数电课件第2章门电路

1、0100 1000 0111 0101 0110 0001 0110 1110 0110 0111 0110 0001 0110 1110 0111 0010 0110 0001 0110 1110 0011 0010 0011 0000 0011 0000 0011 0110 0011 0100 0011 0001 0011 0110 0100 1000 0111 0101 0110 0001 0110 1110 0110 0111 0110 0001 0110 1110 0111 0010 0110 0001 0110 1110 0011 0010 0011 0000 0011 0000

2、0011 0110 0011 0100 0011 0001 0011 0110 0100 1000 0111 0101 0110 0001 0110 1110 0110 0111 0110 0001 0110 1110 0111 0010 0110 0001 0110 1110 0011 0010 0011 0000 0011 0000 0011 0110 0011 0100 0011 0001 0011 0110 0100 1000 01110100 1000 0111 0101 0110 0001 0110 1110 0110 0111 0110 0001 0110 1110 0111 0

3、010 0110 0001 0110 1110 0011 0010 0011 0000 0011 0000 0011 0110 0011 0100 0011 0001 0011 0110 0100 1000 0111 0101 0110 0001 0110 1110 0110 0111 0110 0001 0110 1110 0111 0010 0110 0001 0110 1110 0011 0010 0011 0000 0011 0000 0011 0110 0011 0100 0011 0001 0011 0110 0100 1000 0111 0101 0110 0001 0110 1

4、110 0110 0111 0110 0001 0110 1110 0111 0010 0110 0001 0110 1110 0011 0010 0011 0000 0011 0000 0011 0110 0011 0100 0011 0001 0011 0110 0100 1000 01110100 1000 0111 0101 0110 0001 0110 1110 0110 0111 0110 0001 0110 1110 0111习题与思考题习题与思考题作业题号作业题号第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路2.1 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 2.2 半导体三极管门电路半导体三极管

5、门电路2.3 TTL 集成集成门电路门电路2.4 CMOS集成门电路集成门电路2.5* 集成门电路的实际应用问题集成门电路的实际应用问题 门电路门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。作业题号作业题号本章重点本章重点2.1 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 1.二极管的开关作用二极管的开关作用2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性（1）加正向电压）加正向电压 时，二极管导通，管压降时，二极管导通，管压降VON很小。二极很小。二极管可近似成一个闭合的开关。管可近似成一个闭合的开关。FIRLFVD等效为等效为FRVLONVFIIF为二

6、极管正向电流。为二极管正向电流。硅管硅管VON=0.7V，锗管，锗管VON=0.3V（2）加反向电压）加反向电压 或或 vVON时，二极管截止，时，二极管截止，IS电流近似为电流近似为0。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。条件：条件： 外加电源电压外加电源电压较低较低而外加电阻而外加电阻较大较大时，时，这种近似是合理的。这种近似是合理的。SIRLRVDLVRR等效为等效为IS为二极管反向电流，稳态很小，可忽略。为二极管反向电流，稳态很小，可忽略。(1) vVON，i 0 。(2) v VON，v =VON 。（3）近似特性）近似特性恒压降近似恒压降近似动态情况动态情况理想

7、情况理想情况2.二极管的动态开关特性二极管的动态开关特性输入信号（输入信号（vI）是）是脉冲信号脉冲信号时时:DiIvtre：反向恢复时间反向恢复时间存储电荷消散所需要的时间。存储电荷消散所需要的时间。开关时间：开关时间：二极管正向导通需要时二极管正向导通需要时间间-开通时间开通时间很短，影响二极管开关很短，影响二极管开关时间的主要是时间的主要是反向恢复时间。反向恢复时间。LR稳态稳态(VI=VF)稳态稳态(VI=VR)IS0器件的延迟会影响电路允许输入信号的最高频率。器件的延迟会影响电路允许输入信号的最高频率。VFRLVF VONIF =2.1.2 二极管门电路二极管门电路高电平高电平(2-

8、5V)代表代表1；低电平低电平(0-0.8V)代表代表0。1二极管与门二极管与门VAVBVY0V0V0V3V3V0V3V3V3.7V0.7V0.7V0.7VD1,D2导通导通D1,D2导通导通D2导通，导通，D1截止截止D1导通，导通，D2截止截止电压关电压关系表系表设设VCC=5V VIH=3V, VIL=0VABY000010100111缺点：缺点：1. .电平偏移；电平偏移； 2. .负载能力差。负载能力差。一般用作保护电路和钳位电路，一般用作保护电路和钳位电路，或作逻辑电路的输入级，在集成或作逻辑电路的输入级，在集成电路中并不使用。电路中并不使用。Y=AB2二极管或门二极管或门ABY0

9、00011101111VAVBVY0V0V0V3V3V0V3V3V0V2.3V2.3V2.3V高电平高电平(2-5V)代表代表1；低电平低电平(0-0.8V)代表代表0。设：设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0VD1,D2截止截止D1,D2导通导通D1截止截止,D2导通导通D1导通导通,D2截止截止缺点：缺点：(1) 电平偏移；电平偏移； (2) 负载能力差。负载能力差。Y=A+BiBiB=02.2.1 三极管的开关特性三极管的开关特性2.2 半导体三极管门电路半导体三极管门电路 vI=0时，时，vO=VCC=1，开关断开。开关断开。vI=1时，时，vO=0，开关闭合。开关闭合。饱和

10、饱和区区截止区截止区VCE =VCC-iCRCQ1）截止状态：）截止状态：VBEVON 三极管导通三极管导通 BvBE=0.7V，vCE0.7V发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏0ViC iB0.7V0.7V工作在放大区，工作在放大区，v vCECE 较大，不能作为开关特性。较大，不能作为开关特性。iBiB=0放大区放大区RBvI vBEiB =EBC （3）饱和状态：）饱和状态：vI增加，增加，iB增加，当增加，当vCEvBE0.7V时，集电结变时，集电结变为零偏，称为为零偏，称为临界饱和状态临界饱和状态，对应，对应C点。此时的集电极电流为点。此时的集电极电流为ICS，基极电流为基

11、极电流为IBS。临界饱和临界饱和B0V0.7V0.7V在临界饱和状态：在临界饱和状态：vBC=0vBE=0.7V，vCE=0.7ViBiB=0集电极临界集电极临界饱和电流：饱和电流：RCVCC 0.7VICS =RCVCC 基极临界基极临界饱和电流：饱和电流：ICS IBS =RCVCC = EBC vI 继续增加继续增加，iB会继续增加，会继续增加，vCEvBE0.7V，集电结正偏，集电结正偏，三三极管进入饱和状态。极管进入饱和状态。0V0.7VvC，BC结正偏。结正偏。 iB IBS ，发射结，发射结正偏正偏，集电结也，集电结也正偏正偏， iCICS基本不变，基本不变， vCE=vCES0

12、.3 V。工作在饱和状态时工作在饱和状态时：C、E间相当于开关闭合间相当于开关闭合工作在饱和区判据：工作在饱和区判据：iB IBS iBiB=0近似的近似的等效电路等效电路管压降管压降集电极电流集电极电流偏值情况偏值情况电流判断条件电流判断条件放放 大大截截 止止开关作用开关作用工作状态工作状态饱饱 和和B0i BBS0 ton，ts tf，ts 是决定三极管开关特性的主要参数是决定三极管开关特性的主要参数 提高开关速度，通常要减轻三极管的饱和深度。提高开关速度，通常要减轻三极管的饱和深度。tdtrtontftstoff饱和深度饱和深度=BBSiIton = td + trtoff = ts

13、+ tf稳态稳态稳态稳态因此因此: :关断时间关断时间(toff) : 指三极管由正向导通转为反向截止所需的时间，即关闭指三极管由正向导通转为反向截止所需的时间，即关闭时间（主要是清除三极管内存储电荷的时间）时间（主要是清除三极管内存储电荷的时间）(1) 三极管在快速变化的脉冲信号的作用下，其状态在截止与饱和导通之三极管在快速变化的脉冲信号的作用下，其状态在截止与饱和导通之 间转换，三极管输出信号随输入信号变化的动态过程称开关特性。间转换，三极管输出信号随输入信号变化的动态过程称开关特性。(3) 三级管的开启时间和关闭时间总称为三极管的开关时间，提高开关速三级管的开启时间和关闭时间总称为三极管

14、的开关时间，提高开关速度就是减小开关时间。因为有度就是减小开关时间。因为有ts 的大小是决定三极管开关时间的主要参数。所以为的大小是决定三极管开关时间的主要参数。所以为提高开关速度通常要减轻三极管饱和深度。提高开关速度通常要减轻三极管饱和深度。题题2-1三极管的开关特性指的是什么？什么是三极管的开通三极管的开关特性指的是什么？什么是三极管的开通时间和关断时间？若希望提高三极管的开关速度，应采取时间和关断时间？若希望提高三极管的开关速度，应采取哪些措施？哪些措施？(2) 开通时间开通时间(ton) : 指三极管由反向截止转为正向导通所需时间，即开指三极管由反向截止转为正向导通所需时间，即开启时间

15、是启时间是(三极管发射结由宽变窄及基区建立电荷所需时间）三极管发射结由宽变窄及基区建立电荷所需时间）练习练习ts 存储时间存储时间tf 下降时间下降时间 toff ton，ts tf，toff = ts + tf2.2.2 三极管反相器三极管反相器【例例2-1】 在如图在如图2-7所示的反相器电路中，若三极管导通时所示的反相器电路中，若三极管导通时VBE=0.7V，饱和压降，饱和压降vCES=0.3V，=30，VIH=5V ,VIL=0V。（1）计算并说明电路参数的设计是否合理。）计算并说明电路参数的设计是否合理。（2）试说明电路中哪些参数影响三极管是否饱和？）试说明电路中哪些参数影响三极管是

16、否饱和？ 当当vI=VIL=0时：三极管截止，时：三极管截止，vO=VCC=5V（1） 根据饱和条件根据饱和条件 iBIBS解题。解题。AIHBEBBB50.750.70.43(m )10VViRR mACCBSCC550.167()301VIRR 当当vI=VIH=5V时：三极管导通时：三极管导通iB IBS 三极管饱和，三极管饱和，vO=vCES=0.3V电路实现了反相器功能，电路实现了反相器功能，电路参数设计合理电路参数设计合理2.2.2 三极管反相器三极管反相器【例例2-1】 在如图在如图2-7所示的反相器电路中，若三极管导通时所示的反相器电路中，若三极管导通时（2）试说明电路中哪些参

17、数影响三极管是否饱和？）试说明电路中哪些参数影响三极管是否饱和？CCIHBEBCVVVRR 电流判断条件是电流判断条件是iBIBS 则有：则有：在输入电压在输入电压VIH和电源电压和电源电压VCC一定时，一定时，RB越小越小 ，RC越大，越大， 越大，三极管越易于饱和越大，三极管越易于饱和VBE=0.7V，饱和压降，饱和压降vCE=0.3V，=30，VIH=5V ,VIL=0V。练习练习 (1) 设三极管设三极管T的开启电压的开启电压VBE=0.7V，112IBBBIVVVVRRR 0.7V ,代人已知数值得：代人已知数值得： 因此因此VI 4.7V 题题2-3 电路如图所示，其三极管为硅管，

18、电路如图所示，其三极管为硅管，=20， 试求试求:（1）VI小于何值时，三极管小于何值时，三极管T截止；截止； （2）VI大于何值时，三极管大于何值时，三极管T饱和；饱和； 则则VB 4.7V时，三极管时，三极管T饱和。饱和。I1iBI2VI 2.8V2.3 TTL 集成门电路集成门电路2.3.1 TTL反相器电路结构及原理反相器电路结构及原理 2.3.2 TTL反相器的电压传输特性和抗干扰能力反相器的电压传输特性和抗干扰能力2.3.3 TTL反相器的静态输入特性、输出特性和负载能力反相器的静态输入特性、输出特性和负载能力 2.3.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性2.3.5 TTL门

19、电路的其他类型门电路的其他类型2.3.6 TTL集成门系列简介集成门系列简介2.3 TTL 集成门电路集成门电路TTL-Transistor-Transistor Logic三极管三极管三极管逻辑三极管逻辑(电路电路)小规模集成电路小规模集成电路SSI：元件为：元件为10100个。个。中规模集成电路中规模集成电路MSI：元件为：元件为102103个。个。大规模集成电路大规模集成电路LSI：元件为：元件为103104个。个。超大规模集成电路超大规模集成电路VLSI：元件为一万个以上。：元件为一万个以上。集集成成度度(5-V TTL: 0-0.8V输入低电平输入低电平 , 2- 5V输入高电平输入

20、高电平)TTL集成门属于小规模集成电路集成门属于小规模集成电路 集成电路集成电路:英文英文Integrated Circuit,简称简称IC。集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。集成电路的优点：体积小、重量轻、可靠性高，功耗低。2.3.1 TTL反相器电路结构及原理反相器电路结构及原理 1反相器的工作原理反相器的工作原理输入级输入级中间级中间级输出级输出级推拉式（推拉式（push-pull）、图腾柱）、图腾柱（totem-pole）输出电路）输出电路反相器逻辑关系：反相器逻辑关系：输入高电平时，输出为低电平；输入高电平时，输出为低电平；输入低电平时，输出为高电平。输入低电平时，输

21、出为高电平。T1是双向结构是双向结构:输出级可等效为：输出级可等效为：T1倒置状态，倒置状态，c和和e交换，交换， i 很小，在很小，在0.01以下。以下。1）输入为低电平）输入为低电平0.2V时时工作原理分析：工作原理分析：0.2T1 发射结导通，发射结导通，vB1=0.9V0.95.03.6T2 T5均截止均截止T4 D2导通导通vC2=vB4=5VvO=3.6V实现了输入为低电平时输出高电平实现了输入为低电平时输出高电平忽略忽略R2上的电流（很小）上的电流（很小）2）输入为高电平）输入为高电平VIH=3.6V时时T2 T5均饱和导通均饱和导通工作原理分析：工作原理分析：3.6T1 集电结

22、导通（集电结导通（T1是双向结构）是双向结构）0.71.00.2T1 发射结反相偏置发射结反相偏置T4 D2截止截止由于由于T2饱和导通，饱和导通，vC2=1.0V由于由于T5饱和导通，饱和导通，vO=0.2V实现了输入为高电平时输出低电平实现了输入为高电平时输出低电平根据上述分析，该电路可实现根据上述分析，该电路可实现反相器反相器功能功能2结构特点结构特点：推拉式（：推拉式（push-pull）输出电路，即输出电路，即T4 T5轮流工作轮流工作; D1钳位二极管，钳位二极管，D2电平偏移作用。电平偏移作用。4.3?2.13.62.11.42.3.2 TTL反相器的电压传输特性和抗干扰能力反相

23、器的电压传输特性和抗干扰能力1）AB段（截止区）段（截止区）0VvI0.6V 1电压传输特性曲线电压传输特性曲线 vO=f (vI)T5饱和饱和0.7VvB11.3V2）BC段（线性区）段（线性区）T2放大区放大区3）CD段（转折区段（转折区） 1.3VvI1.4V2.0VvB12.1V4）DE段（饱和区）段（饱和区） 阈值电压阈值电压 VTH =1.4VT5截止截止0.6VvI1.3V1.3VvB12.0VvB1T2T5截止截止T2导通导通T5截止截止T4D2截止截止T4D2T5导通导通3抗干扰能力抗干扰能力= 0.4V= 0.4V主要参数主要参数VOH(min)VIH(min)VIL(ma

24、x)VIL(max)VNH=VOH(min)-VIH(min)高电平噪声容限：高电平噪声容限： VNL=VIL(max)-VOL(max)低电平噪声容限：低电平噪声容限：在输出高、低电平基本不变的条件下，允许输入的变化范围。在输出高、低电平基本不变的条件下，允许输入的变化范围。负载负载驱动驱动2.3.3 反相器的静态输入特性、输出特性和负载能力反相器的静态输入特性、输出特性和负载能力1反相器的输入特性反相器的输入特性 iI = f (vI)（1）输入低电平的电流）输入低电平的电流 VIL=0.2VIIS 1mAvI =0V时输入电流时输入电流 IIS，称为称为输输入短路电流入短路电流IILII

25、SR1 VCC vBE1 VILIIL = 1mA（2）输入高电平的电流）输入高电平的电流IIHIIH40uAIIHVI = -0.5V以后以后 D1 保护管导通，电流不保护管导通，电流不流经内部电路。流经内部电路。 T1倒置，倒置，c和和e交换，交换，i 很小，很小，在在0.01以下。以下。IIH=IC1IB1IIH = IC1= iIB1 =7.5 AIB1=(VCC-2.1)/R10.75mA2.1IIH称为称为输入漏电流输入漏电流。2反相器的输入端负载特性反相器的输入端负载特性 vI = f (Rp)1）关门电阻：）关门电阻：Roff = 0.7k当当RP R1时时T1正向导通（正向导

26、通（T2 T5截止）有截止）有:RP2k相当于输入相当于输入VIHIIvB1=2.1VRPvIRP + R1 RP vI = (VCC VBE1)RP = 700vI = 0.64V VIL(max)题题2-7 指出图指出图2-65中各门电路的输出是什么状态（高电平、低中各门电路的输出是什么状态（高电平、低电平或高阻态）。已知这些门电路都是电平或高阻态）。已知这些门电路都是74系列的系列的TTL电路电路。IIHVI=VCC-IIHR VIH(min)VIR (VCC-VIH(min)/IIH=(5-2)/0.04=75kY1=0Y2=1Y3=1Y4=0Y5=0Y6=ZY7=1Y8=03反相器的

27、输出特性反相器的输出特性1 1）高电平输出特性）高电平输出特性VOH(min)=2.4V考虑功率损耗限制考虑功率损耗限制2.4V0.4mAVOH = f (iOH )iOH 升高，升高， VOH 下降。下降。iOH 0.4mA T4饱和前，饱和前，VOH基基本不随本不随iL变，变，T4饱和后，饱和后，VOH将随负载电流增加将随负载电流增加线性下降，其斜率基本线性下降，其斜率基本由由R4决定。决定。 受功耗限制，受功耗限制，74系列门系列门输出高电平时最大负载电输出高电平时最大负载电流不超过流不超过0.4mA。2444444244(-)-(-)-OHCCDcesCOHCBCOHCCDcesOHV

28、VVVRIiIIIVVVVRi T4饱和状态饱和状态:2444442(-1.4 )-(1)1(-1.4 )-OHCCBOHCBBOHOHBOHOHCCVVVRIiIIIiiIiVVVR 放大状态放大状态: :3反相器的反相器的输出特性输出特性1 1）高电平输出特性）高电平输出特性2.4V0.4mAVOH = f (iOH )IB4IC43反相器的输出特性反相器的输出特性2）输出为低电平时的输出特性）输出为低电平时的输出特性 VOL = f (iOL)VOL(max)=0.4V0.4V16mA T5饱和，饱和，c-e间等效电阻间等效电阻RCE不超过不超过10欧姆，因此直欧姆，因此直线斜率很小，带

29、负载能力强。线斜率很小，带负载能力强。VOL=iOL RCEiOL 升高，升高， VOL 增大。增大。iOL 16mA题题2-14 设发光二极管的正向导通电流为设发光二极管的正向导通电流为10mA，与非门的，与非门的 VCC=5V，VOL=0.3V，IOL=16mA， 试画出与非门驱动发光二极管的电路，并计算出发光二极试画出与非门驱动发光二极管的电路，并计算出发光二极 管支路中的限流电阻阻值。管支路中的限流电阻阻值。0.3V16mA 设发光二极管导设发光二极管导通电压为通电压为0.7V,为了满为了满足电流要求，则限流足电流要求，则限流电阻电阻R应满足下面不应满足下面不等式：等式：得到：得到：

30、i0.3V0.4mA不能提供发不能提供发光二极管需光二极管需要的电流。要的电流。VOH10mA i 16mA0.25k R 0.4kR 5 0.3 0.7 10 164TTL反相器的带负载能力反相器的带负载能力1 1）驱动门输出高电平时）驱动门输出高电平时的负载能力的负载能力0.4mAIIH=40uA40uANOH: 驱动门输出高电平时的驱动门输出高电平时的扇出系数扇出系数iOH(max)=NOHIIH由驱动门输出特性：由驱动门输出特性：由负载门输入特性：由负载门输入特性：iOH 0.4mAIIH iOH(max)NOH 0.04 0.4= 104TTL反相器的带负载能力反相器的带负载能力2）

31、驱动门输出低电平时）驱动门输出低电平时的负载能力的负载能力16mAIIL=1mA1mANOL: 驱动门输出低电平时的驱动门输出低电平时的扇出系数扇出系数综合两种情况综合两种情况 N=10iOL(max)=NOLIIL由负载门输入特性：由负载门输入特性：由驱动门输出特性：由驱动门输出特性：iOL 16mAIIL iOL(max)NOL 1 16= 162.3.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性1传输延迟时间传输延迟时间 tpdtpd 是反映门电路开关速度的参数是反映门电路开关速度的参数 一般约为一般约为几纳秒到十几纳秒。几纳秒到十几纳秒。tPHLtPLH2 tPHL+ tPLH tpd

32、=361）电源静态电流电源静态电流：ICC=iC4+iR2+iB1=(5-2.1)/4+(5-1.0)/1.6=3.2mAICCH =iB1=(5-0.9)/4=1mA (T2T5截止截止)电源尖峰电流的不利影响：电源尖峰电流的不利影响：使电源使电源动态功耗动态功耗增加增加；产生系统内部噪声。产生系统内部噪声。 ICCICCL=iB1+iC2ICCM = iC4+iB4+iB12. 电源的动态尖锋电流电源的动态尖锋电流VCC-VCES4-VD2-VCES5R4=+VCC-vBE1-VILR1=VCC-vBE4-VD2-VCES5R2+因瞬间因瞬间T4、D2、T5同时导通同时导通2）电源动态电流

33、电源动态电流：33.15mA33.15mA0.9V33.15mAICCHICCLT2截止截止1.0V2.1V(T2T5导通导通) 2.3.5 TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1其他逻辑功能的门电路其他逻辑功能的门电路1）与非门）与非门（1）多发射极三极管的与门作用）多发射极三极管的与门作用 电路实现的与非逻辑功能电路实现的与非逻辑功能 E1/V E2/V B/VY/V 0.2 (0) 0.2 (0) 0.9 (0)3.6 (1) 0.2 (0) 3.6 (1) 0.9 (0)3.6 (1) 3.6 (1) 0.2 (0) 0.9 (0)3.6 (1) 3.6 (1) 3.6 (1) 2.

34、1 (1) 0.2 (0)0.9V0.2V3.6V3.6V2.1V3.60.2通通止止2）或非门）或非门1其他逻辑功能的门电路其他逻辑功能的门电路T2和和T2并联实现或门作用并联实现或门作用 2.13.60.2V3.63.6通通通通0.20.2止止止止3.60.2通通止止饱和饱和ABT2T2T5截止截止只要只要A、B有一个为高电平时：有一个为高电平时：T2或或T2就有一个导通就有一个导通T5饱和导通饱和导通只有只有A、B都为低电平时都为低电平时：T2和和T2都截止都截止T5截止截止小节提纲小节提纲Y3.60.20.2V0.2V1mA1mA（3）与非门和或非门输入电流计算的区别）与非门和或非门输

35、入电流计算的区别IIL=1mAIIH=40uAIIHIIH3.6V与门与门输入电流和输入电流和与非门与非门相同相同或门或门输入电流和输入电流和或非门或非门相同相同0.2V1mA输入低电平按门计，输入高电平按脚计。输入低电平按门计，输入高电平按脚计。输入高、低电平均按脚计。输入高、低电平均按脚计。2集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）多个普通多个普通TTL门输出端直接并联会门输出端直接并联会普通普通TTL门门不允许不允许将输出端直接并联在一起将输出端直接并联在一起 产生很大的电流，烧毁器件。产生很大的电流，烧毁器件。 输出输出并联并联大大电电流流烧烧毁毁器器件件1）OC门电路的结构及工作原理

36、门电路的结构及工作原理集电极开路门集电极开路门-简称简称OC门门（Open Collector） OC门工作条件：门工作条件：外接负载电阻外接负载电阻 RL 外接电源外接电源VCC2 去掉去掉3）OC门主要的应用门主要的应用普通普通TTL门门输出加与门实现输出加与门实现“与与”OC门门输出并联实现输出并联实现“与与”（1）实现）实现“线与线与” Y =Y1Y2= (AB) (CD)T5截止截止5V10VY=10V（2）实现电平转换）实现电平转换 （3）用做驱动器）用做驱动器 2）OC门外接负载电阻门外接负载电阻RL的计算的计算 RL(max)的计算的计算P 是负载门输入端的个数；是负载门输入端

37、的个数；n 是驱动门个数；是驱动门个数； RL(min) 的计算的计算m 是负载门的个数；是负载门的个数；n 是驱动门个数；是驱动门个数；OC门的门的T5管均截止管均截止只有一个门输只有一个门输出低电平是最出低电平是最不利情况。不利情况。VOH=VCC (nICEO+PIIH)RL(max)VOH(min)nICEO+PIIH VCC VOH(min)RL(max) =VOL =VCC (IOL(max) mIIL )RLVOL(max)IOL(max) mIIL VCC VOL(max)RL(max) =RL (min) RL RL(max)逻辑图如下：逻辑图如下：题题2-9 用用OC门实现

38、逻辑函数门实现逻辑函数 Y = (AB) (BC)D 画出逻辑电路图。画出逻辑电路图。 练习练习题题2-18 计算图计算图2-73电路中上拉电阻电路中上拉电阻RL的阻值范围的阻值范围。其中。其中 G1,G2 ,G3是是 74LS 系列的系列的OC门，输出管截止时的漏电流门，输出管截止时的漏电流 ICEO 100A，输出低电平，输出低电平 VOL 0.4V时允许的最大负载电流时允许的最大负载电流 IOL (max)=8mA 。G4,G5 ,G6 为为74LS 系列与非门，它们的输入电流为系列与非门，它们的输入电流为 |IIL|0.4mA、IIH 20A 。给定。给定 VCC=5V,要求要求OC门

39、的输出高、低电平应满足门的输出高、低电平应满足 VOH3.2V ,VOL0.4V。IRL(1)当当vO=VOH时时VOHICEOICEOICEO OC门输出级门输出级T5截止，截止，只有很小的漏电流只有很小的漏电流ICEO。IIHIIHIRL= 3ICEO+6IIHvO= VCC - IRLRLVOH(min) 负载负载TTL与非门，输入与非门，输入高电平电流按脚计。高电平电流按脚计。RL的最大值的最大值3ICEO+6IIH VCC VOH(min)RL(max) (3100+620)10-3 5 3.2= 4.3k(2)当当vO=VOL时时IOLIILIILIIL 只有一个只有一个OC门输出

40、门输出低电平是最不利情况，灌低电平是最不利情况，灌入电流小于入电流小于IOL(max)。VOLIOL(max)= IRL+ 3IIL 负载负载TTL与非门，输入与非门，输入低电平电流按门计。低电平电流按门计。RL的最小值的最小值IRLvO= VCC IRLRLVOL(max)IOL(max) 3IIL VCC VOL(max)RL(max) 8 30.4 5 0.4= 0.7k3三态输出门（三态输出门（TS门）门） （Tri-State logic） 1）三态输出门的电路结构及工作原理）三态输出门的电路结构及工作原理 EN=0.2V时时 P=3.6V 3.60.2 EN=3.6V时时 P=0.

41、2V 3.60.2 Y = (AB)Y = Z（高阻态）（高阻态）D导通导通VB4=0.9V相当于两输入端与非门相当于两输入端与非门 T4 D2 T5 均截止均截止VB1=0.9V0.9V0.9V低电平有效的三态门低电平有效的三态门 高电平有效的三态门高电平有效的三态门 小节提纲小节提纲 备注备注ENY01AB1111000001ZY = (AB)高阻态高阻态使能端使能端2）三态门的应用问题）三态门的应用问题接成总线方式时接成总线方式时，在在n个个EN端中，每次最多端中，每次最多只能有一只能有一个有效个有效，否则会有大电流产生，损坏器件。，否则会有大电流产生，损坏器件。使用条件：使用条件： 输

42、输 入入输输 出出 注注 释释S1 S0 YEN1 EN2 EN3 0 0 0 1 1 0 1 1 题题2-10 分析题图分析题图2-67所示电路，求输入所示电路，求输入S1 ,S0各各种取值下的输种取值下的输 出出Y，填入题表，填入题表 2-10中中。BACA0 1 11 0 10 0 01 0 1总线总线 练习练习 除了除了74标准系列外，标准系列外，TTL电路还电路还有有74L(1mW,33ns)、74H(22mW,6ns)、74S、74LS、74AS、74ALS和和74F系列。系列。 表中表中延迟功耗积延迟功耗积pd（Delay-Power Product），），可用于衡量门电路的综合

43、性能。可用于衡量门电路的综合性能。 74系列与系列与54系列功能和封装等兼系列功能和封装等兼容容, 工作温度和对电源的要求不同工作温度和对电源的要求不同: 74: 0 +70 , 4.755.25V 54: -55 +125 , 4.55.5V2.3.6 TTL集成门系列简介集成门系列简介 TTL集成电路上世纪集成电路上世纪60年代问世，形成了多种年代问世，形成了多种TTL集成产品。集成产品。 TTL最初的基本系列分为最初的基本系列分为54和和74两大系列，两大系列，54系列系列用于军品，用于军品，74系列用于民品。系列用于民品。 L: Low-powerH: High-speedS: Sch

44、ottkyA: AdvancedF: Fast各改进系列都围绕各改进系列都围绕 1.提高速度提高速度 2. 降低功耗进行。降低功耗进行。 1. TTL的不同系列的不同系列2. 各系列各系列TTL电路特性参数比较电路特性参数比较主主 要要 参参 数数7474S74LS74AS74ALS74FVIL(max) /V0.80.80.80.80.80.8VOL(max) /V0.40.50.50.50.50.5VIH(min) /V2.02.02.02.02.02.0VOH(min) /V2.42.72.72.72.72.7IIL(max) /mA 1.0 2.00.4 0.5 0.2 0.6IOL(

45、max) /mA1620820820IIH(max) / A405020202020IOH(max) /mA 0.4 1.0 0.4 2.0 0.4 1.0tpd/ns939.51.743每门功耗每门功耗 /mW1019281.24pd /pJ90571913.64.812表表2-9各系列各系列TTL电路电路(7400)特性参数比较特性参数比较型号：例如型号：例如7400如如74LS00,74ALS00等。等。7400 TTL 2输入端四与非门输入端四与非门 3. TTL的命名规则的命名规则产地产地厂商厂商封装方式封装方式工作温度工作温度器件系列器件系列器件功能器件功能其他逻辑其他逻辑功能型号

46、功能型号2.4 CMOS集成门电路集成门电路2.4.1 MOS管的开关特性管的开关特性 2.4.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理2.4.3 CMOS反相器的特性及参数反相器的特性及参数2.4.4 CMOS门电路的其他类型门电路的其他类型2.4.5 CMOS集成门系列简介集成门系列简介（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）N沟道增强型沟道增强型MOS管管电极：源极电极：源极S，漏极，漏极D， 栅极栅极G和和 衬底衬底B。增强型增强型 N沟道、沟道、P沟道沟道 耗尽型耗尽型 N沟道、沟道、P沟道沟道电压

47、控制器件电压控制器件-电压控制电流电压控制电流单极型原件单极型原件-只有一种载流子参与导电只有一种载流子参与导电应用广泛应用广泛-功耗小，温度特性好，输入电阻极高功耗小，温度特性好，输入电阻极高特点：特点：分类：分类：MOS管管 （金属氧化物半导体场效应晶体管）（金属氧化物半导体场效应晶体管）也称绝缘栅型场效应管也称绝缘栅型场效应管CMOS电路：电路：由由NMOS和和PMOS互补组成互补组成2.4 CMOS集成门电路集成门电路2.4.1 MOS管的开关特性管的开关特性 1MOS管的结构和工作原理管的结构和工作原理 将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成导电沟道形成导电沟道 反

48、型层反型层 纵向电场纵向电场如果此时加有漏源电压如果此时加有漏源电压 vDS可以形成漏极电流可以形成漏极电流 iD MOS管导通管导通漏源之间相当两个背靠背的漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在D、S之间加上电压之间加上电压也不会形成电流，也不会形成电流，MOS管截止管截止N沟道增强型沟道增强型MOS管管小节提纲小节提纲DiVT称为开启电压称为开启电压，与管子构造，与管子构造有关有关, ,一般一般VT=2V。B接接S极或接极或接最低电位最低电位VGS=0，无沟道，无沟道，N型沟道。型沟道。-+vGS VT 2MOS管的三个工作区和特性曲线管的三个工作区和特性曲线1）MOS管截止区管截

49、止区2）MOS管可变电阻区管可变电阻区（ vDS 比较小）比较小）举例：举例：vDS=3V是临界点是临界点特点：特点：电阻很小电阻很小1k 可变电阻可变电阻 电阻很大电阻很大109 可变电阻区可变电阻区称预夹断点称预夹断点可变电阻区可变电阻区-未夹断未夹断只要只要 vDSVTvGD=vGS-vDSvDSvGD=vGS-vDS=2.5VVT假设假设VT=2VvGS=5V vDS=2.5V2.5V3V夹断夹断vGS VTvGD VTvGD VTvGD=vGS-vDS VT vGS iD = IDS ( 1)23MOS管的开关电路管的开关电路MOS管截止状态：管截止状态：D、S两极间相当开关断开两极

50、间相当开关断开 ROFF=109 D、S两极间相当开关闭合两极间相当开关闭合 RON=1K CI 代表栅极的代表栅极的输入电容输入电容 输出端也有输出端也有负载电容负载电容 输出和输入之间有时间延迟输出和输入之间有时间延迟2）MOS管的开关等效电路管的开关等效电路MOS管导通状态管导通状态（可变电阻区）（可变电阻区）几皮法几皮法1）MOS管的基本开关作用管的基本开关作用当当vI VT时，时，MOS管导通，管导通，vDS很小，可变电阻区。很小，可变电阻区。若若 RONRD，则，则vO 0VRON|VT|才建立沟道。才建立沟道。iD vGS=0时就已经有导电沟道存在时就已经有导电沟道存在 大量正离

51、子大量正离子导电沟道导电沟道3) N沟道耗尽型沟道耗尽型4) P沟道耗尽型沟道耗尽型夹断电压夹断电压VGS(off) N沟道耗尽型沟道耗尽型VGS(off)为沟道消失时所加的为沟道消失时所加的VGS N沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管 P沟道耗尽型沟道耗尽型MOS管管CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor） 称为互补金属氧化物半导体电路称为互补金属氧化物半导体电路 CMOS反相器反相器:由由N沟道沟道MOS管和管和P沟沟道道MOS管互补而成。管互补而成。结构：结构：（2）当）当vI=VDD时时:逻辑关系：逻辑关系：特点：特点：（1）当）当vI=0

52、V时时: T2截止，截止，T1导通。输出导通。输出 vOVDD。T2导通，导通，T1截止，输出截止，输出 vO0V。在正常工作状态，在正常工作状态，T1与与T2轮流导通，即轮流导通，即互补互补状态状态, 静态电流静态电流 iD0, 静态功耗非常小。静态功耗非常小。2.4.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理设设VDD(VTN+|VTP|)，且且VTN=|VTP| iD2.4.3 CMOS反相器的特性及参数反相器的特性及参数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T1、T2同时导通。同时导通。BC段段:阈值电压阈值电压（VTH）当当vI8V，T1截止，截

53、止， T2导通，导通，vO=0V。 CD段段:电压传输特性电压传输特性阈阈值值电压传输特性电压传输特性电流传电流传输特性输特性电流电流传输传输特性特性AB段和段和CD段段0Di BC段段:0Di 动态功耗不为零。动态功耗不为零。特性更接近理想开关。特性更接近理想开关。不应使其长期工不应使其长期工作在作在BCBC段。段。（设（设: VDD=10V， VTN=|VTP|=2V）AB段段: vI2V，T2截止，截止，T1导通，导通，vOVDD=10V。12vI =VDD2CMOS反相器传输延迟时间反相器传输延迟时间输入端有输入保护环节输入端有输入保护环节: 传输延迟时间传输延迟时间 : 由于由于CM

54、OS反相器反相器工作时总有一个管工作时总有一个管子导通子导通，所以当带电容负载时，给电容充，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。电和放电都比较快。CMOS非门的平均传非门的平均传输延迟时间小于输延迟时间小于10ns.vI VDD+0.7V时时 ，D1导通导通vI -0.7V时时 ，D2导通导通保护电路不超出允许的电压限度保护电路不超出允许的电压限度 输入工作电压输入工作电压0VDD时时 iI0 tpd=(tPHL+tPLH)/2iI 03CMOS电路的主要性能特点电路的主要性能特点 1）输入阻抗高，输入电流小）输入阻抗高，输入电流小输入正常工作电压输入正常工作电压0VDD时时 ,输入

55、电流输入电流 iI0。 2）抗干扰能力强）抗干扰能力强3）功耗小）功耗小5）电源电压范围）电源电压范围宽宽4）扇出系数大）扇出系数大能带能带CMOS负载门的个数高达负载门的个数高达50 VDD=315V范围内正常工作，有的甚至可以达到范围内正常工作，有的甚至可以达到18V CMOS电路的静态功耗是电路的静态功耗是 W数量级数量级 TTL电路是电路是mW数量级。数量级。VNL= VNH=30%VDD6）逻辑摆幅大）逻辑摆幅大VOH -VOL VDD2.4.4 CMOS门电路的其他类型门电路的其他类型1CMOS与非门和或非门与非门和或非门1 1）与非门）与非门特点：特点：N N沟道管串联、沟道管串

56、联、P P沟道管并联；沟道管并联； 门电路的输出电阻为门电路的输出电阻为RO。输出电阻随输入状态变化。输出电阻随输入状态变化。输出低电输出低电平偏平偏高高2RON11RON01RON10RON/200RO（与非（与非)BAT1,T3导通导通T1 导通导通, T3截止截止T3 导通导通, T1截止截止T2, T4导通导通()YA B ()YAB 2）或非门）或非门特点：特点：P沟道管串联、沟道管串联、N沟道管并联；沟道管并联；输入状态还会影响这两个门输入状态还会影响这两个门的电压传输特性。的电压传输特性。RON/211RON01RON102RON00RO（或非（或非)BA输出高电输出高电平偏低平

57、偏低输出电阻随输入组合不同而变化输出电阻随输入组合不同而变化,使输出高、低电平有波动；使输出高、低电平有波动；影响电压传输特性。影响电压传输特性。使用使用带缓冲级的门电路带缓冲级的门电路可以克服上述缺点。可以克服上述缺点。T1,T3导通导通T4 导通导通, T2截止截止T2 导通导通, T4截止截止T2, T4导通导通3）带缓冲级的）带缓冲级的CMOS门电路门电路为了稳定输出高低电平，可在输入输出端，为了稳定输出高低电平，可在输入输出端，分别加反相器作缓冲分别加反相器作缓冲2RON11RON01RON10RON/200ROBA不同输入时的输出电阻不同输入时的输出电阻 与与非非门门或非门同理加缓

58、冲级或非门同理加缓冲级Y=(AB)=A+B=(A+B)特点：输出电阻恒为特点：输出电阻恒为RON；输出电平和；输出电平和电压传输特性都不受输入状态影响。电压传输特性都不受输入状态影响。题题2-17 试分析图试分析图2-72中各电路的逻辑功能，写出输出的中各电路的逻辑功能，写出输出的 逻辑函数式。逻辑函数式。（a a） (b)(b) 练习练习Y =(ABC)=(A+B+C)Y =(A+B+C)=ABC题题2-8 说明图说明图2-66中各门电路的输出是高电平还是低电平。中各门电路的输出是高电平还是低电平。 已知它们都是已知它们都是74HC系列的系列的CMOS电路。电路。 根据根据CMOS门在输入正

59、常工作电压门在输入正常工作电压0VDD时，输入时，输入端的电流为端的电流为“0”的特点，则接输入端电阻时，电阻两端的特点，则接输入端电阻时，电阻两端几乎没有压降值。答案如下：几乎没有压降值。答案如下：图图2-66Y1=1Y2=1Y3=0Y4=02漏极开路门（漏极开路门（OD门）门）普通普通CMOS门不能接成门不能接成线与线与形式。形式。 OD门输出端只是一个门输出端只是一个N沟道管，因此可以连成沟道管，因此可以连成线与形式。线与形式。符号符号：特点特点:1.增大带负载能力增大带负载能力2.高电平转换高电平转换3.OD门输出端可以直接并联门输出端可以直接并联 实现实现“线与线与”为什么为什么(O

60、pen Drain)当当EN=1时，时，T1,T2同时截止，同时截止，输出输出:高阻态高阻态Z3CMOS三态门三态门 备注备注ENAY = AY001011Z高阻态高阻态当当EN=0时，时， T1,T2同时导通同时导通,为正常的非门，输出为正常的非门，输出: Y=A符号：符号：功能：可控制传输功能：可控制传输0VVDD间的间的 模拟电压值。模拟电压值。C=0时，传输门截止时，传输门截止(T1T2都截止都截止) ， 输出为高阻态；输出为高阻态； 传输门可双向传输。传输门可双向传输。逻辑符号：逻辑符号：电路结构：电路结构：控制端控制端4CMOS传输门传输门C=1时，传输门导通，时，传输门导通，vO