清华大学数电3门电路

1、1vcc0v第三章第三章 门门 电电 路路第一节第一节 概述概述门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。 门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应门电路的两种输入，输出电平：高电平、低电平。它们分别对应逻辑电路的逻辑电路的1,0状态。状态。正逻辑：正逻辑：1代表高电平；代表高电平；0代表低电平。代表低电平。负逻辑：负逻辑：0代表代表高电平；高电平；1代表代表低电平。低电平。vcc0v高电平高电平低电平低电平2 根据制造工艺不同可分为根据制造工艺不同可分为单极型单极型和和双极型双极型两大类。两大类。门电路中晶体管均工作在

2、门电路中晶体管均工作在开关状态开关状态。其中包括介绍晶体管和场效应管的其中包括介绍晶体管和场效应管的开关特性开关特性。本章介绍两类门电路。本章介绍两类门电路。要点：各种门电路的工作原理，只要求要点：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握一般掌握； 而各种门电路的而各种门电路的外部特性外部特性和和应用应用是要求是要求重点重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。【题【题3.12】，【题】，【题3.16】 ，【题，【题3.18】，】，【题【题3.19】，【题】，【题3.20】，【题】，【题3.29】3第二节第二节 半导体二极管门电路半导体二极管门电路一、二极管

3、的开关特性一、二极管的开关特性1.开关电路举例开关电路举例2.静态特性静态特性伏安特性伏安特性等效电路等效电路 在数字电路中重点在在数字电路中重点在判断二极管开关状态，因判断二极管开关状态，因此必须把特性曲线简化。此必须把特性曲线简化。（见右侧电路图）（见右侧电路图）有三种简化方法：有三种简化方法：输入信号慢变化时的特性。输入信号慢变化时的特性。4第第三三种种+-第二种第二种von 0.7v第第一一种种 0.5v53.动态特性动态特性 当外加电压突然由正向当外加电压突然由正向变为反向时，二极管会短时变为反向时，二极管会短时间导通。间导通。tre这段时间用这段时间用tre表示，称为表示，称为反向

4、恢复时间反向恢复时间。输入信号快变化时的特性。输入信号快变化时的特性。 它是由于二极管正它是由于二极管正向导通时向导通时pn结两侧的多结两侧的多数载流子扩散到对方形数载流子扩散到对方形成电荷存储引起的。成电荷存储引起的。drli6 由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路由于二极管门电路有严重的缺点，在集成电路中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。中并不使用，但可帮助理解集成门的工作原理。二、二极管与门二、二极管与门设：设：vcc=5v, vih=3v, vil=0vva=vb=0v d1,d2导通，导通，vy=0.7vva=vb=3vd1,d2导通，导通，vy=3.7v+_+_va=3v

5、,vb=0v d2导通，导通，d1截止，截止，vy=0.7vva=0v,vb=3vd1导通，导通，d2截止，截止，vy=0.7vvavbvy000.7030.7300.7333.7aby000010100111缺点：缺点：1.电平偏移；电平偏移； 2.负载能力差。负载能力差。bay7三、二极管或门三、二极管或门a b y000011101111vavbvy000032.3302.3332.3d1,d2截止截止d1,d2导通导通d1截止截止,d2导通导通d1导通导通,d2截止截止abyaby8gsd一一.mos管的开关特性管的开关特性1.mos管的工作原理管的工作原理(metal-oxide-s

6、emiconductor field-effect transistor)称为：金属称为：金属氧化物氧化物半导体场半导体场效应管或绝缘栅场效应管效应管或绝缘栅场效应管导电沟道导电沟道(反型层反型层)源极源极source漏极漏极 drain栅极栅极gate当当 大于大于vgs(th)时，将出现导电沟道。时，将出现导电沟道。 vgs(th)称为开启电压称为开启电压，与管子构造有关。与管子构造有关。gssdbds导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在导电沟道将源区和漏区连成一体。此时在d,s间加电压间加电压 ，将形成漏极电流将形成漏极电流id。 称为称为n沟道增强型场效应管沟道增强型场效应管第三节第三

7、节 cmos门电路门电路9dsgs 显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越显然，导电沟道的厚度与栅源电压大小有关。而沟道越厚，管子的厚，管子的导通电阻导通电阻ron越小。因而，若越小。因而，若 不变，不变， 就就可控制漏极电流可控制漏极电流id。因此把。因此把mos管称为电压控制器件。管称为电压控制器件。输出特性输出特性2.输入输出特性输入输出特性输入特性可不讨论。输入特性可不讨论。101 2 3恒恒流流区区恒流区中恒流区中id只受只受 控制，其关系式为：控制，其关系式为：gs相应曲线称为相应曲线称为转移特性转移特性。空间电荷区空间电荷区截截止止区区vds=0v出现沟道。出现沟道。v

8、ds增加，则沟道增加，则沟道“倾斜倾斜”（阻值增加）。（阻值增加）。vgd=vgs(th)时，沟道时，沟道“夹断夹断”。vds再增加时，夹断点向源区移再增加时，夹断点向源区移动，但动，但id不变。不变。可变电阻区可变电阻区夹断点夹断点vgs(th)=2v设设 5vgs同理可求出栅源电同理可求出栅源电压为压为4v和和3v时的时的夹断点。夹断点。固定电阻固定电阻夹断夹断它也有三个工作区它也有三个工作区11ronn+n+3.mos管的基本开关电路管的基本开关电路i当当 =vdd时，时，mos管导通，其内阻用管导通，其内阻用ron表示。表示。当当 =0v时，时，mos 管截止，管截止， = vdd；

9、oi,0o mos管工作在可变电阻区。管工作在可变电阻区。ondrr若若 ，则，则回下页回下页ccdononovrrrvdd注意：注意：vdd必须为正。必须为正。12d静态特性静态特性三个工作区。三个工作区。 等效电路如图，其中等效电路如图，其中ci为栅极输入电容。为栅极输入电容。约为几皮法。约为几皮法。动态特性动态特性延迟作用（书上没有）。延迟作用（书上没有）。 由于是单极型器件，无电荷存储效应。由于是单极型器件，无电荷存储效应。动态情况下，主要是输入电容和负载电动态情况下，主要是输入电容和负载电容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞容起作用，使漏极电流和漏源电压都滞后于输入电压的变化。其延迟时

10、间比双后于输入电压的变化。其延迟时间比双极型三极管还要长。极型三极管还要长。可变电阻区：可变电阻区： )(,thgsgsgdv截止区：截止区：)(,thgsgdgsv恒流区：恒流区：)()(,thgsgdthgsgsvv4.mos管的开关特性及等效电路管的开关特性及等效电路电路图电路图135.mos管的四种类型管的四种类型(1)n沟道增强型沟道增强型(2)p沟道增强型沟道增强型(3)n沟道耗尽型沟道耗尽型(4)p沟道耗尽型沟道耗尽型开启电压开启电压夹断电压夹断电压p沟道增强型：沟道增强型：14请参阅请参阅79页，表页，表3.3.1151961年美国德克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文年美国德

11、克萨斯仪器公司首先制成集成电路。英文integrated circuit,简称简称ic。 集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。目前单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方单个集成电路上已能作出数千万个三极管，而其面积只有数十平方毫米。毫米。按集成度分类按集成度分类：小规模集成电路小规模集成电路ssi: small scale integration;中规模集成电路中规模集成电路msi: medium scale integration;大规模集成电路大规模集成电路lsi: large scale integr

12、ation;超大规模集成电路超大规模集成电路vlsi: very large scale integration,按制造工艺分类按制造工艺分类：双极型集成电路；双极型集成电路；单极型集成电路；单极型集成电路；我们介绍我们介绍ttl电路。电路。我们介绍我们介绍cmos电路。电路。二二. cmos反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理complementary-symmetry mos .互补对称式互补对称式mos电路。电路。16（一）（一） cmos反相器的电路结构反相器的电路结构n沟道管开启电压沟道管开启电压vgs(th)n记为记为vtn;p沟道管开启电压沟道管开启电压vgs(t

13、h)p记为记为vtp;要求满足要求满足vdd vtn+|vtp|;输入低电平为输入低电平为0v；高电平为；高电平为vdd;（1）输入为低电平）输入为低电平0v时；时；（2）输入为高电平）输入为高电平vdd时；时；t1截止；截止；t2导通。导通。id = 0， =0v;o输入与输出间是逻辑非关系。输入与输出间是逻辑非关系。要求两管特性要求两管特性完全一样完全一样t2截止；截止；t1导通。导通。id = 0， =vdd;o17 特点：静态功耗近似为特点：静态功耗近似为0；电；电源电压可在很宽的范围内选取。源电压可在很宽的范围内选取。 在正常工作状态，在正常工作状态，t1与与t2轮流导通，即所谓轮流

14、导通，即所谓互补互补状态。状态。cc4000系列系列cmos电路的电路的vdd可在可在318v之间选取。其他之间选取。其他系列以后介绍。（可参阅表系列以后介绍。（可参阅表3.3.2在在106页）页）181.电压传输特电压传输特性性vvt2截止，截止，t1导通导通t1截止，截止，t2导通导通t1，t2都导通都导通称称为转折区为转折区阈值电压阈值电压转折区变化率转折区变化率大，特性更接大，特性更接近理想开关。近理想开关。特点：特点：此部分在教材此部分在教材8086页。页。阈值电压用阈值电压用vth表示。表示。由于特性对称，阈值电压为由于特性对称，阈值电压为vdd的一半。的一半。（二）静态特性（二）

15、静态特性19输入端噪声容限输入端噪声容限高电平噪声容限：高电平噪声容限： 低电平噪声容限：低电平噪声容限：voh(min)vol(max)vil(max)vih(min)(min)(min)ihohnhvvv(max)(max)olilnlvvv设定设定voh(min)求出求出vil(max)设定设定vol(max)求出求出vih(min)特性对称，因而输入端噪声容限较大。特性对称，因而输入端噪声容限较大。cc4000系列系列cmos电路的噪声容限为：（允许输出电电路的噪声容限为：（允许输出电压变化百分之十）压变化百分之十）vnh=vnl=30%vdd202.电流传输特性电流传输特性a当当t1

16、,t2都导通时，都导通时，id不为不为0；输入；输入电压为电压为vdd/2时，时，id较大，因此不较大，因此不应使其长期工作应使其长期工作在在bc段。段。 在动态情况下，电路的状态会通过在动态情况下，电路的状态会通过bc段，使动态功耗不为段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数（驱动同类门个数）的主要因素。系数（驱动同类门个数）的主要因素。213.输入特性输入特性 由于由于mos管栅极绝管栅极绝缘，输入电流恒为缘，输入电流恒为0，但但cmos门输入端接有门输入端接有保护电路，从而输入电保护电路，从

17、而输入电流不总为流不总为0。aiii 由曲线可看出，输由曲线可看出，输入电压在入电压在0vdd间变间变化时，输入电流为化时，输入电流为0；当输入电压大于当输入电压大于vdd时，时，二极管二极管d1导通；当输导通；当输入电压小于入电压小于0v时，二时，二极管极管d2导通。导通。二极管二极管d2和和电阻电阻rs串联串联电路的特性电路的特性二极管二极管d1的特的特性性224 .输出特性输出特性(1) 输出低电平输出低电平dsdi0 t2工作在可变电阻区，有较小工作在可变电阻区，有较小的导通电阻，当负载电流增加时，的导通电阻，当负载电流增加时，该电阻上的压降将缓慢增加。该电阻上的压降将缓慢增加。 对于

18、对于cc4000系列门电路，当系列门电路，当vdd=5v时，时，iol的最大值为的最大值为0.51ma；而在而在74hc系列中，该值为系列中，该值为4ma。vdd增加相当于增加相当于t2的的vgs增加增加23(2) 输出高电平输出高电平dsdsdi00iohvddvohvoh= + vddds 与输出低电平类似，此时与输出低电平类似，此时t1工作在可变电阻区；当负载电工作在可变电阻区；当负载电流增加时，流增加时，t1的的vds加，导致输加，导致输出下降。出下降。 此时，此时，ioh的最大值，与的最大值，与输出低电平时相同。输出低电平时相同。24（三）动态特性（三）动态特性1.传输延迟时间传输延

19、迟时间(1) mos管在开关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间；管在开关过程中无电荷存储，有利于缩短延迟时间； (2) mos管的导通电阻比管的导通电阻比ttl电路大的多，所以其内部电容电路大的多，所以其内部电容和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受和负载电容对传输延迟时间的影响非常显著。导通电阻受vdd影响，所以，影响，所以，vdd也影响传输延迟时间；也影响传输延迟时间； (3)c mos门的输入电容比门的输入电容比ttl电路大的多，因此负载个数电路大的多，因此负载个数越多，延迟时间越大；越多，延迟时间越大；cmos门的扇出系数（驱动同类门个数）门的扇出系数（驱动同类门个数）就

20、是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗等动态特性限制的。就是受传输延迟时间和将介绍的动态功耗等动态特性限制的。用用tphl和和tplh的平均值的平均值tpd表示延迟作用，称为平均传输延迟时间。表示延迟作用，称为平均传输延迟时间。tpd范围：范围：4000系列为系列为100ns,74hc系列为系列为10ns,74ahc系列为系列为5ns见见107页表页表252. 交流噪声容限交流噪声容限3.动态功耗动态功耗 与与ttl电路类似，当噪声电压作用时电路类似，当噪声电压作用时间间tw小于电路的传输延迟时间时，输入小于电路的传输延迟时间时，输入噪声容限噪声容限vna将随将随tw缩小而明显增大。缩小而明显增大

21、。 传输延迟时间与电传输延迟时间与电源电压和负载电容有源电压和负载电容有关，因此关，因此vdd和和cl都对都对交流噪声容限有影响。交流噪声容限有影响。 动态情况下，动态情况下，t1,t2会短时同时导通，产生附加会短时同时导通，产生附加功耗，其值随输入信号频率增加而增加。功耗，其值随输入信号频率增加而增加。定量估算可得动态功耗定量估算可得动态功耗pc的公式：的公式：pc=clfv2dd负载电容经负载电容经t1、t2充、放电，也会产生功耗。充、放电，也会产生功耗。26三、其他类型的三、其他类型的cmos门电路门电路1.与非门与非门特点：特点：n沟道管串联、沟道管串联、p沟道管并联；沟道管并联； 设

22、：设：mos管的导通电阻为管的导通电阻为ron、门电路的输出电阻为门电路的输出电阻为ro。输出电阻随输入状态变化。输出电阻随输入状态变化。用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。用带缓冲级的门电路可克服上述缺点。2.或非门或非门特点：特点：p沟道管串联、沟道管串联、n沟道管并联；沟道管并联；2ron ron/211ron r0n01ron ron10ron/2 2r0n00ro（与非（与非) ro（或非）（或非）ba输出高电平偏低输出高电平偏低输出输出低电低电平偏平偏高高此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。此外，输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。（一）其他逻辑功能的（一）其他逻辑功能

23、的cmos门电路门电路273.带缓冲级的带缓冲级的cmos门电路门电路（1）与非门：）与非门：特点：输出电阻恒为特点：输出电阻恒为ron；输出电平和；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。电压传输特性都不受输入状态影响。) ()(babaaby（2）或非门：）或非门：同理，可用下式实现：同理，可用下式实现：) ()(bababay28 普通普通cmos门不能接门不能接成成线与线与形式。形式。 od门输出端只是一门输出端只是一个个n沟道管，因此可以连沟道管，因此可以连成线与形式。成线与形式。特点：特点：1.vdd1和和vdd2可取不同值；可取不同值； 2.允许灌入电流较大。如：允许灌入电流较

24、大。如： cc40107在在volrtg 则则oic=0时，传输门截止；时，传输门截止；c=1时时,传输门导通。传输门导通。tgoi/io/cc传输门可双向传输。传输门可双向传输。t2t1c32vgs(th)pvgs(th)nvdd0vin沟道管导通沟道管导通p沟道管导通沟道管导通分析原理。先分析只有一个管时的情况：分析原理。先分析只有一个管时的情况：单管工作的缺点是：单管工作的缺点是：(1)有死区；有死区；(2)导通电阻随输入电压导通电阻随输入电压变化很大。变化很大。采用双管可克服这些缺点。采用双管可克服这些缺点。33将电压传输系数定义如下：将电压传输系数定义如下：ktg= =oitgllr

25、rr 采用改进电路的采用改进电路的cmos四模拟开关四模拟开关cc4066在在vdd=15v时，时，rtg值不大于值不大于240。而且在。而且在 变化时，变化时，rtg基本保持不变。基本保持不变。i 目前，某些精密目前，某些精密cmos模拟开关的导通电阻已降低到模拟开关的导通电阻已降低到20 以下。以下。l模拟开关模拟开关l组成逻辑电路组成逻辑电路例如：异或门见例如：异或门见98页图页图3.3.372.传输门的应用传输门的应用34（四）三态输出的（四）三态输出的cmos门电路门电路)(高阻时，时，zyneayne1035三态门在总线方面的应用三态门在总线方面的应用双向总线：双向总线：接成总线方

26、式时，在接成总线方式时，在n个个en端中，每次最多只能有一个有效。端中，每次最多只能有一个有效。36四、四、cmos电路的正确使用电路的正确使用1.输入电路的静电防护输入电路的静电防护 cmos电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力电路的输入保护电路承受静电电压和脉冲功率的能力有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防有限。因此，在储存，运输，组装和调试过程中，仍需采取防静电措施。静电措施。 (1)储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装；储存和运输不要使用化纤织物包装，最好用金属屏蔽层包装；(3)不用的输入端不应悬空。不用的输入端不应悬空。2.输入电路的过流保

27、护输入电路的过流保护 保护二极管只能承受保护二极管只能承受1ma电流，因此下列三种情况下输电流，因此下列三种情况下输入端要串入保护阻。入端要串入保护阻。(1)输入端接低内阻信号源；输入端接低内阻信号源；(2)输入端接有大电容；输入端接有大电容；(3)输入端接长线。输入端接长线。 (2)操作时使用的电烙铁等，操作时使用的电烙铁等，要妥善接地；要妥善接地；373.cmos电路锁定效应的防护电路锁定效应的防护 产生锁定效应将造成产生锁定效应将造成cmos电路永久失效。可在电路永久失效。可在输入、输出端接入钳位保护电路，在电源输入端加输入、输出端接入钳位保护电路，在电源输入端加去偶电路。去偶电路。 应

28、确保应确保cmos电路先通电、后断电电路先通电、后断电。38五、五、cmos数字电路的各种系列数字电路的各种系列各种系列的电路基本相同各种系列的电路基本相同,主要在工艺上有改进主要在工艺上有改进.改进的目的主要有两点改进的目的主要有两点:一是提高速度一是提高速度,二是减小功耗二是减小功耗.1.4000系列系列:速度低速度低,负载能力差负载能力差,处在被取代阶段处在被取代阶段.2.74hc/hct系列系列:高速系列。高速系列。tpd=9-10ns,负载能力为负载能力为4ma左左 右。右。74hc系列系列:电源电压电源电压26v，功耗随电压增大。，功耗随电压增大。74hct系列系列:电源电压电源电

29、压5v，输入输出电平等均与，输入输出电平等均与ttl电路兼容。因此二者可混合使用。电路兼容。因此二者可混合使用。 3.74ahc/ahct系列系列:改进的高速系列。改进的高速系列。tpd=5.3ns,负载能力为负载能力为 8ma左右，左右， 是目前应用最广的是目前应用最广的cmos器件。器件。 以上为美国以上为美国ti公司的产品，而公司的产品，而vhc/vhct系列为其系列为其他公司产品，其性能与他公司产品，其性能与74ahc/ahct系列相当。系列相当。4.74lvc/alvc系列系列: 90年代的新产品（低压系列）。年代的新产品（低压系列）。表表3.3.239 tpd=3.8ns,负载能力

30、为负载能力为24ma（3v电源）左右。电源电电源）左右。电源电压压1.653.3v。可输入。可输入5v电平信号，也可将电平信号，也可将3.3v以下信号转以下信号转换为换为5v输出信号输出信号74alvc系列进一步提高速度，系列进一步提高速度， tpd=2ns ，负载能力没变。，负载能力没变。因此是最好的因此是最好的cmos系列。系列。74系列工作环境温度范围是系列工作环境温度范围是-40+85度；度；54系列工作环境温度范围是系列工作环境温度范围是-55+125度；度；对于对于74lvc系列：系列：对于对于74alvc系列：系列：70.71页表页表40一、双极型三极管（一、双极型三极管（bjt

31、)的开的开关特性关特性1.静态特性静态特性可用输入输出特性来描述。可用输入输出特性来描述。基本开关电路如图：基本开关电路如图：可用图解法分析电路：可用图解法分析电路：输入特性输入特性输出特性输出特性第四节第四节 ttl门电路（教材上为第五节）门电路（教材上为第五节）41 条条 件件 特特 点点be结结 bc结结截止截止导导通通放大放大饱和饱和bevon (0.7v)ibibsic=iceo(=0) , ib=0ic= ibce=vce(sat)=0.3v 0v反反反反反反正正正正正正ib ibs=ics / =vcc-icrcsce开关特性可归纳为下表：开关特性可归纳为下表：也是“特点特点”的

32、一部分422.动态特性动态特性 当输入信号使三极管在截止当输入信号使三极管在截止和饱和两种状态之间迅速转换时，和饱和两种状态之间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都三极管内部电荷的建立和消散都需要时间，因而集电极电流的变需要时间，因而集电极电流的变化将滞后于输入电压的变化。从化将滞后于输入电压的变化。从而导致输出电压滞后于输入电压而导致输出电压滞后于输入电压的变化。的变化。 也可以理解为三极管的结电也可以理解为三极管的结电容起作用。容起作用。注意：三极管饱和越深，由饱和到截止的延迟时间越长。注意：三极管饱和越深，由饱和到截止的延迟时间越长。饱和时饱和时截止时截止时等效电路等效电路433.三

33、极管反相器（非门）三极管反相器（非门）例例3.5.1：计算参数设计是否合理（原理）：计算参数设计是否合理（原理）3331385212121./iieeiibbvvrrrvvvvkrrr求基极回路求基极回路的等效电路：的等效电路：vcc=5v, vee= 8v,r1=3.3k ,r2=10k rc=1k=20, vce(sat) =0.1v,vih=5v,vil=0v44vvvvitvvvvccohocbili0500233313800.,.截止，所以时，marvvivvtvvvvvbbebbbebihi4407081333138555.则得：认为如果用折线等效电路，导通所以时，vsatvvti

34、imarsatvviiiceobsbccecccsbsbs0250)(,.)(饱和，故为：深度饱和时451.电路结构（以电路结构（以74系列系列非门为例）非门为例）2.工作原理工作原理vcc=5v,vih=3.4v,vil=0.2vt1导通，深饱和导通，深饱和t2,t5截止。因为截止。因为t5有漏电有漏电流，可等效为大电阻。流，可等效为大电阻。t4导通，忽略导通，忽略r2压降，可求出压降，可求出=3.6v=vohoi =vil:0.90.30.2二、二、ttl反相器的电路结构、工作原理和特性反相器的电路结构、工作原理和特性ttl (transistor-transistor logic):晶体

35、管晶体管晶体管逻辑电路。晶体管逻辑电路。推拉式（推拉式（push-pull）、）、图腾柱（图腾柱（totem-pole）输出电路输出电路输出级输出级中间级中间级输入级输入级53.6（一）结构和原理（一）结构和原理46 =vih:it1的的be结截止、结截止、bc结导通；结导通；t2、t5导通。导通。t4截止，因此截止，因此t5饱和。饱和。t2: ics=4v/1.6k=2.5ma; ib=2.9v/4k=0.72ma =20 所以，所以，t2饱和。饱和。o=0.2v0.71.42.14.1?3.41.0也可以认为也可以认为t5“倒置倒置”（c和和e极交换。）极交换。）471. 电压传输特性电压

36、传输特性cd段中点的输入电压即为段中点的输入电压即为阈值电压阈值电压vth （1.4v）。）。de段称为段称为饱和区饱和区；对于对于74系列门电路，系列门电路，vnh、vnl都不小于都不小于0.4v。噪声容限：噪声容限：（二）（二）ttl反相器的静态特性反相器的静态特性(117页）页）ab段称为段称为截止区截止区； b点：点： =0.6v，ibc段称为段称为线性区线性区； c点：点： =1.3v，icd段称为段称为转折区转折区； d点：点： =1.4v，i482. 输入特性输入特性iil称为称为输入低电平电流输入低电平电流。iis称为称为输入短路电流输入短路电流 =0v的输的输入电流入电流。i

37、iih称为称为输入漏电流输入漏电流。 输入电压为负时，基本输入电压为负时，基本是保护二极管的伏安特性。是保护二极管的伏安特性。iih输入为输入为0.2v时时输入为输入为3.4v时时输入为其他电压时输入为其他电压时iiliis 输入电压小于输入电压小于0.6v时，计时，计算算iil的公式仍然成立的公式仍然成立(把把vil换换为为 ），是一直线方程。），是一直线方程。iii493.输出特性输出特性(1)高电平输出特性高电平输出特性 t4饱和前，饱和前，voh基基本不随本不随il变，变，t4饱和后，饱和后，voh将随负载电流增加将随负载电流增加线性下降，其斜率基本线性下降，其斜率基本由由r4决定。决

38、定。(2)低电平输出特性低电平输出特性 受功耗限制，受功耗限制，74系列门系列门输出高电平时最大负载电输出高电平时最大负载电流不超过流不超过0.4ma。t5饱和，饱和，c-e间等效电间等效电阻不超过阻不超过10欧姆，因此欧姆，因此直线斜率很小。直线斜率很小。rce50例例3.5.2：计算：计算g1能驱动的同类门的个数。能驱动的同类门的个数。设设g1满足：满足：voh=3.2v, vol=0.2v。16解：解：n1=16/1 =16g1输出低电平输出低电平g1输出高电平输出高电平 g1输出高电平时，输出高电平时，最大允许输出电流为最大允许输出电流为0.4ma； 每个负载门输入每个负载门输入电流为

39、电流为iih,不超过不超过0.04ma;故：故：n2= 0.4/0.04 =10综合综合n1,n2,应取应取n=10n即门的即门的扇出系数。扇出系数。每个负载门电流每个负载门电流g1门门电流电流0.2viih514.输入端负载特性输入端负载特性当当 小于小于0.6v时时i当当 =1.4v时，时，t2、t5均已导均已导通，通，t1基极电位被钳在基极电位被钳在2.1v而而 不再随不再随rp增加，因增加，因 此此 也不也不再随再随rp增加。增加。ii当当rp较小时，这较小时，这是直线方程是直线方程返回返回rp输入电阻对输入电压的影响。输入电阻对输入电压的影响。1.4v可认为可认为rp为为2k时，时，

40、i已达到已达到1.4v。52例：计算图中电阻例：计算图中电阻rp取值范围。已知：取值范围。已知：voh=3.4v,vol=0.2v, vih(min)=2.0v, vil(max)=0.8v。解：解：当当 =voh时，要求时，要求 vih(min)2i1ovoh-iihrp vih(min)2i=vol+ rp(vcc - vbe vol)/(r1+rp)当当 =vol时，要求时，要求 vil(max)2i1ovil(max)rp 0.69krp 35ki对于对于74系列，当系列，当rp=2k 时，时， 就达到就达到1.4v。综合两种情况综合两种情况rp应按此式选取应按此式选取式式3.5.91

41、o2i牢记：牢记： 若若rp大于大于2k，则，则 等效为高电等效为高电平；若小于平；若小于0.7k，则，则 等效为低电平（等效为低电平（74系列）。系列）。当当 =vol时，时，1o1o当当 =voh，要求要求 ， 才为高电平。才为高电平。rp 35k2i2i2i上页上页此时门此时门2的输的输入电流为入电流为iih53(三三)ttl反相器的动态特性反相器的动态特性1.传输延迟时间传输延迟时间 延迟作用是由晶体管的延迟延迟作用是由晶体管的延迟时间，电阻以及寄生电容等因时间，电阻以及寄生电容等因素引起的。素引起的。 tplh往往比往往比tphl大。大。 经常用平均传输延迟时间经常用平均传输延迟时间

42、tpd来表示：来表示：tpd =(tplh +tphl)/22.交流噪声容限交流噪声容限 干扰信号作用干扰信号作用时间短到与时间短到与tpd相近相近时的噪声容限。时的噪声容限。 此时，此时，tw越小，允许的干扰越小，允许的干扰信号幅值越大。信号幅值越大。543.电源动态尖峰电流电源动态尖峰电流静态电流：静态电流：iccl=ib1+ic2=(5-2.1)/4+(5-1)/1.6=3.2maicch =ib1=(5-0.9)/4=1ma 在动态情况下，会出现在动态情况下，会出现t4和和t5同时导通的情况，特别是输同时导通的情况，特别是输出由低电平跳变为高电平时。使出由低电平跳变为高电平时。使电源电

43、流出现尖峰脉冲。电源电流出现尖峰脉冲。此电流最大可达此电流最大可达30多多ma.电源尖峰电流的不利影响：电源尖峰电流的不利影响：1.使电源平均电流增加；使电源平均电流增加；2.通过电源线和地线产生内通过电源线和地线产生内部噪声。部噪声。55三三.其他类型的其他类型的ttl门电路门电路(3.5.5节）节）（一）其他逻辑功能的门电路（一）其他逻辑功能的门电路1.与非门与非门 t1为为多发射极管多发射极管。可等效。可等效为两个三极管。为两个三极管。其工作原理可从两方面分析：其工作原理可从两方面分析：b. 输入有低时，输出高电平。输入有低时，输出高电平。 此时此时a,b两端并联，两端并联，t1成为成为

44、一个三极管，结论成立。一个三极管，结论成立。a. 输入全高时，输出低电平。输入全高时，输出低电平。 设设a端输入端输入0.2v，则，则ti基基极电位为极电位为0.9v,此时无论此时无论b端状端状态如何，都不会影响态如何，都不会影响t1基极电基极电位。因此输出为高电平。位。因此输出为高电平。0.2v0.9v 如果输入全悬空，输出如果输入全悬空，输出为低电平。因此输入悬空等为低电平。因此输入悬空等效为输入高电平。效为输入高电平。562.或非门或非门 或非门的原理可从两方或非门的原理可从两方面分析：面分析：a.输入全低，输出为高输入全低，输出为高 a端为低电平，使端为低电平，使t2截止；截止； b端

45、为低电平，使端为低电平，使 截止；截止； 2t从而使从而使t5截止，输出为高电平。截止，输出为高电平。b.输入有高，输出为低输入有高，输出为低 若若a端为高电平，使端为高电平，使t2导通，此时无论导通，此时无论 为何状态，为何状态，都不会使都不会使t2截止。因此截止。因此t5一定导通，使输出为低电平。一定导通，使输出为低电平。2t573.与或非门与或非门 在或非门的基在或非门的基础上，增加础上，增加与与输入输入端，从而实现与或端，从而实现与或非逻辑。非逻辑。)(cdaby584.异或门异或门 红框中的电路控制红框中的电路控制t7的状态。因此，当的状态。因此，当t7截止时，电路就是以截止时，电路

46、就是以a,b为输入的与非门。为输入的与非门。 a,b两输入端的高电平两输入端的高电平分别通过分别通过t5和和t4使使t7截止。截止。 说明输入说明输入a,b有高电平，有高电平，就按与非门分析；就按与非门分析；当当a,b全低时，全低时，t4,t5全全截止，使截止，使t7导通，输出导通，输出低电平。低电平。0011110111100100abbaba 从右表可得出该电路为异从右表可得出该电路为异或门。或门。59使用时需外接电阻使用时需外接电阻rl（二）集电极开路门（电路）（二）集电极开路门（电路）(oc)open collector gate 目的：将门的输出端并联，实现目的：将门的输出端并联，实

47、现线与线与： 普通普通ttl门输出端并门输出端并联时，将产生过大的输出联时，将产生过大的输出电流导致器件损坏。电流导致器件损坏。(此此电流可达电流可达30多毫安。）多毫安。）电路原理：电路原理：逻辑符号逻辑符号当输入有低电平当输入有低电平使使t5截止时，显截止时，显然此时门的输出然此时门的输出端处于端处于高阻状态高阻状态。电阻可接到其电阻可接到其他电源，用他电源，用 表示。如表示。如sn7407可接可接30v电压电压ccv 很容易验证这是一个很容易验证这是一个二输入端与非门。二输入端与非门。)()(cdaby rl60（三）三态输出门电路（三）三态输出门电路（ts）three-state ou

48、tput gateen为使能端，为使能端，低电平有效低电平有效。en为低电平时为低电平时:若若a,b都为高电平：都为高电平： 二极管二极管d截止，对电路无截止，对电路无影响，影响，输出输出为为低电平低电平；若若a,b中有低电平：中有低电平： t2,t5截止，二极管截止，二极管d导导通通,t4基极电位被钳在基极电位被钳在4.3v，t4导通，导通，输出高电平输出高电平，但电，但电位为位为2.9v。3.6v4.3v2.9ven为高电平时为高电平时: t5截止；截止；t4基极电位被钳在基极电位被钳在1v,因此，因此，t4截止。从而输出端出现截止。从而输出端出现高阻状态高阻状态。如如en端有两个非门，则为端有两个非门，则为高电平有效。高电平有效。0.3venabyenaby61四四.ttl电路的改进系列电路的改进系列（一）（一）74h系列系列 除了除了74系列外，系列外，ttl电路还有电路还有74h、74s、74ls、74as和和74als等系列。等系列。又称为又称为高速系列高速系列。high-speed 各改进系列都围绕提高速各改进系列都围绕提高速度和降低功耗两点进行。减度和降低功耗两点进行。减小电阻值可提高速度，但是小电阻值可提高速度，但是会明显增加功耗。会明显增加功耗。 可见其各电阻值明显小于可见其各电阻值明显小于74系列。加上采用了复合管系列。加上采用