第5章集成逻辑门电路(高).

1、 集成集成逻辑门电路逻辑门电路概述概述 第第 5 章集成逻辑门电路章集成逻辑门电路基本逻辑门电路基本逻辑门电路TTL 集成逻辑门电路集成逻辑门电路CMOS 集成逻辑门电路集成逻辑门电路TTL 电路和电路和 CMOS 电路的接口电路的接口本章小结本章小结 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 概概 述述主要要求：主要要求： 了解逻辑门电路的作用和常用类型。了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。理解高电平信号和低电平信号的含义。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Me

2、tal-Oxide-Semiconductor 一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分按功能特点不同分 普通门普通门( (推拉式输出推拉式输出) ) CMOS传输门传输门 输出输出开路门开路门 三态门三态门 门电路门电路 (Gate Circuit) 指用以实现基本逻辑关系和指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分 与门与门 或门或门 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非门 与或非门与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分

3、 TTL 集成门电路集成门电路 CMOS 集成门电路集成门电路 输入端和输出端都用输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。 用互补对称用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。管构成的逻辑门电路。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路二、高电平和低电平的含义二、高电平和低电平的含义 高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定范围的电位值，而非一固定值。的电位值，而非一固定值。 高电平信号是多大的信号？低高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？电平信号又是多大的信号？10高电平高电平低电平低电平01高电平高电平低电平低电平正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制由门电路种

4、由门电路种类等决定类等决定 3.6v2.4v0.8v0v0.3v3v 在在TTL电路中，电路中，2.43.6v范围均称为高电平，范围均称为高电平，标准高电平常取标准高电平常取3v。00.8v范围均称为低电平，范围均称为低电平，标准低电平常取标准低电平常取0.3v。阈值电压为。阈值电压为1.4v。1.4v 集成集成逻辑门电路逻辑门电路主要要求：主要要求： 理解理解二极管的开关特性。二极管的开关特性。 理解三极管的开关特性。理解三极管的开关特性。 5.1基本逻辑门电路基本逻辑门电路了解分立元件基本门电路。了解分立元件基本门电路。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 开关器件开关器件具有闭合和断开两种工作

5、状态。具有闭合和断开两种工作状态。理想开关特性理想开关特性闭合接通电阻为闭合接通电阻为0，断开电阻为无穷大，断开电阻为无穷大，闭合或断开动作瞬间完成。闭合或断开动作瞬间完成。实际开关特性实际开关特性闭合接通电阻不为闭合接通电阻不为0，断开电阻不为无穷大，断开电阻不为无穷大，闭合或断开动作有一定延迟时间（称闭合或断开动作有一定延迟时间（称开关开关时间时间），承受功率有限。），承受功率有限。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路5.1.1 二极管、三极管及场效管的开关特性二极管、三极管及场效管的开关特性 1、二极管伏安特性、二极管伏安特性 Uthth为门限电压为门限电压（硅二极管约（硅二极管约0.5V,锗

6、管约锗管约0.1V）。）。一、二极管的开关特性一、二极管的开关特性 IR R为反向电流（为反向电流（近近似为似为0）。）。 UBRBR为反向击穿电为反向击穿电压。反向击穿电压的压。反向击穿电压的大小与二极管的型号大小与二极管的型号有关。有关。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 当输入当输入 uI 为低电平为低电平UIL IL Uth th ，二极管反向截，二极管反向截止（相当于断开）。止（相当于断开）。 二极管通断的条件和等效电路二极管通断的条件和等效电路 当输入当输入 uI 为高电平为高电平UIH IH Uth th ，二极管正向导通（，二极管正向导通（硅二极硅二极管两端约管两端约0.7V，锗管

7、约，锗管约0.2V ）。）。 2、稳态开关特性、稳态开关特性电路处于相对稳定的状态下，二电路处于相对稳定的状态下，二极管所呈现的开关特性。极管所呈现的开关特性。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路3、瞬态开关特性、瞬态开关特性电路处于瞬变状态下，二极电路处于瞬变状态下，二极管所呈现的开关特性。管所呈现的开关特性。反向恢复时间在高速开关反向恢复时间在高速开关电路中不能忽略。电路中不能忽略。开通时开通时间相对间相对较短，较短，对开关对开关速度影速度影响较小，响较小，可以可以忽忽略略 集成集成逻辑门电路逻辑门电路三极管为什么能用作开关？三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？怎样控制它的开和关？ 当输

8、入当输入 uI 为低电平，使为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。时，三极管截止。 iB 0，iC 0，C、E 间相当间相当于开关断开。于开关断开。 三极管关断的条件和等效电路三极管关断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线负载线临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区二、三极管的开关特性二、三极管的开关特性 截止区截止区uBE UthBEC三极管三极管截止状态截止状态等效电路等效电路uI=UILuBE+ +- -Uth为门限电压为门限电压0.5v1 1、三极管的稳态开关特性、三极管的稳态开关特性晶体管输出特性晶体管输出特性 集成

9、集成逻辑门电路逻辑门电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区二、三极管的开关特性二、三极管的开关特性 uI 增大增大使使 iB 增大，增大，从而工作点上移，从而工作点上移， iC 增大，增大，uCE 减小。减小。截止区截止区uBE Uth时，三极管开始导通，时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大，三极管工作于放大导通状态。导通状态。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区二、三极管的开关特性二、三极管的开关

10、特性 截止区截止区uBE IB(sat)因为因为 iB =IHB 0.7 VURBBV .92V 7 . 06 . 3RR CCCB(sat)RVI mA 1 . 0k 150V 5 所以求得所以求得 RB ton开关时间主要由于开关时间主要由于电电荷存储效应荷存储效应引起，要提高引起，要提高开关速度，必须降低三极开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。储电荷的消散。 二极管、三极管作为二极管、三极管作为开关，其开关的转换速开关，其开关的转换速度都与延迟时间有关。度都与延迟时间有关。2 2、三极管的动态开关特性、三极管的动态开关特性 集成集成逻辑门电路逻

11、辑门电路三、三、MOSMOS管的开关特性管的开关特性 在数字逻辑电路在数字逻辑电路中，中，MOSMOS管也是作为管也是作为开关元件来使用的。开关元件来使用的。MOSMOS管（金属氧化管（金属氧化物半导体场效应管）物半导体场效应管）有有N N沟道（沟道（NMOSNMOS）和）和P P沟道（沟道（PMOSPMOS）两种，）两种，且每种还有增强型和且每种还有增强型和耗尽型之分。一般采耗尽型之分。一般采用增强型用增强型MOSMOS管组成管组成开关电路，并由栅源开关电路，并由栅源电压电压u uGSGS控制控制MOSMOS管的管的截止或导通。截止或导通。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路NMOS增强型：增强型

12、： 当当uGSUGS(th)N，管子导通，产生，管子导通，产生iDS 当当uGSUGS(th)N，管子截止，管子截止，iDS0。PMOS增强型：增强型： 当当uGSUGS(th)P，管子截止，管子截止，iDS0。 UGS(th)是管子的开启电压，即衬底半导体表面感生出导电是管子的开启电压，即衬底半导体表面感生出导电沟道所需的栅源电压。沟道所需的栅源电压。 MOSMOS管导通的条件管导通的条件 集成集成逻辑门电路逻辑门电路输入输入A、B、C全为高电平全为高电平“1”，输出输出 Y 为为“1”。输入输入A、B、C不全为不全为“1”，输出输出 Y 为为“0”。0V0V0V0V0V3V+U 5VRDA

13、DCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC0V3VY=A B C5.1.2 分立元件门电路分立元件门电路 集成集成逻辑门电路逻辑门电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABYC3V3VGNDRDADCABYDBC输入输入A、B、C全为低电平全为低电平“0”，输出输出 Y 为为“0”。输入输入A、B、C有一个为有一个为“1”，输出输出 Y 为为“1”。Y=A+B+C 集成集成逻辑门电路逻辑门电路+UCCARBRCYT 1 0饱和饱和(2) 逻辑表达式：逻辑表达式：Y

14、=A“0”10“1”“0”“1”AY 集成集成逻辑门电路逻辑门电路4、与非与非门电路门电路 二极管与门和三极管非门串接而成二极管与门和三极管非门串接而成,实现实现与非与非逻辑功能。逻辑功能。ABD1D2+5VRR2R1FABY 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 5、 或非或非门电路门电路GNDD1D2RBA 二极管或门和三极管非门串接而成二极管或门和三极管非门串接而成,实现实现或非或非逻辑功能。逻辑功能。FR1R2BAY 集成集成逻辑门电路逻辑门电路主要要求：主要要求： 了解了解 TTL 与非门的组成和工作原理。与非门的组成和工作原理。了解了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。集成逻辑门的

15、主要参数和使用常识。5.2TTL 集成逻辑门集成逻辑门 掌握掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。基本门的逻辑功能和主要外特性。了解了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路体积大。体积大。元件参数差异，工作稳定度差。元件参数差异，工作稳定度差。各种门的输入、输出高低电平差异大。各种门的输入、输出高低电平差异大。分立元件门电路的不足分立元件门电路的不足开关转换速度慢。开关转换速度慢。5.2.1 TTL 与非门与非门一、概述一、概述需要不同电源，功耗大。需要不同电源，功耗大。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 T5Y R3R5A

16、B CR4R2R1 T3 T4T2+5V T1二、二、TTLTTL“与非与非”门电路门电路E2E3E1BC输入级主要由多发射极管输入级主要由多发射极管 T1 和基极电和基极电阻阻 R1 组成，用以实现输入变量组成，用以实现输入变量 A、B、 C的与运算。的与运算。 VD1 VD3为输入钳位二极管，用以为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，号输入时，VD1 VD3不工作，当输入的不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在二极管导通，输入端负电压被钳在 - -0

17、.7 V上，这不但抑制了输入端的负极性干上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对扰，对 T1 还有保护作用。还有保护作用。 中间级起倒相放大作中间级起倒相放大作用，用，T2 集电极集电极 C2 和发射极和发射极 E2 同时输出两个逻辑电平同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动相反的信号，分别驱动 T3和和 T5。 输出级输出级由由 T3、T4、 R4、R5和和T5组成。其中组成。其中 T3 和和 T4 构成构成复合管，与复合管，与 T5 构成推拉构成推拉式输出结构，式输出结构，输出阻抗小，输出阻抗小，提高了负载提高了负载能力。能力。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路E2E3E1BC T5Y R3R

18、5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T14.3V 钳位钳位2.1V“0”(0.3V)输入全高输入全高“1”,输出为低输出为低“0”1VT1R1+Ucc T4输入高电平电流输入高电平电流IIH,流入输入端，微安级很小流入输入端，微安级很小0。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T11V(0.3V)“1”“0”输入有低输入有低“0”输出为高输出为高“1” 流过流过 E结的电结的电流为正向电流流为正向电流5VVY 5-0.7-0.7 =3.6V输入低电平电流输入低电平电流IIL,流出输入端，毫安级流出输入端，毫安级0.2mA。 集成集

19、成逻辑门电路逻辑门电路电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线5.2.2 TTL 与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 1. 电压传输特性电压传输特性和噪声容限和噪声容限 输出电压随输入电压变化的特性输出电压随输入电压变化的特性 uI 较小时工作于较小时工作于AB 段，段，这时这时 V2、V5 截止，截止，V3、V4 导通，输出恒为高电平，导通，输出恒为高电平，UOH 3.6V，称与非门工，称与非门工作在截止区或处于关门状作在截止区或处于关门状态。态。

20、 uI 较大时工作于较大时工作于 BC 段，这时段，这时 V2、V5 工作于工作于放大区，放大区， uI 的微小增大的微小增大引起引起 uO 急剧下降，称与急剧下降，称与非门工作在转折区。非门工作在转折区。 uI 很大时工作于很大时工作于 CD 段，段，这时这时 V2、V5 饱和，输出恒为饱和，输出恒为低电平，低电平，UOL 0.3V，称与非，称与非门工作在饱和区或处于开门状门工作在饱和区或处于开门状态。态。 电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线饱和区：与非门

21、饱和区：与非门处于开门状态。处于开门状态。 截止区：与非门截止区：与非门处于关门状态。处于关门状态。 转折区转折区 集成集成逻辑门电路逻辑门电路下面介绍与下面介绍与电压传输特电压传输特性有关的主要参数：性有关的主要参数：有关参数有关参数 0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线电压传输特性曲线标准高电平标准高电平 USH 当当 uO USH 时，则认为输出高时，则认为输出高电平，通常取电平，通常取 USH = 3 V。 标准低电平标准低电平 USL当当 uO USL 时，则认为输出低时，则认为输出低电平，通常取电平，通常取 USL = 0

22、.3 V。 关门电平关门电平 UOFF 1.1 V 保证输出为保证输出为USH 的的90%（2.7 V)时，时，允许输入低电平的最大值。允许输入低电平的最大值。开门电平开门电平UON 1.6V 保证输出为保证输出为USL（0.3 V） 时时,允许允许输入高电平的最小值。输入高电平的最小值。阈值电压阈值电压 UTH转折区中点所对应的输入电压，转折区中点所对应的输入电压，又称门槛电平又称门槛电平UTH 1.4 V 。USH = 3VUSL = 0.3VUOFFUONUTH近似分析时认为：近似分析时认为：uI UTH，则与非门开通，则与非门开通， 输出低电平输出低电平UOL；uI UTH，则与非门关

23、闭，则与非门关闭， 输出高电平输出高电平UOH。USH（ 3 V）的）的90%（2.7 V)一般一般UOFF取取0.8 V， UON 取取1.8 V. 集成集成逻辑门电路逻辑门电路指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。UNL = UOFF UIL 指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH = UIH UON 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限噪声容限。噪声容限越大

24、，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。 输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限 UNH输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限 UNL 集成集成逻辑门电路逻辑门电路输入负载特性测试电路输入负载特性测试电路 输入负载特性输入负载特性曲线曲线0uI /VR1/k UOFF1.6FNROFFRON2. 输入负载特性输入负载特性 ROFF 称关门电阻。称关门电阻。RI RON 时，相应输入端相当时，相应输入端相当于输入高电平。对于输入高电平。对 STTL 系列，系列，RON 2.1 k 。RONROFFUOFF为保证与非门关闭，为保证与非门关闭，RI增大到增大到使使uI上升到上升到UOFF值时的值

25、时的RI值，值，称关门电阻。称关门电阻。为保证与非门开通，为保证与非门开通，RI增大到增大到使使uI上升到上升到UON值时的值时的RI值，值，称开门电阻。称开门电阻。注意：对于不同的注意：对于不同的TTL门电路，门电路， RON和和ROFF的值是不同的。的值是不同的。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 例例 下图中，已知下图中，已知 ROFF 800 ，RON 3 k ，试对应，试对应 输入波形定性画出输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。与非门的输出波形。( (a) )( (b) )tA0.3 V3.6 VO不同不同 TTL 系列，系列， RON、 ROFF 不同。不同。相应输入端相当于输入低

26、电平，相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 0 。逻辑逻辑0因此因此 Ya 输出恒为高电平输出恒为高电平 UOH 。相应输入端相当于输入高电平，相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 1 。逻辑逻辑1AAYb 1因此，可画出波形如图所示。因此，可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解：图解：图( (a) )中，中，RI = 300 RON 3 k 集成集成逻辑门电路逻辑门电路3. 负载能力负载能力 负载电流流入与负载电流流入与非门的输出端。非门的输出端。 负载电流从与非门负载电流从与非门的输出端流向外负载。的输出端流向外负载。负载电流流

27、入驱动门负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门负载电流流出驱动门IOH输入均为输入均为高电平高电平 输入有输入有低电平低电平 输出为低电平输出为低电平 输出为高电平输出为高电平 灌电流负载灌电流负载拉电流负载拉电流负载 不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用实用中常用扇出系数扇出系数 NOL 表示电路负载能力。表示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。门电路输出低电平时允许带同类门电

28、路的个数。 通常按照负通常按照负载电流的流向将载电流的流向将与非门负载分为与非门负载分为 灌电流负载灌电流负载 拉电流负载拉电流负载 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 输出低电平扇出系数输出低电平扇出系数NOL=IOL(max)/IIL IOL(max) 为与非门输出低电平允许为与非门输出低电平允许V5的最大集电极电流的最大集电极电流 IIL 每个负载门输入低电平电流每个负载门输入低电平电流（1）带灌电流负载）带灌电流负载 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 输出高电平扇出系数输出高电平扇出系数NOH=IOH(max)/IIH IOH(max)与非门输出高电平的最大允许电流与非门输出高电平的最大允许电流

29、 IIH 每个负载门输入高电平电流每个负载门输入高电平电流（2）带拉电流负载）带拉电流负载 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 由于三极管存在开关时间，元、器件由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。 输入信号输入信号UOm0.5 UOm0.5 UImUIm输出信号输出信号4. 传输延迟时间传输延迟时间 输入电压波形下降沿输入电压波形下降沿 0.5 UIm 处到输出电压上升沿处到输出电压上升沿 0.5 Uom处间隔的时间称处间隔的时间称截止延迟时间截止延迟时间 tPLH

30、。 输入电压波形上升沿输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿处到输出电压下降沿 0.5 Uom处间隔的时间称处间隔的时间称导通延迟时间导通延迟时间 tPHL L。平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd 2PLHPHLpdttt tPHLtPLHtpd 越小，则门电越小，则门电路开关速度越高，工路开关速度越高，工作频率越高。作频率越高。 0.5 UIm0.5 UOm 集成集成逻辑门电路逻辑门电路5. 功耗功耗- -延迟积延迟积 常用功耗常用功耗 P 和平均传输延迟时间和平均传输延迟时间 tpd 的乘积的乘积( (简称简称功耗功耗 延迟积延迟积) )来来综合评价门电路的性能，即综

31、合评价门电路的性能，即M = P tpd 性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的特点，然而这两者矛盾。特点，然而这两者矛盾。 M 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路5.2.3 TTL非门、或非门和与或非门非门、或非门和与或非门1TTL非门非门在在TTL与非门基础上将多发射极管更换成普通晶体管即可与非门基础上将多发射极管更换成普通晶体管即可 FA 集成集成逻辑门电路逻辑门电路2TTL或非门或非门FAB 当当A、B中任何一个为高电平时都将中任何一个为高电平时都将 或或 导通，使

32、导通，使 导通，导通， 截止，电路输出低电平，只有在截止，电路输出低电平，只有在A、B同时为低电平同时为低电平时，时， 和和 同时截止，使同时截止，使 导通，导通， 截止，电路输出为高截止，电路输出为高电平。电平。 1T2T5T4T1T2T5T4T 集成集成逻辑门电路逻辑门电路3TTL与或非门与或非门 将与、或非两种方法组合运用，就可以得到与或非电路，将与、或非两种方法组合运用，就可以得到与或非电路，由图分析可知，只要由图分析可知，只要A、B或者或者C、D中任何一组输入同时为高中任何一组输入同时为高电平，输出就为低电平，只有两组输入都不同时为高电平时，电平，输出就为低电平，只有两组输入都不同时

33、为高电平时，输出为高电平，输出为高电平， FABCD 集成集成逻辑门电路逻辑门电路BAY 非门的线与连接图示电路为两个非门的输出端直图示电路为两个非门的输出端直接连接的情况。其输出与输入间的关接连接的情况。其输出与输入间的关系为系为BAY 两个逻辑门输出端相连，可以实两个逻辑门输出端相连，可以实现两输出相现两输出相与与的功能，称为的功能，称为线与线与。在用门电路组合各种逻辑电路时，在用门电路组合各种逻辑电路时，如果能将输出端直接并接，有时能大如果能将输出端直接并接，有时能大大简化电路。大简化电路。前面介绍的推拉式输出结构的前面介绍的推拉式输出结构的TTL门电路是不能将两个门门电路是不能将两个门

34、的输出端直接并接的。的输出端直接并接的。5.2.4 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门 集成集成逻辑门电路逻辑门电路两个与非门输出直接相连接的情况如图如图所示的连接中，如果所示的连接中，如果F1 1输出为高电平，输出为高电平，F2 2输出为低输出为低电平，由于推拉式输出级总是电平，由于推拉式输出级总是呈现低阻抗，因此将会有一个呈现低阻抗，因此将会有一个很大的负载电流流过两个输出很大的负载电流流过两个输出级，该电流远远超过正常工作级，该电流远远超过正常工作电流，甚至会损坏门电路。电流，甚至会损坏门电路。为了使为了使TTL门能够实现线门能够实现线与与，把输出级改为集电极开路，把输出级改为集电

35、极开路的结构，简称的结构，简称OC门门。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路即即 Open collector gate，简称简称 OC 门。门。 使用时需使用时需外接外接上拉电阻上拉电阻 RL VCC可以是可以是+5 V， 也也可以为其他值，视电可以为其他值，视电路需要调整路需要调整 。( (一一) )集电极开路与非门集电极开路与非门 1. 电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理 输入都为高电平时，输入都为高电平时， V2 和和 V5 饱和导通，输出饱和导通，输出为低电平为低电平 UOL 0.3 V 。输入有低电平时，输入有低电平时，V2和和 V5 截止，输出为高电平截止，输出为高电平

36、UOH VCC 。 因此具有与非功能。因此具有与非功能。 工作原理工作原理 OC门门 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 相当于与门作用。相当于与门作用。 因为因为 Y1、Y2 中有低电中有低电平时，平时，Y 为低电平；只有为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，均为高电平时，Y才为高电平，故才为高电平，故 Y = Y1 Y2。2. 应用应用 ( (1) ) 实现线与实现线与两个或多个两个或多个 OC 门的输出端直接相连，门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与。相当于将这些输出信号相与，称为线与。 Y只有只有 OC 门才能实现线与。普通门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联

37、，否则可能损坏器件。门输出端不能并联，否则可能损坏器件。注意注意CDABCDABY 集成集成逻辑门电路逻辑门电路OC门电路取消了典型门电路取消了典型TTL门电路中门电路中V3、V4的输出的输出电路，在使用时外接一个电电路，在使用时外接一个电阻阻RL和外接电源和外接电源Vcc 。只要电阻只要电阻RL和电源和电源Vcc的的数值选择恰当，就能保证输数值选择恰当，就能保证输出的高、低电平符合要求，出的高、低电平符合要求，输出三极管输出三极管V5的负载电流又的负载电流又不过大。不过大。以上以上表示了表示了n个个OC门并联使用的情况，其输出门并联使用的情况，其输出IJCDABIJCDABY n个OC门并联

38、使用YBA&DC&JI&VCCRLn 集成集成逻辑门电路逻辑门电路minOHVmaxOLV，还要保证门电路不被烧坏。，还要保证门电路不被烧坏。当外加电源电压确定后，负载电阻大小选择的原则为：当外加电源电压确定后，负载电阻大小选择的原则为：输出高电平不低输出高电平不低于于 ，低电平输出不高于，低电平输出不高于 ，还要保证门电路不被烧坏。，还要保证门电路不被烧坏。minOHVminOHVR L计计算算示示意意图图minmaxCCOHLOHIHVVRnImImaxminmaxCCOLLOLILVVRImILRIOH为为OC门输出管的截止漏电流门输出管的截止漏电流 IOL为为O

39、C门输出管最大负载电流门输出管最大负载电流 IIL负载门的低电平输入电流负载门的低电平输入电流 IIH负裁门的高电平输入电流负裁门的高电平输入电流n“线与线与”输出的输出的OC门的个数门的个数 m接入电路的负载门输入端个数接入电路的负载门输入端个数 集成集成逻辑门电路逻辑门电路( (2) )驱动显示器和继电器等驱动显示器和继电器等 例例 下图为用下图为用 OC 门驱动发光二极管门驱动发光二极管 LED 的显示电路。的显示电路。 已知已知 LED 的正向导通压降的正向导通压降 UF = 2V，正向工作电流，正向工作电流 IF = 10 mA，为保证电路正常工作，试确定，为保证电路正常工作，试确定

40、 RC 的值。的值。解解：为保证电路正常工作，应满足为保证电路正常工作，应满足FCOLFV5CIRUUIR mA 10V 3 . 0V 2V 5 C R即即因此因此RC = 270 分析：分析：该电路只有在该电路只有在 A、B 均为高均为高电平，使输出电平，使输出 uO 为低电平时，为低电平时，LED 才导通发光；否则才导通发光；否则 LED 中中无电流流通，不发光。无电流流通，不发光。 要使要使 LED 发光，应满足发光，应满足IRc IF = 10 mA。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路TTLCMOSRLVDD+5 V( (3) )实现电平转换实现电平转换 TTL 与非门有时需要驱动其他种类

41、门电路，而不与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用同种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC 门就门就可以适应负载门对电平的要求。可以适应负载门对电平的要求。OC 门的门的 UOL 0.3V，UOH VDD，正好符合，正好符合 CMOS 电路电路 UIH VDD，UIL 0的要求。的要求。 VDDRL 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 即即 Tri- -State Logic 门，简称门，简称 TSL 门。其输出有高电平门。其输出有高电平(关态）、关态）、低电平（开态）和高阻态三种状态。低电平（开态）和高阻态三种状态。三态输出与非门电路三态输出与非门电路 E

42、N = 1 时，时，P = 0，uP = 0.3V0110 0.3V1V导通导通截止截止截止截止 另一方面，另一方面，V1 导通，导通， uB1 = 0.3V + 0.7V = 1V, V2、V5 截止。截止。这时，从输出端这时，从输出端 Y 看进去，看进去，对地和对电源对地和对电源 VCC 都相当于开路，都相当于开路，输出端呈现高阻态输出端呈现高阻态，相当于输出，相当于输出端开路。端开路。Y=AB1V导通导通截止截止截止截止Z这时这时 VD 导通，使导通，使 uC2 = 0.3 V + 0.7 V = 1 V，使，使 V4 截止。截止。( (二二) )三态输出门三态输出门 1. 电路、逻辑符

43、号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理工作原理工作原理 EN = 0 时，时，P = 1，VD 截止截止电路等效为一个输入为电路等效为一个输入为 A、B 和和1 的的 TTL 与非门。与非门。 Y = AB 集成集成逻辑门电路逻辑门电路综上所述，可见：综上所述，可见：( (二二) )三态输出门三态输出门 1. 电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理只有当使能信号只有当使能信号 EN = 0 时才允许三态时才允许三态门工作，故称门工作，故称 EN 低电平有效低电平有效。EN 称使能信号或控制信号，称使能信号或控制信号，A、B 称数据信号。称数据信号。当当 EN = 0 时，时，Y = A

44、B三态门三态门处于工作态；有开态和关态。处于工作态；有开态和关态。当当 EN = 1 时，三态门输出呈时，三态门输出呈现高阻态，又现高阻态，又称称禁止态。禁止态。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路EN 即即 Enable功能表功能表Z0AB1YEN使能端的两种控制方式使能端的两种控制方式使能端低电平有效使能端低电平有效使能端高电平有效使能端高电平有效功能表功能表Z1AB0YENEN 集成集成逻辑门电路逻辑门电路2. 应用应用 任何时刻任何时刻 EN1、EN2、 EN3 中只能有一个为有效电平中只能有一个为有效电平，使相应三态门工作，而其他三使相应三态门工作，而其他三态输出门处于高阻状态，从而态输出

45、门处于高阻状态，从而实现了总线的复用。实现了总线的复用。总线总线 ( (1) )构成单向总线构成单向总线 集成集成逻辑门电路逻辑门电路DIDO/DIDO00高阻态高阻态工作工作DI EN = 0 时，时，总线上的数据总线上的数据 DI经反相后在经反相后在 G2 输输出端输出。出端输出。( (2) )构成双向总线构成双向总线 DIDO/DIDO11工作工作DO高阻态高阻态 EN = 1 时，时，数据数据 DO 经经 G1 反相后传送到反相后传送到总线上。总线上。 DIDO/DIDO11工作工作DO高阻态高阻态 EN = 1 时，时，数据数据 DO 经经 G1 反相后传送到反相后传送到总线上。总线

46、上。 DIDO/DIDO 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 TTL 集成门的类型很多集成门的类型很多, ,那么那么如何识别它们如何识别它们? ?各类型之间有何异各类型之间有何异同同? ?如何选用合适的门如何选用合适的门? ?5.2.5 TTL 集成门的各种系列及应用要点集成门的各种系列及应用要点 1. . 各系列各系列 TTL 集成门的比较与选用集成门的比较与选用 用于民品用于民品 用于军品用于军品 具有完全相同的电路结构和电气性能具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但参数，但 CT54 系列更适合在温度条件恶系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。劣、供电电源变化大的环境中工作。

47、 按工作温度和电源允许变化范围不同分为按工作温度和电源允许变化范围不同分为 CT74 系列系列 CT54 系列系列 集成集成逻辑门电路逻辑门电路向高速向高速发展发展 向低功向低功耗发展耗发展 按平均传输延迟时间和平均功耗不同分按平均传输延迟时间和平均功耗不同分 向减小向减小功耗功耗 - -延迟积延迟积发展发展 措施：增大电阻值措施：增大电阻值 措施：措施：( (1) ) 采用采用 SBD 和抗饱和三极管；和抗饱和三极管；( (2) ) 采用有源泄放电路；采用有源泄放电路；( (3) ) 减小电路中的电阻值。减小电路中的电阻值。其中，其中，LSTTL 系列综合性能优越、品种多、系列综合性能优越、

48、品种多、价格便宜；价格便宜； ALSTTL 系列性能优于系列性能优于 LSTTL，但品，但品种少、价格较高，因此种少、价格较高，因此实用中多选用实用中多选用 LSTTL。 CT74 系列系列( (即标准即标准 TTL ) )CT74L 系列系列( (即低功耗即低功耗 TTL简称简称 LTTL) ) CT74H 系列系列( (即高速即高速 TTL简称简称 HTTL) )CT74S 系列系列( (即肖特基即肖特基TTL简称简称 STTL) ) CT74AS 系列系列( (即先进肖特基即先进肖特基TTL简称简称 ASTTL) ) CT74LS 系列系列( (即低功耗肖特基即低功耗肖特基TTL 简称简

49、称 LSTTL) )CT74ALS 系列系列( (即先进低功耗肖特基即先进低功耗肖特基TTL 简称简称 LSTTL) ) 集成集成逻辑门电路逻辑门电路集成门的选用要点集成门的选用要点( (1) )实际使用中的最高工作频率实际使用中的最高工作频率 fm 应不大于逻辑门最高工作应不大于逻辑门最高工作 频率频率 fmax 的一半。的一半。 ( (2) )不同系列不同系列 TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度度( (平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd ) )和

50、平均功耗不同。实际使用和平均功耗不同。实际使用时，时， 高速门电路可以替换低速的；反之则不行。高速门电路可以替换低速的；反之则不行。 例如例如 CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00 xx74xx00 引脚图引脚图 双列直插双列直插 14 引脚引脚四四 2 输入与非门输入与非门 集成集成逻辑门电路逻辑门电路2. TTL 集成逻辑门的使用要点集成逻辑门的使用要点 ( (1) )电源电压用电源电压用 + 5 V， 74 系列应满足系列应满足 5 V 5% 。( (2) )输出端的连接输出端的连接 普通普通 TTL 门输出端不允许直接

51、并联使用。门输出端不允许直接并联使用。 三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。一个门工作，其他门输出处于高阻状态。 集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源电源 VCC 之间应接负载电阻之间应接负载电阻 RL。 输出端不允许直接接电源输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路3. 多余输入端的处理多余输入端的处理 与门和与非门的多余输入

52、端接逻辑与门和与非门的多余输入端接逻辑 1 或者与有用输入端并接。或者与有用输入端并接。接接 VCC通过通过 1 10 k 电阻接电阻接 VCC与有用输入端并接与有用输入端并接TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平，电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路或门和或非门的多余输入端接逻辑或门和或非门的多余输入端接逻辑 0或者与有用输入端并接或者与有用输入端并接 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 例例 欲用下列

53、电路实现非运算，试改错。欲用下列电路实现非运算，试改错。( (ROFF 700 ，RON 2.1 k ) 集成集成逻辑门电路逻辑门电路解：解：OC 门输出门输出端需外接端需外接上拉电阻上拉电阻RC5.1kY = 1Y = 0 RI RON ，相应输入，相应输入端为高电平。端为高电平。510 RI Uth， 管子导通。管子导通。 当当uGSUth， 管子截止。管子截止。 PMOS增强型，当增强型，当uGS-Uth 管子截止管子截止(Uth是管子的开启是管子的开启 电压电压) 集成集成逻辑门电路逻辑门电路AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNBAuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB增强型增强

54、型 NMOS 管管(驱动管驱动管)增强型增强型 PMOS 管管(负载管负载管)构成互补构成互补对称结构对称结构5.3.1 CMOS 反相器反相器 ( (一一) )电路基本结构电路基本结构 要求要求VDD UGS(th)N +UGS(th)P且且 UGS(th)N =UGS(th)P UGS(th)N增强型增强型 NMOS 管开启电压管开启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB NMOS 管的衬底接管的衬底接电路最低电位，电路最低电位，PMOS管的衬底接最高电位，管的衬底接最高电位，从而从而保证衬底与漏源间保证衬底与漏源间的的 PN 结始终反偏。结始终反偏。.uGSN+- -增强型增强型

55、 PMOS 管开启电压管开启电压uGSP+- -UGS(th)PuGSN UGS(th)N 时，增强型时，增强型 NMOS 管导通管导通uGSN UGS(th)N 时，增强型时，增强型 NMOS 管截止管截止OiDuGSUGS(th)N增强型增强型 NMOS 管管转移特性转移特性 时时, 增强型增强型 PMOS 管导通管导通 时时, 增强型增强型 PMOS 管截止管截止OiDuGSUGS(th)P增强型增强型 PMOS 管管转移特性转移特性PGS(th)GSPUu PGS(th)GSPUu AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB( (一一) )电路基本结构电路基本结构 UIL = 0 V，

56、UIH = VDD 集成集成逻辑门电路逻辑门电路AuIYuOVDDSGDDGSVP衬底衬底 BVN衬底衬底 B( (二二) )工作原理工作原理 ROFFNRONPuO+VDDSDDS导通电阻导通电阻 RON 截止电阻截止电阻 ROFFRONNROFFPuO+VDDSDDS可见该电路构成可见该电路构成 CMOS 非门，又称非门，又称 CMOS 反相器。反相器。无论输入高低，无论输入高低，VN、VP 中总有一管截止，使静态漏中总有一管截止，使静态漏极电流极电流 iD 0。因此。因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。反相器静态功耗极微小。 输入为低电平，输入为低电平，UIL = 0V 时，时，uGS

57、N = 0V UGS(th)N , VN 导通，导通，VP 截止，截止，PGS(th)DDDDGSPV0UVVu 输入为低电平输入为低电平 UIL = 0 V 时，时，uGSN = 0V UGS(th)N ， VN 截止，截止，VP 导通，导通，PGS(th)DDSPGPV0UVuu GSPuuO VDD , 为高电平。为高电平。UIH = VDDuO 0 V ，为低电平。，为低电平。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路C、C 为互补为互补控制信号控制信号 由一对参数对称一致的增由一对参数对称一致的增强型强型 NMOS 管和管和 PMOS 管并联管并联构成。构成。 PMOSCuI/uOVDDCMOS

58、传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN5.3.2 CMOS 传输门传输门 工作原理工作原理 MOS 管的漏极和源极结构对称，管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此可互换使用，因此 CMOS 传输门的传输门的输出端和输入端也可互换。输出端和输入端也可互换。 uOuIuIuO 当当 C = 0V，uI = 0 VDD 时，时，VN、VP 均截止，输出与输入之间呈现高均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。电阻，相当于开关断开。 uI 不能传输到输出端，称传输门不能传输到输出端，称传输门关闭。关闭。CC 当当 C = VDD，uI = 0 VDD 时，时，VN、VP 中

59、至少有一管导通，输出与输入中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。之间呈现低电阻，相当于开关闭合。 uO = uI，称传输门开通。，称传输门开通。 C = 1，C = 0 时，传输门开通，时，传输门开通，uO = uI； C = 0，C = 1 时，传输门关闭，信号不能传输。时，传输门关闭，信号不能传输。 集成集成逻辑门电路逻辑门电路PMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN 传输门是一个理想的传输门是一个理想的双向开关，双向开关，可传输模拟信号可传输模拟信号，也可传输，也可传输数字信号数字信号。TGuI/uOuO/uICC传

60、输门逻辑符号传输门逻辑符号 TG 即即 Transmission Gate 的缩写的缩写 5.4.2 CMOS 传输门传输门 集成集成逻辑门电路逻辑门电路 在反相器基础上串接在反相器基础上串接了了 PMOS 管管 VP2 和和 NMOS 管管 VN2，它们的栅极分别，它们的栅极分别受受 EN 和和 EN 控制。控制。5.3.3 CMOS 三态输出门三态输出门 AENVDDYVP2VP1VN1VN2低电平使能的低电平使能的 CMOS 三态输出门三态输出门工作原理工作原理001导通导通导通导通Y=A110截止截止截止截止Z EN = 1 时，时，VP2、VN2 均截止，输出端均截止，输出端 Y 呈现高呈现高阻态。阻态。