第2章门电路.

1、第二章第二章 数字集成门电路数字集成门电路2.1 概述概述2.2 MOS集成门电路集成门电路2.3 TTL集成门电路集成门电路2.4 门电路使用中的几个实际问题门电路使用中的几个实际问题2-1基本要求（掌握）：1.常用门电路的逻辑特性，及逻辑功能。2.CMOS和TTL反相器的输入和输出特性。3.传输门、三态门、漏极和集电极开路门的逻辑符号与工作特点。基本要求（理解）：1.CMOS和TTL反相器、与非门、或非门电路的工作原理。2. CMOS和TTL反相器的电压传输特性。3. CMOS和TTL集成门电路电源电压的规定和门电路传输延迟时间的概念。2-2重点：常用集成门电路的逻辑功能、电气特性。难点：

2、1.常用门电路的电器特性，尤其是输入、输出特性，是难点，也是重点。2.常用门电路内部电路的组成及其工作原理分析，是难点，但不是重点。2.1 2.1 概述概述l 门电路：完成基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子电门电路：完成基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子电路，它是组成数字电路的基本单元。路，它是组成数字电路的基本单元。 l 门电路分为分立元件门电路和集成门电路两种。门电路分为分立元件门电路和集成门电路两种。l 由于集成门电路具有重量轻、体积小、功耗低、可靠由于集成门电路具有重量轻、体积小、功耗低、可靠性高、工作速度高以及使用方便等优点，因而被广泛性高、工作速度高以及使用方便等优点，因而被广泛应用。

3、应用。l 数字集成电路按所用半导体开关器件的不同，可分为数字集成电路按所用半导体开关器件的不同，可分为两大类：一类称为双极型数字集成电路，例如两大类：一类称为双极型数字集成电路，例如TTL电电路；另一类称为单极型或路；另一类称为单极型或MOS型集成电路，例如型集成电路，例如CMOS电路等。电路等。2-41. 门电路：门电路： 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或门、与或非门等门、与或非门等(1) 正逻辑：正逻辑： 在二值逻辑中，如果在二值逻辑中，如果用高电

4、平表示逻辑用高电平表示逻辑“1” ，低电平表示逻辑低电平表示逻辑“0” ，在，在这种规定下的逻辑关系称这种规定下的逻辑关系称为正逻辑，如图为正逻辑，如图2.1.1所示所示2. 正负逻辑系统正负逻辑系统图图2.1.1 正负逻辑示意图正负逻辑示意图2-5(2) 负逻辑：负逻辑： 在二值逻辑中，如果在二值逻辑中，如果用高电平表示逻辑用高电平表示逻辑“0” ，低电平表示逻辑低电平表示逻辑“1” ，在，在这种规定下的逻辑关系称这种规定下的逻辑关系称为负逻辑，如图为负逻辑，如图2.1.1所示。所示。图图2.1.1 正负逻辑示意图正负逻辑示意图 同一逻辑电路同一逻辑电路采用不同的逻辑关系，其逻采用不同的逻辑

5、关系，其逻辑功能是完全不同的，如表辑功能是完全不同的，如表2.1.1正负逻辑对应正负逻辑对应的逻辑电路的逻辑电路2-6由表中可以看出由表中可以看出 正负逻辑式互为对偶式，正负逻辑式互为对偶式，即若给出一个正逻辑的逻辑即若给出一个正逻辑的逻辑式，则对偶式即为负逻辑的式，则对偶式即为负逻辑的逻辑式，如正逻辑为或门，逻辑式，如正逻辑为或门，即即Y=A+B，对偶式为，对偶式为YDAB。正负逻辑的使用依个人。正负逻辑的使用依个人的习惯，但同一系统中采用的习惯，但同一系统中采用一种逻辑关系，一种逻辑关系，2-73. 高低电平的实现高低电平的实现 在数字电路中，输入输出在数字电路中，输入输出都是二值逻辑，其

6、高低电平用都是二值逻辑，其高低电平用“0”和和“1”表示。其高低电平表示。其高低电平的获得是通过开关电路来实现，的获得是通过开关电路来实现，如二极管或三极管电路组成。如二极管或三极管电路组成。如图如图2.1.2所示。所示。图图2.1.2 高低电平实现原理电路高低电平实现原理电路其原理为：其原理为： 当开关当开关S断开时，输出电压断开时，输出电压voVcc，为高电平，为高电平“1”；当开关闭合时，输出电压当开关闭合时，输出电压vo0，为低电平为低电平“0”；若开；若开关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状态，就相当开关态，就相当开关S的断开和

7、闭合。的断开和闭合。2-8图图2.1.2高低电平实现原理电路高低电平实现原理电路 单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路（如（如CMOS门电路），即用一个管子代替图门电路），即用一个管子代替图2.1.2中的电中的电阻，如图阻，如图2.1.3所示所示图2.1.3 互补开关2-9互补开关电路的原理为互补开关电路的原理为VccIvovS1S2输输入入信信号号输输出出信信号号图3.1.3 互补开关电路图3.1.3 互补开关电路 开关开关S1和和S2受同一输入受同一输入信号信号vI的控制，而且导通和的控制，而且导通和断开的状态相反。当断开的状态相反。当S1闭合闭

8、合时，时，S2断开，输出为高电平断开，输出为高电平“1”；相反当；相反当S1断开时，断开时，S2闭合，输出为高电平闭合，输出为高电平“0”。 互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的，互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的，流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字电路中得到广泛的应用电路中得到广泛的应用2-104. 数字电路的概述数字电路的概述（1）优点：）优点：图图2.1.1 正负逻辑示意图正负逻辑示意图 在数字电路中由于采在数字电路中由于采用高低电平，并且高低电用高低电平，并且高低电平都有一个允许的范围，平都有一个允许的范围，如图如图2

9、.1.1所示，故对元器所示，故对元器件的精度和电源的稳定性件的精度和电源的稳定性的要求都比模拟电路要低，的要求都比模拟电路要低，抗干扰能力也强。抗干扰能力也强。2-11(2) 分类：分类： 可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路：可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路：分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工艺集成在很小的半导体芯片上。艺集成在很小的半导体芯片上。数字集成电路根据规模可分为数字集成电路根据规模可分为）超大规模（大规模（中规模

10、（）小规模（所含元器件数）按规模分（每片nIntegratio Scale LargeVery VLSIn)Integratio Scale LargeLSIn)Integratio Scale Medium-MSInIntegratio Scale mallSSIICS100/片片（1001000）/片片103 105 /片片105 以上以上/片片2-12按导电类型可分为按导电类型可分为）兼容型（）双极型（）单极型（按导电类型BJTFETBJTFET 数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因此本章先介绍此本章先介绍CMOS和和TTL数字集成逻辑门的

11、结构、数字集成逻辑门的结构、工作原理工作原理2-132.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路2.2.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性1. 稳态开关特性稳态开关特性 将图将图2.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图中的开关用二极管代替，则可得到图2.2.1所示的半导体二极管开关电路所示的半导体二极管开关电路 图图2.2.1二极管开关电路二极管开关电路图图2.1.2高低电平实现电路高低电平实现电路2-14 对于图对于图2.2.1所示二极管开关所示二极管开关电路，由于二极管具有单向导电性，电路，由于二极管具有单向导电性，故它可相当受外加电压控制的开关。故它可相当受外加电压控制的

12、开关。设设vi的高电平为的高电平为VIHVCC， vi的低电平为的低电平为VIL0，且，且D为理想元件，即正向导通电阻为为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷大，反向电阻无穷大，则稳态时当则稳态时当vIVIHVCC时，时，D截止，输出电压截止，输出电压vDVOH VCC 将电路处于相对稳定状态下，将电路处于相对稳定状态下，晶体二极管所呈现的开关特性称为晶体二极管所呈现的开关特性称为稳态开关特性稳态开关特性图图2.2.1二极管开关电路二极管开关电路2-15 当当vIVIL0时，时，D导通，导通，输出电压输出电压vo VOL 0 即可以用输入电压即可以用输入电压vi的高低电的高低电平控制二极

13、管的开关状态，并在平控制二极管的开关状态，并在输出端得到相应的高低电平输出端得到相应的高低电平2.二极管动态特性：二极管动态特性： 当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关特性（简称动态特性）特性（简称动态特性）图图2.2.1二极管开关电路二极管开关电路2-16二极管的动态电流波形如图二极管的动态电流波形如图2.2.3所示所示图图2.2.3 二极管动态电流波形二极管动态电流波形 这是由于在输入电压转这是由于在输入电压转换状态的瞬间，二极管由反换状态的瞬间，二极

14、管由反向截止到正向导通时，内电向截止到正向导通时，内电场的建立需要一定的时间，场的建立需要一定的时间，所以二极管电流的上升是缓所以二极管电流的上升是缓慢的；当二极管由正向导通慢的；当二极管由正向导通到反向截止时，二极管的电到反向截止时，二极管的电流迅速衰减并趋向饱和电流流迅速衰减并趋向饱和电流也需要一定的时间。由于时也需要一定的时间。由于时间很短，在示波器是无法看间很短，在示波器是无法看到的到的2-17 在输入信号频率较低时，在输入信号频率较低时，二极管的导通和截止的转换时二极管的导通和截止的转换时间可以认为是瞬间完成的。但间可以认为是瞬间完成的。但在输入信号频率较高时，此时在输入信号频率较高

15、时，此时间就不能忽略了。间就不能忽略了。 将二极管由截止转向导将二极管由截止转向导通所需的时间称为通所需的时间称为恢复恢复时间（开通时间）时间（开通时间）ton；二极；二极管由导通转向截止所需的时管由导通转向截止所需的时间称为间称为反向恢复时间（关断反向恢复时间（关断时间）时间）tre，两者统称为二极，两者统称为二极管的开关时间，一般管的开关时间，一般ton2UT；uGSPUT时，时，TN导通。导通。 l 当当uIUIL0V时，时， TN截止，截止，TP导通导通 l 当当uIUIHVDD时，时， TN导通，导通，TP截止截止 输入与输出满足非的逻辑关系。输入与输出满足非的逻辑关系。 TP、TN

16、始终有一个工作在截止状态，因此始终有一个工作在截止状态，因此CMOS门电门电路的静态功耗都很低。路的静态功耗都很低。2 2CMOSCMOS反相器的特性及有关参数反相器的特性及有关参数（1）电压传输特性和电流传输特性）电压传输特性和电流传输特性1、UIUTN时，则时，则TN截止，截止，TP导通，导通，uOVDD 2、UIUTN并逐渐增大时，原来截止的并逐渐增大时，原来截止的TN管开始导通，管开始导通，而而TP管依然导通，管依然导通，iD迅速增加，迅速增加，uO也随之下降也随之下降3、UI增大到增大到VDD的一半时，的一半时，iD将达到最大值，输出电压将达到最大值，输出电压迅速减小迅速减小 4、当

17、、当UI继续增加，继续增加，TN管继续导通，管继续导通，TP管由导通状态开管由导通状态开始向截止状态转换，始向截止状态转换，TP管的漏源间等效电阻逐渐增大，管的漏源间等效电阻逐渐增大，iD迅速减小，输出电压迅速减小，输出电压uO也下降至接近低电平也下降至接近低电平 5、 UI增大到增大到uI VDD-|UTP|时，时，TP管完全截止，管完全截止，TN管继管继续导通，此时，续导通，此时，uO0，iD0， (2) CMOS电路的有关参数：电路的有关参数：l 1）工作电源电压）工作电源电压 CMOS门电路的工作电压范围很宽，其中门电路的工作电压范围很宽，其中4000、4000B系列，系列，VDD31

18、8V；74HC和和74HCT系列，系列，VDD26V；74LVC系列，系列，VDD 1.23.6V；74AUC系列，系列， VDD 0.82.7V。CMOS的各种参数的各种参数都与电源电压都与电源电压VDD呈线性关系。呈线性关系。l 2）输入电平和输出电平）输入电平和输出电平 典型的典型的CMOS电路在电路在5V电源下工作，电源下工作，01.5V之间的之间的输入电压对应逻辑输入电压对应逻辑0，3.55V之间的输入电压对应于之间的输入电压对应于逻辑逻辑1。不同系列的。不同系列的CMOS电路，逻辑电路，逻辑1和逻辑和逻辑0所对所对应的电压范围也不同。在器件手册中通常给出应的电压范围也不同。在器件手

19、册中通常给出4种逻种逻辑电平参数。辑电平参数。 2）输入电平和输出电平）输入电平和输出电平l UILmax（关门电平（关门电平UOFF），），UILmax大约在大约在0.3VDD左右左右 l UIHmin（开门电平（开门电平UON），），UIHmin近似于近似于0.7VDD左右左右 l UOLmax，UOLmax一般为一般为0.02VDD l UOHmin， UOHmin一般为一般为0.98VDD 3）阈值电压）阈值电压l 从从CMOS反相器的电压传输特性曲线中可以看出，输反相器的电压传输特性曲线中可以看出，输出高低电平的过渡区很陡，其阈值电压出高低电平的过渡区很陡，其阈值电压UT约为约为VD

20、D的的一半。一半。4）抗干扰能力）抗干扰能力l抗干扰能力也称为噪声容限。抗干扰能力也称为噪声容限。l在保证输出高、低电平的变化不超过允许限度在保证输出高、低电平的变化不超过允许限度的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。端噪声容限。l输入高电平时的噪声容限输入高电平时的噪声容限:lUNHUOHminUIHmin l输入低电平时的噪声容限输入低电平时的噪声容限:lUNLUILmaxUOLmax （2）输入特性）输入特性l 电路在使用前输入端是悬空的，只要外界有很小的静电电路在使用前输入端是悬空的，只要外界有很小的静电场，都可能在输入端积累电荷而

21、将栅极击穿。因此必须场，都可能在输入端积累电荷而将栅极击穿。因此必须采取保护措施。采取保护措施。 CMOS反相器输入保护电路反相器输入保护电路:l 在输入电压的正常工作范围在输入电压的正常工作范围内（内（0 uI VDD），输入保护），输入保护电路是不起作用的。电路是不起作用的。l 设二极管的正向导通压降为设二极管的正向导通压降为UDF则当则当uI VDD+UDF时，时，MOS管的栅极管的栅极电位将被钳在电位将被钳在-UDFVDD+UDF之间，使栅极的之间，使栅极的SiO2层不会被击穿层不会被击穿 输入特性曲线输入特性曲线当输入电压当输入电压-UDFuIVDD+UDF时，输入电流时，输入电流i

22、I几乎为几乎为0。当当uIVDD+UDF以后，以后，iI也将迅也将迅速增加。速增加。 （3）输出特性）输出特性1）高电平输出特性）高电平输出特性当负载电流当负载电流iO=IOHTP管的导通压降管的导通压降uDS输出电压输出电压uOUOH减小减小TP管的导通电阻与栅源电压管的导通电阻与栅源电压uGSP的大小有关，的大小有关，uGSP的绝对值越大其导通内阻越小的绝对值越大其导通内阻越小l 当反相器的电源电压当反相器的电源电压VDD越大，则加到越大，则加到TP管上的栅管上的栅源电压源电压uGSP就越负，在同样的负载电流就越负，在同样的负载电流iO下，下，TP管管的导通压降就越小，电路的输出电压的导通

23、压降就越小，电路的输出电压UOH也就下降也就下降得越少。得越少。2）低电平输出特性）低电平输出特性 当负载电流当负载电流iO=IOLTN管的导通压降管的导通压降uDS输出电压输出电压uOUOL增大增大同样同样的，的，TN管导通电阻也与栅源电压管导通电阻也与栅源电压uGSN的大小有的大小有关，关，uGSN的绝对值越大其导通内阻越小的绝对值越大其导通内阻越小l 当反相器的电源电压当反相器的电源电压VDD越大，则加到越大，则加到TN管上的栅源管上的栅源电压电压uGSN就越大，在同样的负载电流就越大，在同样的负载电流iO下，下，TN管的导管的导通压降就越小，电路的输出电压通压降就越小，电路的输出电压U

24、OL也就越低。也就越低。3）带负载能力）带负载能力l 门电路的负载能力通常用扇出系数门电路的负载能力通常用扇出系数N来表示。来表示。l 扇出系数是指其在正常工作情况下，所能驱动同类扇出系数是指其在正常工作情况下，所能驱动同类 门的最大数目。门的最大数目。 l 扇出系数的计算需要考虑两种情况，一种是拉电流扇出系数的计算需要考虑两种情况，一种是拉电流负载，即输出为高电平时的扇出数负载，即输出为高电平时的扇出数NH，另一种是灌电，另一种是灌电流负载，即输出为低电平时的扇出数流负载，即输出为低电平时的扇出数NL。 3）带负载能力）带负载能力l 当反相器输出当反相器输出UOH时，拉电流时，拉电流IOH从

25、反相器输出端流出从反相器输出端流出到负载门。当负载门个数增加时，总的拉电流也会增到负载门。当负载门个数增加时，总的拉电流也会增加，这将引起输出高电平变低，但不得低于加，这将引起输出高电平变低，但不得低于UOHmin l 当反相器输出当反相器输出UOL时，灌电流时，灌电流IOL将从负载门流入到反将从负载门流入到反相器，当负载门个数增加时，总的灌电流也会增加，相器，当负载门个数增加时，总的灌电流也会增加，这将使反相器输出低电平变高，但不得高于这将使反相器输出低电平变高，但不得高于UOLmax。 （4）传输延迟时间）传输延迟时间l 静态特性参数静态特性参数；动态特性参数；动态特性参数；l 传输延迟时

26、间：传输延迟时间：表征门电路开关速度的参数。表征门电路开关速度的参数。 tPHL为输出由高电平降到低电平时的传输时延为输出由高电平降到低电平时的传输时延 tPLH为输出由低电平升到高电平时的传输时间为输出由低电平升到高电平时的传输时间 平均传输延迟时间：平均传输延迟时间： 放电过程放电过程；充电过程；充电过程；2/ )(PHLPLHpdttt（5）动态功耗）动态功耗l 功耗是门电路的重要参数之一功耗是门电路的重要参数之一 l 静态功耗静态功耗 ：当电路的输出没有状态转换时的功耗当电路的输出没有状态转换时的功耗 。l 动态功耗：动态功耗：CMOS反相器从一个稳定状态转变为另一反相器从一个稳定状态

27、转变为另一个稳定状态过程中产生的功耗个稳定状态过程中产生的功耗 。l 一是当一是当MOS管管TN和和TP在状态转换过程中会在短时间在状态转换过程中会在短时间内同时导通产生的瞬时导通功耗内同时导通产生的瞬时导通功耗 l 二是对负载电容充、放电所产生的功耗。二是对负载电容充、放电所产生的功耗。 l 动态功耗的大小与电源电压、输入信号的频率、负载动态功耗的大小与电源电压、输入信号的频率、负载电容量的大小有关。一般来说，这些参数的数值越大，电容量的大小有关。一般来说，这些参数的数值越大，动态功耗就越大。动态功耗就越大。 （6）延时）延时-功耗积功耗积l 对于理想的数字电路或系统，希望工作速度高、功对于

28、理想的数字电路或系统，希望工作速度高、功耗低。耗低。l 但是数字系统在获得高速的同时必然要付出较大的但是数字系统在获得高速的同时必然要付出较大的功耗，两者不可兼得。功耗，两者不可兼得。l 逻辑门电路的性能通常采用传输延迟时间和功耗的逻辑门电路的性能通常采用传输延迟时间和功耗的乘积来描述，这种综合性的指标称为乘积来描述，这种综合性的指标称为延时延时-功耗积功耗积。l 器件的延时器件的延时-功耗积的值越小，表明它的性能越好，功耗积的值越小，表明它的性能越好，其特性越接近于理想情况。其特性越接近于理想情况。2.3.3 其它类型其它类型CMOS门电路门电路 1其它逻辑功能的其它逻辑功能的CMOS门电路

29、门电路 （1）与非门电路）与非门电路l 当输入端当输入端A、B中只要有一个为低电平时，中只要有一个为低电平时，l 当输入当输入A、B全为高电平时，全为高电平时， （2）或非门电路）或非门电路l 当输入端当输入端A、B中只要有一个为高电平时，中只要有一个为高电平时， l 当输入当输入A、B全为低电平时全为低电平时 2带缓冲器的带缓冲器的CMOS电路电路若设每个若设每个MOS管导通时的漏源管导通时的漏源电阻为电阻为RON，截止时的漏源电阻，截止时的漏源电阻为无穷大。为无穷大。 对右图的与非门：对右图的与非门：l 当当A=B=0时，输出为时，输出为0.5RON ；当当A、B中只有一个为中只有一个为0

30、时，输出时，输出电阻值为电阻值为RON ；当；当A=B=1时，输出电阻值为时，输出电阻值为2RON 。l 当当CMOS门输入端增加时，其串联的门输入端增加时，其串联的NMOS管个数也管个数也增加。串联的管子全部导通，则总的导通电阻将增加。增加。串联的管子全部导通，则总的导通电阻将增加。使与非门的输出低电平使与非门的输出低电平UOL升高，而使或非门的输出升高，而使或非门的输出高电平高电平UOH降低。因此降低。因此CMOS逻辑门电路输入端不宜逻辑门电路输入端不宜过多。过多。为了克服上述为了克服上述CMOS门电路的缺点，在门电路的缺点，在CMOS电路的每个输入端和输出端各增加一级反相器电路的每个输入

31、端和输出端各增加一级反相器（缓冲器），以规范电路的输入和输出逻辑电（缓冲器），以规范电路的输入和输出逻辑电平。平。3CMOS漏极开路门漏极开路门（1）漏极开路门电路）漏极开路门电路在实际系统中，往往需要在实际系统中，往往需要将将CMOS逻辑门的输出端逻辑门的输出端并联使用，实现线与逻辑功能，但是输出端不能直接相连并联使用，实现线与逻辑功能，但是输出端不能直接相连为了使为了使CMOS门电路的输出能直接连在一起，并实现正常门电路的输出能直接连在一起，并实现正常逻辑功能，可采用漏极开路（逻辑功能，可采用漏极开路（OD）门实现）门实现 。CDABY（2）上拉电阻计算）上拉电阻计算l 当当n个个OD门输

32、出均为高电平时，为了保证输出的高电门输出均为高电平时，为了保证输出的高电平不低于规定值平不低于规定值UOHmin，电阻，电阻RP不能选得太大。不能选得太大。l 当只有一个当只有一个OD门的全部输入都接高电平时，这时输门的全部输入都接高电平时，这时输出电压将变为低电平出电压将变为低电平UOL即所有负载电流全部流入唯即所有负载电流全部流入唯一的导通门时，应保证输出的低电平仍能低于规定值一的导通门时，应保证输出的低电平仍能低于规定值UOLmax，且输出电流，且输出电流IOL不超过额定值不超过额定值IOLmax。 IHOHminOHDDmaxPkInIUVRmaxminmaxDDOLPOLILVURI

33、m I例例2.2.1 G1、G2为漏极开路为漏极开路CMOS与非门，其参数为：与非门，其参数为：VDD5V，IOH5A，IOLmax4mA，UOLmax0.33V，UOHmin3.84V。G3、G4和和G5的低电平输入电流为的低电平输入电流为IIL0.4mA，高电平输入电流为，高电平输入电流为IIH20A。电路如图。电路如图2.2.20所所示，试确定电路中上拉电阻示，试确定电路中上拉电阻RP的合适阻值。的合适阻值。当当OD门输出为高电平时，门输出为高电平时， 当当OD门输出为低电平时，门输出为低电平时， IHOHminOHDDmaxPkInIUVRILmaxOLmaxOLDDminPImIUV

34、Rk1 . 6k02. 09005. 0284. 35k67. 1k4 . 03433. 054三态输出门电路三态输出门电路l 三态门：门电路输出有三种状态，即高电平、低电平三态门：门电路输出有三种状态，即高电平、低电平和高阻。普通和高阻。普通 CMOS电路，不会呈现高阻。若做传输电路，不会呈现高阻。若做传输门用，就不方便了。门用，就不方便了。 三态门一个重要用途：在同一根三态门一个重要用途：在同一根数据总线上轮流传输多个不同的数据或信号。数据总线上轮流传输多个不同的数据或信号。 5CMOS传输门传输门l CMOS传输门传输门是一种既可以传是一种既可以传送数字信号又可以传输模拟信号的可控开关电

35、路。送数字信号又可以传输模拟信号的可控开关电路。l 设两个设两个MOS管的开启电压绝对值均为管的开启电压绝对值均为3V，控制端，控制端C加加10V电压，控制端电压，控制端 加加0V电压。电压。则当输入电压则当输入电压uI在在07V的范围内变化时，的范围内变化时，TN导通导通当当uI在在310V范围内变化时，范围内变化时，TP导通。导通。如如TN管的栅极加管的栅极加0V电压，电压，TP管的栅极加管的栅极加10V电压：电压：则当输入电压仍在则当输入电压仍在010V范围内变化时，范围内变化时，TN和和TP却总却总是截止的。是截止的。C2.3.4 NMOS门电路门电路 1NMOS反相器反相器l NMO

36、S反相器是整个反相器是整个NMOS逻辑门电路的基本构件，逻辑门电路的基本构件，它的工作管常用增强型器件，而负载管可以是增强它的工作管常用增强型器件，而负载管可以是增强型也可以是耗尽型。现以增强型器件作为负载管的型也可以是耗尽型。现以增强型器件作为负载管的NMOS反相器为例来说明它的工作原理。反相器为例来说明它的工作原理。l 负载管负载管TN2的栅极与漏极同接电的栅极与漏极同接电源源VDD，因而，因而TN2总是工作在它的总是工作在它的恒流区，处于导通状态。恒流区，处于导通状态。当输入电压当输入电压uI为低电平时，为低电平时， 当输入当输入uI为高电平时为高电平时 ，2NMOS与非门与非门在在NM

37、OS反相器的基础上，可以制成反相器的基础上，可以制成NMOS门电路。门电路。两输入端的两输入端的NMOS与非门电路如图与非门电路如图2.2.25所示所示 。通。通常工作管的个数不要超过常工作管的个数不要超过3个。个。 3 NMOS或非门或非门工作管的个数不会影响其输出低电平工作管的个数不会影响其输出低电平的逻辑关系。因此的逻辑关系。因此NMOS逻辑门电路逻辑门电路 大多采用或非门大多采用或非门 电路的形式。电路的形式。 2.42.4 TTLTTL集成门电路集成门电路2.4.1 双极性三极管的开关特性双极性三极管的开关特性1双极型三极管开关电路双极型三极管开关电路l UBE 0是三极管截止的必要

38、条件是三极管截止的必要条件 l iBICS/ 是三极管饱和导通的必是三极管饱和导通的必要条件要条件 RVIICCCCSBS常用的三极管开关电路如图所常用的三极管开关电路如图所示示 根据饱和、截止条件，当电路根据饱和、截止条件，当电路输入高电平输入高电平UIH时，应有：时，应有：i1i2 IBS当电路输入低电平当电路输入低电平UIL时，应有：时，应有：UBE 0故电路中的参数应满足下式：故电路中的参数应满足下式：在设计时，一般先选定在设计时，一般先选定RC，然后适当选取，然后适当选取R1、R2就可就可以使两不等式同时成立。以使两不等式同时成立。 cCESCC2BB1HI)(7070RUVRVRU

39、0)(121BBLIILRRRVUU2双极性三极管开关的动态特性双极性三极管开关的动态特性在动态情况下，亦即三极管在截止和在动态情况下，亦即三极管在截止和导通两种状态间迅速转换时，三极管内导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间。部电荷的建立和消散都需要一定的时间。因而集电极电流因而集电极电流iC的变化将滞后于输入的变化将滞后于输入电压电压uI的变化。的变化。在接成三极管开关电路在接成三极管开关电路以后，开关电路的以后，开关电路的输出电压输出电压uO的变化也的变化也必然滞后于输入电压必然滞后于输入电压uI的变化的变化，这种滞，这种滞后现象也可以用三极管的极间都存在结

40、后现象也可以用三极管的极间都存在结电容效应来理解。电容效应来理解。 2.3.2 TTL反相器反相器1TTL反相器电路与工作原理反相器电路与工作原理l 当输入当输入A为低电平为低电平0.3V时，时，T1深度饱和深度饱和l 当输入当输入A为高电平为高电平3.6V时，可使时，可使P点电位点电位高于高于2.1V，T1工作在工作在反向运用的放大状态。反向运用的放大状态。 R1、R2选择合适，就选择合适，就可使可使T2工作在饱和状工作在饱和状态态V6 . 37 . 07 . 054BE3BE22RCCYuuRiVu2TTL反相器的特性反相器的特性（1）工作速度）工作速度l 当输入当输入A为高电平，为高电平

41、，T2、T5饱和时：饱和时：uC1uBE5uBE21.4V。l 若输入端若输入端A变换到低电平变换到低电平0.3V，uP就会降至就会降至1V，即在此瞬间有，即在此瞬间有uC1uB1，T1的集的集电结反偏，发射结正偏，电结反偏，发射结正偏，T1工作在放大状态。这个较工作在放大状态。这个较大的瞬间反向驱动电流使大的瞬间反向驱动电流使T2基区中的存贮电荷很快释基区中的存贮电荷很快释放掉，从而加速放掉，从而加速T2的截止，同时使的截止，同时使uC2很快上升，相应很快上升，相应的的uE3迅速提高，使迅速提高，使T4很快导通，加速了输出端从低电很快导通，加速了输出端从低电平到高电平的转换过程。平到高电平的

42、转换过程。 （1）工作速度）工作速度当当uC1从低电平上升的瞬间从低电平上升的瞬间，T5、T6导通，但由于导通，但由于R5、R6的存在，的存在，iB6、iC6要比要比iB5增加的慢，增加的慢，iE2几乎全部流几乎全部流到到T5的基极，为的基极，为T5提供很大的瞬间提供很大的瞬间过驱动电流，从而缩短了过驱动电流，从而缩短了T5的导通延迟时间。的导通延迟时间。当当iC6、iB6上升到稳定值后，上升到稳定值后，iB5下降至稳定值，使下降至稳定值，使T5的的基区存贮电荷基区存贮电荷Qs不致太多。不致太多。当当uC1从高电平突然下降的瞬间从高电平突然下降的瞬间，T2首先截止，首先截止，而而T6回路给回路

43、给T5基极提供一个很大的反向抽取电流，使基极提供一个很大的反向抽取电流，使T5中的存贮电荷很快释放，促使中的存贮电荷很快释放，促使T5很快脱离饱和，缩很快脱离饱和，缩短了短了T5的截止延迟时间，从而提高了开关速度。的截止延迟时间，从而提高了开关速度。 （1）工作速度）工作速度l 为了进一步提高开关速度，许多为了进一步提高开关速度，许多TTL门电路还采用门电路还采用了抗饱和电路，使了抗饱和电路，使TTL门中的三极管导通时处于浅饱门中的三极管导通时处于浅饱和状态，以减少甚至基本上消除存贮电荷，从根本上和状态，以减少甚至基本上消除存贮电荷，从根本上消除因存贮电荷引起的传输延迟时间。在三极管的消除因存

44、贮电荷引起的传输延迟时间。在三极管的B、C极之间并联一个肖特基二极管，它的开启电压为极之间并联一个肖特基二极管，它的开启电压为0.4V左右。左右。 （2）负载驱动能力）负载驱动能力lTTL反相器的输出级采用了推拉式电路。当反相器的输出级采用了推拉式电路。当T5截止时，截止时，T3、T4导通，且导通，且T3、T4管工作在射极管工作在射极输出组态，呈现较低的输出阻抗；输出组态，呈现较低的输出阻抗；l而当而当T5导通时，导通时，T4截止，由于截止，由于T5管工作在深度管工作在深度饱和状态，则输出阻抗很小。饱和状态，则输出阻抗很小。l由此可见，无论是高电平输出，还是低电平输由此可见，无论是高电平输出，

45、还是低电平输出，该电路的输出阻抗都很小，电路能提供较出，该电路的输出阻抗都很小，电路能提供较大的拉电流和允许较大的灌电流，即电路具有大的拉电流和允许较大的灌电流，即电路具有较强的负载驱动能力。较强的负载驱动能力。 （3）电压传输特性及抗干扰能力）电压传输特性及抗干扰能力 l 由电压传输特性可知，当本级非门输入信号从由电压传输特性可知，当本级非门输入信号从0开始开始上升，超过前一级同类门输出低电平的上限值上升，超过前一级同类门输出低电平的上限值（UOLmax）以后，输出电平并不会马上发生变化。）以后，输出电平并不会马上发生变化。l 在输入低电平信号上叠加一个噪声（干扰）电压时，在输入低电平信号上

46、叠加一个噪声（干扰）电压时，只要噪声电压的幅度在一定的范围内，就不会影响只要噪声电压的幅度在一定的范围内，就不会影响电路输出的逻辑状态。电路输出的逻辑状态。UNLUILmaxUOLmaxUOFFUOLmax UNHUOHminUIHminUOHminUON （4）输入端负载特性）输入端负载特性l TTL反相器输入端的电阻值，对反相器的状态有很大反相器输入端的电阻值，对反相器的状态有很大的影响。的影响。当输入端开路时（当输入端开路时（RI= ），相当输入接高），相当输入接高电平，输出为电平，输出为UOL；当输入对地短路时（；当输入对地短路时（RI=0），相），相当于输入接低电平，输出为当于输入接

47、低电平，输出为UOH。当输入端经过电阻当输入端经过电阻接地时，输出端是高电平还是低电平？接地时，输出端是高电平还是低电平？ 1）关门电阻）关门电阻ROFFl 当反相器输入端接电阻当反相器输入端接电阻RI时，如果时，如果RI=0，则该支路中，则该支路中电流为输入端短路电流。电流为输入端短路电流。l 当当RI稍有增加时，稍有增加时，RI上的压降也稍有增加，但这个压上的压降也稍有增加，但这个压降降uI很小，仍保持输入为低电平的状态。很小，仍保持输入为低电平的状态。l 随着随着RI的增加，的增加，uI不断增加，当增加到某一数值时，不断增加，当增加到某一数值时，RI上的电压达到关门电平上的电压达到关门电

48、平UOFF。此时输出电压开始从。此时输出电压开始从UOHmin下降，对应的电阻值称为下降，对应的电阻值称为ROFF。当。当RIROFF时，时，反相器处于关断状态。反相器处于关断状态。l 通常通常ROFF小于小于0.85k 。 1OFFOFFCCBE1OFFRURVUU 2）开门电阻）开门电阻RONl 如果把反相器输入端的电阻如果把反相器输入端的电阻RI继续加大，输入电压继续加大，输入电压uI随之增加，当随之增加，当uI增加到开门电平增加到开门电平UON时，反相器转入时，反相器转入开通状态，输出低电平。此时，对应的电阻值就是开开通状态，输出低电平。此时，对应的电阻值就是开门电阻门电阻RON。当。

49、当RIRON时，非门处于开态。时，非门处于开态。l 通常开门电阻通常开门电阻 RON大于大于2k 。1ONONCCBE1ONRURVUU3TTL反相器的主要参数反相器的主要参数l （1）UILmax（UOFF），）， UOFF约为约为0.8V。 l （2）UIHmin（UON），），UON约为约为2.0V l （3）UOLmax，典型值为，典型值为0.5V l （4）UOHmin，典型值为，典型值为2.7V。l （5）IIS，输入短路电流。输入短路电流。l （6）IIH，通常也被称为输入漏电流。，通常也被称为输入漏电流。 l （7）扇出系数）扇出系数NO。TTL门扇出系数的计算方法和门扇出系数

50、的计算方法和 CMOS门的计算方法一样，这里不再赘述。门的计算方法一样，这里不再赘述。l （8）平均传输时间）平均传输时间tpd2.4.32.4.3 其它类型其它类型TTLTTL门电路门电路 1其它逻辑功能的其它逻辑功能的TTL门电路门电路 （1）与非门）与非门 （2）或非门）或非门2集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）l 各种各种TTL门电路都采用推拉式输出，所以不论输出高还门电路都采用推拉式输出，所以不论输出高还是低电平，输出端的等效电阻都很低。这样，若需要将是低电平，输出端的等效电阻都很低。这样，若需要将几个与非门的输出端连在一起使用时就会出现问题。几个与非门的输出端连在一起使用时就

51、会出现问题。l 与与CMOS漏极开路门相比，漏极开路门相比，OC门可以承受较高的电压门可以承受较高的电压和较大的电流。与和较大的电流。与OD门电路一样，门电路一样，OC门也必须外接上门也必须外接上拉电阻，电路才能正常工作。拉电阻，电路才能正常工作。 3三态（三态（TSL）输出门电路）输出门电路l 与与CMOS三态门一样，三态门一样，TTL三态门也是在普通门电路三态门也是在普通门电路的基础上，增加控制电路构成的。的基础上，增加控制电路构成的。l 当使能端接低电平时，当使能端接低电平时，T6管截止，其集电极电压（管截止，其集电极电压（P点）为高电平，点）为高电平，D1截止。电路功能与普通截止。电路

52、功能与普通TTL与非门与非门相同，当使能端接高电平时，相同，当使能端接高电平时，T6管集电极电压为低电管集电极电压为低电平，这时平，这时D1导通，导通，将将Q点箝在点箝在1V左右，左右，使使T3截止。同时截止。同时T1发射极接低电平，发射极接低电平，使使T2、T4都截止，都截止，电路输出呈高阻状态电路输出呈高阻状态2.5 集成门电路使用中的几个实际问题集成门电路使用中的几个实际问题2.5.1 集成门电路的使用集成门电路的使用1选用集成门电路的一般原则选用集成门电路的一般原则实际应用中，根据数字逻辑电路设计要求来选实际应用中，根据数字逻辑电路设计要求来选用合适的逻辑器件。用合适的逻辑器件。考虑的指标包括包括：电源电压，输入和输出考虑的指标包括包括：电源电压，输入和输出高、低电平的最大值和最小值，噪声容限，扇高、低电平的最大值和最小值，噪声容限，扇出系数，工作频率和功耗等。出系数，工作频率和功耗等。 2门电路使用的注意事