数字电路逻辑设计 第3章 集成逻辑门

1、第3章 集成逻辑门主要内容（1）晶体管开关特性及TTL逻辑门的基本工作原理。 （2）CMOS逻辑门的基本工作原理。 （3）各类门电路的外部电气特性：电压传输特性、输入输出特性、抗干扰特性、电源特性等。 （4）门电路的标准推拉输出、开路输出、三态输出的特点及用途。 （5）各类门电路性能比较。重点（1）晶体管开关特性。（2）门电路的外部电气特性。（3）门电路开路输出、三态输出的特点和应用。 2第3章 集成逻辑门用来实现基本逻辑关系的电子电路通称为逻辑门电路。常用的逻辑门电路在逻辑功能上有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。在逻辑门电路中，利用晶体二极管、三极管及MOS管的导通和截止、电

2、平的高和低分别表示二值逻辑中的1和0。3.1 晶体管的开关特性3.1.1 3.1.1 晶体二极管开关特性晶体二极管是由PN结构成，具有单向导电的特性。在开关电路近似的分析中，晶体二极管可以当作一个理想开关来分析。何谓理想开关？（1）开关S断开时，通过开关的电流i=0，这时开关两端点间呈现的电阻为无穷大。 （2） 开关S闭合时，开关两端电压v=0，这时开关两端点间呈现的电阻为零。（3） 开关S的接通或断开动作瞬间完成。（4） 上述开关特性不受其它因素（如温度等）的影响。3.1.1 晶体二极管开关特性通常把电压Vth称为二极管的正向开启电压或门限电压，也称阈值电压。一般硅管的门限电压Vth 为0.

3、6 0.7V；锗管的门限电压Vth为0.2 0.3V。通常硅二极管取0.7V，锗二极管取0.3V。3.1.1晶体二极管开关特性在数字电路中，二极管可构成与门和或门。构成与门构成与门构成或门构成或门3.1.1 晶体二极管开关特性二极管开关应用电路（1）限幅电路波形限幅电路又称为限幅器，其功波形限幅电路又称为限幅器，其功能是将输入波形的一部分传送到输能是将输入波形的一部分传送到输出端，而将其余部分抑制掉。可以出端，而将其余部分抑制掉。可以对脉冲波形进行变换或整形。对脉冲波形进行变换或整形。 假设二极管为理想开关。假设二极管为理想开关。当当vI VREF1时，二极管导通，时，二极管导通，vOvI；当

4、当vI rD（rD为二为二极管导通电阻），时间常数极管导通电阻），时间常数1= rDC T2（输入脉冲休止期）。输入脉冲休止期）。 由输出由输出vO的波形可见，它与输入的波形可见，它与输入vI的的波形相似，但波形相似，但vO的顶部被钳定在的顶部被钳定在0V。 3.1.2 3.1.2 晶体三极管开关特性 在一般模拟电子线路中，晶体三极管常常当作线性放大元件或非线性元件来使用。而在脉冲与数字电路中，在大信号作用下，晶体管交替工作于截止区与饱和区，作为开关元件来使用。当输入电压vI小于晶体管阀值电压Vth时，工作于截止区。晶体管T相当于开关断开。当输入电压vI大于阀值电压Vth而小于某一数值（约为1

5、V）时，晶体管工作于放大区。vO随v I的增加而下降，二者基本上呈线性关系。当输入电压vI大于某一数值时，晶体管工作于饱和区。晶体管C、E之间相当于开关闭合。三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性3.1.2 晶体三极管开关特性 利用晶体三极管作开关，最常用、最基本的电路就是反相器电路。右图为晶体三极管反相器右图为晶体三极管反相器基本电路。基极电阻基本电路。基极电阻R 1、R 2及外加偏压及外加偏压VBB构成偏构成偏置电路，与输入电压置电路，与输入电压vI共共同决定晶体三极管的工作同决定晶体三极管的工作状态。当状态。当vI= VL时，三极时，三极管截止，管截止，vO= VH= VCC；当当vI=

6、VH时，三极管饱和时，三极管饱和，vO= VL= VCE (sat) 。输出。输出电压电压vO与输入电压与输入电压vI反相反相，故称为反相器。，故称为反相器。3.2 TTL集成逻辑门早期的双极型集成逻辑门采用的是二极管三极管电路（DTL）形式。由于其速度较低， 以后发展成晶体管晶体管电路（TTL）形式。目前国产的TTL集成电路有CT 54/74系列（标准通用系列，国内沿用的是T 1000系列，与国际上SN 54/74系列相当）；CT 54H/74H系列（高速系列，国内沿用的是T 2000系列，与国际上SN 54H/74H 系列相当）；CT 54S/74S系列（肖特基系列，国内沿用的是T 300

7、0系列，与国际上SN 54S/74S系列相当）；CT 54LS/74LS系列 （低功耗肖特基系列，国内沿用的是T 4000系列，与国际上SN 54LS/74LS系列相当）。3.2.1 晶体管晶体管逻辑门电路（TTL） DTL与非门与非门1. 输入级输入级由多发射极晶体管由多发射极晶体管T1和电阻和电阻R1构成，实现与逻辑；构成，实现与逻辑；2. 中间级中间级由由T2和电阻和电阻R2、R3组成，从组成，从T2的集电极和发射极同时输出的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为两个相位相反的信号，作为T3和和T4输出级的驱动信号；输出级的驱动信号；3. 输出级输出级由由T3、D4、T4和和R4

8、构成，实现非逻辑。构成，实现非逻辑。 3.2.2 TTL与非门的主要外部特性为了更好地合理地使用集成电路，必须了解其外部特性。TTL与非门主要外部特性有电压传输特性、输入特性、输出特性和传输延时特性等。1. 电压传输特性TTL与非门电压传输特性是指输出电压VO随输入电压VI的变化曲线。截止区线性区转折区饱和区关态关态开态开态1. 电压传输特性（1） 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电平VOH，饱和区的输出电压为输出逻辑低电平VOL。通常规定TTL与非门输出高电平VOH=3V和输出低电平VOL=0.35V为额定逻辑高、低电平。 （2） 开门电平Von和

9、关门电平Voff及阈值电压Vth在保证输出为额定高电平（3V）的90%（2.7V）的条件下，允许的输入低电平的最大值，称为关门电平Voff；在保证输出为额定低电平（0.35V）的条件下，允许的输入高电平的最小值，称为开门电平Von。一般Voff0.8V，Von1.8V。在转折区内，TTL与非门状态发生急剧的变化，通常将转折区的中点对应的输入电压称为TTL门的阈值电压Vth。一般Vth1.4V。（3） 抗干扰能力在受到噪声干扰时，电路能允许的噪声干扰以不破坏其开关状态为原则。 2. TTL与非门输入特性TTL与非门的输入特性是指输入电压和输入电流之间的关系曲线。在保证TTL与非门工作于关态时，R

10、 i3.2 k。3. TTL与非门输出特性TTL与非门的输出特性反映了输出电压vO和输出电流iO的关系。（1）与非门处于）与非门处于开态开态时，负载电流为灌电流。输出低电平随灌电流增时，负载电流为灌电流。输出低电平随灌电流增加而略有增大，如图（加而略有增大，如图（a）中）中0A段所示。输出电阻约在段所示。输出电阻约在10 20。（2）与非门处于）与非门处于关态关态时，负载电流为拉电流。输出电阻为时，负载电流为拉电流。输出电阻为100左右左右。当拉电流增加时，输出高电平将减小。当拉电流增加时，输出高电平将减小。4. 平均延迟时间晶体管作为开关应用时，存在着延迟时间td、存储时间ts、上升时间tr

11、、下降时间t f。在集成门电路中由于晶体管开关时间的影响，使得输出和输入之间存在延迟。即存在导通延迟时间tPHL和截止延迟时间tPLH 。)(21PLHPHLpdttt平均延迟时间大小反映了TTL门的开关特性，主要说明TTL门的工作速度。3.2.3 TTL OC门、三态输出门等1.集电极开路的TTL与非门（OC门）两个逻辑门输出端相连，可以实现两输出相与的功能，称为线与。为了使TTL门能够实现线与，把输出级改为集电极开路的结构，简称OC门。集电极开路门常用于驱动高电压、大电流的负载。3.2.3 TTL OC门、三态输出门等2.三态输出门三态输出门（简称三态门）是在普通门电路基础上，增加控制端和

12、控制电路构成。0,1,ENENAB高阻1,0,ENENAB高阻利用三态门可以实现总线结构。如右上图，只要控制各个门的EN端，轮流定时地使各个EN端为1，并且在任何时刻只有一个EN端为1。这样就可以把各个门的输出信号轮流传输到总线上。利用三态门还可以实现数据的双向传输。如右下图，当三态使能端EN=1时，D0经门G1反相送到数据总线，门G2呈高阻态；当三态使能端EN=0时，数据总线中的DI由门G2反相后输出，而门G1呈高阻态。 4. 三态输出门3.2.4 其它系列TTL门电路前面分析的是CT 54/74系列的典型与非门电路，为了提高工作速度，降低功耗，在CT 54/74系列后又相继研制生产了CT

13、54H/74H系列、CT 54S/74S系列、CT 54LS/74LS系列。例如：7400、74LS00、74H00、74S00TTL系列器件主要性能比较系列器件主要性能比较 3.5 CMOS电路CMOS集成电路是以增强型P沟通MOS管和增强型N沟道MOS管串联互补（反相器）和并联互补（传输门）为基本单元的组件，因此称为互补型MOS器件。243.5.1 CMOS反相器工作原理CMOS反相器由一个P沟通增强型MOS管和一个N沟道增强型MOS管串联组成。通常以P沟道管作为负载管，N沟道MOS管作为输入管。当输入当输入VI为低电平，如为低电平，如VI =0V时，输入管时，输入管N管管截止，截止， 负载管负载管P管导通，输出电平为高电平。管导通，输出电平为高电平。当输入当输入VI为高电平，如为高电平，如VI =VDD时，输入管时，输入管N管管导通，导通， 负载管负载管P管截止，输出电平为低电平。管截止，输出电平为低电平。1. CMOS反相器的主要特性（1） 静态功耗极低。 CMOS反相器在低频工作时，功耗是极小的，低功耗是CMOS的最大优点。（2） 抗干扰能力较强。 低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等。而且随电源电压升高，抗干扰能力增加。（3） 电源利用率高。 由于其阈值电压随VDD变化而变化，所以允许VDD可以在一个较宽的范围内变化。一般VDD允许范围为+3V +18V。（4） 输