第二章集成逻辑门电路(2)

1、第二章第二章集成逻辑门电路集成逻辑门电路（续（续1） 2.2 集成逻辑门集成逻辑门 最早的逻辑门是用二极管、三极管以及最早的逻辑门是用二极管、三极管以及MOS管分立器件构成，但早已成为历史。管分立器件构成，但早已成为历史。 把若干个有源器件和无源器件及其连线，按把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体基片上，照一定的功能要求，制做在同一块半导体基片上，这样的产品叫集成电路。若它完成的功能是逻辑功这样的产品叫集成电路。若它完成的功能是逻辑功能或数字功能，能或数字功能， 则称为逻辑集成电路或数字集成则称为逻辑集成电路或数字集成电路。最简单的数字集成电路是集成逻辑门

2、。电路。最简单的数字集成电路是集成逻辑门。 集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类：可分为两大类： 一类是双极性晶体管逻辑门；一类是双极性晶体管逻辑门；另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称MOS门。门。 双极性晶体管逻辑门主要有双极性晶体管逻辑门主要有TTL门门(晶体管晶体管-晶体管逻辑门晶体管逻辑门)、ECL门门(射极耦合逻辑门射极耦合逻辑门)和和I2L门门(集成注入逻辑门集成注入逻辑门)等。等。 单极性单极性MOS门主要有门主要有PMOS门门(P沟道增强型沟道增强型MOS管构成的逻辑门管构成的逻辑

3、门)、NMOS门门(N沟道增强型沟道增强型MOS管构成的逻辑门管构成的逻辑门)和和CMOS门门(利用利用PMOS管管和和NMOS管构成的互补电路构成的门电路，故又管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补叫做互补MOS门门)。 2.2.1 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路TTL类型电路的输入端和输出端均为三极管结类型电路的输入端和输出端均为三极管结构，所以称为晶体管构，所以称为晶体管-晶体管逻辑晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic)电路，简称电路，简称TTL电路，它是一种电路，它是一种应用非常广泛的双极型电路。应用非常广泛的双极型电路。 国际上国际上TTL电路有

4、四电路有四个系列：个系列：54/74标准通用系列；标准通用系列；54H/74H高速系列；高速系列；54S/74S 肖特基系列；肖特基系列；54LS/74LS 低功耗肖特基低功耗肖特基系列。系列。 54系列和系列和74系列的主要区别在于工作环境系列的主要区别在于工作环境温度范围的不同和电源允许的变化范围不同。温度范围的不同和电源允许的变化范围不同。 1、TTL与非门电路结构和工作原理与非门电路结构和工作原理 (1) 电路结构电路结构 图图2.2.1(a)是典型的是典型的TTL(54/74系列系列)与非门电与非门电路。路。 它在结构上可分为输入级、中间级和输出级它在结构上可分为输入级、中间级和输出

5、级三个部分。三个部分。 图图2.2.1 典型的典型的TTL与非门与非门(a) 电路原理图；电路原理图； (b) 多射极晶体管的等效电路多射极晶体管的等效电路图 2 13 典型的TTL与非门电路 (a) 电路原理图； (b) 多射极晶体管的等效电路 (a) 输入级。由多发射极管输入级。由多发射极管V1和电阻和电阻R1组成，组成，其作用是对输入变量其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与，所以实现逻辑与，所以它相当一个与门。它相当一个与门。 多发射极管多发射极管V1的等效电路如图的等效电路如图(b)所示。设二所示。设二极管极管VD1VD4 的正向管压降为的正向管压降为0.7 V，当输入信号，当输入信

6、号A、B、C中有一个或一个以上为低电平中有一个或一个以上为低电平(0.3V)时，时，Ub=1V，Uc=0.3V； 当当A、B、C全部为高电平全部为高电平(3.6V)时，时，Ub=4.3V，Uc=3.6V。 可见，仅当所有输入都为高时，输出才为高，可见，仅当所有输入都为高时，输出才为高，只要有一个输入为低，输出便是低，所以起到了只要有一个输入为低，输出便是低，所以起到了与门的作用。与门的作用。 中间级。由中间级。由V2、R2、R3组成，在组成，在V2的集的集电极与发射极分别可以得到两个相位相反的电压，电极与发射极分别可以得到两个相位相反的电压，以满足输出级的需要。以满足输出级的需要。 输出级。由

7、输出级。由V3、V4、V5和和R4、R5组成，这组成，这种电路形式称为推拉式电路，它不仅输出阻抗低，种电路形式称为推拉式电路，它不仅输出阻抗低，带负载能力强，带负载能力强， 而且可以提高工作速度。而且可以提高工作速度。 (2) 工作原理工作原理 (a) 输入端至少有一个为低电平输入端至少有一个为低电平(UIL=0.3V)。 当输入端至少有一个接低电平当输入端至少有一个接低电平UIL(0.3V)时，时，接低电平的发射结正向导通，则接低电平的发射结正向导通，则V1的基极电位的基极电位UB1=UBE1+UIL=0.7+0.3=1V。为使。为使V1的集电结及的集电结及V2和和V5的发射结同时导通，的发

8、射结同时导通，UB1至少应当等于至少应当等于2.1V(UB1=UBC1+UBE2+UBE5)。 现在现在UB1=1V，所以，所以，V2和和V5必然截止。由必然截止。由于于V2截止，故截止，故IC20，R2中的电流也很小，中的电流也很小， 因而因而R2上的电压很小。因此有：上的电压很小。因此有： 该电压使该电压使V3和和V4的发射结处于良好的正向的发射结处于良好的正向导通状态，导通状态，V5处于截止状态，此时输出电压等于处于截止状态，此时输出电压等于高电平高电平(3.6 V)。V 522 RCCCUUU UO=UOH=UC2-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6V此值未计入此值未计入R

9、2上的压降，所以实际的上的压降，所以实际的UOH小于小于3.6V。 当当UO=UOH时，称与非门处于关闭状态。时，称与非门处于关闭状态。 电路处于关闭状态，由于电路处于关闭状态，由于V5截止，当该门截止，当该门电路接入负载后，有电流从电路接入负载后，有电流从VCC经经R5流入每个负流入每个负载，这种电流称为载，这种电流称为拉电流拉电流。 (b) 输入端全部接高电平输入端全部接高电平(UIH=3.6V)。V1的基的基极电位极电位UB1最高不会超过最高不会超过2.1V。因为当。因为当UB12.1V时，时，V1的集电结及的集电结及V2和和V5的发射结会同时导通，把的发射结会同时导通，把UB1钳在钳在

10、UB1=UBC1+UBE2+UBE5=0.7+0.7+0.7= 2.1V。所。所以，当各个输入端都接高电平以，当各个输入端都接高电平UIH(3.6V)时，时，V1的的所有发射结均反偏截止。这时所有发射结均反偏截止。这时+UCC通过通过R1使使V1的的集电结及集电结及V2和和V5的发射结同时导通，从而使的发射结同时导通，从而使V2和和V5处于饱和状态。此时处于饱和状态。此时V2的集电极电位：的集电极电位：UC2=UCES2+UBE50.3+0.7=1V V1的集电结正偏，的集电结正偏，V1管的基极电流管的基极电流Ib1流向集流向集电极并注入电极并注入V2的基极，其大小为：的基极，其大小为： UC

11、2加到加到V3的基极，由于的基极，由于R4的存在，可以使的存在，可以使V3导通。所以，导通。所以，V4的基极电位和射极电位分别为：的基极电位和射极电位分别为： UB4=UE3UC2-UBE3=1-0.7=0.3V UE4=UCES50.3V可见，可见，V4的发射结偏压的发射结偏压UBE4=UB4-UE4=0.3-0.3= 0V，所以，所以，V4处于截止状态。处于截止状态。 mARUEIbcb131 . 25111 在在V4截止、截止、V5饱和的情况下，输出电压饱和的情况下，输出电压UO为：为： UO=UOL=UCES50.3V UO=UOL时，称与非门处于开门状态。时，称与非门处于开门状态。

12、电路处于开态，由于电路处于开态，由于V5饱和，当该门电路饱和，当该门电路接入负载后，有电流经负载灌入，这种电流称为接入负载后，有电流经负载灌入，这种电流称为灌电流灌电流。 综上所述，当输入端至少有一端接低电平综上所述，当输入端至少有一端接低电平(0.3 V)时，时， 输出为高电平输出为高电平(3.6 V)；当输入端全；当输入端全部接高电平部接高电平(3.6 V)时，时， 输出为低电平输出为低电平(0.3 V)。由此可见，该电路的输出和输入之间满足由此可见，该电路的输出和输入之间满足“与与非非”逻辑关系：逻辑关系：各晶体管的工作情况见下表各晶体管的工作情况见下表2.2.1所示。所示。 _CBAF

13、 输输 入入 V1V2V3V4V5输输 出出 与非门状与非门状态态 全部为高电位全部为高电位 倒置工倒置工作作 饱和饱和 导通导通 截止截止 饱饱和和 低电位低电位UOL 开门开门 至少有一个为至少有一个为低电位低电位 深饱和深饱和 截止截止 微饱微饱和和 导通导通 截截止止 高电位高电位UOH 关门关门 表表 2.2.1 TTL与非门各晶体管工作状态与非门各晶体管工作状态 (c) 输入端全部悬空。输入端全部悬空时，输入端全部悬空。输入端全部悬空时，V1管的发射结全部截止。管的发射结全部截止。+UCC通过通过R1使使V1的集电结的集电结及及V2和和V5的发射结同时导通，使的发射结同时导通，使V

14、2和和V5处于饱和处于饱和状态，则状态，则UB3=UC2=UCES+UBE5=0.3+0.7=1V。由于。由于R4的作用，的作用，V3导通，故导通，故UBE3=0.7V。此时。此时V2的发射的发射结电压为：结电压为： UBE4=UB4-UE4=UE3-UCES5=UB3-UBE3-UCES5 1-0.7-0.3=0 V所以所以V4处于截止状态。处于截止状态。 可见，该电路在输入端全部悬空时，可见，该电路在输入端全部悬空时，V4截止，截止，V5饱和。故其输出电压饱和。故其输出电压UO为：为： UO=UCES50.3V 输入端全部悬空和输入端全部接高电平时，输入端全部悬空和输入端全部接高电平时，该

15、电路的工作状态完全相同。所以，该电路的工作状态完全相同。所以，TTL电路的某电路的某输入端悬空，可以等效地看作该端接入了逻辑高输入端悬空，可以等效地看作该端接入了逻辑高电平。实际电路中，悬空容易引入干扰，故对不电平。实际电路中，悬空容易引入干扰，故对不用的输入端一般不悬空，用的输入端一般不悬空， 应作相应的处理。应作相应的处理。 TTL与非门具有较高的开关速度，主要原因与非门具有较高的开关速度，主要原因有两点：有两点： (a)输入级采用了多射极管，缩短了输入级采用了多射极管，缩短了V2和和V5的的开关时间。当输入端全部为高电位时，开关时间。当输入端全部为高电位时，V1处于倒处于倒置工作状态，此

16、时置工作状态，此时V1向向V2提供了较大的基极电流，提供了较大的基极电流，使使V2、V5迅速导通饱和；迅速导通饱和； 当某一输入端突然从高电位变到低电位时，当某一输入端突然从高电位变到低电位时，Ib1转而流向转而流向V1低电位输入端，即为低电位输入端，即为V1正向工作的正向工作的基流，该瞬间将产生一股很大的集电极电流基流，该瞬间将产生一股很大的集电极电流Ic1，正好为正好为V2和和V5提供了很大的反向基极电流，使提供了很大的反向基极电流，使V2和和V5基区的存储电荷迅速消散，因而加快了基区的存储电荷迅速消散，因而加快了V2和和V5的截止过程，提高了开关速度。的截止过程，提高了开关速度。 (b)

17、输出级采用了推拉式结构，提高了带负载输出级采用了推拉式结构，提高了带负载能力。当与非门输出高电平时，能力。当与非门输出高电平时，V5截止，截止，V3和和V4导通，组成射极跟随器，其输出阻抗很低，有较导通，组成射极跟随器，其输出阻抗很低，有较强的驱动能力，可向负载提供较大的驱动电流；强的驱动能力，可向负载提供较大的驱动电流；当与非门输出低电平时，当与非门输出低电平时，V4截止，截止，V5处于深饱和处于深饱和状态，输出阻抗也很低，可以接收较大的灌电流，状态，输出阻抗也很低，可以接收较大的灌电流，因此也有较强的带负载能力。因此也有较强的带负载能力。 推拉式输出级还能驱动较大的电容负载而不推拉式输出级

18、还能驱动较大的电容负载而不致影响其开关速度。因为推拉式输出级无论输出致影响其开关速度。因为推拉式输出级无论输出高电平或低电平时其输出阻抗都很低，当输出端高电平或低电平时其输出阻抗都很低，当输出端接有电容负载时，对负载电容的充放电时间常数接有电容负载时，对负载电容的充放电时间常数都比较小，因而输出波形可获得较好的上升沿和都比较小，因而输出波形可获得较好的上升沿和下降沿。下降沿。 2、TTL与非门主要外部特性与参数与非门主要外部特性与参数为了更好地使用为了更好地使用TTL门电路，门电路， 非常有必要了非常有必要了解其外部特性和参数。解其外部特性和参数。 TTL的主要外部特性有电的主要外部特性有电压

19、传输特性、输入特性、输出特性以及动态特性压传输特性、输入特性、输出特性以及动态特性等。等。 (1) 电压传输特性电压传输特性电压传输特性是指输出电压电压传输特性是指输出电压vO跟随输入电压跟随输入电压vI变化而变化的曲线。变化而变化的曲线。 图图2.2.2给出了给出了TTL与非门的与非门的传输特性曲线。传输特性曲线。 图图2.2.2 TTL门电路电压传输特性门电路电压传输特性由图可见，该特性曲线分为由图可见，该特性曲线分为AB、BC、CD和和DE四段。四段。 AB段段(截止区截止区)：当：当UI0.6V时，时，V1工作在深饱工作在深饱和状态，和状态，Uces10.1V，Ube20.7V，故，故

20、V2、 V5截截止，止，V3、V4均导通，均导通， 输出高电平输出高电平UOH=3.6V。 BC段段(线性区线性区)：当：当0.6VUI1.3V时，时，0.7VUb21.4V，V2开始导通，开始导通，V5尚未导通。此尚未导通。此时时V2处于放大状态，其集电极电压处于放大状态，其集电极电压Uc2随着随着UI的增的增加而下降，并通过加而下降，并通过V3、V4射极跟随器使输出电压射极跟随器使输出电压UO也下降也下降 ，下降斜率近似等于，下降斜率近似等于-R2/R3。 CD段段(转折区转折区)：1.3VUI1.4V，当，当UI略大略大于于1.3V时，时，V5开始导通，此时开始导通，此时V2发射极到地的

21、等发射极到地的等效电阻为效电阻为R3Rbe5，比，比V5截止时的截止时的R3小得多，因而小得多，因而V2放大倍数增加，近似为放大倍数增加，近似为-R2/(R3Rbe5)， 因此因此Uc2迅速下降，输出电压迅速下降，输出电压UO也迅速下降，最后也迅速下降，最后V3、V4截止，截止， V5进入饱和状态。进入饱和状态。 DE段段(饱和区饱和区)：当：当UI1.4V时，随着时，随着UI增加增加V1进入倒置工作状态，进入倒置工作状态，V3导通，导通，V4截止，截止，V2、V5饱饱和，因而输出低电平和，因而输出低电平UOL=0.3V。 从电压传输特性可以得出以下几个重要参数：从电压传输特性可以得出以下几个

22、重要参数： (a) 输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL。 与非门至少一个输入端接低电平时的输出电与非门至少一个输入端接低电平时的输出电压叫输出高电平，记作压叫输出高电平，记作UOH。不同型号的。不同型号的TTL与非与非门，其内部结构有所不同，故其门，其内部结构有所不同，故其UOH也不一样。也不一样。 即使同一个与非门，其即使同一个与非门，其UOH也随负载的变化表现出也随负载的变化表现出不同的数值。不同的数值。 但是只要在但是只要在2.43.6V之间即认为合之间即认为合格。格。UOH的标准值是的标准值是3V。 与非门的所有输入端都接高电平时的输出与非门的所有输入端都接高电平

23、时的输出电压叫输出低电平，记作电压叫输出低电平，记作UOL。其值只要在。其值只要在00.5V之间即认为合格。之间即认为合格。UOL的标准值是的标准值是0.3V。 (b) 开门电平开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF。 保持输出电平为低电平时所允许输入高电平保持输出电平为低电平时所允许输入高电平的最小值，称为开门电平的最小值，称为开门电平UON ，即只有当，即只有当UiUON时，输出才为低电平；保持输出电平为高电平时时，输出才为低电平；保持输出电平为高电平时所允许输入低电平的最大值，称为关门电平所允许输入低电平的最大值，称为关门电平UOFF，即只有当即只有当UiUOFF时，输出才是高电平。

24、时，输出才是高电平。 一般产品手册给出输入高电平的最小值一般产品手册给出输入高电平的最小值UiHmin=2V，输入低电平的最大值，输入低电平的最大值UiLmax=0.8V。因此因此UON的典型值为的典型值为UiHmin=2V，UOFF的典型值的典型值为为UiLmax=0.8V。 (c) 阈值电压阈值电压UT。 阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压折区中点所对应的输入电压UT1.3V(1.4V)。可以。可以将将UT看成与非门导通看成与非门导通(输出低电平输出低电平)和截止和截止(输出高输出高电平电平)的分界线。的分界线。 (d) 噪

25、声容限噪声容限UNL和和UNH。 实际应用中由于外界干扰、电源波动等原实际应用中由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平因，可能使输入电平Ui偏离规定值。为了保证偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。称为噪声容限。 当与非门的输入端接有低电平时，其输出应当与非门的输入端接有低电平时，其输出应为高电平。若输入端窜入正向干扰，以致使输入低为高电平。若输入端窜入正向干扰，以致使输入低电平叠加上该干扰电压后大于电平叠加上该干扰电压后大于UOFF，则输出就不能，则输出就不能保证是高电平。在保证与非门输出高电平的前提下，保证是

26、高电平。在保证与非门输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大正向干扰电压叫低允许叠加在输入低电平上的最大正向干扰电压叫低电平噪声容限电平噪声容限(或叫低电平干扰容限或叫低电平干扰容限)，记作，记作UNL。其值一般为：其值一般为： UNL=UOFF-UIL=0.8-0.3=0.5V式中，式中，UIL=0.3V是输入低电平的标准值。是输入低电平的标准值。 当与非门的输入端全接高电平时，其输出应当与非门的输入端全接高电平时，其输出应为低电平，但是若输入端窜入负向干扰电压，就为低电平，但是若输入端窜入负向干扰电压，就会使实际输入电平低于会使实际输入电平低于UON，致使输出电压不能保，致使输出电

27、压不能保证为低电平。在保证与非门输出低电平的前提条证为低电平。在保证与非门输出低电平的前提条件下，件下， 允许叠加在输入高电平上的最大负向干扰允许叠加在输入高电平上的最大负向干扰电压叫高电平噪声容限电压叫高电平噪声容限(或叫高电平干扰容限或叫高电平干扰容限)，记，记作作UNH。其值一般为：。其值一般为： UNH=UIH-UON=3-2=1V式中，式中，UIH=3 V是输入高电平的标准值。是输入高电平的标准值。 噪声容限也可用两个互联的门电路来说明，噪声容限也可用两个互联的门电路来说明，其示意图如图其示意图如图2.2.3所示，图中所示，图中G1门的输出作为门的输出作为G2门的输入。门的输入。图图

28、2.2.3 噪声容限示意图噪声容限示意图 由此可以看到低电平噪声容限：由此可以看到低电平噪声容限：UNL=UOFF-maxOLU=maxILU-maxOLU 高电平噪声容限：高电平噪声容限：UNH=minOHU-UON=minOHU-minIHU 开门电平开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF越接近越接近（UON越小，越小，UOFF越大），抗干扰能力就越强。越大），抗干扰能力就越强。 (2) 输入特性输入特性输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即曲线，即Ii=f(ui)的函数关系。典型的输入特性如图的函数关系。典型的输入特性如图2.2.4所

29、示。所示。图图2.2.4TTL与非门输入特性与非门输入特性 设输入电流设输入电流Ii由信号源流入由信号源流入V1发射极时方向发射极时方向为正，反之为负。从图为正，反之为负。从图2.2.4可以看出，当可以看出，当UiUT时，时，Ii为负，即为负，即Ii流入信号源，对信号源形成灌电流入信号源，对信号源形成灌电流负载；当流负载；当Ui UT时时, Ii为正，为正，Ii流入流入TTL门，对门，对信号源形成拉电流负载。信号源形成拉电流负载。 从输入特性曲线上可得如下两个重要特性从输入特性曲线上可得如下两个重要特性参数。参数。 (a) 低电平输入电流低电平输入电流IIL(也称输入短路电流也称输入短路电流I

30、IS)。当输入端一端接地当输入端一端接地(即即Vi=0)时，流出输入端的电时，流出输入端的电流称为低电平输入电流流称为低电平输入电流IIL，典型值约为，典型值约为1.5 mA。 低电平输入电流低电平输入电流IIL ：11besCCILRVVI 若逻辑门电路由前级若逻辑门电路由前级TTL门驱动，因门驱动，因IIL是流是流入前级门的灌电流，入前级门的灌电流，IIL太大，会使前级门输出低太大，会使前级门输出低电平抬高。电平抬高。 对于一个对于一个TTL与非门，与非门，IIL的大小和门的输入的大小和门的输入端个数无关。端个数无关。 将多个输入端并接后总的低电平输将多个输入端并接后总的低电平输入电流和每

31、个输入端单独接低电平时的输入电流入电流和每个输入端单独接低电平时的输入电流是一样的。是一样的。 在图在图2.2.5中，中，n个两输入的个两输入的TTL与非与非门并联，其总的低电平输入电流为门并联，其总的低电平输入电流为nIIL，n等于负等于负载门的个数，而不是输入端的数目。载门的个数，而不是输入端的数目。图图2.2.5 TTL与非门输入端并联时的与非门输入端并联时的总低电平输入电流总低电平输入电流(b) 输入漏电流输入漏电流IIH(即高电平输入电流即高电平输入电流)。 当当输入端接高电平时，流入门电路内部的反向漏电输入端接高电平时，流入门电路内部的反向漏电流即为输入漏电流流即为输入漏电流IIH

32、。 其电流值很小，约为其电流值很小，约为10 A。 若逻辑门由前级若逻辑门由前级TTL门驱动，则门驱动，则IIH是流出前是流出前级门的拉电流。级门的拉电流。 漏电流太大，会造成前级输出漏电流太大，会造成前级输出高电平下降。高电平下降。 对于一个对于一个TTL与非门，输入漏电流与非门，输入漏电流IIH的大小的大小和与非门的输入端个数有关，和与非门的输入端个数有关，IIH为一个发射极反为一个发射极反偏时的漏流，若一个门电路有多个输入端，则总偏时的漏流，若一个门电路有多个输入端，则总漏流为多个输入端漏流总和。漏流为多个输入端漏流总和。 如图如图2.2.6中，中，n个个两输入的两输入的TTL与非门并联

33、，其总的高电平输入电与非门并联，其总的高电平输入电流为流为2nIIH，和负载门个数、每个门输入端数目均，和负载门个数、每个门输入端数目均有关。有关。 图图2.2.6 TTL与非门输入端并联时的与非门输入端并联时的总高电平输入电流总高电平输入电流 应当注意的是，当应当注意的是，当UI7V以后，以后，V1的的ce结结将发生击穿，使将发生击穿，使II猛增。此外当猛增。此外当UI-1V时，时，V1的的be结也可能烧毁。这两种情况下都会使与非门损结也可能烧毁。这两种情况下都会使与非门损坏，因此在使用时，尤其是混合使用电源电压不坏，因此在使用时，尤其是混合使用电源电压不同的集成电路时，应采取相应的措施，使

34、输入电同的集成电路时，应采取相应的措施，使输入电位钳制在安全工作区内。位钳制在安全工作区内。 (3) 输入负载特性输入负载特性 在实际应用中，经常会遇到输入端经过一个在实际应用中，经常会遇到输入端经过一个电阻接地的情况，如图电阻接地的情况，如图2.2.7所示，电阻所示，电阻Ri上的电上的电压压Ui在一定范围内会随着电阻值的增加而升高。在一定范围内会随着电阻值的增加而升高。输入负载特性就是指输入电压输入负载特性就是指输入电压Ui随输入负载随输入负载Ri变变化的关系，如图化的关系，如图2.2.8所示。所示。 图图2.2.7TTL与非门输入负载图与非门输入负载图 图图2.2.8TTL与非门输入负载特

35、性与非门输入负载特性 由图由图2.2.8可见，当可见，当Ri较小时，较小时，Ui随随Ri增加增加而升高，此时而升高，此时V5截止。忽略截止。忽略V2基极电流的影响，基极电流的影响，可近似认为：可近似认为： 1i1CCbeiiUUURRR 当当Ri很小时很小时Ui很小，相当于输入低电平，很小，相当于输入低电平，输出高电平。为了保持电路稳定地输出高电平，输出高电平。为了保持电路稳定地输出高电平，必须使必须使UiUOFF。若。若UOFF=0.8V，R1=3k，可求，可求得得Ri0.7k，这个电阻值称为关门电阻，这个电阻值称为关门电阻ROFF。可见，要使与非门稳定地工作在截止状态，必可见，要使与非门稳

36、定地工作在截止状态，必须选取须选取RiROFF。 当当Ri较大时，较大时，Ui进一步增加，但它不能一直进一步增加，但它不能一直随随Ri增加而升高。因为当增加而升高。因为当Ui=1.4 V时，时，Ub1=2.1V，此时此时V5已经导通，由于受已经导通，由于受V1集电结和集电结和V2、V5发射发射结的钳位作用，结的钳位作用，Ub1将保持在将保持在2.1V，致使，致使UI也不也不能超过能超过1.4V，见图，见图2.2.8。 为了保证与非门稳定地输出低电平，应该有为了保证与非门稳定地输出低电平，应该有UiUON。此时求得的输入电阻称为开门电阻，用。此时求得的输入电阻称为开门电阻，用RON表示。对于典型

37、表示。对于典型TTL与非门，与非门，RON=2k，即，即RIRON时才能保证与非门可靠导通。时才能保证与非门可靠导通。 所以，在工程技术中，所以，在工程技术中，TTL与非门的与非门的ROFF和和RON分别取值为分别取值为0.5 k和和2 k。 综合上述，当综合上述，当TTL与非门的某一输入端通过与非门的某一输入端通过电阻电阻R接地时，若接地时，若Ri0.5k，则该端相当于输入，则该端相当于输入逻辑低电平；若逻辑低电平；若Ri2 k，则该端相当于输入逻，则该端相当于输入逻辑高电平。辑高电平。 在使用在使用TTL门电路时，如果输入信号比输门电路时，如果输入信号比输入端数少，就会有多余输入端。通常，

38、多余端入端数少，就会有多余输入端。通常，多余端不宜开路，以免拾取干扰信号。不宜开路，以免拾取干扰信号。 一般是将多余一般是将多余输入端接高电平，或者与有用的信号端并接，输入端接高电平，或者与有用的信号端并接，如图如图2.2.9所示。所示。图图2.2.8 多余输入端的处理多余输入端的处理(4) 输出特性输出特性 TTL门电路输出端接入负载时，其输出电门电路输出端接入负载时，其输出电压压VO随输出电流随输出电流iL变化的关系曲线称为变化的关系曲线称为TTL门门电路的输出特性电路的输出特性(设输出电流流入电路为正方向，设输出电流流入电路为正方向，反之为负反之为负)。 与非门输出有高、低两种电平，因与

39、非门输出有高、低两种电平，因此有两种输出特性。此有两种输出特性。 (a) 高电平输出特性高电平输出特性 此时此时V5截止，截止，V3微饱和，微饱和，V4导通，负载电流导通，负载电流为拉电流，如图为拉电流，如图2.2.9(a)、(b)所示。所示。图图2.2.9 TTL与非门输出高电平时的输出特性与非门输出高电平时的输出特性 从特性曲线可见，当拉电流从特性曲线可见，当拉电流IL5mA时，时，V3、V4处于射随器状态，因而输出高电平处于射随器状态，因而输出高电平UOH变化不变化不大。当大。当IL5mA时，时，V3进入深饱和，由于进入深饱和，由于IR5IL，UOH=UCC-Uces3-Ube4-ILR

40、5，故，故UOH将随着将随着IL的增加的增加而降低。因此，为了保证稳定地输出高电平，要而降低。因此，为了保证稳定地输出高电平，要求负载电流求负载电流IL14mA，允许的最小负载电阻，允许的最小负载电阻RL约约为为170。 (b) 低电平输出特性低电平输出特性 此时此时V5饱和，输出电流饱和，输出电流IL从负载流进从负载流进V5，形，形成灌电流，如图成灌电流，如图2.2.10所示。所示。图图2.2.10 TTL与非门输出低电平的输出特性与非门输出低电平的输出特性 当灌电流增加时，当灌电流增加时，V5饱和程度减轻，因而饱和程度减轻，因而UOL随随IL增加略有增加。增加略有增加。V5输出电阻约输出电

41、阻约1020。 若灌电流很大，使若灌电流很大，使V5脱离饱和进入放大状态，脱离饱和进入放大状态，UOL将很快增加，这是不允许的。通常为了保证将很快增加，这是不允许的。通常为了保证UOL0.35V，应使，应使IL25mA。 (5) 扇入系数扇入系数NI和扇出系数和扇出系数NO 扇入系数扇入系数NI是指门电路的输入端数，由厂家是指门电路的输入端数，由厂家制造时确定。一般制造时确定。一般NI5，最多不超过，最多不超过8。当需要的。当需要的输入端数超过输入端数超过NI时，可以用与扩展器来实现。时，可以用与扩展器来实现。 扇出系数扇出系数NO是指一个门最多能驱动同类型门是指一个门最多能驱动同类型门的个数

42、。的个数。 对于对于TTL器件而言，其扇出系数是根据器件而言，其扇出系数是根据一个门输出端能够提供的驱动能力和输入端对电流一个门输出端能够提供的驱动能力和输入端对电流的需求来进行估算的。的需求来进行估算的。 当当TTL门的输出端为低电平时，其后级门的输门的输出端为低电平时，其后级门的输入短路电流入短路电流IIS是它的灌电流负载；当门的输出端为是它的灌电流负载；当门的输出端为高电平时，其后级门的输入漏电流高电平时，其后级门的输入漏电流IIH是它的拉电流是它的拉电流负载。负载。 因此，因此，NO取取IOL max/IIS和和IOH max/IIH两者中较小两者中较小的一个。的一个。 一般一般IIS

43、比比IIH大得多，因此按最坏的情况考大得多，因此按最坏的情况考虑，当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载虑，当测出输出端为低电平时允许灌入的最大负载电流电流IOL max后，就可求出驱动门的扇出系数后，就可求出驱动门的扇出系数NO：ISmaxOLOIIN 例：图例：图2.2.11(a)(d)是是TTL逻辑门电路。逻辑门电路。 已已知知TTL逻辑门拉电流负载小于逻辑门拉电流负载小于5 mA, 灌电流负载小灌电流负载小于于20 mA，开门电平为，开门电平为1.8 V，关门电平为，关门电平为0.8 V，输入低电平电流为输入低电平电流为1.4 mA，输入高电平电流为，输入高电平电流为40 A，开门电

44、阻为，开门电阻为2 k，关门电阻为，关门电阻为800 ，输出，输出高电平为高电平为3.6 V，输出低电平为，输出低电平为0.3 V，分别判断图，分别判断图(a)(d)是否可以实现，请说明理由。是否可以实现，请说明理由。 ABF 图图2.2.11 本例图本例图解：解：(a) 输入电阻输入电阻Ri=200 ，而，而Roff=800 ，RiRoff，故相当于该输入端接低电平，故相当于该输入端接低电平， 不能实现不能实现 。 (b) 要实现要实现 ，接，接1.5 V电压的输入端应相电压的输入端应相当于接逻辑当于接逻辑“1”。 而开门电平而开门电平Von=1.8 V, 只有当只有当输入电平大于输入电平大

45、于Von 时，才保证该输入端接高电平，时，才保证该输入端接高电平，1.5 V1.8 V，所以不能实现，所以不能实现 。10 ABFABF ABF ABF (c) 与非门输出低电平时，有电流从电源经负与非门输出低电平时，有电流从电源经负载电阻灌入，该电流不应超过已给出的灌电流负载载电阻灌入，该电流不应超过已给出的灌电流负载值值20 mA，即，即(VCCVOL)/R=(3.6-0.3)/1000=3.3 mA5 mA，故不能实现，故不能实现。 ABF ABF 例：如图例：如图2.2.12所示电路，已知所示电路，已知TTL与非门的与非门的拉电流拉电流IOH为为1 mA，灌电流，灌电流IOL为为20

46、mA，输出高电，输出高电平平VOH=3.6 V，输出低电平，输出低电平VOL=0.3 V，Rc = 1 k，电源电源VCC=10 V，三极管，三极管T的放大倍数的放大倍数=40，Vbe = 0.7 V，要实现，要实现 ，VO= ,试确定试确定Rb的取的取值范围。值范围。 解：图中解：图中TTL与非门输出端通过与非门输出端通过Rb接一个三极接一个三极管构成的反相器，要保证电路正常工作，该电路要管构成的反相器，要保证电路正常工作，该电路要求求TTL与非门既能推动后级的反相器正常工作，又与非门既能推动后级的反相器正常工作，又要保证与非门本身输出的电流不超出正常负载能力。要保证与非门本身输出的电流不超

47、出正常负载能力。 ABP AB图图2.2.12 本例电路本例电路当与非门输出低电平，当与非门输出低电平，P=0时，三极管时，三极管T截止，截止，VO=1。 没有负载电流灌入与非门的输出端，这时没有负载电流灌入与非门的输出端，这时Rb的取值不受约束。的取值不受约束。 当与非门输出高电平，当与非门输出高电平，P=1时，这时要求流过时，这时要求流过Rb的电流的电流ib既要使三极管既要使三极管T进入饱和实现反相，又进入饱和实现反相，又要满足与非门流出的电流小于拉电流要满足与非门流出的电流小于拉电流IOH，即，即IbsibIOHOHbbeOHcCCIRVVRV (kk9 . 21017 . 06 . 3

48、3OHbeOHb IVVR(kk6 .1110140107 . 06 . 33cCCbeOHb RVVVR 故故Rb的取值范围为的取值范围为2.9 kRb11.6 k。 (6) 动态特性动态特性(a) 传输延时传输延时 一个门的传输延时一个门的传输延时(propagation delay)tPd是指其输出波形相对于输入波形的延时。是指其输出波形相对于输入波形的延时。 这是由这是由于晶体管的导通和截止过程都需要一定的时间，于晶体管的导通和截止过程都需要一定的时间，使得输出信号的变化滞后于输入信号。使得输出信号的变化滞后于输入信号。 图图2.2.13给出了一个非门的输入和输出波形。给出了一个非门的

49、输入和输出波形。 图图2.2.13 延迟时间延迟时间从图中可以看出，输出与输入之间存在的延时从图中可以看出，输出与输入之间存在的延时有导通延时有导通延时tPHL和截止延时和截止延时tPLH两种。两种。 导通延时导通延时tPHL是指输出电压由高电平跳变为低是指输出电压由高电平跳变为低电平的传输延迟时间。电平的传输延迟时间。 截止延时截止延时tPLH是指输出电压由低电平跳变为高是指输出电压由低电平跳变为高电平的传输延迟时间。电平的传输延迟时间。 tPHL和和tPLH是以输入、输出波形对应边上等于是以输入、输出波形对应边上等于最大幅度最大幅度50%的两点时间间隔来确定的，其数值可的两点时间间隔来确定

50、的，其数值可通过实验来测定。通过实验来测定。 这些参数可以从产品手册上查这些参数可以从产品手册上查到。到。 平均传输延时平均传输延时tPd(简称传输延时简称传输延时)为为tPHL和和tPLH的的平均值：平均值： 传输延时是衡量门电路速度的重要指标，晶传输延时是衡量门电路速度的重要指标，晶体管的开关时间越长，门的工作速度越低。通常，体管的开关时间越长，门的工作速度越低。通常，TTL门的门的tPd在在340 ns之间。之间。 )(21PLHPHLpdttt (b) 功耗功耗 空载功耗是输出端不接负载时，门电路消耗空载功耗是输出端不接负载时，门电路消耗的功率。的功率。 动态功耗是门电路的输出状态由动

51、态功耗是门电路的输出状态由UOH变为变为UOL(或相反或相反)时，时， 门电路消耗的功率。门电路消耗的功率。 静态功耗是门电路的输出状态不变时，门电静态功耗是门电路的输出状态不变时，门电路消耗的功率。静态功耗又分为截止功耗和导通路消耗的功率。静态功耗又分为截止功耗和导通功耗。功耗。 截止功耗截止功耗POFF是门输出高电平时消耗的功是门输出高电平时消耗的功率。率。 导通功耗导通功耗PON是门输出低电平时消耗的功率。是门输出低电平时消耗的功率。导通功耗大于截止功耗。导通功耗大于截止功耗。 作为门电路的功耗指标通常是指空载导通作为门电路的功耗指标通常是指空载导通功耗。功耗。TTL门的功耗范围为门的功

52、耗范围为122 mW。 表表2.2.2给出了给出了74系列系列TTL门的延迟时间及门的延迟时间及功耗。功耗。表表 2.22 74系列系列TTL与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd和功耗和功耗PON 产品型号产品型号 传输延迟时间传输延迟时间tpd/ns 功耗功耗PON/mW 产品名称的意义产品名称的意义74001010标准标准TTL74H00622高速高速TTL74L00331低功耗低功耗TTL74S00319肖特基肖特基TTL74LS009.52低功耗肖特基低功耗肖特基TTL74ALS003.51.3先进低功耗肖特基先进低功耗肖特基TTL74AS0038先进肖特基先进肖特基TTL

53、(c) 动态尖峰电流动态尖峰电流 TTL与非门在输入信号动态情况下，电源提供与非门在输入信号动态情况下，电源提供的电流的电流iCC的波形如图的波形如图2.2.14所示。所示。 图图2.2.14 TTL与非门电源动态尖峰电流与非门电源动态尖峰电流TTL与非门处于稳定导通状态，输出低电平时，与非门处于稳定导通状态，输出低电平时，其稳态电源电流其稳态电源电流ICCL约为约为3.4 mA；处于稳定关闭状；处于稳定关闭状态，输出高电平时，其稳态电源电流态，输出高电平时，其稳态电源电流ICCH约为约为1 mA。 当输入电压由高电平变为低电平，电路由导通当输入电压由高电平变为低电平，电路由导通转向关闭时，图

54、转向关闭时，图2.2.1中会出现中会出现V1、V2、V3、V4、V5同时导通的瞬间情形，此时，电阻同时导通的瞬间情形，此时，电阻R1、R2、R5上均有电流流过，电源电流出现瞬时最大值，即动上均有电流流过，电源电流出现瞬时最大值，即动态尖峰电流态尖峰电流ICCM为：为： 521CCMRRRiiiI ICCM的典型数值约为的典型数值约为32 mA。 若输入信号的若输入信号的周期为周期为T，动态尖峰电流，动态尖峰电流ICCM在一个周期内的平均在一个周期内的平均值为：值为： 电源电流总的平均值为：电源电流总的平均值为：)(21)(21CCLCCMpdpdCCLCCMCCMIIftTtIII )(21)

55、(21CCLCCMpdCCLCCHCCIIftIII 由于动态尖峰电流的存在，使得电源功耗增由于动态尖峰电流的存在，使得电源功耗增加。加。 而且从上式中不难看出，信号的工作频率越而且从上式中不难看出，信号的工作频率越高，门电路的传输延时越长，电流平均值增加的高，门电路的传输延时越长，电流平均值增加的越多。越多。 3、TTL其他类型门电路其他类型门电路 除了上面介绍的与非门外，常见的除了上面介绍的与非门外，常见的TTL集成门集成门电路还有非门、或非门、与或非门、异或门、集电电路还有非门、或非门、与或非门、异或门、集电极开路极开路(OC)门、三态输出门等。门、三态输出门等。 尽管它们的逻辑尽管它们

56、的逻辑功能不同，但它们的输入和输出级电路与典型的功能不同，但它们的输入和输出级电路与典型的TTL与非门类似，因此前面介绍的与非门的输入、与非门类似，因此前面介绍的与非门的输入、输出等特性对这些门同样适用。输出等特性对这些门同样适用。 (1) TTL或非门或非门图图2.2.15(a)是典型的是典型的TTL或非门电路，或非门电路，(b)是其是其逻辑符号。逻辑符号。图图2.2.15 TTL或非门电路或非门电路 T1和和T1的射极作为输入，两个基极并接，构的射极作为输入，两个基极并接，构成输入级；成输入级；T2和和T2的两个集电极并接，两个射极并的两个集电极并接，两个射极并接，构成中间级；接，构成中间

57、级；T3、D和和T4构成推拉式输出级。构成推拉式输出级。 当当A、B都是低电平都是低电平(0 V)时，时，T1和和T1的基极被的基极被钳定在钳定在0.7 V左右，左右，T2和和T2同时截止，同时截止，T4截止而截止而T3和和D导通，从而使输出导通，从而使输出F成为高电平。成为高电平。 当当A、B中有一个是高电平中有一个是高电平(假设假设A为高为高)时，时，T1的基极被钳定在的基极被钳定在2.1 V左右，左右，T2和和T4同时导通，而同时导通，而T3和和D截止，从而使输出截止，从而使输出F成为低电平。成为低电平。 如果如果B为为高电平，高电平，T2和和T4同时导通，而同时导通，而T3和和D截止，

58、则截止，则F也也是低电平。是低电平。 因此，该电路实现的是或非逻辑功能，因此，该电路实现的是或非逻辑功能，即即 。 BAF 可见，或非门中的或逻辑关系是通过将可见，或非门中的或逻辑关系是通过将T2和和T2两个三极管的两个三极管的e、c端分别并接来实现的。端分别并接来实现的。 由于由于TTL或非门的输入端和输出端电路结构与或非门的输入端和输出端电路结构与TTL与非与非门相似，所以其输入和输出特性也基本一样。门相似，所以其输入和输出特性也基本一样。 对于一个对于一个TTL或非门，将输入端并联以后，总或非门，将输入端并联以后，总的低电平输入电流等于每个输入端单独接低电平时的低电平输入电流等于每个输入

59、端单独接低电平时的输入电流乘以并联输入端的数目。的输入电流乘以并联输入端的数目。 在图在图2.2.16中，中，n个两输入的个两输入的TTL或非门并联，其总的低电平输入或非门并联，其总的低电平输入电流为电流为2nIIL，总的高电平输入电流也为，总的高电平输入电流也为2nIIH，n为为负载门的个数。负载门的个数。 或非门的高、低输入电流和负载或非门的高、低输入电流和负载门个数、每个门输入端数目均有关。门个数、每个门输入端数目均有关。 图图2.2.16 TTL或非门输入端并联时的总输入电流或非门输入端并联时的总输入电流(2) TTL与或非门与或非门图图2.2.16是典型的是典型的TTL与或非门电路。

60、与或非门电路。图图2.2.16 TTL与或非门电路与或非门电路1R2R4R1DCCVACDABY3RB3D1T2T4T5T2D1R1DCD1T2T2D(3) TTL异或门异或门图图2.2.17是典型的是典型的TTL异或门电路。异或门电路。图图2.2.17 TTL异或门电路异或门电路 图中图中T1是多发射极晶体管，在其集电极的输出是多发射极晶体管，在其集电极的输出实现与逻辑功能，即实现与逻辑功能，即m=AB；T2 、T3和和T4 、T5 构构成的电路与图成的电路与图2.2.15或非门中或非门中T1、T1及及T2、T2构成构成的电路一样，在的电路一样，在T4 、T5集电极的输出实现或非的集电极的输