第3章逻辑门电路ppt课件

1、第三章第三章 门电路门电路3.1 概述概述3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路3.3 TTL逻辑门逻辑门3.4 其它类型的其它类型的TTL门电路门电路3.5 MOS门电路门电路13.1 概述概述门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。路，与基本逻辑关系相对应。门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。非门、异或门等。门电路的输出状态与赋值对应关系：门电路的输出状态与赋值对应关系：正逻辑：高电位对应正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应；低电位对应“0”。混合逻辑：输入用正逻辑、

2、输出用负逻辑；或者输混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。一般采用一般采用正逻辑正逻辑负逻辑：高电位对应负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应；低电位对应“1”。2100VVcc在数字电路中，对电压值为多少并不重要，在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。只要能判断高低电平即可。K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1” 。K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0” 。VOKVccR V V3门门(电子开关电子开关)满足一定条件时，电路允满足一定条件时，电路允 许信号通过许信号通过 开关接通开关接通

3、。开门状态：开门状态：关门状态：关门状态：条件不满足时，信号通不条件不满足时，信号通不过过 开关断开开关断开 。4开关开关作用作用二极管二极管反向截止：反向截止：开关接通开关接通开关断开开关断开三极管三极管C,E)饱和区：饱和区： 截止区：截止区：开关接通开关接通CEB开关断开开关断开 正向导通：正向导通： CEB53.2半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.2.1二极管的开关特性二极管的开关特性 1.二极管开关原理二极管开关原理 由于半导体二极管具有单向导电性，即外加正向由于半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于电压时导通，外加反向电压时截止，所

4、以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。一个受外加电压极性控制的开关。DRVCCvivo+-二极管开关电路二极管开关电路0tv二极管伏安特性二极管伏安特性二极管伏安特性方程二极管伏安特性方程 ： i=IseV/VT-1）62.二极管的近似伏安特性和对应的等效电路二极管的近似伏安特性和对应的等效电路 由二极管伏安特性方程和曲线可以看出，半导由二极管伏安特性方程和曲线可以看出，半导体二极管反向电阻不是无穷大，正向电阻也不是体二极管反向电阻不是无穷大，正向电阻也不是0。而且，电压和电流之间是非线性关系。此外，由而且，电压和电流之间是非线性关系。此外，由于存在着于存在着PN结表面的漏电阻以及半导体的体

5、电阻，结表面的漏电阻以及半导体的体电阻，所以真正的二极管的伏安特性与上面给出的还略所以真正的二极管的伏安特性与上面给出的还略有差别。有差别。 因而，在分析二极管组成的电路时，通常需要通因而，在分析二极管组成的电路时，通常需要通过近似的分析来判断二极管的开关状态。为此，过近似的分析来判断二极管的开关状态。为此，必须利用近似的简化特性或电路模型，以简化分必须利用近似的简化特性或电路模型，以简化分析和计算过程。析和计算过程。7a.当外加电源当外加电源电压和电阻相电压和电阻相对二极管的导对二极管的导通电压和正向通电压和正向电阻均在同一电阻均在同一数量级时的等数量级时的等效。效。b.当正向电压不能忽略时

6、的等效当正向电压不能忽略时的等效c.当正向电压和导通电阻均可忽略时的等效当正向电压和导通电阻均可忽略时的等效83.二极管的开关时间：二极管的开关时间：加于二极管上的电压波形加于二极管上的电压波形二极管上产生的相应电流波形二极管上产生的相应电流波形二极管由截止到饱和二极管由截止到饱和二极管由饱和到二极管由饱和到截止截止93.2.2 二极管与门电路二极管与门电路 FD1D2AB+12VuAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V逻辑变量逻辑变量逻辑函数逻辑函数( uD=0.3V )10uAuBuF0V0V0.3V0V3V0.3V3V0V0.3V3V3V3.3V0 0

7、 00 1 0 A B F1 0 01 1 1逻辑式：逻辑式：F=A B逻辑符号：逻辑符号：&ABF113.2.3二极管或门二极管或门uAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7VFD1D2AB-12V12uAuBuF0V0V-0.3V0V3V2.7V3V0V2.7V3V3V2.7V0 0 00 1 1 A B F1 0 11 1 1逻辑式：逻辑式：F=A+B逻辑符号：逻辑符号： ABF133.5 TTL门电路门电路P109）数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。完整的逻

8、辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。格便宜的特点。TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为体管，称之为: Transistor Transistor Logic。14uFt0.3VtruAt-VB1+VB2R1R2AF+ucc+ucc3.5.1双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性P109）iCttdtftsIcs0.9Ics三极管三极管截止截止饱和饱和基极临界饱和电流基极

9、临界饱和电流 IBS=Vcc/Rc集电极饱和电流集电极饱和电流Ics=Vcc/Rc一、三极管的开关特性一、三极管的开关特性15R1DR2AF+12V +3V二、三极管反相器二、三极管反相器uAuF3V0.30V3.3钳位二极管钳位二极管16uAuF3V0.30V3.3AF0110逻辑式：逻辑式：AF 逻辑符号：逻辑符号：1AF17R1DR2F+12V +3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门三、二极管、三极管电路与非门三、二极管、三极管电路与非门逻辑式：逻辑式：BAF &ABF逻辑符号：逻辑符号：18CBAF 3.5.2TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的

10、电路结构和工作原理一、构造一、构造TTL与非门的内部结构与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k75010019输入级输入级输出级输出级中间级中间级+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1 多发射极多发射极晶体管：实现晶体管：实现“与运算。与运算。20+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非非”复合管形式复合管形式与非门与非门输出级输出级“与与”211. 任一输入为低电平任一输入为低电平0.3V时时“0”0.7V不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1A

11、BC3603k750100三个三个PN结结导通需导通需2.1V22+5VFR4R2R13kR5R3T3T4T1T5b1c1ABC0.7V“0”uouo=5-uR2-ube3-ube43.4V 高高电平！电平！逻辑关系：任逻辑关系：任0则则1。23+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全导通全导通电位被钳电位被钳在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2. 输入全为高电平输入全为高电平3.4V时时24+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF =0.3VABCF 输入、输出的逻辑关系式：输入、输出的逻辑关系式：逻辑关系：全逻辑

12、关系：全1则则0。25二、电压传输特性二、电压传输特性测试电路测试电路&+5Vuiuo26uo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线uo(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值阈值UT=1.4V理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平UOHmin）（2.4V）UILmax），），（2V）UOLmax）UIHmin）VNLVNHUOL(max)UOH(min)271. 输出高电平输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。 典型值典型值UO

13、H=3.4V UOL=0.3V 。 2. 阈值电压阈值电压UTuiUT时，认为时，认为ui是高电平。是高电平。UT =1.4V28三、输入端的噪声容限三、输入端的噪声容限从电压传输特性上可以看到，当输入信号偏离正从电压传输特性上可以看到，当输入信号偏离正常的低电平常的低电平0.3V而升高时，输出的高电平并而升高时，输出的高电平并不立刻改变；同样，当输入高电平偏离正常值不立刻改变；同样，当输入高电平偏离正常值3.4V而下降时，输出低电平也不会马上改变。而下降时，输出低电平也不会马上改变。因而，允许的高低电平信号各有一个波动范围。因而，允许的高低电平信号各有一个波动范围。 输入端噪声容限：输入端噪

14、声容限： 在保证输出高、低电平基本不变的条件在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。下，输入电平的允许波动范围。 在由许多门电路互相连接组成的数字系在由许多门电路互相连接组成的数字系统中，往往前一级门电路的输出就是后一统中，往往前一级门电路的输出就是后一级门电路的输入。所以输入端的噪声容限级门电路的输入。所以输入端的噪声容限可用下图示意。可用下图示意。29图中先确定工作门输出高图中先确定工作门输出高电平的最小值电平的最小值VOHmin）（TTL为为2.4V），最大输），最大输出低电平出低电平VOLmax）（TTL为为0.4V）。）。然后可根据然后可根据VOHmin从电压传

15、输特性上定出输从电压传输特性上定出输入低电平的上限入低电平的上限VILmax），并根据），并根据VOLmax定出输入高电平定出输入高电平的下限的下限VIHmin）。）。 输入高电平噪声容限：输入高电平噪声容限：VNH= VOHmin）- VIHmin）输入低电平噪声容限：输入低电平噪声容限：VNL= VILmax）- VOLmax）74系列门的标准参数：系列门的标准参数：VOHmin）=2.4 V， VOLmax）=0.4V， VIHmin）=2V ，VILmax）=0.8V，故可得，故可得VNH=0.4V， VNL=0.4V。 303.5.3TTL反相器的输入、输出特性反相器的输入、输出特性

16、 （P119）一、输入特性一、输入特性31二、输出特性二、输出特性1.高电平输出特性高电平输出特性vOH(MIN)32162.低电平输出特性低电平输出特性33名称及符号名称及符号含义含义输入低电平电流输入低电平电流 IiL输入为低电平时流入输输入为低电平时流入输入端的电流入端的电流 -1 .4mA。输入高电平电流输入高电平电流 IiH输入为高电平时流入输输入为高电平时流入输入端的电流入端的电流几十几十A。IOL及其极限及其极限 IOL（max）当当 IOL IOL(max)时，输入时，输入不再是低电平。不再是低电平。IOH及其极限及其极限 IOH (max)当当 IOH IOH(max)时，输

17、出时，输出不再是高电平。不再是高电平。有关电流的技术参数有关电流的技术参数34T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL321iLiLOLIII灌灌电电流流 扇出系数扇出系数扇出系数：与非门电路输出能驱动同类门的个数扇出系数：与非门电路输出能驱动同类门的个数N。35例例3.5.2在图在图3.5.17所示的电路中，试计所示的电路中，试计算门算门G1最多可以驱动多少个同样的门最多可以驱动多少个同样的门电路负载。这些门电路的输入特性和电路负载。这些门电路的输入特性和输出特性分别由图输出特性分别由图3.5.12、图、图3.5.14和和图图3.5.16给出

18、。要求给出。要求G1输出的高、低输出的高、低电平满足电平满足V OH3.2V，VOL0.2V。解：先计算保证解：先计算保证VOL0.2V时可以驱动的电路数时可以驱动的电路数目目N1由图由图3.5.16查到，查到， VOL=0.2V时的负载电流时的负载电流iL=16mA；由图；由图3.5.12查到查到VOL=0.2V时每时每个负载门的输入电流个负载门的输入电流iIL=-1mA，所以有，所以有N1iIL iL161161ILLiiN36计算保证计算保证VOH3.2V时能驱动的负载门数目时能驱动的负载门数目N2。由图。由图3.5.14高电平输出特性上查到，高电平输出特性上查到， VOH=3.2V时，

19、对应的时，对应的iL为为-7.5mA。但手册上规定。但手册上规定TTL的）的） IOH 0.4mA，故应，故应取取0.4mA计算。又由图计算。又由图3.5.12输入特性可知，每个输入端的输入特性可知，每个输入端的高电平输入电流高电平输入电流IIH=40A，故可得：，故可得： N2IIH IL 1004.04.02IHlIiN 综合以上两种情况可得出结论：在给定条件下，综合以上两种情况可得出结论：在给定条件下，TTL74系列门电路最多可以驱动系列门电路最多可以驱动10个同类门。（产品规定个同类门。（产品规定8个）个）373. 输入端的负载特性输入端的负载特性在具体使用门电路时，有时需要在输入端与

20、地之间或者输在具体使用门电路时，有时需要在输入端与地之间或者输入端与信号的低电平之间接入电阻入端与信号的低电平之间接入电阻RP，如图，如图3.5.18所示。所示。38RPRRPVRPRRP1.4V=be=-1113 . 4)5( 由图可知，因为输入电流流过由图可知，因为输入电流流过RP上产生压降而形成输入电位上产生压降而形成输入电位Vi。而且，。而且， RP越大越大Vi也越高。实际测量结果如图也越高。实际测量结果如图3.5.19所示。所示。 曲线表明，当电阻曲线表明，当电阻RP较小时，输入电压较小时，输入电压Vi基本上基本上呈线性增长，而当呈线性增长，而当RP大到使大到使Vi接近接近1.4V后

21、基本不再后基本不再随随RP变化。这是因为变化。这是因为Vi接近接近1.4V后，后，T1基极电位已基极电位已接近接近2.1V，它足以使门电路的，它足以使门电路的T2和和T5导通，并将导通，并将T1基极电位钳位。基极电位钳位。RP的临界值可计算如下：的临界值可计算如下：RP=1.4KR1=3K 为安全起见，如要求输入为安全起见，如要求输入等效为低电平时，对等效为低电平时，对TTL门电路应使门电路应使RP小于小于1 K ；如要求输入等效为高电平时，对如要求输入等效为高电平时，对TTL门电路应使门电路应使RP大于大于2K 。39例例3.5.3 在图在图3.5.20所示的电路中，为保证门所示的电路中，为

22、保证门G1输出的高、低电平输出的高、低电平能正确地传送到门能正确地传送到门G2的输入端，要求的输入端，要求vo1=VOH时时vI2VIHmin），），vO1=VOL时，时， vI2VILmax），试计算），试计算RP的最大允的最大允许值是多少？已知许值是多少？已知G1和和G2均为均为74系列反相器，系列反相器，VCC=5V， VOH=3.4V， VOL=0.2V，VIHmin）=2.0V， VILmax）=0.8V。 G1和和G2的输入特性和输出特性见图的输入特性和输出特性见图3.5.12和图和图3.5.14、图、图3.5.16。当当vo1=VOH时，接入时，接入RP后应保证有后应保证有vI2

23、VIHmin），所以可得），所以可得VOH-IIH RPVIHmin）-kIVVRIHIHOHP351004. 00 . 24 . 33(min)从图从图3.5.12输入特性曲输入特性曲线上查到线上查到vI =VIHmin）=2.0V时的输入电流时的输入电流IIH=0.04mA当当vO1=VOL时，接入时，接入RP后应保证有后应保证有vI2VILmax） ，所以可得，所以可得-KKRVvVVVRVVRRVvVILBECCOLILPOLILPILBECC68.048 .07 .052 .08 .0,1(max)1(max)(max)1(max)1综合以上两种情况，应取综合以上两种情况，应取RP

24、0.68K也就是说也就是说G1和和G2之间的串联电阻应小于之间的串联电阻应小于680，否则当，否则当vO1=VOL时可能超过时可能超过VILmax）40一、一、 平均传输时间平均传输时间tui0tuo050%50%tpd1tpd2)(2121pdpdpdttt典型值：典型值：3 10 ns3.5.4TTL反相器的动态特性反相器的动态特性41二、交流噪声容限二、交流噪声容限对窄脉冲的噪声容限对窄脉冲的噪声容限 由于由于TTL门电路中存在三门电路中存在三极管的开关时间和分布电容极管的开关时间和分布电容的充放电过程，因而输入信的充放电过程，因而输入信号状态变化时必须有足够的号状态变化时必须有足够的变

25、化幅度和作用时间才能使变化幅度和作用时间才能使输出状态变化。当输入信号输出状态变化。当输入信号为窄脉冲，而且脉冲宽度接为窄脉冲，而且脉冲宽度接近于门电路传输时间的情况近于门电路传输时间的情况下，为使输出状态改变所需下，为使输出状态改变所需要的脉冲幅度将远大于信号要的脉冲幅度将远大于信号为直流时所需要的信号变化为直流时所需要的信号变化幅度。幅度。（a正脉冲噪声容限正脉冲噪声容限（b负脉冲噪声容限负脉冲噪声容限TTL门电路的传输延迟时间通常门电路的传输延迟时间通常在在50ns以内，所以当输入脉冲的以内，所以当输入脉冲的宽度达到微妙数量级时，可将输宽度达到微妙数量级时，可将输入信号按直流信号处理。入

26、信号按直流信号处理。42三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流TTL门电路在稳定状态下，输出电平不同时它门电路在稳定状态下，输出电平不同时它从电源所取的电流也不一样。从电源所取的电流也不一样。43VCC-vB1 VCC-vC2R2R1ICCL=iB1+iC2=+3.4mAVo=VOL时从电源所取电流：时从电源所取电流：Vo=VOH时从电源所取电流：时从电源所取电流：VCC-vB1R1ICCH=iB1=1mA 动态情况下，特别是当输动态情况下，特别是当输出电压由低电平跳变为高电出电压由低电平跳变为高电平时，由于平时，由于T5原来工作在深原来工作在深度饱和状态，所以度饱和状态，所以T4的导通

27、的导通先于先于T5的截止，使的截止，使T4 和和T5同时导通，使电源电流出现同时导通，使电源电流出现尖峰脉冲。尖峰脉冲。44 在在Vi从高电平跳到从高电平跳到低电平瞬间低电平瞬间T5尚未脱尚未脱离饱和导通状态而离饱和导通状态而T4已饱和导通，这时电已饱和导通，这时电源电流的最大瞬时值源电流的最大瞬时值可计算如下：可计算如下：ICCM=iC4+iB4+iB1=VCC- VCEsat4-vD2-VCEsat5R4+VCC-v BE4 -vD2-VCEsat5R1VCC-vb1+R2=34.7mA45电源尖峰电流带来的影响主要有两个方面；电源尖峰电流带来的影响主要有两个方面； 1、使电源的平均电流增

28、加。而且信号的重复频、使电源的平均电流增加。而且信号的重复频率越高、门电路的传输延迟时间率越高、门电路的传输延迟时间tPLH越长，电流越长，电流平均值增加越多。在计算系统电源容量时必须注平均值增加越多。在计算系统电源容量时必须注意这一点。意这一点。 2、当系统中有许多门电路同时转换工作状态、当系统中有许多门电路同时转换工作状态时，电源的瞬时尖峰电流数值很大，这个尖峰时，电源的瞬时尖峰电流数值很大，这个尖峰电流将通过电源线和地线以及电源的内阻形成电流将通过电源线和地线以及电源的内阻形成一个系统内部噪声源。因而，在系统设计时应一个系统内部噪声源。因而，在系统设计时应采取有效的措施将这个噪声抑制在允

29、许的限度采取有效的措施将这个噪声抑制在允许的限度内。内。46为便于计算尖峰电流的平均值，可以近似地把电为便于计算尖峰电流的平均值，可以近似地把电源的尖峰电流视为三角波，并认为尖峰电流的持源的尖峰电流视为三角波，并认为尖峰电流的持续时间等于传输延迟时间续时间等于传输延迟时间tPLH ，如图，如图3.5.24所示。所示。一个周期内尖峰脉冲的平均一个周期内尖峰脉冲的平均值为：值为：IPAV=（ICCM-ICCLtPLHT若用重复频率表示为：若用重复频率表示为：IPAV=（ICCM-ICCLftPLH 如果每个周期中输出高、低电平的持续时间相等，如果每个周期中输出高、低电平的持续时间相等，在考虑电源动

30、态尖峰电流的影响后，电源电流的平在考虑电源动态尖峰电流的影响后，电源电流的平均值将为：均值将为：ICCAV=1/2ICCH+ICCL）+1/2ftPLH（ICCM-ICCL）47各种逻辑门的相互转换各种逻辑门的相互转换转换方法：采用反演定理。转换方法：采用反演定理。例：与非门可以转换成其他各种逻辑门。例：与非门可以转换成其他各种逻辑门。BABABA BABABABABABABA 把与非门的输入端连接在一起，就转换成非门。把与非门的输入端连接在一起，就转换成非门。BABABABABABABA 显然，与非门、或非门等也很容易得到。显然，与非门、或非门等也很容易得到。48 3.5.5 其它类型的其它

31、类型的TTL门电路门电路二、二、 集电极开路的与非门集电极开路的与非门OC门）门）1、 问题的提出问题的提出标准标准TTL与非门进行与运算与非门进行与运算:&ABEF&CD&G1&ABEF&CDG 能否能否“线与线与”？（Open Collector)ABCDEFEFCDABFEG 49+5VR4R2T3T4T5R3TTL与非门的输出电阻与非门的输出电阻很低。这时，直接线与很低。这时，直接线与会使电流会使电流 i 剧烈增加。剧烈增加。i功耗功耗T4热击穿热击穿UOL 与非门与非门2：不允许直接不允许直接“线与线与”与非门与非门1 截止截止与非门与非门2

32、导通导通UOHUOL与非门与非门1：i+5VR4R2T3T4T5R3问题：问题：TTL与非门能否直接线与？与非门能否直接线与？50RLUCC集电极悬空集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号符号应用时输出端要接一上拉负载电阻应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL 。2、OC门结构门结构特点：特点：RL 和和UCC 可以外接。可以外接。F = ABC&513、 OC门可以实现门可以实现“线与功能。线与功能。Y=Y1Y2=ABCD5253 负载电阻负载电阻RL和电源和电源 UCC可以根据情况选择。可以根据情况选择。 如何确定上拉电阻如何确定上拉电阻RL?RL

33、(min)=Vcc VOLmax）IOL(max) -mIIL式中式中IOLmax为驱动门能承受的最大灌电流，为驱动门能承受的最大灌电流，IiL为负载门可提供的灌电流，其值为负数，为负载门可提供的灌电流，其值为负数， m为门的个为门的个数。数。考虑最坏的情况只有一考虑最坏的情况只有一个驱动门工作。个驱动门工作。RLmax）=Vcc VOHmin）nIOH+mIIH固定固定固定固定式中式中nIOH为所有驱动门的漏为所有驱动门的漏电流，电流，mIiH为所有负载门的为所有负载门的高电平输入电流，高电平输入电流，m为输入为输入端数。端数。RLIRLIOL m IIL设设n=8，m=6，m=12，VCC

34、=5V，VOLmax=0.4V，VOHmin=3V，又由前面的讨论，又由前面的讨论可知可知IOLmax=16mA，IIL=1mA，IOH=200A，可算得：，可算得：Rlmin=（5-0.4）/（16-61）=0.46K，Rlmax=（5-3）/（8 0.2+12 0.04）=0.96K故选择故选择RL应小于应小于0.96K 大于大于0.46K 。54计算负载电阻计算负载电阻RL的公式：的公式：RL(min)=Vcc VOLmax）IOL(max) -mIILRLmax）=Vcc VOHmin）nIOH+mIIHRL式中式中IIL为负载门低电平输入电流的绝对值，为负载门低电平输入电流的绝对值，

35、m为负载门的为负载门的输入端数，输入端数，m为负载门的个数。为负载门的个数。n为驱动门的个数，为驱动门的个数，IOH为为驱动门截止时的漏电流，驱动门截止时的漏电流，IOLmax为单个驱动门能承受为单个驱动门能承受的最大低电平负载电流。的最大低电平负载电流。IIL=（VCC-VBE1-VIL）/R1=（5-0.7-0.3）/4=1mA是以门为单位计算的。是以门为单位计算的。IIH=（VCC-VB1）/R1=（5-2.1）/4）0.050.035mA=35A以单个输入端来计算的。以单个输入端来计算的。55三、三、 三态输出门电路三态输出门电路E 控制端控制端DEER1+5VFR4R23kT2R5R

36、3T3T4T1T5b1c1AB1、构造、构造56+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE2、工作原理、工作原理1） 控制端控制端E=0时的工作情况：时的工作情况：01截止截止ABF 57+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDEE2） 控制端控制端E=1时的工作情况：时的工作情况：10导通导通截止截止截止截止高阻态高阻态58&ABFE符号符号输输出出高高阻阻0E 1E ABF 功能表功能表3、三态门的符号及功能表、三态门的符号及功能表&ABFE符号符号输输出出高高阻阻1E0EABF 功能表功能表使能端使能端高电平高电平起作

37、用起作用使能端使能端低电平低电平起作用起作用59E1E2E3公用总线公用总线三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。电路与总线间的接口电路。4、三态门的用途、三态门的用途工作时，工作时，E1、E2、E3分时接入高电分时接入高电平。平。603.5.6 TTL电路的各种系列电路的各种系列 为满足用户在提高工作速度和降低功耗这两方为满足用户在提高工作速度和降低功耗这两方面的要求，继上述面的要求，继上述74系列后，又生产了系列后，又生产了74H系列、系列、74S系列、系列、74LS系列、系列、74AS系列和系列和74ALS系列等改系列等改进的进的TTL电路。电路。一、一、74H系列系

38、列高速系列高速系列对应国产对应国产CT2000系列，系列，和和1000系列比主要减小系列比主要减小了电阻的阻值。了电阻的阻值。61二、二、74S系列系列肖特基系列肖特基系列CT3000）思路：使三极管避免进入深度饱和以减小传输延迟思路：使三极管避免进入深度饱和以减小传输延迟时间。为此采用了抗饱和三极管时间。为此采用了抗饱和三极管肖特基三极管。肖特基三极管。 肖特基三极管是由普通三极管和肖特基势垒二极管肖特基三极管是由普通三极管和肖特基势垒二极管Schottky Barrier Diode组合而成的。组合而成的。 由于由于SBD的开启电压为的开启电压为0.30.4V，当三，当三极管的极管的b-c

39、结正结正向偏置后，向偏置后，SBD首先导通，并将首先导通，并将b-c结的正向电结的正向电压钳在压钳在0.30.4V。62使从基极注入的过驱使从基极注入的过驱动电流从动电流从SBD流走，流走，从而有效地制止了三从而有效地制止了三极管进入深度饱和状极管进入深度饱和状态。能加快状态转换，态。能加快状态转换，缩短门电路的传输时缩短门电路的传输时间。间。 电路的另一个改进措施是用电路的另一个改进措施是用T6、RB和和RC组成的有组成的有源电路代替了源电路代替了74H系列中的电阻系列中的电阻R3，为，为T5管的发射管的发射结提供了一个有源泻放回路。从而也缩短了门电路的结提供了一个有源泻放回路。从而也缩短了

40、门电路的传输时间。传输时间。63 关于有源泻放的说明：关于有源泻放的说明： 当当T2由截止变为导通的瞬间，由于由截止变为导通的瞬间，由于T6的基极回路的基极回路中串接了电阻中串接了电阻RB，所以，所以T5必然先于必然先于T6导通，使导通，使T2发射极的电流全部流入发射极的电流全部流入T5的基极，从而加速了的基极，从而加速了T5的的导通过程。而在稳态下，由于导通过程。而在稳态下，由于T6导通后产生的分流导通后产生的分流作用，减少了作用，减少了T5的基极电流，也就减轻了的基极电流，也就减轻了T5的饱和的饱和程度，这又有利于加快程度，这又有利于加快T5从导通变为截止的过程。从导通变为截止的过程。 当

41、当T2从导通变为截止后，因为从导通变为截止后，因为T6仍处于导通状态，仍处于导通状态，为为T5的基极提供了一个瞬间的低内阻泻放回路，使的基极提供了一个瞬间的低内阻泻放回路，使T5得以迅速截止。因而，有源泻放回路的存在缩短得以迅速截止。因而，有源泻放回路的存在缩短了门电路的传输时间。了门电路的传输时间。 抗饱和电路带来的缺点：输出低电平增抗饱和电路带来的缺点：输出低电平增高。高。64三、三、74LS系列系列低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列CT4000）1、为了降低功耗大幅度、为了降低功耗大幅度提高了电路中个电阻的提高了电路中个电阻的阻值；阻值；改进措施：改进措施： 2、将、将R5原来接地一端改原

42、来接地一端改接到输出端，以减小接到输出端，以减小T3导导通时，通时，R5上的功耗。上的功耗。（74LS系列的功耗仅为系列的功耗仅为74系列的系列的五分之一，五分之一，74H系列的十分之一）系列的十分之一） 3、为了缩短传输延迟时间，除了使用抗饱和三极管、为了缩短传输延迟时间，除了使用抗饱和三极管和有源泻放外，还将多发射三极管换成了和有源泻放外，还将多发射三极管换成了SBD，因为，因为SBD没有电荷存储效应。没有电荷存储效应。65四、四、74AS和和74ALS系列系列 74AS系列是为进一步缩短传输延迟时间而设计的系列是为进一步缩短传输延迟时间而设计的改进系列。它的电路结构与改进系列。它的电路结

43、构与74LS系列相似，但电系列相似，但电路中电阻阻值很低。它的缺点是功耗较大，比路中电阻阻值很低。它的缺点是功耗较大，比74S略大一些。略大一些。 74ALS系列是为了获得更小的延迟系列是为了获得更小的延迟功耗积而功耗积而改进设计的，它的延迟改进设计的，它的延迟功耗积是功耗积是TTL电路所有电路所有系列中最小的。为了降低功耗，电路中采用了较系列中最小的。为了降低功耗，电路中采用了较大的电阻阻值，同时，通过改进生产工艺缩小了大的电阻阻值，同时，通过改进生产工艺缩小了内部各个器件的尺寸，获得了降低功耗和缩短延内部各个器件的尺寸，获得了降低功耗和缩短延迟时间的双重收效。迟时间的双重收效。66五、五、

44、54、54H、54LS系列系列54系列的系列的TTL电路和电路和74系列电路具有完全相同的电系列电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。所不同的是路结构和电气性能参数。所不同的是54系列比系列比74系系列的工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。列的工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。 74系列的工作环境温度规定系列的工作环境温度规定070，电源电压为，电源电压为5V5%；而；而54系列工作环境温度规定系列工作环境温度规定-55+125，电源电压为电源电压为5V 10% 在不同系列的在不同系列的TTL器件中，只要器件型号的后几器件中，只要器件型号的后几位数码一样，则它们的逻辑功能、外

45、形尺寸、引脚位数码一样，则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。排列就完全相同。67表表3.5.1各种系列各种系列TTL电路电路74XX00特性参数比较特性参数比较P138）参数名称系列7474S74LS74AS74ALS74FVIL（max）0.8V0.80.8VOL（max）0.4V0.50.5VIH（min）2.0V2.02.02.02.02.0VOH（min）2.4V2.72.7IIL（max）-1.0mA-2.0-0.4-0.5-0.2-0.6IOL（max）16mA20820820IOH（max）-0.4mA-1.0-0

46、.4-2.0-0.4-1.0IIH（max）40A5020202020tpd9ns39.51.743功耗10mW19281.24延迟功耗积90571913.64.812683.3 CMOS门电路门电路MOS电路的特点：电路的特点：2. 是电压控制元件，静态功耗小。是电压控制元件，静态功耗小。3. 允许电源电压范围宽允许电源电压范围宽318V）。）。4. 扇出系数大，抗噪声容限大。扇出系数大，抗噪声容限大。优点优点1. 工艺简单，集成度高。工艺简单，集成度高。缺点：工作速度比缺点：工作速度比TTL低低 。693.3.1MOS管的开关特性管的开关特性一、一、MOSMetal-Oxide-Semic

47、onductor-Field-Effect-Transistor管的结构管的结构DGS简化符号简化符号标准符号标准符号70二、二、MOS管的输出特性与转移特性管的输出特性与转移特性RONvDS=0=12KvGS-VGSth）2)()1(-thGSGSDSDVvIi式中式中IDS是是vGS=2VGSth时时的的iD值值上式表明，在上式表明，在vGS大大于大大于VGSth时，时，RON近似与近似与vGS成成反比。反比。71三、三、MOS管的基本开关电路管的基本开关电路(NMOS反相器）反相器）72四、四、 MOS管的开关等效电路管的开关等效电路 由于由于ROFF非常大，截止状态等效为开关断开；而非

48、常大，截止状态等效为开关断开；而RON约约在在1K以内，且与以内，且与vGS的数值有关，有时这个电阻阻值不能的数值有关，有时这个电阻阻值不能忽略，故在图中用忽略，故在图中用RON表示。表示。图中图中CI代表代表栅极的输入栅极的输入电容，数值电容，数值约为几皮法。约为几皮法。73vGS0VGSth）iDP沟道增强型沟道增强型MOS的转移特性的转移特性五、五、MOS管的其它三种类型管的其它三种类型DGS简化符号简化符号7475标准符号标准符号DGS简化符号简化符号76DGS简化符号简化符号标准符号标准符号773.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原反相器的电路结构和工作原理理0UDSID负载线

49、负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”UDDuiuoNMOS反相器电路反相器电路RD78T1负载管代替负载管代替RDVIT2T1VO0止 通 11通 通 0当当VI=1时：时：VO=RON2RON1+RON2VDD要使输出电压要使输出电压VO比较低，必须保证比较低，必须保证RON1足够大，又反相器足够大，又反相器后面不可避免的要带负载电容后面不可避免的要带负载电容CL，这显然影响工作速度。，这显然影响工作速度。79 一、一、CMOS反相器的电路结构反相器的电路结构Complementary -Symmetry MOS互补对称式互补对称式MOST1 : ONT2: OFFOFFO

50、N设设VDDVGSthN+ VGSthP当当vI=VIL=0时，有时，有vGS1=VDD VGSthPvGS2=0 VGSthN即，即，T1通，通，T2止止vGS2=VDD VGSthNvGS1=0 VGSthP即，即， T2通，通，T1止止80二、二、CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性反相器的电压传输特性和电流传输特性设设VDDVGSthN+ VGSthPVGSthN= VGSthPT1和和T2具有同样的导通电阻具有同样的导通电阻RON和截止电阻和截止电阻ROFF，则，则电压传输特性如图所示。电压传输特性如图所示。AB段：段：T1通、通、T2止；止； CD段：段： T2通、通、T1止

51、；止；BC段：段： T1T2均导通。均导通。 反相器的阈值电压反相器的阈值电压threshold voltage）：电压传输特性转折区）：电压传输特性转折区中点所对应的输入电压，用中点所对应的输入电压，用VTH（=1/2VDD，参数对称表示。，参数对称表示。81电流电流/电压电压iD/vI转移特性转移特性同样可分三个工作区。同样可分三个工作区。AB段：因段：因T2截止，几乎无电流；截止，几乎无电流；CD段：因段：因T1截止，几乎无电流；截止，几乎无电流；BC段：段：T1和和T2同时导通，有电同时导通，有电流流iD流过流过T1和和T2，而且，而且vI=1/2VDD附近附近iD最大。最大。 故在使

52、用时尽量避免使故在使用时尽量避免使器件长期工作在这一区间，器件长期工作在这一区间，以免因功耗过大而损坏。以免因功耗过大而损坏。82三、输入端的噪声容限三、输入端的噪声容限从电压传输特性上可以看到，当输入信号偏离正从电压传输特性上可以看到，当输入信号偏离正常的低电平常的低电平VOL0V而升高时，输出的高电而升高时，输出的高电平并不立刻改变；同样，当输入高电平偏离正常平并不立刻改变；同样，当输入高电平偏离正常值值VOHVDD而下降时，输出低电平也不会而下降时，输出低电平也不会马上改变。因而，允许的高低电平信号各有一个马上改变。因而，允许的高低电平信号各有一个波动范围。波动范围。 输入端噪声容限：输

53、入端噪声容限： 在保证输出高、低电平基本不变的条件在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。下，输入电平的允许波动范围。 在由许多门电路互相连接组成的数字系在由许多门电路互相连接组成的数字系统中，往往前一级门电路的输出就是后一统中，往往前一级门电路的输出就是后一级门电路的输入。所以输入端的噪声容限级门电路的输入。所以输入端的噪声容限可用下图示意。可用下图示意。83 输入噪声容限包括：低电平输入噪声容限包括：低电平输入噪声容限输入噪声容限VNL和高电平和高电平输入噪声容限输入噪声容限VNH两个方面。两个方面。VNH=VOHmin）-VIHmin）VNL=VILmax）-VOL

54、max）在在CMOS门电路中，当负载为另外的同类门的情况下负载门电路中，当负载为另外的同类门的情况下负载电流几乎等于零），故规定电流几乎等于零），故规定V0H （min） =VDD-0.1V，VOL （max） =VSS+0.1V。VSS表示表示N沟道沟道MOS管的源极电位。源管的源极电位。源极接地时极接地时VOL （max） =0.1V。84（bVNH、VNL与与VDD的关的关系系 测试结果表明，在输出高、低电平的变化不大于限定的测试结果表明，在输出高、低电平的变化不大于限定的10%VDD情情况下，输入信号高、低电平允许的变化量大于况下，输入信号高、低电平允许的变化量大于30%。因此得到。因

55、此得到VNL=VNH=30%VDD。可见。可见CMOS门电路的输入噪声容限和门电路的输入噪声容限和VDD有关。有关。853.3.3COMS反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性一、输入特性输入特性：从反相器输入端看进去的输入电压与输入电流的关系输入特性：从反相器输入端看进去的输入电压与输入电流的关系 MOS管的栅极和衬底之间存在着以管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而为介质的输入电容，而绝缘介质又非常薄约绝缘介质又非常薄约1000），极易被击穿耐压约），极易被击穿耐压约100V），），所以必须采用保护措施。所以必须采用保护措施。86二、输出特

56、性二、输出特性从反相器输出端看进去的输出电压与输出电流的关系从反相器输出端看进去的输出电压与输出电流的关系871.低电平输出特性低电平输出特性当输出低电平时，反相器当输出低电平时，反相器的的P沟道管截止，沟道管截止，N沟道沟道管导通，工作状态如下图管导通，工作状态如下图所示。所示。图图3.3.19实际上就是实际上就是T2漏极特性曲线，它说明漏极特性曲线，它说明VGS（=VDD越大导越大导通内阻越小，输出低电通内阻越小，输出低电平越小。平越小。IV882.高电平输出特性高电平输出特性T1导通，导通，T2截止截止曲线说明：在同样曲线说明：在同样的负载电流的负载电流IOH下下VDD越高，则越高，则T

57、1导导通时通时vGS越负，它的越负，它的导通内阻越小，导通内阻越小，VOH下降得越少。下降得越少。893.3.4COMS反相器的动态特性反相器的动态特性动态特性讨论的是电路状态转换过程中动态特性讨论的是电路状态转换过程中所表现出来的特性。所表现出来的特性。一、传输延迟时间一、传输延迟时间tPHL 、tPLH由于由于MOS管的电极之间以及管的电极之间以及电极与衬底之间都存在寄生电电极与衬底之间都存在寄生电容、尤其在反相器的输出端更容、尤其在反相器的输出端更不可避免存在负载电容，当输不可避免存在负载电容，当输入信号变化时，输出电压变化入信号变化时，输出电压变化必然滞后于输入电压的变化。必然滞后于输

58、入电压的变化。这一滞后时间就称着传输延迟这一滞后时间就称着传输延迟时间。时间。90二、交流噪声容限二、交流噪声容限所谓交流噪声容限是指门电路对窄脉冲噪声的承受能力。所谓交流噪声容限是指门电路对窄脉冲噪声的承受能力。 由于负载电容和由于负载电容和MOS管寄管寄生电容的存在，输入信号状生电容的存在，输入信号状态变化必须有足够的变化幅态变化必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出改度和作用时间才能使输出改变状态。这也就是说，当输变状态。这也就是说，当输入信号为窄脉冲这里实际入信号为窄脉冲这里实际就是指输入端的噪声），而就是指输入端的噪声），而且脉冲宽度接近于门电路的且脉冲宽度接近于门电路的传输延迟时

59、间的情况下，为传输延迟时间的情况下，为使输出状态改变，所需要的使输出状态改变，所需要的脉冲信号幅度将远大于直流脉冲信号幅度将远大于直流输入信号的幅度。因而，反输入信号的幅度。因而，反相器对这类窄脉冲的噪声容相器对这类窄脉冲的噪声容限限交流噪声容限远高于交流噪声容限远高于前面所介绍过的直流噪声容前面所介绍过的直流噪声容限。而且，门电路的传输延限。而且，门电路的传输延迟时间越长或噪声作用时迟时间越长或噪声作用时间越短），交流噪声容限也间越短），交流噪声容限也越大。越大。tW为噪声为噪声作用时间作用时间91三、动态功耗三、动态功耗 CMOS反相器从一种稳定工作状态转变到另一种稳定状态的反相器从一种稳

60、定工作状态转变到另一种稳定状态的过程中，所产生的附加功耗过程中，所产生的附加功耗动态功耗。动态功耗。动态功耗包括两个部分：一部分是对负载电容充、放电所消动态功耗包括两个部分：一部分是对负载电容充、放电所消耗的功率耗的功率PC，另一部分是于两个，另一部分是于两个MOS管管T1和和T2在短时间内在短时间内同时导通所消耗的瞬时功耗同时导通所消耗的瞬时功耗PT。图中电容图中电容CL表示接到反表示接到反相器输出端的所有电容，相器输出端的所有电容，其中包括下一级门电路其中包括下一级门电路的输入电容、接线电容的输入电容、接线电容和其他负载电容。和其他负载电容。92下面先计算下面先计算PC：-TTODDPTONdtvVidtvi2/2/0c(T1p）而其中而其中dtdvCiOLN-dtvVdCdtdv