第2章逻辑门电路2019ppt课件

1、第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路本章主要内容本章主要内容介绍基本门电路的概念介绍基本门电路的概念讨论数字集成电路的几种主要类型，重点是讨论数字集成电路的几种主要类型，重点是双极型双极型TTL集成门电路集成门电路MOS型数字集成电路型数字集成电路第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路集成逻辑门电路，是把门电路的所有元器集成逻辑门电路，是把门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上件及连接导线制作在同一块半导体基片上构成的。构成的。它属于小规模集成电路它属于小规模集成电路(SSI)，它是组成一，它是组成一个较大数字系统的基本单元。个较大数字系统的基本单元。第第2章章 集成逻辑门

2、电路集成逻辑门电路小规模小规模(Small Scale Integrated Circuit ,SSI)是由十几个门电路构成的。是由十几个门电路构成的。中规模中规模(Medium Scale Integrated Circuit, MSI)是由上百个门电路构成的。是由上百个门电路构成的。大规模大规模(Large Scale Integrated Circuit ,LSI)是由几百个至几千个门电路构成的。是由几百个至几千个门电路构成的。超大规模超大规模(Very Large Scale Integrated Circuit ,VLSI)是由一万个以上门电路构成是由一万个以上门电路构成的。的。第第

3、2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路目前，广泛使用的逻辑门有目前，广泛使用的逻辑门有TTL (Transistor-Transistor Logic)和和CMOS两个两个系列。系列。TTL门电路属双极型数字集成电路，其输入门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是三极管结构，故称级和输出级都是三极管结构，故称TTL。CMOS门电路是由门电路是由NMOS管和管和PMOS管组成管组成的互补的互补MOS集成电路，属单极性数字集成集成电路，属单极性数字集成电路。电路。第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路我国我国TTL系列数字集成电路型号与国际型系列数字集成电路型号与国际型号对应列入表号对应列

4、入表2-1中中 规范规范(通用系列通用系列)高速系列高速系列肖特基系列肖特基系列低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列 54/7454/74H54/74S54/74LSCT1000CT2000CT3000CT4000TTL系列系列分类名称分类名称国际型号国际型号国产型号国产型号系列系列获得高低电平的基本原理获得高低电平的基本原理电子电路中用高、低电平分别表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态。二极管的开关特性二极管的开关特性二极管导通条件：正向电压VF0.7V(0.2V)。二极管截止条件：VF0.5V(锗管0.1V)。二极管反向恢复时间treVF-VRt1vI0t(b)输入电压波形输入电压波形二极管的开关

5、特性二极管的开关特性二极管反向恢复时间tre产生反向恢复时间tre的原因反向恢复时间反向恢复时间tre为为纳秒数量级，纳秒数量级， tre值值愈小，开关速度愈快，愈小，开关速度愈快，允许信号频率愈高。允许信号频率愈高。三极管的开关特性三极管的开关特性截止、饱和的条件截止：VBE 0V(0.5V)饱和：IBIBS临界饱和：VCE=VBE此时：CCCCCCCS7 . 0RVRVI 一般一般VCES=0.10.3V三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关时间0.9ICS0.1ICS延迟时间延迟时间td上升时间上升时间tr开启时间开启时间ton=td+tr存储时间存储时间ts下降时间下降时间tf关

6、闭时间关闭时间toff=ts+tf一般地一般地toffton，ts tf并且开关时间为纳秒数量并且开关时间为纳秒数量极极2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=VB=3V。由于。由于R接接 到电源到电源+12V上，故上，故DA、DB均导通均导通VF= 3+0.7V=3.7V3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=3V，VB=0V由于由于DB导通，导通，VF=0.7V，因而因而DA截止截止通常将通常将DB导通，使导通，使VF=0+0.7V=0.7V0V称称为箝位。为箝位。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑

7、门电路二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=0V，VB=3V由于由于DA导通导通VF=0+0.7V=0.7V0V，DB截止。截止。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=VB=0VVF=0.7V，此时，此时DA、DB均导通。均导通。 VF=0+0.7V=0.7V0V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。 结论：结论：(1)VA=VB=0V，VF0V(2)VA=0V, VB=3V，VF0V(3)VA=3V, VB=0V， VF0V(4)VA=VB=3V VF3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二

8、极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。 0003 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输入输入 VF(V) VF(V) 电位关系电位关系2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。 A B0 00 11 01 1F0001真值表真值表2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA=VB=3V，由于，由于R接到电源接到电源-VEE（-12V上，故上，故DA、DB均导通。均导通。VF因此为因此为VA-VD=2.3V 3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA=0V，VB=3V

9、，此，此时时DB导通，将导通，将VF钳位在钳位在2.3V，DA加反向电压截止。加反向电压截止。因而因而VF=VB-VD=2.3V3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA=3V，VB=0V，此，此时时DA导通，导通，DB截止，截止，VF=VA-VD=2.3V 3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA=VB=0V，DA、DB均导通，均导通，VF=0-VD=-0.7V 0V 。 2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。 结论结论(1)VA=VB=0V:VF0V(2) VA=0V

10、, VB=3V: VF3V(3) VA=3V, VB=0V: VF3V(4)VA=VB=3V: VF3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。 0333 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输输 入入 VA(V) VB(V) 电位关系电位关系2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。 A B0 00 11 01 1F0111真值表真值表2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门数字电路中，二极数字电路中，二极管，三极管均工作在管，三极管均工作在开关状态。三极管工开关状态。三极管

11、工作在饱和状态和截止作在饱和状态和截止状态。状态。12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门饱和时，其集电极输出饱和时，其集电极输出为低电平为低电平VO=Vces）；）；截止时，其集电极输出截止时，其集电极输出高电平无箝位时，高电平无箝位时，VO=VCC，有箝位电路时，有箝位电路时，VO高电平将使高电平将使DQ导通，导通，由于由于VQ=2.5V，故，故VO=2.5V+0.7V=3.2V）。）。 -12V12V2.5V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门VI=0.3V时，一般硅管时，一般硅管死区

12、电压为死区电压为0.5V，故，故T可可能截止，只考虑到能截止，只考虑到VEE时时VkkkVV923. 05 . 1185 . 112B 只考虑到只考虑到VI时时 VkkkVV277.05 .118183 .0B -12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门总的总的VB=-0.646V，T截止，截止，VO为高电平。为高电平。由于此时钳位二极管由于此时钳位二极管D Q 导 通 ， 故导 通 ， 故VO=VQ+VDQ=3.2V 3V。 -12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门VkkVVkV

13、646. 012354.11125 . 1183 . 01218B 或：或：-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门CCESCCBSBRVVII 当当VI=3.2V时，时，输入高电平，输入高电平，T应应饱和，即饱和，即 -12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门在本例中在本例中 mARVVI7 .1113 . 012CCESCCCS mAII39. 0307 .11CSBS -12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门BSRRB

14、ImAIII 96. 0706. 0667. 118)12(7 . 05 . 17 . 02 . 321实际上实际上-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门IBIBS，三极管饱，三极管饱和。输出为低电平和。输出为低电平VO=Vces=0.3V0V采用正逻辑，可列采用正逻辑，可列出非门的真值表。出非门的真值表。-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门(反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门3003VF (V)VI (V) 电位关系电位关系1001FA真值表真值表-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路4.与非门

15、电路与非门电路2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路5.或非门电路或非门电路2.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 TTL与非门的工作原理 TTL与非门的典型电路TTL与非门的典型与非门的典型电路如图电路如图2-6所示，所示，它分成输入级、中它分成输入级、中间级和输出级三个间级和输出级三个部分。部分。输入级输入级中间级中间级输出级输出级 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输入级由多发射极晶体管T1和电阻R1组成，通过T1的各个发射极实现与逻辑功能。多发射极晶体管多发射极晶体管 T1 的等效电路的等效电路 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路中间级由T2、R2、R3组成。其主要作用是从T

16、2管的集电极c2和发射极e2同时输出两个相位相反的信号，分别驱动T3和T5管，来保证T4和T5管有一个导通时，另一个就截止。 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输出级由R4、R5、T3、T4、T5组成，T5是反相器，T3、T4组成复合管构成一个射随器，作为T5管的有源负载，并与T5组成推拉式电路，使输出无论是高电平或是低电平，输出电阻都很小，提高了带负载能力。工作原理工作原理则VB1=VIL+VBE1 =0.3+0.7=1VVB2 =VC1=VCES1+VIL =0.1+0.3=0.4V0.3V3.6V3.6VDA导通！导通！设设A=0 B=1 C=1 (VIL=0.3V) ，1V0.4V

17、所以：所以：T2 、T5 截截止止T3 、T4 导通导通VF = 5UBE3UBE4 50.70.7 = 3.6V拉电流拉电流F = 1工作原理工作原理设设A = B = C =1，即，即VA=VB=VC=VIH=3.6V，3.6V3.6V3.6V2.1VT1管的基极电位升管的基极电位升高，使高，使T1管的集电管的集电结、结、T2和和T5的发射的发射结正向偏置而导通，结正向偏置而导通，T1管的基极电位管的基极电位VB1被箝位在被箝位在2.1V。1.4V故故T1管处于倒置管处于倒置工作状态：发射结工作状态：发射结和集电结反向运用和集电结反向运用状态，发射结反向状态，发射结反向偏置、集电结正向偏置

18、、集电结正向偏置。偏置。T3 导通导通 ，T4 截止截止 VF = 0.3V ， F = 0VF =0.3V灌电流灌电流结论：结论：电路只要输入有一个为低电平时，输出就为高电平；只有输入全为高电平时，输出才为低电平。该门为与非门。即1.输入不全为1时，输出为12.输入全为1时，输出为0真值表为：ABCF 111111100 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 01 0 11 1 01 1 1 FA B C 真值表真值表2.TTL与非门的电压传输特性及与非门的电压传输特性及 抗干扰能力抗干扰能力电压传输特性电压传输特性是描述输出电压vO与输入电压vI之间对应关系的曲线，如图2-7所示

19、。 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性AB段截止区）：vI0.6V，输出电压vO不随输入电压vI变化，保持在高电平VH。VC10.7V，T2和T5管截止，T3、T4管导通，输出高电平，VOH=3.6V。由于T2和T5管截止，故称截止区。 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性BC段(线性区)：0.6VvI1.3V，0.7VVC11.4V。这时T2管开始导通并处于放大状态，T2管的集电极电压VC2和输出电压vO随输入电压vI的增大而线性降低，故该段称为线性区。由于由于T5管的基极电位还低于管的基极电位还低于0.7V，故，故T5管仍截止管仍截止。T3、T4管还是处于导通状态。管

20、还是处于导通状态。 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段(过渡区)：1.3VvI1.4V，T5管开始导通，T2、T3、T4管也都处于导通状态，T4、T5管有一小段时间同时导通，故有很大电流流过R4电阻，T2管提供T5管很大的基极电流;T2、T5管趋于饱和导通，管趋于饱和导通，T4管趋于截止，输出电管趋于截止，输出电压压vO急剧下降到低电平急剧下降到低电平vO=0.3V。由于由于vI的微小变化而引起输出电压的微小变化而引起输出电压vO的急剧下降的急剧下降，故此段称为过渡区或转折区。，故此段称为过渡区或转折区。 TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段(过渡区)：CD段

21、中点对应的输入电压，既是T5管截止和导通的分界线，又是输出高、低电平的分界线，故此电压称阈值电压VT门槛电压），VT=1.4V。VT是决定与非门状态的重要参数。当是决定与非门状态的重要参数。当vIVT时，时，与非门截止，输出高电平。与非门截止，输出高电平。当当vIVT时，与非门饱和导通，输出低电平。时，与非门饱和导通，输出低电平。VT TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性DE段饱和区）：vI1.4V以后，T1管处于倒置工作状态，VB1被箝位在2.1V，T2、T5管进入饱和导通状态，T3管微导通，T4管截止。由于T2、T5管饱和导通，故称该段为饱和区。抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限

22、输入噪声容限)关门电平VOFF：输出为标准高电平VSH时所允许的最大输入低电平值。通常VOFF=0.8V。开门电平VON：输出为标准低电平VSL时所允许的最小输入高电平值。通常VON=1.8V。 VNL抗干扰能力输入噪声容限）：不破坏与抗干扰能力输入噪声容限）：不破坏与非门输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。非门输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。V NHVOFFVON输入低电输入低电平的抗干平的抗干扰能力扰能力 输入高电平输入高电平的抗干扰能的抗干扰能力力 抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限输入噪声容限)VNL=VILmax-VOLmaxVNH=VOHmin-VIHminTTL与非门的输入特性、

23、输出与非门的输入特性、输出特性和带负载能力特性和带负载能力 了解输入输出特性，可正确处理了解输入输出特性，可正确处理TTL与非与非门之间和其它电路之间的连接问题。只要门之间和其它电路之间的连接问题。只要输入端、输出端的电路结构形式和参数与输入端、输出端的电路结构形式和参数与TTL与非门相同，输入、输出特性对其它与非门相同，输入、输出特性对其它TTL电路也适用。电路也适用。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系曲线，如图2-8所示的特性曲线。规定输入电流流入输入端为正，而从输入端流出为负。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当vI小于0.6V时T2

24、是截止的，T1基极电流均经其发射极流出因集电极的负载电阻很大，IC1可以忽略不计），这时电流大小可以近似计算为iI=-(VCC-VBE1-vI)/R1。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当vI=0时，相当于输入端接地，故将此时的输入电流称为输入短路电流IIS，IIS=(VCC-VBE1)/R1=(5-0.7)/31.4mA。输入短路电流输入短路电流IIS=1.4mATTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当vI等于0.6V时T2管开始导通，T2管导通以后IB1一部分就要流入T2管的基极，iI的绝对值随之略有减小；vI继续增加，IB2要继续增大，而iI的绝对值继续减小。 0.6VTTL与非

25、门的输入特性与非门的输入特性 当vI增加到1.3V以后，T5管开始导通，VB1被箝位在2.1V左右；以后，iI的绝对值随vI的增大而迅速减小。 TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 IB1绝大部分经T1集电结流入T2的基极。当vI大于1.4V以后，T1就进入倒置工作状态，iI的方向由负变为正，就是说iI由e1端流入输入端，此时的输入电流称为输入漏电流IIH，其值约为10A。IIHTTL与非门的输入特性与非门的输入特性 输入短路电流IIS1.4mA。输入漏高电平电流IIH10A。IIHIISTTL与非门的输入特性与非门的输入特性 在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接电阻RI接地。如图2-

26、9(a)图所示。此时就有电流II流过RI，并在其上产生电压降vI。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当输入端所接电阻RI=0时，即输入端接地时，输出为高电平；而RI=时，输入电流没有通路，与输入端加高电平等效，此时输出为低电平。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 即RI比较小时，与非门截止，输出高电平；RI较大时，与非门饱和，输出为低电平；RI不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 TTL门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。vI和RI之间的关系曲线叫做输入端负载特性。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 发射结导通时 )(BE1CC1III

27、VVRRRv TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 在RIR1条件下，vI几乎和RI成正比，vI随RI增加而增加。如图2-9(b)所示。)(BE1CC1IIIVVRRRv RI ，vI=1.4V，T5管导通，管导通，VB1被箝位在被箝位在2.1V。RI，vI=1.4V。则公式不再适用。则公式不再适用。 TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 关门电阻ROFF：保证TTL与非门关闭，输出为标准高电平时，所允许的RI最大值。一般ROFF=0.8k。RIROFF时，与非门输出高电平。时，与非门输出高电平。 TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 开门电阻RON：保证TTL与非门导通，输出为标准低电

28、平时，所允许的RI最小值。一般RON=2k。RIRON时，与非门输出低电平。时，与非门输出低电平。 输入负载特性是输入负载特性是TTL与非门特有的，与非门特有的，不能用于不能用于CMOS门。门。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 与非门多余端的处理：输入信号数目少于与非门输入端个数，出现多余端。与非门输入端悬空相当于接高电平实际使用时，不采用悬空的方法，防止干扰信号引入多余输入端接电源的正端或固定高电平并联使用TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 TTL与非门实际工作时，输出端总要接负载，产生负载电流，此电流也在影响输出电压的大小。输出电压与负载电流之间的关系曲线，称为输出特性。输出电压

29、有高电平、低电平两种状态，所以有两种输出特性。 TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 与非门输入全为高电平时，输出为低电平。T1管倒置工作，T2、T5管饱和导通，T3管微导通，T4管截止。这时输出级等效电路如图2-10(a)所示，其基极电流很大，是灌电流负载。 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为低电平时的输出特性 是三极管在基极电流为某一值时是三极管在基极电流为某一值时共射极接法的输出特性曲线如图共射极接法的输出特性曲线如图2-10(b)所示。所示。T5饱和，其导通电阻饱和，其导通电阻rce很小很小十几欧姆），所以十几欧姆），所以

30、iL增加时增加时vO仅稍有增加，输出低电平仅稍有增加，输出低电平VOL。当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，T5管管退出饱和进入放大，退出饱和进入放大，vO迅速上迅速上升，破坏了输出为低电平的逻辑升，破坏了输出为低电平的逻辑关系，因此对灌电流值要有限制。关系，因此对灌电流值要有限制。 IOLmaxVOLmaxTTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性 当与非门输入端其中有当与非门输入端其中有一端为低电平时，输出为一端为低电平时，输出为高电平。高电平。T1管处于饱和状态，管处于饱和状态，T2、T5管截止，管截止，T3、T4管导通。管导通。这时输出级等效电路如这时输出

31、级等效电路如图图2-11(a)所示，负载是拉所示，负载是拉电流负载。电流负载。 TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性 在在iL较小时，较小时，T3处于饱和边处于饱和边缘，缘，T4管放大，管放大，T3、T4组成组成的复合管有一定的放大作用，的复合管有一定的放大作用，输出特性曲线如图输出特性曲线如图2-11(b)所示。所示。输出电阻很小，输出电阻很小，TTL与非与非门的输出电压门的输出电压vO 随随iL变化变化不大，故输出高电平不大，故输出高电平VOH。当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，R4上压降增大，上压降增大，VC3下降，使下降，使T3进入深饱和，进入深饱

32、和， 复合管跟随器处于饱和状态，复合管跟随器处于饱和状态，失去跟随作用，失去跟随作用，输出电压输出电压vO随负载电流的随负载电流的增加而迅速下降，增加而迅速下降，vOVCC-VCES3-VBE4-iLR4。 为了保证为了保证vO为标准高电平。为标准高电平。对拉电流值要有限制。对拉电流值要有限制。 IOHmaxVOHmin带负载能力带负载能力TTL与非门的输出端接上负载后，负载有灌电流负载和拉电流负载。图2-12分别表示灌电流负载和拉电流负载。 拉电流负载增加会使与非门拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降；的输出高电平下降；灌电流负载增加会使与非门的灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升。

33、输出低电平上升。IL=NOIISIL=NOIIH带负载能力带负载能力电路输出高、低电平时有输出电阻，所以输出的高、低电平随负载电流改变，变化小，说明门的带负载能力强。用输出电平变化不超过某一规定值高电平不低于高电平下限值VOHmin，低电平不高于低电平的上限值VOLmax时的最大负载电流，来定量描述门电路的带负载能力大小。带负载能力带负载能力负载电流大，带负载能力强；反之，带负载能力弱。一个门的输出电平有高电平、低电平之分，因而，说这个门的带负载能力，必须综合考虑输出高电平时的带负载能力和输出低电平时的带负载能力。带负载能力带负载能力扇出系数：门电路驱动同类门的最大数目。输出高电平时的扇出系数

34、 IHmaxOHmaxOHIIN 输出低电平时的扇出系数输出低电平时的扇出系数 ILmaxOLmaxOLIIN 一个门的扇出系数只能是一个。若一个门的扇出系数只能是一个。若NOH和和NOL不同时，应取不同时，应取NOH和和NOL中小的一个。中小的一个。 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 平均传输延迟时间 二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极管构成的管构成的TTL电路的状态转换需要一定的时间，即电路的状态转换需要一定的时间，即输出不能立即响应输入信号的变化，而有一定的延输出不能立即响应输入信号的变化，而有一定的延迟。如图迟。如图2-13所示。

35、所示。而电阻、二极管、三极管等元器件寄生电容的存而电阻、二极管、三极管等元器件寄生电容的存在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得不在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得不那么陡。那么陡。导通传输导通传输延迟时间延迟时间 截止传输截止传输延迟时间延迟时间 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 2PLHPHLpdttt 传输延迟时间小，传输延迟时间小，表明门的工作速度表明门的工作速度可以高，反之，门可以高，反之，门的工作速度必须降的工作速度必须降低。低。TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 动态尖峰电流 静态时TTL与非门电路的电源电流比较小，在10mA左右。在动态情况下，由于T5工作在深饱

36、和状态，T4必定在T5截止之前就导通了。这样就出现了瞬间T4和T5都导通的状态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持续时间较短，故称之为尖峰电流或浪涌电流。输出由高电平变为低电平时，也会出现T4、T5都导通，导致ICC出现尖峰。TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 动态尖峰电流 如图2-14所示。在工作频率较高在工作频率较高时，尖峰电流对电时，尖峰电流对电源平均电流影响不源平均电流影响不可忽略。它使电源可忽略。它使电源的平均电流增大，的平均电流增大，这就要求加大电源这就要求加大电源的容量。的容量。 电源的尖峰电流电源的尖峰电流在电路内部流通时，在电路内部流通时，会在电源线和地线会在电源

37、线和地线上产生电压降，形上产生电压降，形成一个干扰源，为成一个干扰源，为此，要采取合理的此，要采取合理的接地和去耦措施，接地和去耦措施，使之在允许范围内。使之在允许范围内。 2.3 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 TTL门电路除了与非门外，还有其它逻辑功门电路除了与非门外，还有其它逻辑功能的门电路，如与门、或门、或非门、与或能的门电路，如与门、或门、或非门、与或非门、异或门、同或门、集电极开路门和三非门、异或门、同或门、集电极开路门和三态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩展器等。展器等。主要介绍集电极开路门和三态门。主要介绍集电极开路门和三态门。

38、集电极开路门集电极开路门(OC门门)线与 ：把几个逻辑门的输出端直接连在一起实现逻辑与。 TTL与非门直接线与出现的问题：F1=1，F2=0就会在电就会在电源和地之间形成一个低源和地之间形成一个低阻通路，破坏了逻辑关阻通路，破坏了逻辑关系，而且还会把截止门系，而且还会把截止门中的导通管中的导通管T4烧坏。烧坏。 集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极开路门(OC门)电路结构：把TTL与非门电路的推拉输出级改为三极管集电极开路输出,称为集电极开路(Open Collector)门电路。RL上上拉拉电电阻阻集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极开路门(OC门)逻辑符号如图(b)所示。 逻辑

39、功能：逻辑功能：ABF 几个几个OC门的门的输出端直接并输出端直接并联后可共用一联后可共用一个集电极负载个集电极负载电阻电阻RL和电源和电源VCC。 只要恰当地选只要恰当地选择电源电压和择电源电压和负载电阻，就负载电阻，就可以保证输出可以保证输出电平的高、低电平的高、低要求，而又有要求，而又有效地防止输出效地防止输出管电流过大。管电流过大。 集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极负载电阻RL的选择利用OC门可以实现线与功能。当有m个OC门直接并联，并带有n个与非门作负载时，只要公共外接负载电阻RL选择适当，就可以保证输出高电平不低于规定的VOHmin值；又可以保证输出低电平不高于规定的VO

40、Lmax。而且也不会在电源和地之间形成低阻通路。 集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极负载电阻RL的选择若m个OC与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结果为高电平，如图2-17所示。为保证并联输出高电为保证并联输出高电平不低于规定的平不低于规定的VOHmin值，则要求值，则要求RL取值不能太大，才取值不能太大，才能保证能保证VCC-IRLRLVOHmin。OC门门个数个数 TTL与非门输入与非门输入端的个数端的个数 OC门输出管截门输出管截止时的漏电流止时的漏电流 负载门每个输入端负载门每个输入端为高电平时的输入为高电平时的输入漏电流漏电流 IRL=mIOH+pIIH VCC-(mIO

41、H+pIIH)RLVOHmin RL最大值最大值RLmax为：为： IHOHOHminCCLmaxpImIVVR VCC-IRLRLVOHmin集电极开路门集电极开路门(OC门门)当OC门线与输出为低电平时，从最不利情况考虑，设只有一个OC门处于导通状态，而其它的OC门均截止，如图2-18所示。 RL不能太小，应保证不能太小，应保证在所有的负载电流全部在所有的负载电流全部流入唯一导通的流入唯一导通的OC门时，门时，线与输出低电平仍能低线与输出低电平仍能低于规定的于规定的VOLmax值，值，即即VCC-IRLRLVOLmax。 OC门导通时的门导通时的最大负载电流最大负载电流 TTL与非门输与非

42、门输入短路电流入短路电流 注：无论一个门有注：无论一个门有几个输入端接在几个输入端接在VOL上，上，IIS都是同样大。都是同样大。 IRL=IOL-nIIS VCC-IRLRLVOLmaxVCC-(IOL-nIIS)RLVOLmaxRL最小值最小值RLmin为：为： ISOLOLmaxCCLminnIIVVR RLminRLRLmax 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：实现与或非逻辑(线与)将几个OC门的输出直接并联在一起，然后通过一个公共上拉电阻RL接到电源VCC上，如图2-19所示。111BAF 222BAF nnnBAF ， nnnBABABAFFFF 221121nnB

43、ABABA 2211实现了与或实现了与或非的功能非的功能 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：实现电平转移 在数字系统的接口与外部设备相联系的电路需要有电平转换的时候，常用OC门实现，如图2-20所示电路。 ， 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：用作驱动器 用OC门驱动指示灯、继电器和脉冲变压器等。当用于驱动指示灯时，上拉电阻由指示灯代替，指示灯的一端于OC门的输出相连，另一端接上电源。如果电流过大，可串入一个适当的限流电阻。， 集电极开路门集电极开路门(OC门门)用作驱动器 例 试用74LS系列逻辑门，驱动一只VD=1.5V，ID=6mA的发光二极管。解：与非门

44、74LS00的IOL为4mA，不能驱动ID=6mA的发光二极管。集电极开路与非门74LS01的IOL为6mA，故可选用74LS01来驱动发光二极管，其电路如图所示。， 限流电阻限流电阻 kVVVR5 . 065 . 05 . 156OLDCC三态输出门三态输出门TSL门）门）三态逻辑三态逻辑Three State Logic输出门，输出门，简称简称TSL门。它是在一般门电路的基础上增门。它是在一般门电路的基础上增加控制电路和控制端构成的。加控制电路和控制端构成的。三态输出是指三态门处于工作状态三态输出是指三态门处于工作状态高电平高电平低电平低电平非工作状态的高阻态非工作状态的高阻态(禁止态、开

45、路态禁止态、开路态)三态门都有一个EN控制使能端，来控制门电路的通断。 可以具备这三种状态的器件就叫做三态(门,总线,.)。例：内存里面的一个存储单元，读写控制线处于低电位时，存储单元被打开，可以向里面写入；当处于高电位时，可以读出，但是不读不写，就要用高电阻态。三态输出门三态输出门TSL门）门）三态与非门的电路结构如图三态与非门的电路结构如图(a) 所示。所示。EN三态输出门三态输出门TSL门）门）VEN=0.3V (EN=0),VB1=1.0V,VB3=1.0V, T4、T5截止。 输出为高阻态BABAF 1工作原理工作原理VEN=3.6V(EN=1), D截止，就是与非门。截止，就是与非

46、门。1.0V1.0V三态输出门三态输出门TSL门）门）三态门的用途：在总线传输中的应用三态门的用途：在总线传输中的应用利用三态门向同一个总线MN上轮流传输信号不会互相干扰。 工作条件是：在任何时间里只能有一个三态门处于工作状态，其余的门处于高阻态。 三态输出门三态输出门TSL门）门）三态门的用途：实现数据双向传输三态门的用途：实现数据双向传输EN=0，G1高阻，N经G2向M送数据。 EN=1，G2高阻，高阻，M经经G1向向N送数据。送数据。2.4 MOS逻辑门逻辑门单极型单极型MOS(Metal Oxide Semiconductor)集集成电路分成电路分PMOS、NMOS和和CMOS三种。三

47、种。NMOS电气性能较好，工艺较简单，适合制电气性能较好，工艺较简单，适合制作高性能的存储器、微处理器等大规模集成作高性能的存储器、微处理器等大规模集成电路。电路。而由而由NMOS和和PMOS构成的互补型构成的互补型CMOS电电路以其性能好、功耗低等显著特点，得到愈路以其性能好、功耗低等显著特点，得到愈来愈广泛的应用。来愈广泛的应用。主要介绍主要介绍NMOS和和CMOS门电路。门电路。NMOS管的开关特性管的开关特性当用增强型NMOS做工作管时，如输入电压vI为高电平大于开启电压VT则NMOS管导通，开关闭合，若满足RDRON，输出电压vO为低电平。vIVTNMOS管的开关特性管的开关特性输入

48、电压vI为低电平时则NMOS管截止，开关断开，若满足RDROFF，输出电压vO为高电平。 NMOS 门电路门电路NMOS 反相器反相器NMOS 与非门与非门 NMOS 或非门或非门 NMOS 与或非门与或非门 NMOS 异或门异或门 NMOS 三态门三态门NMOS反相器反相器T1管为工作管(驱动管、控制管)，T2管为负载管，故此电路称为有源负载反相器。vI为高电平且为高电平且vIVT1时，时，T1、T2管同时导通，管同时导通，输出电压输出电压vO为两个管子为两个管子的导通电阻对的导通电阻对VDD的分的分压，即压，即当输入电压当输入电压vI为低电为低电平时平时(vIVT1)，T1管管截止，输出为

49、高电平截止，输出为高电平(vO=VOH=VDD-VT2)。 为满足为满足RDS1RDS2，制造时使，制造时使T1、T2在结构上有不同的宽在结构上有不同的宽长比，即长比，即W1/L1W2/L2。 VGD=VGS-VDS=0VTT2管工作在饱和区，管工作在饱和区，称饱和型负载管，总是称饱和型负载管，总是处于导通态。处于导通态。DDDS2DS1DS1OVRRRv NMOS反相器反相器饱和型负载反相器有两个缺点：输出高电平低。输出高电平低。由于负载管由于负载管T2导通时，导通时，栅源间至少要保持等栅源间至少要保持等于开启电压于开启电压VT2的电的电压，所以输出高电平压，所以输出高电平较电源电压低一个开

50、较电源电压低一个开启电压值。为了保证启电压值。为了保证有足够高的输出高电有足够高的输出高电平，必须增大电源电平，必须增大电源电压。压。为了保证输出为了保证输出低电平足够低，要低电平足够低，要求求RDS2相应的增大，相应的增大，造成工作管关闭时，造成工作管关闭时，输出端杂散电容或输出端杂散电容或负载电容负载电容CO的充电的充电时间较长，使输出时间较长，使输出电压上升沿拖长，电压上升沿拖长，降低了工作速度。降低了工作速度。对同一个对同一个MOS负载负载管，若要提高电路的管，若要提高电路的速度，就必须减小其速度，就必须减小其导通电阻，让它工作导通电阻，让它工作在非饱和区，即工作在非饱和区，即工作在可

51、变电阻区。这样，在可变电阻区。这样，可以提高电路的工作可以提高电路的工作速度，降低电路的功速度，降低电路的功率损耗。率损耗。NMOS反相器反相器非饱和型有源负载反相器如图2-26所示。 该反相器负载管该反相器负载管的栅极采用独立电的栅极采用独立电源源VGG，当，当VGG-VDDVT2时，负时，负载管载管T2工作在非饱工作在非饱和区。输出电平可和区。输出电平可接近接近VDD值，电路值，电路的工作速度提高，的工作速度提高，功率损耗降低。功率损耗降低。缺点是增加了一缺点是增加了一个电源。个电源。NMOS与非门与非门具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图2-27所示。当输入当输入A、B都为都为高电平

52、时，串联高电平时，串联的两个工作管的两个工作管T1、T2都导通，电路都导通，电路的输出即为低电的输出即为低电平；平；NMOS与非门与非门具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图2-27所示。当输入当输入A、B中中有一个为低电平时，有一个为低电平时，则串联的两个工作则串联的两个工作管管T1、T2中必有中必有一个截止，则使电一个截止，则使电路输出为高电平。路输出为高电平。ABF NMOS或非门或非门NMOS 或非门电路如图或非门电路如图2-28所示。所示。 NMOS或非门或非门因为两个工作管因为两个工作管T1、T2相并联，所以只相并联，所以只要输入要输入A、B中有一中有一个为高电平时，则相个为高电

53、平时，则相应的工作管必导通，应的工作管必导通，使电路的输出为低电使电路的输出为低电平；平；工作原理工作原理NMOS或非门或非门工作原理工作原理BAF 只有输入只有输入A、B中都中都为低电平时，则并为低电平时，则并联的两个工作管联的两个工作管T1、T2都截止，则使电都截止，则使电路输出为高电平。路输出为高电平。NMOS 与或非门与或非门NMOS 与或非门电路如图与或非门电路如图2-29所示。所示。 工作原理：工作原理：A=B=1F=0NMOS 与或非门与或非门NMOS 与或非门电路如图与或非门电路如图2-29所示。所示。 工作原理：工作原理：A=B=1C=D=1F=0NMOS 与或非门与或非门C

54、DABF 工作原理：工作原理：当两组输入当两组输入(A、B和和C、D)中都有低电平时，中都有低电平时，则每组串联的工作管则每组串联的工作管中必有相应的工作管中必有相应的工作管截止，则截止，则F=1。NMOS异或门异或门图图2-30是是NMOS异或门。异或门。 同或门同或门非门非门NMOS异或门异或门图图2-30是是NMOS异或门。异或门。 BABABAF当当A、B都为高电平都为高电平或都为低电平时，或都为低电平时，T1、T2都截止，都截止，F1为高电平，为高电平，F为低电为低电平；平；当当A、B中有一个为中有一个为高电平而另一个为高电平而另一个为低电平时，低电平时，T1和和T2中必有一个管导通

55、，中必有一个管导通，致使致使F1为低电平，为低电平，F为高电平。为高电平。NMOS三态门三态门图2-31所示电路为NMOS三态门。数据输入端数据输入端控制端控制端输出端输出端当当E为高电平时，为高电平时，两个或非门两个或非门G1、G2输出均为低输出均为低电平，致使电平，致使T1、T2管都截止，管都截止，电路输出电路输出F呈现呈现高阻状态；高阻状态；若若E为低电平时，两为低电平时，两个或非门个或非门G1、G2都都起非门作用，若起非门作用，若A为为低电平时，或非门低电平时，或非门G1输出为高电平，输出为高电平，使使T1管导通，同时管导通，同时使使G2输出为低电平，输出为低电平，使使T2管截止，电路

56、管截止，电路输 出 为 低 电 平 ，输 出 为 低 电 平 ，F=A。电路具有三态输出电路具有三态输出功能。功能。 CMOS门电路门电路CMOS: Complementary-Symmetry Metal-Oxide SemiconductorCMOS反相器反相器CMOS与非门与非门CMOS或非门或非门CMOS三态门三态门CMOS传输门传输门 CMOS反相器反相器CMOS反相器是构成CMOS集成电路的基本单元。 CMOS 电路的结构特点是：一个N沟道管和一个P沟道管配对使用，即N、P互补Complementary）。如图2-32为CMOS反相器电路，是由互补的增强型NMOS管T1和PMOS管

57、T2串联组成的。CMOS反相器反相器电源电压条件：电源电压条件：CMOS反相器要求电源电压大反相器要求电源电压大于两个管子开启电压的于两个管子开启电压的绝对值之和，即绝对值之和，即VDD|VT1|+|VT2|。CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：vI输入低电平时：vI=VIL|VT2|，因此T2充分导通。反相器输出高电平VOHVDD。CMOS反相器反相器工作原理：工作原理：vI=VIHVT1，T1管导管导通。通。VG2较高，使较高，使|VGS|VT2|，因此，因此T2管截止。管截止。反相器输出低电平且反相器输出低电平且很低，很低，VOL0V。特点特点1）CMOS反相器的静态功耗非常小(TT

58、L静态功耗单位mW)。静态：总是一管导通和一管截止，漏电流很小(nA)，静态功耗非常小(W)。动态：转换时电流大(若工作频率高，功耗mW左右）特点特点2）CMOS反相器输出电压的上升时间和下反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小，电路的工作速度大为提降时间都比较小，电路的工作速度大为提高。高。原因：由于原因：由于CMOS反相器的工作管和负载反相器的工作管和负载管不同时导通，因此其输出电压不取决于管不同时导通，因此其输出电压不取决于两管的导通电阻之比。这样，通常可使两管的导通电阻之比。这样，通常可使PMOS负载管和负载管和NMOS工作管的导通电阻都工作管的导通电阻都较小。所以，较小。所以，C

59、MOS反相器输出电压的上反相器输出电压的上升时间和下降时间都比较小，电路的工作升时间和下降时间都比较小，电路的工作速度大为提高。速度大为提高。CMOS与非门与非门工作原理：图图2-33所示电路为两个输入端的所示电路为两个输入端的CMOS与非与非门。门。当输入当输入A、B都为高都为高电平时，串联的电平时，串联的NMOS管管 T1、T2管管都导通，并联的都导通，并联的PMOS管管T3、T4都截都截止，因此输出为低电止，因此输出为低电平；平；工作管工作管负载管负载管CMOS与非门与非门工作原理：图图2-33所示电路为两个输入端的所示电路为两个输入端的CMOS与非与非门。门。ABF 当输入当输入A、B

60、中有一中有一个为低电平时，两个个为低电平时，两个串联的串联的NMOS管中必管中必有一个截止，于是电有一个截止，于是电路输出为高电平。路输出为高电平。CMOS或非门或非门 图2-34所示电路为两个输入端的CMOS或非门。当输入当输入A、B至少有至少有一个高电平时，并联的一个高电平时，并联的NMOS管管T1和和T2中至中至少有一个导通，串联的少有一个导通，串联的PMOS管管T3、T4至少至少有一个截止，因此输出有一个截止，因此输出为低电平；为低电平；CMOS或非门或非门 图2-34所示电路为两个输入端的CMOS或非门。BAF 当输入当输入A、B都为低电平都为低电平时，并联时，并联NMOS管管T1和