十四页\总数一百三十二页\编于二十一点一、MOS管的结构S(Source)：源极G(Gate)：栅极D(Drain)：漏极B(Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结6.3.1MOS管开关特性MOSD管的结构与工作原理目前九十五页\总数一百三十二页\编于二十一点6.3.1MOS管开关特性增强型NMOS管基本开关电路

取一块P型半导体作为衬底,用B表示。用氧化工艺生成一层SiO2薄膜绝缘层。用光刻工艺腐蚀出两个孔。扩散两个高掺杂的N型区。从而形成两个PN结。（绿色部分）从N型区引出电极，一个是漏极D,一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。N沟道增强型MOSFET的结构和符号目前九十六页\总数一百三十二页\编于二十一点N沟道增强型MOSFET的工作原理MOS管开关特性

2．vDS＞

0，vGS（th)

＞

vGS＞0vGS＞0将在绝缘层产生电场，衬底少数载流子（电子）聚集到栅极下面，但数量有限，不足以形成沟道，将漏极和源极沟通，所以不能形成漏极电流ID。反型层

产生有漏极电流ID；这说明vGS对ID的控制作用。

3．vDS＞0，vGS＞vGS（th)漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流。

1．vDS＞

0，vGS=0加上+VGS，且足够大至VGS>VGS(th),足够多的电子聚集到栅极下方，D-S间形成导电沟道（N型层）IDVGS(th):MOS管的开启电压目前九十七页\总数一百三十二页\编于二十一点MOS管开关特性

（1）当vGS=0时，RDS可达到109Ω。当vGS增加时，RDS减小，最小可达到10Ω左右，因此，MOS管可看成由电压控制的电阻。（2）MOS管的门极有非常高的输入阻抗。DSvGSRDS

GDSvGS+－N沟道增强型MOS管的电路模型目前九十八页\总数一百三十二页\编于二十一点管开关特性

增强型NMOS管和PMOS管的通断条件GDSvGS+－NMOS当vGS＞VGS(th)

时导通当vGS＜VGS(th)时截止GDSvGS－+PMOS当∣vGS∣＞∣VGS(th)∣时导通当∣vGS∣＜∣VGS(th)∣时截止VDS极性正VDS极性负目前九十九页\总数一百三十二页\编于二十一点MOS管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道目前一百页\总数一百三十二页\编于二十一点关于场效应管符号的说明：N沟道增强型MOS管，衬底箭头向里。漏、衬底和源、分开，表示零栅压时沟道不通。表示衬底在内部没有与源极连接。N沟道耗尽型MOS管。漏、衬底和源不断开表示零栅压时沟道已经连通。

如果是P沟道，箭头则向外MOS管的四种类型目前一百零一页\总数一百三十二页\编于二十一点输入特性：直流电流为0，看进去有一个输入电容CI，对动态有影响。输出特性：

iD=f(VDS)对应不同的VGS下得一族曲线。MOS管的输入特性和输出特性目前一百零二页\总数一百三十二页\编于二十一点漏极特性曲线（分三个区域）截止区恒流区可变电阻区MOS管的输入特性和输出特性目前一百零三页\总数一百三十二页\编于二十一点漏极特性曲线（分三个区域）截止区：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109ΩMOS管的输入特性和输出特性目前一百零四页\总数一百三十二页\编于二十一点漏极特性曲线（分三个区域）恒流区：iD

基本上由VGS决定，与VDS

关系不大MOS管的输入特性和输出特性目前一百零五页\总数一百三十二页\编于二十一点漏极特性曲线（分三个区域）可变电阻区：当VDS

较低（近似为0），VGS

一定时， ，这个电阻受VGS

控制、可变。MOS管的输入特性和输出特性目前一百零六页\总数一百三十二页\编于二十一点MOS管的基本开关电路目前一百零七页\总数一百三十二页\编于二十一点MOS管的开关等效电路OFF，截止状态

ON，导通状态目前一百零八页\总数一百三十二页\编于二十一点漏极相连做输出端PMOSNMOS柵极相连做输入端vIP1VDDvON1

电路结构6.3.2CMOS反相器的电路结构与工作原理CMOS电路工作电压范围为3-18V目前一百零九页\总数一百三十二页\编于二十一点

CMOS非门的工作原理

如果将0V定义为0，逻辑VDD定义为逻辑1，将实现逻辑“非”功能。vIP1VDDvON11.当VI=0V时，vGSN=0，N1截止，∣vGSP∣=VDD

，P1导通，VO≈VDD，门电路输出输出高电平；2.当VI=VDD时，VGSN=VDD

，N1导通，∣VGSP∣=0，P1截止，VO≈0V，门电路输出低电平。6.3.2CMOS反相器的电路结构与工作原理目前一百一十页\总数一百三十二页\编于二十一点

CMOS非门的工作原理vIP1VDDvON16.3.2CMOS反相器的电路结构与工作原理无论VI是高电平还是低电平，P1和N1总是一个导通而另一个截止，即所谓互补状态，所以这种电路称为CMOS电路.(互补对称式MOS电路）。同时由于截止内阻非常大，因此流过P1和N1的静态电流极小，因此CMOS反相器的静态功率极小。（CMOS电路最突出的特点。)MOS电路的另一个优点是尺寸小。仅为双极性晶体管面积的1/50。目前一百一十一页\总数一百三十二页\编于二十一点

电压传输特性

用来描述输出电压随输入电压变化的曲线，就称为门电路的电压传输特性。V2vIvOV11vI5.03.51.5AB5.01.53.50CDvO测量电路

6.3.2CMOS反相器的电路结构与工作原理假设工作电压VDD=5V，VGS(th)N=︱VGS(th)P︱=1.5V目前一百一十二页\总数一百三十二页\编于二十一点AB段：VI≤1.5V，N1截止，P1导通，输出电压VO≈VDD

CD段：VI≥3.5V，N1导通，P1截止，输出电压VO≈0VBC段：1.5V≤VI≤3.5V，P1、N1均导通。当VI

=VDD/2时，N1和P1导通程度相当。vI5.03.51.5AB5.01.53.50CDvO

6.3.2CMOS反相器的电路结构与工作原理VGS(th)N=|VGS(th)P|=1.5VvIP1VDDvON1目前一百一十三页\总数一百三十二页\编于二十一点AB段：VI≤1.5V，N1截止，P1导通，输出电压VO≈VDD

CD段：VI≥3.5V，N1导通，P1截止，输出电压VO≈0VBC段：1.5V≤VI≤3.5V，P1、N1均导通。当VI

=VDD/2时， N1和P1导通程度相当。vI5.03.51.5AB5.01.53.50CDvO

6.3.2CMOS反相器的电路结构与工作原理VGS(th)N=|VGS(th)P|=1.5VvIP1VDDvON1目前一百一十四页\总数一百三十二页\编于二十一点CMOS门电路几个重要的参数(CD4000系列）1、高电平输出电压VOH

，VOHmin=4.6V2、低电平输出电压VOL

，VOLmax=0.05V3、高电平输入电压VIH

，VIHmin=3.5V4、低电平输入电压VIL，VILmax=1.5V5、阀值电压VTH=1/2VDD以上极限参数均在器件手册中给出，测试条件为VDD=5V。

6.3.2CMOS反相器的电路结构与工作原理目前一百一十五页\总数一百三十二页\编于二十一点

输入端噪声容限低电平噪声容限高电平噪声容限VNL=VILmax－VOLmaxVNH=VOHmin-VIHminG111G2VOLmaxVIHminVOHminVILmaxCMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性目前一百一十六页\总数一百三十二页\编于二十一点VNL=VILmax－VOLmax=1.5V－0.1V=1.4V

例：某集成电路芯片，查手册知其最大输出低电平VOLmax=0.1V，最大输入低电平VILmax=1.5V，最小输出高电平VOHmin=4.9V，最小输入高电平VIHmin=3.5V，则其低电平噪声容限VNL=

。（1）2.0V（2）1.4V（3）1.6V（4）1.2V

CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性目前一百一十七页\总数一百三十二页\编于二十一点结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限

VNH＝VNL≈0.3VDDCMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性（a）不同VDD下的电压传输特性（b）VNH、VNL随VDD变化目前一百一十八页\总数一百三十二页\编于二十一点CMOS门电路的静态输入特性（从输入端看输入电压与输入电流的关系）CMOS门电路的输入阻抗非常大。

优点：几乎不吸收电流。一般来说，高电平输入电流IIH≤0.1µA，低电平输入电流IIL≤0.1µA。

缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。

措施：输入级一般都加了保护电路。

vIP1VDDvON1D1D2绝缘层(非常薄)CMOS反相器的静态输入特性和输出特性输入保护电路目前一百一十九页\总数一百三十二页\编于二十一点1、当门电路输出低电平时

结论：灌电流负载提高了低电平输出电压VOL。

IOLmax：使输出电压不大于VOLmax时的最大灌电流值， 典型值0.51mA；

IOLCMOS反相器的静态输入特性和输出特性

CMOS门电路的静态输出特性（从输出端看输出电压与输出电流的关系）

VI=VIHVI=VIH目前一百二十页\总数一百三十二页\编于二十一点2、当门电路输出高电平时

结论：拉电流负载降低了高电平输出电压VOH。

IOHmax：使输出电压不小于VOHmin时的最大拉电流值， 典型值0.51mA。

IOHCMOS反相器的静态输入特性和输出特性VI=0VI=0目前一百二十一页\总数一百三十二页\编于二十一点

扇出系数：CMOS电路的输入电流极小，在规定条件下测试时（即VDD=5V，TA=25℃），IImax=0.1μA，实际电路输入电流还要小于该值，因此CMOS电路具有极大的扇出系数。

传输延迟时间tpd：CMOS电路的输出电阻比TTL大得多，所以其传输延迟时间受负载电容影响很大，同时也受电源电