第4章门电路

1、4.1 引言引言 实现基本逻辑运算和组合逻辑运算的单元电路称为实现基本逻辑运算和组合逻辑运算的单元电路称为门门电路电路。基本的逻辑关系有与、或、非三种，与此对应的基。基本的逻辑关系有与、或、非三种，与此对应的基本门电路有与门、或门、非门，此外还有与非门、或非门、本门电路有与门、或门、非门，此外还有与非门、或非门、与或非门、异或门等。与或非门、异或门等。 门电路按内部元器件的不同，可分成门电路按内部元器件的不同，可分成TTL 和和CMOS 两大类。为了更好地使用门电路，需要首先了解门电路的两大类。为了更好地使用门电路，需要首先了解门电路的内部结构，这样才能更好地掌握门电路的逻辑功能和电气内部结构

2、，这样才能更好地掌握门电路的逻辑功能和电气特性。特性。 第第4章章 门电路门电路 半导体二极管具有单向导电性，外加正向电压时导通，半导体二极管具有单向导电性，外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，因此二极管可近似看成一个受外加外加反向电压时截止，因此二极管可近似看成一个受外加电压控制的开关。电压控制的开关。 二极管的开关电路二极管的开关电路 4.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 1. 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性2. 正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑正逻辑正逻辑:高电平用逻辑常量高电平用逻辑常量1表示，低电平用表示，低电平用0表示表示。负逻辑负逻辑:高电平用逻辑常量高电平

3、用逻辑常量0表示，低电平用表示，低电平用1表示表示。 高低电平与正负逻辑高低电平与正负逻辑 3. 半导体二极管与门半导体二极管与门 二极管与门电路可由二极管和电阻构成。图为二二极管与门电路可由二极管和电阻构成。图为二输入与门电路，输入与门电路，A、B是输入端，是输入端，P是输出端是输出端。 二极管与门二极管与门 4.3 TTLTTL门电路门电路 TTL门电路将若干晶体管、二极管和电阻集成并门电路将若干晶体管、二极管和电阻集成并封装在一块硅片上，使得门电路具有体积小、重量轻、封装在一块硅片上，使得门电路具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、焊点少、可靠等优点，因此功耗小、成本低、焊点少、可靠等优点

4、，因此TTL门门电路得到了广泛应用。电路得到了广泛应用。 最早的最早的TTL门电路是门电路是74和和54系列，系列，54系列为军用系列为军用级产品，该系列对供电电源要求不高，并且温度范围级产品，该系列对供电电源要求不高，并且温度范围为为-55125 ，74系列为商用级产品，该系列对供电电系列为商用级产品，该系列对供电电源有严格要求，并且温度范围为源有严格要求，并且温度范围为070 。本章主要讨。本章主要讨论论74系列产品，为简化起见，将厂商前缀代码和封装系列产品，为简化起见，将厂商前缀代码和封装类型后缀代码略去，例如类型后缀代码略去，例如74系列反相器记作系列反相器记作7404。CCC4.3.

5、1 双极型晶体管的开关特性双极型晶体管的开关特性 (1) uI为低电平时，晶体管截止，为低电平时，晶体管截止， 相当于集电极和发射相当于集电极和发射极之间断开。输出极之间断开。输出uOVCC，相当于输出高电平。，相当于输出高电平。(2) uI为高电平时，选择合适的电阻为高电平时，选择合适的电阻Rb、Rc，可以使晶，可以使晶体管饱和，输出低电平。体管饱和，输出低电平。 双极型晶体管的开关电路双极型晶体管的开关电路 4.3.2 标准标准TTL与非门与非门 1.输入级的输入级的VT1、R1为为与门。与门。 2.中间级是放大电路。中间级是放大电路。 3.输出级为反相器。输出级为反相器。 324RR1R

6、OUBAV5CCVk4k1k6 . 1130R1VT2VT3VT5VT4VD32RRk1k6 . 12VT1RBAk41VTR1BA5VC CVb1c14OUV5CCV130R3VT5VT4VD 标准标准TTLTTL与非门电路结构与非门电路结构 1.电路结构和工作原理电路结构和工作原理(2) 输入有低电平时，输出为高电平输入有低电平时，输出为高电平(关态关态) （输入有（输入有“0”，输出为，输出为“1”）(1) 输入全为高电平时，输出为低电平输入全为高电平时，输出为低电平(开态开态) （输入全（输入全“1”，输出为，输出为“0”）工作原理工作原理(1)开态开态“1”OU =L ? ?0.7V

7、1.4V1VOU =L 因为所有的输入端为因为所有的输入端为高电平，高电平，VT1管的两个管的两个发射结都反偏，于是发射结都反偏，于是VCC通过通过R1和和VT1的集的集电结向电结向VT2提供基流提供基流 IB2。只要电路参数设。只要电路参数设计正确，计正确，VT2可饱和，可饱和，VT2将将IB2放大后又可放大后又可驱动驱动VT5饱和。饱和。 与此同时，因为与此同时，因为UC2 = UE2+UCES20.7+0.3=1V，所以，所以1V这一电位差这一电位差值不可能同时打开两个串联的值不可能同时打开两个串联的PN结，即结，即VT3的发射结和的发射结和VD4，故，故VT3和和VD4截止。所以，截止

8、。所以， UOL=UCES50.3V 所以所以VCC不会经不会经R4向向VT5灌入电流，灌入电流，VT5的集电极电流只可能由外电的集电极电流只可能由外电路提供，并流入路提供，并流入VT5，这个电流称为，这个电流称为输出低电平电流IOL，也称也称灌电流。I IOL? ?324RRR1ROUBAV5CCVk4k1k6 . 11301VT2VT3VT5VT4VD2.1V(2)关态关态“0”0.3VI IOHOU =HCCV=R2U+BE3UD4UOUIiLOU=-CCVR2U-BE3U-D4U=5-0-0.7-0.7=3.6V 该电位不足以使该电位不足以使VT2及及VT5导通，因此导通，因此VT2及

9、及VT5截止。截止。VT2截止，截止，VCC经经R2有电流有电流向向VT3的基极流去，使的基极流去，使VT3饱和，于是可以列出如下饱和，于是可以列出如下方程式方程式324RRR1ROUBAV5CCVk4k1k6 . 11301VT2VT3VT5VT4VD1V 输出高电平时，可以有电流从输出端流出，这输出高电平时，可以有电流从输出端流出，这个电流称为个电流称为输出高电平电流输出高电平电流IOH ，也称，也称拉电流拉电流。 2.TTL与非门外特性和主要参数与非门外特性和主要参数TTL逻辑门的特性曲线有：逻辑门的特性曲线有：输出特性曲线输出特性曲线输出高电平负载特性曲线输出高电平负载特性曲线 uO=

10、f (iOH)输出低电平负载特性曲线输出低电平负载特性曲线 uO=f (iOL)电压传输特性曲线电压传输特性曲线uO=f (uI)输入特性曲线输入特性曲线uI=f (iI)输入负载特性曲线输入负载特性曲线uI=f (R)(1)电压传输特性曲线电压传输特性曲线uO=f (uI) 电压传输特性曲线就是研究在逻辑门的输入电压变化电压传输特性曲线就是研究在逻辑门的输入电压变化时，逻辑门的输出电压是如何变化的。电压传输特性的测时，逻辑门的输出电压是如何变化的。电压传输特性的测试电路如左图所示，特性曲线示于右图。试电路如左图所示，特性曲线示于右图。 电压传输特性的测试电路和曲线电压传输特性的测试电路和曲线

11、 AB段段-对应逻辑门的关态，对应逻辑门的关态，输出高电平输出高电平BC段段-为线性区为线性区CD段段-为过渡区为过渡区DE段段-对应逻辑门的开态，对应逻辑门的开态，输出低电平输出低电平逻辑电平参数逻辑电平参数UOLMAX输出低电平最大值，一般规定为输出低电平最大值，一般规定为0.4V。UOHMIN输出高电平最小值，一般规定为输出高电平最小值，一般规定为2.4V 。 UT阈值电压，过渡区中点所对应的输入电压。阈值电压，过渡区中点所对应的输入电压。 当当uIUoff时，时，uo迅速迅速下降到下降到UOL。当。当uO刚刚降到刚刚降到UOL时，对应的输入电压定时，对应的输入电压定义为开门电平（义为开

12、门电平（Uon）。当）。当uIUon 时，时，uO为低电平为低电平UOL。关门电平关门电平Uoff和开门电平和开门电平Uon输入低电平最大值输入低电平最大值UILMAX和输入高电平最小值和输入高电平最小值UIHMIN 因此，技术规范确定，因此，技术规范确定，Uoff和和Uon各让出一定的电压各让出一定的电压值，确定了值，确定了输入低电平最大值UILMAX和和输入高电平最小值UIHMIN以分别代替以分别代替Uoff和和Uon。当。当uIUILMAX时电路处于时电路处于关态；当关态；当uIUIHMIN时电路时电路处于开态。处于开态。 由于电压传输特性曲线中对应由于电压传输特性曲线中对应Uoff和和

13、Uon处是很陡的，所处是很陡的，所以以Uoff与与Uon不便于测量，此外电源、温度的变化，也会影响不便于测量，此外电源、温度的变化，也会影响Uoff和和Uon，加上制造上不可避免的分散性，在工厂中不便通，加上制造上不可避免的分散性，在工厂中不便通过这两个参数来确定每个逻辑门是否合乎标准。过这两个参数来确定每个逻辑门是否合乎标准。 当输入低电平时，虽有外来正向干扰，但只要不超过当输入低电平时，虽有外来正向干扰，但只要不超过UILMAX，电路的关态就不会受到破坏。输入低电平时，允，电路的关态就不会受到破坏。输入低电平时，允许的干扰电平范围（许的干扰电平范围（UILMAX-UOL）称为）称为低电平噪

14、声容限低电平噪声容限UNL（或（或“0”）。）。 同样，当输入高电平同样，当输入高电平时，加上外来负向干扰，时，加上外来负向干扰，只要不低于只要不低于UIHMIN，就不，就不会破坏电路的开态。允许会破坏电路的开态。允许的干扰电平范围（的干扰电平范围（UOH- -UIHMIN）称为）称为高电平噪声容限UNH（或（或“1”）。）。噪声容限噪声容限(2) 输入特性曲线输入特性曲线uI=f (iI) TTL与非门的输入特性描述了输入电流与输入电压的与非门的输入特性描述了输入电流与输入电压的函数关系，测试电路如图函数关系，测试电路如图(a)所示，输入特性曲线如图所示，输入特性曲线如图(b)所示。所示。

15、输入特性的测试电路和曲线输入特性的测试电路和曲线 (a) (b) (a) 当当uI=0V时所对应的输入时所对应的输入电流称为输入短路电流电流称为输入短路电流IS 。 (b) 当当uI1.3V时，时，iI流入流入VT1管，且管，且iI约为约为50A，该电流，该电流称为反向漏电流称为反向漏电流IR ，它是输，它是输入端为高电平时从该输入端入端为高电平时从该输入端流入流入VT1管的电流。管的电流。(3) 输入负载特性曲线输入负载特性曲线uI=f (R) 输入负载特性中的输入负载特性中的R是外接于与非门输入端的电阻。是外接于与非门输入端的电阻。uI是射极电流流过是射极电流流过R时产生的压降，它不是外加

16、的电压。时产生的压降，它不是外加的电压。测试电路如图测试电路如图(a)所示，输入特性曲线如图所示，输入特性曲线如图(b)所示。所示。(b) (a) 输入负载特性的测试电路和曲线输入负载特性的测试电路和曲线 (1) 电阻电阻R=0时，时，uI=0，输出高电平。，输出高电平。(2) 当当R增加到某一数值，增加到某一数值，R上的压降达到关门电平上的压降达到关门电平Uoff时，对时，对应的电阻值称为关门电阻应的电阻值称为关门电阻Roff。 (3) 电阻电阻R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增加到增加到1.4V时，时，VT2和和VT5同时导通，将同时导通，将uB1钳在

17、钳在2.1V，所以即使，所以即使R再增大，再增大，uI也也不会再升高了，不会再升高了，uI增加到增加到1.4V对应的电阻值就是开门电阻对应的电阻值就是开门电阻Roff。(4) 输入端悬空时，电源电流通过电阻输入端悬空时，电源电流通过电阻R1流向流向VT2和和VT5，只，只要电路参数设计正确，要电路参数设计正确，VT2和和VT5可饱和导通，输出低电平。可饱和导通，输出低电平。VT2和和VT5饱和导通后，饱和导通后，VT1基极被箝位在基极被箝位在2.1V，此时用万用表，此时用万用表测量输入端电压，相当于在地和输入端之间串入一个大电阻，测量输入端电压，相当于在地和输入端之间串入一个大电阻，测得测得u

18、I=2.1-0.7=1.4V，相当于输入端接高电平，相当于输入端接高电平。(4)输出低电平负载特性曲线输出低电平负载特性曲线 uOL=f (iOL) 输出低电平负载特性曲线也称输出低电平负载特性曲线也称灌电流负载性曲线灌电流负载性曲线。在。在实际电路中灌电流是由后面所接的逻辑门输入低电平电流实际电路中灌电流是由后面所接的逻辑门输入低电平电流汇集在一起而灌入前面逻辑门的输出端所形成，测试电路汇集在一起而灌入前面逻辑门的输出端所形成，测试电路见下图。为保证输出是低电平，输入端应全部加高电平。见下图。为保证输出是低电平，输入端应全部加高电平。测试时灌电流是通过接向电源的一只电位器而获得的。测试时灌电

19、流是通过接向电源的一只电位器而获得的。 输出低电平负载特性的测试电路和曲线输出低电平负载特性的测试电路和曲线 (5)输出高电平负载特性曲线输出高电平负载特性曲线 uOH=f (iOH) 在实际电路中在实际电路中拉电流拉电流是由前面的逻辑门流出的高电平负是由前面的逻辑门流出的高电平负载电流，流向后面所接的逻辑门的输入端。此时由于后面所载电流，流向后面所接的逻辑门的输入端。此时由于后面所接逻辑门的输入晶体管的发射结是反向偏置，接逻辑门的输入晶体管的发射结是反向偏置，IIH很小，所以很小，所以拉电流拉电流 IOH也比较小。也比较小。 输出高电平负载特性的测试电路和曲线输出高电平负载特性的测试电路和曲

20、线 扇出系数扇出系数 门电路带实际负载时电路连接图如下图所示，扇出系门电路带实际负载时电路连接图如下图所示，扇出系数数NO是指在不超过额定电流值的情况下，逻辑门电路输是指在不超过额定电流值的情况下，逻辑门电路输出端能够连接同种类型逻辑门电路的个数，因此它是描出端能够连接同种类型逻辑门电路的个数，因此它是描述门电路带负载能力的参数。述门电路带负载能力的参数。OLMAXOLILMAXINIOHMAXOHIHMAXINI静态功耗静态功耗 静态功耗静态功耗PD由下式计算得出由下式计算得出 PD=0.5（ICCL+ICCH）VCC 其中，其中， ICCL为输出低电平电源电流；为输出低电平电源电流；ICC

21、H为输出为输出高电平电源电流。要注意对于几个相同的逻辑门电高电平电源电流。要注意对于几个相同的逻辑门电路封装在一起的产品，如四路封装在一起的产品，如四2输入与非门输入与非门7400，4个个与非门共用一个电源，因此从电源端（与非门共用一个电源，因此从电源端（14脚）测出脚）测出的电流是的电流是4个逻辑门的电流值，计算出来的功耗要除个逻辑门的电流值，计算出来的功耗要除以以4才是一个逻辑门的功耗。才是一个逻辑门的功耗。时间参数时间参数 输出电压从高电平变化到低电平相对于输入电压变化输出电压从高电平变化到低电平相对于输入电压变化的延迟时间的延迟时间tPHL 。输出电压从低电平变化到高电平相对。输出电压

22、从低电平变化到高电平相对于输入电压变化的延迟时间于输入电压变化的延迟时间tPLH 。 tPHL和和tPLH的平均值的平均值是是tpd 。2PLHPHLpdttt0101tPHLtPLHm5 . 0 Um5 . 0 U输出对输入的时间延迟输出对输入的时间延迟 IOH对电容负载的充电对电容负载的充电 4.3.3 其他系列其他系列TTL门门 20世纪世纪60年代后期以来，为了不断降低年代后期以来，为了不断降低IC内部的延迟时间和功内部的延迟时间和功耗，耗，74系列的发展经历了系列的发展经历了74H、74L、74S、74LS、74AS、74ALS、74F等几个阶段。等几个阶段。74H和和74L系列是早

23、期的改进系列。系列是早期的改进系列。74H系列，降系列，降低了延迟时间，但增加了功耗。低了延迟时间，但增加了功耗。74L系列功耗降低了，但延迟时间系列功耗降低了，但延迟时间增加了。为了解决延迟时间和功耗之间的矛盾，推出了工作速度快增加了。为了解决延迟时间和功耗之间的矛盾，推出了工作速度快的肖特基的肖特基74S系列，之后又出现了低功耗肖特基系列，之后又出现了低功耗肖特基74LS系列，其工作系列，其工作速度与标准型相当，但功耗低至标准型的速度与标准型相当，但功耗低至标准型的1/5。高级肖特基。高级肖特基74AS系系列的功耗比列的功耗比74S系列略大，但工作速度是系列略大，但工作速度是74S系列的两

24、倍。高级低功系列的两倍。高级低功耗肖特基耗肖特基74ALS系列是为了获得更高的速度和更低的功耗而设计的系列是为了获得更高的速度和更低的功耗而设计的改进系列，它的延迟时间约为标准型的改进系列，它的延迟时间约为标准型的1/3，功耗为标准型的，功耗为标准型的1/8，可以说是可以说是74AS系列的低功耗版。而系列的低功耗版。而74F系列的速度和功耗介于系列的速度和功耗介于74AS和和74ALS系列之间。系列之间。74LS系列从出现到目前相当长的时间里一直是系列从出现到目前相当长的时间里一直是TTL的主流系列。的主流系列。 4.3.4 TTL集电极开路门集电极开路门 TTL门电路的输出级除了采用推挽式输

25、出外，还可以采门电路的输出级除了采用推挽式输出外，还可以采用集电极开路用集电极开路(OC)输出。输出。OC门电路结构和逻辑符号门电路结构和逻辑符号 使用时，在输出端与电源之间要接一个上拉电阻使用时，在输出端与电源之间要接一个上拉电阻Rc，否则不能获得高电平输出。否则不能获得高电平输出。 “线与线与”功能的实现功能的实现 推挽式输出级并联的情况 由于上拉电阻的接入，由于上拉电阻的接入，OC门的输出端允许并联，通常把这种线上门的输出端允许并联，通常把这种线上实现实现“与与”逻辑的方式称为逻辑的方式称为“线与线与”。标准。标准TTL系列逻辑门的输出系列逻辑门的输出端是不允许并联使用的。两个标准端是不

26、允许并联使用的。两个标准TTL门的输出端并联如图所示，门的输出端并联如图所示，当一个门是高电平输出，另一个是低电平输出时，因为处于开态的当一个门是高电平输出，另一个是低电平输出时，因为处于开态的输出管电阻很小，从另一个门就会有很大的拉电流流出，灌入处于输出管电阻很小，从另一个门就会有很大的拉电流流出，灌入处于开态的输出管中，从而使输出电压值超出规定的逻辑电平。另外由开态的输出管中，从而使输出电压值超出规定的逻辑电平。另外由于该电流过大，有可能使门电路损坏。于该电流过大，有可能使门电路损坏。PAB CDABCD 两个两个OC与非门的做线与运算的同时也实现了与或非与非门的做线与运算的同时也实现了与

27、或非逻辑关系，这种逻辑关系的获得只需外接一个负载电阻逻辑关系，这种逻辑关系的获得只需外接一个负载电阻Rc即可，因而使用十分方便、经济，与此同时，即可，因而使用十分方便、经济，与此同时，OC门的门的功耗也有所下降。功耗也有所下降。 上拉电阻上拉电阻Rc的确定的确定 RC的值大小合适，的值大小合适，OC门连在一起才能正常工作。当门连在一起才能正常工作。当N个个OC门并联后输出高电平，即门并联后输出高电平，即uO=UOH，后面带，后面带K个个TTL门的输入端，见下图。门的输入端，见下图。OHCCRccCCOHIHc()UVIRVNIKIRCCOHMINcMAXOHIHVURNIKI当OC门中有低电平

28、输出时，对应的电路情况见下图。CCOLOLcILILcRVUIIMIMIRILOLOLMAXCCcMINMIIUVR4.3.5 TTL三态门三态门 三态(TS)输出门与一般门电路不同，它的输出端除了可与一般门电路不同，它的输出端除了可以出现高电平、低电平外，还可以出现第三种状态以出现高电平、低电平外，还可以出现第三种状态高阻高阻态态。TS门电路结构和逻辑符号门电路结构和逻辑符号 三态门的应用三态门的应用 三态门在数字电路中是一种重要的器件，可以实现数据的双三态门在数字电路中是一种重要的器件，可以实现数据的双向传输，如图向传输，如图(a)所示电路，当控制端所示电路，当控制端C=0时，三态门时，三

29、态门G1工作，工作，G2高高阻，数据由阻，数据由A传输到传输到B；当；当C=1时，时，G2工作，工作，G1高阻，数据由高阻，数据由B传输传输到到A。 三态门还可以挂接在一组总线（三态门还可以挂接在一组总线（BUS）上，来实现不同数字）上，来实现不同数字器件之间的数据传输。如图器件之间的数据传输。如图(b)所示，通过控制三态门的使能端就可所示，通过控制三态门的使能端就可以分时地将数据传输到总线上。以分时地将数据传输到总线上。(a) 数据的双向传输 (b) 数据的总线传输4.4 CMOSCMOS门电路门电路 4.4.1 MOS管开关电路管开关电路 当输入高电平时，当输入高电平时，MOS管管导通。此

30、时，输出电压为导通。此时，输出电压为 dsODDdsdRuVRR若若 Rd Rds ，则，则O0Vu 当输入为低电平时当输入为低电平时, MOS管截止管截止, 输出高电平。输出高电平。4.4.2 CMOS反相器反相器 CMOS反相器的电路如图所反相器的电路如图所示。它由一个示。它由一个N沟道沟道MOS管和一管和一个个P沟道沟道MOS管组成。两个栅极管组成。两个栅极相连作为输入端，两个漏极相连相连作为输入端，两个漏极相连作为输出端。作为输出端。 当输入为高电平时，当输入为高电平时，VTN导导通，通，VTP截止。输出低电平。截止。输出低电平。 当输入为低电平时，当输入为低电平时， VTP 导导通，

31、通， VTN截止。输出高电平。截止。输出高电平。 优点：优点： 因为因为VTP 和和 VTN不同时导通，所以没有从上到下的贯不同时导通，所以没有从上到下的贯通电流，静态功耗十分微小。通电流，静态功耗十分微小。CMOS集成电路还有一系列特点集成电路还有一系列特点 ： 1.供电电压范围宽，供电电压范围宽，1.5V20V ;2.高电平接近电源电压高电平接近电源电压, 约比电源电压小约比电源电压小0.1V , 对电源对电源 电压的利用率高电压的利用率高;低电平接近等于低电平接近等于0 , 约约 0.1V;3.与与TTL的连接问题的连接问题,即逻辑电平兼容的问题即逻辑电平兼容的问题 ;4. 阈值电平为电

32、源电压的阈值电平为电源电压的40%60% , 噪声容限大噪声容限大;5. CMOS的动态功耗将随工作频率的提高而提高的动态功耗将随工作频率的提高而提高 ;6. 扇出系数与工作频率有关，与输出端的分布电容有关。扇出系数与工作频率有关，与输出端的分布电容有关。 CMOS门电路的电压传输特性曲线如下左图所示门电路的电压传输特性曲线如下左图所示; CMOS门电路的速度功耗特性曲线如下右图所示。门电路的速度功耗特性曲线如下右图所示。4.4.3 CMOS与非门和或非门与非门和或非门 CMOS与非门的电路图与其等效的逻辑电路图如下。与非门的电路图与其等效的逻辑电路图如下。 ABBAPCMOS或非门的电路图与其等效的逻辑电路图如下。或非门的电路图与其等效的逻辑电路图如下。 VTPVTNVTNVTPVTNVDDVTPVTNVTPVTNPBAVTPBAQBAB