数字电子技术基础第二章

1、第第二章二章 逻辑门电路逻辑门电路 内容概述内容概述 第一节第一节 标准标准TTL与非门与非门 第二节第二节 其它类型其它类型TTL门电路门电路 第三节第三节 ECL逻辑门电路逻辑门电路 第四节第四节 I2 L逻辑门电路逻辑门电路 第五节第五节 NMOS逻辑门电路逻辑门电路 第六节第六节 CMOS逻辑门电路逻辑门电路 第七节第七节 逻辑门的接口电路逻辑门的接口电路 小结小结内容概述内容概述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集集成成逻逻辑辑门门按器件类型分按器件类型分按集成度分按集成度分SSI：100个等效门个等效门MSI：103个等效门个等效门LSI ：104个等效门个

2、等效门VLSI：104个以上等效门个以上等效门本章内容：本章内容： 集成逻辑门的基本结构、工作原理；集成逻辑门的基本结构、工作原理； 集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。TTL、ECL、I2LPMOSNMOSCMOS第一节第一节 标准标准TTL与非门与非门 TTL与非门电路组成与非门电路组成 TTL与非门工作原理与非门工作原理 TTL与非门工作速度与非门工作速度 TTL与非门外特性及主要参数与非门外特性及主要参数 TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型 TTL集成电路产品集成电路产品TTLTransistor-Transistor Logic 晶

3、体管晶体管-晶体管逻辑（电路）晶体管逻辑（电路）TTL与非门电路组成与非门电路组成 输出级由输出级由D3、T4、T5和电阻和电阻R4组成。组成。T4与与T5组成组成推拉式输出推拉式输出结构结构，具有较强的负载能力。，具有较强的负载能力。 输入级由输入级由多发射多发射极晶体管极晶体管T1、二极管二极管D1、D2和电阻和电阻R1组成组成。实现输入变量。实现输入变量A、B的与运算。的与运算。 中间级由中间级由T2、R2和和R3组成。组成。T2的集电极的集电极C2和发射极和发射极E2分别分别提供两个提供两个相位相反的电压信号相位相反的电压信号。TTL与非门工作原理与非门工作原理 输入端至少有一个输入端

4、至少有一个（设（设A端）接低电平：端）接低电平：0.3V3.6V1V3.6VT1管管:A端发射结导通，端发射结导通，UB1 = UA + UBE1 = 1V，其它发射结反偏截止。其它发射结反偏截止。 （5-0.7-0.7）V = 3.6V因为因为UB1 =1V, 所以所以 T2、T5截止截止, UC2Ucc=5V。 T4：工作在导通状态工作在导通状态5V3D4be2RCCOH UUUUU电路输出高电平：电路输出高电平： 输入端全接高电平：输入端全接高电平：3.6V2.1V0.3VT1:UB1= UBC1+UBE2+UBE5 = 0.7V3 = 2.1V电路输出低电平：电路输出低电平：UOL =

5、 0.3V3.6VT1：发射结反偏，集电发射结反偏，集电结正偏，工作在倒置状结正偏，工作在倒置状态且态且T2 、T5导通。导通。T2：工作在工作在饱和状态饱和状态T4：UC2 = UCES2 + UBE5 1V，T4截止。截止。T5：处于处于深饱和状态深饱和状态TTL与非门工作原理与非门工作原理 输入端全接高电平，输入端全接高电平，输出为低电平。输出为低电平。 输入端至少有一个接输入端至少有一个接低电平时，输出为高低电平时，输出为高电平。电平。 由由此可见，电路的此可见，电路的输出与输入之间满足输出与输入之间满足与非逻辑关系：与非逻辑关系：BAFTTL与非门工作原理与非门工作原理T1：倒置工作

6、状态倒置工作状态T2：饱和状态饱和状态T4：截止状态截止状态T5：深度饱和状态深度饱和状态T1：深度饱和状态深度饱和状态T2：截止状态截止状态T4：导通状态导通状态T5：截止状态截止状态TTLTTL与非门工作速度与非门工作速度存在的问题：存在的问题：一是与非门内部晶体管工作在一是与非门内部晶体管工作在饱和饱和状态对状态对电路开关速度产生影响，二是与非门输出端接电路开关速度产生影响，二是与非门输出端接容性负载容性负载时对工作速度产生影响。时对工作速度产生影响。 采取的措施：采取的措施：1. 采用多发射极晶体管采用多发射极晶体管T1，加速加速T2管脱离饱和状态。管脱离饱和状态。 2. T4和和T5

7、同时导通，加速同时导通，加速T5管脱离饱和状态。管脱离饱和状态。 3. 降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。 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 外特性：外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。指的是电路在外部表现出来的各种特性。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。和设计电路的重要依据。 介绍介绍手册手册中常见的特性曲线及其主要参数。中常见的特性曲线及其主要参数。 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（一）（一）

8、电压传输特性电压传输特性 TTL与非门输入电压与非门输入电压UI与输出电压与输出电压UO之间的关系曲线，之间的关系曲线，即即 UO = f（UI）。）。截止区：当截止区：当UI0.6V，Ub11.3V时，时，T2、T5截止，输出高电平截止，输出高电平UOH = 3.6V。线性区：当线性区：当0.6V UI 1.3V，0.7VU b21.4V时，时，T2导通，导通，T5仍截止，仍截止，UC2随随Ub2升高而下降，升高而下降，经经T4射随器使射随器使UO下降。下降。转折区：转折区：当当UI1.3V时，时，输入电压略微升高，输出输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为电压急剧下降，因为T2、T4、T

9、5均处于放大状态。均处于放大状态。饱和区：饱和区：UI继续升高，继续升高，T1进入进入倒置工作状态倒置工作状态Ub1=2.1V，此时此时T2、T5饱和，饱和，T4截止，输出低电平截止，输出低电平UOL = 0.3V ，且且UO不随不随UI的增的增大而变化。大而变化。 ABCDETTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 根据电压传输特性，可以求出根据电压传输特性，可以求出TTL与非门几个重要参数：与非门几个重要参数：输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL 、阈值电压、阈值电压UTH、开门电平、开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF 、噪声容限等。、噪声容限等。

10、1.输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL ： AB段所对应的输出电压为段所对应的输出电压为UOH 。DE段所段所对应的输出电压为对应的输出电压为UOL。一般要求一般要求UOH3V，UOL0.4V 。3. 开门电平开门电平UON：开门电平开门电平UON也称输入高电平电压也称输入高电平电压UIH，指指的是输出电平的是输出电平UO =0.3V时，允许输入高电时，允许输入高电平的最小值。平的最小值。UON典型值为典型值为1.4V，一般产一般产品要求品要求UON1.8V。4. 关门电平关门电平UOFF ：关门电平关门电平UOFF也称输入低电平电压也称输入低电平电压UIL，指的是在保证

11、输出电压为额定高电平指的是在保证输出电压为额定高电平UOH的的90%时，允许输入低电平的最大值。一时，允许输入低电平的最大值。一般产品要求般产品要求UOFF0.8V。2. 阈值电压阈值电压UTH：CD段中点所对应的输入电压称为阈值电段中点所对应的输入电压称为阈值电压压UTH，也称门槛电压。也称门槛电压。UTH=1.31.4V。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：5. 噪声容限噪声容限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OLOFFNL UUUONOHNHUU U噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。 （二

12、）（二）输入特性输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II = f（UI）。）。1. 1. 输入短路电流输入短路电流IIS（输入低电平电流输入低电平电流IIL）当当UIL = 0V时由输入端流出的电流。时由输入端流出的电流。2. 2. 输入漏电流输入漏电流IIH（输入高电平电流）输入高电平电流） 指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，流入该输入端的电流，约该输入端的电流，约10AA左右。左右。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mA11mA4000705 1BE1CCIS.RUUI假定

13、输入电流假定输入电流II流入流入T1发射极发射极时方向为正，反之为负。时方向为正，反之为负。前级驱动门导通时，前级驱动门导通时，IIS将灌入前将灌入前级门，称为级门，称为灌电流负载灌电流负载。前级驱动门截止时，前级驱动门截止时， IIH从前级从前级门流出，称为门流出，称为拉电流负载拉电流负载。 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（三）（三）输入负载特性输入负载特性 UI在一定范围内会随着在一定范围内会随着Ri的增加而升高，形成的增加而升高，形成Ui = f（Ri）变化曲线，称为输入负载特性。变化曲线，称为输入负载特性。 若要使与非门稳定在若要使与非门稳定在截止状态，输出高电

14、平，截止状态，输出高电平，应选择应选择RiROFF。 若要保证与非门可靠若要保证与非门可靠导通，输出低电平，应选导通，输出低电平，应选择择RiRON。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（四）功耗（四）功耗 功耗有功耗有静态功耗静态功耗和和动态功耗动态功耗之分。之分。 动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。 静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有空载导通功耗空载导通功耗PON和和空载截止功耗空载截止功耗POFF两个参数。两个参数。 1. 空载导通功耗空载导通功耗PON指的是输出端开

15、路、输入端全部悬空指的是输出端开路、输入端全部悬空、与非门导通时的功耗。标准、与非门导通时的功耗。标准TTL芯片芯片PON 50mW。 2. 空载截止功耗空载截止功耗POFF指的是输出端开路、输入端接地、与指的是输出端开路、输入端接地、与非门截止时的功耗。标准非门截止时的功耗。标准TTL芯片芯片POFF25mW。 1.扇入系数扇入系数NI是指合格输入端的个数。是指合格输入端的个数。 2.扇出系数扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，表示门电路带负载能力的大小，NO表示可表示可驱动同类门的个数。驱动同类门的个数。NO分为两种情况，一是灌电流负载分为两种情况，一是灌电流负载NOL，二是拉电流负载

16、二是拉电流负载NOH。NO=min（NOL，NOH）。）。 IOLmax为驱动门的最大允许灌电流，为驱动门的最大允许灌电流，IIL是一个负载门灌是一个负载门灌入本级的电流。入本级的电流。 IOHmax为驱动门的最大允许拉电流，为驱动门的最大允许拉电流，IIH是负是负载门高电平输入电流。载门高电平输入电流。 （五）（五）扇入系数扇入系数NI和扇出系数和扇出系数NOTTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数IHOHmaxOH/IINILOLmaxOL/IIN（六）（六）平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd：2 PHLPLHpdtttTTL与非门

17、的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。迟了多少时间。 导通延迟时间导通延迟时间t tPHL PHL ：输输入波形上升沿的入波形上升沿的50%50%幅值处幅值处到输出波形下降沿到输出波形下降沿50% 50% 幅值幅值处所需要的时间。处所需要的时间。 截止延迟时间截止延迟时间t tPLHPLH：从输从输入波形下降沿入波形下降沿50% 50% 幅值处到幅值处到输出波形上升沿输

18、出波形上升沿50% 50% 幅值处幅值处所需要的时间。所需要的时间。 通常通常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小，电路的开关速度越高。小，电路的开关速度越高。一般一般t tpdpd=10ns=10ns40ns40ns。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（一）高速系列（一）高速系列（74H系列）系列） 高速高速74H系列电路对标准系列电路对标准74系列电路进行了两项改进：系列电路进行了两项改进： 一是在输出级采用了达林顿结构，将输出级的一是在输出级采用了达林顿结构，将输出级的 T4用复合管用复合管T3和和T4代替，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对容代替，减

19、小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对容性负载的充电速度。性负载的充电速度。 二是降低电路中所有电二是降低电路中所有电阻的阻值，加速三极管的开阻的阻值，加速三极管的开关速度。关速度。 74H系列门电路的传输系列门电路的传输时间比时间比74系列减小了一半，系列减小了一半，但是由于电源电流的增大，但是由于电源电流的增大，电路的功耗变大。电路的功耗变大。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（二）肖特基系列（二）肖特基系列（74S系列）系列）肖特基肖特基7474S S系列与标准系列与标准74系列相比有两点改进。系列相比有两点改进。一是增加了有源泄放电路代替一是增加了有源泄放电路代替T2射极电阻射

20、极电阻R3。 二是将标准门电路中所二是将标准门电路中所有可能工作在饱和区的晶体有可能工作在饱和区的晶体管都用肖特基三极管代替。管都用肖特基三极管代替。 由由T6、R6和和R3构成的有源构成的有源泄放电路来代替原泄放电路来代替原T2射极电阻射极电阻R3。一是提高工作速度，二是一是提高工作速度，二是提高抗干扰能力。提高抗干扰能力。 工作速度和抗干扰能力提工作速度和抗干扰能力提高。高。7474S S系列电路的系列电路的t tpdpd可达到可达到3ns3ns。 TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（三）低功耗肖特基系列（三）低功耗肖特基系列（74LS系列）系列） 74LS系列与标准系列与标准74

21、系列相比，电路有多项改进措施系列相比，电路有多项改进措施, ,以达到以达到缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。 74LS系列具有较小的延系列具有较小的延迟迟- -功耗积，具有较好的综合性能。功耗积，具有较好的综合性能。 为降低功耗，提高电路为降低功耗，提高电路各电阻的阻值各电阻的阻值,将电阻将电阻R5原接原接地端改接到输出端地端改接到输出端，减小，减小T3导通时电阻导通时电阻R5上的功耗。上的功耗。 为缩短传输延迟时间，为缩短传输延迟时间，用肖特基管和有源泄放电路用肖特基管和有源泄放电路；还将输入级的多发射极管还将输入级的多发射极管改用改用SBD代替代替。TTL

22、集成电路产品集成电路产品系系 列列名名 称称特特 点点54/74系列系列TTL通用标准系列通用标准系列TTL最早产品，中速器件，目前仍使用。最早产品，中速器件，目前仍使用。54H/74H系列系列TTL快速系列快速系列74系列改进型，速度较系列改进型，速度较74系列高，功耗大。系列高，功耗大。54S/74S系列系列TTL肖特基系列肖特基系列采用肖特基晶体管和有源泄放回路，速度高采用肖特基晶体管和有源泄放回路，速度高，品种较，品种较74LS系列少。系列少。54LS/74LS系列系列TTL低功耗肖特基低功耗肖特基系列系列目前主要应用的产品，品种齐全，价格低廉目前主要应用的产品，品种齐全，价格低廉。5

23、4AS/74AS系列系列TTL先进的肖特基先进的肖特基系列系列74S系列的改进产品，速度和功耗得到改进。系列的改进产品，速度和功耗得到改进。54ALS/74ALS系列系列TTL先进的低功耗先进的低功耗肖特基系列肖特基系列74LS系列的改进产品，速度和功耗有较大改系列的改进产品，速度和功耗有较大改进，但品种少，价格略高。进，但品种少，价格略高。54F/74F系列系列TTL高速系列高速系列与与74ALS及及74AS产品相当，属高速型产品，产品相当，属高速型产品，品种较少。品种较少。第二节第二节 其它类型其它类型TTL门电路门电路 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门） 三态输出逻辑门（三态输出逻

24、辑门（TSL门）门） 或非门、与或非门和异或门或非门、与或非门和异或门 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）10普通普通TTL门输出端并联出现的问题门输出端并联出现的问题 两个两个TTL与非门输出端直与非门输出端直接并联，设门接并联，设门1输出高电平、门输出高电平、门2输出低电平，则产生一个大电流。输出低电平，则产生一个大电流。 门门1输出高电输出高电平，平， T4导通、导通、T5截止。截止。 门门2输出低电输出低电平，平， T5导通。导通。1.抬高门抬高门2输出低电平；输出低电平；2.会因功耗过大损坏门电路。会因功耗过大损坏门电路。注：注：普通普通TTL输出端不能直接输出端不能直接并联使

25、用。并联使用。 UCC门门1的的R5、T4门门2的的T5 产生一个大电流。产生一个大电流。 （一）一）OC门的电路结构门的电路结构 当输入端全为高当输入端全为高电平时，电平时，T2、T5导通，导通，输出输出F为低电平；为低电平； 输入端有一个为输入端有一个为低电平时，低电平时，T2、T5截截止，输出止，输出F高电平接高电平接近电源电压近电源电压UC。 OC门实现与非逻门实现与非逻辑功能。辑功能。集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）集电极开路与非门（集电极开路与非门（OC门）门）RLUC输出低电平输出低电平0.3V高电平为高电平为UC（530V）ABF 逻辑符号：逻辑符号：（二）二）OC 门

26、实现线与逻辑门实现线与逻辑21 FFF_CDAB_CDAB负载电阻负载电阻RL的选择的选择（自学，且为考（自学，且为考试内容。）试内容。）集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）相当于与逻辑相当于与逻辑FRLUC等效逻辑符号等效逻辑符号（三）三）OC门应用门应用-电平转换器电平转换器 OC 门需外接电阻，所以电源门需外接电阻，所以电源UC可以选可以选5V30V。OC 门作为门作为TTL电路可以和其它不同类型、不同电平的逻辑电电路可以和其它不同类型、不同电平的逻辑电路进行连接。路进行连接。集电极开路门（集电极开路门（OC门）门） 当当UDD= =UCC时时 ，如如CMOS电源电压电源电压UDD

27、= 5V，一般，一般TTL门可以直接驱动门可以直接驱动CMOS门。门。TTL电路驱动电路驱动CMOS电路图电路图 当当UD DUC C时时 ，如，如CMOS的的UDD = 5V18V，特特别是别是UDD UCC时，可以选用时，可以选用TTL的的OC门电路实现电平变门电路实现电平变换。换。（三）三）OC门应用门应用-驱动感性器件驱动感性器件 在数字设备中，常会碰到用门电路驱动大电流的情况，在数字设备中，常会碰到用门电路驱动大电流的情况，例如驱动感性器件，利用例如驱动感性器件，利用OC门可以实现大电流的驱动。合门可以实现大电流的驱动。合理选择理选择UC，使驱动电流小于使驱动电流小于OC门中门中T5

28、所能承受的最大值。所能承受的最大值。 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）驱动驱动干簧继电器干簧继电器的电路连接的电路连接驱动驱动脉冲变压器脉冲变压器的电路连接的电路连接三态输出逻辑门（三态输出逻辑门（TSL门）门）（一）三态门工作原理（一）三态门工作原理 当当 E=0时，时，T4截止，截止，C端输出高电平端输出高电平，D2截止，则右侧截止，则右侧电路执行正常与非功能电路执行正常与非功能F=AB。101V1V输出输出F端处于高阻状态记为端处于高阻状态记为Z。Z当当 E= 1时，时， TSL门输出具有高、低电门输出具有高、低电平状态外，还有第三种输出状平状态外，还有第三种输出状态态 高阻状态

29、高阻状态，又称又称禁止态禁止态或或失效态。失效态。非门是三态门的非门是三态门的状态控制部分状态控制部分六管六管TTL与非门与非门T6、T7、 T9、 T10均截止均截止增加部分增加部分E使能端使能端高高阻阻状状态态与与非非功功能能 Z 10_EE_F ABF高高阻阻状状态态与与非非功功能能 Z 01EE_FABF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 E三态输出逻辑门（三态输出逻辑门（TSL门）门）1. 实现总线结构实现总线结构 任何时刻只能有一个控制端有效，即只有一个门处于数任何时刻只能有一个控制端有效

30、，即只有一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。据传输，其它门处于禁止状态。2. 实现双向数据传输实现双向数据传输 当当E=0时，门时，门1工作，门工作，门2禁止，禁止，数据从数据从A送到送到B； 当当E=1时，门时，门1禁止，门禁止，门2工作，数工作，数据从据从B送到送到A。三态输出逻辑门（三态输出逻辑门（TSL门）门）（二）三态门的应用（二）三态门的应用总线总线01A=1时，时，T2、T4导通，导通，T3截止，输出截止，输出F =0；B=1时，时，T12、T4导通，导通，T3截截止，输出止，输出F =0。或非门、与或非门、异或门或非门、与或非门、异或门（一）（一）TTL或非门或非门结构：结

31、构：R1、T1、T2构成的电构成的电路和路和R11、T11、T12构成的电构成的电路完全相同，路完全相同，T2和和T12 对应的对应的集电极和发射极集电极和发射极并联。并联。 只有当只有当A=B=0时，时，T2和和T12同时截止，才有同时截止，才有T4截止，截止，T3、D3导通，导通，输出输出F= 1。电路实现或非逻辑功能。电路实现或非逻辑功能。 BAF 由于三极管多发射极之间实现与逻辑运算，即由于三极管多发射极之间实现与逻辑运算，即A、B之间之间或或C、D之间实现与逻辑运算，整个电路实现与或非逻辑运算。之间实现与逻辑运算，整个电路实现与或非逻辑运算。或非门、与或非门、异或门或非门、与或非门、

32、异或门（二）（二）TTL与或非门与或非门结构：将或非门电路中的每结构：将或非门电路中的每个输入端改用多发射极三极个输入端改用多发射极三极管，管， 其余部分相同。其余部分相同。CDABF A=B=0：T2、T3导通，导通，T4、T5截止，截止，T7、T9导通，导通，T8、D3截止，因此截止，因此F =0。或非门、与或非门、异或门或非门、与或非门、异或门（三）（三）TTL异或门异或门 A=B=1：T1、T2、T3倒置，倒置，T6、T9导通，导通，T8、D3截止，因截止，因此此F = 0。 A=0，B=1或或A=1，B=0：T1导通，导通，T6截止；截止；T4、T5必有一必有一个导通，个导通，T7截

33、止。由于截止。由于T6、T7同同时截止，因此时截止，因此T9截止，截止，T8、D3导导通，故通，故F = 1。 输出输出F与输入与输入A、B之间实之间实现异或逻辑：现异或逻辑： 00010 11 011自我检测：自我检测：2.4，2.8思考题：思考题： 2.4习题：习题： 2.2，2.7，2.12，2.27作作 业业第三节第三节 ECL逻辑门电路逻辑门电路 ECL门电路工作原理门电路工作原理 标准标准TTL门电路的晶体管工作在饱和区，工作速度受到限门电路的晶体管工作在饱和区，工作速度受到限制。如果将晶体管工作状态由饱和改为非饱和，可以从根本上制。如果将晶体管工作状态由饱和改为非饱和，可以从根本

34、上提高电路的工作速度。提高电路的工作速度。发射极耦合逻辑电路（发射极耦合逻辑电路（ECL）是非饱和是非饱和型高速数字集成电路，平均传输延迟时间小于型高速数字集成电路，平均传输延迟时间小于2ns，是目前唯一，是目前唯一能提供亚毫微秒开关时间的实用电路。主要应用于每秒运算百能提供亚毫微秒开关时间的实用电路。主要应用于每秒运算百万次以上的大型高速计算机、数字通信系统等方面。万次以上的大型高速计算机、数字通信系统等方面。 ECL门电路的主要特点门电路的主要特点 基准电压基准电压ECL门电路工作原理门电路工作原理差分输入级差分输入级输出级输出级 基准电压基准电压UBB由由T5、D1、D2和和电阻电阻R1

35、、R2、R3组成的射极输出组成的射极输出电路提供，电路提供，T4管基极的基准电压管基极的基准电压UBB为为1.2V，为使电路具有相同为使电路具有相同的噪声容限，的噪声容限，UBB选两个输入高低选两个输入高低电平的平均值。电平的平均值。 T5基极接入的基极接入的D1、D2用来用来对对T5的发射结进行温度补偿，的发射结进行温度补偿，补偿由温度引起补偿由温度引起UBE5的变化。的变化。 射极输出器射极输出器T6和和T7组成输出级，组成输出级，下拉电阻下拉电阻R01、R02与发射极之间是开与发射极之间是开路的。射极输出器的作用：实现前路的。射极输出器的作用：实现前后级隔离，增加驱动能力；实现电后级隔离

36、，增加驱动能力；实现电平变换，将平变换，将D和和C4点的高、低电平点的高、低电平转换成转换成0.8V和和1.6V。 T1、T2、T3三个输入三个输入管组成三个输入端且并联管组成三个输入端且并联连接，连接，T4加有固定偏压加有固定偏压UBB（1.2V）。）。 是典型是典型ECL或或/或非门电路，由于电路或非门电路，由于电路中中T4管的输入信号通过发射极电阻管的输入信号通过发射极电阻RE耦合，耦合，称该电路为发射极耦合逻辑电路。称该电路为发射极耦合逻辑电路。输入高低输入高低电平分别为：电平分别为：0.80.8V V和和1.61.6V V。 基准电压基准电压ECL门电路工作原理门电路工作原理差分输入

37、级差分输入级输出级输出级结论：结论：C4与与A、B、C之间为或逻辑，之间为或逻辑，D与与A、B、C之间是或非逻辑关系。之间是或非逻辑关系。F、 与与A、B、C之间之间是：是：逻辑符号：逻辑符号： 下拉电阻：驱动负载较轻时，可将输下拉电阻：驱动负载较轻时，可将输出端分别与出端分别与R01、R02相连，获得规定相连，获得规定的输出电平。负载较重时，输出端与的输出电平。负载较重时，输出端与R01、R02断开连接。既可方便使用，断开连接。既可方便使用，又能降低功耗。又能降低功耗。 输入全为低电平输入全为低电平1.6V：UBB电电平高于平高于1.6V，T4导通，射极电位导通，射极电位UE = 1.9V，

38、各输入管截止，各输入管截止， 则则D点为点为高电平，高电平，C4点为低电平。点为低电平。 A为高电平：为高电平：T1基极电位基极电位0.8V，高于基准电压高于基准电压UBB，T1导通且在放大区。发射极导通且在放大区。发射极E为为1.5V，T4发射结电压为发射结电压为0.3V，T4截止，截止，C4点为高电平，点为高电平，D点为低电平。由于点为低电平。由于T1、T2、T3三管输入回路并联，只要有一个输入端为高电平，三管输入回路并联，只要有一个输入端为高电平，C4点为高电平、点为高电平、D点则为低电平点则为低电平 。 ECL门电路的应用门电路的应用A+BC+D A+B+C+D 线或连接线或连接A+B

39、+C+D 1. 开关速度高开关速度高 ECL电路中的三极管工作在放大区或截止区，消除了饱和电路中的三极管工作在放大区或截止区，消除了饱和带来的存储时间。电阻取值小，高、低电平之差小，缩短了上带来的存储时间。电阻取值小，高、低电平之差小，缩短了上升时间和下降时间。输出采用射极输出，输出电阻小，负载电升时间和下降时间。输出采用射极输出，输出电阻小，负载电容充电的时间减小。目前容充电的时间减小。目前ECL传输延迟时间已做到传输延迟时间已做到0.1ns以内。以内。 2. 逻辑功能强逻辑功能强 ECL门电路具有或门电路具有或/或非互补输出端，且采用射极开路形或非互补输出端，且采用射极开路形式，允许多个输

40、出端并联，实现输出的线或逻辑。式，允许多个输出端并联，实现输出的线或逻辑。 3. 负载能力强负载能力强 ECL电路采用射极输出，输出阻抗小，输出电流大；输入电路采用射极输出，输出阻抗小，输出电流大；输入级有射极电阻级有射极电阻RE，负反馈作用强，输入阻抗高，输入电流小。负反馈作用强，输入阻抗高，输入电流小。电路的扇出系数大，可达电路的扇出系数大，可达100以上，但实际应用时考虑负载电容以上，但实际应用时考虑负载电容影响，扇出一般不超过影响，扇出一般不超过10。 ECL门电路主要特点门电路主要特点 1. 功耗大功耗大 ECL电路的功耗为输入级、基准电源和输出级三部分之电路的功耗为输入级、基准电源

41、和输出级三部分之和。由于电路中电阻值较小，且三极管又工作在非饱和区，和。由于电路中电阻值较小，且三极管又工作在非饱和区，所以所以ECL电路的功耗大，每门平均功耗达电路的功耗大，每门平均功耗达40mW。 2. 抗干扰能力差抗干扰能力差 ECL电路的逻辑摆幅只有电路的逻辑摆幅只有0.8V左右，直流噪声容限左右，直流噪声容限UN约约300mV，抗干扰能力差。抗干扰能力差。 3. 输出电平的稳定性差输出电平的稳定性差 由于由于ECL电路中的三极管导通时工作在放大区，电路的电路中的三极管导通时工作在放大区，电路的输出电平与输出电平与T6、T7的发射结压降有关，所以输出电平的变化的发射结压降有关，所以输出

42、电平的变化与温度和电路参数的变化直接相关。与温度和电路参数的变化直接相关。ECL门电路主要缺陷门电路主要缺陷第四节第四节 I2 L逻辑门电路逻辑门电路 I2 L基本单元电路基本单元电路 TTL和和ECL工作速度较高，但是电路复杂，功耗较大，因工作速度较高，但是电路复杂，功耗较大，因此无法满足高密度大规模集成电路的制造需要。此无法满足高密度大规模集成电路的制造需要。2020世纪世纪70年代年代初研制成功的初研制成功的集成注入逻辑电路（集成注入逻辑电路（I2L）结构简单、功耗低，特结构简单、功耗低，特别适合于大规模集成电路的制造。别适合于大规模集成电路的制造。I2L发展速度快，在大规模和发展速度快

43、，在大规模和超大规模集成电路中得到广泛应用，例如单片机、电子表、电超大规模集成电路中得到广泛应用，例如单片机、电子表、电子琴等。子琴等。 I2 L门电路的主要特点门电路的主要特点 I2 L门电路门电路I2 L基本单元电路基本单元电路I0 T2的驱动电流由的驱动电流由T1集电极注入，故有注入集电极注入，故有注入逻辑之称。逻辑之称。（二）工作原理（二）工作原理1.当当A端接低电平端接低电平 0.1V时，时，T2截止，截止，I0从输入从输入端端A流出，流出，C1、C2和和C3输出高电平。输出高电平。2.当当A端接高电平或开路时，端接高电平或开路时，I0流入流入T2基极，基极，T2饱和导通，饱和导通，

44、C1、C2和和C3输出低电平。输出低电平。（一）（一）电路组成电路组成电路可简化为：电路可简化为： 多集电极晶体多集电极晶体管管T2，C1、C2和和C3之之间相互隔离。间相互隔离。 射极加正电压射极加正电压UE，构成恒流源构成恒流源I0。 电路的任何一电路的任何一个输出与输入之间个输出与输入之间都是非逻辑关系。都是非逻辑关系。逻辑符号逻辑符号输入：输入：A输出：输出：C1、C2、C3I2 L基本单元电路基本单元电路（一）（一）或非门或非门线与连接线与连接等效逻辑图等效逻辑图B AFA BI2 L基本单元电路基本单元电路（二）（二）与门与门线与连接线与连接BA F等效逻辑图等效逻辑图I2 L基本

45、单元电路基本单元电路（三）（三）与非门与非门 电源电源UE作作为输入信号为输入信号B使用使用 BAF等效逻辑图等效逻辑图 B为低电平时：为低电平时：T1截止，截止，无法向无法向T2的基极提供驱动电流，的基极提供驱动电流，故故T2也截止。由于负载门的作也截止。由于负载门的作用，输出用，输出F为高电平。为高电平。 当当A、B均为高均为高电平时，电平时，T1、T2导通，输出导通，输出F为低电平。为低电平。 I2 L门电路门电路逻辑功能：逻辑功能：CDABCDABF（四）与或非门（四）与或非门等效逻辑图等效逻辑图线与连接线与连接 1.结构简单，集成度高结构简单，集成度高 I2L电路中只包含电路中只包含

46、NPN和和PNP管，没有电阻，各单元之间管，没有电阻，各单元之间不需要隔离，工艺简单，节省芯片面积。其基本逻辑单元面积不需要隔离，工艺简单，节省芯片面积。其基本逻辑单元面积仅为仅为TTL的十分之一。的十分之一。 2. 低电压、微电流工作，功耗低低电压、微电流工作，功耗低 I2L电路能在电路能在0.8V、1nA/单元的情况下工作，是目前功耗单元的情况下工作，是目前功耗最低的集成电路。最低的集成电路。 3. 品质因数最佳品质因数最佳 I2L是目前功耗与速度二者之积的品质因数最好的电路。是目前功耗与速度二者之积的品质因数最好的电路。 4. 生产工艺简单生产工艺简单 常规的常规的TTL要经过六次光刻四

47、次扩散，要经过六次光刻四次扩散，I2L经过四次光刻两经过四次光刻两次扩散，工艺简单。次扩散，工艺简单。I2 L门电路主要特点门电路主要特点 1. 开关速度低开关速度低 I2L属于饱和型电路，限制了电路的开关速度，属于饱和型电路，限制了电路的开关速度，I2L反相反相器的传输时间器的传输时间tpd一般在一般在20ns30ns之间。之间。 2. 抗干扰能力差抗干扰能力差 I2L的逻辑摆幅仅的逻辑摆幅仅700mV左右，噪声容限左右，噪声容限UN不大于不大于250mV，低于低于ECL电路，抗干扰能力较差。电路，抗干扰能力较差。 3. 多片连接性能差多片连接性能差 多片多片I2L芯片一起使用时，由于各管子

48、输入特性的离散性，芯片一起使用时，由于各管子输入特性的离散性，基极电流分配不均，严重时电路无法正常工作。基极电流分配不均，严重时电路无法正常工作。 I2 L门电路主要缺陷门电路主要缺陷第五节第五节 NMOS逻辑门电路逻辑门电路 NMOS反相器反相器 前面介绍的前面介绍的TTL、ECL和和I2L采用的都是双极型晶体管，采用的都是双极型晶体管，两种载流子参与导电，称为两种载流子参与导电，称为双极型集成电路双极型集成电路。 本节介绍只有一种载流子参与导电的单极型逻辑门电路本节介绍只有一种载流子参与导电的单极型逻辑门电路- MOS集成电路集成电路。 MOS集成电路主要包括集成电路主要包括NMOS、PM

49、OS以及以及CMOS电路电路。电路具有以下特点：制造工艺简单、成品率高、功耗低、集。电路具有以下特点：制造工艺简单、成品率高、功耗低、集成度高、抗干扰能力强，适合大规模集成电路。成度高、抗干扰能力强，适合大规模集成电路。 NMOS门电路门电路MOS管的开关特性管的开关特性 数字逻辑电路中的数字逻辑电路中的MOS管均是增强型管均是增强型MOS管，特点如下：管，特点如下： 当当|UGS|UT| 时，管子导通，导通电阻很小，时，管子导通，导通电阻很小，D、S之间之间相相当开关闭合当开关闭合。 当当|UGS|UT| 时，管子截止，时，管子截止， D、S之间之间相当于开关断开相当于开关断开。NMOSPM

50、OSNMOS反相器反相器1. A输入高电平输入高电平UIH = 8V2. A输入低电平输入低电平U IL = 0.3V结论：结论：电路执行逻辑非功能。电路执行逻辑非功能。 T1、T2均导通，输出均导通，输出低电平低电平UOL0.3V。 T1截止、截止、T2导通，输导通，输出高电平出高电平UOH =UDD- -UT2= 8V。驱动管驱动管负载管负载管 设电源电压设电源电压UDD = 10V，开启电压开启电压UT1 = UT2 = 2V。NMOS门电路门电路驱动管驱动管串联串联负载管负载管 T1和和T2都导通，输出低电平。都导通，输出低电平。2. 当输入端有一个接低电平时，当输入端有一个接低电平时

51、， 与低电平相连的驱动管截止，输出与低电平相连的驱动管截止，输出高电平。高电平。 电路实现与非逻辑功能：电路实现与非逻辑功能：BAF 注意：注意：增加扇入，需增加串联驱动增加扇入，需增加串联驱动管的个数。管的个数。扇入过多，则低电平升高，扇入过多，则低电平升高，因此因此扇入一般不超过扇入一般不超过3。1. 当两个输入端当两个输入端A和和B均接高电平时，均接高电平时，01通通通通110止通1（一）NMOS与非门与非门10止通0NMOS门电路门电路驱动管驱动管并联并联负载管负载管 T1和和T2都截止，输出高电平。都截止，输出高电平。2. 当输入端有一个接高电平时，当输入端有一个接高电平时， 与高电

52、平相连的驱动管导通，与高电平相连的驱动管导通，输出低电平。输出低电平。电路实现或非逻辑功能：电路实现或非逻辑功能：BAF 增加扇入，增加并联驱动管的增加扇入，增加并联驱动管的个数。个数。扇入越多，输出低电平降低，扇入越多，输出低电平降低，因此因此MOS电路中多采用或非门。电路中多采用或非门。1. 当输入端当输入端A和和B均接低电平时，均接低电平时，10止止止止0（二）NMOS或非门或非门NMOS门电路门电路负载管负载管电路实现与或非逻辑功能：电路实现与或非逻辑功能：（三）NMOS与或非门与或非门 驱动管驱动管T1与与T2串联、串联、T3与与T4串联，然后再并联连串联，然后再并联连接。接。 CD

53、ABF CMOS反相器反相器 为提高工作速度，降低输出阻抗和功耗，目前广泛采用由为提高工作速度，降低输出阻抗和功耗，目前广泛采用由PMOS和和NMOS两管组成的互补型两管组成的互补型MOS电路，简称电路，简称CMOS电路电路。 其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路 CMOS门电路的改进型门电路的改进型 CMOS电路的特点电路的特点 CMOS门电路主要参数门电路主要参数 CMOS反相器反相器PMOSNMOS1. 输入低电平输入低电平UIL = 0V:UGS1UT1T1截止截止|UGS2|UT2 电路中电流近似为零，电路中电流近似为零，UDD主要降在主要降在T1，输出高电平，输出高电平UOHU

54、DD。T2导通导通2. 输入高电平输入高电平UIH=UDD T1通、通、T2止，止，UDD主要降在主要降在T2，输出低电平，输出低电平UOL0V。实现逻辑非功能：实现逻辑非功能：AF （一）（一）CMOS反相器组成及原理反相器组成及原理漏极相连漏极相连作输出端作输出端 两管特性对称，两管特性对称，NMOS管的衬底接到电路的最低电管的衬底接到电路的最低电位，位，PMOS管的衬底接到电管的衬底接到电路的最高电位。衬底与漏源路的最高电位。衬底与漏源间的间的PN结始终处于反偏。结始终处于反偏。柵极相连柵极相连作输入端作输入端 电源电压电源电压UDDUT1+|UT2|，UDD适用范围较大适用范围较大(3

55、18V)。 UT1：NMOS的开启电压的开启电压; UT2：PMOS的开启电压。的开启电压。CMOS反相器反相器（二）（二）CMOS反相器传输特性反相器传输特性AB段：由于段：由于UI=UGS1UT1，|UGS2| |UT2|，故故T1截止，截止，T2导导通。输出高电平通。输出高电平UOHUDD。CD段：段：UI=UGS1UT1，T1导通。导通。UIUDD|UT2|，则则|UGS2| |UT2|，T2截止。输出低电平截止。输出低电平UOL0V。 设 电 源 电 压设 电 源 电 压 UD DUT1+|UT2|，T1和和T2的参数对称，的参数对称，UT1=|UT2|。 UT1：NMOS的开启电压

56、的开启电压; UT2：PMOS的开启电压。的开启电压。BC段：由于段：由于UT1UIUDD|UT2|，所以所以UGS1 UT1，|UGS2| |UT2|，T1和和T2同时导通。同时导通。 DDTH21UU T1和和T2参数完全对称参数完全对称的情况下，的情况下，CMOS反相器反相器的阈值电压等于电源电压的阈值电压等于电源电压的一半，获得较大的噪声的一半，获得较大的噪声容限。转折区的变化率很容限。转折区的变化率很大，大，CMOS反相器更接近反相器更接近于理想开关特性。于理想开关特性。CMOS反相器反相器（三）（三）CMOS反相器噪声容限反相器噪声容限 在每个固定的在每个固定的UDD情况下，情况下

57、，UNL和和UNH始终相等。国产始终相等。国产4000系列系列CMOS电路的测试结果表电路的测试结果表明，明，UNL=UNH30%UDD。 随着电源电压随着电源电压UDD的的增加，噪声容限也相应地增加，噪声容限也相应地变大。为了提高变大。为了提高CMOS反反相器的噪声容限，可以适相器的噪声容限，可以适当提高电源电压当提高电源电压UDD 。 CMOS反相器反相器（四）（四）CMOS反相器传输延迟时间反相器传输延迟时间 CMOS反相器的输出电阻比反相器的输出电阻比TTL电路的输出电阻大，容性电路的输出电阻大，容性负载对前者传输延迟时间会产生更大的影响。负载对前者传输延迟时间会产生更大的影响。 CM

58、OS反相器的输出电阻与反相器的输出电阻与UIH （ UIHUDD ）有关，因此）有关，因此CMOS反相器的传输延迟时间与反相器的传输延迟时间与UDD有关。有关。 根据根据CMOS反相器的互补对称性可知，当反相器接容性负反相器的互补对称性可知，当反相器接容性负载时，它的导通延迟时间载时，它的导通延迟时间tPHL和截止延迟时间和截止延迟时间tPLH是相等的。是相等的。 CMOS反相器的平均传输延迟时间约为几十至一百反相器的平均传输延迟时间约为几十至一百ns。uI/uOuI/uOCCTG工作原理：工作原理：1. C为低电平：为低电平：T1、T2截止，传输截止，传输门相当于开关断开。门相当于开关断开。

59、CL上电压保上电压保持不变，持不变，传输门截止传输门截止。2. C为高电平：为高电平：T1、T2中至少有一中至少有一只管子导通，使只管子导通，使UO=UI，相当于开相当于开关闭合，关闭合，传输门导通传输门导通，可以传输，可以传输信息。信息。结论：传输门相当于一个理想的双向开关。结论：传输门相当于一个理想的双向开关。其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路（一）CMOS传输门（传输门（TG） CMOS传输门与传输门与CMOS反相器一样，也是构成各种反相器一样，也是构成各种逻辑电路的一种基本单元电逻辑电路的一种基本单元电路。路。 组成：组成：T1是是NMOS管，管，T2是是PMOS管，开启电压分别

60、为管，开启电压分别为UT1、UT2，设设UDD（UT1+|UT2|），），T1和和T2的参数对称。有一对互补的的参数对称。有一对互补的电压控制信号，电压控制信号，CL为负载电容。为负载电容。信号特点：信号特点：CMOS传输门的传输门的输出与输入端可以互换。一输出与输入端可以互换。一般输入电压变化范围为般输入电压变化范围为0UDD，控制控制电压为电压为0或或UDD。 逻辑符号逻辑符号门控信号门控信号 传输门的导通电阻为传输门的导通电阻为几 百 欧 ， 截 止 电 阻 达几 百 欧 ， 截 止 电 阻 达50M以上，平均延迟时以上，平均延迟时间为几十至一二百间为几十至一二百ns。 电路结构：电路结