数电 第三章 门电路dan学习资料

第三章门电路内容提要：1、主要讲述数字电路的基本逻辑单元－－门电路，有TTL逻辑门、MOS逻辑门。2、半导体二极管门电路3、三极管门电路（TTL门电路）4、场效应管门电路（CMOS门电路）1本章主要内容3.1概述3.2半导体二极管门电路3.3CMOS门电路3.4*其他类型的MOS集成门电路3.5TTL门电路3.6*其他类型的双极型集成门电路3.7*Bi－CMOS电路3.8*TTL门电路与CMOS门电路的接口23.1概述1.门电路：实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等(1)正逻辑：在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑“1”，低电平表示逻辑“0”，在这种规定下的逻辑关系称为正逻辑.2.正负逻辑系统3(2)负逻辑：在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑“0”，低电平表示逻辑“1”，在这种规定下的逻辑关系称为负逻辑。3.1概述4正负逻辑式互为对偶式，即若给出一个正逻辑的逻辑式，则对偶式即为负逻辑的逻辑式，如正逻辑为或门，即Y=A+B，对偶式为YD＝AB。正负逻辑的使用依个人的习惯，但同一系统中采用一种逻辑关系，本书采用正逻辑.3.1概述同一逻辑电路采用不同的逻辑关系，其逻辑功能是完全不同的.53.高低电平的实现在数字电路中，输入输出都是二值逻辑，其高低电平用“0”和“1”表示。其高低电平的获得是通过开关电路来实现，如二极管或三极管电路组成。3.1概述其原理为：当开关S断开时，输出电压vo＝Vcc，为高电平“1”；当开关闭合时，输出电压vo＝0，为低电平“0”；若开关由三极管构成，则控制三极管工作在截止和饱和状态，就相当开关S的断开和闭合。63.1概述单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路（如CMOS门电路）。互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的，流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字电路中得到广泛的应用74.数字电路的优点3.1概述对元器件的精度和电源的稳定性的要求都比模拟电路要低，抗干扰能力也强。85.数字电路的分类：3.1概述（1）按集成度的不同，可分为≤100/片（100～1000）/片103~105/片105

以上/片9（2）按导电类型可分为3.1概述数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、工作原理103.2半导体二极管门电路3.2.1半导体二极管的开关特性将图中的开关用二极管代替，则可得到半导体二极管开关电路。11当vI＝VIH＝VCC时，D截止，输出电压vD＝VOH＝VCC当vi＝VIL＝0时，D导通，输出电压vD＝VOL＝0将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的开关特性称为稳态开关特性。3.2.1半导体二极管的开关特性一.二极管稳态特性：12二极管的开关特性:

正向导通时

UD≈0.7V（硅）

0.3V（锗）RD≈几Ω～几十Ω相当于开关闭合EDuiU(BR)0UonIS20℃1、正向特性13反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百kΩ）相当于开关断开EDuiU(BR)0UonIS20℃2、反向特性14理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！3、二极管的等效模型ED153.2.1半导体二极管的开关特性二.二极管动态特性：当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关特性（简称动态特性）二极管由反向截止到正向导通时，内电场的建立需要一定的时间，所以二极管电流的上升是缓慢的；当二极管由正向导通到反向截止时，二极管的电流迅速衰减并趋向饱和电流也需要一定的时间。16在输入信号频率较低时，二极管的导通和截止的转换时间可以认为是瞬间完成的。但在输入信号频率较高时，此时间就不能忽略了。3.2.1半导体二极管的开关特性将二极管由截止转向导通所需的时间称为正向恢复时间（开通时间）ton；二极管由导通转向截止所需的时间称为反向恢复时间（关断时间）tre，两者统称为二极管的开关时间，一般ton<<tretreton173.2.2二极管与门设VCC＝5V，输入高电平为VIH＝3V，低电平VIL＝0V，二极管的正向导通压降为VD＝0.7V当A、B中有一个是低电平0V时，至少有一个二极管导通，使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；当A、B都为高电平3V时，两个二极管同时导通，使得输出Y为3.7V，为高电平。183.2.2二极管与门规定3V以上为“1”0.7V以下为“0”3.7V3V3V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V0V0VYBA111001010000YBA其输出Y和输入A、B是与的关系，即193.2.3二极管或门当A、B中有一个是高电平3V时，至少有一个二极管导通，使得输出Y的电压为2.3V，为高电平；只有A、B中都加低电平0V时，两个二极管同时截止，使得输出Y为0V，为低电平。设VCC＝5V，输入高电平为VIH＝3V，低电平VIL＝0V，二极管的正向导通压降为VD＝0.7V203.2.2二极管或门其输出Y和输入A、B是与的关系，即规定2.3V以上为10V以下为02.3V3V3V2.3V0V3V2.3V3V0V0V0V0VYBA111101110000YBA21二极管构成的门电路的缺点:3.2.2二极管或门1.电平有偏移，导致前后级电平不匹配。2.带负载能力差：由于这种二极管门电路的输出电阻比较低，输出电平会随负载的变化而变化。VCC=5VR=3KD1A1B1Y1D2VCC=5VR=3KD1A2B2Y2D2223.3CMOS门电路

CMOS逻辑门电路是在TTL器件之后，出现的应用比较广泛的数字逻辑器件，在功耗、抗干扰、带负载能力上优于TTl逻辑门，所以超大规模器件几乎都采用CMOS门电路，如存储器ROM、可编程逻辑器件PLD等

国产的CMOS器件有CC4000(国际CD4000/MC4000)、高速54HC/74HC系列（国际MC54HC/74HC),此外还有兼容型的74HCT和74BCT系列（BiCMOS）先介绍74系列的反相器和逻辑门，再简单介绍其它系列的逻辑门23场效应管是一种利用电场效应来控制电流的半导体器件。其作用有放大、开关、可变电阻。特点：输入电流很小，耗能小；输入电阻很大；便于集成分类：结型（N沟道、P沟道） 绝缘栅型增强型（N沟道、P沟道） 耗尽型（N沟道、P沟道）3.3.1MOS管(绝缘栅）的开关特性24场效应管的结构及符号结型gdsN沟道gdsP沟道绝缘栅型gsdBN沟道gsdBP沟道增强型耗尽型gsdBN沟道gsdBP沟道25263.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理一、CMOS反相器的电路结构及工作原理T1为P沟道增强型MOS管，T2为N沟道增强型MOS管。构成互补对称电路1.结构：273.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理它们的开启电压分别为VGS（th）P、VGS（th）N，且|VGS（th）P|＝VGS（th）N

，并设VDD>|VGS（th)P|+VGS(th)N，2.工作原理当vI＝VIL＝0为低电平时，T2截止，T1管导通，输出电压为高电平，即283.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理当vI＝VIH＝VDD为高电平时，T2导通，T1管截止，输出电压为低电平，即29特点

1.无论vI是高电平还是低电平，T1和T2管总是一个导通一个截止的工作状态，称为互补，这种电路结构CMOS电路；2.由于无论输入为低电平还是高电平，T1和T2总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过T1和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理30二、电压传输特性和电流传输特性反相器电压传输特性是输出电压vo和输入vI之间的关系曲线。3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理1.电压传输特性31AB段：输入低电平3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理T1管导通，T2截止，输出电压为高电平，即CD段：输入高电平T1管截止，T2导通，输出电压为低电平，即32BC段：3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理T1、T2同时导通，若T1、T2参数完全相同，则332.电流传输特性3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理AB段：输入低电平T1管导通，T2截止，输出漏极电流近似为零电流传输特性是反相器的漏极电流随输入电压变化曲线，也分成三段：343.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理CD段：输入高电平T1管截止，T2导通，输出漏极电流近似为零35BC段：3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理T1、T2同时导通，有电流iD同时通过，且在vI＝VDD/2附近处，漏极电流最大，故在使用输入电压不应长时间工作在这段，以防由于功耗过大而损坏。36三、输入端噪声容限3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理由电压传输特性可知，在输入电压vI偏离正常低电平或高电平时，输出电压vo并不随之马上改变，允许输入电压有一定的变化范围。输入端噪声容限：是指在保证输出高、低电平基本不变（不超过规定范围）时，允许输入信号高、低电平的波动范围1.定义：372.计算方法3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理输入噪声容限分为输入高电平噪声容限VNH和输入低电平噪声容限VNL。如果是多个门电路相连时，前一级门电路的输出即为后一级门电路的输入.38其中：3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理VOH（min）－输出高电平最小值VOL（max）－输出低电平最大值VIH（min）－输入高电平最小值VIL（max）－输入低电平最大值39则输入噪声容限为3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理40输入噪声容限和电源电压VDD有关，当VDD增加时，电压传输特性右移3.3.2CMOS反相器的电路结构和工作原理结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限413.3.3CMOS反相器的静态输入和输出特性

CMOS反相器的静态（不考虑输入输出延迟）输入和输出特性为输入端和输出端的伏安特性一、输入特性输入特性是从CMOS反相器输入端看其输入电压与电流的关系。由于MOS管的栅极和衬底之间存在SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对由MOS管所组成的CMOS电路，必须采取保护措施。42CMOS反相器的两种常用保护电路其中D1和D2，正向导通压降为VDF＝0.5V～0.7V，反向击穿电压约为30V，D2为分布式二极管，可以通过较大的电流，RS的值一般在1.5~2.5KΩ之间。C1和C2为T1和T2的栅极等效电容43在输入信号正常工作范围内，即0≤vI≤VDD，输入端保护电路不起作用。当vI

>VDD+VF时，D1导通，将栅极电位vG钳位在VDD+VF，而当vI

<-VF时，D2导通，将栅极电位vG钳位在－VF，这样使得C1、C2不会超过允许值。44其输入特性:CMOS反相器的输入特性D1、D2截止D1或D2导通D1或D2导通45二、输出特性输出特性为从反相器输出端看输出电压和输出电流的关系，包括输出为低电平输出特性和输出为高电平输出特性。1.低电平输出特性在输入为高电平，即vI＝VIH＝VDD时，此时T1截止，T2导通，电流从负载注入T2。输出电压VOL随电流增加而提高。46其特性曲线：实际上是T2管漏极电流iD和漏源电压vDS之间的关系472.高电平输出特性在输入为低电平，即vI＝VIL＝0时，此时T1导通，T2截止，电流从T1管流出到负载。电流的实际方向与所设方向相反输出电压VOH＝VDD－IOHRON1随电流增加而下降。48其特性曲线：vGS越负，电压下降的越少。493.3.4CMOS反相器的动态特性一、传输延迟时间tPHL和tPLH前面的输入输出特性为静态特性，没有考虑电路转换状态时的延迟，动态特性要考虑传输延迟时间。由于MOS管的寄生电容和负载电容的存在，使得输出电压的变化滞后输入电压的变化，将输出电压变化滞迟后与输入电压变化的时间成为传输延迟时间。tPHL－输出由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间tPLH－输出由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间tpd－平均传输延迟时间，tpd＝（tPHL＋tPLH）/2CMOS电路tPHL＝tPLH50CMOS非门的输入输出波形。tPHL－输入电压前沿上升到幅值的50％与输出后沿下降到幅值的50％之间的差值tPLH－输入电压后沿下降到幅值的50％与输出前沿上升到幅值的50％之间的差值51二、交流噪声容限交流噪声容限是在窄脉冲作用下，输入电压允许变化的范围。由于电路中存在着开关时间和分布电容的充放电过程，因而门电路输出状态的改变，直接与输入脉冲信号的幅度和宽度有关，当输入脉冲信号的宽度接近于门电路传输延迟时间的情况下，则需要较大的输入脉冲幅度才能使电路的输出发生变化。也就是说门电路对窄脉冲的噪声容限要高于直流噪声容限。52二、交流噪声容限交流噪声容限在不同VDD时交流噪声容限与噪声电压作用时间的关系它反映CMOS反相器的动态抗干扰能力。其中tw

是脉冲宽度。VNA=f（tw）输入为不同宽度窄脉冲时CMOS反相器的交流噪声容限曲线。53三、动态功耗当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定状态过程中，将产生附加的功耗，称为动态功耗。它包括对负载电容充放电的功耗PC和在两个管子同时导通时的功耗PT。其中：CL－负载电容

f－输入信号的频率

VDD－漏极电源电压电容充放电的功耗为54两个管子同时导通时的功耗PT为其中：CPD－功耗电容，厂家给出55总的动态功耗为CMOS反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即其中：PS－静态功耗，由于稳定时无论输入是高电平还是低电平，总有一个管子是截止的，故静态功耗很小，故在计算总功耗时，一般只计算动态功耗。563.3.5其他类型的CMOS逻辑门1.CMOS与非门T1、T3为两个并联的PMOS，T2、T4为两个串联的NMOS*A、B有一个为“0”时，T2、T4至少有一个截止，T1、T3至少有一个导通，故输出为高电平，Y＝1CMOS与非门一、其他逻辑功能的CMOS门电路**A、B同时为“1”时，T2、T4同时导通，T1、T3同时截止，故输出为高电平，Y＝057T1、T3为两个串联的PMOS，T2、T4为两个并联的NMOS2.或非门：A、B有一个为“1”时，T2、T4至少有一个导通，T1、T3至少有一个截止，故输出为低电平，Y＝0A、B同时为“0”时，T2、T4同时截止，T1、T3同时导通故输出为高电平，Y＝1

CMOS或非门583.带缓冲级的CMOS门电路上面电路存在的问题：（以与非门为例）①输出电阻RO受输入状态的影响；59②输出的高低电平受输入端数目的影响输入端数目愈多，输出为低电平时串联的导通电阻越多，低电平VOL越高；③输入状态不同对电压传输特性有影响，使T2、T4达到开启电压时，输入电压vI不同输出为高电平时，并联电阻也多，输出高电平VOH也提高60带缓冲级的CMOS与非门电路带缓冲级的CMOS门电路其输出电阻、输出高低电平均不受输入端状态的影响，电压传输特性更陡。61二、漏极开路输出的门电路（OD门）

为了满足输出电平的变换，输出大负载电流，以及实现“线与”功能，将CMOS门电路的输出级做成漏极开路的形式，称为漏极开路输出的门电路，简称OD（Open－DrainOutput）门与非门和非门都是CMOS逻辑门，输出管为漏极开路的NMOS门

OD输出与非门74HC03电路结构图OD门1.结构和符号62

OD门的逻辑符号2.工作原理在使用OD门时，一定要将输出端通过电阻（叫做上拉电阻）接到电源上OD门63当A、B有一个为低电平，则TN截止，输出vo＝VDD2，为高电平；当A、B同时为高电平，则TN导通，输出vo＝0，为低电平。故输出输入的逻辑关系为由此可见，输出高电平可以改变，故可作电平转换643.“线与”的实现普通的CMOS逻辑门输出端不能并联使用，但OD门可以将输出端直接相接，即实现线与逻辑。线与逻辑电路的接法65其工作原理为：

线与逻辑电路的接法当Y1、Y2有一个为低电平时，则为低电平；只有Y1、Y2同时为高电平，两个输出管同时截止，输出为高电平，Y和Y1、Y2为与的关系66输出端逻辑式为故OD门的线与实现了与或非的逻辑功能。4.上拉电阻RL的计算在使用OD门做线与时，一定外接上拉电阻RL。但RL的大小会影响驱动门输出电平的大小。RL上的压降不能太大，否则高电平会低于标准值；RL上的压降不能太小，否则低电平会高于标准值。故RL的取值要合适。674.上拉电阻RL的计算设有n个OD门的输出端并联使用，负载为CMOS与非门的输入端。①OD门输出为高电平当所有的OD门输出管截止输出为高电平时，其电流的方向如图。68若OD门输出管输出管截止时的漏电流为IOH，负载门输入高电平时的输入电流为IIH，n为并联OD门（驱动门）的个数，m为负载门输入高电平电流的个数，则有OD门输出高电平下限值69②OD门输出为低电平当只有一个OD门输出管导通时，其电流的实际流向如图所示。其中IIL是每个负载门低电平输入电流的绝对值；IOLmax是OD门最大允许的负载电流。，则OD门输出低电平上限值705.OD门的特点：6.OD门的应用①通过改变VDD2的值，来改变输出高电平VOH的大小；②OD门的输出管设计尺寸较大，可以承受很大的电流和电压，故可以直接驱动小型继电器。①实现与或非逻辑71②电平转换由于OD门的高电平可以通过外加电源改变，故它可作为电平转换电路。一般CMOS与非门的电平0~12V，而TTL门为0~3.6V。若需要将CMOS逻辑电平转换为的TTL逻辑电平，只要将负载电阻接到5V电源即可。72③实现数据采集可实现母线（总线）的数据的接收和传送可利用选通信号SA～SC来实现对不同通道数据的采集，并输送到母线上。接收时，利用选通信号SD～SG来实现数据从不同通道输出。73例3.3.1试为图中电路的外接电阻RL选定合适的阻值。已知G1、G2为OD与非门74HC03，输出管截止时的漏电流为IOHmax＝5μA，输出管导通时允许的最大负载电流为IOLmax＝5.2mA。G3、G4和G5均为74HC00系列与非门，它们的低电平输入电流和高电平输入电流为1μA。，要求OD门的高电平VOH≥4.4V，低电平VOL≤0.33V.74解：驱动管输出为高电平时驱动管输出为低电平时则可取RL＝10kΩ75CMOS传输门的电路图及逻辑符号。三、CMOS传输门其中T1为NMOS管，T2为PMOS管，C和C

为一对互补控制信号

CMOS传输门

1.电路结构及逻辑符号762.工作原理若CMOS传输门的一端接输入电压vI，另一端接负载电阻RL。传输门的工作电路设RL>>RON，VIH＝VDD，VIL＝0。C的高低电平为VDD和0，则（1）C＝0，C

＝1只要vI在0～VDD之间变化，T1和T2同时截止，输入和输出为高阻态，传输门截止，输出vo＝077（2）C＝1，C

＝0在vI在0～VDD时，若0<vI<VDD-VGS(th)N，T1管导通，T2管截止，输出为vo＝vI；若|VGS(th)P|<vI<VDD，T1管截止，T2管导通，输出为vo＝vI

CMOS的工作状态0<vI<VDD-VGS(th)N|VGS(th)P|<vI<VDD783.特点a.由于T1和T2管的结构对称，即漏源可以互换，故CMOS传输门输入双向器件，其输出端和输入端也可以互换使用；b.利用CMOS传输门和CMOS反相器可以组成各种复杂的逻辑电路，如一些组合逻辑电路，象数据选择器、寄存器、计数器等。c.利用CMOS传输门可以组成双向模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号，这一点是其它一般逻辑门无法实现的。*CMOS双向模拟开关

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CMOS双向模拟开关电路是由CMOS传输门和反相器组成。和CMOS传输门一样，它也是属于双向器件。其工作原理为：当C＝1,开关闭合，vo＝vI；当C＝0,开关断开，输出高阻态。

CMOS双向模拟开关的电路及符号80当C＝1时，开关接通，输出电压为当C＝0时，开关截止，则在电路中，CMOS双向模拟开关接在输出端的电阻为RL，双向模拟开关的导通电阻为RTG81其中KTG为输出电压和输入电压的比值，称为电压传输系数，即注：a.为了得到尽量大且稳定的电压传输系数，应使RL>>RTG.b.由于MOS管的导通内阻是栅源电压vGS的函数，而vGS

又和输入电压有关，故RTG和输入电压有关。为了减小RTG的变化，通常在电路上做了改进，尽量降低RTG。82四、三态输出的CMOS门电路三态反相器，也称为输出缓冲器，输出的状态不仅有高电平、低电平，还有第三态－高阻态

CMOS三态门的电路及符号83其工作原理为其中EN

为使能端，且低电平有效，即EN

＝0，Y＝A

低电平有效CMOS三态门形式有多种，它也可以在CMOS反相器基础上加控制电路构成，84a.总线结构只要分时控制各三态门的E（E

）端，就能把各个门的数据输入信号按要求依次送到总线，进行数据传输。但注意使能端不能同时为“1”三态门的应用它可以实现线与的功能，即输出端可以并联。85b.数据的双向传输当EN＝1时，三态门G1输出为Do，G2输出为高阻态；当EN＝0时，三态门G1输出为高阻态，G2输出为D1＝Do3.3.6CMOS电路的正确使用（自学）3.4*其他类型的MOS集成电路（自学）86一、

双极型三极管的结构（自学）3.5.1双极型三极管的开关特性3.5TTL门电路二、

双极型三极管的输入特性和输出特性（自学）三、

双极型三极管的基本开关电路晶体三极管开关电路三极管替代开关873.5.2TTL反相器的电路结构和工作原理

TTL—Transistor-TransistorLogic(三极管－三极管逻辑），TTL逻辑门就是由双极型晶体三极管构成的逻辑门电路。

TTL逻辑器件分成54系列和74系列两大类，其电路结构、逻辑功能和电气参数完全相同。不同的是54系列工作环境温度、电源工作范围比74系列的宽。

74系列工作环境温度为00C～700C,电源电压工作范围为5V±5%；而54系列工作环境温度为－550C～+1250C,电源电压工作范围为5V±10%.88一、电路结构由T1、R1和D1组成输入级。

TTL反相器的电路设：VCC＝5V，VIH＝3.4VVIL＝0.2V，PN结的导通压降为VON＝0.7V由T2、R2和R3组成倒相级。由T4、T5、R4、D2组成推拉式输出级构成的。89①当vI＝VIL＝0.2V时T1导通T2截止T4导通T5截止D2导通vo＝VOH≈VCC

－IB4R2－2VON

≈3.4V输出为高电平

TTL反相器的电路0.9V3.4V0.2V90①当vI＝VIH＝3.4V时T1截止T2导通T4截止T5导通D2截止vo＝VOL≈VCE（sat）≈0.2V输出为低电平

TTL反相器的电路2.1V0.2V3.4V则输出和输入的逻辑关系为91特点：①输入为高电平时，T1处于“倒置”状态，其电流放大系数远远小于1。②推拉式输出结构由T4和T5构成TTL反相器推拉式输出，在输出为高电平时，T4导通，T5截止；在输出为低电平时，T4截止，T5导通。由于T4和T5总有一个导通，一个截止，这样就降低输出级的功耗，提高带负载能力。92当输出为高电平时，其输出阻抗低，具有很强的带负载能力，可提供5mA的输出电流当输出为低电平时。其输出阻抗小于10Ω,可灌入电流14mA，也有较强的驱动能力。③二极管D1是输入级的钳位二极管，作用：a.抑制负脉冲干扰；b.保护T1发射极，防止输入为负电压时，电流过大，它可允许最大电流为20mA。93二、电压传输特性TTL反相器输出电压随输入电压变化的曲线，称为电压传输特性。TTL反相器的电压传输特性94a.AB段：TTL反相器的电压传输特性95b.BC段：TTL反相器的电压传输特性96c.CD段：TTL反相器的电压传输特性97d.DE段：图3.5.10TTL反相器的电压传输特性98三、输入噪声容限从电压传输特性看，当输入电压vI偏离正常低电平（0.2V）升高，在一定范围内，输出高电平并不立刻改变。同样当输入电压偏离正常高电平（3.4V）降低，在一定范围内，输出低电平并不立刻改变TTL反相器的电压传输特性在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化大小不超出允许范围）的条件下，输入电平的允许波动的范围称为输入端抗干扰容限（噪声容限）。分为输入为高电平噪声容限VNH和输入为低电平噪声容限VNL。99计算方法与CMOS电路一样，其输入高电平噪声容限VNH和输入低电平噪声容限VNL的计算方法为

TTL反相器噪声容限的计算74系列典型值为：VOH（min)=2.4V,VOL（max)=0.4V,VIH（min)=2.0V,VIL（max)=0.8V,VNH=0.4V,VNL=0.4V,1003.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性对于TTL反相器，输入电流随输入电压的变化关系，称为输入特性，其输入端的等效电路如图。一、输入特性101a.当输入为低电平时，即vI＝0.2V，若VCC＝5V，则TTL反相器的输入电流为当vI＝0时此电流IIS称为输入短路电流，在TTL门电路手册中给出，由于和输入电流值相近，故分析和计算时代替IIL。102b.当输入为高电平时，即vI＝3.4V，T1发射结截止，处于倒置状态，只有很小的反向饱和电流IIH，对于74系列的TTL门电路，IIH在40μA以下TTL反相器的静态输入特性如图所示

TTL反相器的静态输入特性IISD1导通输入低电平输入高电平103二、输出特性分为高电平输出特性和低电平输出特性。1.高电平输出特性当输出为vO＝VOH时，T4、D2导通，T5截止，等效电路如图输出高电平等效电路104其高电平输出特性曲线如图所示输出高电平特性曲线输出高电平等效电路实际方向在

iL<5mA时，由于T4为射极输出，故输出电阻低，输出电压vo几乎不随负载电流变化。iL>5mA时，T4进入饱和状态，输出电压vo随负载电流变化几乎线性下降。由于功耗限制，手册上的高电平输出电流要远小于5mA。74系列最大为IOH（max）＝－0.4mA1052.低电平输出特性当输出为vO＝VOL时，T4、D2截止，T5导通，等效电路如图所示输出低电平等效电路106其低电平输出特性曲线如图所示输出高电平等效电路

输出低电平特性曲线1073.扇出系数（Fan-out）的计算扇出系数就是一个门电路驱动同类型门电路的个数。也就是表示门电路的带负载能力。G1门为驱动门，G2、G3

为负载门，N为扇出系数。

扇出系数的计算IOLIIL实际方向当输出为低电平时，设可带N1个非门，则有108当输出为高电平时，设可带N2个非门，则有扇出系数的计算IOHIIH则取N＝min｛N1，N2}由于门电路无论是输出高电平还是低电平时，均有一定的输出电阻，故输出电压都要随负载电流的改变而发生变化。这种变化越小，说明门电路带负载的能力越强。有时用输出电平的变化不超过某一规定值时允许的最大负载电流来表示门电路的带负载能力。109例3.5.2已知74系列的反相器输出高低电平为VOH≥3.2V,VOL≤0.2V，输出低电平电流为IOL（max）＝16mA，输出高电平电流为IOH（max）＝4mA，输入低电平电流IIL＝－1mA，输入高电平电流IIH＝40μA，试计算门G1可带同类门的个数扇出系数的计算解：当G1输出为低电平时，有110当G1输出为高电平时，有扇出系数的计算故取N＝10，即门G1可带同类门的个数为10个1113.5.5其他类型的TTL与非门一、其他逻辑功能的门电路1.与非门

TTL与非门电路输入级倒相级输出级112工作原理：

TTL与非门电路输入级倒相级输出级故：注意：1.由于与非门电路结构和电路参数与反相器相同，故反相器的输出特性也适用于与非门；1132.在计算与非门每个输入端的输入电流时，应根据输入端的不同工作状态分别对待。当把两个输入端并联使用时，等效电路如图。若输入端接低电平时，输入电流的计算和反相器相同，即若输入端接高电平，T1的两个发射结反偏，故输入电流为单个输入端高电平输入电流的2倍。IIII114例3.5.5已知TTL与非门的参数为IOH＝0.5mA，IOL＝8mA，IIL＝－0.4mA，IIH＝40μA，问可以驱动多少个同类逻辑门？解：设输出为高电平时，可以带N1个同类逻辑门，则

2N1IIH≤IOH设输出为低电平时，可以带N2个逻辑门，则N2IIL≤IOL故取N＝121152.或非门TTL或非门的电路，其输出为

TTL或非门的电路116①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为了使TTL与非门能实现线与功能，把输出级的去掉D3

、T4管，使T5管的集电极开路，就构成集电极开路门，即OC门。推拉式输出电路结构的局限性二、集电极开路与非门（OC门－OpenCollectorGate）与OD门一样，为了实现线与构，TTL与非门也可以采用集电极开路的形式1172.OC门的结构特点OC门的电路和结构和符号，输出管的集电极开路。118工作时需外接负载和电源。若利用OC门实现线与功能，则将几个OC门的输出并联起来用一个上拉电阻即可3.线与的实现119工作原理：只有Y1、Y2有一个为低电平，Y即为低电平；只有Y1、Y2同时为高电平，Y才为高电平；即1204、外接负载电阻RL的计算外接电阻RL的取值合适与否，决定驱动门输出电平是否在允许值之内当输出为高电平时，所有的驱动管都截止。RL取值不能太大，否则VOH会降低，小于VOH（min）a.驱动管输出为高电平时输出为高电平的情况VOHIOHIIH121则

输出为高电平的情况VOHIOHIIH其中n－驱动管的个数m－负载管输入端的个数IOH－每个OC门T5管截止时的漏电流；IIH－负载门每个输入端的高电平输入电流122b.驱动管输出为低电平时当驱动管输出为低电平时，若只有一个驱动门的T5管导通，则RL取值不能太小，否则VOL会提高，大于VOL（max）。输出为高电平的情况VOLIOLIIL其中：m

－负载管的个数；IOL－OC门T5管导通时的电流；IIL－负载门每个输入端的短路输入电流1234.OC门的应用a.实现与或非逻辑－线与b.电平转换与OD门一样，由于OC门的高电平可以通过外加电源改变，故它可作为电平转换电路。124c.实现数据采集可实现母线（总线）的数据的接收和传送125例3.5.6试为电路中的外接电阻RL选定合适的阻值。已知G1、G2为OC门，输出管截止时的漏电流为IOH＝200μA，输出管导通时允许的最大负载电流为IOLmax＝16mA。G3、G4和G5均为74系列与非门，它们的低电平输入电流为IIL＝1mA，高电平输入电流为IIH＝40μA。要求OC门的高电平VOH≥3.0V，低电平VOL≤0.4V.解：当输出为高电平时126当输出为低电平时127作业题3.8题3.9题3.23题3.24128稳态时若合理选择电路的参数，即当vI=VIH，为高电平时，使得iB>IBS=VCC/βRC，三极管处于饱和导通状态，输出vo＝VOL

＝Vces≈0,为低电平；3.5.1双极型三极管的开关特性晶体三极管开关电路T当vI=VIL<VON(死区电压），为低电平时，使得三极管处于截止状态，输出vo＝VOH≈VCC,为高电平其中：硅管为0.3V,锗管为0.1V很小，为几十欧姆129例3.5.1电路如图3.5.2所示，已知VIH=5V，VIL=0V，β=20，VCE(sat)=0.1V，试计算参数设计是否合理3.5.1双极型三极管的开关特性5V-8V3.3KΩ10KΩ1KΩ图3.5.2例3.5.1的电路解：基极对地电路如图3.5.3所示图3.5.3130利用戴维南定理等效成电压源的形式如图3.5.4所示图3.5.33.5.1双极型三极管的开关特性图3.5.4其中：131等效电路如图3.5.5所示，则当VIH=5V时：3.5.1双极型三极管的开关特性故三极管T导通，其基极电流为管子的临界饱和时的基极电流为132由于3.5.1双极型三极管的开关特性故管子处于饱和状态，其输出为当VIH=0V时，其三极管T处于截止状态，则因此参数设计合理133三极管开关状态下的等效电路如图3.5.6所示3.5.1双极型三极管的开关特性四、双极型三极管的开关等效电路当三极管截止时，发射结反偏，iC≈0，相当开关断开；当三极管饱和时，发射结正偏，vCE＝VCE（sat）≈0，相当开关闭合。截止饱和(c)饱和时的等效电路图3.5.6阻值很小，忽略134五、双极型三极管的动态开关特性在动态情况下，三极管在截止和饱和导通两种状态迅速转换时，三极管内部电荷的建立与消失都需要一定的时间，故集电极电流的变化要滞后于输入电压的变化。3.5.1双极型三极管的开关特性即在开关电路中，输出电压的变化滞后于输入电压的变化，如图3.5.7所示。图3.5.7135六、三极管反相器3.5.1双极型三极管的开关特性三极管反相器就是三极管的开关电路，如图3.5.8所示图3.5.8三极管反相器只要参数选择合理，即当vI=VIL时，T截止，输出vO=VOH为高电平；当vI=VIH时，T饱和导通，输出vO=VOL为低电平，则Y＝A

136四、输入端的负载特性在实际使用时，有时需要在输入端和地之间或输入端和信号源低电平之间接入电阻RP。如图3.5.21所示由图可知，RP上的压降即为反相器的输入电压vI，即在RP<<R1（较小）的条件下，vI随RP几乎线性上升。但当vI上升到1.4V以后，T2和T5的发射结同时导通，将vB1钳位在2.1V左右，此时vI不再随RP的增加而上升。3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性137TTL反相器输入端负载特性曲线如图2.3.22所示。故一般对于TTL门电路，若输入端通过电阻接地，一般当RP≤0.7KΩ时，构成低电平输入方式；当RP≥1.5KΩ时，构成高电平输入方式。3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性138例3.5.3电路如图3.4.22所示，试写出各个电路输出端的表达式。解：3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性139解：vo1=VOH时，若使vI2≥VIH（min）

，则3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性例3.5.4在图3.5.23所示电路中，为保证门G1输出的高低电平能正确地传送倒门G2地输入端，要求当vo1=VOH时，vI2≥VIH（min）；当vo1=VOL时，vI2≤VIL（max）。试计算RP最大允许值。已知G1、G2均为74系的TTL反相器，VCC＝5V，VOH＝3.4V,VOL＝0.2V,VIH（min）＝2.0V，VIL（max）＝0.8V，IIH＝40μA，IIL＝40μA140当vo1=VOL时，G2门的输入管T1导通，如图3.5.24所示，若使vI2≤VIL（max），则3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性故取RP＝0.69kΩ141练习：电路如图3.5.25所示，试写出各输出端的逻辑式3.5.3TTL反相器的静态输入特性和输出特性1423.5.4TTL反相器的动态特性（自学）一、传输延迟时间信号通过一级门电路的延迟时间称为平均传输延迟时间，它是表示门电路工作速度的重要指标。如图3.5.26所示图3.5.26TTL反相器的动态波形tPHL－输出信号下降到Vm

/2相对于输入信号上升到Vm

/2之间的延迟时间tPLH－输出信号上升到Vm

/2相对于输入信号下降到Vm

/2之间的延迟时间原因：结电容和寄生电容的存在。TTL门的平均传输延时为3~40ns143二、交流噪声3.5.4TTL反相器的动态特性（自学）当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪声容限。（a）正脉冲噪声容限图3.5.27正脉冲噪声容限将输出为高电平由额定值降到2.0V时输入正脉冲的幅度称为正脉冲噪声容限，如图3.5.27所示144（b）负脉冲噪声容限3.5.4TTL反相器的动态特性（自学）图3.5.28负脉冲噪声容限将输出为低电平由额定值上升到0.8V时输入负脉冲的幅度称为负脉冲噪声容限，如图3.5.28所示145三、电源的动态尖峰电流3.5.4TTL反相器的动态特性（自学）1.两种状态下电源负载电流不等（空载情况下)1462、动态尖峰电流3.5.4TTL反相器的动态特性（自学）1473.与或非门3.5.5其他类型的TTL与非门与或非门电路如图3.5.33所示，图3.5.33与或非门电路与或门相比，输入管T1和T

1都是多发射极的三极管，构成与门电路，其输出为1484.异或门异或门电路如图3.5.34所示，则注：与门和或门是在与非门和或非门的基础上加了一级反相器构成。3.5.5其他类型的TTL与非门图3.5.34异或门电路AB（A＋B）′149例2.3.4如图2.3.36所示电路，各门均为TTL电路，输出高电平为VOH＝3.6V，VOL＝0.3V。电压表满量程为50V，内阻为20KΩ/V，试问对应给定输入信号A、B、C的取值（如表一)，开关S断开和闭合时V1和V2的值。3.5.5其他类型的TTL与非门150则当S断开时，相当此端加高电平，T2、T5导通，将T1的基极电位钳位在2.1V，故V1＝2.1-0.7=1.4V；当S闭合时，若此端输入为低电平，则相应的be结导通，将T1的基极电位钳位在0.3+0.7=1V，故V1＝1-0.7=0.3V；此端输入为高电平则与S断开相同解：对于门G2的输入端可以用图2.3.37所示电路来等效3.5.5其他类型的TTL与非门151故对应的输入输出如表二3.5.5其他类型的TTL与非门152三、三态TTL与非门（TSL－ThreeStateLogicGate）三态TTL与非门又叫三态门，它是在普通与非门电路的基础上附加控制电路构成的。其特点是除了输出高、低电平两个状态外，还有第三种状态，即高阻状态。其典型电路如图3.5.46所示它与普通与非门电路的主要差别是输入级多了一个使能端EN

和一个二极管D。图3.5.463.5.5其他类型的TTL与非门1.电路结构153其逻辑符号及逻辑功能如图3.5.47所示，控制端为低电平有效图3.5.47图3.5.463.5.5其他类型的TTL与非门2.工作原理（1）当EN

＝0时，P＝1，D截止，与非门为正常工作状态，即（2）当EN

＝1时，P＝0，D导通，T4截止；而P＝0使得T1导通，T2、T5截止，与非门为高阻态，即Y＝Z154图3.5.48所示是控制端为高电平有效的三态门，其符号如图3.5.49所示3.5.5其他类型的TTL与非门（1）当EN＝1时，P＝1，D截止，与非门为正常工作状态，即Y＝（AB）

（2）当EN＝0时，P＝0，D导通，T4截止；而P＝0使得T1导通，T2、T5截止，与非门为高阻态，即Y＝Z1553.三态门的用途3.5.5其他类型的TTL与非门图3.5.51总线结构图3.5.50数据的双向传输

TTL三态门除了电平转换，也可以构成数据的双向传输和总线结构，如图3.5.50和图3.5.51所示156电路如图3.5.52所示，试用表格方式列出各门电路的名称、输出逻辑式及当ABCD＝1001时各输出逻辑函数的取值。练习：3.5.5其他类型的TTL与非门157答案：3.5.5其他类型的TTL与非门1583.5.6TTL电路的改进系列(自学）为了满足用户的要求，即提高工作速度和降低功耗两个方面，在74系列逻辑门电路的基础上，出现了74H系列、74S系列、74LS系列、74AS系列和74ALS系列。下面简单介绍它们的电路结构和电气特性。门电路的综合性能指标－dp积：将传输延迟时间tpd和功耗P的乘积称为dp积，即对于门电路，dp值越小越好，说明门电路速度快，功耗低。159图3.5.523.5.6TTL电路的改进系列(自学）一、高速系列74H/54H（High-SpeedTTL）1.电路结构的改进：a.是输出级采用达林顿结构（减小输出电阻Ro）b.所有的电阻阻值降低了将近一倍电路如图3.5.52所示标准74系列1603.5.6TTL电路的改进系列2.性能特点与74系列相比采用达林顿管，其β提高，输出高电平时输出电阻减小，缩短对负载电容的充电速度；电阻的减小使得电平的转换加快，故其平均传输延迟时间比74系列门电路缩短一半，通常为10ns以内。但电阻减小又使得功耗增大161二、肖特基系列74S/54S（SchottkyTTL）3.5.6TTL电路的改进系列图3.5.54电路如图3.5.54所示

a.在74S系列的门电路中采用抗饱和三极管（或称为肖特基三极管）。是由普通的双极型三极管和势垒二极管（SBD－SchottkyBarrierDiode)组合而成。1.电路结构的改进162由于势垒二极管－SBD的开启电压很低，只有0.3V～0.4V，故三极管的集电结（b－c结）正向偏置后，SBD先导通，并把b－c结电压钳位在0.3V～0.4V。而且从基极流过来的过驱动电流也从SBD分流，从而有效地制止三极管进入过饱和状态。从而提高管子的开关速度，降低传输延迟时间3.5.6TTL电路的改进系列1633.5.6TTL电路的改进系列b.用有源泄放电路代替74H系列中的R3，加快输出管T5的导通和截止，从而缩短了电路的传输延迟时间；图3.5.54c.引进有源泄放电路可以改善门电路的电压传输特性，没有线性区,如图3.5.55

所示。图3.5.55d.减小电阻值，功耗增加；由于T5为浅饱和，故低电平升高。164三、低功耗肖特基系列74LS/54LS（Low-PowerSchottkyTTL）3.5.6TTL电路的改进系列电路如图3.5.42所示(P137)。1.电路结构的改进：a.仍然采用抗饱和三极管和有源泄放电路；b.用肖特基二极管SBD代替多发射极三极管；c.为了加快管子的开关速度，增加了D3和D4两个SBD管子。d.大幅度提高电路中各个电阻的阻值，另将R5接地改为接到输出端。2.74LS系列的优点传输延迟时间短,功耗降低1653.5.6TTL电路的改进系列1.74AS系列（AdvancedSchottkyTTL）：2.74ALS系列（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）为了降低延迟－功率积（dp积），采用较高阻值电阻，缩小器件的尺寸，在电路也做了局部的改进。其dp积是74系列门电路中最小的一种。电路和74LS系列相似，但采用低阻值电阻，故传输延迟时间较短，工作速度提高。但功耗要74LS系列的大些。四、74AS和74ALS系列注：在不同系列的TTL器件中，只要器件型号的后几位数码相同，则其逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。1663.6其他类型的双极型数字集成电路*（自学）DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被CMOS替代ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI（大规模集成电路）的内部电路···3.7Bi－CMOS电路*（自学）1673.8TTL电路与CMOS电路的接口*由于现在大规模集成电路中，存在着TTL和CMOS两种逻辑电路，故经常会遇到两种电路连接问题，即TTL和CMOS电路的接口问题。对于图3.8.1所示电路，无论何种门作为驱动门，都必须为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流。即要满足下列各式：其中n和m分别为负载电流中IIH、和IIL的个数。168一用TTL电路驱动CMOS电路1.用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路表3.8.1所示为部分TTL电路系列和CMOS电路系列的参数3.8TTL电路与CMOS电路的接口*表3.8.1-0.1×10－3-0.1×10－3-0.4-1.6IIL(max)/mA0.10.12040IIH(max)/μA0.810.80.8VIL(max)/V23.522VIH(min)/V44816IOL(max)/mA-4-4-0.4-0.4IOH(max)/mA0.10.10.50.4VOL(max)/V4.44.42.72.4VOH(min)/VCMOS(74HCT系列)CMOS(74HC系列)TTL(74LS系列)TTL(74系列)

电路种类参数名称169由表中可以看出3.8TTL电路与CMOS电路的接口*表3.8.1-0.1×10－3-0.1×10－3-0.4-1.6IIL(max)/mA0.10.12040IIH(max)/μA0.810.80.8VIL(max)/V23.522VIH(min)/V44816IOL(max)/mA-4-4-0.4-0.4IOH(max)/mA0.10.10.50.4VOL(max)/V4.44.42.72.4VOH(min)/VCMOS(74HCT系列)CMOS(74HC系列)TTL(74LS系列)TTL(74系列)

电路种类参数名称170解决的方法：在TTL电路的输出端与电源之间接入上拉电阻a.在CMOS电路电源电压较低时，其电路可采取图3.8.2所示电路,则其中IO为TTL电路输出级T5管截止时的漏电流由于IO和IIH都很小，只要RU不是足够大，可以做到3.8TTL电路与CMOS电路的接口*171b.在CMOS电路的电源电压较高时此时CMOS电路要求的VIH（min）比较高，超过TTL电路输出端能承受的电压，故应采取TTL的集电极开路（OC门），其上拉电阻RU的