第6章逻辑门电路

第6章逻辑门电路6.1TTL逻辑门电路6.2其他类型的双极型数字集成电路6.3CMOS门电路6.4NMOS集成电路本章简单介绍TTL与CMOS电路间连接需要注意的问题及其接口电路。要求重点掌握TTL电路和CMOS电路的工作原理和它们外特性的分析方法，并能够学以致用，逐步提高分析问题和解决问题的能力。学习要点

1.掌握TTL集成逻辑反相器电路结构、工作原理和外特性及参数分析。

2.理解其他TTL集成逻辑门电路的构成（与非门、或非门等）及逻辑概念；了解TTL电路的改进系列。

3.理解集电极开路（OC门）电路和TTL三态逻辑门（TS）电路的工作原理及有关的逻辑概念，了解其应用领域。

4.了解MOS场效应管的开关特性。

5.掌握CMOS反相器的电路结构及工作特性；熟悉由CMOS单元电路构成的各类门电路的形式及工作原理；理解CMOS传输门、模拟开关及三态门电路的组成特点及工作原理。

6.理解NMOS逻辑门电路的组成及逻辑概念。6.1TTL逻辑门电路6.1.1TTL反相器的电路结构和工作原理6.1.2其他逻辑功能的TTL门电路6.1.3其他类型的TTL门电路根据制造工艺的不同，集成电路又分双极型（三极管）和单极型（MOS）两大类。

TTL电路是目前双极型中小规模数字集成电路中用得最多的一种，国际上目前主要有五种TTL系列，参考表6-1-1可以比较它们的特性。表6-1-1TTL系列特性比较6.1.1TTL反相器的电路结构和工作原理

TTL这种类型的集成电路的输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管－三极管逻辑电路（Transistor-TransistorLogic），简称为TTL电路。反相器是TTL门电路中电路结构最简单的一种，电路结构如图6-1-1所示。1.电路结构图6-1-1TTL反相器的典型电路结构2.TTL反相器的静态特性（1）电压传输特性

TTL反相器电路输出电压随输入电压的变化关系曲线叫做电压传输特性曲线，如图6-1-2所示，该曲线大体可分为4个区段。①在AB段，因为ui<0.6V，所以Ubl<1.3V，VT2和VT5截止而VV4导通，故输出为高电平uo＝UoH=UCC-Ib4R2-Ube4-UD2≈3.4V。图6-1-2电压传输特性曲线②在BC段里，由于ui>0.7V但低于1.3V，所以VT2导通而VT5依旧截止。③在CD段，当ui上升到1.4V左右时，Ubl约为2.1V，这时VT2和VT5将同时导通，VT4截止，输出电位急剧地下降为低电平。④在DE段，由于ui>1.4V，Ubl被钳位在2.1V，VT2和VT5管均饱和导通，uo将不随ui的升高而变化，uo=UoL=UCES5≈0.3V。在将若干门电路互相连接组成系统时，如图6-1-3所示，前一级门电路G1的输出就是后一级门电路G2的输入。图6-1-3输入端噪声容限的示意图输入特性是指输入电流随输入电压变化的特性。对于图6-1-1给出的TTL反相器电路，当考虑输入电压ui在0～5V范围内变化时，输入电流ii随之变化的输入特性曲线如图6-1-4所示。（2）输入特性图6-1-4TTL反相器的输入特性

TTL反相器输出电压uo随输出负载电流iL的关系特性叫做输出特性。灌电流负载特性当输出为低电平时，输出级的VT5管饱和导通而VT4管截止（见图6-1-1），输出端的等效电路如图6-1-5所示,其特性如图6-1-6所示。（3）输出特性图6-1-5反相器灌电流负载输出等效电路图6-1-6TTL反相器低电平输出特性拉电流负载特性对图6-1-1所示TTL反相器的分析可知，输出高电平时VT5截止，VT4和VD2导通，输出端的等效电路可以画成图6-1-7所示的形式。图6-1-8给出了74系列门电路在输出为高电平时的输出特性曲线。图6-1-7TTL反相器高电平输出等效电路图6-1-8TTL反相器高电平输出特性反相器带同类门的个数，即输出高电平时的扇出系数为（6-1-5）式中，IiH为各负载门输入高电平时的输入电流。3.TTL反相器的动态特性（1）传输延迟特性在TTL电路中，当把理想的矩形电压信号加到TTL反相器的输入端时，输出电压的波形不仅要比输入信号滞后，而且波形的上升沿和下降沿也将变坏，这样的特性被称为传输延迟特性，如图6-1-9所示。它主要是由集成电路中的二极管和三极管的瞬态开关特性引起的。图6-1-9TTL反相器的动态电压波形

TTL门电路工作在稳定状态时，电源供电电流大约为几毫安。然而在动态情况下，特别是当输入电压ui由高电平向低电平快速过渡时，图6-1-1中的VT5管必须经过一段存储时间后才能进入截止状态，在过渡时间内，就会出现VT4、VD2、VT5同时导通的情况，电源到地之间形成了一个低电阻通路，使得流经电源的电流iCC产生一个尖峰脉冲，如图6-1-10所示。（2）电源的动态尖峰电流图6-1-10TTL反相器的电源动态尖峰电流集成电路的功耗和集成度密切相关。如果功耗大，芯片的集成度就不能高，否则将无法散热而容易烧毁。其次，功耗大也将浪费电源能量，缩短电源的使用周期。当输出端空载时，反相器输出低电平时电路的功耗称为空载导通功耗PON。PON=ICCLUCC

（6-1-7）（3）空载功耗6.1.2其他逻辑功能的TTL门电路1.与非门图6-1-11所示是74系列与非门的典型电路，它与图6-2-1反相器电路的区别在于输入端改用了多发射极三极管。图6-1-11中所示的二极管VDA、VDB、VDC为输入端钳位二极管，其作用是限制出现在输入端的负极性干扰脉冲，起到保护VT1管的作用。图6-1-11TTL与非门电路图6-1-12TTL或非门电路结构图或非门的典型电路如图6-1-12所示。2.或非门图6-1-13TTL与或非门电路结构图与或非门的电路结构如图6-1-13所示，图中的输入级采用两个多发射极三极管组成“与或”逻辑形式。3.与或非门图6-1-14TTL异或门电路结构图典型的异或门电路如图6-1-14所示。4.异或门为满足用户在提高工作速度和降低功耗这两方面的要求，继上述的74系列电路之后，又相继研制和生产了74H、74S、74LS、74AS、74ALS系列等改进的TTL电路。5.TTL电路的改进由74系列TTL与非门的工作过程可知，其产生传输延迟时间的主要原因是电路内各三极管工作在深度饱和状态。为了提高TTL与非门的开关速度，必须设法降低各三极管的饱和深度。第二方面是减小了电阻的阻值，却使电路的静态功耗增大，通常74H系列电路的电源平均电流均为74系列电路的两倍。因此，74H系列电路的改进效果并不理想。（1）74H系列

74S系列又称为肖特基系列。为了进一步提高开关速度，可以采用抗饱和三极管（又称为肖特基三极管），它是由普通三极管和肖特基势垒二极管（SchottkyBarrierDiode，SBD）组合而成，如图6-1-15所示。（2）74S系列图6-1-15抗饱和三极管肖特基势垒二极管是金属半导体二极管，其特点是：①正向导通电压低，约为0.4V；②为多数载流子导电，电荷存储效应小。电路中仍采用较小的电阻值，所以电路的静态功耗仍较大。

74S系列与非门（74S00）的电路结构如图6-1-16所示。图6-1-1674S系列与非门的电路结构图通常性能较理想的门电路应该不仅工作速度快，而且功耗也应该小。

74LS系列就具有这样的特点，故又称为低功耗肖特基系列。为了缩短传输延迟时间、提高开关工作速度，在74LS系列中采用的办法有：①延用74S系列提高工作速度的两个方法——使用抗饱和三极管和引入有源泄放电路；（3）74LS系列图6-1-1774LS系列与非门的电路结构图②将输入端的多发射极三极管的发射结用SBD代替，以利于提高工作速度；③接入VD3、VD4这两个SBD，分别为VT4和VT5提供附加的放电通路，进一步加速电路开关状态的转换过程。6.1.3其他类型的TTL门电路1.集电极开路的门电路（OC门）为了增强TTL门的驱动能力和扩展逻辑功能，往往需要将几个逻辑门的输出端并联起来，而这种并联对前面介绍的TTL门电路却无法实现。由图6-1-18可见，主要原因是：图6-1-18推拉式输出级并联的情况①推拉式输出电路，无论输出高电平还是低电平，其输出电阻都很低。②推拉式输出结构不能满足驱动较大电流、较高电压负载的要求。③推拉式输出电路中，电源一经确定（通常规定工作在＋5Ｖ），输出的高电平也就固定了，因此无法满足对不同输出高低电平的需要。为了使门电路的输出端能够并联使用，采用的方法就是把输出级改为集电极开路的三极管结构，称为集电极开路的门电路（OpenCollectorGate，OC门），电路如图6-1-19所示。

OC门工作时输出端需要外接负载电阻和电源。如果将两个OC与非门输出并联在一起，由图6-1-20可知，图6-1-19集电极开路与非门的电路结构和逻辑符号图6-1-20OC门输出并联的接法及逻辑图普通的TTL门有两个状态，即输出逻辑“0”和输出逻辑“1”，这两个状态都是低阻输出。三态输出门（Three-StateOutputGate，TS门）是在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的，它的特点是多了一种高阻状态，电路结构和逻辑符号如图6-1-21所示。低电平有效三态与非门输出状态Y与输入变量A、B和控制端EN的逻辑关系如表6-1-2所示。2.三态输出门电路（TS门）图6-1-21三态输出门的电路图表6-1-2TS与非门真值表三态门的基本用途是在数字电路系统中构成总线，也就是采用图6-1-23所示的连接方式。另外，用TS门还能实现数据的双向传输。在图6-1-23所示的电路中，当EN＝1时，G1门工作，G2门高阻状态，数据D0经G1门反相后送到总线上；当EN＝0时，G1门高阻状态，总线上的数据经G2门反相后从D1输出。图6-1-22TS门构成总线结构图6-1-23用TS门实现数据的双向传输6.2其他类型的双极型数字集成电路在双极型数字集成电路中，TTL电路只是其中的一种。从数字电路的发展来看，还有早期的二极管—三极管逻辑（Diode-TransistorLogic，DTL），现已被TTL电路取代；另一种高域值逻辑（HighThresholdLogic，HTL）电路现也几乎被CMOS电路所取代。

目前使用较多的还有双极型数字逻辑电路是发射极耦合逻辑（EmitterCoupledLogic，ECL）电路，由于ECL电路中的三极管工作在非饱和状态，所以是一种非饱和型的高速逻辑电路，可达到极高的工作速度。与TTL电路相比，ECL电路具有如下优点：①由于ECL门电路中的三极管导通时为非饱和状态（由图6-3-1所示的参数不难算出，VT1～VT3导通时Uc1b≈0V，VT4导通时Uc2b＝0.32V，导通时均未进入饱和状态，根本上消除了饱和导通产生的电荷存储效应），而且电路的电阻取值较小，逻辑高低电平变化幅度小，因而其工作速度是各种集成门电路中最高的，传输时间可缩短至0.1ns以内。②同时具有或、或非两个互补输出，使用方便、灵活。③因为输出端采用射极跟随器，输出阻抗低，带负载能力强，扇出系数NO可达25～100。④由于设计时电路在开关工作状态下的电源电流基本不变，所以电路内部的开关噪声很低。ECL电路的主要缺点也是很突出的：①噪声容限低。②电路功耗大。③输出电平的稳定性较差。6.3CMOS门电路6.3.1MOS管的开关特性6.3.2CMOS反相器6.3.3其他类型的CMOS门电路MOS管是金属－氧化物－半导体场效应管（Metal－Oxide－SemiconductorField－Effect－Transistor）的简称，属单极型晶体管。以MOS场效应管作为开关元件的门电路叫做MOS门电路。MOS门电路有3种：使用P沟道管的PMOS电路；使用N沟道管的NMOS电路以及由PMOS管和NMOS管共同组成的互补CMOS单元电路构成的CMOS电路。6.3.1MOS管的开关特性1.MOS管的转移特性图6-3-1（a）示出了增强型NMOS场效应管共源极接法的开关电路。漏极电流iD与栅源间压降uGS的关系即为转移特性，如图6-3-1（b）所示，这条曲线也可以利用输出特性曲线作出，其数学表达式为（6-3-1）式中，KT是uGS=2UT时的iD值。图6-3-1NMOS的基本开关电路和其特性曲线由图6-3-1（a）MOS管开关电路可以看出，当ui≤UT时（ui=uGS），MOS管工作在截止区，只要漏极负载电阻RD远远小于MOS管的截止电阻RDSOFF，在输出端就会输出高电平UoH≈UDD，此时的漏源极间相当于一个断开的开关。只要电路参数选择合理，就可以做到输入为低电平时MOS管截止，开关电路输出高电平；而输入为高电平时MOS管导通，开关电路输出低电平。2.MOS管的开关特性6.3.2CMOS反相器CMOS逻辑门电路是目前应用较为普遍的逻辑电路，它同NMOS一样，适宜制作大规模集成电路（如存储器和微处理器等），下面先讨论CMOS反相器，然后再介绍其他CMOS逻辑门电路。CMOS反相器如图6-3-2所示，它由一对增强型NMOS和PMOS管组成，其中VT1为驱动管，而VT2为负载管。图6-3-2CMOS反相器在正常工作时，VT1和VT2管总是一个导通而另一个截止，即工作在互补状态。因此，被称为互补对称式MOS电路（Complementary-SymmetryMOSCircuit，CMOS电路）。1.CMOS反相器的工作原理2.CMOS反相器电压传输特性和电流特性（1）电压传输特性图6-3-3（a）所示为CMOS反相器的电压传输特性。图中分为五段，下面讨论各段的工作情况。图6-3-3CMOS反相器的电压传输特性和电流特性图6-3-2示出了UDD为15V和10V不同值时CMOS反相器的电压传输特性。图6-3-2示出了UDD为15V和10V不同值时CMOS反相器的电压传输特性。（2）输入噪声容限图6-3-2CMOS反相器由图6-3-3（b）中可以看到，输入电压ui在1/2UDD附近时，VT1和VT2管同时导通，输出电流最大，出现了一个尖峰。（3）输入电流特性图6-3-3CMOS反相器的电压传输特性和电流特性由于MOS管的二氧化硅绝缘层很薄，存在较大的电容效应，极易被击穿（耐压约100V），所以必须采取保护措施。图6-3-5示出了74HC系列CMOS器件的输入保护电路形式，虚线内为输入保护电路，C1、C2为CMOS的栅极等效输入电容。3.CMOS反相器的输入端保护图6-3-4不同UDD时CMOS反相器的噪声容限图6-3-574HC系列的输入保护电路由于CMOS反相器中的NMOS和PMOS管在导通时均工作在可变电阻区，其输出电压随负载电流不同而变化。4.CMOS反相器的输出特性和负载能力（1）低电平输出特性（2）高电平输出特性图6-3-6CMOS反相器的输出特性（1）静态功耗PS（2）动态功耗PD5.CMOS反相器的功率损耗虽然CMOS门电路的开关过程中，没有电荷的积累和消散现象，但是由于集成电路内部电阻、电容的存在，以及负载电容的影响，输出电压的变化仍然滞后于输入电压的变化，产生传输延迟时间，图6-3-7所示为CMOS反相器传输延迟特性。6.CMOS反相器的传输延迟特性由于CMOS电路的输出电阻比TTL电路的输出电阻大得多，所以负载电容对传输延迟时间和输出电压的上升、下降时间影响最大。流过电容的电流与其两端电压之间的关系如下：图6-3-7CMOS反相器的传输延迟特性6.3.3其他类型的CMOS门电路以CMOS单元电路作为开关元件的数字电路称为CMOS数字逻辑电路。在CMOS门电路的产品中，除反相器外常用的还有与非门、或非门、或门、与门、与或非门、异或门等。图6-4-8示出了CMOS与非门电路的基本结构，由两个串联的增强型NMOS管VT1、VT3和两个并联的增强型PMOS管VT2、VT4组成。1.CMOS与非门图6-3-8CMOS与非门的基本电路图6-3-9所示为或非门电路，是由两个并联的增强型NMOS管VT1、VT3和两个串联增强型PMOS管VT2、VT4组成。2.CMOS或非门图6-3-9CMOS或非门的基本电路上述CMOS门电路存在以下缺点：一是当输入状态不同时，其输出电阻值是不相同的；二是输出的高、低电平会受输入端数目影响。需要注意的是在输入、输出端引入缓冲级后，电路的逻辑功能也发生了变化。如图6-3-10所示的与非门电路是在图6-3-9或非门电路的基础上增加了缓冲级后得到的。因此，若要实现或非门功能，应在图6-3-8与非门的基础上增加缓冲级来得到。3.带缓冲级的CMOS门电路图6-3-10带缓冲级的CMOS与非门电路与TTL电路中的OC门一样，CMOS门的输出电路结构也可以做成漏极开路的形式。可以用于实现“线与”的功能，但常用做输出缓冲/驱动器，或用做输出电平的转换器以满足吸收大负载电流的需要。图6-3-11所示就是CC40107二输入与非缓冲/驱动器电路，其输出电路是一个漏极开路的增强型NMOS管。4.漏极开路的CMOS门电路（简称OD门）图6-3-11漏极开路的CMOS与非缓冲/驱动器CMOS传输门也如同反相器一样，是构成各种逻辑电路的一种基本单元电路。图6-3-12所示电路为CMOS传输门，这是一种可控的双向传输信号的开关电路，由增强型NMOS管VT1和增强型PMOS管VT2并联构成的。5.CMOS传输门和双向模拟开关图6-3-12CMOS传输门的电路结构和逻辑符号传输门的另一个重要的用途是作模拟开关，用来传输变化的模拟电压信号。CMOS传输门和CMOS反相器的结合就可组成模拟开关的基本电路，电路形式及符号如图6-3-13所示。图6-3-13CMOS双向模拟开关的电路结构和符号虑到CMOS双向模拟开关在外接负载RL的情况下，如图6-3-14（a）所示。当C＝0时（低电平）开关截止，输出与输入之间的联系被切断，uo=0。当C＝1（高电平）时，开关接通，因此，双向模拟开关只要一个控制端即可工作。图6-3-14CMOS双向模拟开关外接负载的情况6.CMOS三态门电路（1）串联型三态门电路CMOS三态门的电路结构大体上有三种形式。图6-3-15串联型CMOS三态门这种电路结构是在反相器的基础上串接一个增强型MOS管并增加一个门电路而形成的，图6-3-16（a）所示为或非门控制的三态门电路结构，图6-3-16（b）所示为与非门控制的三态门电路结构。（2）门控制型三态门图6-3-16门控制CMOS三态门电路结构是在反相器的输出端串接一个CMOS模拟开关，作为输出状态的控制开关，如图6-3-17所示。（3）模拟开关控制三态门图6-3-17CMOS模拟开关控制三态门主要的改进形式有两种。一种是高速的CMOS电路，采用工艺改进模式，减小沟道的长度，缩小整个MOS管的尺寸，从而降低了寄生电容的数值，其平均传输延迟时间小于10ns。