数字电路：第3章门电路new

1、第3章 门电路 门电路：用以实现逻辑关系的电子电路 门电路 分立元件门电路 集成门电路 双极型集成门 单极型集成门3.1晶体管的开关特性3.1.13.1.1晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性3.1.23.1.2晶体三极管开关特性晶体三极管开关特性iDvDOiDvDVthO图3- -1- -2 二极管伏安特性(c) 理想理想二极管开关特性二极管开关特性(d) 二极管特性折线简化二极管特性折线简化当二极管作为开关使用当二极管作为开关使用时，可将其伏安特性折线化。时，可将其伏安特性折线化。当正向偏置时，二极管导通，当正向偏置时，二极管导通，压降为压降为Vth值，相当于开关值，相当于开关闭合；当反向

2、偏置时，二极闭合；当反向偏置时，二极管截止，流过的电流为反向管截止，流过的电流为反向饱和电流，非常小，相当于饱和电流，非常小，相当于开关断开。开关断开。结论：结论：在稳态情况下，二极管开关特性与理想开关存在一在稳态情况下，二极管开关特性与理想开关存在一定差异。主要表现为，正向导通时，相当于开关闭合，但两端定差异。主要表现为，正向导通时，相当于开关闭合，但两端仍有电位降落；反向截止时，相当于开关断开，存在反向电流。仍有电位降落；反向截止时，相当于开关断开，存在反向电流。此外，二极管的此外，二极管的Vth和和IS都与温度有关。都与温度有关。通常硅二极管的通常硅二极管的Vth值取值取0.7V，锗二极

3、管取，锗二极管取0.3V。R4VCCT4T3D4R2T2R3T1AR1Y图3-2-2 CT54/74系列与非门 k4 .6k1 k1 0313.2.13.2.1晶体管晶体管逻辑门电路（晶体管晶体管逻辑门电路（TTL）TTL非非门由三部分组成：门由三部分组成：晶体管晶体管T1和电阻和电阻R1构成电路构成电路的的输入级输入级；T2和电阻和电阻R2、R3组成组成中间级中间级，从，从T2的集电结的集电结和发射极同时输出两个相位和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为相反的信号，作为T3和和T4输输出级的驱动信号；出级的驱动信号；T3、D4、T4和和R4构成推拉式的构成推拉式的输出级输出级。基本工作情况

4、基本工作情况R4VCCT4T3D4R2T2R3T1AR1Y图3-2-2 CT54/74系列与非门 k4 .6k1 k1 031当 输 入 信 号当 输 入 信 号 A 为为 低 电 平低 电 平(0.3V)时，时，T1的基极电位约为的基极电位约为1V，因此，因此T2和和T4均不会导通。均不会导通。VCC经经R2驱动驱动T3和和D4，使之处于，使之处于导通状态。因此输出电压导通状态。因此输出电压vO为：为：D4BE32B3CCOvvRiVv 由于基流由于基流iB3很小，可忽略很小，可忽略不计，则不计，则3.6VV7 . 0V7 . 0V5D4BE3CCO vvVv即输出为即输出为高电平高电平，称

5、电路处于，称电路处于关态关态。R4VCCT4T3D4R2T2R3T1CR1Y图3-2-2 CT54/74系列与非门 k4 .6k1 k1 031当 输 入 信 号当 输 入 信 号 A 为为 高 电 平高 电 平(3.6V)时，时，T1的基极电位升高，的基极电位升高，足以使足以使T1集电结、集电结、T2和和T4的发的发射结导通。射结导通。 T2的集电结电位约的集电结电位约为为1V，不能驱动，不能驱动T3和和D4，使之，使之处于截止状态。输出电压为：处于截止状态。输出电压为：V3 . 0CE(sat)4OLO VVv即输出为即输出为低电平低电平，称电路，称电路处于处于开态开态。由此可见，电路具有

6、。由此可见，电路具有非非门门的逻辑功能。的逻辑功能。T1T2T3D4T4输出高电平（关态）输出高电平（关态）饱和饱和截止截止导通导通导通导通截止截止输出低电平（开态）输出低电平（开态）倒置工作倒置工作饱和饱和截止截止截止截止饱和饱和表3-2-1 TTL门电路各晶体管工作状态vI/ /V3210123avO/ /VbcdeVth图3-2-3 电压传输特性3.2.23.2.2TTL非非门的主要外部特性门的主要外部特性电压传输特性电压传输特性ab段段：对应：对应vI1.3V，T4开始导通。当开始导通。当vI增加时，输出电压增加时，输出电压急剧下降，急剧下降，T3和和D4趋向截止，趋向截止，T4趋向饱

7、和，电路状态由关态转趋向饱和，电路状态由关态转换为开态。这一段称为换为开态。这一段称为转折区转折区。vI/ /V3210123avO/ /VbcdeVth图3-2-3 电压传输特性de段段：随着：随着vI增加，增加，T1进入倒置工作状态，进入倒置工作状态，T3、D4进入截止，进入截止， T4进入饱和，进入饱和，输出低电平近似为输出低电平近似为0.3V，电路进入稳定的开态。这电路进入稳定的开态。这一段称为一段称为饱和区饱和区。 1、输入电压与输出电压 2、抗干容限 3、功耗 4、输入电流与输出电流 5、负载能力（扇出系数） 6、工作速度3.2.23.2.2门电路的门电路的主要技术指标主要技术指标

8、R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1BCR1Y图3-2-2 CT54/74系列与非门 k4 .6k1 k1 031VCCYABC3.2.3 TTL3.2.3 TTL与非门电路与非门电路BAY图3-2-15 非门的线与连接图示电路为两个非门的输出端直图示电路为两个非门的输出端直接连接的情况。其输出与输入间的关接连接的情况。其输出与输入间的关系为系为BAY 两个逻辑门输出端相连，可以实现两两个逻辑门输出端相连，可以实现两输出相输出相与与的功能，称为的功能，称为线与线与。在用门电路组合各种逻辑电路时，在用门电路组合各种逻辑电路时，如果能将输出端直接并接，有时能大如果能将输出端直接并接，有时能大大

9、简化电路。大简化电路。前面介绍的推拉式输出结构的前面介绍的推拉式输出结构的TTL门电路是不能将两个门门电路是不能将两个门的输出端直接并接的。的输出端直接并接的。3.2.43.2.4集电极开路的集电极开路的TTL与非门（与非门（OC门）门）图3-2-16 两个与非门输出 直接相连接的情况VCCT4T3D4Y1VCCT4T3D4Y2T2VOHVOL如图如图3-2-16所示的连接中，所示的连接中，如果如果Y1 1输出为高电平，输出为高电平，Y2 2输出输出为低电平，由于推拉式输出级为低电平，由于推拉式输出级总是呈现低阻抗，因此将会有总是呈现低阻抗，因此将会有一个很大的负载电流流过两个一个很大的负载电

10、流流过两个输出级，该电流远远超过正常输出级，该电流远远超过正常工作电流，甚至会损坏门电路。工作电流，甚至会损坏门电路。为了使为了使TTL门能够实现线门能够实现线与与，把输出级改为集电极开路，把输出级改为集电极开路的结构，简称的结构，简称OC门门。图3-2-17 集电极开路的与非门 及其逻辑符号VCCT4YBAT1T2YBA&(a)(b)图图3-2-18表示了表示了n个个OC门并联使用的情况，其输出门并联使用的情况，其输出IJCDABIJCDABY OC门电路取消了典型门电路取消了典型TTL门电路中门电路中T3、D4的输出的输出电路，在使用时外接一个电电路，在使用时外接一个电阻阻RL和外

11、接电源和外接电源V。只要电阻只要电阻RL和电源和电源V的数的数值选择恰当，就能保证输出值选择恰当，就能保证输出的高、低电平符合要求，输的高、低电平符合要求，输出三极管出三极管T4的负载电流又不的负载电流又不过大。过大。图3-2-18 n个OC门并联使用YBA&DC&JI&VCCRLnVCCT4T3D4T2Y图3-2-19 三态门电路及逻辑符号T111DPG1G2ABENENA&BENA&BYY(a)(c)(b)三态门是在普通门电路基础上，增加控制端和控制电路构三态门是在普通门电路基础上，增加控制端和控制电路构成的。成的。若若EN为有效电平，三态门与普通门

12、电路一致；否则，输出为有效电平，三态门与普通门电路一致；否则，输出呈现呈现高阻高阻抗状态，输入与输出之间相当于断开。抗状态，输入与输出之间相当于断开。高电平有效高电平有效低电平有效低电平有效3.2.5三态输出门（三态门）三态输出门（三态门）图3-2-20 三态门接成总线结构B1EN1&A1B2EN2&A2BnENn&An三态门实现总线结构三态门实现总线结构轮流定时地使各个轮流定时地使各个EN端为端为1，可把各门的输出信号轮流传，可把各门的输出信号轮流传送到总线上。送到总线上。图3-2-21 用三态门实现 数据双向传输11DODIEN总总 线线DO /DIG1G2三态门实

13、现数据双向传输三态门实现数据双向传输门门G1和和G2为三态反相器，为三态反相器，改变控制端改变控制端EN的输入电平，即的输入电平，即可控制数据的传输方向。可控制数据的传输方向。图3- -3- -1 CMOS反相器DGSSGDvOVDDTLT0vI3.3.13.3.1CMOS反相器工作原理反相器工作原理CMOS反相器由一个反相器由一个P沟道增强型沟道增强型MOS管和一个管和一个N沟道增强沟道增强型型MOS管串联组成。通常管串联组成。通常P沟道管作为负载管，沟道管作为负载管，N沟道管作为输沟道管作为输入管。入管。两个两个MOS管的开启电压管的开启电压VGS(th)P0，通常为了保证正常工作，要，通

14、常为了保证正常工作，要求求VDD|VGS(th)P|+VGS(th)N。若输入若输入vI为低电平为低电平(如如0V)，则负载，则负载管导通，输入管截止，输出电压接近管导通，输入管截止，输出电压接近VDD。若输入若输入vI为高电平为高电平(如如VDD)，则输入管导通，负载管截止，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近输出电压接近0V。YVDDT1BTP图3- -3- -10 CMOS与非门TPATNTNT4T3T2YVDDT1B图3- -3- -11 CMOS或非门AT4T3T23.3.23.3.2其它其它CMOS逻辑门电路逻辑门电路CMOS与非与非门、门、或非或非门门当输入信号为当输入信号为0时，与之相连的时，与之相连的N沟道沟道MOS管截止，管截止，P沟道沟道MOS管导通；反之则管导通；反之则N沟道沟道MOS管导通，管导通，P沟道沟道MOS管截止。管截止。TNTNT4TPTPTP图3- -3- -8 CMOS传输门及其逻辑符号VDDCCvO/vIvI/vOvO/vIvI/vOCCTGCvO/vIvI/vOCTN3.3.33.3