集成逻辑门电路课件

3集成逻辑门电路3.1二、三极管开关特性3.2TTL集成逻辑门3.3CMOS集成门电路3.4逻辑门电路使用中的几个实际问题3集成逻辑门电路3.1二、三极管开关特性3.23.1二、三极管开关特性3.1.1二极管的开关特性1.二极管的开关特性二极管最重要的特性是单向导电性，即正向导通，反向截止。二极管相当于一个受电压控制的开关。3.1二、三极管开关特性3.1.1二极管的开关特性

iD

uD+_

UO

iDO

uD

UOka

iD

uD+－

iDOka忽略导通电压二极管的模型恒压模型理想模型iDuD+_UOiDOuDUOkaiD

iD

uD+－

iDOka理想模型理想二极管的开关特性:开关接通时，电阻为零；断开时，电阻为无穷大。iDuD+－iDOka理想模型理想二极管的开关特

uRD

itt—渡越时间，反向恢复时间。ts—存储时间tre=ts+tt—反向恢复时间uRDitt—渡越时间，反向恢复时间。ts—存储时间二极管的实际开关特性:开关时间:一般为几十到几百纳秒。二极管的实际开关特性:开关时间:一般为几十到几百纳秒。(1)二极管与门

uIAR

uIB+Vcc

DA

DB

uO低低低高低高低高低低高高uOuIBuIA输出输入二极管与门电平表2.二极管逻辑电路(1)二极管与门uIARuIB+VccDA(2)二极管或门

uIA

uIBR

uODADB低高高高低高低高低低高高uOuIBuIA输出输入二极管或门电平表(2)二极管或门uIAuIBRuODAD3.1.2三极管的开关特性1.动态开关特性三极管这种在外加电压作用下，截止和饱和后的稳态模型，它反映了三极管的静态开关特性。如果三极管只工作在截止状态，管子截止相当于开关断开。如果三极管只工作在饱和状态，管子饱和相当于开关接通。(1)静态开关特性3.1.2三极管的开关特性1.动态开关特性(2)动态开关特性a.三极管开关电路图

Rc

Vcc

RB

V11V

V22V

uO10k+－1k

uI+－S5V(2)动态开关特性a.三极管开关电路图RcVccb.三极管开关电路波形图ooouoiC

ICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoff

V2

V1ttt

uIa)开关时间延迟时间td——从uI上跳开始到iC上升到0.1ICS所需要的时间。b.三极管开关电路波形图ooouoiCICS0.9IC上升时间tr——iC从0.1ICS上升到0.9ICS的时间。接通时间ton——td与tr之和。ooouoiC

ICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoff

V2

V1ttt

uI上升时间tr——iC从0.1ICS上升到0.9ICS的时间存储时间tS——iC从ICS下降到0.9ICS的时间。关断时间toff——ts与tf之和。下降时间tf——iC从0.9ICS下降到0.1ICS的时间。ooouoiC

ICS0.9ICS0.1ICSVCCtontoff

V2

V1ttt

uI存储时间tS——iC从ICS下降到0.9ICS的时间。关断时开关时间——三极管的接通时间ton、关断时间toff，统称为开关时间。开关时间越短，开关速度也就越高。管子的结构工艺，外加输入电压的极性及大小。b)影响开关时间的因素c)提高开关速度的途径制造开关时间较小的管子；设计合理的外电路。开关时间——三极管的接通时间ton、关断时间toff，统称为通常toff>ton、ts>tf。因此控制三极管的饱和深度，减小ts是缩短开关时间、提高开关速度的一个主要途径。

给三极管的集电结并联一个肖特基二极管(高速、低压降)，可以限制三极管的饱和深度，从而使开断时间大大缩短。将三极管和肖特基二极管制作在一起，构成肖特基晶体管，可以提高电路的开关速度。(a)电路图；(b)电路符号通常toff>ton、ts>tf。因此控制2.晶体管逻辑电路

RB1

uo6.8k+－(A)(L)

uI+－

RC330

RB222k

VBB5V+VCC(+5V)反相器电路图(1)反相器(非门)工作原理：

a.当uI高电平时，晶体管饱和导通，输出uO0b.当uI低电平时晶体管截止，输出uOVCC2.晶体管逻辑电路RB1uo6.8k+－(A)(L)BJT工作状态uI

uO

低截止高高饱和低非门电平表

RB1

uo6.8k+－(A)(L)

uI+－

RC330

RB222k

VBB5V+VCC(+5V)反相器电路图反相器的输出与输入关系可表示为BJT工作状态uIuO低截止(2)与非门将二极管与门和晶体管非门复合在一起可构成与非门。&ABL1&AB与非门逻辑图(2)与非门将二极管与门和晶体管非门复合

RB1

uo6.8k+－(A)(L)

uI+－

RC330

RB222k

VBB5V+VCC(+5V)反相器电路图

uIAR

uIB+Vcc

DA

DBRB1uo6.8k+－(A)(L)uI+－RC33同理，可将二极管或门和非门复合在一起可构成或非门。(3)或非门1ABL11AB或非门逻辑图同理，可将二极管或门和非门复合在一起可构成或非门。3.1.3场效应管的开关特性1.MOS场效应管(MOSFET)的开关特性数字电路中普遍采用增强型的MOSFET。当漏源电压uDS较高时：当uGS大于UT，MOSFET工作在变阻状态，相当于开关接通。栅源电压uGS小于开启电压UT时，MOSFET处于截止状态，相当于开关断开；3.1.3场效应管的开关特性1.MOS场效应管(MOSMOSFET的开关模型

uGS<UT

uGS>UTgsdb截止状态

uGS+_gdss

uGS+_gdss变阻状态MOS场效应管的开关速度往往比双极型管低，但随着工艺的改进，集成CMOS电路的速度已和TTL电路不差上下。MOSFET的开关模型uGS<UTuGS>UTg2.MOS管开关电路电阻负载反相器电路a.当u1<UT，T截止

uI+－

RD3.3k+VCC(+5V)

uo+－TuO=VDD(为高电平)b.当u1为高电平时，T导通。输出为低电平2.MOS管开关电路电阻负载反相器电路a.当u1<UT，3.2TTL集成逻辑门1.集成电路(IntegratedCircuit，简称IC)集成电路就是把电路中的半导体器件、电阻、电容及导线制作在一块半导体基片(芯片)上，并封装在一个壳体内所构成的完整电路。数字集成电路就是用来处理数字信号的集成电路。与分立元件电路相比，集成电路具有重量轻、体积小、功耗低、成本低、可靠性高和工作速度高等优点。2.集成电路的特点3.2TTL集成逻辑门1.集成电路(Integra3.数字集成电路的分类：(1)按电路内部有源器件的不同可分为a.双极型晶体管集成电路:(a)晶体管—晶体管逻辑(TTL-TransistorTransistorLogic)(b)射极耦合逻辑(ECL-EmitterCoupledLogic)(c)集成注入逻辑(I2L-IntegratedInjectionLogic)主要有:3.数字集成电路的分类：(1)按电路内部有源器件的不b.MOS(MetalOxideSemiconductor)集成电路主要有：NMOS、PMOS和CMOS等几种类型。目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势，缺点是制造工艺复杂。TTL和CMOS集成电路的特点：(a)TTL集成电路工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；(b)MOS集成电路集成度高、功耗低，但工作速度略低，超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路。b.MOS(MetalOxideSemiconduct(2)按集成度可分为a.小规模集成电路(SSI-SmallScaleIntegration)，每片组件内包含10~100个元件(或10~20个等效门)。b.中规模集成电路(MSI-MediumScaleIntegration)，每片组件内含100~1000个元件(或20~100个等效门)。逻辑门和触发器是目前常用的SSI。译码器、数据选择器、加法器、计数器、移位寄存器等组件是常用的MSI。(2)按集成度可分为a.小规模集成电路(SSI-Smac.大规模集成电路(LSI-LargeScaleIntegration)，每片组件内含1000~100000个元件(或100~1000个等效门)。d.超大规模集成电路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)，每片组件内含100000个元件(或1000个以上等效门)。常见的LSI、VLSI有只读存储器、随机存取存储器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器等。此外还有专用集成电路ASIC，如可编程逻辑器件PLD。PLD是近十几年来迅速发展的新型数字器件，目前应用十分广泛，c.大规模集成电路(LSI-LargeScaleInt4.集成逻辑门集成逻辑门是最基本的数字集成电路，是组成数字逻辑的基础。常用的集成门电路，大多采用双列直插式封装（Dual-In-linePackage，缩写成DIP）。集成门电路外形图4.集成逻辑门集成逻辑门是最基本的数字集成电路，是槽口1233467141312111098管脚编号集成芯片表面有一个缺口（引脚编号的参考标志），如果将芯片插在实验板上且缺口朝左边，则引脚的排列规律为：左下管脚为1引脚，其余以逆时针方向从小到大顺序排列。一般引脚数为：14、16、20等。槽口1233467槽口1233467141312111098管脚编号绝大多数情况下，电源从芯片左上角的引脚接入，地接右下引脚。一块芯片中可集成若干个（1、2、4、6等）同样功能但又各自独立的门电路，每个门电路则具有若干个（1、2、3等）输入端。输入端数有时称为扇入（Fan-in）数。槽口1233467(a)7404(六反相器)(b)7400(四2输入与非门)(a)7404(六反相器)(b)3.2.1TTL与非门的内部结构及工作原理+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级1.TTL与非门的内部结构3.2.1TTL与非门的内部结构及工作原理+VCC(+输入级由多发射极晶体管T1和基极电组R1组成，它实现了输入变量A、B的与运算。(1)输入级+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级输入级由多发射极晶体管T1和基极电组R1组成多射极晶体管的等效电路+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级多射极晶体管的等效电路+VCC(+5V)R4100T中间级是放大级，由T2、R2和R3组成，T2的集电极C2和发射极E2可以分提供两个相位相反的电压信号，以满足输出级的需要。(2)中间级+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级中间级是放大级，由T2、R2和R3组成，T2输出级由T3、T4、D和R4组成，其中其中D、T4作为由T3组成的反相器的有源负载。T3与T4组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。(3)输出级+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级输出级由T3、T4、D和R4组成，其中其中D2.TTL与非门的功能分析(1)输入端至少有一个为低电平(UIL=0.3V)接低电平的发射结正向导通。则T1的基极电位:UB1=UBE1+UIL

=0.7+0.3=1V+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级2.TTL与非门的功能分析(1)输入端至少有一个为低为使T1的集电结及T2和T3的发射结同时导通，UB1至少应当等于UB1=UBC1+UBE2+UBE3

=2.1VT2和T3必然截止。因此有+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级为使T1的集电结及T2和T3的发射结同时导通，UB1至少应当UC25V该电压使T4和D处于良好的导通状态。输出电压UO=UOH=UC2-UBE4-UD

5-0.7-0.7=3.6V等于高电平(3.6V)当UO=UOH时，称与非门处于关闭状态。+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级UC25V该电压使T4和D处于良好的导通状态。输出电压UOUB1=UBC1+UBE2+UBE3

=2.1VT2和T3处于饱和状态因此(2)输入端全部接高电平(UIH=3.6V)T1的集电结及T2和T3的发射结会同时导通T1的所有发射结均截止+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级UB1=UBC1+UBE2+UBE3T2和T3处于饱和状态T2的集电极电位为：UC2=UCES2+UBE3≈0.3+0.7=1VT4和D截止。输出电压UO为：UO=UOL时，称与非门处于开门状态。UO=UOL=UCES5≈0.3V+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级T2的集电极电位为：UC2=UCES2+UBE3T4和D截由此可见，该电路的输出和输入之间满足“与非”逻辑关系综上所述:当输入端至少有一端接低电平(0.3V)时，输出为高电平(3.6V)；当输入端全部接高电平(3.6V)时，输出为低电平(0.3V)。+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级由此可见，该电路的输出和输入之间满足“与非”逻辑关系综上(3)多发射极三极管的功能a.完成与的逻辑功能。b.便于制造。c.提高电路的开关速度。(4)TTL与非门具有较高的开关速度的主要原因：a.采用了多射极管T1,缩短了T2和T3的开关时间。+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级(3)多发射极三极管的功能a.完成与的逻辑功能。b.当输入端全部为高电位时，T1处于倒置工作状态。此时T1向T2提供了较大的基极电流，使T2、T3迅速导通饱和；+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级当输入端全部为高电位时，T1处于倒置工作状态。此当某一输入端突然从高电位变到低电位时，Ib1转而流向T1低电位输入端，该瞬间将产生很大的集电极电流Ic1，为T2和T3提供了很大的反向基极电流，使T2和T3基区的存储电荷迅速消散，因而加快了T2和T3的截止过程，提高了开关速度。+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级当某一输入端突然从高电位变到低电位时，Ib1(a)当T2由饱和转为截止时，T4和D导通。由于T4是射随，T3的集电极电阻很小，此时瞬间电流很大，从而加速了T3管脱离饱和的速度，使T3迅速截止。b.采用了推拉式输出电路，加速了T3管存储电荷的消散过程。+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级(a)当T2由饱和转为截止时，T4和D导通(b)与非门输出低电平时T3处于深饱和状态，输出电阻很低；而输出高电平时T4、D导通，组成射极跟随器，其输出电阻也很低，因此无论哪种状态输出电阻都很低，都有很强的带负载能力，还能进一步加快开关速度。+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级(b)与非门输出低电平时T3处于深饱和状态，输出电阻很+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级当输出为逻辑０时，T3深饱和，可以接受较大的灌电流，负载电容上的电荷能以很快通过它放电，从而使输出电压下降沿很陡；当输出为逻辑1时，T4导通，T3截止，也能够向负载提供大的驱动电流。+VCC(+5V)R4100T4DFABR14kT4管的低内阻可以使电源很快得向负载电容充电，从而获得很好的上升沿。+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3输入级输出级中间级推拉输出结构使TTL门电路能够驱动较大的电容负载而不致严重影响其开关速度。T4管的低内阻可以使电源很快得向负载电容充电3.2.2TTL与非门的外特性及有关参数1.电压传输特性反映输出电压uo随输入电压ui变化的规律。Q

U’IL

UTH

IIIIII

Q1

Q2

U’IH

UOH

UOL

uO/V

uI/VO

Uoff

Uon=U’IL=U’IH以Q1、Q2两点为界，可将此图分为三个区域。图中Q1和Q2点处的斜率duO/duI=–1是传输特性的转折点。3.2.2TTL与非门的外特性及有关参数1.电压传输特性Q

U’IL

UTH

IIIIII

Q1

Q2

U’IH

UOH

UOL

uO/V

uI/VO

Uoff

Uon=U’IL=U’IH区域Ⅰ(uI≤0.6V)：输出高电平UOH。uO基本不随uI而变，UOL基本上亦与uI无关。区域Ⅲ(uI≥1.4V):输出低电平UOL；QU’ILUTHIIIIIIQ1Q2U’IHQ

U’IL

UTH

IIIIII

Q1

Q2

U’IH

UOH

UOL

uO/V

uI/VO

Uoff

Uon=U’IL=U’IH区域Ⅱ(0.6V≤uI＜1.3V):uO急剧地随uI变化。区域Ⅱ称为过渡区。QU’ILUTHIIIIIIQ1Q2U’IH几个重要参数：Q

U’IL

UTH

IIIIII

Q1

Q2

U’IH

UOH

UOL

uO/V

uI/VO

Uoff

Uon=U’IL=U’IH(1)关门电平Uoff（输入低电平最大值UILmax）注意：在使用时，输入低电平绝不能大于Uoff，否则将引起逻辑混乱。当uI<Uoff时，与非门电路的T3截止，相当于门关闭，输出为高电平。Uoff的典型值0.8V。几个重要参数：QU’ILUTHIIIIIIQ1QQ

U’IL

UTH

IIIIII

Q1

Q2

U’IH

UOH

UOL

uO/V

uI/VO

Uoff

Uon=U’IL=U’IH当uI>Uon时，与非门的T3导通，输出为低电平。(2)开门电平Uon（输入高电平最小值UIHmin）Uon的典型值为2V。UOHmin等于Q1点在uO轴上的投影值。(3)输出高电平下限值UOHmin典型的UOHmin为2.4V。QU’ILUTHIIIIIIQ1Q2U’IHQ

U’IL

UTH

IIIIII

Q1

Q2

U’IH

UOH

UOL

uO/V

uI/VO

Uoff

Uon=U’IL=U’IHUOLmax为Q2点在uO轴上的投影值。(4)输出低电平上限值UOLmaxUOLmax的典型值为0.4V。集成门的噪声容限UN分为高电平噪声容限UNH和低电平噪声容限UNL。(5)抗干扰度抗干扰度也称噪声容限，它反映电路在多大的干扰电压uN下仍能正常工作。QU’ILUTHIIIIIIQ1Q2U’IH噪声容限简单表示UNL=Uoff-UOLmax

=UILmax-UOLmaxUNH=UOHmin-Uon=UOHmin-UIHminTTL与非门典型的噪声容限为:UNH=2.4V-2V=0.4V

UNL=0.8V-0.4V=0.4VUoff与Uon越接近，即Uon越小，Uoff越大，则UNH、UNL越大，抗干扰能力就越强。噪声容限简单表示UNL=Uoff-UOLmaxUNH=UOQ

U’IL

UTH

IIIIII

Q1

Q2

U’IH

UOH

UOL

uO/V

uI/VO

Uoff

Uon=U’IL=U’IH(6)阈值电压Uth典型值为1.4V。Uoff=Uon=Uth一定条件下，将与非门的电压传输特性理想化,认为:Uth就是Q点在uI轴上的投影值。QU’ILUTHIIIIIIQ1Q2U’IH2.输入特性+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3

R1

T1+VCC

uI

iIiI=f(uI)2.输入特性+VCC(+5V)R4100T4DFAB

R1

T1+VCC

uI

iI

IIS-1

IIH-2OiI/mA

uI/VTTL与非门的输入特性a.当uI<Vth时（忽略T1集电结的分流）输入电流ii的绝对值将随输入电压ui的增加而减小。iI=-(VCC-uBE1-uI)/R1iI流入信号源，对信号源形成灌电流负载。R1T1+VCCuIiIIIS-1IIH-2O

R1

T1+VCC

uI

iI

IIS-1

IIH-2OiI/mA

uI/VTTL与非门的输入特性b.当uI=Vth时T1的发射结截止，输入电流iI急剧减小，并改变方向。正向电流iI即是T1的漏电流。iI流入TTL门，对信号源形成拉电流负载。R1T1+VCCuIiIIIS-1IIH-2O

R1

T1+VCC

uI

iI

IIS-1

IIH-2OiI/mA

uI/VTTL与非门的输入特性c.当uI>Vth时T1将工作在“倒置”状态，其输入电流iI一般小于几十微安。R1T1+VCCuIiIIIS-1IIH-2O

R1

T1+VCC

uI

iI

IIS-1

IIH-2OiI/mA

uI/VTTL与非门的输入特性与输入特性有关的参数有:(1)输入短路电流IIS当UI=0时的输入电流称为输入短路电流。典型值约为-1.5mA。R1T1+VCCuIiIIIS-1IIH-2OIIS反映了TTL与非门对前级驱动门灌电流的大小。

R1

T1+VCC

uI

iI

IIS-1

IIH-2OiI/mA

uI/VTTL与非门的输入特性可以近似认为输入低电平电流IIL≈IIS。IIS反映了TTL与非门对前级驱动门灌电流的大小。R1

R1

T1+VCC

uI

iI

IIS-1

IIH-2OiI/mA

uI/VTTL与非门的输入特性

(2)高电平输入电流IIHIIH通常约几十微安。反映了对驱动它的门拉电流的多少。当uI＞Uth时的输入电流称为高电平输入电流(也称为输入漏电流)。R1T1+VCCuIiIIIS-1IIH-2O反映输出电压uO随输出负载电流iL变化的关系。3.输出特性+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3uOiL与非门输出有高、低电平两种状态，下面分两种情况分析输出特性。反映输出电压uO随输出负载电流iL变化的关系(1)输出高电平时+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3uOiL

RLT3截止，T4和D导通，iL为拉电流。a.若空载时（iL=0）输出为高电平uOH≈VCC由于iB4较小，uB4变化很小，uO与空载时相比，略有下降。b.当负载电流比较小时T4处于放大状态uE4uB4(1)输出高电平时+VCC(+5V)R4100T+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3uOiL

RLc.当iL足够大时T4管进入饱和状态输出电压uO=VCC-UCES4-uD-iR4R4uO随着iL增加而线性下降。=VCC-（UCES4+uD）-iLR4+VCC(+5V)R4100T4DFABR14k

uO/VO1234531

iL/mA

IOHmax高电平输出特性由高电平输出特性曲线，可以得到集成门所允许的最大输出电流IOHmax。UOHminuO/VO123(2)输出低电平时+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3uOiL

RL输出电流iL从负载流进T3，形成灌电流。T3饱和a.当灌电流增加时T3饱和程度减轻，uO随iL增加略有增加。(2)输出低电平时+VCC(+5V)R4100Tb.当iL足够大时(70mA）T3将退出饱和进入放大状态,uO随iL的增加而很快上升。+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3uOiL

RLb.当iL足够大时(70mA）T3将退出饱和进入放大状态,

uO/V

iL/mAO20406080

UOLmax2.01.510.5

IOLmax低电平输出特性由低电平输出特性曲线可得：低电平输出时最大输出端电流IOLmaxIOLmax为uOL=UOLmax所对应的iL。uO/ViL/mAO20406(3)扇入系数和扇出系数扇出系数反映了与非门的带负载能力。a.扇入系数扇入系数是指门的输入端数。b.扇出系数N扇出系数是指一个门能驱动同类型门的个数。(3)扇入系数和扇出系数扇出系数反映了与非门的带负载能a.当输出低电平时

uO/V

iL/mAO20406080

UOLmax2.01.510.5

IOLmaxLL(c)两者之比越大，扇出系数NL越大。(a)IIS越小，对驱动门的负担越轻;显然:(b)IOLmax愈大，则带灌电流负载能力愈强;a.当输出低电平时uO/ViL/mAO20b.当输出高电平时

uO/VO1234531

iL/mA

IOHmaxUOHminb.当输出高电平时uO/VO12一般由于NL<NH，因此通常所说的扇出系数N即指NL。c.TTL与非门总扇出系数N=min{NL,NH}No越大，说明门的负载能力越强。标准TTL系列典型值为10。一般由于NL<NH，因此通常所说的扇出系数N即指NL。c.4.动态响应特性（开关速度）门电路输出对输入脉冲的响应称为门的动态特性。描述动态特性参数：(1)平均传输延迟时间tpdtpd是衡量门电路工作速度的重要指标。当输入端接入输入信号后，需要经过一定的时间td，才能在输出端产生对应的输出信号。td称为传输延迟时间。(2)

传输延迟时间td4.动态响应特性（开关速度）门电路输出对输入脉冲的响应称从输入波形上升沿的50%到输出波形下降沿的50%之间的延迟时间，称为门的输出由高电平降到低电平的传输时延tPHL；从输入波形下降沿的50%到输出波形上升沿的50%之间的延迟时间，称为门的输出由低电平升到高电平的传输时延tPLH。从输入波形上升沿的50%到输出波形下降沿的5(3)影响平均传输延迟时间tpd的主要因素a.组件本身的结构和制造工艺;b.电源电压的大小;c.输出端所接的其它逻辑电路的输入电容和寄生的接线电容等。d.门的输出等效电容愈大，tpd愈大。典型TTL与非门的平均传输延迟时间tpd=10～20ns。(3)影响平均传输延迟时间tpd的主要因素a.组件本5.电源电流及功耗(1)电源电流TTL集成门电路的供电电源VCC为+5V;VCC供给的电流叫电源电流，用IE表示；IE小，则组件功耗就小;但高功耗TTL门的开关速度较快。5.电源电流及功耗(1)电源电流TTL集成门电路的供⑵功耗功耗：组件工作时消耗的功率，它等于电源电压

VCC与电源电流IE之积。电路在输入全0和全1时的功耗是不一样的，通常取其平均值。要求低功耗与提高门电路的开关速度相矛盾。常用功耗-时延积M作为衡量一个门的品质指标。M=P·tpdM值越大，表示组件的性能越差。⑵功耗功耗：组件工作时消耗的功率，它等于电源电压3.2.3其它TTL集成逻辑门1.集电极开路门(OC门)(1)TTL门输出端并联问题3.2.3其它TTL集成逻辑门1.集电极开路门(OC门10该与非门输出高电平，T5截止。该与非门输出低电平，T5导通。当将两个TTL“与非”门输出端直接并联时：Vcc→R5→门1的T4→门2的T5产生一个很大的电流。注：TTL输出端不能直接并联。产生一个大电流a.抬高门2输出低电平;b.会因功耗过大损坏门器件。10该与非门输出高电平，T5截止。(2)OC门的结构+VCC(+5V)

R4100

T4DFAB

R14k

R21k

R31k

T2

T1

T3RCVCFAB

T2

T1

T3

+VCC省去T4、D和R4

(2)OC门的结构+VCC(+5V)R4100T&ABF国标符号BF曾用符号A(3)OC门的电路符号FAB

T2

T1

T3

+VCCRCVC&ABF国标符号BF曾用符号A(3)OC门的电路符号FA(4)功能分析FAB

T2

T1

T3

+VCCRCVCa.当输入端全为高电平时，T2、T3导通，输出F为低电平；b.输入端有一个为低电平时，T2、T5截止，输出F高电平接近电源电压VC。故OC门完成“与非”逻辑功能。输出逻辑电平：低电平0.3V，高电平为VC（5~30V）。OC门使用时，必须外接“上拉电阻RC”和+VC相连。(4)功能分析FABT2T1T3+VCCRCV(5)OC门实现“线与”逻辑由于这种“与”逻辑是两个OC门的输出线直接相连实现的，故称作“线与”。(5)OC门实现“线与”逻辑由于这种(6)负载电阻RC的选择保证OC门输出的高电平不低于UOHmin；a.RC的选取原则:输出的低电平不大于UOLmax。b.当多个OC门并联后为多个负载门提供输入信号时(a)当n个驱动门全部输出UOH(6)负载电阻RC的选择保证OC门输出的高电平不低于UO(a)当n个驱动门全部输出UOH为使UOH≥UOHmin，则必须使(a)当n个驱动门全部输出UOH为使UOH≥UOHmin即故即故(b)当n个驱动门全部输出UOH这种情况对于导通门来说负载是最重的。因为

假设ICC和所有的负载电流全部流入唯一导通门的输出管T3。所以为保证IOL=IOLmax时，UOL≤UOLmax，应当使(b)当n个驱动门全部输出UOH这种情况即故式中，IOLmax是一OC门允许的最大灌电流。综合上述两种情况，上拉电阻RC的取值范围是：RCmin≤RC≤RCmax即故式中，IOLmax是一OC门允许的最大灌电(7)OC门的应用a.实现多路信号在总线(母线)上的分时传输(7)OC门的应用a.实现多路信号在总线(母线)上的分b.实现电平转换——抬高输出高电平UOL=UCES3≈0.3VUOH≈VC由OC门的功能分析可知，OC门输出:所以，改变电源电压可以方便地改变其输出高电平。OC门的这一特性，被广泛用于数字系统的接口电路，实现前级和后级的电平匹配。b.实现电平转换——抬高输出高电平UOL=UCES3≈0.c.驱动非逻辑性负载(a)用来驱动发光二极管(LED)(b)用来驱动干簧继电器c.驱动非逻辑性负载(a)用来驱动发光二极管(LED)(c)用来驱动脉冲变压器(d)用来驱动电容负载的，构成锯齿波发生器。脉冲变压器与普通变压器的工作原理相同，只是脉冲变压器可工作在更高的频率上。(c)用来驱动脉冲变压器(d)用来驱动电容负载的，构(d)用来实现“与或非”运算用OC门实现“与或非”运算，要比用其它门的成本低。(d)用来实现“与或非”运算用OC门实现“与或非”运算，b.由于它只能在RCmin和RCmax之间取值，开关速度受到限制。a.OC门的外接电阻的大小会影响系统的开关速度，其值越大，工作速度越低。注意：c.OC门只适用于开关速度不高的场合。b.由于它只能在RCmin和RCmax之间取值，开关速度受2.三态门(TS门或TSL门)

(1)一种三态与非门的电路及逻辑符号(a)电路；(b)常用符号；(c)国外流行符号；(d)国标符号2.三态门(TS门或TSL门)(1)一种三态与非G端为控制端，也叫选通端或使能端。A端与B端为信号输入端，F端为输出端。图中：G端为控制端，也叫选通端或使能端。A端与B端为信号输入端，F(1)功能分析a.当G=0(即G端输入低电平)时晶体管V6截止，VD截止，相当于开路，不起任何作用。这种状态是三态门的工作状态，也叫选通状态。这时三态门和普通与非门一样，完成“与非”功能。(1)功能分析a.当G=0(即G端输入低电平)时晶体由于晶体管V4和V5同时截止，输出端相当于悬空或开路。b.当G=1(即G端输入高电平)时V6饱和导通，VD导通，UC21V，V4截止。同时UC6使V1管射极之一为低电平，V2、V5也截止。由于晶体管V4和V5同时截止，输出端相当于悬空或开路。b.由于输出端相当于悬空或开路。这时三态门相对负载而言呈现高阻抗，故称这种状态为高阻态或悬浮状态，也叫禁止状态。在禁止状态下，三态门与负载之间无信号联系，对负载不产生任何逻辑功能，所以禁止状态不是逻辑状态。由于输出端相当于悬空或开路。这时三态门相对负禁止状态不是逻辑状态，三态门也不是三值逻辑门，叫它“三态门”只是为区别于其它门的一种“方便称呼”。禁止状态不是逻辑状态，三态门也不是三值逻辑门，叫它“GABF1XX000001010011高阻1110三态门的真值表GABF1X(2)三态逻辑门等效电路(c)国际流行符号(b)国标符号(a)等效电路=A_A1ENF=0A1ENF=1=Z(高阻)1AFENENFAEN(2)三态逻辑门等效电路(c)国际流行符号(b)国标符号(3)三态门分类a.按逻辑功能分为三态门逻辑符号三态与非门三态非门(三态倒相门)三态与门三态缓冲门(3)三态门分类a.按逻辑功能分为三态门逻辑符号三态与a.G为低电平时门工作，G为高电平时禁止。称为低电平使能；三态门有两种控制模式：b.G为高电平时门工作，G为低电平时禁止。称为高电平使能。a.G为低电平时门工作，G为高电平时禁止。称为低电平使能b.按其内部的有源器件分为三态TTL门和三态MOS门。实现多路数在总线上的分时传送。(4)三态门的用途a.三态门广泛用于数据总线结构任何时刻只能有一个控制端有效，即只有一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。b.按其内部的有源器件分为三态TTL门和三态MOS门。实现b.双向传输当E=0时，门1工作，门2禁止，数据从A送到B；当E=1时，门1禁止，门2工作，数据从B送到A。工作原理：b.双向传输当E=0时，门1工作，门2禁3.异或门:异或门逻辑函数：(a)国标符号

(b)曾用符号

(c)国际流行符号同或门逻辑函数：=1(a)国标符号

(b)曾用符号

(c)国际流行符号A

B=13.异或门:异或门逻辑函数：(a)国标符号4.各种TTL门的性能比较TTL门主要有74系列，它是国际上通用的标准电路。TTL门的品种可分为以下几类：标准系列（74系列）高速型（74H系列、74F）低功耗型（74L系列）肖特基（Schottly）型（74S系列）低功耗肖特基型（74LS系列）改进低功耗肖特基型（74ALS系列）改进肖特基型（74AS系列）4.各种TTL门的性能比较TTL门主要有74系列，它是国际类型性能PD/mWTpd/nsM/pJ7474H74L74S74LS74AS74ALS10

22

1

19

2

22

110

6

33

3

9.5

1.5

4100132

33

57

19

33

4TTL电路的各系列性能比较类型7474H74L74S74LS3.2.4使用TTL门的几个实际问题1.输入端电阻对TTL门工作状态的影响

T2

T1

T3

+VCC

R

R1

R1

iB2

uI+－

uB1

iR

iB1当uI≈0.7V时，uB1达到1.4V，T1的集电结和T2的发射结导通，但T3仍截止。当自零开始逐渐增加R，则uI和uB1随之增加，T2一直处于截止状态；3.2.4使用TTL门的几个实际问题1.输入端电阻对T

T2

T1

T3

+VCC

R

R1

R1

iB2

uI+－

uB1

iR

iB1随着R增加，uI和uBI将继续增加。当uI≈1.4V时T3导通，输出低电平。这时uBI被钳制在2.1V，反过来使uI也限制在约1.4V。以后再增加R，则uI基本上维持在1.4V不变，这时iR将随R的增加而相应减小。T2T1T3+VCCRR1R1iB2uI+典型TTL与非门的ROFF=0.7kΩRON=2kΩ

T2

T1

T3

+VCC

R

R1

R1

iB2

uI+－

uB1

iR

iB1为使与非门可靠地工作在关门状态，R所允许的最大阻值叫该与非门的关门电阻，记作ROFF。为使与非门可靠地工作在开门状态，R所允许的最小阻值叫该与非门的开门电阻，记作RON。典型TTL与非门的ROFF=0.7kΩT2T1T3若R≥2kΩ，则该端相当于输入逻辑高电平。在工程技术中，常取ROFF=0.5kΩRON=2kΩ

T2

T1

T3

+VCC

R

R1

R1

iB2

uI+－

uB1

iR

iB1即当TTL与非门的某一输入端通过电阻R接地时：若R≤0.5kΩ，则该端相当于输入逻辑低电平；若R≥2kΩ，则该端相当于输入逻辑高电平。在工程技术中，常与非门7420在输出端空载情况下，实测的uI~R和uO~R关系曲线。与非门7420在输出端空载情况下，实测的uI~R和uO~R2.尖峰电流的影响uO理想曲线oooiEiEtt

IEH

IEL

UOH

IEL

UOL

IEH实际曲线tIEL和IEH分别为输出等于0和1时的电源电流。电源中的尖峰电流2.尖峰电流的影响uO理想曲线oooiEiEttIEH(1)尖峰电流对电路的影响a.电路间相互影响会导致逻辑上的错误；b.显著增加门的平均功耗。常用的办法是在靠近门电路的电源与地之间接一滤波电容。(2)解决办法uO理想曲线oooiEiEtt

IEH

IEL

UOH

IEL

UOL

IEH实际曲线t(1)尖峰电流对电路的影响a.电路间相互影响会导致逻辑3.不使用的输入端的处理:悬空?容易受外界信号干扰(1)与非门不使用输入端的接法&+VCC

uI(a)&+VCC

uI(b)3.不使用的输入端的处理:悬空?容易受外界信号干扰(1)(2)或非门不使用输入端的接法

uI+VCC1(a)+VCC

uI1(b)(2)或非门不使用输入端的接法uI+VCC1(a)3.3CMOS集成门电路CMOS（ComplementaryMOS）逻辑门电路是继TTL之后开发的一种数字集成器件。由于CMOS的工作速度可与TTL相媲美，而CMOS的功耗和扇出数则远优于TTL，CMOS的抗干扰能力也比TTL强。因此，CMOS电路可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件。目前，几乎所有的大规模集成电路都采用CMOS工艺制造，且费用较低。3.3CMOS集成门电路CMOS（Co国际上通用的CMOS数字电路主要有：我国上海元件五厂也开发了CC4000B系列，CC4000B系列与国际上同序号产品可互换使用。美国RCA公司开发的CD4000系列美国摩托罗拉公司开发的MC14500系列（即4500）后来发展了民用74高速CMOS系列电路（54系列为军用系列），其逻辑功能及外引线排列与相应的TTL74系列相同，工作速度相当，而功耗却大大降低，国际上通用的CMOS数字电路主要有：74HC系列,为CMOS电平。74系列常用的有两类：74HCT系列为TTL电平，可以与同序号TTL74系列互换使用。74HC系列,为CMOS电平。74系列常用的有两类：74HC不同系列CMOS门性能比较系列参数PD/mWTpd/ns(CL=15pF)M/pJ4000/4000B

74HC74HCT74BCT75

10

13

2.90.002

1.55

1.002

0.0003～7.50.1515.513.026

0.00087～22不同系列CMOS门性能比较系列4000/4000B73.3.1CMOS反相器1.CMOS反相器基本电路

uIT1T2+－g2g1s2d2

uO+－d1s1+VDD因为PMOS和NMOS在电气和逻辑特性上互补，即PMOS的电压极性以及电流方向都与NMOS相反，因而得名互补MOS（即CMOS）反相器电路。T1为NMOS管，称驱动管；T2为PMOS管，称负载管。电路由两个增强型MOS场效应管组成。3.3.1CMOS反相器1.CMOS反相器基本电路PMOS和NMOS由一个共同的信号控制，所以对于任意输入逻辑（0或1）互补的两个管子必然一个导通。a.当uI为低电平时输出电压为高电平UOH≈VDD由于MOSFET在截止时，其漏源极间的等效电阻109Ω以上，而导通时，其等效电阻仅几千欧。T1管截止，T2管导通。

uIT1T2+－g2g1s2d2

uO+－d1s1+VDDPMOS和NMOS由一个共同的信号控制，所以对于任意输入逻辑两该电路实现了反相逻辑功能

uIT1T2+－g2g1s2d2

uO+－d1s1+VDDb.当uI为高电平时输出电压为低电平T1管导通，T2管截止。UOL≈0V

两该电路实现了反相逻辑功能uIT1T2+－g2g1s2d2.CMOS反相器的电压传输特性a.反相器的阈值电压为UT≈1/2UDDb.传输特性接近理想开关特性。c.反相器噪声容限大，抗干扰能力强。2.CMOS反相器的电压传输特性a.反相器的阈值电压为U3.CMOS反相器的主要特点(1)静态功耗低反相器稳定工作时总是有一个管子处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流，因而静态功耗很低，有利于提高集成度。由于过渡区变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等。约为0.45UDD。(2)抗干扰能力强为了提高CMOS门电路的抗干扰能力，还可以通过适当提高UDD的方法来实现。3.CMOS反相器的主要特点(1)静态功耗低(5)