第2章开关及门2010版

数字逻辑电路

第2章制作者：刘常澍、张涛、李志华、马欣、于洁潇第2章晶体管开关及门电路2．1晶体管的开关特性及简单门电路2．2TTL集成门电路2．3其他类型双极型数字集成电路2．4CMOS集成门电路引言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、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。在数字电路中，一般用高电平代表1、低电平代表0，即所谓的正逻辑系统。正逻辑00VVCC1只要能判断高低电平即可第2章晶体管开关及门电路引言所谓的负逻辑系统,

一般用高电平代表0、低电平代表1，分下面两种情况。负逻辑10VVCC000V−VCC12.1晶体管的开关特性及简单门电路

数字集成电路绝大多数都是由双极型二极管、三极管或单极型场效应管组成。这些晶体管大部分工作在导通和截止状态，相当于开关的“接通”和“断开”。用理想开关作参考：①接通时，开关的电阻为0，开关两端的电压降为0；②断开时，开关的电阻为无穷大，通过开关的电流为0；③接通与断开状态互相转换的过程所需时间为0；④以上特性不受环境条件(温度、气压等)的影响。2.1.1二极管的开关特性

静态开关特性：什么条件下导通，什么条件下截止动态开关特性：导通与截止两种状态之间转换过程的特性硅二极管的特性曲线

二极管PN结的电流方程1、二极管静态开关特性（1）二极管正向导通时的特点及导通条件A.

VDth

：门槛电压或称阈值电压、开启电压B.

VD：导通压降VD=0.7V视为硅二极管导通的条件二极管正向导通时的等效电路

二极管开关电路（正偏置）

（2）二极管截止时的特点及截止条件A.截止条件：VR<VDth

B.实际：VR≤0，保证二极管可靠截止C.VZ：二极管的反向击穿电压D.

IS：二极管的反向漏电流二极管反向截止时的等效电路

二极管开关电路（反偏置）

动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程。2、二极管动态开关特性3、二极管开关参数（1）tre反向恢复时间：二极管从导通到截止所需时间。二极管两端输入电压的频率过高，以至输入负电压的持续时间小于它的反向恢复时间时，二极管将失去其单向导电性。

（2）零偏压电容：二极管两端电压为零时,扩散电容和结电容的容量之和。影响二极管反向恢复时间最重要的因素。

4、二极管开关的应用举例vI

的极性使二极管正偏导通，则vI被传到输出端vO；vI

的极性使二极管反偏截止，则vI传不到输出端vO，输出为0。（1）脉冲极性选择电路（2）限幅电路4、二极管开关的应用举例（3）钳位电路4、二极管开关的应用举例2.1.2双极型晶体管的开关特性

三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态，在数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态。NPN型硅三极管开关电路及其特性

1、三极管的静态开关特性（1）三极管的截止状态和可靠截止的条件当vI很小，如vI<0.5V时：A.vBE小于开启电压，B－E间，C－E间都截止

B.C.三极管工作在Q1点或Q1点以下位置，三极管的这种工作状态叫截止状态

NPN硅三极管截止的条件为vBE≤0.5V，可靠截止的条件为vBE≤0V。1、三极管的静态开关特性（2）三极管的放大状态当输入电压vI≥0.7V时：A.vBE大于开启电压，B－E间导通B.vBE被钳在约0.7V

C.三极管工作在Q2点附近,于Q1和Q3之间,三极管的这种工作状态称为放大状态。1、三极管的静态开关特性（3）三极管的饱和状态和可靠饱和的条件当输入电压vI增加：A.iB增加，工作点上移，当工作点上移至Q3点时，三极管进入临界饱和状态。B.iB再增加，输出iC将不再明显变化VCE=VCES≈0.7V

C.工作点向上移至Q3点以上，饱和深度增加，进入可靠饱和状态。VCE=VCES≈0.3V

当输入电压vI增加：1、三极管的静态开关特性三极管的截止状态三极管的饱和状态NPN型硅三极管开关等效电路三极管作为开关使用时只需要：饱和状态和截止状态

输入信号为高电压时，应使三极管可靠地饱和；信号为低电压时，应使三极管可靠地截止。

1、三极管的静态开关特性ton=td

+tr

ton开通时间

td延迟时间

tr上升时间toff=ts+tftoff关断时间

ts存储时间

tf下降时间2、三极管的动态开关特性解：（1）计算vI＝VIL时三极管的截止情况等效电路如右上图，计算如下。例2-1

由三极管构成的电路如下图所示，已知三极管共发射极直流放大系数β＝50，计算在VIL＝0.3V，VIH＝3.6V输入信号的作用下，三极管是否能可靠截止和饱和。（1）计算vI＝VIL时三极管的情况满足截止条件vBE≤0，三极管在vI＝VIL时能够截止。（2）计算vI＝VIH时三极管的情况等效电路如下图，计算如下。满足饱和条件iB>IBS，三极管在vI＝VIH时能够饱和。iB＝i1－i2

；i1＝（VIH－VBES）∕RB1

；i2＝（VBES+VBB）∕RB2

1、NMOS管的工作特性及其曲线

G：栅极或称控制极D：漏极B：衬底S：源极2.1.2MOS管的开关特性VGS=0VVGS≥VGS(th)N(VT)1、NMOS管的工作特性及其曲线

G：栅极或称控制极D：漏极S：源极B：衬底VT：开启电压，也叫阈值电压VGS(th)N，一般为（2～3V）

转移特性曲线1、NMOS管的工作特性及其曲线

G：栅极或称控制极D：漏极S：源极B：衬底双极型三极管三个区：截止区、放大区、饱和区MOS管的三个区：截止区、恒流区、线性区漏极特性曲线1、NMOS管的工作特性及其曲线

（1）当vI(vGS)<VT时，截止区iD≈0mA，vO

＝VDD－iDRD≈VDD

,

RDS（off）极大，约为109Ω以上1、NMOS管的工作特性及其曲线

特性曲线开关电路（2）当vI(vGS)＞VT时，恒流区

截止等效电路特性曲线（3）当vI≥vm时，线性区

vO≈0V，iD很大，等效电阻RDS（on）很小，约为几百欧姆

Vm:

MOS管进入线性区的临界点电压，Vm的值与管子的特性、负载大小有关。1、NMOS管的工作特性及其曲线

开关电路线性等效电路（1）当vI(vGS)<VT时，截止区，相当于开关断开；（2）当VT<vI(vGS)≤vm时，恒流区，转换过渡；（3）当vI(vGS)≥vm时，线性区，相当于开关接通。2、NMOS管的开关特性（1）当vI=0V，vSG=-vI=0V<-VT，管子截止，（2）当vI=-10V，vSG=-vI=10V>-VT，线性区

RDS（off）3、PMOS管的开关特性4、MOS管的4种形式N沟道增强型N沟道耗尽型P沟道增强型P沟道耗尽型2.1.4分立元件构成的门电路

1、

二极管与门电路ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111用电平值表示用逻辑值表示Y=AB2、二极管或门电路

ABY0V0V-0.7V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111用电平值表示用逻辑值表示Y=A+B例2-1：已知二极管三输入与门和三输入或门以及三个输入信号的波形，根据与逻辑和或逻辑的功能，对应输入信号分别画出与门和或门的输出信号波形。三极管非门VAVF3V0.3V0V3.7VVAVF10013、

三极管非门电路

钳位二极管例2-3：由图所示电路，根据输入波形，画出输出Y的波形。解：由图可以看出，输出Y=Y1+Y2=AB+CD，根据“与”逻辑和“或”逻辑的性质，画出输出Y的波形晶体管门电路(分立元件)集成电路(TTL和MOS)可编程逻辑器件(CPLD、FPGA)数字电路集成电路优点:体积小、耗电少、重量轻、可靠性高等。

2.1

TTL（三极管-三极管逻辑）门电路RTL（Resister-TransistorLogic）电阻晶体管逻辑；DTL（Diode-TransistorLogic）二极管晶体管逻辑；HTL（High-ThresholdLogic）高阈值逻辑；TTL（Transistor-TransistorLogic）晶体管-晶体管逻辑；ECL（EmitterCoupledLogic）发射极耦合逻辑；I2L（IntegratedInjectionLogic）集成注入逻辑(IIL)。

常见的数字集成电路分为双极型和单极型两大工艺类双极型PMOS(P-MetalOxideSemiconductor)型;NMOS(N-MetalOxideSemiconductor)型;CMOS(Complementary-MOS)型

单极型2.2.1TTL与非门1、TTL与非门的电路结构（1）输入级T1、R1、D1和D2多发射极三极管,实现与逻辑

D1D2保护（2）分相级T2和R2、R3输入级在流过R1电流相同的情况下，使输出管T4有更大的基极电流，提高了带负载能力并提高了开关速度。分相级1、TTL与非门电路的结构输出级多发射极三极管,实现与逻辑

D1D2保护输入级分相级（3）输出级T3、T4、R4和D3T3和T4：推拉式电路。总是一个导通而另一个截止，有效地降低了输出级的静态功耗，提高了与非门的负载能力。2.2.1TTL与非门（1）输入有低（0.3V），输出必高0.3VVT1B=5V2、TTL与非门的工作原理VT1C=0.4V导通需1.4V‘L’1VVOVO=5V-VR2-VBE3-VD33.6V高电平！（1）输入有低（0.3V），输出必高2、TTL与非门的工作原理T2和T4截止3.6V3.6VVT1B=2.1VVT1C=1.4VVT2C=1VVT4B=0.7V（2）输入全高（3.6V），输出才低2、TTL与非门的工作原理VO‘H’全反偏饱和VO=0.3V（2）输入全高（3.6V），输出才低2、TTL与非门的工作原理D1、D2的作用：当输入电压低于0V时导通，避免T1发射结通过过大电流被钳在-0.7VD1、D2的保护作用2、TTL与非门的工作原理输入电压过低，低于0V传输特性曲线

TTL与非门的vO随输入电压vI变化的关系称为电压传输特性。3、TTL与非门的电压传输特性4.TTL与非门的参数从电压传输特性得到几个重要参数：(1)输出高电平：VOH(2)输出低电平：VOL空载时≥3.6V，标准值＝3.0V，一般≥2.4V即可称之为高电平。空载时≈0V，标准值＝0.3V，一般≤0.5V即可称之为低电平。(3)关门电平：VOFF使TTL与非门T4关断的输入电平，VOFF≥0.8V(4)开门电平：VON使TTL与非门T4导通的输入电平，VON≤1.8V4.TTL与非门的参数从电压传输特性得到几个重要参数：低电平噪声容限0.3V<VNL<0.8V高电平噪声容限2.4V<VNL<3.0V(5)阈值电压：

VthVth,当VI≤Vth时，

TTL门关断；当VI≥Vth时，

TTL门导通。4.TTL与非门的参数从电压传输特性得到几个重要参数：Vth≈1.4V2.2.2TTL与非门的特性1.输入特性TTL门的输入电流iI随输入电压vI变化的关系：输入短路电流IIS≤1.6mA输入低电平时高电平输入电流IIH≤40μA输入端接地电阻：关门电阻：ROFF≤910Ω开门电阻：RON≥2.5kΩ2.2.2TTL与非门的特性2.输入负载特性（1）低电平输出特性R1T1+5V前级后级流入前级的电流IOL(灌电流)2.2.2TTL与非门的特性3.输出特性（2）高电平输出特性前级后级流出前级电流IOH（拉电流）R1v1+5V2.2.2TTL与非门的特性3.输出特性前级前级输出为高电平时后级（3）扇出系数：与门电路输出驱动同类门的个数前级输出为低电平时前级后级（3）扇出系数：与门电路输出驱动同类门的个数输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）：标准TTL系列器件，规范值为NO≥8。IOL（max）越大,带灌电流负载能力越强;IOH（max）越大,带拉电流负载能力越强。（3）扇出系数：与门电路输出驱动同类门的个数4.空载功耗空载功耗是指与非门空载时电源总电流

ICC和电源电压VCC的乘积输出为高电平时的功耗为截止（与非门截止）功耗POFF，输出为低电平时的功耗为导通（与非门导通）功耗PON。POFF=VCCICCH，PON=VCCICCL，显然PON>POFF。标准系列TTL与非门的单门导通空载功耗约32mW5.传输延迟时间传输延迟时间为输入一个正脉冲对应的输出下降延迟时间和上升延迟时间的平均值输出波形相对输入波形的滞后时间称为传输延迟时间

tpd

集成电路一般平均传输延迟时间的单位是纳秒（ns）。

1、TTL集成电路悬空的输入端相当于接高电平。2、为了防止干扰，将不用的输入端接高电平，不要悬空。说明2.2.3其它TTL门电路

或非门、与或非门、三态门、集电极开路门（OC门）。

其中，或非门、与或非门等是指逻辑功能，而三态门、集电极开路门则是指逻辑门的输出结构，并非逻辑功能。1、TTL或非门A

BY3.6VB→C导通1.4VT2、T4导通1V1

13.6V0B→C导通低电平2.2.3其它TTL门电路A

BY0.3导通1.4VT2、T4导通1V1

101

00

103.6V00.4V0.7V低电平同理1、TTL或非门2.2.3其它TTL门电路A

B

Y0.3V导通0.4VT2、T4截止5V0

01

1

01

0

00

1

00.3V10.4V高电平1、TTL或非门2.2.3其它TTL门电路2、集电极开路TTL门（OC门)≥12.2.3其它TTL门电路“L”“H”i:Vcc→R4→T3→D3→T4因为输出电阻小，所以i很大。使输出低电平升高。功耗过大损坏管子。解决：输出级改为集电极开路

OC门的“线与”连接，共用一个负载电阻：Y=Y1∙Y22、集电极开路TTL门（OC门)2.2.3其它TTL门电路OC门的“线与”连接，输出端等效电路2、集电极开路TTL门（OC门)

表示开路输出，下画横线表示L型，即输出晶体管导通时为低电平。截止时为高阻状态。

表示开路输出，上画横线表示H型，即输出晶体管导通时为高电平。截止时为高阻状态。2.2.3其它TTL门电路2.2.3其它TTL门电路2、集电极开路TTL门（OC门)OC门可以驱动小型指示灯OC门可以驱动发光二极管LEDOC门可以驱动小型继电器说明：a.其中VC1可以和VCC不一样b.OC门的逻辑可以是任意逻辑3、三态输出TTL门（3S门）

如何实现？效果如何？与非门只有高电平、低电平两个状态为了使器件能够在数据总线构成时正确传输逻辑信号还应使输出不发送信号的状态呈现高阻状态，就像与其他电路断开一样，简称3S（ThreeState）门。问题：T3和T4应同时处于截止状态。2.2.3其它TTL门电路E＝1时，输出Y与输入A、B之间为正常的与非关系。E＝0时，T2和T4截止。同时，二极管D正偏导通，将T3的基极钳位在低电平，使T3也处于截止状态，从而实现了T3与T4同时截止。3、三态输出TTL门（3S门）

2.2.3其它TTL门电路需要增加一个控制输入端称为“使能”或“允许”，又有高电平有效和低电平有效两种方式。

(1)高电平有效方式符号3、三态输出TTL门（3S门）

2.2.3其它TTL门电路(2)低电平有效方式时，输出Y与输入A、B之间为正常的与非关系。时，T2和T4截止。同时，二极管D正偏导通，将T3的基极钳位在低电平，使T3也处于截止状态，从而实现了T3与T4同时截止。符号2.2.3TTL集成电路的系列产品系列特点54/74系列最早产品，中速器件，目前仍在使用。54H/74H系列74系列改进型，速度较74系列高，但功耗较大，目前已使用较少。54S/74S系列采用肖特基晶体管和有源泄放网络，速度较高，品种较74LS少。54LS/74LS系列低功耗肖特基系列，品种及生产厂家很多，价格很低，为目前集成电路中主要应用产品系列。54AS/74AS系列74S的后继产品，速度功耗有改进。54ALS/74ALS系列74LS后继产品，速度功耗有较大改进，但目前较74LS系列品种少，价格略高。/系列与74ALS及74AS类似，属高速型，目前产品较少。2.2.3TTL集成电路的系列产品54/74族TTL集成电路命名的规则，按以下几部分规定：①首标

②54/74族号

③系列规格

④集成电路的功能编号

⑤封装形式、材料其中“首标”由厂家给定，如：SN表示美国Texas公司标准双极电路，HD表示日本HITACHI公司数字电路；“系列规格”用H、S、LS、AS、ALS、F中的一个表示，如果不选，表示标准系列；“集成电路功能编号”为二到四位阿拉伯数字，用以表示不同功能，从00开始；封装形式有双列、扁平、LCC等，材料有陶瓷、金属、塑料等。例如，SN74LS00，HD74ALS00，SN74AS00，SN74S00，HD74H00，HD7400，它们的逻辑功能均相同，都是四2输入与非门。但在电路的速度及功耗等参数上有差别。SN

74

LS

00

P①②③④⑤CT:中国TTL2.2.3TTL集成电路的系列产品参

数

名7474H74S74LS最小输入高电平电压VIH(min)(V)2.02.02.02.0最大输入低电平电压VIL(max)(V)0.80.80.80.8最小输出高电平电压VOH(min)(V)2.42.42.72.7最大输出低电平电压VOL(max)(V)0.40.40.50.5最大输入高电平电流IIH(mA)0.040.050.050.02最大输入短路电流IIS(mA)－1.6－2.0－2.0－0.4最大高电平输出电流IOH(max)(mA)－0.4－0.5－1.0－0.4最大低电平输出电流IOL(max)(mA)1620208电源电压范围VCC(V)5±5%5±5%5±5%5±5%扇出系数NO(个)10101020平均传输延迟时间tpd(ns)10639.5最高时钟脉冲频率fCP(MHz)25508033表中电流方向规定流入门电路为正，流出门电路为负。不同型号的电路，电气参数不完全相同，具体参数应查看相关技术手册。2.3其他类型双极型数字集成电路2.3.1ECL（发射极耦合逻辑）门电路ECL（EmitterCoupledLogic）是电流开关型的电路，双极型的集成电路中工作速度最高，传输延时可短至1nS以下。ECL基本电路输出vO1和vO2则你高我低，抑或我高你低。VR是基准电压，欲使T2管截止，T1管导通，vI应低于（−1.9+0.7）V；欲使T2管导通，T1管截止，vI应高于（−1.9+0.7）V。高低逻辑电平差别小，即逻辑摆幅小，约为0.8V，与其他器件不兼容。2.3其他类型双极型数字集成电路2.3.1ECL（发射极耦合逻辑）门电路ECL门或/或非门电路形式ECL基本电路形式是或/或非门，负载电阻常用外接形式，即发射极开路输出，或/或非门符号发射极开路输出(OE)符号2.3其他类型双极型数字集成电路2.3.2I2L(集成注入逻辑)门电路I2L（IntegratedInjectionLogocIIL）电路的基本单元极其简单，因而功耗小、集成度高。I2L基本电路PNP管用作恒流源，电阻在集成电路外接。简单电路画法2.3其他类型双极型数字集成电路2.3.2I2L(集成注入逻辑)门电路I2L（IntegratedInjectionLogocIIL）电路的基本单元极其简单，因而功耗低、集成度高。I2L或／或非门电路形式高低逻辑电平差别小，即逻辑摆幅小，约为0.6V，与其他器件不兼容。但可以用其作为核心逻辑电路，外围端口制作成TTL型，因它们的工艺是兼容的。或/或非门符号2.4.1CMOS反相器的电路结构和工作原理1、CMOS反相器的电路结构

CMOS反相器是由NMOS管T1和PMOS管T2组成的互补式电路。通常以PMOS管作负载管，NMOS管作驱动管。采用单一正电源供电。

T1和T2的栅极G并联为反相器的输入端，漏极D并联作为反相器的输出端。工作时，T2的源极接电源正极，T1的源极接地。2.4

CMOS集成门电路2、CMOS反相器的工作原理

A.当输入信号VI=VIL=0V时NMOS管的栅源电压vGS1=0＜VT1，所以T1管截止,内阻高达108Ω；PMOS管的栅源电压vGS2=-VDD＜VT2，即|vGS2|>|VT2|，T2管导通，导通电阻小于1kΩ。VOH≈VDDB.当输入信号vI=VIH=VDD时NMOS管的栅源电压vGS1=VDD>VT1，所以T1管导通,导通电阻小于1kΩ

；PMOS管的栅源电压|vGS2|=0<|VT2|

，T2管截止，内阻高达108Ω。VOL≈0V

T1、T2参数对称，输入高电平和低电平时，总是一个导通，一个截止，即处于互补状态，所以把这种电路结构称为互补对称结构。

3、电压传输特性和电流转移特性ab

区：由于输入电压VI<VT1，因此vGS1<VT1，NMOS管T1截止，而|vGS2|>|VT2|，故PMOS管T2导通，并工作于线性区，导通电阻约500Ω左右。输出电压为高电平VOH≈VDD。bc区：由于VI升高，致使vGS1>VT1，NMOS管T1开始导通，此时VO仍然较高，使vGD1<VT1，因而T1工作在内阻较高的恒流区，而T2仍工作于低阻的线性区。T2和T1的分压结果使输出高电平开始下降，但输出电平仍较高。iD≈0。iD则随VI升高不断增大。3、电压传输特性和电流转移特性de区：vI继续增加，vO进一步下降，使T1进入低内阻的线性区，而T2仍工作于高内阻的恒流区，输出电压下跌，并趋向低电平。ef区：vI的增加，使|vI–VDD|<|VT2|，即|vGS2|<|VT2|后，T2截止，同时T1工作于低阻线性区，因此，输出电压vO=VOL≈0。cd区：随着vI升高，vO继续下降，使|vGS2|>|VT2|，|vGD2|<|VT2|，因此，T1和T2均工作于恒流区。所以vI很小的变化便会引起输出电压vO的急剧变化。且iD增至最大。此区常称为转折区或过渡区。转折区对应的输入电压称为转折电压或阈值电压Vth。转折区对应的漏极电流iD是最大的iD则由最大减至最小此时，iD≈0。1.静态输入特性2.4.2CMOS反相器的输入特性和输出特性输入保护电路RS的阻值一般在1.5～2.5KΩ之间，二极管正向导通电压VDF=0.5～0.7V，反向击穿电压约为30V。C1和C2分别表示T1和T2的栅极等效电容。1.静态输出特性2.4.2CMOS反相器的输入特性和输出特性输出高电平情况输出特性曲线输出低电平情况T1、T2是两个串联的NMOS驱动管（相当于两个串联开关）；T3、T4是两个并联的PMOS负载管。

(a)当A=B=０，T1、T2截止T3、T4导通则Y=1(b)当A=1、B=０，T2、T3

导通则Y=1T1、T4截止(c)当A=0、B=1，T1、T4导通T2、T3截止(d)当A=B=1，T1、T2导通T3、T4截止1.CMOS与非门2.4.3其他CMOS集成门电路则Y=1则Y=0

两个并联的NMOS管T1和T2作为驱动管（相当于并联开关）；两个串联的PMOS管T3和T4作为负载管。

1.CMOS或非门2.4.3其他CMOS集成门