数字电路第2章逻辑门电路

1、第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路本章主要内容本章主要内容介绍基本逻辑门电路的概念介绍基本逻辑门电路的概念TTL逻辑门电路逻辑门电路CMOS门电路门电路TTL电路与电路与CMOS电路的接口电路的接口ECL电路电路第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路在数字电路中，所谓在数字电路中，所谓“门门”就是指能实现基本逻就是指能实现基本逻辑关系的电路。最基本的逻辑关系是与、或、非，辑关系的电路。最基本的逻辑关系是与、或、非，最基本的逻辑门是与门、或门和非门。最基本的逻辑门是与门、或门和非门。 可以将门电路的所有元器件及连接导线制作在同可以将门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上构成集成逻辑门电路。

2、一块半导体基片上构成集成逻辑门电路。 第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路集成电路按照单位芯片面积集成门电路的个数分为：集成电路按照单位芯片面积集成门电路的个数分为：小规模集成电路（小规模集成电路（Small Scale Integrated Circuit ,SSI）；）；中规模集成电路（中规模集成电路（Medium Scale Integrated Circuit ,MSI）；）；大规模集成电路（大规模集成电路（Large Scale Integrated Circuit ,LSI）；）；超大规模集成电路（超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated Circuit

3、 ,VLSI）。）。 第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路我国我国TTL系列数字集成电路型号与国际型系列数字集成电路型号与国际型号对应列入表中号对应列入表中 标准标准(通用系列通用系列)高速系列高速系列肖特基系列肖特基系列低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列 54/7454/74H54/74S54/74LSCT1000CT2000CT3000CT4000TTL系列系列分类名称分类名称国际型号国际型号国产型号国产型号系列系列第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路 从制造工艺看，数字集成电路可分为双极型集成电路和单从制造工艺看，数字集成电路可分为双极型集成电路和单极型集成电路。极型集成电路。 双极型集成电路中的

4、基本开关元件是晶体三极管。双极型双极型集成电路中的基本开关元件是晶体三极管。双极型集成电路包括集成电路包括:TTL(Transistor Transistor Logic)、ECL(Emitter Coupled Logic)、HTL(High Threshold Logic)、IIL(Integrated Injection Logic)等类型。等类型。 单极型集成电路中的基本开关元件是单极型集成电路中的基本开关元件是MOS(Metal Oxide Semiconductor)晶体管。单极型集成电路包括晶体管。单极型集成电路包括:PMOS、NMOS、CMOS等类型。等类型。 双极型集成电路的

5、速度高而集成度低，单极型集成电路的双极型集成电路的速度高而集成度低，单极型集成电路的集成度高而速度低。集成度高而速度低。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性在理想情况下，在数字电路中二极管表现为一个在理想情况下，在数字电路中二极管表现为一个受外电压控制的开关。当外加电压为脉冲信号时，受外电压控制的开关。当外加电压为脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在二极管将随着脉冲电压的变化在“开开”状态与状态与“关关”状态之间转换，也就是二极管在正向导通状态之间转换，也就是二极管在正向导通与反向截止两种状态之间转换。与反向截止两种状态之间转换。2.1.1 二极

6、管的开关特性二极管的开关特性在数字电路中，当外加正向电压时，二极管导通，在数字电路中，当外加正向电压时，二极管导通，二极管正向压降为二极管正向压降为 0，等效为一个闭合的开关。，等效为一个闭合的开关。2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性当外加反向电压时，二极管截止，反向电流为当外加反向电压时，二极管截止，反向电流为 0，等效为一个断开的开关。等效为一个断开的开关。2.1.2 二极管与门二极管与门(1)当输入端当输入端A、B均为高电均为高电平时，两个二极管都导通，平时，两个二极管都导通，输出端输出端F为高电平；为高电平；(2)只要有一个输入端为低只要有一个输入端为低电平，则与输入为低电平

7、电平，则与输入为低电平连接的二极管抢先导通，连接的二极管抢先导通，将输出端箝在低电平，这将输出端箝在低电平，这时与输入为高电平连接的时与输入为高电平连接的二极管受反向电压影响而二极管受反向电压影响而截止。截止。 D1D2RAB+VccF0V3V0V3VFABABF0000101001112.1.3 二极管或门二极管或门ABF000011101111D1D2RAB-VccF(1)输入端只要有一个为高输入端只要有一个为高电平，输出就是高电平；电平，输出就是高电平；(2)只有输入全为低电平时，只有输入全为低电平时，输出才会是低电平。输出才会是低电平。 2.1.4 三极管的开关特性三极管的开关特性在数

8、字电路中，三极管经常工作在截止状态（相在数字电路中，三极管经常工作在截止状态（相当于开关断开）和饱和状态（相当于开关闭合），当于开关断开）和饱和状态（相当于开关闭合），并且经常在这两个状态之间进行快速转换。把这并且经常在这两个状态之间进行快速转换。把这种工作情况称为三极管工作在开关状态。种工作情况称为三极管工作在开关状态。 2.1.4 三极管的开关特性三极管的开关特性1. 截止、饱和条件截止、饱和条件三极管的截止条件三极管的截止条件: VBE0V(或或VBEIBSVCCRCRbv0vIT三极管开关电路三极管开关电路2.1.4 三极管的开关特性三极管的开关特性2. 三极管的开关时间三极管的开关时

9、间三极管由截止到饱和导通三极管由截止到饱和导通所需的时间称为开启时间，所需的时间称为开启时间，用用ton表示，表示，ton=td+tr。 ton是三极管发射结由宽变窄，是三极管发射结由宽变窄，以及基区建立电荷所需要以及基区建立电荷所需要的时间。的时间。 三极管由饱和导通到截止三极管由饱和导通到截止所需的时间称为关闭时间，所需的时间称为关闭时间，用用toff表示，表示，toff=ts+tf。 toff主要是清除三极管内存电主要是清除三极管内存电荷的时间。荷的时间。 2.1.5 三极管非门电路三极管非门电路实现非逻辑关系的电实现非逻辑关系的电路称为非门电路，简路称为非门电路，简称非门。称非门。 当

10、输入当输入A为高电平时，为高电平时，三极管饱和导通，输三极管饱和导通，输出出F为低电平；当输入为低电平；当输入A为低电平时，三极管为低电平时，三极管截止，输出截止，输出F为高电平。为高电平。 AFAF0110VCCRCRbv0vIT三极管开关电路三极管开关电路2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路2.2.1 TTL与非门的基本结构和工作原理与非门的基本结构和工作原理TTL与非门电路T1管等效电路2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路2.2.1 TTL与非门的基本结构和工作原理与非门的基本结构和工作原理1. 基本结构基本结构输入级：由多输入级：由多发射极晶体管发射极晶体管T1和电阻和电阻R1组组成，通过

11、成，通过T1的的各个发射极实各个发射极实现与逻辑功能。现与逻辑功能。 2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路2.2.1 TTL与非门的基本结构和工作原理与非门的基本结构和工作原理1. 基本结构基本结构中间级：由中间级：由T2、R2、R3组成，其主要作组成，其主要作用是从用是从T2管的集电管的集电极极c2和发射极和发射极e2同时同时输出两个相位相反输出两个相位相反的信号，分别驱动的信号，分别驱动T3和和T5管，来保证管，来保证T4和和T5管有一个导管有一个导通时，另一个就截通时，另一个就截止。止。2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路2.2.1 TTL与非门的基本结构和工作原理与非门的基本结构和工作原理

12、1. 基本结构基本结构输出级：由输出级：由R4、R5、T3、T4、T5组成，组成，T5是反相器，是反相器，T3、T4组组成复合管构成一个射成复合管构成一个射随器，作为随器，作为T5管的有管的有源负载，并与源负载，并与T5组成组成推拉式电路，使输出推拉式电路，使输出无论是高电平或是低无论是高电平或是低电平，输出电阻都很电平，输出电阻都很小，提高了带负载能小，提高了带负载能力。力。2.工作原理工作原理则则 VB1=VIL+VBE1 =0.3+0.7=1V VB2 =VC1=VCES1+VIL =0.1+0.3=0.4V0.3V3.6V3.6VDA导通导通设设A=0 B=1 C=1 (VIL=0.3

13、V) 1V0.4V所以：所以：T2 、T5 截止，截止，T3 、T4 导通导通2.工作原理工作原理0.3V3.6V3.6VDA导通导通1V0.4VT2 、T5 截止，截止，T3 、 T4 导通导通VF = 5-UBE3-UBE4 5-0.7-0.7 = 3.6V拉电流拉电流F = 12.工作原理工作原理设设 A = B = C = 1 ， 即， 即VA=VB=VC=VIH=3.6V3.6V3.6V3.6V2.1VT1管的基极电位升管的基极电位升高，使高，使T1管的集电结、管的集电结、T2和和T5的发射结正向的发射结正向偏置而导通，偏置而导通，T1管的管的基极电位基极电位VB1被箝位在被箝位在2

14、.1V。1.4V2.工作原理工作原理故故T1管处于倒置工管处于倒置工作状态（发射结和集作状态（发射结和集电结反向运用状态，电结反向运用状态，发射结反向偏置、集发射结反向偏置、集电结正向偏置）。电结正向偏置）。T3 导通导通 ，T4 截止截止 VF = 0.3V ，F = 0VF =0.3V灌电流灌电流3.6V3.6V3.6V2.1V1.4V结论：结论：电路只要输入有一个为低电电路只要输入有一个为低电平时，输出就为高电平；只平时，输出就为高电平；只有输入全为高电平时，输出有输入全为高电平时，输出才为低电平。该门为与非门。才为低电平。该门为与非门。即即1.输入不全为输入不全为1时，输出为时，输出为

15、12.输入全为输入全为1时，输出为时，输出为0F=(ABC)111111100 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1FA B C真值表真值表2.2.2 TTL与非门的电压传输特性及与非门的电压传输特性及 抗干扰能力抗干扰能力1.电压传输特性电压传输特性电压传输特性是描述输出电压电压传输特性是描述输出电压vo与输入电压与输入电压vI之间对应关系的曲线，如图所示。之间对应关系的曲线，如图所示。3.632100.511.522.533.5ABCDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVNHVOFFVON1.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传

16、输特性AB段（截止区）：段（截止区）：vI0.6V，输出电压，输出电压vO不不随输入电压随输入电压vI变化，保持变化，保持在高电平在高电平VH。VC10.7V，T2和和T5管截管截止，止，T3、T4管导通，输出管导通，输出为高电平，为高电平，VOH=3.6V。由于这段由于这段T2和和T5管截止，管截止，故称截止区。故称截止区。3.632100.511.522.533.5ABCDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVNHVOFFVON1.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性BC段段(线性区线性区)： 0.6VvI1.3V， 0.7VVC11.4V。这时这时T2管开始导通

17、并处于管开始导通并处于放大状态，放大状态，T2管的集电极管的集电极电压电压VC2和输出电压和输出电压vO随输随输入电压入电压vI的增大而线性降的增大而线性降低，故该段称为线性区。低，故该段称为线性区。由于由于T5管的基极电位还低管的基极电位还低于于0.7V，故，故T5管仍截止。管仍截止。T3、T4管还是处于导通状管还是处于导通状态。态。3.632100.511.522.533.5ABCDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVNHVOFFVON1. TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 CD段段(过渡区过渡区)： 1.3VvI1.4V，T5管开始管开始导通，导通，T2、

18、T3、T4管也都处管也都处于导通状态，于导通状态，T4、T5管有一管有一小段时间同时导通，故有很小段时间同时导通，故有很大电流流过大电流流过R4电阻，电阻，T2管提管提供供T5管很大的基极电流管很大的基极电流; T2、T5管趋于饱和导通，管趋于饱和导通，T4管趋于截止，输出电压管趋于截止，输出电压vO急急剧下降到低电平剧下降到低电平vO=0.3V。 由于由于vI的微小变化而引起输的微小变化而引起输出电压出电压vO的急剧下降，故此的急剧下降，故此段称为过渡区或转折区。段称为过渡区或转折区。3.632100.511.522.533.5ABCDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVN

19、HVOFFVON1.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 CD段段(过渡区过渡区)： CD段中点对应的输入电段中点对应的输入电压，既是压，既是T5管截止和导通管截止和导通的分界线，又是输出高、的分界线，又是输出高、低电平的分界线，故此电低电平的分界线，故此电压称阈值电压压称阈值电压VT（门槛电（门槛电压），压），VT=1.4V。 VT是决定与非门状态的重是决定与非门状态的重要参数。当要参数。当vIVT时，与时，与非门截止，输出高电平。非门截止，输出高电平。 当当vIVT时，与非门饱和时，与非门饱和导通，输出低电平。导通，输出低电平。VT3.632100.511.522.533.5AB

20、CDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVNHVOFFVON1. TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性DE段（饱和区）：段（饱和区）：vI1.4V以后，以后，T1管处管处于倒置工作状态，于倒置工作状态，VB1被箝位在被箝位在2.1V，T2、T5管进入饱和导通状管进入饱和导通状态，态，T3管微导通，管微导通，T4管截止。管截止。由于由于T2、T5管饱和导管饱和导通，故称该段为饱和通，故称该段为饱和区。区。3.632100.511.522.533.5ABCDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVNHVOFFVON2.抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限输入噪

21、声容限)输入高电平的输入高电平的抗干扰能力抗干扰能力 3.632100.511.522.533.5ABCDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVNHVOFFVON2.抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限输入噪声容限)输入低电输入低电平的抗干平的抗干扰能力扰能力 3.632100.511.522.533.5ABCDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVNHVOFFVON2.抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限输入噪声容限)关门电平关门电平VOFF：输出为：输出为标准高电平标准高电平VSH时所允时所允许的最大输入低电平值。许的最大输入低电平值。通常通常VOFF=0.8V

22、。开门电平开门电平VON：输出为：输出为标准低电平标准低电平VSL时所允时所允许的最小输入高电平值。许的最小输入高电平值。通常通常VON=1.8V。 抗干扰能力（输入噪声容限）：不破坏与非门抗干扰能力（输入噪声容限）：不破坏与非门输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。VNL=VOFF-VILmaxVNH=VIHmin-VON3.632100.511.522.533.5ABCDE电压传输特性电压传输特性vO(V)vI(V)VNLVNHVOFFVON2.2.3 TTL与非门的输入特性、输与非门的输入特性、输出特性和带负载能力出特性和带负载能力 了解输入输出特性，可正确

23、处理了解输入输出特性，可正确处理TTL与非门之间与非门之间和其它电路之间的连接问题。只要输入端、输出和其它电路之间的连接问题。只要输入端、输出端的电路结构形式和参数与端的电路结构形式和参数与TTL与非门相同，输与非门相同，输入、输出特性对其它入、输出特性对其它TTL电路也适用。电路也适用。1.TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系曲线，如图所示。规定输入电流流入输入端为正，曲线，如图所示。规定输入电流流入输入端为正，而从输入端流出为负。而从输入端流出为负。原理电路原理电路1.TTL与非门的输入特性与非门的输入

24、特性 当当vI小于小于0.6V时时T2是截止的，是截止的，T1基极电流均经其发射基极电流均经其发射极流出（因集电极的负载电阻很大，极流出（因集电极的负载电阻很大，IC1可以忽略不可以忽略不计），这时电流大小可以近似计算为计），这时电流大小可以近似计算为iI= -(VCC - VBE1-vI)/R1。1.TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI=0时，相当于输入端接地，故将此时的输入电流时，相当于输入端接地，故将此时的输入电流称为输入短路电流称为输入短路电流IIS，IIS=(VCC-VBE1)/R1 =(5-0.7)/31.4mA。1. TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI等

25、于等于0.6V时时T2管开始导通，管开始导通，T2管导通以后管导通以后IB1一部一部分就要流入分就要流入T2管的基极，管的基极，iI的绝对值随之略有减小；的绝对值随之略有减小；vI继续增加，继续增加，IB2要继续增大，而要继续增大，而iI的绝对值继续减小。的绝对值继续减小。 0.6V1. TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI增加到增加到1.3V以后，以后，T5管开始导通，管开始导通，VB1被箝位在被箝位在2.1V左右；此后，左右；此后，iI的绝对值随的绝对值随vI的增大而迅速减小。的增大而迅速减小。 1. TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 IB1绝大部分经绝大部分经T1集电结

26、流入集电结流入T2的基极。当的基极。当vI大于大于1.4V以后，以后，T1就进入倒置工作状态，就进入倒置工作状态，iI的方向由负变为正，的方向由负变为正，就是说就是说iI由由e1端流入输入端，此时的输入电流称为输端流入输入端，此时的输入电流称为输入漏电流入漏电流IIH，其值约为，其值约为10A。IIH2. TTL与非门的输入端负载特性与非门的输入端负载特性 在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接电在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接电阻阻RI接地。如图所示，此时就有电流接地。如图所示，此时就有电流II流过流过RI，并，并在其上产生电压降在其上产生电压降vI。原理电路原理电路2. TT

27、L与非门的输入端负载特性与非门的输入端负载特性 当输入端所接电阻当输入端所接电阻RI=0时，即输入端接地时，输出时，即输入端接地时，输出为高电平；而为高电平；而RI=时，输入电流没有通路，与输时，输入电流没有通路，与输入端加高电平等效，此时输出为低电平。入端加高电平等效，此时输出为低电平。2. TTL与非门的输入端负载特性与非门的输入端负载特性 即即RI比较小时，与非门截止，输出高电平；比较小时，与非门截止，输出高电平；RI较较大时，与非门饱和，输出为低电平；大时，与非门饱和，输出为低电平；RI不大不小不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。时，与非门工作在线性区或转折区。2. TTL与非门的

28、输入端负载特性与非门的输入端负载特性 TTL门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。vI和和RI之间的关系曲线叫做输入端负载特性。之间的关系曲线叫做输入端负载特性。2. TTL与非门的输入端负载特性与非门的输入端负载特性 发射结导通时发射结导通时 )(BE1CC1IIIVVRRRv2. TTL与非门的输入端负载特性与非门的输入端负载特性 在在RIR1条件下，条件下，vI几乎和几乎和RI成正比，成正比，vI随随RI增增加而增加。如图所示。加而增加。如图所示。)(BE1CC1IIIVVRRRvRI ，vI=1.4V，T5管导通，管导通，VB1被箝位在被箝位在2.

29、1V。RI，vI=1.4V。则公式不再适用。则公式不再适用。 2. TTL与非门的输入端负载特性与非门的输入端负载特性 关门电阻关门电阻ROFF：保证：保证TTL与非门关闭，输出为标准与非门关闭，输出为标准高电平时，所允许的高电平时，所允许的RI最大值。一般最大值。一般ROFF=0.8k。RIROFF时，与非门输出高电平；时，与非门输出高电平； RIROFF时，与非门输出低电平。时，与非门输出低电平。 2. TTL与非门的输入端负载特性与非门的输入端负载特性 开门电阻开门电阻RON：保证：保证TTL与非门导通，输出为标准与非门导通，输出为标准低电平时，所允许的低电平时，所允许的RI最小值。一般

30、最小值。一般RON=2k。2. TTL与非门的输入端负载特性与非门的输入端负载特性 输入负载特性是输入负载特性是TTL与非门特有的，不能用于与非门特有的，不能用于ECL和和CMOS门。门。3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 TTL与非门实际工作时，输出端总要接负载，产与非门实际工作时，输出端总要接负载，产生负载电流，此电流也在影响输出电压的大小。生负载电流，此电流也在影响输出电压的大小。输出电压与负载电流之间的关系曲线，称为输出输出电压与负载电流之间的关系曲线，称为输出特性。输出电压有高电平、低电平两种状态，所特性。输出电压有高电平、低电平两种状态，所以有两种输出特性。以有两种输出特

31、性。 3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 当与非门输入全为高电平时，当与非门输入全为高电平时，输出为低电平。输出为低电平。T1管倒置工作，管倒置工作，T2、T5管饱和导通，管饱和导通，T3管微导管微导通，通，T4管截止。管截止。这时输出级等效电路如图这时输出级等效电路如图(a)所所示，即为一个三极管，其基极示，即为一个三极管，其基极电流很大，负载电流方向是流电流很大，负载电流方向是流入三极管入三极管T5的集电极，故称为的集电极，故称为灌电流负载灌电流负载。 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 原理电路原理电路3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为低电平时的

32、输出特性输出为低电平时的输出特性 其输出特性是一个三极管在基极其输出特性是一个三极管在基极电流为某一值时共射极接法的输电流为某一值时共射极接法的输出特性曲线如图出特性曲线如图 (b)所示。所示。3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 T5饱和，其导通电阻饱和，其导通电阻rce很小很小（十几欧姆），所以（十几欧姆），所以iL增加时增加时vO仅稍有增加，输出低电平仅稍有增加，输出低电平VOL。3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，T5管退管退

33、出饱和进入放大，出饱和进入放大，vO迅速上升，迅速上升，破坏了输出为低电平的逻辑关系，破坏了输出为低电平的逻辑关系，因此对灌电流值要有限制。因此对灌电流值要有限制。 3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 当与非门输入端其中有一当与非门输入端其中有一端为低电平时，输出为高端为低电平时，输出为高电平。电平。T1管处于饱和状态，管处于饱和状态，T2、T5管截止，管截止，T3、T4管管导通。这时输出级等效电导通。这时输出级等效电路如图路如图 (a)所示，负载电流所示，负载电流方向是由输出端流向负载，方向是由输出端流向负载，故称为故称为拉电流负载

34、拉电流负载。 原理电路原理电路3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出输出为高电平时的输出特性特性 在在iL较小时，较小时，T5处于饱和边处于饱和边缘，缘，T4管放大，管放大，T3、T4组成组成的复合管有一定的放大作的复合管有一定的放大作用，用，输出电阻很小，输出电阻很小，TTL与非门的输出电压与非门的输出电压vO 随随iL变变化不大，故输出高电平化不大，故输出高电平VOH。输出特性曲线如图输出特性曲线如图 (b)所示。所示。3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，R4

35、上压降增大，上压降增大，VC3下降，使下降，使T3进入深饱和，进入深饱和，复合管跟随复合管跟随器处于饱和状态，失去跟随作用。器处于饱和状态，失去跟随作用。3. TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 输出电压输出电压vO随负载电流的增加而迅速随负载电流的增加而迅速下降，下降，vOVCC-VCES3-VBE4-iLR4。 为了保证为了保证vO为标准高电平。对拉灌为标准高电平。对拉灌电流值要有限制。电流值要有限制。 4. 带负载能力带负载能力 TTL与非门的输出端接上负载后，负载有拉电流负载和灌与非门的输出端接上负载后，负载有拉电流负载和灌电流负载

36、。图电流负载。图(a)、(b)分别表示拉电流负载和灌电流负载。分别表示拉电流负载和灌电流负载。拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降；拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降；灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升。灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升。4. 带负载能力带负载能力 电路输出高、低电平时有输出电阻，所以输出的高、低电电路输出高、低电平时有输出电阻，所以输出的高、低电平随负载电流改变，变化小，说明门的带负载能力强。平随负载电流改变，变化小，说明门的带负载能力强。 用输出电平变化不超过某一规定值（高电平不低于高电平用输出电平变化不超过某一规定值（高电平不低于高电平下限值下限值

37、VOHmin，低电平不高于低电平的上限值，低电平不高于低电平的上限值VOLmax）时的）时的最大负载电流，来定量描述门电路的带负载能力大小。最大负载电流，来定量描述门电路的带负载能力大小。4. 带负载能力带负载能力 负载电流大，带负载能力强；反之，带负载能力弱。负载电流大，带负载能力强；反之，带负载能力弱。 一个门的输出电平有高电平、低电平之分，因此，说这个一个门的输出电平有高电平、低电平之分，因此，说这个门的带负载能力，必须综合考虑输出高电平时的带负载能门的带负载能力，必须综合考虑输出高电平时的带负载能力和输出低电平时的带负载能力。力和输出低电平时的带负载能力。4. 带负载能力带负载能力 扇

38、出系数：扇出系数：门电路驱动同类门的最大数目。门电路驱动同类门的最大数目。 输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数 IHmaxOHmaxOHIIN输出低电平时的扇出系数输出低电平时的扇出系数 ILmaxOLmaxOLIIN一个门的扇出系数只能是一个。若一个门的扇出系数只能是一个。若NOH和和NOL不一样大时，不一样大时，应取应取NOH和和NOL中小的一个。中小的一个。 2.2.4 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极管构成的二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极管构成的TTL电路的状态转换需要一定的时间，

39、即输出不能立即响应输入信号电路的状态转换需要一定的时间，即输出不能立即响应输入信号的变化，而有一定的延迟。如图所示。的变化，而有一定的延迟。如图所示。由于电阻、二极管、三由于电阻、二极管、三极管等元器件寄生电容的极管等元器件寄生电容的存在，还会使输出电压波存在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得形的上升沿和下降沿变得不那么陡。不那么陡。传输延迟时间小，表明传输延迟时间小，表明门的工作速度可以高，反门的工作速度可以高，反之，门的工作速度必须降之，门的工作速度必须降低。低。2.2.4 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 导通传输延迟导通传输延迟时间时间 截

40、止传输延截止传输延迟时间迟时间 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 2PLHPHLpdtttTTL与非门的动态特性与非门的动态特性 动态尖峰电流动态尖峰电流 静态时静态时TTL与非门电路的电源电流比较小，在与非门电路的电源电流比较小，在10mA左右。左右。在动态情况下，由于在动态情况下，由于T5工作在深饱和状态，工作在深饱和状态，T4必定在必定在T5截止之前就导通了。这样就出现了瞬间截止之前就导通了。这样就出现了瞬间T4和和T5都导通的都导通的状态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持状态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持续时间较短，故称之为尖峰电流或浪涌电流。输出由高续时间较短

41、，故称之为尖峰电流或浪涌电流。输出由高电平变为低电平时，也会出现电平变为低电平时，也会出现T4、T5都导通，导致都导通，导致iCC出出现尖峰。现尖峰。TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 动态尖峰电流动态尖峰电流 在工作频率较高时，尖在工作频率较高时，尖峰电流对电源平均电流影峰电流对电源平均电流影响不可忽略。它使电源的响不可忽略。它使电源的平均电流增大，这就要求平均电流增大，这就要求加大电源的容量。加大电源的容量。 电源的尖峰电流在电路电源的尖峰电流在电路内部流通时，会在电源线内部流通时，会在电源线和地线上产生电压降，形和地线上产生电压降，形成一个干扰源，为此，要成一个干扰源，为此，要采取合

42、理的接地和去耦措采取合理的接地和去耦措施，使之在允许范围内。施，使之在允许范围内。 2.2.5 TTL与非门的主要性能参数与非门的主要性能参数 要正确使用门电路，除掌握其逻辑功能和特点之外，还必要正确使用门电路，除掌握其逻辑功能和特点之外，还必须了解它的性能参数，否则即使逻辑上是正确的，也不能须了解它的性能参数，否则即使逻辑上是正确的，也不能工作。工作。TTL与非门与非门74LS00的主要性能参数的主要性能参数 推推荐荐工工作作条条件件参数参数/单位单位SN5400SN7400最小值最小值典型值典型值最大值最大值最小值最小值典型值典型值最大值最大值VCC电源电压电源电压/ V4.555.54.

43、7555.25VIH高电平输入电压高电平输入电压/ V22VIL低电平输入电压低电平输入电压/ V0.80.8IOH高电平输出电流高电平输出电流/ mA0.40.4IOL低电平输出电流低电平输出电流/ mA1616TA工作温度工作温度/C55125070推荐推荐允许允许环境环境温度温度范围范围内电内电特性特性参数参数/单单位位测试条件测试条件SN5400SN7400最小值最小值典型值典型值最大值最大值最小值最小值典型值典型值最大值最大值VIK/ VVCC=4.5V,II=12mA1.51.5VOH/ VVCC=4.5V,VIL=0.8V, IOH=0.4 mA2.43.42.43.4VOL/

44、VVCC=4.5V,VIH=2V, IOL=16mA0.20.40.20.4II/ mAVCC=5.5V,VI=5.5V11IIH/AVCC=5.5V,VI=2.4V4040IIL/ mAVCC=5.5V,VI=0.4V1.61.6IOS/ mAVCC=5.5V,20551855ICCH/ mAVCC=5.5V,VI=0V4848ICCL/ mAVCC=5.5V,VI=4.5V12221222开关特性开关特性(VCC = 5 V,TA = 25C)参数参数/单位单位输入输入输出输出测试条件测试条件最小值最小值典型值典型值最大值最大值tPLH/ nsA 或或BYRL = 400 CL = 15

45、pF915tPHL/ ns10152.2.6 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 TTL门电路除了与非门外，还有其它逻辑功能的门电路，门电路除了与非门外，还有其它逻辑功能的门电路，如与门、或门、或非门、与或非门、异或门、同或门、集如与门、或门、或非门、与或非门、异或门、同或门、集电极开路门和三态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或电极开路门和三态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩展器等。扩展器等。 主要介绍集电极开路门和三态门。主要介绍集电极开路门和三态门。集电极开路门集电极开路门(OC门门) 线与线与 ：把几个逻辑门的输出端直把几个逻辑门的输出端直接连在一起实现逻辑与。接连在一起实现逻辑

46、与。 TTL与非门直接线与出现的问题：与非门直接线与出现的问题：F1=1，F2=0就会在电源和地之间就会在电源和地之间形成一个低阻通路，破坏了逻辑关形成一个低阻通路，破坏了逻辑关系，而且还会把截止门中的导通管系，而且还会把截止门中的导通管T4烧坏。烧坏。 集电极开路门集电极开路门(OC门门) 集电极开路门集电极开路门(OC门门) 电路结构：电路结构：把把TTL与非门电路的推拉输出级改为三极管与非门电路的推拉输出级改为三极管集电极开路输出集电极开路输出,称为集电极开路称为集电极开路(Open Collector)门电路。门电路。RL上上拉拉电电阻阻集电极开路门集电极开路门(OC门门) 结构和工作

47、原理结构和工作原理 逻辑符号如图逻辑符号如图(b)所示。所示。 逻辑功能：逻辑功能：几个几个OC门的输出端直门的输出端直接并联后可共用一个接并联后可共用一个集电极负载电阻集电极负载电阻RL和和电源电源VCC。 只要恰当地选择电源电只要恰当地选择电源电压和负载电阻，就可以压和负载电阻，就可以保证输出电平的高、低保证输出电平的高、低要求，而又有效地防止要求，而又有效地防止输出管电流过大。输出管电流过大。 F FA AB B(b)F=(AB) 集电极开路门集电极开路门(OC门门) (2)集电极负载电阻集电极负载电阻RL的选择的选择 利用利用OC门可以实现线与功能。门可以实现线与功能。 当有当有m个个

48、OC门直接并联，并带有门直接并联，并带有n个与非门作负载时，只个与非门作负载时，只要公共外接负载电阻要公共外接负载电阻RL选择适当，就可以保证输出高电平选择适当，就可以保证输出高电平不低于规定的不低于规定的VOHmin值；又可以保证输出低电平不高于规定值；又可以保证输出低电平不高于规定的的VOLmax。而且也不会在电源和地之间形成低阻通路。而且也不会在电源和地之间形成低阻通路。 集电极开路门集电极开路门(OC门门) 集电极负载电阻集电极负载电阻RL的选择的选择 若若m个个OC与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结果为高与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结果为高电平，如图所示。电平，如图所

49、示。OC门门个数个数 OC门输出管截门输出管截止时的漏电流止时的漏电流 负载门每个输入负载门每个输入端为高电平时的端为高电平时的输入漏电流输入漏电流 TTL与非门输入与非门输入端的个数端的个数 集电极开路门集电极开路门(OC门门) 集电极负载电阻集电极负载电阻RL的选择的选择 若若m个个OC与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结果为高电平，如图所示。果为高电平，如图所示。为保证并联输出高电平不为保证并联输出高电平不低于规定的低于规定的VOHmin值，则要值，则要求求RL取值不能太大，才能取值不能太大，才能保证保证VCC-IRLRLVOHmin。VCC-

50、(mIOH+pIIH)RLVOHmin RL最大值最大值RLmax为：为： IHOHOHminCCLmaxpImIVVRVCC-IRLRLVOHminIRL=mIOH+pIIH 集电极开路门集电极开路门(OC门门) 当当OC门线与输出为低电平时，从最不利情况考虑，设只有一个门线与输出为低电平时，从最不利情况考虑，设只有一个OC门处于导通状态，而其它的门处于导通状态，而其它的OC门均截止，如图所示。门均截止，如图所示。 OC门导通时的门导通时的最大负载电流最大负载电流 TTL与非门输与非门输入短路电流入短路电流 IRL=IOL-nIIS 集电极开路门集电极开路门(OC门门)RL不能太小，应保证在

51、所有的负载电流全部流入唯一导通的不能太小，应保证在所有的负载电流全部流入唯一导通的OC门时，线门时，线与输出低电平仍能低于规定的与输出低电平仍能低于规定的VOLmax值，即值，即VCC-IRLRLVOLmax。 注注：无论一个门有几个输入端接在：无论一个门有几个输入端接在VOL上，上，IIS都是同样大。都是同样大。 VCC-(IOL-nIIS)RLVOLmaxRL最小值最小值RLmin为为： ISOLOLmaxCCLminnIIVVRRLminRLRLmax 集电极开路门集电极开路门(OC门门) (3)OC门的应用：门的应用：实现与或非逻辑实现与或非逻辑(线与线与) 将几个将几个OC门的输出直

52、接并联在一起，然后通过一个公共门的输出直接并联在一起，然后通过一个公共上拉电阻上拉电阻RL接到电源接到电源VCC上，如图所示。上，如图所示。， F1=(A1 B1)， F2=(A2 B2)，Fn=(An Bn)，则：，则：F=F1 F2 Fn=(A1 B1) (A2 B2) (An Bn) =( A1 B1+ A2 B2+ An Bn)集电极开路门集电极开路门(OC门门) OC门的应用：门的应用：实现电平转移实现电平转移 在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）需要有电在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）需要有电平转换的时候，常用平转换的时候，常用OC门实现，如图所示电路。门实现，如图

53、所示电路。 ， 要把高电平转换为要把高电平转换为10V时，时，可将外接的上拉电阻接到可将外接的上拉电阻接到10V电源上。这样电源上。这样OC门的门的输入端电平与一般与非门输入端电平与一般与非门一致，而输出的高电平就一致，而输出的高电平就可以变为可以变为10V。达到了电平。达到了电平转换的目的。转换的目的。集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：门的应用：用作驱动器用作驱动器 用用OC门驱动指示灯、继电器和脉冲变压器等。门驱动指示灯、继电器和脉冲变压器等。当用于驱动指示灯时，上拉电阻由指示灯代替，当用于驱动指示灯时，上拉电阻由指示灯代替，指示灯的一端于指示灯的一端于OC门的输出相连，另

54、一端接上门的输出相连，另一端接上电源。如果电流过大，可串入一个适当的限流电电源。如果电流过大，可串入一个适当的限流电阻。阻。， 集电极开路门集电极开路门(OC门门) 用作驱动器用作驱动器 【例【例2-1】 试用试用74LS系列逻辑门，驱动一只系列逻辑门，驱动一只VD=1.5V，ID=6mA的发光二极管的发光二极管 解：与非门解：与非门74LS00的的IOL为为4mA，不能驱动，不能驱动ID=6mA的发光二的发光二极管。集电极开路与非门极管。集电极开路与非门74LS01的的IOL为为6mA，故可选用，故可选用74LS01来驱动发光二极管，其电路如图所示。来驱动发光二极管，其电路如图所示。， 限流

55、电阻限流电阻kVVVR5 . 065 . 05 . 156OLDCCR1ABVcc(+5V)F三态输出门三态输出门三态逻辑（三态逻辑（Three State Logic）输出门，简称）输出门，简称TSL门。它是在一般门电路的基础上增加控制电路门。它是在一般门电路的基础上增加控制电路和控制端构成的。和控制端构成的。三态输出是指三态门处于工作状态的高电平、低三态输出是指三态门处于工作状态的高电平、低电平和非工作状态的高阻态（禁止态、开路态）。电平和非工作状态的高阻态（禁止态、开路态）。ENVEN=0.3V (EN=0),Vb1=1.0V,Vb3=1.0V,T4、T5截止。截止。即即EN=0输出为高

56、阻态输出为高阻态VEN=3.6V(EN=1), D截止，就是与非门。截止，就是与非门。工作原理工作原理三态输出门三态输出门三态输出门三态输出门当控制端当控制端E=0时，电路为非门时，电路为非门工作状态，则称控制端工作状态，则称控制端E为低为低电平有效，如图电平有效，如图(a)所示。所示。当控制端当控制端E=1时，电路为非门时，电路为非门工作状态，控制端工作状态，控制端E称为高有称为高有效，如图效，如图 (b)所示。所示。(1) 三态输出门工作原理三态输出门工作原理三态输出门三态输出门三态门的用途：三态门的用途：在总线传输中的应用在总线传输中的应用 利用三态门向同一个总线利用三态门向同一个总线M

57、N上轮流传输信号不会互相干扰。上轮流传输信号不会互相干扰。 工作条件是：工作条件是：在任何时间里只能有一个三态门处于工作状态，在任何时间里只能有一个三态门处于工作状态，其余的门处于高阻态。其余的门处于高阻态。 .100MN101高阻高阻.三态输出门三态输出门三态门的用途：三态门的用途：实现数据双向传输实现数据双向传输E=1，G1高阻，高阻，G2工作，工作，N经经G2向向M送数据。送数据。 E=0， G1 工作，工作，G2高阻，高阻，M经经G1 向向N送数据。送数据。G2G1MNE2.2.7 TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介1964年美国年美国TI公司生产了第一个公司生产了第一

58、个TTL集成电路系集成电路系列即列即54/74系列，简称系列，简称74系列。系列。54系列与系列与74系列的系列的区别主要是区别主要是54系列器件可以在较高温度范围和电系列器件可以在较高温度范围和电源电压下工作。有许多半导体制造厂都在生产源电压下工作。有许多半导体制造厂都在生产TTL集成电路，它们都用相同的编号体系，但每集成电路，它们都用相同的编号体系，但每个厂家用的前缀不同，例如个厂家用的前缀不同，例如TI公司用前缀公司用前缀SN，美，美国国家半导体公司用国国家半导体公司用DM等，因此，由于制造厂等，因此，由于制造厂家不同，四或非门芯片有家不同，四或非门芯片有SN7402、DM7402等。等

59、。可以通过网络寻找特定可以通过网络寻找特定TTL集成电路的数据手册，集成电路的数据手册，查阅它的参数表。查阅它的参数表。 2.2.7 TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介继继54/74系列之后相继生产了系列之后相继生产了74H、74L、74S、74LS、74AS、74ALS、74F等改进系列。等改进系列。74H（High-speed TTL）系列通过减小电路中各个电阻的阻值缩短了传输）系列通过减小电路中各个电阻的阻值缩短了传输延迟时间，但同时也增加了功耗。延迟时间，但同时也增加了功耗。74L(Low-power TTL)系列则通过加大电路中各个电阻系列则通过加大电路中各个电阻的阻

60、值降低了功耗，但同时又增加了传输延迟时间。的阻值降低了功耗，但同时又增加了传输延迟时间。2.2.7 TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介74S(Schottky TTL)系列又称肖特基系列，系列又称肖特基系列，74S系列通系列通过禁止三极管进入深度饱和减少了存储时间延迟。过禁止三极管进入深度饱和减少了存储时间延迟。抗饱和三极管抗饱和三极管(又称肖特基钳位三极管，又称肖特基钳位三极管，Schottky clamped Transistor)是由普通的双极型三极管和肖是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管（又称特基势垒二极管（又称Schottky Barrier Diode，简，简