数字电路逻辑设计_第三章

1、数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计第三章第三章 集成逻辑门集成逻辑门西安邮电学院西安邮电学院“校级优秀课程校级优秀课程”第三章第三章 集成逻辑门集成逻辑门目的与要求：目的与要求： 了解半导体二极管、三级管和了解半导体二极管、三级管和MOSMOS的开关特性；的开关特性； 掌握掌握TTLTTL门电路和门电路和CMOSCMOS门电路的基本工作原理和外特性；门电路的基本工作原理和外特性； 熟悉熟悉TTLTTL门电路和门电路和CMOSCMOS门电路的主要参数，掌握门电路门电路的主要参数，掌握门电路 的正确使用。的正确使用。重点与难点：重点与难点： TTLTTL门电路和门电路和CMOSCMOS门电路的外

2、特性。门电路的外特性。 第三章第三章 集成逻辑门集成逻辑门 3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 3.2 TTL3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门 3.3 MOS3.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路 3.4 CMOS3.4 CMOS电路电路3.1.13.1.1晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性(a) (a) 二极管符号表示二极管符号表示 (b) (b) 二极管伏安特性二极管伏安特性 二极管符号表示及伏安特性二极管符号表示及伏安特性 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性注意 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性1 1二极管的稳态开关特性二极管的稳态开关特性(1

3、)(1)加正向电压加正向电压V VF F时，二极管导通，管压降时，二极管导通，管压降V VD D可忽略。可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。二极管相当于一个闭合的开关。（a a）二极管正向导通电路）二极管正向导通电路 （b b）二极管正向导通等效电路）二极管正向导通等效电路 外加正向电压的情况外加正向电压的情况 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性(2)(2)加反向电压加反向电压V VR R时，二极管截止，反向电流时，二极管截止，反向电流I IS S可忽略。可忽略。二极管相当于一个断开的开关。二极管相当于一个断开的开关。（b b）二极管反向截至等效电路）二极管反向截至等效电路可见，二

4、极管在电路中表现为一个受外加电压控制的开关。可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压控制的开关。（a a）二极管反向截至电路）二极管反向截至电路 外加反向电压的情况外加反向电压的情况 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性2 2二极管的动态开关特性二极管的动态开关特性电路处于瞬变状态下晶体管的开关特性称为动态开关特性。电路处于瞬变状态下晶体管的开关特性称为动态开关特性。 二极管的反向恢复过程二极管的反向恢复过程 二极管的动态开关特性二极管的动态开关特性 t tS S称为存储时间，称为存储时间，t tt t称为渡越时间，称为渡越时间，t trere=t=ts s+t+tt t称为反向恢复

5、时间称为反向恢复时间 ，反向恢复时间反向恢复时间t trere就是存储电荷消散所需要的时间。就是存储电荷消散所需要的时间。 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性3.1.23.1.2晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性 1. 1. 三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性（a a）基本单管共射电路）基本单管共射电路 （b b）单管共射电路传输特性）单管共射电路传输特性 基本单管共发射极电路基本单管共发射极电路晶体三极管工作于截晶体三极管工作于截止区时，内阻很大，止区时，内阻很大，相当于开关断开。相当于开关断开。 工作于饱和区时，内阻工作于饱和区时，内阻很低，相当于开关接通很低，相当于开

6、关接通状态。状态。放大区：管子有放大放大区：管子有放大能力，能力，iC=iBiC=iB 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性2 2三极管瞬态开关特性三极管瞬态开关特性晶体三极管截止和饱和两种工作状态之间的转换需要时间。晶体三极管截止和饱和两种工作状态之间的转换需要时间。 1 1）晶体三极管的开启时间）晶体三极管的开启时间t tonon：三极管从截止向饱和状态：三极管从截止向饱和状态转换的时间。由延迟时间转换的时间。由延迟时间t td d和上升时间和上升时间t tr r组成，即组成，即t tonon=t=td d+t+tr r。2 2）晶

7、体三极管的关闭时间）晶体三极管的关闭时间t toffoff ：三极管从饱和向截止状：三极管从饱和向截止状态转换的时间。由存储时间态转换的时间。由存储时间t ts s与下降时间与下降时间t tf f组成，即组成，即t toffoff=t=ts s+t+tf f。 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 t0tVIv1v2icIC E OIC EIC S0 .9IC SIC S0.1（ a ）（ b ）（ c ）ttrtdtstf 晶体管内部电荷建立和消失过程晶体管内部电荷建立和消失过程延迟时间延迟时间tdtd：从：从输入信号正跃变输入信号正跃变瞬间开始，到集瞬间开始，到集电极电流电极电流

8、icic上升上升到到0.1Ics0.1Ics所需的所需的时间。时间。 上升时间上升时间 trtr：集电：集电极电流极电流icic从从0.1Ics0.1Ics开开始，上升到始，上升到0.9Ics0.9Ics所所需的时间需的时间 下降时间下降时间tf tf ：晶体三极管晶体三极管的集电极电的集电极电流流icic从从0.9Ics0.9Ics开始，开始，下降到下降到0.1Ics0.1Ics所需所需要的时间要的时间 存储时间存储时间tsts：从输入：从输入信号信号ViVi负跳变瞬间开负跳变瞬间开始，到集电极电流始，到集电极电流icic下降至下降至0.9Ics0.9Ics所需的所需的时间时间 3.13.1

9、 晶体管的开关特性晶体管的开关特性3.1.33.1.3关于高低电平的概念及状态赋值关于高低电平的概念及状态赋值1. 1. 关于高低电平的概念关于高低电平的概念 电位指绝对电压的大小，电平指一定的电压范围。电位指绝对电压的大小，电平指一定的电压范围。 高电平和低电平在数字电路中分别表示两段电压范围。高电平和低电平在数字电路中分别表示两段电压范围。 例：电路中规定高电平为例：电路中规定高电平为3V3V，低电平为，低电平为0.7V0.7V。 TTLTTL电路中通常规定高电平的额定值为电路中通常规定高电平的额定值为3V3V， 但从但从2V2V到到5V5V都算高电平；低电平的额定值为都算高电平；低电平的

10、额定值为0.3V0.3V， 但从但从0V0V到到0.8V0.8V都算做低电平。都算做低电平。 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性2. 2. 逻辑状态赋值逻辑状态赋值 在数字电路中，用逻辑在数字电路中，用逻辑1 1和逻辑和逻辑0 0分别表示输入、输出高电平分别表示输入、输出高电平 和低电平的过程称为逻辑赋值。和低电平的过程称为逻辑赋值。 3.13.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性3.2.13.2.1 TTL TTL逻辑门电路逻辑门电路1. TTL1. TTL与非门电路与非门电路输入级是由多发射极输入级是由多发射极晶体管晶体管T1T1和电阻和电阻R1R1组组成的一个与门，其功成的一

11、个与门，其功能是实现输入逻辑变能是实现输入逻辑变量量A A、B B、C C的与运算。的与运算。 中间级是由中间级是由T2T2、R2R2及及R3R3组组成的一个电压分相器，它成的一个电压分相器，它在在T2T2的发射极与集电极上的发射极与集电极上分别得到两个相位相反的分别得到两个相位相反的电压信号，用来控制输出电压信号，用来控制输出级晶体管级晶体管T3T3和和T4T4的工作状的工作状态，使它们轮流导通。态，使它们轮流导通。 是由是由 T3T3、D4D4、T4T4和和R4R4构成的一个构成的一个非门。输出非门。输出级采用的推级采用的推挽结构，使挽结构，使T3T3、T4T4轮流轮流导通导通 （1 1）

12、电路组成）电路组成 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门（2 2） 功能分析功能分析输入端至少有一个低电平输入端至少有一个低电平( (V VILIL=0.3V)=0.3V)T T1 1的基极电位的基极电位v vB1B1= =v vBE1BE1+ +V VILIL=1V=1VT T2 2和和T T4 4处于截止状态处于截止状态 T T1 1处于深饱和状态，处于深饱和状态，v vC1C1= =V VILIL+ + V VCECE（sat1sat1）0.4V0.4VOHDbeccOVVVVVvvVv6 . 37 . 07 . 0543输出高电平，与非门处于关闭状态。输出高电平，与非门处

13、于关闭状态。T T3 3和和D D4 4处于导通状态处于导通状态 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门T T1 1管处于倒置工作状态。管处于倒置工作状态。T T2 2和和T T4 4处于饱和状态。处于饱和状态。 输入端全部接高电平输入端全部接高电平( (V VIHIH=3.6V)=3.6V)输出电压输出电压v vO O为：为： V VO O = =V VCES4CES40.3V=0.3V=V VO O输出低电平，与非门处于开门状态输出低电平，与非门处于开门状态T T3 3、D D4 4处于截止状态。处于截止状态。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门由此可见，电路的

14、输出和输入之间满足与非逻辑关系。由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系。 CBAF在两种工作状态下，各晶体管工作情况如表所示：在两种工作状态下，各晶体管工作情况如表所示：TTLTTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态输输 入入T T1 1T T2 2T T3 3D D4 4T T4 4输输 出出与与非非门门状状态态全部为高全部为高电位电位倒置工倒置工作作饱饱和和截截止止截截止止饱饱和和低电低电平平V VOLOL开开门门至少一个至少一个低电位低电位深饱和深饱和截截止止导导通通导导通通截截止止高电高电平平V VOHOH关关门门 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门推拉输出电

15、路的主要作用是提高带负载能力。推拉输出电路的主要作用是提高带负载能力。当电路处于当电路处于关态时，输出级工作于射极输出状态，呈现低阻抗输出；当电关态时，输出级工作于射极输出状态，呈现低阻抗输出；当电路处于开态时，路处于开态时，T T4 4处于饱和状态，输出电阻也很低。因此在稳处于饱和状态，输出电阻也很低。因此在稳态时，电路均具有较低的输出阻抗，大大提高了带负载能力。态时，电路均具有较低的输出阻抗，大大提高了带负载能力。推拉输出电路和多发射极晶体管大大提高了电路的开关速推拉输出电路和多发射极晶体管大大提高了电路的开关速度。度。一般一般TTLTTL与非门的平均延迟时间可以缩短到几十纳秒。与非门的平

16、均延迟时间可以缩短到几十纳秒。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门(3)(3)推拉输出电路和多发射极晶体管的作用推拉输出电路和多发射极晶体管的作用3.2.2 TTL3.2.2 TTL与非门的主要外部特性与非门的主要外部特性1.1.TTLTTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性输出电压跟随输入电压变化的输出电压跟随输入电压变化的关系曲线关系曲线, ,即即v vO=O=f f( (v vI I) )截止区：截止区：T2,T4T2,T4截止截止 线性区：线性区：T2T2处于处于放大状态放大状态 转折区：转折区：T3T3、D4D4截止，截止，T4T4进入饱进入饱和状态。和状态。

17、饱和区：饱和区：T2T2、T4T4饱和饱和 重要参数：重要参数： （1 1）输出高电平）输出高电平V VOHOH和输出低电平和输出低电平V VOLOL TTL TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性在电压传输特性曲线截止区的在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平输出电压为输出逻辑高电平V VOHOH，饱和区的输出电压为输出逻辑饱和区的输出电压为输出逻辑低电平低电平V VOLOL。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门（2) 2) 逻辑摆幅逻辑摆幅VV 典型典型TTLTTL逻辑门的逻辑摆幅逻辑门的逻辑摆幅V= 3.6 V-0.3 V = 3.3 VV= 3.6

18、V-0.3 V = 3.3 V。 （3 3）开门电平）开门电平V Vonon和关门电平和关门电平V Voffoff 及阈值电压及阈值电压V Vthth。 开门电平开门电平V Vonon：保证输出为额定：保证输出为额定 低电平时，所允许输入高电平的低电平时，所允许输入高电平的 最低值最低值 关门电平关门电平V Voffoff：保证输出电平为：保证输出电平为 额定高电平的额定高电平的90%90%时时, ,允许输入低允许输入低 电平的最大值电平的最大值 阈值电压阈值电压V Vthth：指电压传输特性上：指电压传输特性上 转折区中点所对应的输入电压转折区中点所对应的输入电压 3.2 3.2 TTL T

19、TL集成逻辑门集成逻辑门（4 4）噪声容限）噪声容限V VNLNL、V VNH NH 0VOLVILVOFFVONVIHVIVOH3.6 VVOVNHVNL低电平噪声容限：低电平噪声容限：V VNLNL=V=Voffoff -V -VILIL 高电平噪声容限：高电平噪声容限： V VNHNH= V= VIHIH -V -Vonon 抗干扰容限用来表征逻辑门的抗干扰能力，一旦干扰抗干扰容限用来表征逻辑门的抗干扰能力，一旦干扰电平超过抗干扰容限，逻辑门将不能正常工作。电平超过抗干扰容限，逻辑门将不能正常工作。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门2. 2. 输入特性输入特性输入电流与

20、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i iI I= =f(vf(vI I) ) （2 2）输入漏电流）输入漏电流I IIH IH 输入特性曲线输入特性曲线（1 1）输入短路电流）输入短路电流I IISIS 输入端接地时流经输入端的电流输入端接地时流经输入端的电流 当当v vI IV Vthth时的输入电流称为输入漏电流，其数值很小。时的输入电流称为输入漏电流，其数值很小。 输入电流输入电流i iI I以流出以流出T T1 1发射极方向为正。发射极方向为正。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门3. 3. 输入负载特性输入负载特性 TTL TTL与非门输入

21、负载与非门输入负载将逻辑门的一个输入端通过电阻将逻辑门的一个输入端通过电阻R Ri i接地，逻辑门的其余输入端接地，逻辑门的其余输入端悬空，则有电源电流从该输入端流向悬空，则有电源电流从该输入端流向R Ri i，并在，并在R Ri i上产生压降上产生压降V VI I 当当R Ri i小于小于R R0ff0ff时输入为低电平时输入为低电平; ;当当R Ri i高于高于R Ronon时输入为高电平。时输入为高电平。典型典型TTLTTL与非门选取输入端接地电阻时与非门选取输入端接地电阻时 R Roffoff0.9k, R0.9k, Ronon3k3k。由于由于R Ri i的存在使输入低电平提高的存在

22、使输入低电平提高, ,从而削弱了电路的抗干扰能力。从而削弱了电路的抗干扰能力。注意：注意： 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门4. 4. 输出特性输出特性 TTLTTL与非门的输出特性反映了输出电压和输出电流的关系与非门的输出特性反映了输出电压和输出电流的关系 （1 1）与非门处于开态时：此时）与非门处于开态时：此时T T4 4饱和，输出低电平，饱和，输出低电平，输出电流输出电流i iL L从负载流进从负载流进T T4 4，形成灌电流。，形成灌电流。 TTL TTL与非门输出低电平的输出特性与非门输出低电平的输出特性 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门（2 2）

23、与非门处于关态时：此时）与非门处于关态时：此时T T4 4截止，截止，T T3 3、D D4 4导通，导通， 输出高电平输出高电平 , ,负载电流为拉电流负载电流为拉电流 TTLTTL与非门输出高电平时的输出特性与非门输出高电平时的输出特性 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门5 5、TTLTTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力（1 1）灌电流负载）灌电流负载+V+V13D12312313截止3饱和CC（ +5V）TTR截止4c4RCC4Kb1b14KR输出低电平IILIILIOLC3I=当驱动门输出低电平时当驱动门输出低电平时, ,把允许灌把允许灌入输出端的电流定义为输出低

24、电平入输出端的电流定义为输出低电平电流电流I IOLOL, ,产品规定产品规定I IOLOL=16mA =16mA ILOLOLIINN NOLOL称为输出低电平时的扇出系数称为输出低电平时的扇出系数 扇入系数是指合格的输入端的个数；扇入系数是指合格的输入端的个数；扇出系数是指逻辑门扇出系数是指逻辑门输出端最多能驱动同类门的个数。输出端最多能驱动同类门的个数。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门（2 2）拉电流负载）拉电流负载当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出，当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平把允许拉出输出端的电流定义为输出高电

25、平电流电流I IOHOH。产品规定产品规定I IOHOH=0.4mA=0.4mA。 +V+V1231312313DRCCR3导通b14K截止T（+5V）b1Tc4R4CC4K导通输出高电平IIHIIHOHE4=IIIHOHOHIINN NOHOH称为输出高电平时的扇出系数。称为输出高电平时的扇出系数。 一般一般N NOLOLN NOHOH，常取两者中的较小值作为门电路的，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用扇出系数，用N NO O表示。表示。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流I IO

26、LmaxOLmax后，则可求出驱动门的扇出系数后，则可求出驱动门的扇出系数N NO O： ISLOOIINmax I IISIS为为TTLTTL与非门的输入短路电流与非门的输入短路电流 逻辑门输出低电平时的扇出系数一般小于输出高电平时的扇逻辑门输出低电平时的扇出系数一般小于输出高电平时的扇出系数，因此，逻辑门的负载能力应以输出低电平时的扇出出系数，因此，逻辑门的负载能力应以输出低电平时的扇出系数为准。系数为准。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门6. 6. 平均延迟时间平均延迟时间t tpdpdt tpdpd表示输出信号滞后于输入信号的时间表示输出信号滞后于输入信号的时间 TT

27、L TTL与非门的平均延迟时间与非门的平均延迟时间 )(21PLHPHLpdttt定义：定义：导通延迟导通延迟时间时间 截止延迟截止延迟时间时间 一般一般TTLTTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间t tpdpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门7 7电源特性电源特性平均功耗和动态尖峰电流平均功耗和动态尖峰电流（1 1） 功耗是指逻辑门消耗的电源功率，常用空载功耗来表征。功耗是指逻辑门消耗的电源功率，常用空载功耗来表征。 平均功耗为：平均功耗为： )(21HLPPP逻辑门输出低电平时的功耗称为空载导通功耗逻辑门输出低电平时的

28、功耗称为空载导通功耗P PL L，典型，典型数值约为数值约为16mW16mW。逻辑门输出高电平时的功耗称为空载截止功耗逻辑门输出高电平时的功耗称为空载截止功耗P PH H ，典型，典型数值约为数值约为5mW5mW。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门（2 2）电源的动态尖峰电流）电源的动态尖峰电流在动态情况下在动态情况下, ,特别是当输出电平由低突然变为高的过渡过特别是当输出电平由低突然变为高的过渡过程中程中, ,在某个瞬间在某个瞬间, ,会使门电路中的所有管子均导通会使门电路中的所有管子均导通, ,使电源使电源电流出现尖峰脉冲电流出现尖峰脉冲. .尖峰电流有时可达尖峰电流有时

29、可达40mA40mA。电源的动态尖峰电流引起的后果电源的动态尖峰电流引起的后果: : 使电源的平均电流加大使电源的平均电流加大. .而且而且, ,工作频率越高工作频率越高, ,平均电流平均电流增加越多增加越多; ;电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻, ,形成系统内形成系统内 部的噪声源。部的噪声源。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门3.2.3 TTL3.2.3 TTL其它门电路其它门电路TTLTTL其它门电路其它门电路非门非门或非门或非门集电极开路门（集电极开路门（OCOC）三态输出门等三态输出门等 3.2 3.2 TTL TTL集成

30、逻辑门集成逻辑门除了除了TTLTTL与非门，还有一些与非门，还有一些TTLTTL的其它门电路。的其它门电路。1.TTL1.TTL非门非门L L+V+V1 12 23 31 12 23 3D D1 12 23 31 13 3A AT TT TT T1 12 23 3R Re2e21 1A AL=AL=A(a)(a)(b)(b)R Rc2c2R RCCCCR RT Tc4c4b1b14 4请大家自行分析一下非门的工作原理！请大家自行分析一下非门的工作原理！ 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门2.TTL2.TTL或非门或非门TTLTTL或非门电路或非门电路 T T1 1和和T T1

31、1为输入级；为输入级；T T2 2和和T T2 2的两个集电极的两个集电极并接，两个发射极并接，并接，两个发射极并接，构成中间级；构成中间级；T T3 3、D D4 4和和T T4 4构成推拉式输出级。构成推拉式输出级。 输入端全部为低电平时，输入端全部为低电平时，输出高电平，有一个或输出高电平，有一个或两个为高电平输入时，两个为高电平输入时，输出就为低电平，该电路输出就为低电平，该电路实现或非逻辑功能。实现或非逻辑功能。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门TTLTTL或非门具体工作状态如表所示：或非门具体工作状态如表所示：输入（输入（A A，B B）T1T1T1T1T2T2T

32、2T2T3T3D4D4T4T4输出输出A=LA=L，B=LB=L饱和饱和饱和饱和截止截止截止截止导通导通导通导通截止截止H HA=LA=L，B=HB=H饱和饱和倒置倒置截止截止导通导通截止截止截止截止饱和饱和L LA=HA=H，B=LB=L倒置倒置饱和饱和导通导通截止截止截止截止截止截止饱和饱和L LA=HA=H，B=HB=H倒置倒置倒置倒置导通导通导通导通截止截止截止截止饱和饱和L L 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门3.TTL3.TTL异或门异或门V VCCCCT T9 9T T8 8D DT T6 6Y YTTLTTL异或电路异或电路B BA AT T2 2T T3 3

33、T T7 7T T4 4T T5 5T T1 1p px xy yABp BAx xpy BABABAABBAxpyY 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门4.4.集电极开路的集电极开路的TTLTTL与非门（与非门（OCOC门）门）& &A AB BF F逻辑符号逻辑符号R R1 1D D1 1F FV Vcccc(5V)(5V)1.6k1.6kR R2 24k4kR R3 31k1kD D2 2A AB BT T1 1T T2 2T T5 5输入极输入极中间极中间极输出极输出极(a) (a) 电路电路 (b) (b)国标符号国标符号 3.2 3.2 TTL TT

34、L集成逻辑门集成逻辑门& & &V VCCCCR RA AB BC CD DF=AB CDF=AB CD =AB+CD =AB+CD上上电电说明说明: :普通的普通的TTLTTL电路不能将输出端连在电路不能将输出端连在一起一起, ,输出端连在一起输出端连在一起, ,可能使电路形可能使电路形成低阻通道成低阻通道, ,使电路因电流过大而烧使电路因电流过大而烧毁毁; ; 由于由于OCOC门的集电极是开路的门的集电极是开路的, ,要实现正常要实现正常 的逻辑功能的逻辑功能, ,需外加需外加上拉电阻。上拉电阻。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门 5. 5. 三态

35、输出门三态输出门(TS(TS门门) ) 三态门三态门( (TSLTSL门门) )的输出有三个状态的输出有三个状态, ,即即: : 0 0, ,1 1和和高阻高阻, ,在使用中在使用中, ,由控制端由控制端ENEN( (称使能控制端称使能控制端) )来控制电路的输出状来控制电路的输出状态。态。( (a a) ) 电路电路 ( (b b) )国标符号国标符号 A AB BENENF FENEN& &1)1) 当当EN=1EN=1时时, ,P=1P=1, ,二二 极管截止极管截止, ,电路等电路等效为普通与非门。效为普通与非门。2)2)当当EN=0EN=0, ,P=0P=0, ,T

36、T4 4 和和T T5 5均截止均截止, ,输输 出高阻态出高阻态“Z”Z”。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门三态门的应用三态门的应用（a a）组成单向总线，）组成单向总线，实现信号的分时单向传送实现信号的分时单向传送。AEN&BAEN&BAEN&BENENEN111222333总线G1G2G3（b b）组成双向总线，）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。EN1总线DDIO1EN/IDDOGG12EN在总线结构中，任一时刻仅允许一个门工作在总线结构中，任一时刻仅允许一个门工作; ;输出并接，与输出并接，与OCOC门的并接不同

37、；不需外接负门的并接不同；不需外接负载电阻，工作速度较快。载电阻，工作速度较快。注意注意 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门3.2.4 TTL3.2.4 TTL门电路的改进门电路的改进为了提高工作速度，降低功耗，提高抗干扰能力，为了提高工作速度，降低功耗，提高抗干扰能力，各生产厂家对门电路作了多次改进。各生产厂家对门电路作了多次改进。1.741.74系列系列为为TTLTTL集成电路的集成电路的早期产品，属中速早期产品，属中速TTLTTL器件。器件。2 274L74L系列系列为低功耗为低功耗TTLTTL系系列，又称列，又称LTTLLTTL系列。系列。3 374H74H系列系列为高

38、速为高速TTLTTL系列。系列。4 474S74S系列系列为肖特基为肖特基TTLTTL系系列，进一步提高了速度，如图示。列，进一步提高了速度，如图示。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门5 574LS74LS系列系列为低功耗肖特基系列。为低功耗肖特基系列。6 674AS74AS系列系列为先进肖特基系列，它是为先进肖特基系列，它是74S74S系系列的后继产品。列的后继产品。7 774ALS74ALS系列系列为先进低功耗肖特基系列，是为先进低功耗肖特基系列，是74LS74LS系列的后继产品。系列的后继产品。此外，还有各种此外，还有各种CT 54CT 54系列的系列的TTLTTL门电

39、路，其电路结构和门电路，其电路结构和电气性能参数与电气性能参数与CT 74CT 74系列相同，但比系列相同，但比7474系列的工作温度系列的工作温度范围更宽，电源允许的工作范围也更大。范围更宽，电源允许的工作范围也更大。 3.2 3.2 TTL TTL集成逻辑门集成逻辑门3.3.1 MOS3.3.1 MOS晶体管晶体管1 1N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管的输出特性和阈值电压管的输出特性和阈值电压（a a）结构示意图）结构示意图 （b b）符号）符号 N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS场效应管场效应管 3.3 MOS3.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路N N沟道沟道MOSMOS管输出

40、特性曲线管输出特性曲线非饱和区：沟道预夹断前对应的工作区非饱和区：沟道预夹断前对应的工作区 饱和区：饱和区：v vGSGS V VGS(thGS(th）后，后，随着随着v vDSDS的增加，靠近的增加，靠近D D区区的导电沟道变窄的导电沟道变窄 截止区：截止区：i iDSDS =0 =0以下的工作区域以下的工作区域 MOSMOS管作为开关使用时，基本交替工作在截止和导通状态。管作为开关使用时，基本交替工作在截止和导通状态。当当v vGSGS大于管子的开启电压（或阈值电压）大于管子的开启电压（或阈值电压）V VTNTN时，时，N N沟道管沟道管开始导通。开始导通。 3.3 MOS3.3 MOS逻

41、辑门电路逻辑门电路2 2增强型增强型NMOSNMOS管的转移特性曲线管的转移特性曲线转移特性曲线反映了当转移特性曲线反映了当v vDSDS为常数时，为常数时，v vGSGS对对i iDSDS的控制作用的控制作用 当当v vGSGS V V VGS(th)NGS(th)N后，后，在在v vDSDS作用下形成作用下形成i iDSDS电流电流 N N沟道沟道MOSMOS管转移特性管转移特性3.3 MOS3.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路3. MOS3. MOS管分类管分类 MOSMOS管按其沟道和工作类型可分为四种管按其沟道和工作类型可分为四种 MOSMOS管管N N沟道增强型沟道增强型(enhan

42、cement type NMOS)(enhancement type NMOS) P P沟道增强型沟道增强型(enhancement type PMOS)(enhancement type PMOS) N N沟道耗尽型沟道耗尽型(depletion type NMOS)(depletion type NMOS) P P沟道耗尽型沟道耗尽型(depletion type PMOS)(depletion type PMOS) 由于由于NMOSNMOS管沟道中的载流子是电子，其迁移率较高，管沟道中的载流子是电子，其迁移率较高，工作速度较快，因而目前工作速度较快，因而目前NMOSNMOS管应用十分广泛

43、管应用十分广泛 由于空穴载流子的迁移率约为电子迁移率的一半，由于空穴载流子的迁移率约为电子迁移率的一半，故故PMOSPMOS管的工作速度较管的工作速度较NMOSNMOS管的工作速度低。管的工作速度低。 P P沟道耗尽型场效应管较难于制造，沟道耗尽型场效应管较难于制造，在数字集成电路中很少使用。在数字集成电路中很少使用。3.3 MOS3.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.3.2 MOS3.3.2 MOS反相器反相器MOSMOS反相器分类反相器分类电阻负载电阻负载MOSMOS电路电路E/E MOSE/E MOS（增强型（增强型/ /增强型增强型MOSMOS）反相器）反相器 E/D MOSE/D M

44、OS（增强型（增强型/ /耗尽型耗尽型MOSMOS）反相器）反相器 CMOSCMOS（Complementary MOSComplementary MOS）反相器）反相器 CMOSCMOS电路的工作速度高，功耗小，并且可用正电源，电路的工作速度高，功耗小，并且可用正电源，便于和便于和TTLTTL电路连接，下面我们着重讨论电路连接，下面我们着重讨论CMOSCMOS逻辑门。逻辑门。 3.3 MOS3.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 3.4.1 CMOS3.4.1 CMOS反相器反相器 CMOSCMOS反相器由一个反相器由一个P P沟道增强型沟道增强型MO

45、SMOS管和一个管和一个N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管串联组成。通常管串联组成。通常P P沟道管沟道管作为负载管，作为负载管，N N沟道管作为输入管。沟道管作为输入管。G1G2S2S1PTNTIvDDVOv两个两个MOSMOS管的开启电压管的开启电压V VG S ( t h ) PG S ( t h ) P000，通常为了保证正常工作，要，通常为了保证正常工作，要求求V VDDDD|V VGS(th)PGS(th)P|+|+V VGS(th)NGS(th)N。下面分析一下下面分析一下CMOSCMOS反相器电路工作原理反相器电路工作原理 若若输入输入v vI I为高电平为高电平( (如

46、如V VDDDD) )，则输入管导通，则输入管导通，负载管截止，输出电压接近负载管截止，输出电压接近0V0V，即，即输出低电平。输出低电平。 若若输入输入v vI I为低电平为低电平( (如如0V)0V)，则负载管导通，则负载管导通，输入管截止，输出电压输入管截止，输出电压v vO O= =V VOHOHV VDDDD, ,即即输出输出高电平。高电平。 综上分析，可见该电路实现了综上分析，可见该电路实现了“非逻辑非逻辑”功能。功能。 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 3.4.2 CMOS3.4.2 CMOS反相器的主要特性反相器的主要特性 1.1.电压传输特性和电流传输特性电压传输特

47、性和电流传输特性vIvOVDDA BVDD21VTNVTPVDD21VDD0DC电压特性曲线大致分为电压特性曲线大致分为ABAB、 BCBC、CDCD三个阶段。三个阶段。 ABAB段：段：v vI IV VTNTN，即，即输入为低电平输入为低电平时，时，v vGS1GS1VTNVTN，|vGS2|vGS2| |V VTPTP| |，T TN N截止，截止，T TP P导通，导通，v vO O= =V VOHOHV VDDDD，输出高电平。输出高电平。 CDCD段：段：v vI IV VDDDD-|-|V VTPTP| |，即，即输入为高电平输入为高电平时，时，T TN N导通，导通，| |v

48、vGS2GS2| | |V VTPTP| |，T TP P截止，截止，v vO O= =V VOLOL00，输出为低电平。输出为低电平。 CMOSCMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 vIvOVDDA BVDD21VTNVTPVDD21VDD0DCCMOSCMOS反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性 BCBC段：段：V VTNTNv vI I( (V VDDDD-|-|V VTPTP|)|)，此时，此时由于由于v vGS1GS1V VTNTN，v vGS2GS2| |V VTPTP| |，故，故T TN N、T TP P均导通。若均导

49、通。若T TN N、T TP P的参数对称，则的参数对称，则v vI I=1/2=1/2V VDDDD时两管导通内阻相等，时两管导通内阻相等，v vO O=1/2=1/2V VDDDD BCBC段特性曲线很陡，可见段特性曲线很陡，可见CMOSCMOS反相反相器的传输特性接近理想开关特性，器的传输特性接近理想开关特性，因而其噪声容限大，抗干扰能力强。因而其噪声容限大，抗干扰能力强。 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 vIiDABVTNVTPVDD21VDD0CDCMOSCMOS反相器的电流传输特性反相器的电流传输特性 CMOSCMOS反相器的电流传输特性如图所示反相器的电流传输特性如图

50、所示 CMOSCMOS反相器的电流传输特性曲线，反相器的电流传输特性曲线，只在工作区只在工作区BCBC段时，由于负载管段时，由于负载管和输入管都处于饱和导通状态，和输入管都处于饱和导通状态，会产生一个较大的电流。会产生一个较大的电流。其余情况下，电流都极小。其余情况下，电流都极小。 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 CMOSCMOS反相器具有如下特点：反相器具有如下特点：(1)(1)静态功耗极低。静态功耗极低。在稳定时，在稳定时，CMOSCMOS反相器工作总有一个反相器工作总有一个MOSMOS管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。管处于截止状态，流过的电流为极小的漏电流。(2)(

51、2)抗干扰能力较强。抗干扰能力较强。由于其阈值电平近似为由于其阈值电平近似为0.50.5V VDDDD，输入信，输入信号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平号变化时，过渡变化陡峭，所以低电平噪声容限和高电平噪声容限近似相等，随电源电压升高，抗干扰能力增强。噪声容限近似相等，随电源电压升高，抗干扰能力增强。(3) (3) 电源利用率高。电源利用率高。V VOHOH= =V VDDDD，同时由于阈值电压随，同时由于阈值电压随V VDDDD变化而变化而变化，所以允许变化，所以允许V VDDDD有较宽的变化范围，一般为有较宽的变化范围，一般为+3+3+18V+18V。(4) (4) 输入阻

52、抗高，带负载能力强。输入阻抗高，带负载能力强。 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 输入特性和输出特性输入特性和输出特性(1) (1) 输入特性输入特性为了保护栅极和衬底之间的栅为了保护栅极和衬底之间的栅氧化层不被击穿，氧化层不被击穿，CMOSCMOS输入端输入端都加有保护电路。都加有保护电路。由于二极管的钳位作用，使得由于二极管的钳位作用，使得MOSMOS管在正或负尖峰脉冲作用管在正或负尖峰脉冲作用下不易发生损坏。下不易发生损坏。考 虑 输 入 保 护 电 路 后 ，考 虑 输 入 保 护 电 路 后 ， CMOSCMOS反相器的输入特性如图所反相器的输入特性如图所示。示。 CMOS

53、 CMOS输入保护电路输入保护电路v vO OV VDDDDT TP PT TN Nv vI IC C1 1D D2 2N N D D1 1 D D1 1C C2 2P PP PP PN NR R CMOS CMOS反相器输入特性反相器输入特性v vI IO OV VDDDDi iI I1V1V 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 (2) (2) 输出特性输出特性a. a. 低电平输出特性低电平输出特性当输入当输入v vI I为高电平时，负为高电平时，负载管截止，输入管导通，负载载管截止，输入管导通，负载电流电流I IOLOL灌入输入管，如图所示。灌入输入管，如图所示。灌入的电流就是灌

54、入的电流就是N N沟道管的沟道管的i iDSDS，输出特性曲线如图所示。输出特性曲线如图所示。输出电阻的大小与输出电阻的大小与v vGSNGSN( (v vI I) )有关，有关，v vI I越大，输出电阻越小，越大，输出电阻越小，反相器带负载能力越强。反相器带负载能力越强。v vO O= =V VOLOLV VDDDDT TN NR RL Lv vI I= =V VDDDDT TP PI IOLOL 输出低电平等效电路输出低电平等效电路输出低电平时输出特性输出低电平时输出特性V VOLOL( (v vDSNDSN) )O OI IOLOL( (i iDSNDSN) )v vI I( (v v

55、GSNGSN) ) 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 b. b. 高电平输出特性高电平输出特性当输入当输入v vI I为低电平时，负为低电平时，负载管导通，输入管截止，负载载管导通，输入管截止，负载电 流 是 拉 电 流 。 输 出 电 压电 流 是 拉 电 流 。 输 出 电 压V VOHOH= =V VDDDD- -v vSDPSDP，拉电流，拉电流I IOHOH即为即为i iSDPSDP，输出特性曲线如图所示。输出特性曲线如图所示。由曲线可见，由曲线可见，| |v vGSPGSP| |越大，越大，负载电流的增加使负载电流的增加使V VOHOH下降越小，下降越小，带拉电流负载能力

56、就越强。带拉电流负载能力就越强。 输出高电平时输出特性输出高电平时输出特性V VOHOHV VDDDDT TN NR RL Lv vI I=0=0T TP PI IOHOH 输出高电平等效电路输出高电平等效电路v vSDPSDPO OI IOH OH ( (i iSDPSDP) )v vGSPGSPV VDDDD 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 3.3.电源特性电源特性CMOSCMOS反相器的电源特性包含工作时的反相器的电源特性包含工作时的静态功耗静态功耗和和动态功耗动态功耗。静态功耗非常小，通常可忽略不计。静态功耗非常小，通常可忽略不计。CMOSCMOS反相器的功耗主要取决于动态

57、功耗，尤其是在工作频反相器的功耗主要取决于动态功耗，尤其是在工作频率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当率较高时，动态功耗比静态功耗大得多。当CMOSCMOS反相器工作在反相器工作在TPTP和和TNTN短时间的同时饱和导通的时候，将产生瞬时大电流，从短时间的同时饱和导通的时候，将产生瞬时大电流，从而产生而产生瞬时导通功耗瞬时导通功耗P PT T。 此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、此外，动态功耗还包括在状态发生变化时，对负载电容充、放电所消耗的功耗。放电所消耗的功耗。 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 3.4.3 CMOS3.4.3 CMOS传输门传输门 CMOS

58、CMOS传输门是由传输门是由P P沟道和沟道和N N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管并联互补组成。管并联互补组成。CMOSCMOS传输门及其逻辑符号传输门及其逻辑符号当当C=0VC=0V，C=C=V VDDDD时，两个时，两个MOSMOS管管都截止。输出和输入之间呈现都截止。输出和输入之间呈现高阻抗，传输门截止。高阻抗，传输门截止。当当C=C=V VDDDD，C=0VC=0V时，总有一个时，总有一个MOSMOS管管导通，使输出和输入之间呈低阻抗，导通，使输出和输入之间呈低阻抗，传输门导通。传输门导通。 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 传输门一个重要用途是作模拟开关来传输连续变化的

59、模拟电压信号。传输门一个重要用途是作模拟开关来传输连续变化的模拟电压信号。 vI/vOvO/vISWvI/vOvO/vICTG1C当当C C=1=1时，开关接通时，开关接通, ,C C=0=0时，开关断开，因此只要一个控制时，开关断开，因此只要一个控制电压即可工作。和电压即可工作。和CMOSCMOS传输门一样，模拟开关也是双向器件。传输门一样，模拟开关也是双向器件。 CMOSCMOS模拟开关及其逻辑符号模拟开关及其逻辑符号 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 3.4.4 CMOS3.4.4 CMOS逻辑门电路逻辑门电路1 1CMOSCMOS与非门电路与非门电路LVABDDTP1TN1T

60、N2P2T当输入当输入A A、B B中至少有一个为低电中至少有一个为低电平时输出为高电平，平时输出为高电平，F = 1F = 1当输入当输入A A、B B均为高电平时，均为高电平时，T T1 1和和T T2 2导通，导通，T T3 3和和T T4 4截止，输出为低电平，截止，输出为低电平，F=0F=0BAF输出输出F F和输入和输入A A、B B的逻辑关系为的逻辑关系为该电路实现了与非门的功能。该电路实现了与非门的功能。 3.4 CMOS 3.4 CMOS电路电路 LVABP1TDDTN2P2TN1T2 2CMOSCMOS或非门电路或非门电路输入输入A A、B B 均为低电平时，均为低电平时，T TN1N1和和T TN2N2截止，截止，T TP1P1和和T TP2