第2章数字电子广东文理学院

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1、第2章 集成逻辑门电路2.1 分立元件门电路2.2 TTL集成逻辑门电路2.3 CMOS集成逻辑门电路2.4 集成逻辑门电路的应用2.1 分立元件门电路下一页返回用以实现各种基本逻辑关系的电子电路称为门电路；用以实现各种基本逻辑关系的电子电路称为门电路；门电路的主要类型：门电路的主要类型有与门、或门、门电路的主要类型：门电路的主要类型有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。1、门电路的概念2、逻辑变量与两状态开关 在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是0 0就是就是1 1，是一种，是一种二值量。在数字电路中，与

2、之对应的是电子开关的两种二值量。在数字电路中，与之对应的是电子开关的两种状态。半导体二极管、三极管和状态。半导体二极管、三极管和MOSMOS管是构成这种电子开管是构成这种电子开关的基本开关元件。关的基本开关元件。3、分立元件门电路和集成门电路 1 1）用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称为分立元件门电路。为分立元件门电路。2 2）把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。2.1.1二极管门电路1.半导体的开关特性 1

3、1）静态特性静态特性 断开时，其等效电阻断开时，其等效电阻ROFF，通过其中的电流，通过其中的电流IOFF0 0。闭合时，其等效电阻闭合时，其等效电阻RON0 0，其两端电压，其两端电压UAK0 0。2 2）动态特性动态特性 开通时间开通时间ton0 0，即开关由断开状态转换到闭合状，即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。态不需要时间，可以瞬间完成。关断时间关断时间toff0 0，即开关由闭合状态转换到断开状，即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。态不需要时间，可以瞬间完成。AKS理想开关理想开关半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。半导体二极管最显著

4、的特点是具有单向导电性能。2 2、半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性R导通导通截止截止S3V0VSRRD3V0V （一一）静态特性静态特性 1 1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性 半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。所示。2 2、半导体二极管的开关作用、半导体二极管的开关作用 开关应用举例开关应用举例 下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为uI,其低电平其低电平UIL2V,高电平为高电平为UIH3V。uI UIL时，时

5、，半导体二极管反偏，半导体二极管反偏，D处于反向截止区，如同一个处于反向截止区，如同一个断开了的开关，直流等效电路如图断开了的开关，直流等效电路如图(b)。uI UIH时，时，半导体二极管正偏，半导体二极管正偏，D工作在正向导通区，如同一工作在正向导通区，如同一个具有个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图压降、闭合了的开关，直流等效电路如图(c)。、静态开关特性、静态开关特性 硅半导体二极管具有下列静态开关特性：硅半导体二极管具有下列静态开关特性：导通条件及导通时的特点：导通条件及导通时的特点：当外加正向电压当外加正向电压UD0.7V时，二极管导通，时，二极管导通，硅半导硅半导体二

6、极管体二极管如同一个具有如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关。压降、闭合了的开关。截止条件及截止时的特点：截止条件及截止时的特点：当外加正向电压当外加正向电压UD0.5V时，二极管截止，硅半导时，二极管截止，硅半导体二极管体二极管如同一个断开了的开关。如同一个断开了的开关。（二二）动态特性动态特性 1 1、二极管的电容效应、二极管的电容效应 二极管存在结电容二极管存在结电容Cj和扩散电容和扩散电容CD，Cj和和CD的存在的存在极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，伴随着，伴随着Cj、CD的充、放电过程，都要经过一段延迟的充、放电过程

7、，都要经过一段延迟时间才能完成。时间才能完成。2 2、二极管的开关时间、二极管的开关时间 下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的uI和和iD的波形。的波形。开通时间开通时间 当输入电压当输入电压uI由由UIL跳变到跳变到UIH时，二极管时，二极管D要经过延迟时间要经过延迟时间td、上升时间上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为：的开通时间为：ton=tdtr 关断时间关断时间 当输入电压当输入电压uI由由UIH 跳变到跳变到UIL时，二极管时，二极管D要经过存储时间要

8、经过存储时间ts、下降时间（也称为渡越时间）下降时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截止之后，才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为：状态。半导体二极管的关断时间为：toff=tstf 3、二极管与门1）电路组成及逻辑符号 电压关系表电压关系表 uA=uB=0时，时，D1、D2均导通均导通 uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7V=0.7V uA=0、uB=3V时，由于时，由于uA、uB电电平不同，当平不同，当D1导通后，使导通后，使 uY=uA+uD1=0+0.7V=0.7V导致导致 uD2=uYuB=0.732.3V，故，故D2截止。截止。D1导通后，

9、导通后，uY被钳位在被钳位在0.7V。uA=3V、uB=0V时，与类似，时，与类似，D2导通，导通，D1截止，截止，D2导通后，导通后，uY被钳位被钳位在在0.7V。uA=3V、uB=3V时，时，D1、D2都都导导通。通。uY被钳位在被钳位在3.7V。2）工作原理电压关系表电压关系表 整理上述估算结果，可得整理上述估算结果，可得右右表所示表所示电压关系表。电压关系表。返回真值表真值表BAY 设定变量、状态赋值、设定变量、状态赋值、列真值表列真值表 设定变量：用设定变量：用A、B、Y分别表示分别表示uA、uB、uY。状态赋值：用状态赋值：用0表示低电表示低电平，用平，用1表示高电平。表示高电平。

10、列真值表：根据设定的列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现综上所述，该电路确实实现了与的逻辑功能了与的逻辑功能Y=AB，所以，所以是一个二极管与门。是一个二极管与门。4、二极管或门上一页 下一页返回1）电路组成及逻辑符号2）工作原理 电压关系表电压关系表 uA=uB=0时，时，D1、D2均均截止截止 uY=0V。uA=0V、uB=3V时，时，D2导通，导通，D1截止，截止，uY=30.7V=2.3V。uA=3V、uB=0V时，时，D1导通，导通，D2截止

11、，截止，uY=30.7V=2.3V。uA=3V、uB=3V时，时，D1、D2均均导通。导通。uY=30.7V=2.3V。整理分析估算结果，即可得到电压整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。关系表如右表所示。电压关系表电压关系表返回真值表真值表BAY 设定变量、状态赋值、设定变量、状态赋值、列真值表列真值表 设定变量：用设定变量：用A、B、Y分别表示分别表示uA、uB、uY。状态赋值：用状态赋值：用0表示低表示低电平，用电平，用1表示高电平。表示高电平。列真值表：根据设定的列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示压关系表可列出右下表所

12、示的与门的逻辑真值表。的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能现了或的逻辑功能Y=A+B，所以是一个二极管或门。所以是一个二极管或门。2.1.2 晶体管门电路1 1、半导体半导体晶体晶体管的开关特性管的开关特性饱和饱和3V0VuO 0uO UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V 一、静态特性一、静态特性 1 1、结构示意图、符号和输入、输出特性、结构示意图、符号和输入、输出特性 半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。半导体三极管

13、的输入、输出特性如下图所示。输入特性指的是基极电流输入特性指的是基极电流iB和基极和基极-发射极间电压发射极间电压uBE之间的关系曲线。之间的关系曲线。输出特性指的是基极电流输出特性指的是基极电流iC和集电极和集电极-发射极间电压发射极间电压uCE之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。是一种瞬间即逝的工作状态。2 2、半导体三极管的静态开关特性、半导体三极管的静态开关特性 饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件及饱和时的特点 饱

14、和导通条件：三极管基极电流饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和大于其临界饱和时的数值时的数值IBS时，饱和导通。时，饱和导通。饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后 uBE0.7V，uCEUCES0.3V如同闭合的开关。如同闭合的开关。截止条件及截止时的特点截止条件及截止时的特点 截止条件：截止条件：uBEUo0.5V 式中，式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。是硅三极管发射结的死区电压。截止时的特点：截止时的特点：iB0，iC0如同断开的开关。如同断开的开关。二、动态特性二、动态特性 半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电半导

15、体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。需要一定时间。右图所示是三极管开关电路中右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时，相为矩形脉冲时，相应应iC和和uO的波形。的波形。开通时间开通时间 当输入电压当输入电压uI由由UIL2V跳变到跳变到UIH3V时，三极管时，三极管需需要经过延迟时间要经过延迟时间td和上升时间和上升时间tr之后，才能由截止状之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为态转换到饱和导通状态。开通时间为 ton=tdtr 关断时间关断时间 当输入电压当输入电

16、压uI由由UIH3V 跳变到跳变到UIL2V时，三极时，三极管管需需要经过存储时间要经过存储时间ts、下降时间、下降时间tf之后，才能由饱和之后，才能由饱和导通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为导通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为 toff=tstf 半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。由于作速度。由于toffton，所以减少饱和，所以减少饱和时基区存储电荷时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其的数量，尽可能地加速其消散过程，即缩短存储时间消散过程，即缩短存储时间 tS，是提高，是提高半导体三极管开关速度的关键

17、。半导体三极管开关速度的关键。2、三极管非门上一页 下一页返回1.电路组成及逻辑符号设输人信号为+5 V或0V:(1)A=0V时，三极管截止，Y=5 V。(2)A=5 V时，三极管工作于饱和状态，Y=0.3 0 V。上一页 下一页返回2.工作原理工作原理AY 若用若用A、Y分别表示分别表示uI、uO，用用0表示低电平，用表示低电平，用1表表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所示的真值表。由右下表可知，所示的真值表。由右下表可知，下下图所示电路实现了非图所示电路实现了非逻辑功能逻辑功能，是一个三极管组成的非门。，是一个三极管组成的非门

18、。50.305uO/VuI/V非门电压关系表非门电压关系表1001YA非门真值表非门真值表 半导体半导体三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发射极高射极高0.3V的电位上；反之，若其集电极电位是不变的的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，那么它的发射极电位就被固定在比集电极低，那么它的发射极电位就被固定在比集电极低0.3V的电的电位上。位上。1 1）高电平和低电平：高电平和高电平和低电平：高电平和低电平是两种状态，是两个不同的低电平是两种状态，是两个不同的

19、可以截然区别开来的电压范围。可以截然区别开来的电压范围。右图右图2.42.45V5V范围内的电压，都范围内的电压，都称为称为高电平高电平，用，用U UH H表示。表示。0 00.8V0.8V范围内的电压，都称为范围内的电压，都称为低电平低电平，用，用U UL L表示。表示。2 2）正逻辑和负逻辑：用正逻辑和负逻辑：用1 1表示表示高电平，用高电平，用0 0表示低电平，称为正表示低电平，称为正逻辑赋值，简称正逻辑。用逻辑赋值，简称正逻辑。用1 1表示表示低电平，用低电平，用0 0表示高电平，称为负表示高电平，称为负逻辑赋值，简称负逻辑。逻辑赋值，简称负逻辑。2.1.3 高、低电平与正、负逻辑2.

20、2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路下一页返回晶体管一晶体管逻辑晶体管一晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic)门门电路，简称电路，简称TTL电路电路2.2.2 2.1 .1 TTL反相器反相器1 1、电路组成、电路组成 一、电路组成及其工作原理一、电路组成及其工作原理 输入级输入级 由由T1、R1、D1组成，组成，D1是保护二极管，是为防止输入是保护二极管，是为防止输入端电压过低而设置的；端电压过低而设置的；中间级中间级 由由T2、R2、R3组成，组成，T2集电极输出驱动集电极输出驱动T3，发射极输出驱，发射极输出驱动动T4；输出级输出级 由由T3、T4、D和和

21、R4组成。组成。图图(a)(a)是是TTL反相器的典反相器的典型电路图，它有三部分组型电路图，它有三部分组成：成：中间级(a)AR14kT3T2T1YR4+5VT4R21.6kR31301kuIuOD+VCC输入级输出级3.6V0V3.6V0VD1 2、工作原理 、当电路输入端A接高电平（3.6V）时3.6V3.6V4.3V全导通全导通0.7V21.4V电位钳电位钳在在2.1V发射结反偏UBE12.13.61.5V0 T1管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，T1管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。1VUC2UCES2Ube40.30.71VUC21V，该值不足以使T3、D导通

22、，故T3、D截止。输入为1输出为0uO0.3VVCC(+5V)YR21.6KR14KT1AR31KR4130D1DT2T3T4、当电路输入端接低电平(0V)时0V截止截止发射结导通Ub100.70.7V Ub10.7V，作用于T1 管的集电结和T2、T4管的发射结，不足以让T2、T4导通。故T2、T4截止。uOVCCUbe3UD50.70.73.6V输入为0输出为15V4.3V0.7V由于T2截止，VCC通过R2、T3和D管使之工作在导通状态，T3发射结和D的导通压降均为0.7V。ib30VCC(+5V)YR21.6KR14KT1AR31KR4130D1DT2T3T43.6V 综上所述可知，上

23、图所示电路确实实现了非运算，是非门，即反相器。输入特性是指输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线输入电流与输入电压之间的关系曲线，即即II=f(uI)的函数关系。典型的输入特性如图所示。的函数关系。典型的输入特性如图所示。二、静态特性二、静态特性 1、输入特性输入特性 输入端短路电流输入端短路电流IIS 当当uI=UIL=0V时的输入电流称为时的输入电流称为输入端短路电流输入端短路电流IIS，是是uI=0即输入端对地短接时，由反相器输入端流出来即输入端对地短接时，由反相器输入端流出来的电流。数值为：的电流。数值为：mAmARuViIiBECCBISI075.147.05111 输入漏电流

24、输入漏电流IIH。当当uI=UIH=3.6V时的输入电流称为时的输入电流称为输入漏电流输入漏电流IIH，即即T1倒置工作时的反向漏电流，其电流值很小，倒置倒置工作时的反向漏电流，其电流值很小，倒置时其电流放大系数时其电流放大系数i=0.01=0.010.020.02，若取，若取i=0.02=0.02，则，则数值为：数值为：mAmARuViIiBECCiBiIHI0145.041.2502.0111 输入端负载特性输入端负载特性 反映接在反相器输入端电阻反映接在反相器输入端电阻Ri两端的电压两端的电压uI和和Ri阻值之间关系的曲线称为输阻值之间关系的曲线称为输入端负载特性曲线，简称输入端负载特性

25、如图所示。入端负载特性曲线，简称输入端负载特性如图所示。开门电阻开门电阻Ron 当当Ri=，即输入端悬空时，即输入端悬空时，iB1经经T1集电极流入集电极流入T2基极，使基极，使T2饱和导通。进饱和导通。进而使而使T4也饱和导通并导致也饱和导通并导致T3、D D截止，反相器处于导通状态，输出电压截止，反相器处于导通状态，输出电压uO=UOL0.3V，而，而uB1由于由于bc1、be2、be4结的钳位作用，被固定在结的钳位作用，被固定在2.1V，因此，因此uI=uB1-uBE1=(2.1-0.7)V=1.4V。实际上，要使反相器工作在导通状态，实际上，要使反相器工作在导通状态，uO0.3V，Ri

26、只需大于只需大于2.5K就可以就可以了，因此了，因此把把2.5K称为反相器电路的称为反相器电路的开门电阻开门电阻Ron。关门电阻关门电阻Roff 当当Ri=0，iB1全部全部流向流向T1发射极，发射极，T2、T4截止，截止，T3、D D导通，输出电压导通，输出电压uO=UOH=3.6V，反相器，反相器处于截止状态。而处于截止状态。而uI=iB1Ri=0V。实际上，只要实际上，只要Ri0.7K，反相器就会截止，输出为高电平，因此又，反相器就会截止，输出为高电平，因此又把把0.7K称为反相器电路的称为反相器电路的关门电阻，用关门电阻，用Roff表示表示。综上所述可知，综上所述可知，当当RiRon时

27、，其逻辑状态相当于时，其逻辑状态相当于1，反相器，反相器导通，输出端逻辑状态为导通，输出端逻辑状态为0 0；当当RiRoff时，其逻辑状态相当于时，其逻辑状态相当于0，反相反相器器截止，截止，输出端逻辑输出端逻辑状态状态为为1 1。如果。如果RoffRiRon，则反相器将处于不，则反相器将处于不正常状态，既不是正常状态，既不是1 1也不是也不是0 0，这种情况是不允许的。，这种情况是不允许的。2 2、输出特性、输出特性 反映反映输出电压输出电压uO与输出电流与输出电流iO之间的关系曲线之间的关系曲线，称为，称为输出特性曲线，简称输出特性，如图所示。输出特性曲线，简称输出特性，如图所示。uI=U

28、IH、uO=UOL，带灌电流负载时的特性 当uI=UIH，为高电平时，T2、T4饱和导通，T3、D截止，输出电压uO低电平，带灌电流负载，等效电路如图2.4.5所示。特性如图2.4.4(b)右边部分所示。RL是负载电阻，由于深度饱和，输出电阻很小，灌电流iO增加时，输出电压上升缓慢。反相器输出为低电平时，带灌电流负载的能力IOL可达16mA。图2.4.4R14kT2T1+5VR21.6kR31kuO+VCC+5V+VCCUIH+_T4RLiO图2.4.5图2.4.4 uI=UIL、uO=UOH，带拉电流负载时的特性 当uI=UIL，为低电平时，T2、T4截止，T3、D导通，输出电压uO为高电平

29、，带拉电流负载，等效电路如图2.4.6所示。特性如图2.4.4(b)左边部分所示。RL是负载电阻，T3工作在射极输出器状态，输出电阻也不大。当拉电流 iO 5mA时，T3微饱和，因而输出高电平UOH变化不大。当 iO 5mA时，T3进入深饱和，由于iR4 iO，UOH=VCCUces2UDiOR4，故UOH将随着 iO 增加而降低。图2.4.6T3R4+5VR21.6k130uOD+VCCRLiO_+iO的实际方向与参考方向相反 3、电压传输特性、电压传输特性 反映输出电压反映输出电压uO与输人电压与输人电压uI关系的曲线称为电压传输特性曲线，简称电压关系的曲线称为电压传输特性曲线，简称电压传

30、输特性，如图传输特性，如图2.4.7 2.4.7 所示。所示。AB段段：uI0.6V，T1正向饱和导正向饱和导通，通，uces10.1V，uC1=0.7V，T2、T4截止，截止，T3、D4导通，输出电压导通，输出电压uO=UOH=3.6V，为高电平。称为，为高电平。称为截截止区止区，电路处于稳定的，电路处于稳定的关态关态。BC段段：对应：对应uI0.61.3V，T1仍仍正向饱和导通，正向饱和导通，0.7VuC11.4V。T2开始开始导通，进入放大区，但导通，进入放大区，但T4T4仍截止仍截止。T2管的集电极电压管的集电极电压uC2、输出电压、输出电压uO随着随着uI的增加而线性地减小。这一段称

31、为的增加而线性地减小。这一段称为线性区线性区。UI/V3210123AUO/VBCDEUNHUNLUILUoffUthUon图2.4.7 电压传输特性CD段段：对应：对应uI1.3V，T4开始导通。当开始导通。当uI增加时，输出电压急剧下增加时，输出电压急剧下降，降，T3和和D4趋向截止，趋向截止，T4趋向饱和，电路状态由关态转换为开态。这趋向饱和，电路状态由关态转换为开态。这一段称为一段称为转折区转折区。转折区中心点对应的输入电压称为反相器的阈值电。转折区中心点对应的输入电压称为反相器的阈值电压，用压，用Uth表示。表示。Uth1.4V。DE段：段：随着随着uI增加增加，T1进入进入倒置工作

32、状态倒置工作状态，T2、T4均饱和均饱和导通，导通，T3、D4均截止，输出电均截止，输出电压压uO=UOL=0.3V,为低电平为低电平，电电路进入稳定的开态。这一段称路进入稳定的开态。这一段称为为饱和区饱和区。由于阈值电压由于阈值电压Uth所对应的所对应的是电压传输特性转折区的中心是电压传输特性转折区的中心点，所以在简化定性分析中，点，所以在简化定性分析中，常常把常常把Uth当作决定反相器输出当作决定反相器输出端状态的关键值。认为端状态的关键值。认为uIUth时反相器是关断的，输出端为高电平，时反相器是关断的，输出端为高电平，即即uO=UOH；uIUth时反相器是开通的，输出端为低电平，即时反

33、相器是开通的，输出端为低电平，即uO=UOL。UI/V3210123AUO/VBCDEUNHUNLUILUoffUthUon图2.4.7 电压传输特性(1)1)输出逻辑高电平和输出逻辑低电平输出逻辑高电平和输出逻辑低电平在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平电平UOH，典型值是，典型值是3.6V，UOHmin2.4V。饱和区的输。饱和区的输出电压为输出逻辑低电平出电压为输出逻辑低电平UOL，典型值是，典型值是0.3V，UOHmax0.4V。(2)(2)开门电平开门电平(Uon)和关门电平和关门电平(Uoff)输入低电平输入低电平UIL的

34、的典型值是典型值是0.3V，允许的输入低电平允许的输入低电平的最大值的最大值UILmax0.8V，称为，称为关门电平关门电平Uoff=0.8V，它，它是保证反相器处于截止状态所允许的是保证反相器处于截止状态所允许的uI的最大值。的最大值。输入高电平输入高电平UIH的的典型值是典型值是3.6V，允许的输入高电平允许的输入高电平的最小值的最小值UIHmin2.0V，称为，称为开门电平开门电平Uon=2.0V。从电压传输特性曲线可以反映出从电压传输特性曲线可以反映出TTL反相器的几个反相器的几个主要特性参数。主要特性参数。(3)(3)抗干扰能力抗干扰能力在集成电路中，经常以在集成电路中，经常以输入端

35、噪声容限输入端噪声容限的数值来定量的数值来定量地说明门电路的抗干扰能力。地说明门电路的抗干扰能力。当输入为低电平时，为保证电路处于稳定的关态，输当输入为低电平时，为保证电路处于稳定的关态，输入低电平加上瞬态干扰信号不应超过关门电平入低电平加上瞬态干扰信号不应超过关门电平Uoff。因。因此允许的干扰容限为此允许的干扰容限为UNL=UILmaxUOLmax(0.80.4)V0.4V，称为，称为低电平噪声容限低电平噪声容限。当输入为高电平时，为保证电路处于稳定的开态，输当输入为高电平时，为保证电路处于稳定的开态，输入高电平加上瞬态干扰信号不应低于开门电平入高电平加上瞬态干扰信号不应低于开门电平Uon

36、。因。因此允许的干扰容限为此允许的干扰容限为UNH=UOHminUIHmin(2.42.0)V0.4V，称为，称为高电平噪声容限高电平噪声容限。另外，随着温度的升高，输出高电平和输出低电平都另外，随着温度的升高，输出高电平和输出低电平都会升高，阈值电压却降低。电源电压的变化主要影响输会升高，阈值电压却降低。电源电压的变化主要影响输出高电平，对输出低电平影响不大。出高电平，对输出低电平影响不大。50%50%tPHL0011tPLH三、动态特性三、动态特性 2PLHPHLpdttt(1)(1)静态电源电流静态电源电流当当uI=UIL=0V时，时，uB1=0.7V，T2、T4截止，在输出无截止，在输

37、出无负载情况下负载情况下mAmARuViiBCCBCC075.147.05111当当uI=UIH=3.6V时，时，uB1=2.1V，T2、T4饱和导通，饱和导通，T3、D截止截止mAmARuUVRuViiiBECESCCBCCCBCC225.36.1)7.03.0(541.25)(2221121(2)(2)动态电源尖峰电流动态电源尖峰电流在在uI由由UIL跳变到跳变到UIH过程过程中，会略有过冲。但是，当中，会略有过冲。但是，当uI由由UIH跳跳变到变到UIL时，电路在状态转换期间会出现很大的时，电路在状态转换期间会出现很大的动态电源尖峰电动态电源尖峰电流流。因为在。因为在uIUIH时，时，T

38、2、T4饱和，尤其是饱和，尤其是T4，其饱和程度很深，其饱和程度很深，当，当uI由由UIH跳变到跳变到UIL时，时，T2很快截止，使很快截止，使T3、D导通，而导通，而T4还还来不及退出饱和状态，于是从来不及退出饱和状态，于是从VCC经经R4、T3、D、T4形成了低阻形成了低阻通路，显然在这种情况下，电源电流通路，显然在这种情况下，电源电流iCC要出现很大的要出现很大的尖峰，如图尖峰，如图所示。所示。与与CMOS电路相似在电路相似在TTL电路中由于半导体三极管电路中由于半导体三极管的开关时间和分布电容的充、放电过程，输入信号变化的开关时间和分布电容的充、放电过程，输入信号变化时，必须有足够的变

39、化幅度和作用时间，才能使输出端时，必须有足够的变化幅度和作用时间，才能使输出端状态改变。当状态改变。当uI为窄脉冲，而且其宽度接近于门电路的为窄脉冲，而且其宽度接近于门电路的传输延迟时间时则其幅度只有远大于直流情况，输出端传输延迟时间时则其幅度只有远大于直流情况，输出端才可能改变状态。显然才可能改变状态。显然反相器对这类窄脉冲的噪声容限反相器对这类窄脉冲的噪声容限比直流噪声容限要大比直流噪声容限要大。TTL反相器的平均传输延迟时间反相器的平均传输延迟时间tpd的典型值是的典型值是10ns，而绝大多数的，而绝大多数的TTL门电路的传输门电路的传输延迟时间都在延迟时间都在50ns以内，因此，以内，

40、因此，当输入脉冲的当输入脉冲的宽度达宽度达到微秒数量级时，应将其当做直流信号处理到微秒数量级时，应将其当做直流信号处理。2.2.2 TTL与非门电路1.TTL与非门的基本结构+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BABY&左左图电路除了图电路除了输入输入级级T T1 1采用了多发射极采用了多发射极三极管外，其余部分三极管外，其余部分和图和图2 2-10-10 所示反相器所示反相器电路没有什么区别。电路没有什么区别。D1D1、D2 D2 为输入端保护为输入端保护二极管，是为抑制输二极管，是为抑制输入电压负向过冲而设入

41、电压负向过冲而设置的置的 2、工作原理 、当电路输入端A、B、C全部接高电平（3.6V）时VCC(+5V)YR21.6KR14KT1ABCR31KR4130D1D2D3DT2T3T43.6V3.6V4.3V全导通全导通0.7V21.4V电位钳电位钳在在2.1V发射结全反偏UBE12.13.61.5V0 T1管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，T1管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。1VUC2UCES2Ube40.30.71VUC21V，该值不足以使T3、D导通，故T3、D截止。输入全1输出为0UY0.3V、当电路输入端AC中至少有一个接低电平(0.3V)时0.3V3.6V3.

42、6V截止截止接低电平的发射结导通Ub10.30.71V Ub11V，作用于T1 管的集电结和T2、T4管的发射结，不足以让T2、T4导通。故T2、T4截止。UYVCCUbe3UD50.70.73.6V输入有0输出为13.6V5V4.3V1V由于T2截止，VCC通过R2、T3和D管使之工作在导通状态，T3发射结和D4的导通压降均为0.7V。ib30VCC(+5V)YR21.6KR14KT1ABCR31KR4130D1D2D3DT2T3T4+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BR1R2R3R4TTL 与非门与非门1110AB

43、Y00011011ABY 2.工作原理工作原理1 1、电路组成、电路组成二、二、TTL或非门或非门 右图所示电路是右图所示电路是TTL或非门的电路图。或非门的电路图。R1、T1、R1、T1构成输构成输入级；并联着的入级；并联着的T2、T2和和R2、R3构成中间构成中间级；级；R4、T3、D、T4构成构成输出级。输出级。2 2、工作原理、工作原理 输入输入A、B中只要有一个为中只要有一个为1，即高电平，例如，即高电平，例如A=1，那么，那么iB1就会就会经过经过T1集电结流入集电结流入T2基极，使基极，使T2、T4饱和导通，输出为低电平，即饱和导通，输出为低电平，即Y=0。只有当只有当A=B=0

44、时，时，iB1、iB1均分别流入均分别流入T1、T1发射极，发射极，T2、T2均截止，均截止，T4也截止，也截止，T3、D导通，输出才会为高电平，即导通，输出才会为高电平，即Y=1。归纳上述结果可列出教材归纳上述结果可列出教材P123页的真值表，由表可得页的真值表，由表可得YA+BDABR1T3T2T1YR4+VCCT4R2R3T2T1R1输入级D1D1iB1iB1+5V输出级中间级3.TTL与非门的电压传输特性及主要参数上一页 下一页返回 电压传输特性曲线：输出电压与输入电压之间的对应关系曲线，即uo=f(uI)3.电压传输特性：电压传输特性：)(IOufu A B0uO/VuI/V1234

45、1234AB 段：段：uI 0.5 V，uB1 1.4 V ，T2、T4 饱和饱和导通，导通，T3、D 截止。截止。uO=UOL 0.3 V阈值电压阈值电压TTL集成逻辑门电路的几个重要参数集成逻辑门电路的几个重要参数输出高电平输出高电平UoH UoH的理论值为的理论值为3.6 V，最小值，最小值UoH(min)=2.4 V 输出低电平输出低电平UoL。UoL的理论值为的理论值为0.3 V，最大值，最大值UoL(max)=0.4 V关门电平关门电平UOFF保证输出为额定高电平时所允许输保证输出为额定高电平时所允许输入低电平的最大值。入低电平的最大值。UOFF 0.8V。开门电平电压开门电平电压

46、UON 保证输出为额定低电平时所允保证输出为额定低电平时所允许的输人高电平的最小值。许的输人高电平的最小值。UON 1.5 V。上一页 下一页返回阈值电压（门槛电压）阈值电压（门槛电压）Uth。电压传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压值。电压传输特性曲线上转折区中点所对应的输入电压值。（输出电压发生跳变所对应的输入电压值）。（输出电压发生跳变所对应的输入电压值）。Uth1.4 V噪声容限。噪声容限。输入信号上允许叠加的噪声电压值，称为噪声容限。输入信号上允许叠加的噪声电压值，称为噪声容限。它是反映门电路抗干扰能力强弱的参数。它是反映门电路抗干扰能力强弱的参数。输入低电平噪声容限输入低电平噪

47、声容限UNL 输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限UNH。扇出系数价扇出系数价N0。与非门正常工作时能驱动的同类门的。与非门正常工作时能驱动的同类门的个数。对于典型电路个数。对于典型电路,N0 8。上一页 下一页返回2.2.3 其他功能的TTL门电路1.集电极开路与非门(OC门)上一页 下一页返回 下图下图 给出的给出的是集电极开路与非门。电路输出级三极管是集电极开路与非门。电路输出级三极管T4的集电的集电极是开路的，故名集电极开路门极是开路的，故名集电极开路门(Open Collector Gate),),简称简称OC门。门。OC门必须外接负载电阻门必须外接负载电阻RC和电源和电源VCC才能

48、正常工作。才能正常工作。OC门的应用返回实现线与实现线与CDABCDABYYY21 电平转换返回驱动电路2.三态输出门三态输出门(简称TS门)上一页 下一页返回输出三态：高电平、低电平、高阻状态EN为控制端(又称使能端)EN=0正常工作EN=1正常工作 工作原理工作原理 在图在图(a)(a)电路中，当电路中，当EN=0，即，即P=1，D3截止，电路处于工作状态，即截止，电路处于工作状态，即Y=ABP=AB。当当EN=1时，即时，即P=0，T2、T4截止，而导通的二极管截止，而导通的二极管D3把把uQ钳位在小于或钳位在小于或等于等于1V的电平上，使的电平上，使T3、D不能导通，因此输出端不能导通

49、，因此输出端Y对电源对电源VCC、对地都是、对地都是断开的，呈现为高阻抗状态，并记为：断开的，呈现为高阻抗状态，并记为：Y=Z。可见可见图图(a)(a)电路的输出端有三种状态：高电平、低电平、高阻抗。电路的输出端有三种状态：高电平、低电平、高阻抗。图图(b)(b)电路是高电平使能的电路，即当使能控制端为高电平时电路处于工电路是高电平使能的电路，即当使能控制端为高电平时电路处于工作状态，作状态，Y=AB，为低电平时电路被禁止，为低电平时电路被禁止，Y=Z。三态门的应用三态门的应用返回单向总线EN1EN1EN1G1G2Gn1EN2ENnENA1A2An数据总线数据总线011101110 注意：注意

50、：任何时刻，只允许一个三态门使能，任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。其余为高阻态。三态门的应用三态门的应用用做多路开关用做多路开关YA1EN1EN1ENA21G1G2使能端使能端10禁止禁止使能使能1A 01使能使能禁止禁止2A 时时 0 EN时时 1 EN 在在右右图中两个三态输出反图中两个三态输出反相器是并联起来的，相器是并联起来的，EN是整是整个电路的使能端。当个电路的使能端。当EN=O=O时时G1使能、使能、G2禁止禁止,Y=A1 ；当当EN=1=1时时G1禁止、禁止、G2使能，使能，YA2。G1、G2构成两个开构成两个开关，可以根据需要将关，可以根据需要将A1或或A2反相

51、后送到输出端。反相后送到输出端。用于信号双向传输用于信号双向传输A1EN1EN1ENA21G1G2时时 1 EN2A 1A 时时 0 EN01禁止禁止使能使能10使能使能禁止禁止 在图中两个三态输出反相器在图中两个三态输出反相器反并联起来构成双向开关，当反并联起来构成双向开关，当EN=O=O时时信号向右传送，信号向右传送，A2 A1；当；当EN=1=1时，时，信号向左传送信号向左传送，A1A2。2.2.3 TTL集成逻辑门电路系列上一页 下一页返回1.CT54系列和CT74系列2.TTL集成逻辑门电路的子系列及比较集成逻辑门电路的子系列及比较 CT74标准系列标准系列 CT74H高速系列。高速

52、系列。CT74L低功耗系列低功耗系列 CT74S肖特基系列肖特基系列 CT74LS低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列 CT74AS先进肖特基先进肖特基 CT74ALS先进低功耗肖特基系列。先进低功耗肖特基系列。上一页 下一页返回2.2.4 TTL集成逻辑门电路的使用规则1.电源应尽量消除干扰。（1）电源电压范围为5V10%，有的要求5V5%。（2）电源入口处应接2050F的滤波电容以滤除纹波电压。（3）在芯片的电源引脚处接0.010.1F的滤波电容过滤高频干扰。（4）逻辑电路和其他强电回路应分别接地。2.输出端的连接 TTL门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源VCC或直接接地

53、。3.闲置(多余)输入端的处理 TTL集成门电路使用时，对于闲置(不用的)输入端一般不悬空。(1)与门、与非门的闲置输入端，可直接接电源或通过1 10 k的电阻接电源VCC。(2)如果前级驱动能力允许,可将闲置输入端与有用端并联使用。(3)或门、或非门不使用的闲置输入端应接地，或通过较小电阻(1k 以下)接地。(4)对与或非门中整个不用的与门，至少应有一个输入端接地。上一页 下一页返回2.3 CMOS集成逻辑门电路 MOS集成逻辑门是采用单极型场效应三极管(MOS管)作为开关元件的数字集成电路。MOS门电路有PMOS,NMOS和CMOS这3种类型。优点：是静态功耗低 抗干扰能力强 工作稳定性好

54、下一页返回2.3.1 CMOS反相器1.MOS管的开关特性(1)NMOS管的开关特性。开启电压用UGS（th)表示，为正值。当栅极和源极之间的电压UGS UGS（th)时，NMOS管导通，相当于开关接通;当uGSN IUGS(th)I时，PMOS管导通，相当于开关接通;当IuGSPI IUGS(th)I时，PMOS管截止，相当于开关断开。上一页 下一页返回(2)PMOS管的开关特性(1)电路组成(2)工作原理 输入为低电平：uI=UIL=0，TN管截止、TP管导通；输出电压uO=UOH VDD。输入为高电平：UI=UIH=VDD,TN管导通，TP管截止，输出电压uO=UOL 0V。上一页 下一

55、页返回2.CMOS反相器2.3.2其他功能的CMOS门电路1.CMOS传偷门(TG门)(1)电路结构上一页 下一页返回控制电压C接高电平VDD,接低电平0 V时，TN导通，TP导通，输出uO=uI，传输门开通C(2)工作原理CMOS模拟开关返回2.CMOS漏极开路与非门(OD门)上一页 下一页返回ABY 2.3.3 CMOS数字集成电路系列及特点1.CMOS数字集成电路系列(1)CMOS4000系列。工作电源电压范围为318 V,具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点。缺点是工作速度较低，且工作频率低，因此CMOS4000系列的使用受到一定限制。(2)高速CMOS电路(HCMOS)系列。该系

56、列电路大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于10 ns，最高工作频率可达50 MHz。高速CMOS电路主要有54系列和74系列两大类上一页 下一页返回2.CMOS4000系列和HCMOS系列的比较上一页 下一页返回 3.CMOS数字集成电路的特点(1)功耗低。(2)电源电压范围宽。(3)噪声容限大。(4)逻辑摆幅大(5)输入阻抗高。(6)扇出系数大。上一页 下一页返回2.3.4 CMOS集成逻辑门电路的使用规则1.电源电压 电源电压极性不可接反，不能超过极限值。2.输入电路的静电保护 3.闲置输入端的处理(1)输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，故闲置输入端不能悬空。(2)与门和与非门，闲

57、置输入端应接正电源或高电平;或门和或非门，闲置输入端应接地或低电平。(3)闲置输入端一般不宜与使用输入端并联使用，但在工作速度要求不高的情况下，允许输入端并联使用。上一页 下一页返回4.输出端的连接(1)输出端不允许直接与电源或地相连。(2)为提高电路的驱动能力，可将同一集成芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。(3)当CMOS电路输出端接大容量的负载电容时，流过管子的电流很大，有可能使管子损坏。因此，需在输出端和电容之间串接一个限流电阻，以保证流过管子的电流不超过允许量。上一页返回2.4 集成逻辑门电路的应用2.4.1 TTL电路与CMOS电路的接口 接口电路，是指位于不同类型的逻辑电路

58、之间或逻辑电路与外部电路之间，使两者有效连接、正常工作的中间电路。下一页返回1.TTL电路驱动CMOS电路上一页 下一页返回2.CMOS电路驱动电路驱动TTL电路电路返回2.4.2 门电路带负载时的接口电路上一页返回本章小结v分立元件门电路是组成单元逻辑门的最原始形式，目前已被集成电路所取代。最简单的门电路是用二极管组成的与门、或门和三极管组成的非门电路。它们是集成逻辑门电路的基础。v普遍使用的数字集成电路主要有两大类:一类由双极型晶体管组成的集成门电路，简称TTL集成逻辑门电路;另一类由单极型MOS管组成的集成门电路，简称MOS集成逻辑门电路。vTTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三极管

59、、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。下一页返回本章小结v集电极开路门和漏极开路门的输出端可并联使用，实现线与，还可用来驱动需要一定功率的负载。三态门可用来实现总线结构，这时要求三态门实行分时使能，即在任何时刻只能有一个三态输出门工作，不允许有两个及两个以上的三态门同时工作;三态门也可以用来实现双向总线。v MOS集成逻辑门是采用单极型场效应三极管(MOS管)作为开关元件的数字集成电路。MOS集成电路常用的是由增强型N沟道和P沟道MOSFET互补构成的CMOS门电路，这是MOS集成门电路的主要结构。与TTL门电路相比，它的优点是功耗低、扇出系数大(指带同类门负载)、噪声容限大及开关速度与TTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。上一页 下一页返回本章小结v在使用集成逻辑门电路时，未被使用的闲置输入端应注意正确连接。对于与非门，闲置输入端可通过上拉电阻接正电源，也可和已使用的输入端并联使用。对于或非门，闲置输入端可直接接地，也可和已使用的输入端并联使用。v在实际使用TTL和CMOS数字集成电路时，除应掌握它们的正确使用方法外，还应掌握不同类型电路间的接口问题。返回演讲完毕，谢谢观看！