数字电子电路第3章 集成逻辑门

1、1n第第3章章 集成逻辑门集成逻辑门 n 3.1 3.1 晶体管开关特性晶体管开关特性n 3.2 TTL3.2 TTL集成门电路集成门电路 n 3.2.1 TTL3.2.1 TTL集成门电路概述集成门电路概述 n 3.2.2 TTL3.2.2 TTL与非门主要外部特性与非门主要外部特性n 3.2.3 TTL OC3.2.3 TTL OC门和三态输出门特性门和三态输出门特性n 3.2.4 TTL3.2.4 TTL系列器件主要性能比较系列器件主要性能比较n 3.3 CMOS3.3 CMOS集成门电路集成门电路2n本章主要介绍：本章主要介绍：n晶体管晶体管/MOS/MOS管的管的开关特性开关特性nT

2、TLTTL集成逻辑门集成逻辑门/CMOS/CMOS集成逻辑门的集成逻辑门的: :n基本工作原理基本工作原理n主要外部特性主要外部特性3n作业：n3.3、3.4、3.11、3.13补3.1、补3.2n补3.3、补3.4、补3.54内容概述内容概述集集成成逻逻辑辑门门双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门按器件类型分按器件类型分PMOSNMOSCMOS按集成度分按集成度分SSI（100以下以下个等效门）个等效门）MSI（10103 3个等效门）个等效门）LSI （10104 4个等效门）个等效门）VLSI（10104 4个以上等效门）个以上等效门）TTL、CMOS门电路门电路的

3、工作原理、的工作原理、外部特性外部特性、电参数的含电参数的含义及使用特点义及使用特点TTL、ECLI2L、HTL本章重点本章重点第三章第三章 门电路门电路(P55)(P55)53.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性(P(P5454) )理想二极管：理想二极管：1 1）外加正向电压，二极管导通且电）外加正向电压，二极管导通且电阻阻=0=02 2）外加反向电压，二极管截止且电）外加反向电压，二极管截止且电阻无穷大阻无穷大实际二极管：实际二极管：1 1）正向导通，导通电压）正向导通，导通电压V Vth th 0.7V00.7V02 2）反向截止时漏电流）反向截止时漏电流Is 0Is 03

4、3） V Vthth 和和Is Is 与温度有关，温度与温度有关，温度 V Vthth 、Is Is 理想二极管：开关动作瞬间完成。理想二极管：开关动作瞬间完成。实际二极管：实际二极管：1）二极管由截止到导通：）二极管由截止到导通：PN结电容充电，开通时间结电容充电，开通时间Ton2）二极管由导通到截止：）二极管由导通到截止：PN结电容放电，关断时间结电容放电，关断时间ToffAK导通导通截止截止1. 1. 稳态开关特性：稳态开关特性：2. 2. 瞬态开关特性：瞬态开关特性：3.1.13.1.1二极管的开关特性二极管的开关特性(P(P5454) )6一、二极管与门：一、二极管与门：A(v) B

5、(v)Y(v) 0(通) 0(通) 0(通) 3(断) 3(断) 0(通) 3(通) 3(通)0.70.70.73.7二、二极管或门：二、二极管或门：A(v) B(v)Y(v) 0(通) 0(通)0(断) 3(通)3(通) 0(断)3(通) 3(通)-0.72.32.32.3A BY 0 0 0 1 1 0 1 10001A BY 0 0 0 1 1 0 1 10111电压关系表电压关系表电压关系表电压关系表逻辑真值表逻辑真值表逻辑真值表逻辑真值表Y=ABY=A+B利用二极管导通后的利用二极管导通后的钳位作用钳位作用实现逻辑电路实现逻辑电路分立元器件门电路分立元器件门电路( (补充补充) )7

6、3.1.2 3.1.2 三极管的开关特性三极管的开关特性(P61)(P61)8n1. 1. 三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性n基本单管共射电路基本单管共射电路 n 单管共射电路的传输特性单管共射电路的传输特性9VccRuIuO电子开关电子开关（门电路）（门电路）问题问题2 2：高、低电平的范围？：高、低电平的范围？电路类型不同，范围不同电路类型不同，范围不同（输出典型值）（输出典型值）TTL:CMOS:低电平低电平:0.1锗锗0.3V硅硅高电平高电平:3 5V低电平低电平:0V高电平高电平:VDD (3 18V)(补充)bce问题问题1 1：如何获得高低电平？：如何获得高低电平？返回T开关

7、特性返回门结构10条件：条件：发射结：反偏（发射结：反偏（VBVE）集电结：反偏（集电结：反偏（VBVC）ib0, ic0, ie0条件：条件：发射结：正偏（发射结：正偏（VBVE）集电结：反偏（集电结：反偏（VBVC）ic= ib条件：条件：发射结：正偏（发射结：正偏（VBVE）集电结：正偏（集电结：正偏（VBVC）实际三极管由实际三极管由截止截止饱和饱和饱和饱和截止截止都不能在瞬间完成，而需要一个过渡过程。都不能在瞬间完成，而需要一个过渡过程。1）截止）截止饱和：开通时间饱和：开通时间 Ton2）饱和）饱和截止：关断时间截止：关断时间 Toff3. 三极管的开关应用三极管的开关应用反相器反

8、相器（p61）:自己看。定性分析，不计算。自己看。定性分析，不计算。bceVCE=VCES 0 3.1.2 3.1.2 三极管的开关特性三极管的开关特性(P61)(P61)电子开关RcVVIiCESCCBSb113.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门(P66)(P66)3.2.1 3.2.1 晶体管晶体管逻辑门电路（晶体管晶体管逻辑门电路（TTLTTL）121314由上述可见：由上述可见：n只要只要输入有一个低电平输入有一个低电平n输出输出即为即为高电平高电平n称电路处于称电路处于关态关态n只有当只有当输入全部为高电平时输入全部为高电平时n输出输出才为才为低电平低电平n称电路处于称电路处于开态开态

9、n电路具有电路具有“与非与非”逻辑功能逻辑功能153.2.1 TTL3.2.1 TTL与非门电路与非门电路 (P66)(P66)3.2 TTL3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门(P66)(P66)输入级：实现输入级：实现A、B、C的与运算的与运算输出级：推拉式输出结构输出级：推拉式输出结构中间级：放大级，提中间级：放大级，提供两个反相的信号供两个反相的信号返回电压传输输出管输出管返回噪声电子开关163.2.2 TTL3.2.2 TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数TTL“TTL“与非与非”门输入电压门输入电压V VI I与输出电压与输出电压V VO O之间的关系曲线，之间的关

10、系曲线，即即 V VO O = f= f（V VI I）转折区中点所对应的转折区中点所对应的输入电压输入电压值称为值称为阈值电压阈值电压VTH（使输出电平翻转的输（使输出电平翻转的输入电压）入电压）阈值电压阈值电压Vth=1.4V截止区截止区，T T4 4关门关门输出高电平输出高电平V VOH OH 3.6V 3.6V饱和区饱和区, T T4 4开门开门输出低电平输出低电平V VOL OL 0.3V 0.3V1.1.电压传输特性电压传输特性(P69)(P69)转折区转折区线性区线性区稳态稳态瞬态瞬态门结构返回噪声173.2.2 TTL与非门的主要外部特性与非门的主要外部特性n1. 1. 电压传

11、输特性电压传输特性nabab段段：截止区：截止区 vI0.6V，输出高电平，输出高电平3.6vnbcbc段：线性区段：线性区 0.6V vI 1.3Vndede段：段：饱和区饱和区 输出低电平输出低电平0.3v18n由电压传输特性可知由电压传输特性可知TTL“TTL“与非与非”门门n几个主要特性参数几个主要特性参数 （1）输出逻辑高电平输出逻辑高电平VOH和输出逻辑低电平和输出逻辑低电平VOLn输出逻辑高电平输出逻辑高电平VOH： 电压传输特性曲线截止区的输出电压电压传输特性曲线截止区的输出电压n输出逻辑低电平输出逻辑低电平VOL ： 电压传输特性曲线饱和区电压传输特性曲线饱和区 的输出电压的

12、输出电压19（2）开门电平开门电平Von和关门电平和关门电平Voff及阈值电及阈值电压压Vth通常规定通常规定TTL与非门输出高电平与非门输出高电平VOH3V：为额定逻辑高电平：为额定逻辑高电平：n规定规定TTL与非门输出低电平与非门输出低电平VOL0.35V：为额定逻辑低电平：为额定逻辑低电平：20n关门电平关门电平Voff ： 在保证输出为额定高电平（在保证输出为额定高电平（3V）的）的90（2.7V）的条）的条件下，允许的输入低电平的最大值。件下，允许的输入低电平的最大值。n开门电平开门电平Von ： 在保证输出为额定低电平（在保证输出为额定低电平（0.35V）的条件下，允许的）的条件下

13、，允许的输入高电平的最小值。输入高电平的最小值。n阈值电压阈值电压Vth : 转折区的中点对应的输入电压转折区的中点对应的输入电压 一般一般:Vth 1.4V21 （3 3）抗干扰能力）抗干扰能力n以噪声容限的数值来定量地说明门电路的抗干扰能力以噪声容限的数值来定量地说明门电路的抗干扰能力n在输入低电平时在输入低电平时，为了保证稳定的关态，为了保证稳定的关态， 输入低电平加上瞬态的干扰信号不应超过关门电平输入低电平加上瞬态的干扰信号不应超过关门电平Voff ，n因此，在输入低电平时，允许的干扰容限为：因此，在输入低电平时，允许的干扰容限为：n称为：称为：低电平噪声容限低电平噪声容限ILoffN

14、LVVV22n在输入高电平时，为了保证稳定的开态，在输入高电平时，为了保证稳定的开态， 输入高电平加上瞬态的干扰信号不应低于开门电平输入高电平加上瞬态的干扰信号不应低于开门电平Von ，n因此，在输入高电平时，允许的干扰容限为：因此，在输入高电平时，允许的干扰容限为：n称为：称为：高电平噪声容限高电平噪声容限onIHNHVVV23n在一般情况下，影响电压传输特性的主要原因：在一般情况下，影响电压传输特性的主要原因：n环境温度和电源电压环境温度和电源电压n总的趋势：总的趋势：n温度温度输出高电平输出高电平、输出低电平、输出低电平阈值电压阈值电压n电源电压变化电源电压变化输出高电平变化输出高电平变

15、化n一般：一般：VOHVCC ，对输出低电平影响不大。对输出低电平影响不大。24n2. TTL2. TTL与非门输入特性与非门输入特性n输入电压和输入电流之间的关系曲线输入电压和输入电流之间的关系曲线ni iI I以流出输入端为正方向以流出输入端为正方向n从输入特性反映了输入短路电流的大小从输入特性反映了输入短路电流的大小25n实际应用时，经常会遇到输入端通过一个电阻接地实际应用时，经常会遇到输入端通过一个电阻接地的情况的情况n输入电阻输入电阻Ri对工作状态的影响：对工作状态的影响：n为了为了保证关态保证关态：n须须vIVoffn对于典型对于典型TTL与非门与非门nRi0.91k11CCBES

16、IiiVVvRRRIIivi R26n为了为了保证开态保证开态：n须须vIVonn对于典型对于典型TTL与非门与非门n Ri3.2knRi的存在使输入低电平提高的存在使输入低电平提高n削弱了电路的抗干扰能力削弱了电路的抗干扰能力27n多余输入端的连接多余输入端的连接2829当当VIL = 0V(接地接地)时的电流。时的电流。方向：由输入端流出（方向：由输入端流出（ iI 为正）为正）此时前级驱动门导通，此时前级驱动门导通，iIL灌灌入前级门，为灌电流负载入前级门，为灌电流负载输入高电平电流输入高电平电流（输入漏电流输入漏电流IIH ）2.2.输入特性：输入伏安特性输入特性：输入伏安特性(P71

17、)(P71)Vcc1+-vIvoiI+VCC1vI1vo11vI2vo2 输入低电平电流输入低电平电流此时前级驱动门截止，此时前级驱动门截止， iIL从从前级门流入，为拉电流负载前级门流入，为拉电流负载输入短路电流输入短路电流IIS mA 4.1IIS30门导通时，门导通时，io灌入门电路，灌入门电路，称为称为灌电流负载灌电流负载+VCC1vIvoio门截止时，门截止时，io从门电路流从门电路流出，称为出，称为拉电流负载拉电流负载iOHiOL拉电流拉电流增大增大，输出高电平会降低输出高电平会降低。io,管子功耗管子功耗，毁坏器件。，毁坏器件。拉电流的最大值拉电流的最大值 IOH 称为称为拉电流

18、拉电流负载负载能力。能力。问？问？+VCC1vIvoiovo灌电流灌电流增大增大，输出低电平会升高输出低电平会升高。io,管子功耗管子功耗，毁坏器件。，毁坏器件。灌电流的最大值灌电流的最大值 IOL 称为称为灌电流负灌电流负载载能力。能力。3.3.输出特性：拉电流和灌电流输出特性：拉电流和灌电流(P71)(P71)RONROFFT3T4+-+VCCRLvI=0.3VvOHvI= 3.6VRL+-vOL+VCC+VCCRONROFFT3T431+5v1Ri+-VIVo输入端接电阻输入端接电阻Ri：Ri小则小则VI小；小； Ri大则大则VI大大(1)开门电阻：开门电阻：当当 Ri大大于于3.2k时

19、，输入时，输入端端相当于接高电平相当于接高电平（逻辑（逻辑1），称），称3.2k为开门电阻，为开门电阻，用用Ron表示。表示。(2)关门电阻：关门电阻：当当 Ri小小于于0.91k时，输时，输入端入端相当于接低电平相当于接低电平（逻辑（逻辑0），称），称0.91k为关门电为关门电阻，用阻，用Roff表示。表示。问？问？Ri=100 ，Vo =？Ri=10K， Vo =？Ri=开路，开路， Vo =？5.5.输入负载特性输入负载特性（72)72)32 扇入系数扇入系数 N Ni i：是指合格的输入端的个数是指合格的输入端的个数 扇出系数扇出系数 N NO O：是指在灌电流（输出低电平）状是指在灌

20、电流（输出低电平）状态下驱动同类门的个数。态下驱动同类门的个数。ISOLmaxO/IINNoNo越大，说明门电路的负载能力越强。越大，说明门电路的负载能力越强。7. 7. 平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpd pd (P74)(P74)6.6.扇入、扇出系数扇入、扇出系数(P76)(P76)输出端允许的最大输出端允许的最大灌电流灌电流输入短路电流输入短路电流（1.4mA1.4mA）111111tPLH33三态三态逻辑逻辑门门（TSL）TTLTTL集电极开路集电极开路 “ “与非与非”门门（OCOC门）门）TTLTTL或非门、异或门等：外特性和或非门、异或门等：外特性和与非门相同与非门相同

21、3.2.33.2.3其它类型其它类型TTLTTL门电路门电路（P76P76）34n推拉式输出结构的推拉式输出结构的TTLTTL门电门电路可以将两个门的输出端路可以将两个门的输出端直接并接吗？直接并接吗？n不能！不能！n两个门两个门Y1Y1、Y2Y2无论处于开无论处于开态、关态都呈低阻抗，大态、关态都呈低阻抗，大电流会损坏门电路，电流会损坏门电路，3510当将两个当将两个TTL“TTL“与非与非”门门输出端直接并联输出端直接并联时：时：回路阻抗很小，回路阻抗很小，产生一个很大的产生一个很大的电流电流产生一个大电流产生一个大电流1 1、抬高门、抬高门2 2输出输出低电平低电平2 2、会因功耗过大、

22、会因功耗过大损坏门器件损坏门器件TTLTTL门电路输出门电路输出端不能直接并联端不能直接并联TTLTTL门输出端并联问题门输出端并联问题(P78)(P78)36TTL与非门电路与非门电路 TTLTTL集电极开路门（集电极开路门（OCOC门）门）(P79)(P79)当输入使当输入使T5导通，导通， F输出低电平；输出低电平；当输入使当输入使T5截止，截止， F输出高电平，电输出高电平，电压接近电源电压压接近电源电压VC。 OC门完成门完成“与非与非”逻辑功逻辑功能能 OCOC门的结构门的结构RLVC外外接接集电极开路与非门（集电极开路与非门（OC门）门）输出逻辑电平：输出逻辑电平：低电平低电平0

23、.3V高电平为高电平为VC（5-30V）ABF 逻辑符号逻辑符号：37 OC门输出端并联，实现门输出端并联，实现“线与线与”逻辑逻辑逻辑等效符号逻辑等效符号21F FF_CDAB_CDAB可驱动高电压负载可驱动高电压负载可驱动大电流负载可驱动大电流负载外接上拉电阻和电源外接上拉电阻和电源F相当于相当于“与门与门”RLVCOCOC门的应用门的应用（P73P73）只有只有F1和和F2的输出管的输出管都截止时，都截止时，F才输出才输出高电平；高电平； F1和和F2中只要有一中只要有一个低电平，则输出为个低电平，则输出为低。电流全部灌入导低。电流全部灌入导通的这支输出管。通的这支输出管。38 OC门应

24、用门应用-电平转换器电平转换器OCOC门应用（续）门应用（续）( (补充补充) )OC门需外接电阻，所以电源门需外接电阻，所以电源VC可以选可以选5V30V，因此，因此OC门作为门作为TTL电路可以和其它不同类型不同电平的逻电路可以和其它不同类型不同电平的逻辑电路进行连接辑电路进行连接TTL电路驱动电路驱动CMOS电路图电路图C M O S 电 路 的电 路 的 VD D = 5 V 1 8 V ， 特 别 是， 特 别 是VDD VCC时，必须选用时，必须选用集电极开路（集电极开路（OC门）门）TTL电路电路CMOS电源电压电源电压VDD = 5V时，一般的时，一般的TTL门可门可以直接驱动

25、以直接驱动CMOS门门391F输出为输出为高阻状态高阻状态记为记为ZZ输出除具有高、低电平状态外，输出除具有高、低电平状态外，还有还有第三种第三种输出状态输出状态 高阻高阻状态状态（又称禁止态或失效态）（又称禁止态或失效态）,故称为故称为三态门三态门（TSL)1(或或0)与普通与普通TTL门一样，门一样，输出有两种状态输出有两种状态0也有使能端也有使能端高电平有效高电平有效的三态门的三态门TTLTTL三态逻辑门（三态逻辑门（TSLTSL）（P74P74）比普通门比普通门多一个输多一个输入端入端+VCCROFFT3T4ABFRONEN+VCCROFFT3T4ABENFROFF三态门的逻辑符号三态

26、门的逻辑符号AF&ENBF=AB ，EN=0时时Z ，EN=1时时称作使能端，称作使能端，低电平有效低电平有效40高阻状态与非功能 ZF ABF1E0E_高阻状态与非功能 ZF ABF0E1E_使使能能端端的的两两种种控控制制方方式式低电平使能低电平使能高电平使能高电平使能三态门的逻辑符号三态门的逻辑符号ABF EFAB E3.2.4 3.2.4 其他系列其他系列TTLTTL门电路门电路(P75-78)(P75-78)使能端的有效电平使能端的有效电平（P74P74）41 实现总线结构实现总线结构总线分时共享：控制各个门总线分时共享：控制各个门的使能端，任意时刻的使能端，任意时刻只能有只能有一个

27、一个门占用总线，其余门均门占用总线，其余门均为高阻态。为高阻态。 实现数据双向传输实现数据双向传输输出：输出：使使EN=1，G1通通，G2高高阻，数据阻，数据D0反相后送上总线。反相后送上总线。输入：输入：使使EN=0，G1高阻，高阻，G2通通，数据，数据D1反相后传入设备内。反相后传入设备内。内内外外高阻高阻高阻高阻三态门的应用三态门的应用（P75P75）423.5 CMOS3.5 CMOS门电路门电路三个极三个极源极源极S漏极漏极D栅极栅极G电压控制器件，用栅极电压控制器件，用栅极电压控制漏源电流。电压控制漏源电流。N沟道沟道P沟道沟道增强型增强型耗尽型耗尽型增强型增强型耗尽型耗尽型1.N

28、沟道沟道增强型增强型GDS开启电压开启电压 UTN 0UGSUTN 时导通时导通， UGSUTN 时截止。时截止。2.P沟道沟道增强型增强型开启电压开启电压 UTP 0UGS UTP 时导通时导通， UGS UTP 时截止时截止 。GDS3.4.1 MOS3.4.1 MOS管的开关特性管的开关特性(P81)(P81)43PMOSNMOS柵极柵极G G相连相连作输入端作输入端漏极漏极D D相连相连作输出端作输出端工作原理：工作原理：1 1、A A为低电平为低电平V VIL IL = 0V= 0V时时T T1 1管截止；管截止；T T2 2导通导通F F输出为高电平输出为高电平V VOHOHVVD

29、DDD2 2、A A为高电平为高电平V VIHIH = V = VDDDD时时实现逻辑实现逻辑“非非”功能功能AF F F输出为低电平输出为低电平V VOLOL0V0V。T T1 1管导通；管导通；T T2 2截止截止特点：特点：1.压控器件，输入端（栅极）电流压控器件，输入端（栅极）电流=02.输出高电平输出高电平 V VOHOHVVDDDD3. .输出低电平输出低电平 V VOLOL0V0V电源电压电源电压V VDDDD适用范围较大可在适用范围较大可在3 318V18V3.5.1 CMOS3.5.1 CMOS反相器的反相器的工作原理工作原理（P89P89）44iI输入外接电阻与输入电压的关

30、系：输入外接电阻与输入电压的关系：珊极电流珊极电流 iI=0，无论无论Ri多大多大，都有，都有 ui = UIL =0VRi最大可达107iIVDD1Ri+-uiuoiI=0 ,CMOS输入阻抗极大，极输入阻抗极大，极易拾取静电及干扰信号，在输入端易拾取静电及干扰信号，在输入端产生高压，毁坏器件，故使用时要产生高压，毁坏器件，故使用时要防静电，且输入端不能悬空！防静电，且输入端不能悬空！CMOSCMOS输入负载特性输入负载特性( (补充补充) )45 iD输入电压输入电压u uI I与输出电压与输出电压u uO O的关系的关系ui = UIL 时， uo = VDDiD0ui = UIH时，

31、uo = 0ViD0静态时（稳定输出高或低电平）静态时（稳定输出高或低电平） iI0， iD0，CMOS门电路静态功耗极低。门电路静态功耗极低。此区域为转折区，此区域为转折区，阈值阈值电压电压UTH= VDD CMOSCMOS电压传输特性电压传输特性(P90)(P90)46门导通时，门导通时，io灌入门电路，灌入门电路，称为灌电流负载称为灌电流负载 输出伏安特性：输出伏安特性：输出电流与输出电压之间的关系输出电流与输出电压之间的关系+VDD1uiuoio门截止时，门截止时，io从门电路流从门电路流出，称为拉电流负载出，称为拉电流负载iOHio,管子功耗管子功耗，毁坏器件。，毁坏器件。拉电流的最

32、大值拉电流的最大值 IOH 称为称为拉电流负载拉电流负载能力。能力。灌电流的最大值灌电流的最大值 IOL 称为称为灌电流负载灌电流负载能力。能力。问？问？+VDD1uiuoiouoCMOSCMOS输出伏安特性输出伏安特性( (补充）补充）+-+VDDRLui=0VuOHRONROFFui= VDD+-RLuOL+VDD+VDDRONROFFiOL47 抗干扰能力：抗干扰能力：噪声容限噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限U NL高电平噪声容限高电平噪声容限U NH+VDD1ui1uo11ui2uo20VVDDuo1UNH0VVDDui2VDD ( UTH )U NL取13VDDCMOS电路CMO

33、SCMOS噪声容限噪声容限( (补充补充) )48栅极控制电压栅极控制电压为互补信号，为互补信号，如如C=0，C=VDD工作原理：工作原理：由此可见传输门相当由此可见传输门相当于一个理想的开关，且可实现双向传输于一个理想的开关，且可实现双向传输CMOSCMOS传输门（传输门（TGTG）(P100)(P100)当当C = 0VC = 0V， C= VC= VDDDD时时T TN N和和T TP P均截止，均截止，V VI I由由0 0V VDDDD变化时，传输变化时，传输门呈现高阻状态，相门呈现高阻状态，相当于开关断开当于开关断开当当C = VC = VDDDD， C= 0VC= 0V时，时，V VI I在在0 0V VDDDD范围变化时，范围变化时，T TN N