《数字电子技术》-第3章 逻辑门电路

3.1概述3.1.1数字集成逻辑电路的分类目前，在数字电路中使用的集成逻辑电路，按照构成集成电路的半导体器件类型来分，可以分成两类:一类是由二极管、三极管等双极型半导体器件构成的双极型逻辑电路，最早的双极型逻辑电路由二极管和三极管构成，简称DTL电路，后来人们对DTL电路加以改进，提高速度，降低功耗，提高抗干扰能力，研究出了由三极管和三极管构成的TTL逻辑电路和开关速度最快的射极藕合的ECL逻辑电路、直流噪声容限大即抗十扰能力最强的HTL逻辑电路、高集成度的IZL电路等;下一页返回3.1概述

另一类是由场效应管构成的单极型逻辑电路，场效应管分结型和绝缘栅两种，绝缘栅场效应管组成的集成电路也叫MOS集成电路。双极型和单极型这两类逻辑电路的电气特性、参数特点不同。按照电路的结构不同，数字集成逻辑电路可分为分立元件电路和集成电路。按照所完成的逻辑功能的不同，数字集成逻辑电路可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路，这两类电路的不同之处主要是组合逻辑电路没有记忆功能，时序逻辑电路有记忆功能，本书就是以逻辑功能的不同为主线展开学习内容的。下一页返回上一页3.1概述按照集成度不同，数字集成逻辑电路可分为小规模集成电路SSI(SmallScaleIntegration)、中规模集成电路MSI(MediumScaleIntegration)、大规模集成电路LSI(LameScaleIntegration)、超大规模集成电路VLSI(VeryLameScaleIntegration)，详见表3-1。另外，数字集成逻辑电路还可以按照工作速度、抗十扰能力、特殊用途来分，这里就不一一介绍了。下一页返回上一页3.1概述3.1.2用来衡量门电路的性能指标1.工作速度逻辑状态从门电路的输入端传送到输出端所需要的时间，称为门电路的传输延迟时间。传输延迟时间越小，门电路的工作速度就越快。TTL电路和ECL电路的工作速度比MOS电路的工作速度快。下一页返回上一页3.1概述2.功耗门电路的电源电压与电源供给电路的平均电流的乘积称为功耗不同种类门电路的功耗是不同的。由场效应管构成的门电路(MOS门电路)的功耗比由二极管和三极管构成的门电路的功耗低。3.逻辑电平逻辑电平是指对应于逻辑变量0和1的电位值。经常用到的逻辑电平有输入高电平UIH，输入低电平UIL，输出高电平UOH，输出低电平UOL。不同种类的电路其低电平和高电平的数值不同，同类电路的输入和输出高电平可能不同，低电平可能不同。当逻辑电平取值不同的两种门电路连接时，需要接口电路来实现电平的匹配。下一页返回上一页3.1概述4.扇入、扇出数扇入是指一个门电路具有的独立输入端的个数。扇出是指一个门电路能够驱动同系列逻辑门的数量，一般用No表示。5.阀值电压电路从一种逻辑状态转换到另一种逻辑状态的输入电压叫做门电路的阀值电压。其值近似为输入高、低电平的中点电压值。下一页返回上一页3.1概述6.噪声容限噪声容限是指电路的输入电平能够承受的噪声十扰电压的最大值，也就是保持正常的逻辑关系时，输入电压可以波动的最大值。常用闽值电压与输入逻辑电平之差表示噪声容限的大小。噪声容限大，电路抗十扰能力就强。MOS电路的抗十扰能力比较强。7.工作温度范围工作温度范围是指电路能够正常工作的温度范围温度范围越宽，其温度稳定性越好，一般硅材料的半导体器件温度稳定性要好于锗材料的半导体器件。返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性3.2.1二极管的开关特性半导体二极管的符号如图3-1(a)所示。在图所示的参考方向下，二极管两端电压和通过它的电流之间的关系曲线，即伏安特性曲线如图3-1(b)所示。在伏安特性曲线中，二极管两端的电压U>0，叫做二极管正向偏置，简称正偏，此时，阳极电位比阴极电位高;U<0，叫做反向偏置，简称反偏，阳极电位比阴极电位低。下一页返回3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性在正向偏置的特性曲线中存在一个死区电压，当正向偏压大于死区电压时，二极管才能导通，导通后，二极管的电流随着其两端电压按指数关系增加，二极管呈现一个电阻，其动态电阻值在几千欧以下，这个电阻称为正向电阻。对于普通二极管，一般硅管的死区电压是0.5v左右，锗管的死区电压为0.1~0.2v，如图3-1(b)中死区电压用Uoff表示。特殊二极管的参数与普通二极管的参数会有很大的不同，以后涉及的时候再做介绍。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性在数字电路中，常常把二极管当做开关，也就是正向偏置时，二极管相当于闭合的开关，与普通开关不同的是，其存在一个正向电压，其两端的电压为导通电压值。硅管的导通电压是0.7v左右，锗管的导通电压是0.3V左右，如图3-1(b)中导通电压用Uon表示。如果二极管视为理想二极管，那么等效电阻和导通电压可以忽略，即二极管两端的电压视为0，此时，二极管视为理想开关闭合。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性在反向偏置时，反向电流(也称反向饱和电流)很小，处于微安数量级，硅管的反向电流比锗管的小。室温下，锗管的反向饱和电流约1，硅管的约0.01这种反向偏置状态也叫反向截止。通常，在温度不高时，反向电流可忽略不计，即电流视为0，此时，二极管相当于开关断开。在反向偏压大于击穿电压时，二极管反向击穿，电压变化很小，相应的电流变化很大。对于普通二极管，不允许反向击穿，以免过大的电流烧坏管子。特殊的二极管，如稳压管，稳压工作在反向击穿状态。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性通过如上的分析，可以得到普通二极管在中低频数字电路中的开关等效电路如图3-1(c)、图3-1(d)所示。在脉冲信号的作用下，二极管在导通和截止两种状态之间迅速转换，相当于开关闭合和断开来回转换。当脉冲频率较高时，就必须考虑二极管状态转换的过渡时间。试验证明，二极管由正向导通转为反向截止所需的过渡时间较大，这个过程称为反向恢复过程，反向恢复时间一般为毫微秒级，正向导通电流越大，反向恢复时间越长。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性二极管由反向截止转为正向导通所需的时间，称为开通时间，开通时间比反向恢复时间要短得多，因此影响二极管动态开关转换速度的主要参数是反向恢复时间。在高频情况下，还要考虑二极管的电容效应，二极管的等效电容越小，其工作频率可以越高，通常选择点接触型二极管，其状态转换速度快。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性3.2.2三极管的开关特性因为三极管内部多数载流子和少数载流子都参与导电，所以也称为双极型晶体管，它是电流控制元件，是基极电流控制集电极电流。下面以NPN型三极管为例学习三极管的开关特性，NPN型三极管的符号如图3-2(a)所示。三极管有3个极，分别为:基极B、集电极C、发射极E;两个结:基极与发射极之间的发射结、基极与集电极之间的集电结;有NPN,PNP两种类型;可以工作在3种状态:截止、放大和饱和状态。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和状态和截止状态，在脉冲信号的作用下，三极管快速地在截止和饱和之间转换。对于NPN型三极管，当基极的电位比发射极的电位低时，三极管截止，集电极、发射极和基极的电流很小，一般在微安级，如果把反向电流看成0，则三极管相当于开关断开，如图3-2(b)所示。PNP型三极管控制工作时的各极电位高低与NPN型的正好相反，其所用的电源为负电源，同学们可以自己复习模拟电路知识来学习。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性当基极电位比发射极电位高时，称三极管为正偏，若正偏电压UBE大于导通电压，且三极管的集电极与发射极之间的电压为饱和电压时，三极管处于饱和状态。普通三极管的正向偏压UBE为:硅管0.7V，锗管0.3V;饱和电压级UCES为:硅管0.3V，锗管0.1V。三极管饱和状态时的等效电路如图3-2(c)所示。因为饱和电压很小，理想状态下可看成0，即三极管的集电极与发射极之间的电压为0，相当于一个开关闭合。忽略三极管的正向导通电压，理想三极管饱和状态时的等效电路如图3-2(d)所示。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性在脉冲信号加于三极管的发射结时，使三极管在截止与饱和之间快速转换，当脉冲频率很高时，就必须考虑三极管的开关转换时间。下面以波形图说明开关的转换时间。在图3-3(a)的共发射极电路中，若输入如图3-3(b)所示的理想矩形脉冲电压，三极管的输出电压并不与输入电压同步变化，而是在时间上有一个滞后，边沿也与输入的脉冲边沿不同，且输出与输入反相。开通时间:在波形3-3(b)中，我们把从输入脉冲上跳沿到来时刻到三极管输出下降了90%所需要的时间，称为开通时间，即三极管由截止转换为饱和导通所需要的时间，用tON表示。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性关断时间:在波形3-3(b)中，我们把从输入脉冲下跳沿到来时刻到三极管输出增加了90%所需要的时间，称为关断时间，即三极管由饱和导通转换为截止所需要的时间，用toff表示。开通时间和关断时间的数量级为纳秒级。平时的使用手册上常给出在一定测试条件下的开关时间，例如，3DK7A的tON<65ns,tOFF<180ns。一般关断时间远大于开通时间。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性很显然，要想提高三极管的开关速度，就要减小开通时间和关断时间，这需要从三极管的内部结构和外部电路改善两方面来入手:在制造三极管的时候使内部基区厚度减小，发射结和集电结的面积减小;在外部电路中加入肖特基二极管于三极管的基极与集电极之间，这就限制了三极管的饱和深度，从而提高状态转换速度;还可以构成泻放回路加速状态转换，这里不再介绍，读者可以参考其他书籍。如图3-3(c)所示是由肖特基二极管和三极管构成的抗饱和三极管的电路结构和电路符号。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性3.2.3MOS管的开关特性

MOS管也叫绝缘栅场效应管，是由金属(Metal),氧化物(Oxide)、半导体(Semiconductor)3种材料构成的元件，这种晶体管内部只有多数载流子参与导电，所以也称为单极型晶体管。它是电压控制元件，是栅极和源极之间的电压控制漏极电流。绝缘栅场效应管的符号及转移特性曲线如图3-4所示，其中，VT为开启电压，iDS为饱和漏极电流。场效应管有3个极，分别是栅极G、漏极D和源极S。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性以N沟道增强型MOS管为例，讨论其开关特性。电路见图3-5(a)所示，输入端接入脉冲信号，输出在漏极D，输出电压是漏对地电压，这是一个共源极的电路，公共端接地。其输入和输出波形如图3-5(b)所示。从波形可以看出，输入与输出信号反相，输出对应输入有一个时间上的延迟，而且输出波形边沿与输入波形不同，质量变差。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性开通时间:场效应管由反向截止变为饱和导通所需要的时间，用tON表示。关断时间:场效应管由饱和导通变为反向截止所需要的时间，用toff表示。对于N沟道增强型MOS管，在图3-5(a)中，当栅极电位比源极电位高，且大于开启电压时，MOS管处于导通状态，漏极和源极之间等效于一个电阻RDS，其等效电路如图3-6(a)所示;当漏源电压小于开启电压时，NMOS截止，漏源之间电流近似为0，漏极和源极之间呈现高阻状态，等效为开关断开，其等效电路如图3-6(b)所示。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性场效应管在脉冲信号的作用下，频繁地在截止和饱和状态之间转换，当信号的周期接近或小于场效应管的状态转换时间时，电路的逻辑状态就会受到破坏，电路不能正常工作。要提高场效应管的状态转换速度，就要减小开通和关断时间。影响这个时间的因素有管子本身导通等效电阻、管子外部电路中杂散电容和下一级输入等效电容。对于MOS管，一个重要的参数是跨导。在UDS为定值的条件下，漏极电流变化量与引起这个变化的栅源电压变化量之比称为跨导，即。从定义可以看出，跨导是表征MOS管电压控制能力的量。下一页返回上一页3.2二极管、三极管和场效应管的开关特性在图3-5(a)中所示的电容CL就是所有电容的等效表示。在输出端的电位由高向低变化的过程中，放电回路的时间常数为t=RDSCL;在输出端的电位由低向高变化的过程中，充电回路的时间常数为t=RDCL。由于漏源导通电阻比三极管饱和电阻大得多，漏极外接电阻RD也比三极管集电极电阻大，所以，充放电时间常数都比三极管的大得多，因此，在状态转换速度方面三极管要比场效应管快。但是由于场效应管是电压控制元件，静态功耗和平均功耗都比较低，温度稳定性好，易于集成，所以有着广泛的应用。返回上一页3.3正逻辑和负逻辑的概念在第1章建立逻辑关系的时候，通常设条件具备为1，不具备为0;结果发生为1，结果不发生为0，这样规定的逻辑关系为正逻辑;反之，若规定条件具备为0，不具备为1;结果发生为0，结果不发生为1，这样规定的逻辑关系为负逻辑在构造实现逻辑关系的电路时，在正逻辑中，规定高电平为逻辑1，低电平为逻辑0，构成的逻辑电路称为正逻辑电路，实现正逻辑功能;反之，在负逻辑中，规定高电平为逻辑0，低电平为逻辑1，构成的逻辑电路称为负逻辑电路，实现负逻辑功能。下一页返回3.3正逻辑和负逻辑的概念注意:逻辑电路是实现逻辑功能的，一定要正逻辑对应正逻辑电路，负逻辑对应负逻辑电路，也就是说在正逻辑下，电路的高电平代表逻辑1，低电平代表逻辑0;反之亦然。下面讨论基本逻辑门在正逻辑和负逻辑下的功能关系。以“与逻辑”为例，按照正逻辑所列的真值表如表3-2(a)所示。显然，与逻辑关系是Y=AB。下一页返回上一页3.3正逻辑和负逻辑的概念按照负逻辑所列的真值表如表3-2(b)所示。由真值表写出的最简逻辑关系式为Y=A+B。注意:由真值表写逻辑式的规则没有变，只是条件具备与否的0,1关系改变，结果发生与否的0,1关系改变。比较如上两种情况，事件都是一样的，只是由于人们的规定不同，导致逻辑表达式不同，也就是说在采用正逻辑和负逻辑的两种情况下，其逻辑表达式所表示的事件的逻辑关系应该是完全相同的。由此得到正逻辑中的“与逻辑”和负逻辑中的“或逻辑”是相同的，即正逻辑中的与门等效于负逻辑中的或门。用同样的方法可以把其他正逻辑门等效变换为相应的负逻辑门，得到结果如表3-3所示。下一页返回上一页3.3正逻辑和负逻辑的概念相应的逻辑符号对应关系如图3-7所示。由图3-7可以归纳出如下等效变换的关系。①在门电路符号的输入端加小圆圈，表示与不加小圆圈的反相。②在门电路符号的输出端加小圆圈，也表示与不加小圆圈的反相。③与门变或门，或门变与门。需要说明的是，在后面的章节中，逻辑符号的输入端加小圆圈，表示低电平有效。为了避免混淆，在分析逻辑电路时，首先须规定好是正逻辑还是负逻辑。如果没有特殊说明，本书都是采用正逻辑。返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路3.4.1与门电路由二极管构成的与门原理电路如图3-8(a)所示，其逻辑符号为图3-8(b)所示。设二极管的导通电压为0.7V，输入信号A,B,C的低电平为0V，高电平为5V,Y是输出信号端。在数字电路中，逻辑高电平和低电平不是指固定的某个电压，而是指一个电压范围，这个范围对于TTL系列和MOS系列略有差异，但是一般地，0~1.2V视为低电平，2.7V以上视为高电平。下一页返回3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路从图3-8中可以看出，当输入有一个为低电平时，如A端输入0V，则二极管VD1优先导通，VD1管导通后，输出端的电位被钳制在0.7V,而其他两个输入是高电平，另外两个二极管截止，输出为低电平;如果有2个或3个输入信号为低电平，则有2个或3个二极管导通，输出仍然是低电平;只有当输入全是高电平时，二极管都不通，电路电流为0，电阻R上没有电压，输出电位为5V,即输出高电平上述关系可归纳为:输入有0，输出为0，输入全1，输出为1。这是与逻辑关系，逻辑式为Y=ABC。说明:图3-8中的3个输入端中，任意一个都可以作为使能端或控制端。例如，C端作为控制端，A,B为信号端，则当C=0时，Y=0,即与门的输出与输入A,B端的信号无关，与门被封锁;只有C=1时，才有Y=AB。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路3.4.2二极管或门电路由二极管构成的或门原理电路如图3-9(a)所示，其逻辑符号为图3-9(b)所示。从图3-9中可以看出，当输入有一个为高电平时，如A端输入4V，则二极管VD1优先导通，VD1管导通后，输出端的电位被钳制在3.3V(设二极管导通电压为0.7V)，其他两个二极管反偏截止，如果输入两个或3个都是高电平4V，则输出仍为高电平3.3V;只有当输入都是低电平0V时，二极管都不导通，电阻上没有电压，输出才是低电平0V。上述关系可归纳为:有1出1，全0出0。这是或逻辑关系，逻辑式为Y=A+B+C。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路3.4.3非门电路非门电路也称为反相器。1.由三极管构成的非门由三极管构成的非门原理电路如图3-10(a)所示，其逻辑符号如图3-10(b)所示。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路从图3-10(a)中可以看出，这是一个在三极管基极输入、在集电极输出的电路，即共发射极电路。根据共发射极电路的特点，三极管基极和发射极信号总是反相的。只要参数选择合理，使输入A为高电平时三极管饱和导通，输出为饱和电压(约0.3V),即输出低电平;输入A为低电平时，三极管截止，集电极电阻上电流很小，压降很小，输出高电平，就能实现非逻辑关系。逻辑式为。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路2.由场效应管构成的非门由场效应管构成的非门，其原理电路如图3-11所示。因为反相器是由P沟道和N沟道的MOS管构成的，所以也称CMOS反相器。在图3-11中，设T1的开启电压为UGS=2V,T2的开启电压为UGS=-2V，电源电压UDD=10V,属于CMOS电路的典型值。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路当输入为低电平0V时，T1管的栅源电压为0V,T1管截止(因为N沟道增强型管的栅源电压大于开启电压时才能导通)，T2管的栅源电压为-10V,T2管导通。管子导通后栅源之间等效电阻较小，UDS小，U0=UDD-UDS，输出高电平。当输入为高电平10V时，T1管的栅源电压为10V,T1管导通，而T2管的栅源电压为0V,T2管截止。输出时，T1管的饱和导通电压，电压很小，是低电平。综上所述，此CMOS电路具有反相功能。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路在信号的高低电平转换时，总是有一个管子导通，一个管子截止，静态功耗很低，在微瓦以下，工作时温度低，可靠性高，利于集成。CMOS反相器的工作速度比PMOS,NMOS高(PMOS反相器只利用P沟道的管子构成，NMOS反相器只利用N沟道的管子构成)。选择动态电阻RDS小的管子，为负载提供了一个低阻抗的快速充放电回路，可以提高工作速度。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路3.4.4与非门用分立元件实现与非门的电路有多种情况实际应用电路比原理电路复杂要有加速导通与截止的加速电路，有钳位电路和保打‘电路，但只要能识别出主要的原理电路部分，就能判断出电路的逻辑功能。1.由二极管和三极管实现的与非门将前面学习的二极管与门电路的输出与三极管反相器的输入相接，构成的与非门原理电路如图3-12(a)所示，逻辑符号如图3-12(b)所示。逻辑式为下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路2.由场效应管构成的与非门①由N沟道场效应管构成的与非门原理电路也称NMOS与非门电路，如图3-13(a)所示。在图3-13中，T1,T2为工作管，参数相同，开启电压为2V,T3为负载管(也就是起到一个负载电阻的作用，有时可以用一个大电阻替代T3管)，开启电压为4V,工作管的跨导远大于负载管的跨导;导通时，工作管的导通电阻远远小于负载管的导通电阻;三个管子的衬底均接地。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路若输入端全为高电平8V,工作管因为栅源电压为8V，大于它们的开启电压而导通，导通电阻较小;负载管T3的栅极始终接电源高电平，始终处于导通状态，且呈大电阻状态。根据串联分压关系，只要管子参数选择合适，总能保证在都导通的情况下，T1,T2两管串联分得的电压处于低电平范围，输出低电平(1V左右)。当A,B端有底电平0V时，相应的工作管因栅源电压小于开启电压而截止，T1,T2串联部分出现断路;而负载管T3始终处于导通状态，设T3的开启电压为4V，这样输出电压u0=UDD-UTN=12-4=8V;输出高电平。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路综上所述，输入全1,输出为0;输入有0，输出为1。这是与非逻辑关系。逻辑式为。

NMOS管构成的与非门电路的缺点是输出低电平随着输入端子数增加而上升，故驱动管数不宜超过3个。②由N沟道和P沟道场效应管构成的与非门原理电路也称CMOS与非门电路，如图3-13(b)所示。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路图中有4个管子，两个N沟道的管子串联，只要有一个管截止，即呈现高阻状态;两个P沟道的管子并联，只要有一个管导通，就呈现低阻状态。当A,B为高电平时，T1,T2导通，T3,T4截止，输出为低电平UOL当A,B为不全为高电平时，设A为低电平，则T1管截止，T3管导通，输出为高电平。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路综上所述，输入有0,输出为1;输入全1,输出为0。这是与非关系，逻辑式为。CMOS与非门电路的主要不足之处在于A,B取值不同时，电路的输出电阻、输出低电平值也随之不同，解决办法是在上述门电路的输入、输出端各串入一个反相器作为缓冲极。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路3.4.5或非门用分立元件实现或非门的电路也有多种情况。1.由二极管和三极管实现的或非门将前面学习的二极管或门电路的输出与三极管反相器的输入相接，构成的或非门原理电路如图3-14(a)所示，逻辑符号如图3-14(b)所示。逻辑式为。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路2.由N沟道场效应管构成的或非门由N沟道场效应管构成的或非门，其原理电路也称NMOS或非门电路，如图3-15(a)所示。T1,T2为两只驱动管，并联连接后与一只负载管T3串联。当A=B=0时，T1,T2截止，输出高电平。当A,B不全为0时，至少有一只驱动管导通，输出低电平。因此，实现的逻辑功能是或非逻辑，逻辑式为。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路3.由N沟道和P沟道场效应管构成的或非门由N沟道和P沟道场效应管构成的或非门，其原理电路也称CMOS或非门电路，如图3-15(b)所示。该电路由2个N沟道管并联，2个P沟道管串联。当输入A,B中有高电平的时候，驱动管T1,T2就有导通的输出必为低电平;当输入A,B全是低电平时，T1,T2均截止，T3,T4均导通，输出高电平，即。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路3.4.6与或非门由二极管和三极管构成的与或非门，仿照前面的接法，将二极管与门的输出接二极管或门的输入，再将二极管或门的输出接三极管非门的输入，构成与或非门。同学们可以自行画出原理电路图。现在集成门一般不采用二极管门电路，用三极管取代二极管。本书在3.5节将详细介绍由三极管构成的TTL电路。下一页返回上一页3.4由分立元件构成的基本逻辑门原理电路由MOS管或三极管可以构成各种门电路，如异或门、同或门、传输门、三态门、模拟开关等，这些门电路在原理上都是一样的，在这里就不一一介绍了，需要时可以参考其他书籍。事实上，各种集成电路内部都是由各个小的单元构成的，而这些小的单元主要是由这些基本的逻辑门构成。根据集成电路内部元件是场效应管还是三极管的不同，我们把集成电路分为MOS集成电路和TTL集成电路两大系列。学习分立元件构成的简单逻辑门电路的目的是了解集成电路内部各个单元内部电路的工作原理，训练识别、判断和分析电路的基本技能，提高思维能力。返回上一页3.5TTL集成门电路前面介绍了由二极管和三极管构成的与非门和或非门，但是DTL电路的缺点是工作速度慢，已经不适合很多电路对速度的要求，于是发展起来了一种速度比较快的TTL门电路，下面介绍由三极管和三极管构成的TTL集成门电路。TTL(Transistor-TransistorLogic)集成电路是一种单片集成电路，即在同一块半导体基片上制作出逻辑电路的所有元件和连线。TTL电路按功能分为与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门、可扩展门、扩展器、缓冲级等)。下一页返回3.5TTL集成门电路在TTL系统中，应尽量选用与非门、或非门、与或非门，尽可能少选用与门和或门，因为与门和或门在其内部电路中增加了一级反相单元电路，功耗和延时都将增加。在TTL集成门电路中应用最广的是与非门，其他TTL门电路内部电路结构是由与非门电路稍加改动或重新组合得到的。TTL门电路是构成中、大规模集成电路的基本电路，也是由中、大规模集成电路组成的数字系统及微处理机系统中不可缺少的电路因此，下面重点以TTL与非门为例学习TTL系列。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路3.5.1TTL与非门TTL与非门的典型电路如图3-16所示。1.电路组成电路的输入级是一个多发射极三极管，输入端有3个，是多发射极三极管的3个发射极，三极管内部有3个发射结;输出极是由2个互补管VT3,VT4构成的推挽电路，推挽输出极能在输出高电平和低电平时都允许较大的电流。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路多发射极三极管由空间上彼此分离的多个PN结构成，当一个发射极接低电平而导通时，三极管的基极就是低电平，即输入有0，输出为0，所以此多发射极三极管发射极输入、基极输出，相当于一个与门，VT2相当于反相器。2.功能分析设三极管的饱和电压UCES=0.3V，三极管的发射结导通电压为0.7V。信号高电平为5V，低电平为0V。在图3-16中，当输入有低电平0V时，VT1管饱和导通，VT2管基极电位为0.3V，这个电位不能打通VT2,VT4的两个发射结，故VT2,VT4截止，VT3饱和导通，输出高电平。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路若输入全是高电平5V时，VT1的发射结不导通，集电结导通，VT2,VT4饱和导通，VT3的基极电位(即VT2的集电极点位)是0.7+0.3=1V,VT3截止，输出低电平。综上所述，输入有0，输出为1，输入有1，输出为0，是与非逻辑关系，此电路为与非门电路。多发射极三极管的输入端悬空，相当于输入接逻辑高电平。与TTL与非门相对应的有CMOS门电路的输入端不能悬空CMOS与非门，这里不再介绍其电路，但要注意因为场效应管是压控元件，为免感应电压击穿场管，通常将悬空的输入端接电源。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路3.电路的负载特性从以上分析可知，两个推挽管总是一个导通，另一个截止。当输出低电平时，负载电流从输出端流入到饱和导通的VT4管的集电极到发射极人地;当输出高电平时，VT4截止，电流从电源经R4,VT3、二极管流向输出端。若负载较重(输出电流大)，则R4的压降增加，使输出高电平会下降。为使输出保持高电平的值，输出电流不允许太大。如果R3用一个共发射极三极管电路代替，即此三极管的基极和集电极各通过一个电阻接到VT2管的发射极，发射极接地，构成有源泄放电路，则可提高抗十扰能力和门电路的开关速度，详细分析请参见其他相关文献。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路4.TTL门电路速度快的原因多发射极三极管的基极中总有电流流过:当输入有低电平时，基极电流流向发射极的低电平端;当输入全是高电平时，基极电流通过集电结流向VT2的基极。多发射极三极管的基区载流子在状态转换时无须排空，省去了排空所需要的时间，状态转换速度快。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路5.OC门电路将图3-16中的R4,VT3,VD去掉，即VT4的集电极开路，构成的门叫OC门，与非功能不变，即集电极开路TTL与非门。应用该电路时必须在输出端外部接一个集电极负载电阻，电阻另一端接电源。当几个OC门的输出端相接时，实现“线与”关系，即总输出是这几个门的输出相与。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路如图3-17(a)所示是TTL与非门74LS00集成电路示意图，图3-17(b)所示是它的外引线排列图。它包括4个双输入与非门，因此也称四2输入与非门。此类电路多数采用双列直插式封装，外面的小豁日，用来标识管脚的排列顺序。例如，2管脚的识别:将集成块水平放置，管脚朝下，从豁口开始逆时针方向数，依次为1脚、2脚……，第7脚接地，14脚接电源。

7420系列的集成电路示意图如图3-17(c)所示。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路7.TTL与非门的电压传偷特性TTL与非门的电压传输特性曲线如图3-18所示。由电压传输特性曲线可知，阀值电压为1.4V。阀值电压也称门槛电压，它是额定高电平的50%所对应的输入电压。关门电平约为0.8V，它是输出高电平为额定值90%所对应的输入电压。开门电压约为1.8V，它是输出为额定低电平时所允许的最小输入高电平值。非门可以用与非门实现:把与非门的各个输入端接在一起，外接输入信号;或与非门一个输入端接输入信号，其余端接高电平。这个可以用逻辑式证明。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路3.5.2TTL集成门电路的产品及参数1.常用的TTL系列产品常用的TTL系列产品从速度和功耗方面的分类如表3-4所示。74系列TTL，如7400,74LS00,74F00,74A00,74ALS00,74L00都是4个二输入端与非门集成块，即后面两位数相同，其逻辑功能完全相同，集成块引脚也相同(见图3-17)。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路各种品种TTL中，74LSxx是主流，它是高速、低功耗电路，它的每门平均延迟时间小于5ns，功耗仅为2mW，当电路工作频率在1MHz以下时，功耗比CMOS电路还低。常用的TTL与非门集成电路有7400和7420等芯片。7420是有两个四输入与非门的集成电路，示意图如3-17(c)所示。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路2.其他功能的TTL门电路集成TTL门电路除与非门外，还有与门、或门、非门、或非门、与或非门、异或门、同或门等不同功能的产品。下面介绍它们的外部引脚图。六反相器芯片TTL7404的引脚图如图3-19所示。或非门集成芯片7402四2输入或非门的引脚图如图3-20所示。与或非门集成芯片7451双2x2与或非门的引脚图如图3-21所示。异或门集成芯片7486引脚图如图3-22所示。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路3.TTL集成门电路的主要参数以TTL与非门的参数为例说明TTL集成门电路的主要参数，如表3-5所示。具体说明如下。①输出高电平电压和输出低电平电压:输出高电平时，要求输出电压足够高;输出低电平时，要求输出电压足够低。例如，TTL与非门，电源用5V时，规定高电平电压大于2.7V，低电平电压小于0.5V时便认为合格。通常约定UOH≈3.4V，UOL≈0.3V。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路②输出高电平电流和输出低电平电流:IOH是输出高电平时流出电流的极限值，超过这个极限，输出就不是高电平了。IOL是输出低电平时流入电流的极限值，超过这个极限，输出就不是低电平了TTL与非门的IOH≤0.4mA,IOL≤8mA。③输入高电平电压和输入低电平电压:UIH是指输入高电平电压的最低值，UIL是指输入低电平电压的最高值例如，TTL与非门，UIL≤0.8V，UIH≥2V有时把这两个值的平均值称为输入的阀值电压，用UIT表示，即UIT=1.4V，约定输入电压小于1.4V为输入低电平，大于1.4V为高电平。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路④传输延迟时间:输出信号相对于输入信号的滞后时间。tPLH表示从输入信号下降沿的50%到输出波形上升沿的50%的时间间隔，称为输出从低电平到高电平的传输延迟时间;tPLH表示从输入信号上升沿的50%到输出波形下降沿的50%的时间间隔，称为输出从高电平到低电平的传输延迟时间;tPLH和，tPHL的平均值称为平均延迟时间，用tpd表示。延迟时间越小，开关速度越快。TTL系列门电路延迟时间在几纳秒到几十纳秒之间。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路3.5.3关于集成1.关于集成集成就是将电路个元件及连线通过半导体工艺制作在同一半导体基片上，组成一个不可分割的整体。集成度定义为在1mil2芯片上用集成工艺制备的元器件的数目。1mil2=645.16。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路2.MOS集成电路和TTL集成电路的特点

MOS电路是以CMOS为核心构成的，CMOS门结构简单，集成度高，利于集成，可以集成大规模、超大规模电路。由于CMOS电路抗十扰能力强，对电源适应性广，兼容性强，功耗很小，所以散热不是MOS集成电路的主要问题。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路PMOS电路工作速度低，使用负电源，不便与TTL电路连接，目前已逐渐被淘汰。NMOS电路工作速度快，集成度高，比较适合制造大规模集成器件，如存储器和I微处理器等。

TTL电路是由三极管构成的电路。由于TTL电路功耗比较大，因此散热是TTL集成电路的重要问题。它不宜集成超大规模电路，集成度远比MOS集成电路小。TTL电路的优点是工作速度比较快，扇出大。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路3.集成电路中的电阻在集成电路的芯片中，一般是不集成电阻的，因为半导体集成公告艺不易制造大阻值电阻，在一般情况下，电阻的阻值基本上与所用的芯片面积成正比，不利于集成。从前面的三极管电路中看到，构成电路必须有大电阻，通常TTL集成电路中的电阻用二极管或三极管代替:二极管反偏呈现大电阻;或三极管当二极管使用，即把三极管的基极与集电极接在一起，用发射结(其实从原理上也可以用集电结，就是把基极与发射极相接，但通常用发射结)。三极管相对二极管更利于集成，因此我们在集成电路中看到的基本都是三极管。MOS集成电路中的电阻用MOS管代替，就像前面NMOS与非门和或非门那样把栅极与漏极相接，用MOS管漏源电阻代替负载电阻。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路4.CMOS集成门电路的使用注意事项根据场效应管的压控特性和内部结构特点，要特别注意静电击穿。为了电路的安全和电路运行时逻辑关系的正确，需要注意以下几点。①在防静电材料中存储和运输，注意静电屏蔽。②要矫正引线或进行手工焊接时，所采用的设备应接地，且在电烙铁接地并断电的情况下焊接。③电源接通期间不能把器件从测试座上插入或拔出。

下一页返回上一页3.5TTL集成门电路④调试电路时，先接通电路板电源，后接通信号源;断电时，先断开信号源，后断开线路板电源。⑤多余端不允许悬空，要根据逻辑功能的要求通过电阻接高电平(电源)或直接接低电平(地)。⑥输入信号的电压必须控制在电路的逻辑高、低电平的电压之间。⑦注意输入电流、输出电压与外界的匹配，防止电源接反。按照技术手册上给出的各个参数及其工作条件进行使用，否则将导致性能下降或器件损坏。⑧不同系列门电路在同一系统中使用时，如果使用的电源电压、输入/输出电平的高低不同，需要加电平转换电路。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路5.关于TTL门电路与CMOS门电路性能比较及接口电路在数字系统中，有时需要不同的门电路混合使用TTL门电路的参数与CMOS门电路不同，表现在输入、输出的高低电平不同，电流不同，带负载能力不同，如表3-6所示。当不同系列或类型的门进行连接时，要使它们正常工作，需要使用接口电路。接口电路是驱动门与负载之间的转接电路。驱动门与负载门之间的具体要求要满足如下条件。下一页返回上一页3.5TTL集成门电路

驱动门