第二章逻辑门电路1

第2章集成逻辑门电路集成逻辑门电路，是把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的。它属于小规模集成电路(SSI)，它是组成一个较大数字系统的基本单元。当前1页，总共86页。第2章集成逻辑门电路集成度小规模(SmallScaleIntegratedCircuit,SSI)是由十几个门电路构成的。中规模(MediumScaleIntegratedCircuit,MSI)是由上百个门电路构成的。大规模(LargeScaleIntegratedCircuit,LSI)是由几百个至几千个门电路构成的。超大规模(VeryLargeScaleIntegratedCircuit,VLSI)是由一万个以上门电路构成的。当前2页，总共86页。第2章集成逻辑门电路应用目前，广泛使用的逻辑门有TTL(Transistor-TransistorLogic)和CMOS两个系列。TTL门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是三极管结构，故称TTL。CMOS门电路是由NMOS管和PMOS管组成的互补MOS集成电路，属单极性数字集成电路。当前3页，总共86页。第2章集成逻辑门电路我国TTL系列数字集成电路型号与国际型号对应列入表2-1中标准(通用系列)高速系列肖特基系列低功耗肖特基系列54/7454/74H54/74S54/74LSCT1000CT2000CT3000CT4000TTL系列分类名称国际型号国产型号系列当前4页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒈二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。⑴VA=VB=3V。由于R接到电源+12V上，故DA、DB均导通，VF=3+0.7V=3.7V≈3V当前5页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒈二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。⑵VA=3V，VB=0V，由于DB优先导通，VF=0.7V，因而DA截止，通常将DB导通，使VF=0+0.7V=0.7V≈0V称为箝位。当前6页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒈二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。⑶VA=0V，VB=3V，由于DA导通，VF=0+0.7V=0.7V≈0V，DB截止。当前7页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒈二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。⑷VA=VB=0V，VF=0.7V，此时DA、DB均导通。VF=0+0.7V=0.7V≈0V当前8页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒈二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。(1)VA=VB=0VVF≈0V(2)VA=0V,VB=3V，VF≈0V(3)VA=3V,VB=0V，VF≈0V(4)VA=VB=3VVF≈3V当前9页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒈二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。000300033033输出VF(V)输入

VF(V)

VF(V)

电位关系当前10页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒈二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。AB00011011F0001真值表当前11页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒉或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。

⑴VA=VB=3V，由于R接到电源-VEE（-12V）上，故DA、DB均导通。VF因此为VA-VD=2.3V≈3V。当前12页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒉或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。

⑵VA=0V，VB=3V，此时DB导通，将VF钳位在2.3V，DA加反向电压截止。因此VF=VB-VD=2.3V≈3V。当前13页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒉或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。

⑶VA=3V，VB=0V，此时DA导通，DB截止，VF=VA-VD=2.3V≈3V。当前14页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒉或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。

⑷VA=VB=0V，DA、DB均导通，VF=0-VD=-0.7V≈0V。当前15页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒉或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。

(1)VA=VB=0V:VF≈0V(2)VA=0V,VB=3V:VF≈3V(3)VA=3V,VB=0V:VF≈3V(4)VA=VB=3V:VF≈3V当前16页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒉或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。

033300033033输出VF(V)输入

VA(V)

VB(V)

电位关系当前17页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒉或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。

AB00011011F0111真值表当前18页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门数字电路中，二极管，三极管均工作在开关状态。三极管工作在饱和态和截止态。当前19页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门饱和时，其集电极输出为低电平（VO=Vces）；截止时，其集电极输出高电平（无箝位时，VO=VCC，有箝位电路时，VO高电平将使DQ导通，由于VQ=2.5V，故VO=2.5V+0.7V=3.2V）。当前20页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门⑴VI=0.3V时，一般硅管死区电压为0.5V，故T可能截止，只考虑到VEE时只考虑到VI时当前21页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门总的VB=-0.646V，T截止，VO为高电平。由于此时钳位二极管DQ导通，故VO=VQ+VDQ=3.2V≈3V。当前22页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门或：当前23页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门⑵当VI=3.2V时，输入高电平，T应饱和，即当前24页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门在本例中

当前25页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实际上当前26页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门IB>IBS，三极管饱和。输出为低电平VO=Vces=0.3V≈0V采用正逻辑，可列出非门的真值表。当前27页，总共86页。2.1基本逻辑门电路⒊非门(反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门3003VF(V)VI(V)电位关系1001FA真值表当前28页，总共86页。2.1基本逻辑门电路4.与非门电路当前29页，总共86页。2.1基本逻辑门电路5.或非门电路当前30页，总共86页。2.2TTL集成逻辑门电路⒈TTL与非门的工作原理⑴TTL与非门的典型电路TTL与非门的典型电路如图2-6所示，它分成输入级、中间级和输出级三个部分。输入级中间级输出级当前31页，总共86页。⑴TTL与非门的典型电路输入级由多发射极晶体管T1和电阻R1组成，通过T1的各个发射极实现与逻辑功能。多发射极晶体管T1

的等效电路当前32页，总共86页。⑴TTL与非门的典型电路中间级由T2、R2、R3组成。其主要作用是从T2管的集电极c2和发射极e2同时输出两个相位相反的信号，分别驱动T3和T5管，来保证T4和T5管有一个导通时，另一个就截止。当前33页，总共86页。⑴TTL与非门的典型电路输出级由R4、R5、T3、T4、T5组成，T5是反相器，T3、T4组成复合管构成一个射随器，作为T5管的有源负载，并与T5组成推拉式电路，使输出无论是高电平或是低电平，输出电阻都很小，提高了带负载能力。当前34页，总共86页。⑵工作原理则VB1=VIL+VBE1=0.3+0.7=1VVB2=VC1=VCES1+VIL=0.1+0.3=0.4V0.3V3.6V3.6VDA导通！设A=0B=1C=1(VIL=0.3V)，1V0.3V所以：T2

、T5

截止T3

、T4

导通VF=5－UBE3－UBE4

5－0.7－0.7=3.6V拉电流F=1当前35页，总共86页。⑵工作原理设A=B=C=1，即VA=VB=VC=VIH=3.6V，3.6V3.6V3.6V2.1VT1管的基极电位升高，使T1管的集电结、T2和T5的发射结正向偏置而导通，T1管的基极电位VB1被箝位在2.1V。1.4V故T1管处于倒置工作状态（发射结和集电结反向运用状态，发射结反向偏置、集电结正向偏置）。T3

导通，T4

截止VF=0.3V，F=0VF=0.3V灌电流当前36页，总共86页。结论：电路只要输入有一个为低电平时，输出就为高电平；只有输入全为高电平时，输出才为低电平。该门为与非门。即1.输入不全为1时，输出为12.输入全为1时，输出为0真值表为：11111110000001010011100101110111FABC真值表当前37页，总共86页。2.TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力⑴电压传输特性

电压传输特性是描述输出电压vO与输入电压vI之间对应关系的曲线，如图2-7所示。当前38页，总共86页。⑴TTL与非门的电压传输特性AB段（截止区）：vI＜0.6V，输出电压vO不随输入电压vI变化，保持在高电平VH。VC1＜0.7V，T2和T5管截止，T3、T4管导通，输出为高电平，VOH=3.6V。由于这段T2和T5管截止，故称截止区。当前39页，总共86页。⑴TTL与非门的电压传输特性BC段(线性区)：0.6V＜vI＜1.3V，0.7V＜VC1＜1.4V。这时T2管开始导通并处于放大状态，T2管的集电极电压VC2和输出电压vO随输入电压vI的增大而线性降低，故该段称为线性区。由于T5管的基极电位还低于0.7V，故T5管仍截止。T3、T4管还是处于导通状态。当前40页，总共86页。⑴TTL与非门的电压传输特性CD段(过渡区)：1.3V＜vI＜1.4V，T5管开始导通，T2、T3、T4管也都处于导通状态，T4、T5管有一小段时间同时导通，故有很大电流流过R4电阻，T2管提供T5管很大的基极电流;T2、T5管趋于饱和导通，T4管趋于截止，输出电压vO急剧下降到低电平vO=0.3V。由于vI的微小变化而引起输出电压vO的急剧下降，故此段称为过渡区或转折区。当前41页，总共86页。⑴TTL与非门的电压传输特性CD段(过渡区)：CD段中点对应的输入电压，既是T5管截止和导通的分界线，又是输出高、低电平的分界线，故此电压称阈值电压VT（门槛电压），VT=1.4V。VT是决定与非门状态的重要参数。当vI＜VT时，与非门截止，输出高电平。当vI＞VT时，与非门饱和导通，输出低电平。VT当前42页，总共86页。⑴TTL与非门的电压传输特性DE段（饱和区）：vI＞1.4V以后，T1管处于倒置工作状态，VB1被箝位在2.1V，T2、T5管进入饱和导通状态，T3管微导通，T4管截止。由于T2、T5管饱和导通，故称该段为饱和区。当前43页，总共86页。⑵抗干扰能力(输入噪声容限)关门电平VOFF：输出为标准高电平VSH时所允许的最大输入低电平值。通常VOFF=0.8V。开门电平VON：输出为标准低电平VSL时所允许的最小输入高电平值。通常VON=1.8V。VNL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。VNH输入低电平的抗干扰能力输入高电平的抗干扰能力VNL=VOFF-VILmaxVNH=VIHmin-VON当前44页，总共86页。⒊TTL与非门的输入特性、输出特性和带负载能力了解输入输出特性，可正确处理TTL与非门之间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TTL与非门相同，输入、输出特性对其它TTL电路也适用。当前45页，总共86页。⑴TTL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曲线，如图2-8所示的特性曲线。规定输入电流流入输入端为正，而从输入端流出为负。当前46页，总共86页。⑴TTL与非门的输入特性当vI小于0.6V时T2是截止的，T1基极电流均经其发射极流出（因集电极的负载电阻很大，IC1可以忽略不计），这时电流大小可以近似计算为iI=-(VCC-VBE1-vI)/R1。当前47页，总共86页。⑴TTL与非门的输入特性当vI=0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IIS，IIS=(VCC-VBE1)/R1=(5-0.7)/3≈1.4mA。当前48页，总共86页。⑴TTL与非门的输入特性当vI等于0.6V时T2管开始导通，T2管导通以后IB1一部分就要流入T2管的基极，iI的绝对值随之略有减小；vI继续增加，IB2要继续增大，而iI的绝对值继续减小。0.6V当前49页，总共86页。⑴TTL与非门的输入特性当vI增加到1.3V以后，T5管开始导通，VB1被箝位在2.1V左右；此后，iI的绝对值随vI的增大而迅速减小。当前50页，总共86页。⑴TTL与非门的输入特性IB1绝大部分经T1集电结流入T2的基极。当vI大于1.4V以后，T1就进入倒置工作状态，iI的方向由负变为正，就是说iI由e1端流入输入端，此时的输入电流称为输入漏电流IIH，其值约为10μA。IIH当前51页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接电阻RI接地。如图2-9(a)图所示。此时就有电流II流过RI，并在其上产生电压降vI。当前52页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性当输入端所接电阻RI=0时，即输入端接地时，输出为高电平；而RI=∞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。当前53页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性即RI比较小时，与非门截止，输出高电平；RI较大时，与非门饱和，输出为低电平；RI不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。当前54页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性TTL门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。vI和RI之间的关系曲线叫做输入端负载特性。当前55页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性发射结导通时当前56页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性在RI＜＜R1条件下，vI几乎和RI成正比，vI随RI增加而增加。如图2-9(b)所示。RI

↑，vI↑=1.4V，T5管导通，VB1被箝位在2.1V。RI↑，vI=1.4V。则公式不再适用。

当前57页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性关门电阻ROFF：保证TTL与非门关闭，输出为标准高电平时，所允许的RI最大值。一般ROFF=0.8kΩ。RI＜ROFF时，与非门输出高电平；

RI＞ROFF时，与非门输出低电平。当前58页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性开门电阻RON：保证TTL与非门导通，输出为标准低电平时，所允许的RI最小值。一般RON=2kΩ。当前59页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性输入负载特性是TTL与非门特有的，不能用于ECL和CMOS门。TTL门的四种系列的ROFF和RON的值也不全一样。T1000、T2000、T3000系列相差不多，输入电阻1kΩ左右。但是T4000系列差别很大，输入电阻增加到8kΩ左右，与非门才从输出高电平变成低电平。当前60页，总共86页。⑵TTL与非门的输入特性与非门多余端的处理：输入信号数目少于与非门输入端个数，出现多余端。与非门输入端悬空相当于接高电平。在实际使用时，多余端不采用悬空的方法，以防干扰信号从悬空的输入端引入。通常把多余输入端接电源的正端或固定高电平，或者并联使用.当前61页，总共86页。⑶TTL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。当前62页，总共86页。⑶TTL与非门的输出特性当与非门输入全为高电平时，输出为低电平。T1管倒置工作，T2、T5管饱和导通，T3管微导通，T4管截止。这时输出级等效电路如图2-10(a)所示，即为一个三极管，其基极电流很大，负载电流方向是流入三极管T5的集电极，故称为灌电流负载。①输出为低电平时的输出特性

当前63页，总共86页。⑶TTL与非门的输出特性①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电流为某一值时共射极接法的输出特性曲线如图2-10(b)所示。T5饱和，其导通电阻rce很小（十几欧姆），所以iL增加时vO仅稍有增加，输出低电平VOL。当iL增加到大于某值后，T5管退出饱和进入放大，vO迅速上升，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。当前64页，总共86页。⑶TTL与非门的输出特性②输出为高电平时的输出特性

当与非门输入端其中有一端为低电平时，输出为高电平。T1管处于饱和状态，T2、T5管截止，T3、T4管导通。这时输出级等效电路如图2-11(a)所示，负载电流方向是由输出端流向负载，故称为拉电流负载。当前65页，总共86页。⑶TTL与非门的输出特性②输出为高电平时的输出特性

在iL较小时，T5处于饱和边缘，T4管放大，T3、T4组成的复合管有一定的放大作用，输出特性曲线如图2-11(b)所示。输出电阻很小，TTL与非门的输出电压vO

随iL变化不大，故输出高电平VOH。当iL增加到大于某值后，R4上压降增大，VC3下降，使T3进入深饱和，复合管跟随器处于饱和状态，失去跟随作用，输出电阻为Ri，输出电压vO随负载电流的增加而迅速下降，vO≈VCC-VCES3-VBE4-iLR4。为了保证vO为标准高电平。对拉灌电流值要有限制。当前66页，总共86页。⑷带负载能力TTL与非门的输出端接上负载后，负载有灌电流负载和拉电流负载。图2-12分别表示灌电流负载和拉电流负载。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。当前67页，总共86页。⑷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下限值VOHmin，低电平不高于低电平的上限值VOLmax）时的最大负载电流，来定量描述门电路的带负载能力大小。当前68页，总共86页。⑷带负载能力负载电流大，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。当前69页，总共86页。⑷带负载能力扇出系数：门电路驱动同类门的最大数目。输出高电平时的扇出系数

输出低电平时的扇出系数一个门的扇出系数只能是一个。若NOH和NOL不一样大时，应取NOH和NOL中小的一个。当前70页，总共86页。⒋TTL与非门的动态特性⑴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TTL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2-13所示。而电阻、二极管、三极管等元器件寄生电容的存在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得不那么陡。导通传输延迟时间截止传输延迟时间平均传输延迟时间传输延迟时间小，表明门的工作速度可以高，反之，门的工作速度必须降低。当前71页，总共86页。⒋TTL与非门的动态特性⑵动态尖峰电流

静态时TTL与非门电路的电源电流比较小，在10mA左右。在动态情况下，由于T5工作在深饱和状态，T4必定在T5截止之前就导通了。这样就出现了瞬间T4和T5都导通的状态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持续时间较短，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T4、T5都导通，导致ICC出现尖峰。当前72页，总共86页。⒋TTL与非门的动态特性⑵动态尖峰电流

如图2-14所示。在工作频率较高时，尖峰电流对电源平均电流影响不可忽略。它使电源的平均电流增大，这就要求加大电源的容量。电源的尖峰电流在电路内部流通时，会在电源线和地线上产生电压降，形成一个干扰源，为此，要采取合理的接地和去耦措施，使之在允许范围内。当前73页，总共86页。2.3其他类型的TTL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，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、或扩展器和与或扩展器等。主要介绍集电极开路门和三态门。当前74页，总共86页。⒈集电极开路门(OC门)线与：把几个逻辑门的输出端直接连在一起实现逻辑与。TTL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T4烧坏。

当前75页，总共86页。⒈集电极开路门(OC门)⑴集电极开路门(OC门)①电路结构：把TTL与非门电路的推拉输出级改为三极管集电极开路输出,称为集电极开路(OpenCollector)门电路。RL上拉电阻当前76页，总共86页。⒈集电极开路门(OC门)⑴集电极开路门(OC门)逻辑符号如图(b)所示。

逻辑功能：几个OC门的输出端直接并联后可共用一个集电极负载电阻RL和电源VCC。只要恰当地选择电源电压和负载电阻，就可以保证输出电平的高、低要求，而又有效地防止输出管电流过大。当前77页，总共86页。⒈集电极开路门(OC门)②集电极负载电阻RL的选择利用OC门可以实现线与功能。当有m个OC门直接并联，并带有n个与非门作负载时，只要公共外接负载电阻RL选择适当，就可以保证输出高电平不低于规定的VOHmin值；又可以保证输出低电平不高于规定的VOLmax。而且也不会在电源和地之间形成低阻通路。当前78页，总共86页。⒈集电极开路门(OC门)②集电极负载电阻RL的选择若m个OC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2-17所示。为保证并联输出高电平不低于规定的VOHmin值，则要求RL取值不能太大，才能保证VCC-IRLRL≥VOHmin。OC门个数TTL与非门输入端的个数OC门输出管截止时的漏电流负载门每个输入端为高电平时的输入漏电流IRL=mIOH+pIIHVCC-(mIOH+pIIH)RL≥VOHmin

RL最大值RLmax为：VCC-