第2章门电路教材课件

第2章

门电路【学习目标】

本章首先介绍半导体二极管、三极管、MOS管的开关特性及分离元件门电路；然后介绍TTL反相器和CMOS反相器的电路结构、工作原理、逻辑特性、电气参数，以及与非门、或非门、三态门、OC门、OD门和传输门的特性。最后介绍TTL门电路和CMOS门电路使用中需注意的事项以及TTL门电路和CMOS门电路的接口问题。【能力目标】

掌握半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性以及分离元件门电路。熟练掌握TTL反相器和CMOS反相器的电路结构、工作原理、逻辑特性、电气参数以及与非门、或非门、三态门、OC门、OD门和传输门的工作原理和特点。了解TTL门电路和CMOS门电路使用中需注意的事项以及TTL门电路和CMOS门电路的接口问题。

1.门电路

是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。门电路主要有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。2.1概述3.正负逻辑

正逻辑：用高电平代表1、低点平代表0。在数字电路中，一般采用正逻辑系统。

负逻辑：用高电平代表0、低点平代表1。2.高低电平：两个不同的可以截然区分开来的电压范围

高电平：数字电路中较高电平代数值的范围。

低电平：数字电路中较低电平代数值的范围。4.分立元件门电路和集成门电路分立元件门电路：用分立元件和导线连接起来构成的门电路集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体硅片上，在封装起来。现在使用最多的是TTL和MOS门电路。tvVHVLPositiveLogic10tvVHVLNegativeLogic102.2基本门电路2.2.1.半导体二极管的开关特性用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态：一种是接通（要求其阻抗很小，相当于短路），另一种是断开（要求其阻抗很大，相当于开路）。二极管具有单向导电性：正向导通，反向截止，相当于一个受电压控制的电子开关。二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡、压降很小（硅管为0.7V，锗管为0.3V），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，反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断开的开关。把uD<UT=0.5V看成是硅二极管的截止条件。在低速脉冲电路中，二极管开关由接通到断开，或由断开到接通所需要的转换时间通常是可以忽略的。然而在数字电路中，二极管开关经常工作在高速通断状态。由于PN结中存储电荷的存在，二极管开关状态的转换不能瞬间完成，需经历一个过程。

tre=ts+tf

叫做反向恢复时间。该现象说明，二极管在输入负跳变电压作用下，开始仍然是导通的，只有经过一段反向恢复时间tre之后，才能进入截止状态。由于tre的存在，限制了二极管的开关速度。2.2.2半导体二极管门电路1.二极管与门2.二极管或门ABY-VCC2.2.3半导体三极管的开关特性在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。1.三极管开关条件及特点2.三极管的开关时间（动态特性）开启时间ton

上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts(1)开启时间ton

：三极管从截止到饱和所需的时间。

ton=td+tr

td：延迟时间

tr

：上升时间(2)关闭时间toff

：三极管从饱和到截止所需的时间。

toff=ts+tf

ts

：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）

tf

：下降时间toff>ton。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。2.2.4三极管非门实现非逻辑功能的电路是非门电路，也称反相器。利用三极管的开关特性，可以实现非逻辑运算。2.3.1TTL反相器（Transistor-TransistorLogic）2.3TTL门电路当输入高电平时，uI=3.6V，T1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，

uB1=0.7V×3=2.1VIB2=(5-2.1)/4=0.725mA

假定2>10，若T2工作于放大状态，则IC2>7.25mA

所以VC2<VCC-IC2R2=-6.6V故T2不可能工作于放大状态和截止状态，只可能是饱和状态。因VB4=VCES2+VBE5=1VT3截止。T4状态取决于外电路，在输出电流小于IOLmax时，输出为低电平uO=0~0.3V。2.1V0.3V3.6V（1）电路结构和工作原理T3T4当输入低电平时，uI=0.3V，T1发射结导通，

uB1=0.3V+0.7V=1VT2和T4均截止，T3和VD导通。输出高电平

uO=VCC-UBE3-UD-IB3R2≈5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3VT3T4采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力

T3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。当输入高电平时，T4饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，T3和VD2截止，T4的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，T4截止，T3导通（为射极输出器），其输出电阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，T3和T4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。（2）常用型号

常用的集成的TTL反相器有7404和74LS04，每个芯片中封装了六个独立的反相器。74LS04引脚图2.3.2TTL反相器的特性1.TTL反相器的电压传输特性及参数截止区线性区转折区饱和区T4截止，称关门T4饱和，称开门输出高电平UOH典型值为3V。输出低电平UOL

典型值为0.3V。返回开门电平UON一般要求UON≤1.8V

关门电平UOFF一般要求UOFF≥0.8V在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUON

电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH≈1.4V。噪声容限（UNL和UNH

）噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。2.TTL反相器的输入特性和输出特性输入伏安特性

两个重要参数：

(1)输入短路电流IIS当uI

=0V时，iI从输入端流出。

iI

=－(VCC－UBE1)/R1

=－(5－0.7)/4≈－1.1mA(2)高电平输入电流IIH

当输入为高电平时，T1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数β反很小(约在0.01以下)，所以

iI=IIH=β反

iB2

IIH很小，约为10μA左右。T3T4

TTL反相器的输入端对地接上电阻RI时，uI随RI

的变化而变化的关系曲线。输入负载特性在一定范围内，uI随RI的增大而升高。但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI

=1.4V也不变。这时T2和T4饱和导通，输出为低电平。虚框内为TTL反相器的部分内部电路RI不大不小时，工作在线性区或转折区。RI较小时，关门，输出高电平；RI

较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI→∞悬空时？

(1)关门电阻ROFF——在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI

的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈0.7kΩ。

(2)开门电阻RON——在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI

的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON≈2kΩ。

数字电路中要求输入负载电阻RI≥RON或RI≤ROFF

，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令ROFF≤RI≤RON使电路处于转折区。输出特性

(a)输出高电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。拉电流负载(b)输出低电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流在20mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8mA。灌电流负载

3.TTL反相器的动态特性

传输延迟时间tpd

平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。tpd=（tpLH+tpHL）/2（1）TTL与非门2.3.3其他类型的TTL门电路全1输出0有0输出11V2.1V每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。 多发射极三极管

有0.2V箝位于0.9V全为3.6V集电结不导通（2）TTL或非门（3）集电极开路门（OC门）集电极开路例：用OC门实现电平转换如图所示为两个集电极开路与非门线与连接起来的逻辑图，其输出为只要上拉电阻选择的合适，就不会因电流过大而烧坏芯片，因此，实际应用中，必须要合理选取上拉电阻的阻值。

上拉电阻的估算

①的计算①的计算（4）三态门01截止Y＝AB

EN=0时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。10导通1.0V1.0V截止截止高阻当EN=1时，门电路输出端处于高阻状态。控制端高电平有效的三态门控制端低电平有效的三态门用“▽”表示输出为三态。高电平有效低电平有效肖特基三极管（SchottkyTransistors）R2+VIN-+VCE=0.2V-VBE=0.6V+-VBC=0.4VbaseemittercollectorR2R1VINVOUTQ1VCC+VIN-+VCE=0.35V-VBE=0.6V+-VBC=0.25V+0.25V-（5）改进的TTL门电路-------肖特基系列TTL门电路返回（6）TTL系列74

FAM

nn前缀系列助记符功能数字

74S(SchottkyTTL):肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，但功耗大。74LS(Low-powerSchottkyTTL):低功耗肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，功耗只有其1/5。74AS(AdvancedSchottkyTTL):改进型肖特基TTL系列，比普通肖特基系列速度高一倍，功耗相同。返回

74ALS(AdvancedLow-powerSchottkyTTL):改进型低功耗肖特基TTL系列，比74LS系列的功耗低、速度快。

74F(FastTTL):高速肖特基TTL系列，功耗、速度介于74AS和74ALS之间。

TTL集成电路多余或暂时不用的输入端的处理（1）多余或暂时不用的输入端的一般不悬空，但可以悬空；悬空时相当于接高电平。（2）与其它输入端并联使用。（3）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。一般，接电源时需接上拉电阻；接地时需接下拉电阻。典型值1-10k。2.4CMOS门电路

MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。

MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。

MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。2.4.1.MOS管的开关特性D接正电源截止导通

（1）NMOS管的开关特性

Vgs=0→Rds

106()→I10-6(A)0Vgs

Vgs(th)→Rds

10()<<RL→VRds0

（2）PMOS管的开关特性D接负电源截止导通2.4.2CMOS反相器PMOS管NMOS管AZ0110

工作特点：TP和TN总是一管导通而另一管截止，流过TP和TN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。2.4.3.CMOS反相器的特性AB段：截止区iD为0BC段：转折区阈值电压UTH≈VDD/2转折区中点：电流最大CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。CD段：导通区电压传输特性和电流传输特性1.静态特性

CMOS逻辑电平和噪声容限

VOLmax=0.1V0.7VDD0.3VDD0VDDABNORMALHIGHLOWVOHminVIHminVILmaxVOLmaxHigh-stateDCnoisemarginLow-stateDCnoisemargin

VOHmin=VDD–0.1VVIHmin=0.7VDD

VILmax=0.3VDDVNH

=VOHmin-VIHmin

VNL=

VILmax-VOLmax

扇出系数

总的扇出系数是高、低电平状态下扇出系数中较小的一个。逻辑门所能够驱动同类门（输入端）的个数。

IOLmax:保证输出不高于VOLmax的低电平最大灌电流。

IOHmax:保证输出不低于VOHmin的高电平最大拉电流。2.动态特性

转换时间:逻辑电路的输出从一个状态转换到另一个状态所需的时间。trtftrtfVIHminVILmax(a)idealcase(b)approximation(C)actualcase上升时间tr：输出从低电平转换到高电平所需的时间。下降时间tf：输出从高电平转换到低电平所需的时间。

传输延迟:逻辑电路的输入变化到其输出发生相应变化所间隔的时间。tpHLtpLHCMOS反相器的传输延迟

tpHL:输入变化导致输出从高电平到低电平变化所间隔的时间。

tpLH:输入变化导致输出从低电平到高电平变化所间隔的时间。tpHLtpLH50%VIH50%VOH

功耗

静态功耗:逻辑电路输出状态不发生变化时的功耗。

大多数CMOS电路具有很低的静态功耗，所以在很多低功耗的场合采用CMOS集成电路。动态功耗:

逻辑电路输出状态发生变化时的功耗，其值比静态功耗大得多。

PC:平均功耗；PT:瞬时导通功耗；PD:总的动态功耗。

CPD:功耗电容；

CL:负载电容。

VDD:电源电压。

f:信号频率。与非门2.4.4其它类型的CMOS门电路ABY001101011110ABY或非门ABY001101011000ABY传输门若C=1（接VDD)、C’=0（接地），当uI

=1时，TN导通；uI

=0时，TP导通；所以TP和TN至少有一管导通，使传输门TG导通。由于TP和TN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。若C=0（接VDD)、C’=1（接地），TP和TN都截止，使传输门TG截止。应用举例①CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。

C=0时，TG1导通、TG2截止，uO=uI1；

C=1时，TG1截止、TG2导通，uO=uI2。当EN=0时，TG导通，F=A；当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。②CMOS三态门漏极开路门上拉电阻

2.4.5CMOS电路的优点（1）微功耗。

CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。（2）抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。（3）电源电压范围宽。多数CMOS电路可在3～18V的电源电压范围内正常工作。（4）输入阻抗高。（5）负载能力强。

CMOS电路可以带50个同类门以上。（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD）2.4.6CMOS系列及命名方法74

FAM

nn前缀系列助记符功能数字