第三章逻辑门电路

1、3 逻辑门电路逻辑门电路3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题教学基本要求：教学基本要求：1、了解半导体器件的开关特性。了解半导体器件的开关特性。2、熟练掌握熟练掌握基本逻辑门（与、或、非、与非、或非、异或门）、三基本逻辑门（与、或、非、与非、或非、异或门）、三态门、态门、OD门（门（OC门）和传输门的逻辑功能。门）和传输门的逻辑功能。3、学会门电路逻辑功能分析方法。学会门电路逻辑功能分析方法。4、掌握掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。逻辑门

2、的主要参数及在应用中的接口问题。RTL（Resistor-Transistor Logic）电阻）电阻-晶体管逻辑；晶体管逻辑；DTL（Diode-Transistor Logic）二极管）二极管-晶体管逻辑；晶体管逻辑；HTL（High-Threshold Logic）高阈值逻辑；）高阈值逻辑；TTL（Transistor -Transistor Logic）晶体管）晶体管-晶体管逻辑；晶体管逻辑；ECL（Emitter Coupled Logic）发射极耦合逻辑；）发射极耦合逻辑；I2L（Integrated Injection Logic）集成注入逻辑）集成注入逻辑(IIL)。 数字集成

3、电路分类数字集成电路分类 双双极极型型PMOS型型;NMOS型型;CMOS型型 (Complementary Metal Oxide Semiconductor)单单极极型型互补型金属氧化物半导体互补型金属氧化物半导体ECL:ECL:速度极高速度极高, ,但功耗大但功耗大, ,不适合大规模集成电路，用于超高速设备。不适合大规模集成电路，用于超高速设备。砷化镓砷化镓: :新半导体材料。速度快新半导体材料。速度快, ,功耗低功耗低, ,抗辐射抗辐射, ,用在光纤用在光纤, ,移动及移动及GPSGPS中。中。 逻辑门逻辑门: :实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算

4、的单元电路。逻辑门电路的分类：逻辑门电路的分类：二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路CMOS:CMOS:功耗低功耗低, ,工作电压范围宽工作电压范围宽, ,抗干扰能力强，广泛应用于超大规模、抗干扰能力强，广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路甚大规模集成电路High SpeedTTL CompatibleVery High SpeedLow-Voltage 4000 4000系

5、列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74AUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低Ultra-Low-Voltage 54系列：军品系列：军品 74系列系列 ：民品民品TTLTTL系列系列TTL:TTL:退出主导退出主导, ,应用于中小规模集成电路应用于中小规模集成电路

6、 (1).CMOS集成电路集成电路: :(2).TTL 集成电路集成电路:H系列系列L系列系列S系列系列AS系列系列ALS系列系列LS系列系列3.1.2 MOS3.1.2 MOS管的开关特性管的开关特性 CMOS型型：互补型：互补型MOS场场效效应应管管结型场效应管结型场效应管JFET绝缘栅效应管绝缘栅效应管IGFET（MOS管）管）增强型增强型耗尽型耗尽型PMOSNMOSPMOSNMOSTTL集成门属于双极型晶体管集成电路，集成门属于双极型晶体管集成电路，电子与空穴电子与空穴两种载流子均参与导电。两种载流子均参与导电。场效应管属于单极型晶体管集成电路，场效应管属于单极型晶体管集成电路，电子或

7、空穴电子或空穴只有一种只有一种载流子参与导电。载流子参与导电。金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管单极型晶体管，单极型晶体管，简称简称MOSFET或或MOS管。管。P型半导体型半导体 N N 源极源极Source栅极栅极Gate漏极漏极Drain金属铝金属铝SiO2绝缘层绝缘层半导体半导体1. MOS管的形成：管的形成：金属金属-Metal氧化物氧化物Oxide半导体半导体SemiconductorMOSPNNGSD栅极加正栅极加正向电压向电压GSDN沟道增强型沟道增强型MOS源极源极栅极栅极漏极漏极2. 结构和电路符号结构和电路符号NPPGSD源极源极栅极栅极漏极漏极栅极加反

8、栅极加反向电压向电压空穴导电沟道空穴导电沟道GSDP沟道增强型沟道增强型MOS电子导电沟道电子导电沟道PNNGSDVDSVGSVGS=0时时ID=0对应截止区对应截止区D-S间相当于两个反间相当于两个反接的接的PN结结没有导电沟道没有导电沟道3. MOS管的工作原理管的工作原理以以N沟道增强型沟道增强型MOS为例为例PNNGSDVDSVGSVGS0时时VGS足够大时足够大时（VGSVT），电子），电子导电为主导电为主-N型导型导电沟道。电沟道。感应出电子感应出电子VT称为阈值电压称为阈值电压以以N沟道增强型沟道增强型MOS为例为例3. MOS管的工作原理管的工作原理VGSVVT T较小时，导电

9、较小时，导电沟道相当于电阻将沟道相当于电阻将D-S连接起来，连接起来，VGS越大越大此电阻越小。此电阻越小。对应线性区对应线性区PNNGSDVDSVGSID夹断后夹断后ID呈呈恒流特性。恒流特性。当当VDS较大时，较大时，靠近靠近D区的导电区的导电沟道变窄。沟道变窄。VDS增加，使增加，使VGD=VT时，靠近时，靠近D端的沟道被夹断端的沟道被夹断-预夹断。预夹断。以以N沟道增强型沟道增强型MOS为例为例3. MOS管的工作原理管的工作原理当当VDS不太大时，导不太大时，导电沟道在两个电沟道在两个N区区间是均匀的。间是均匀的。对应恒流区对应恒流区4. NMOS4. NMOS管的开关特性管的开关特

10、性 G G：栅极或称控制极：栅极或称控制极D D：漏极：漏极S S：源极：源极B B：衬底：衬底晶体管的三个区：截止区、放大区、饱和区晶体管的三个区：截止区、放大区、饱和区MOS管的三个区：管的三个区：截止区截止区、恒流区和、恒流区和线性区线性区V VT T：阈值电压，一般为（：阈值电压，一般为（2 23V3V） 转移特性曲线转移特性曲线 输出特性曲线输出特性曲线 符号符号PNNGSD MOS管用于数字电路时，一般工作于截止区和线性区，管用于数字电路时，一般工作于截止区和线性区， 用于放大电路时，一般工作于恒流区。用于放大电路时，一般工作于恒流区。（1 1）当）当v vI Iv vGSGS V

11、 VT T时，截止区时，截止区i iD D0mA0mA，v vO O V VDDDDi iD D R RD DV VDDDDR RDSDS（offoff）极大，约为极大，约为10109 9以上以上（3 3）当）当v vI Iv vm m时，线性区时，线性区 v vO O0V0V，i iD D很大，等效电阻很大，等效电阻R RDSDS（onon）很小，约为几百欧姆很小，约为几百欧姆 （2 2）当）当v vI Iv vGSGSV VT T时，恒流区时，恒流区MOS管相当管相当于一个由于一个由vGS控制的无触控制的无触点开关。点开关。5. PMOS5. PMOS管的开关特性管的开关特性 （1 1）当

12、）当v vI I=0V=0V，v vSG SG = -= -v vI I=0V-=0V-= 10V-V VT T，线性区，线性区 )(onDSDRRVvO0VVvDDO10RDS（off） 耗尽型耗尽型MOS管的符号管的符号(a) P沟道沟道 (b) N沟道沟道6增强型增强型MOS管和耗尽型管和耗尽型MOS管管 在在vGS时就已经有导电沟时就已经有导电沟道存在。沟道耗尽型道存在。沟道耗尽型MOS管外管外加电压小于加电压小于VGS(off)N时，导电沟道时，导电沟道消失，消失，MOS管截止。管截止。VGS(off) 称为称为夹断电压。夹断电压。 GSDN沟道增强型沟道增强型MOSGSDP沟道增强

13、型沟道增强型MOS3.1.3 CMOS反相器反相器NMOS管管PMOS管管CMOS电路电路Complementary MOS-互补互补MOS CMOS反相器是由沟道增强型反相器是由沟道增强型MOS管管T1和沟道增强型和沟道增强型MOS管管T2组组成的互补式电路。通常以成的互补式电路。通常以PMOS管作负载管，管作负载管，MOS管作驱动管。采用管作驱动管。采用单一正电源供电。单一正电源供电。 Vi=0截止截止VGS2= VDD导通导通V=“”1。工作原理：。工作原理：Vi=导通导通截止截止V=“”VGS1=VDDNMOSNMOS管的栅源电压管的栅源电压v vGS1GS1=0=0-V VT2T2，

14、即即| |v vGS2GS2|V VT2T2| |，T TP P管导通管导通，导通电，导通电阻阻小于小于1k1k。V VOHOHV VDDDDNMOSNMOS管的栅源电压管的栅源电压v vGS1GS1= =V VDDDD V VT1 T1 ，所，所以以T TN N管导通管导通, ,导通电阻导通电阻小于小于1k 1k ；PMOSPMOS管的栅源电压管的栅源电压| |v vGS2GS2|=0|=0|V VT2T2| | ，T TP P管截止管截止，内阻高达，内阻高达10109 9 。V VOLOL0V0VAL1(a)原理图原理图(b)输出高电平等效电路输出高电平等效电路 (c)输出低电平等效电路输

15、出低电平等效电路(d)输出高电平接负载情况输出高电平接负载情况T TP P，T TN N参数对称，输入高电平和低电平时，总是一个导通，一个截参数对称，输入高电平和低电平时，总是一个导通，一个截止，即处于互补状态，所以把这种电路结构称为互补对称结构。止，即处于互补状态，所以把这种电路结构称为互补对称结构。 2电压、电流传输特性电压、电流传输特性输入低，输出高输入低，输出高输入高，输出低输入高，输出低过渡区过渡区3 3。工作速度。工作速度B.B.当输入信号当输入信号v vI I= =V VIHIH= =V VDDDD时时A.A.当输入信号当输入信号V VI I=V=VILIL=0V=0V时时TN截

16、止，截止，TP导通电阻很小，导通电阻很小，VDDDD通过通过RDS2onDS2on向向CL L充电充电TP 截止，截止， TN导通电阻很小，导通电阻很小， CL L通过通过RDS1onDS1on放电。放电。 由于由于TNTP的导通电阻很小，充放电时间极短，且电路具有的导通电阻很小，充放电时间极短，且电路具有互补对称的性质，其开通时间与关闭时间是相等的。互补对称的性质，其开通时间与关闭时间是相等的。 CMOS反相器的平均传输延迟时间约为反相器的平均传输延迟时间约为10ns。3.1.4 CMOS门电路门电路1. CMOS与非门与非门ABY “有低必高、全高出低有低必高、全高出低”实现与非逻辑功能实

17、现与非逻辑功能（d）A=B=1，T1、T2导通，导通，T3、T4截止，截止，Y0。（a）A=B=，T1、T2截止，而截止，而T3、T4导通，导通，Y=1；（b）A=1、B=，T1、T4导通，导通，T2 、T3截止，截止，Y=1；（c）A=0、B=1，T2 、T3导通，导通，T1、T4截止，截止，Y=1； T T1 1、T T2 2是两个串联的是两个串联的NMOSNMOS驱动管驱动管（相当于两个串联开关）；（相当于两个串联开关）；T T3 3、T T4 4是两是两个并联的个并联的PMOSPMOS负载管负载管。 注意：驱动管串联，会抬高输出低注意：驱动管串联，会抬高输出低电平，所以输入端数目不宜过

18、多。电平，所以输入端数目不宜过多。2. CMOS或非门或非门BAY“有高必低、全低出高有高必低、全低出高”实现了或非逻辑功能。实现了或非逻辑功能。 （c）A、B取不同值时，取不同值时，T1和和T2中总有中总有一个管导通，同时一个管导通，同时T3和和T4中总有一个管中总有一个管截止，截止，Y=0。（a）A=B=，T1和和T2截止，截止，T3和和T4导通，导通，Y1；（b）A=B=1，T1和和T2导通，导通，T3和和T4截止，截止，Y0；互补管栅极输入、驱动管漏极输出，互补管栅极输入、驱动管漏极输出，逻辑非逻辑非。 驱动管驱动管串联串联，相应的负载管，相应的负载管并联并联，为，为逻辑与逻辑与；驱动

19、管驱动管并联并联，相应的负载管，相应的负载管串联串联，为，为逻辑或逻辑或；注意：负载管串联，会降低输出高电注意：负载管串联，会降低输出高电平，所以输入端数目也不宜过多。平，所以输入端数目也不宜过多。A、B全为全为1时，时，L0A、B有有0时时若若X1，则，则L0；若；若X0则则L13. CMOS复合门复合门BA BABAXBAL BABA BA CMOSCMOS异或门异或门 4.4.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 vi vo 采用缓冲电路能统一参数，使不

20、同内部逻辑集成逻辑门电路具有相采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。同的输入和输出特性。3.1.5 CMOS漏极开路门和三态输出门漏极开路门和三态输出门低阻通路，电流大低阻通路，电流大功耗过大损坏管子功耗过大损坏管子无法实现线与逻辑无法实现线与逻辑线与线与Y1Y2Y000010100111“1”“0”A L & 逻辑符号逻辑符号1 1。CMOSCMOS漏极开路门漏极开路门（Open Drain-OD门）门）VDDRpOD门工作时必须通过门工作时必须通过上拉电阻接上拉电阻接VDDA B L & 逻辑符号逻辑符号几个几个OD门输出端相连时，可

21、以共用一个电阻和电源门输出端相连时，可以共用一个电阻和电源只要电阻的阻值选择得当，能够实现只要电阻的阻值选择得当，能够实现“线与线与”上拉电阻对上拉电阻对OD门动态性能的影响门动态性能的影响Rp的值愈小，负载电容的充电时间的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快常数亦愈小，因而开关速度愈快。但但功耗大功耗大, ,且可能使输出电流超过允许且可能使输出电流超过允许的最大值的最大值IOL(max） 。Rp的值大，可保证输出电流不能超的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值过允许的最大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，但负载电容的充电时间常数亦愈大

22、，开关速度因而愈慢开关速度因而愈慢。CDAB CDAB 21PPL C D RP VDD L A B & & (c)(c)可以实现线与功能可以实现线与功能; ;(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变(a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻; ;最不利的情况：最不利的情况：只有一个只有一个 OD门导通，门导通，110为保证低电平输出为保证低电平输出OD门的门的输输出电流不能超过允许的最大值出电流不能超过允许的最大值 IOL(max)且且VO=VOL(max） ，RP不不能太小能太小。当当VO=VOLIL(total)OLOLDDpIIVVR(max)(max)(

23、min) IL(total)pOLDDOLIRVVI(min)(max)(max) +V DDIILRP&n&m&kIIL（total)IOL（max)当当VO=VOH+V DDRP&n&m&111IIH（total)I0H（total)为使得高电平不低于规定的为使得高电平不低于规定的VIH的的最小值，则最小值，则Rp的选择不能过大。的选择不能过大。Rp的最大值的最大值Rp(max) ：IH(total)OH(total)IHDDpIIVVR(min)(max) IL(total)OLOLDDpIIVVR(max)(max)(min) TP TN

24、 VD D L A EN & 1 1 2. CMOS2. CMOS三态门三态门(TSL-(TSL-Tristate logicTristate logic) ) 高阻态是除了高电平和低电平之外的第三种状态，相当于断高阻态是除了高电平和低电平之外的第三种状态，相当于断开，又称禁止态、悬空态。开，又称禁止态、悬空态。EN A L 1 高电平有效的同相逻辑门高电平有效的同相逻辑门高电平使能高电平使能低电平使能低电平使能EN A L 1 低电平有效的同相逻辑门低电平有效的同相逻辑门3.1.6 CMOS传输门传输门( (双向模拟开关双向模拟开关) ) 1 1. CMOS传输门电路传输门电路(Tr

25、ansmission Gate-TG)(Transmission Gate-TG) TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 电路电路vI / vO vO / vI C C T G 逻辑符号逻辑符号I / Oo/ IC等效电路等效电路NMOSNMOS管管T TN N和和PMOSPMOS管管T TP P并联构成的。并联构成的。C. PMOSC. PMOS管的衬底接管的衬底接+5V ,NMOS+5V ,NMOS管的衬底接管的衬底接-5V-5VB. TB. TN N和和 T TP P的的栅极栅极作为作为控制端控制端, ,分别由互补信号分别由互补信号C C和和C C控制控制A. T

26、A. TN N和和 T TP P的的均为结构对称器件均为结构对称器件，S S极和极和D D极可互换极可互换双向双向2、CMOS传输门电路的工作原理传输门电路的工作原理 设设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V， I的变化范围为的变化范围为5V到到+5V。 5V+5V 5V到到+5V GSN0, TP截止截止TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 1）当）当c=0， c =1时时c=0=-5V， c c =1=+5V C TP vO/vI vI/vO +5V 5V TN C +5V5V GSP= 5V (3V+5V)= 2V 10V GSN=5V (5V+3V)=(

27、102)V b、 I= 3V5V GSNVTN, TN导通导通a、 I= 5V3VTN导通，导通，TP导通导通 GSP |VT|, TP导通导通C、 I= 3V3VIOvv 2）当）当c=1， c =0时时因此，当因此，当vI在在-5V +5V之间变化时，之间变化时，TN和和 TP必有一个导通，使必有一个导通，使vI与与vO间呈间呈低阻态低阻态1k，传输门处于导通状态。，传输门处于导通状态。传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器C=0C=0 , ,TG1导通导通, TG2断开断开 ,L=X C=1C=1 , ,TG2导通导通, TG1断开断开,L=Y传输门的应用传输门的应用具有很低的导通

28、电阻和很高的截止电阻，是理想开关。可以传输模拟信号也可具有很低的导通电阻和很高的截止电阻，是理想开关。可以传输模拟信号也可传输数字信号，且是双向传输可与传输数字信号，且是双向传输可与CMOS逻辑门一起，构成复杂的逻辑电路。逻辑门一起，构成复杂的逻辑电路。EN=1,Y高阻高阻EN=0,Y=A传输门组成的三态门传输门组成的三态门TG1TG1TG2TG23.1.7 NMOS3.1.7 NMOS逻辑门电路逻辑门电路 NMOS逻辑门电路全部采用逻辑门电路全部采用NMOS管构成，无电阻管构成，无电阻其优点是：易于集成，易于用其优点是：易于集成，易于用CAD设计。设计。T1为工作管，为工作管，T2为负载管为

29、负载管T2的的G极与极与S极同接电源，极同接电源，T2总工作在恒流区，处于总工作在恒流区，处于导通状态。导通状态。VIVIHVDD时时VIVIL0V时时1. NMOS1. NMOS反相器反相器 T1导通导通VoVOLT1截止截止VoVOH 2. NMOS门电路门电路AY T TL L永远导通相当于永远导通相当于电阻，驱动管电阻，驱动管T T1 1实实现现逻辑非逻辑非：TL永远导通相当于电永远导通相当于电阻，驱动管阻，驱动管T1、T2串串联联实现实现逻辑与非逻辑与非：BAYTL永远导通相当于电阻，永远导通相当于电阻，驱动管驱动管T1、T2并联并联实现实现逻辑或非逻辑或非：BAY用途广用途广3.1

30、.8 逻辑门电路的一般特性及主要参数逻辑门电路的一般特性及主要参数1. 1. 输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平 vO vI 驱动门驱动门G1 负载门负载门G2 1 1 输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIL(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOH(max)输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1门门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min) VIL(max) +VDD 0 G2门门vI范围

31、范围 输入输入低电平低电平 vI VNH 当前级门输出高电平的最小当前级门输出高电平的最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门负载门输入高电平时的噪声容限输入高电平时的噪声容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门负载门输入低电平时的噪声容限输入低电平时的噪声容限：2. 噪声容限噪声容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(max) 在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。 它表示门

32、电路的它表示门电路的抗干扰能力抗干扰能力 1 驱动驱动门门 vo 1 负载门负载门 vI 噪声噪声 类型类型参数参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)782.10.93.传输延迟时间传输延迟时间 传输延迟时间传输延迟时间tPHL, tPLH是表征门电是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间相对于输入波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出输出

33、50% 90% 50% 10% tPLH tf tr 输入输入 50% 50% 10% 90% 平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd=(t=(tPHLPHL+t+tPLHPLH)/2)/24. 4. 功耗功耗静态功耗静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流空载时电源总电流ID与电源电压与电源电压VDD的乘积。的乘积。 P0= IDVDD5. 5. 延时延时 功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标. .延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP表示表示DP=tDP=tpdpdP PD D扇入数：取

34、决于逻辑门的输入端的个数。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，：指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗门电路有动态功耗扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的 最大数目。最大数目。（a)a)带拉电流负载带拉电流负载当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降当负载门的个数增加时，总的拉电流

35、将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。)(I)(IN负负载载门门驱驱动动门门IHOHOH 高电平高电平扇出数扇出数:IOH : :驱动门的输出端为高电平电流驱动门的输出端为高电平电流IIH : :负载门的输入电流为负载门的输入电流为。(b)(b)带灌电流负载带灌电流负载)(I)(IN负负载载门门驱驱动动门门ILOLOL 当负载门的个数增加时，总的灌电流当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起输出低电压将增加，同时也将引起输出低电压VOL的的升高。当输出为低电平，并且保证不

36、超过升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。输出低电平的上限值。IOL ：驱动门的输出端为低电平电流：驱动门的输出端为低电平电流IIL ：负载门输入端电流之和：负载门输入端电流之和低电平低电平扇出数扇出数: CMOS反相器在输入信号的高、低电平作用下，总反相器在输入信号的高、低电平作用下，总有一个管子处于截止状态，其工作电流非常小，接近有一个管子处于截止状态，其工作电流非常小，接近于管子的漏电流，所以于管子的漏电流，所以静态功耗极小静态功耗极小。同时，总有一。同时，总有一个管子处于饱和导通状态，为负载电容个管子处于饱和导通状态，为负载电容CL提供了低电提供了低电阻的充放电回路。

37、因此，阻的充放电回路。因此，工作速度高工作速度高。 CMOS反相器的特点反相器的特点(a)静态功耗极小静态功耗极小: 小于小于10nW (b)工作速度较高工作速度较高: nS数量级数量级 (c)抗干扰性能好抗干扰性能好: 噪声容限宽，电源电压的噪声容限宽，电源电压的45 (d)负载能力较强负载能力较强: No 50(e)电源适用范围宽电源适用范围宽: 318V参数参数系列系列传输延迟时传输延迟时间间tpd/ns(CL=15pF)功耗功耗(mW)延时功耗积延时功耗积(pJ)4000B751 (1MHz)10574HC101.5 (1MHz)1574HCT131 (1MHz)13CMOS门电路各系

38、列的性能比较门电路各系列的性能比较3.2.1 3.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性 截止条件：截止条件：v vD D V VONON （开启电压（开启电压0.60.7V）B. 实际：实际：v vD00，保证二极管可靠截止，保证二极管可靠截止 C. V VZ Z ：二极管的反向击穿电压：二极管的反向击穿电压 二极管截止时二极管截止时的等效电路的等效电路 3.2 TTL逻辑门逻辑门晶体二极管动态开关特性晶体二极管动态开关特性 动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程。t re反向恢复时间：二极管反向恢复时间：二极管从导通到

39、截止所需时间。从导通到截止所需时间。 二极管的反向恢复时间限制了二极二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。管的开关速度。若输入波形的频率若输入波形的频率过高，会使输出负电压的持续时间过高，会使输出负电压的持续时间小于它的反向恢复时间，此时二极小于它的反向恢复时间，此时二极管将失去其单向导电性。管将失去其单向导电性。 （由于（由于PN结电容中存有电荷结电容中存有电荷电荷存储效应）电荷存储效应）3.2.2 3.2.2 双极型晶体三极管双极型晶体三极管(BJT)(BJT)的开关特性的开关特性 三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态，在三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态，在数字电路中，静态主

40、要工作于饱和和截止状态数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态 。NPNNPN型硅三极管输出特性曲线型硅三极管输出特性曲线 NPN 型三极管截止、放大、饱和 3 种工作状态的特点 工工作作状状态态 截截 止止 放放 大大 饱饱 和和 条条 件件 iB0 0iBIBS iBIBS 偏偏置置情情况况 发发射射结结反反偏偏 集集电电结结反反偏偏 vBE0，vBC0，vBC0，vBC0 集集电电极极电电流流 iC0 iCiB iCICS ce 间间电电压压 vCEVCC vCEVCCiCRc vCEVCES0.3V 工工 作作 特特 点点 ce 间间等等效效电电阻阻 很很大大， 相相当当开开关关断断开

41、开 可可变变 很很小小， 相相当当开开关关闭闭合合 三极管的截止状态三极管的截止状态三极管的饱和状态三极管的饱和状态NPNNPN型硅三极管开关等效电路型硅三极管开关等效电路 三极管作为开关使用时只需要：饱和状态和截止状态三极管作为开关使用时只需要：饱和状态和截止状态 输入信号为高电压时，应使三极管可靠地饱和；输入信号为高电压时，应使三极管可靠地饱和； 输入信号为低电压时，应使三极管可靠地截止。输入信号为低电压时，应使三极管可靠地截止。 三极管开关的过渡过程（动态特性）三极管开关的过渡过程（动态特性） 从截止到导通从截止到导通ton = td +tr ton开通时间开通时间 从导通到截止从导通到

42、截止toff = ts +tf toff关断时间关断时间 td：延迟时间，上升到延迟时间，上升到0.1Icmaxtr：上升时间，上升时间， 0.1Icmax到到0.9Icmaxts：存储时间，下降到存储时间，下降到0.9Icmaxtf：下降时间，下降到下降时间，下降到0.1IcmaxBJT饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。 ton和和toff一般约在几十纳秒（一般约在几十纳秒（ns=10-9 s）范围。通常都有）范围。通常都有toff ton，而且，而且ts tf 。 ts 的大小是影响三极管速度的最主要因素，要提高三极管的

43、开关的大小是影响三极管速度的最主要因素，要提高三极管的开关速度就要设法缩短速度就要设法缩短ton与与toff ，特别是要缩短，特别是要缩短ts 。3.2.3 3.2.3 基本逻辑门电路基本逻辑门电路 1.1.二极管与门及或门电路二极管与门及或门电路 二极管二极管“与与”门电路门电路 D D1 1D D2 2导通导通D D1 1D D2 2导通导通D D1 1截止截止D D2 2导通导通D D1 1导通导通D D2 2截止截止二极管二极管“或或”门电门电路路 BAYD D1 1D D2 2导通导通D D1 1D D2 2导通导通D D1 1截止截止D D2 2导通导通D D1 1导通导通D D2

44、 2截止截止2.2.三极管非门三极管非门 R1DR2AF+12V +3V三极管非门三极管非门uA uF 3V 0.3 0V 3.7 钳位二极管钳位二极管AF T T导通导通T T截止截止R1DR2F+12V +3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门DTL与非门与非门ABP 3.3.复合门复合门(DTL)(DTL)输出级：输出级：T3、D、T4和和Rc4构成推拉式的输出构成推拉式的输出级。用于提高开关速度级。用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电的集电结和发射极同时输出结和发射极同时输出两个相位相

45、反的信号，两个相位相反的信号，作为作为T T3 3和和T T4 4输出级的驱输出级的驱动信号；动信号； Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1K W VCC(5V) 输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 4 . TTL反相器的基本电路反相器的基本电路1 1）. .电路组成电路组成输入级：输入级：T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提高电路组成。用于提高电路的开关速度的开关速度输入为低电平（输入为低电平（0.3V0.3V）时）时“0”1V不足以让不足以让T2、T5导通导通三个三个PN结结导通需导通需2.1V2）

46、TTL反相器的工作原理反相器的工作原理 “0”1VVo=5-VR2-Vbe3-VD3 3.6V 输出高电平！输出高电平！输入为低电平（输入为低电平（0.3V0.3V）时）时截止截止导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平T4DT3T2T T1 1输入输入高电平高电平输出输出输入为高电平（输入为高电平（3.6V3.6V）时）时“1”全导通全导通电位被钳电位被钳位在位在2.1V反偏截止反偏截止 1V截止截止饱和饱和vo=0.3VABY Vo=0.3V 输出低电平！输出低电平！输入为高电平（输入为高电平（3.6V3.6V）时）时饱和饱和截止截止T4低电平低电平截止截止截止截止饱和饱和倒置工作倒置

47、工作高电平高电平高电平高电平导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平输出输出DT3T2T1输入输入全导通全导通电位被钳电位被钳位在位在2.1V反偏截止反偏截止 1V“1”3 ）采用输入级以提高工作速度）采用输入级以提高工作速度 当当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.3V的瞬间的瞬间 T2、T3管的状态变化滞后于管的状态变化滞后于T1管，仍处于导通状态。管，仍处于导通状态。T1管管e结正偏、结正偏、c结反偏，结反偏， T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流（管射极电流（1+ 1 ） iB1很快地从很快地从T2的基区抽走多余的基区抽走多余的存储电荷的存储电荷,从而加速了输从

48、而加速了输出由低电平到高电平的转换。出由低电平到高电平的转换。 4）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当输出当输出 O=0.2V低电平时，低电平时，T4截止，截止，T3饱和导通，其饱饱和导通，其饱和电流全部用来驱动负载和电流全部用来驱动负载a)带负载能力带负载能力输出端接负载电容输出端接负载电容C CL时，时， O由低到高电平跳变的瞬间，由低到高电平跳变的瞬间，CL充电充电，其时间常数很小使，其时间常数很小使输出波形上升沿陡直输出波形上升沿陡直。而当。而当 O由高由高变低后，变低后， CL很快很快放电放电，输出波形的下降沿也很好输出波形的下降

49、沿也很好。 当当 O O=3.6V=3.6V时时T T3 3截止，截止，T T4 4组组成的电压跟随器的输出电成的电压跟随器的输出电阻很小，输出高电平稳定，阻很小，输出高电平稳定，带负载能力也较强。带负载能力也较强。b)输出级对提高开关速度的作用输出级对提高开关速度的作用T1ABCB1C1ABCB1(a)(b)1. TTL与非门电路与非门电路多发射极多发射极BJT T1e e bc eeb cA& BAL B3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路TTL与非门与非门电路的工作原理电路的工作原理 任一输入端为低电平时任一输入端为低电平时: :TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 IT

50、1T2T4T3 O输入全为高电平输入全为高电平 (3.6V)倒置使用的放大状倒置使用的放大状态态饱和饱和截止截止饱和饱和低电平低电平（0.3V）输入有低电平输入有低电平 (0.3V)深饱和深饱和截止截止放大放大截止截止高电平高电平（3.6V）当全部输入端为高电平时：当全部输入端为高电平时： 输出低电平输出低电平 输出高电平输出高电平 A& BALB2. TTL或非门或非门 若若A、B中有一个为高电平中有一个为高电平:若若A、B均为低电平均为低电平:T2A和和T2B均将截止，均将截止，T3截止。截止。 T4和和D饱和，饱和，输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和，将饱和，T3

51、饱和，饱和，T4截止，截止，输出为低电平。输出为低电平。 B A LAB 1 vOHvOL输出为低电平输出为低电平的逻辑门输出的逻辑门输出级的损坏级的损坏3.2.5 集电极开路门和三态门电路集电极开路门和三态门电路1.1.集电极开路门电路集电极开路门电路 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 OC(Open Collector)门门a） 集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路b） 使用时的外电路连

52、接使用时的外电路连接c） 逻辑功能逻辑功能L = A BOC门输出端连接实现线与门输出端连接实现线与VCC T1 Re2 Rc2 Rc4 Rb1 T2 T3 T4 D A B L VCC T1 Re2 Rc2 Rb1 T2 T3 A B L VCCC D RP VDD L A B & & OC门门 (-Open Collector)输出端外接上拉电阻输出端外接上拉电阻2. 三态与非门三态与非门(TSL ) 当当EN= 3.6V时时-与非门与非门EN数据输入端数据输入端输出端输出端LAB10010111011100 高阻高阻三态与非门真值表三态与非门真值表 当当EN= 0.2V时

53、时-高阻态高阻态逻辑符号逻辑符号高电平高电平使能使能高阻状态高阻状态与非逻辑与非逻辑 ZL ABLEN = 0_EN =1ABEN & L EN2. 三态与非门三态与非门(TSL ) 当当EN= 3.6V时时EN数据输入端数据输入端输出端输出端LAB10010111011100 高阻高阻三态与非门真值表三态与非门真值表 当当EN= 0.2V时时逻辑符号逻辑符号ABEN & L EN高电平高电平使能使能高阻状态高阻状态与非逻辑与非逻辑 ZL ABLEN = 0_EN =1打印机打印机扫描仪扫描仪显示器显示器通过控制使能端，可以使各个设备输出通过控制使能端，可以使各个设备输出的数据

54、轮流占有总线，分时传送。的数据轮流占有总线，分时传送。三态门主要用于总线传输系统三态门主要用于总线传输系统分析以下电路分析以下电路 的功能的功能E1时，时，G1工作工作 Y/D G2禁止禁止 输出输出X高阻态高阻态E0时，时，G1禁止输出高阻禁止输出高阻G2工作工作 X/Y三态门可以实现数据双向传输三态门可以实现数据双向传输(a)(b)AGF1EN三态缓冲门AGF1EN三态倒相门ABGF&EN三态与门ABGF&EN三态与非门AGF三态缓冲门1ENAGF三态倒相门1ENENABGF&三态与门ABGF&EN三态与非门各种三态门的逻辑符各种三态门的逻辑符号号三态门和三

55、态门和OC门的性能比较门的性能比较 (1) 三态门的开关速度比三态门的开关速度比OC门快门快。 (2) 允许接到总线上的三态门的个数，原则上不受限制，允许接到总线上的三态门的个数，原则上不受限制，但但允许接到总线上的允许接到总线上的OC门的个数受到上拉电阻门的个数受到上拉电阻RC的取值条件的的取值条件的限制。限制。 (3) OC门可以实现门可以实现“线与线与”逻辑，而三态门则不能。逻辑，而三态门则不能。若把若把多个三态门输出端并联在一起，并使其同时选通，多个三态门输出端并联在一起，并使其同时选通， 当它们的当它们的输出状态不同时，不能输出正确的逻辑电平，而且还会烧坏输出状态不同时，不能输出正确

56、的逻辑电平，而且还会烧坏导通状态的输出管。导通状态的输出管。特点特点: :功耗低、速度快、驱动力强功耗低、速度快、驱动力强3.2.6 Bi CMOS门电路门电路 I I为高电平为高电平: :MN、M1和和T2导通，导通，MP、M2和和T1截止，截止，输出输出 O O为低电平。为低电平。工作原理工作原理: :M1的导通的导通, , 迅速拉走迅速拉走T1的基区存储电荷的基区存储电荷; ; M2截止截止, , MN的输出电流全部作为的输出电流全部作为T2管的管的驱动电流驱动电流, , M1 、 M2加快输出状态的转换加快输出状态的转换 I I为低电平为低电平: :MP、M2和和T1导通，导通，MN、

57、M1和和T2截止，截止，输出输出 O O为高电平。为高电平。T2基区的存储电荷通过基区的存储电荷通过M2而消散。而消散。 M1 、 M2加快输出状态的转换加快输出状态的转换电路的开关速度可得到改善电路的开关速度可得到改善M1截止，截止，MP的输出电流全部作为的输出电流全部作为T1的驱动电流。的驱动电流。3.2.7 改进型改进型TTL门电路门电路抗饱和抗饱和TTL门电路门电路 晶体三极管的开关时间限制了晶体三极管的开关时间限制了TTLTTL门的开关速度。为了提高门的开关速度。为了提高TTLTTL门电路的开关速度，人们在三极管的基极和集电极间跨接肖门电路的开关速度，人们在三极管的基极和集电极间跨接

58、肖特基二极管，以缩短三极管的开关时间。肖特基二极管也称快速特基二极管，以缩短三极管的开关时间。肖特基二极管也称快速恢复二极管，它的导通电压较低，约为恢复二极管，它的导通电压较低，约为0.40.40.5 V0.5 V，因此开关速，因此开关速度极短，可实现度极短，可实现1ns1ns以下的高速度。加接了肖特基二极管的三极以下的高速度。加接了肖特基二极管的三极管称为肖特基三极管。管称为肖特基三极管。 由肖特基三极管组成由肖特基三极管组成的门电路称做肖特基的门电路称做肖特基TTLTTL门，门，即即STTLSTTL门，它的门，它的t tpdpd 在在10 10 nsns以内。除典型的肖特基以内。除典型的肖

59、特基型（即型（即STTLSTTL型）外，还有型）外，还有低功耗肖特基型（低功耗肖特基型（LSTTLLSTTL）、）、先进的肖特基型（先进的肖特基型（ASTTLASTTL）、）、先进的低功耗型（先进的低功耗型（ALSTTLALSTTL）等，它们的技术参数各有等，它们的技术参数各有特点，是在特点，是在TTLTTL工艺的发展工艺的发展过程中逐步形成的。过程中逐步形成的。基本基本TTL门和肖特基门和肖特基TTL门电路门电路的性能比较的性能比较3.5.1 正负逻辑问题正负逻辑问题正负逻辑的规定正负逻辑的规定 0 01 1 1 10 0正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问

60、题正逻辑体制正逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑1 1表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑0 0表示表示负逻辑体制负逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑0 0表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑1 1表示表示与非与非 或非或非负逻辑负逻辑 正逻辑正逻辑与与 或或非非 非非3.5.2 基本逻辑门电路的等效符号及其应用基本逻辑门电路的等效符号及其应用1、 基本逻辑门电路的等效符号基本逻辑门电路的等效符号ABL LA B & B A 与非门及其等效符号与非门及其等效符号 B A BAL 1 系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。低电平有效，输入端加小圆圈；低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有效，输入端不加小圆圈。高电平有效，输入端不加小圆圈。BA BABAL B A LAB 1 或非门及其等效符号或非门及其等效符号BAL & B A & B A B A