數(shù)字電子技術(shù)3門電路

第三章門電路1第三章門電路§3.1概述§3.1概述§3.2半導(dǎo)體二極管門電路§3.3CMOS門電路*§3.4其它類型的MOS集成電路§3.5TTL門電路2內(nèi)容提要本章系統(tǒng)的講述數(shù)字電路的基本邏輯單元電路——門電路。介紹半導(dǎo)體二極管、三極管、MOS場效應(yīng)管的開關(guān)特性；重點討論CMOS門電路和TTL門電路的工作原理、邏輯功能，以及作為電子器件的電器特性。33.1概述門電路：是用以實現(xiàn)基本邏輯運算和復(fù)合邏輯運算的單元電路。門電路的主要類型：與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門等。門電路的輸出狀態(tài)與賦值對應(yīng)關(guān)系：正邏輯：高電平對應(yīng)“1”；低電平對應(yīng)“0”?；旌线壿嫞狠斎胗谜壿嫛⑤敵鲇秘撨壿?；或者輸入用負邏輯、輸出用正邏輯。一般采用正邏輯負邏輯：高電平對應(yīng)“0”；低電平對應(yīng)“1”。4100VVCC在數(shù)字電路中，對電壓值為多少并不重要，只要能判斷高低電平即可。S開---vo輸出高電平，對應(yīng)“1”。S合---vo輸出低電平，對應(yīng)“0”。

V

VvoSVCCRvI（a）單開關(guān)電路圖3.1.1用來獲得高、低電平的基本開關(guān)電路如何獲得高電平或者低電平呢？電子開關(guān)（二極管、三極管）5數(shù)字電路的發(fā)展◆數(shù)字集成電路：在一塊半導(dǎo)體基片上制作出一個完整的邏輯電路所需要的全部元件和連線。數(shù)字集成電路具有體積小、可靠性高、速度快、而且價格便宜的特點。電子管半導(dǎo)體分立器件數(shù)字集成電路6數(shù)字電路的發(fā)展集成度規(guī)格三極管數(shù)/片典型應(yīng)用小規(guī)模100以下門電路中規(guī)模100~幾千個計數(shù)器大規(guī)模104~105各種專用芯片超大規(guī)模

105~106存儲器甚大規(guī)模106以上可編程邏輯器件數(shù)字集成電路按集成度分為：SSI、MSI、LSI、VLSI、USI等五類。集成度是指每一芯片所包含的三極管的個數(shù)。71971年集成度：2300個晶體管1972年集成度：3500個1978年集成度：2.9萬1982年集成度：13.4萬2008年集成度：8.2億8數(shù)字集成電路按制造工藝分為：雙極型、單極型和混合型IC。雙極型IC：直到20世紀80年代初一直是主流IC。缺點：功耗大。CMOSIC：出現(xiàn)于20世紀60年代后期，當前的主流IC。優(yōu)點：功耗極低。9反向截止：正向?qū)ǎ洪_關(guān)接通開關(guān)斷開3.2半導(dǎo)體二極管門電路圖3.2.1二極管開關(guān)電路

半導(dǎo)體二極管相當于一個受外加電壓極性控制的開關(guān)。圖3.2.2二極管的伏安特性3.2.1半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性10圖3.2.3二極管伏安特性的幾種近似方法正向?qū)▔航岛驼螂娮璨荒芎雎詢H忽略正向電阻正向?qū)▔航岛驼螂娮瓒己雎浴?1圖3.2.4二極管的動態(tài)電流波形半導(dǎo)體二極管的動態(tài)工作情況:(1)二極管外加電壓由反向變正向時，正向?qū)娏鞯慕⑸晕笠稽c；(2)二極管外加電壓由正向變反向時，產(chǎn)生較大的瞬態(tài)反向電流，并持續(xù)一定的時間；反向恢復(fù)時間tre

：反向電流從峰值衰減到峰值的十分之一所經(jīng)過的時間二極管產(chǎn)生反向恢復(fù)過程的原因是：電荷存儲效應(yīng)。tre為納秒數(shù)量級12ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V輸入變量輸出變量(VDF=0.7V)

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1&ABY3.2.2二極管與門0V3VAB+5VYD1D2R13ABY0V0V

0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

ABY3.2.3二極管或門YD1D2ABR0V3V(VDF=0.7V)141、MOS場效應(yīng)管的類型及特性N溝道增強型MOS管P溝道增強型MOS管N溝道耗盡型MOS管P溝道耗盡型MOS管增強型：耗盡型：√3.3.1MOS管的開關(guān)特性3.3CMOS門電路

CMOS集成電路中，以金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOS場效應(yīng)管）作為開關(guān)器件。15圖3.3.1N溝道增強型MOS管的結(jié)構(gòu)和符號

G:柵極

D:漏極

S:源極16圖3.3.2N溝道

MOS管共源接法及其輸出特性曲線

(a)共源接法(b)輸出特性曲線可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)17圖3.3.3NMOS管的轉(zhuǎn)移特性曲線可以通過改變vGS控制iD的大小18圖3.3.4NMOS管的基本開關(guān)電路vGS

>

VGS(th)

>0

(開啟電壓）DS導(dǎo)通（幾百歐）vGS

<VGS(th)

DS斷開19圖3.3.5MOS管的開關(guān)等效電路

(a)截止狀態(tài)(b)導(dǎo)通狀態(tài)vGS越大，RON越小。20圖3.3.6P溝道增強型MOS管21圖3.3.7P溝道增強型MOS管的漏極特性22圖3.3.8用P溝道增強型MOS管接成的開關(guān)電路232、MOSFET的開關(guān)作用MOSFET

D、

S極之間的開關(guān)狀態(tài)受vGS

的控制:增強型：N溝道P溝道vGS

>

VGS(th)

>0

(開啟電壓）vGS

<VGS(th)

DS斷開DS導(dǎo)通（幾百歐）vGS

<VGS(th)

<0

(開啟電壓）vGS

>VGS(th)

DS導(dǎo)通（幾百歐）DS斷開+VDDRDDSG+VDDSDG243.3.2CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理CMOS電路Complementary-Symmetry

MOS互補對稱式MOST1(負載管）T2(驅(qū)動管）PMOS管NMOS管T1:ONT2:OFFOFFON同一電平:+VDDSDADSGF一、電路結(jié)構(gòu)：25“0”(0V)vGS1<VGS(th)P<0導(dǎo)通+VDDSDAFDSGT1T2PMOSNMOSvGS2<VGS

(th)N截止“1”(+VDD)①VA=0V2)

工作原理：設(shè)UT=2V26“0”(0V)vGS1>VGS

(th)P截止+VDDSDADSGT1T2PMOSNMOSvGS2>VGS

(th)N導(dǎo)通“1”(+VDD)F②VA=VDD

270VVDD真值表：AFT2T1

F+VDDSDADSGT1T21

導(dǎo)通截止0

0

截止導(dǎo)通11AF邏輯式：F=VDD0V283）CMOS反相器的工作圖解分析（考慮兩種極限情況）iDvO0vGSN=VDDvSGP=0驅(qū)動管的特性曲線負載特性曲線工作點vI=VDD時：vI=0時：iDvO0vSGP=VDDvGSN=0負載特性曲線工作點驅(qū)動管的特性曲線可見，兩種極限情況下CMOS反相器的靜態(tài)功耗幾乎為零。優(yōu)點+VDDSDvI

DSTPTNvOVSGPVGSN++--iD29圖3.3.12CMOS反相器的電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性當vI<VGS(th)時:(AB段)T1=on,T2=off=>vo=VDD;當VGS(th)

<vI<VDD-VGS(th)時(BC段)T1=on,T2=on=>vo↓;當vI>VDD-VGS(th)時:(CD段)T1=off,T2=on=>vo=0;+VDDSDvI

DST1T2vO

3031圖3.3.12CMOS反相器的電壓傳輸特性轉(zhuǎn)折區(qū)的變化率很大，更接近于理想的開關(guān)特性。CMOS反相器的輸入端噪聲容限較大。二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性32圖3.3.13CMOS反相器的電流傳輸特性+VDDSDvIDSGT1T2電流傳輸特性——漏極電流隨輸入電壓而變化的曲線.iD33三、輸入端噪聲容限高電平噪聲容限VNH為：VNH=VOH（min）-VIH（min）在保證輸出高、低電平不超過允許限度的條件下，輸入電平的允許波動范圍稱為輸入噪聲容限。低電平噪聲容限VNL為：VNL=VIL（max）-VOL（max）圖3.3.14輸入端噪聲容限示意圖34圖3.3.15CMOS反相器輸入噪聲容限與VDD的關(guān)系

(a)不同VDD下的電壓傳輸特性(b)噪聲容限隨VDD的變化曲線VDD越高，噪聲容限越大。VNH=VNL=30%VDD

0.1V0.1V353.3.3CMOS反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性一、輸入特性

指從反相器輸入端看進去的輸入電壓與輸入電流的關(guān)系。由于CMOS反向器的柵極和襯底之間有SiO2絕緣層，所以CMOS反向器正常工作時，有iI=iG=0成立。但絕緣層非常薄，極易擊穿,所以，制作CMOS器件時，集成了“輸入保護電路”,

以保護絕緣層不被擊穿?！餅榱苏_地處理門電路與門電路，以及門電路與其它電路之間的連接問題，必須了解門電路輸入端和輸出端的伏安特性，即輸入特性和輸出特性。36圖3.3.16CMOS反相器的輸入保護電路

（a）CC4000系列的輸入保護電路（b）74HC系列的輸入保護電路輸入保護措施是有限度的，使用時還必須注意器件的正確使用方法。

D1、D2是保護二極管，正向壓降0.7V，反向擊穿電壓30V。

D1是P型擴散區(qū)和N型襯底間自然形成的分布式二極管結(jié)構(gòu)，用一條虛線和兩個二極管表示。C1、C2是TP、TN管柵極等效電容。Rs是限流電阻，阻值1.5~2.5kΩ。D1D2圖3.3.16CMOS反相器的輸入保護電路

（a）CC4000系列的輸入保護電路（b）74HC系列的輸入保護電路37☆

當輸入0<VI≦VDD：輸入電流i

I=0,在正常工作范圍內(nèi)，保護二極管不起作用。☆

當輸入VI>VDD+VDF時：保護二極管D1導(dǎo)通，輸入電流i

I迅速增加，同時將TP、TN管柵極電壓鉗位于VDD+VDF。保證加在C2上的電壓，不超過其耐壓極限?！?/p>

當輸入VI<－VDF時：保護二極管D2導(dǎo)通，|i

I|

隨|VI|增加而增大。其變化斜率由RS決定。圖3.3.16CMOS反相器的輸入保護電路

（a）CC4000系列的輸入保護電路（b）74HC系列的輸入保護電路38圖3.3.17CMOS反相器的輸入特性（a）圖3.3.16(a)電路的輸入特性（b）圖3.3.16(b)電路的輸入特性☆

當輸入0<VI≦VDD：輸入電流i

I=0,在正常工作范圍內(nèi)，保護二極管不起作用?！?/p>

當輸入VI>VDD+VDF時：保護二極管D1導(dǎo)通，輸入電流i

I迅速增加，同時將TP、TN管柵極電壓鉗位于VDD+VDF。保證加在C2上的電壓，不超過其耐壓極限?！?/p>

當輸入VI<－VDF時：保護二極管D2導(dǎo)通，|i

I|

隨|VI|增加而增大。其變化斜率由RS決定。39圖3.3.18

vO=VOL時CMOS反相器的工作狀態(tài)二、輸出特性圖3.3.19CMOS反相器的低電平輸出特性1、低電平輸出特性指從反相器輸出端看進去的輸出電壓與輸出電流的關(guān)系。由于vGS越大，TN管的導(dǎo)通電阻RON就越小，所以相同的IOL下，VDD越高，VOL越低。IOL由負載電路流入門電路。灌電流負載40圖3.3.20vO=VOH時CMOS反相器的工作狀態(tài)圖3.3.21CMOS反相器的高電平輸出特性2、高電平輸出特性IOH從門電路的輸出端流出。相同的IOH下，VDD越高，RON越小，VOH越高。拉電流負載413.3.4CMOS反相器的動態(tài)特性圖3.3.22CMOS反相器傳輸延遲時間的定義一、傳輸延遲時間tPHL、tPLHCMOS電路的tPLH=tPHL。

平均傳輸時間（Propagationdelay)tpd=tPHL+

tPLH2指輸出電壓變化落后于輸入電壓變化的時間。二、交流噪聲容限42三、動態(tài)功耗PC=CLf

(VDD)2負載電容消耗的功耗PCMOS管的瞬時導(dǎo)通功耗PT圖3.3.24CMOS反相器對負載電容的充、放電電流波形f為輸入信號的重復(fù)頻率CL放電CL充電43圖3.3.25CMOS反相器的瞬時導(dǎo)通電流PT=CPDf(VDD)2其中，CPD稱為功耗電容（20pF）。44圖3.3.26CMOS反相器的靜態(tài)漏電流

（a）vI=0（b）vI=VDD全部功耗：PS為靜態(tài)功耗453.3.5其他類型的CMOS門電路&ABYY=+VDDAYT2T1BT3T4SSSSGG工作原理:00

√

√

101

√

√

110

√√

111

√

√

0ABT1T2T3T4Y1.CMOS與非門電路一、其他邏輯功能的

CMOS門電路負載管并聯(lián)驅(qū)動管串聯(lián)462.CMOS或非門電路ABT1T2T3T4Y

ABYY=+VDDYAT2T1BT3T4GGSSS工作原理:結(jié)構(gòu):00√

√××101√××√

0

10×√

√×

0

11××√√

0

負載管串聯(lián)驅(qū)動管并聯(lián)473、帶緩沖級的CMOS門電路為了克服上述缺點，可在門電路的輸入、輸出端增設(shè)“緩沖器”。CMOS與非門電路的缺點：1）輸出電阻RO的大小，受輸入端狀態(tài)的影響；2）輸出電平VOL、VOH，受輸入端數(shù)目的影響。緩沖器可由CMOS反相器組成。增加緩沖器后，電路的邏輯功能將改變：&111ABY111ABY≥1Y=A·BY=A+B=A·B=A+B48二、漏極開路輸出門電路（OD門）漏極開路輸出——為了滿足輸出電平變換、吸收大負載電流及實現(xiàn)線與連接等需要。在漏極開路輸出級中都沒有PMOS負載管。在CMOS集成電路中有三種輸出結(jié)構(gòu)：互補輸出、三態(tài)輸出和漏極開路輸出。

“線與”：輸出端并聯(lián)使用實現(xiàn)“與邏輯”。49二、漏極開路輸出門電路（OD門）圖3.3.31漏極開路輸出的與非門&ABY（a）電路結(jié)構(gòu)（b）邏輯符號TN漏極開路輸出門電路的輸出端必須外接負載電阻才可以工作。501、輸出電平變換2、線與線與邏輯用一級門電路實現(xiàn)了兩級門電路（與或非）的邏輯功能。只要滿足TN的ROFF>>RL>>RON,VOH=VDD2,VOL=0。51Y=Y1

Y2

Y3任0則0全1則1RL（外接）V’DD輸出級YY1Y2Y3A1B1C1A2B2C2A3B3C3&&&V’DDRLYY1Y3Y2523、外接電阻阻值的計算(a)外接電阻最大值IOHIOHIIH&……VDD&VIL&VIL‘1’&RL1ILnm為保證輸出高電平不低于規(guī)定的數(shù)值，RL不能太大。（a）RL最大值的計算IOH:與非門截止時的漏電流。53(b)外接電阻最小值電阻的最小值受與非門低電平輸出電流的限制。要保證流入與非門的電流不超過負載電流的允許值。極限情況：只有一個與非門輸出低電平。IOL

IIL&……VDD&VIH&VIL‘0’&RL1ILm’（b）RL最小值的計算54三、CMOS傳輸門1、電路結(jié)構(gòu)：邏輯符號vi/vovo/vi

CTGC

如左圖所示，CMOS傳輸門由一個P溝道MOSFET和一個N溝道MOSFET并聯(lián)而成。

其中，C和是一對互補的控制信號。C傳輸門(TG—TransmissionGate）也是構(gòu)成各種邏輯電路的一種基本單元電路。vi/vovo/vi

T2T1VDDCC552、工作原理：CTG10導(dǎo)通01截止(2)C=1,=0:(1)C=0,=1(VDD)：C設(shè)0≤vi≤VDD:vi/vovo/vi

T2T1VDDCCT1T2都截止,輸入輸出之間呈高阻態(tài),傳輸門截止；0<vi<VDD-VGS(th)N時，T1導(dǎo)通。因此,vi在0和VDD

之間變化時T1和T2至少有一個是導(dǎo)通的,輸入輸出之間呈低阻態(tài),傳輸門導(dǎo)通。VGS(th)P

<vi<VDD時，T2導(dǎo)通。563、CMOS傳輸門的作用：（1）實現(xiàn)邏輯運算；（2）作為模擬開關(guān)，用來傳輸連續(xù)變化的模擬信號；圖3.3.38CMOS雙向模擬開關(guān)的電路結(jié)構(gòu)和符號57CMOS三態(tài)門電路結(jié)構(gòu)之一三態(tài)輸出:高電平、低電平、高阻態(tài)。輸出緩沖器三態(tài)控制端EN=0T1'、T2'導(dǎo)通；EN=1T1'

、T2'截止；四、三態(tài)輸出的CMOS門電路（TS門）輸出為高阻態(tài)低電平為工作狀態(tài)58三態(tài)門電路應(yīng)用1作為電路與總線（BUS)間的接口電路總線E1E2E3用總線分時傳送若干門電路的輸出信號G1門工作G2

門工作G3

門工作&A1B1E1&A2B2E2&A3B3E3

G1G2G359三態(tài)門應(yīng)用2-實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸01603.3.6CMOS電路的正確使用(1)輸入電路的靜電保護①在存貯和運輸CMOS器件時不要使用易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料和化纖織物包裝，最好采用金屬屏蔽層作包裝材料；②組裝、調(diào)試時，應(yīng)使電烙鐵和其他工具、儀表、工作臺面等良好接地。必要時帶防靜電手套；③不同的輸入端不應(yīng)懸空。應(yīng)根據(jù)邏輯要求或接電源VDD(與非門)，或接地(或非門)，或與其它輸入端連接。(2)輸入電路的過流保護①輸入端接低內(nèi)阻信號源時，應(yīng)在輸入端與信號源之間串進保護電阻；②輸入端接有大電容時，應(yīng)在輸入端與電容之間接入保護電阻；61圖3.3.43輸入端接大電容時的防護圖3.3.44輸入端接長線時的防護③輸入端接長線時，應(yīng)在門電路的輸入端接入保護電阻。因長線上不可避免地伴有分布電容、分布電感，信號突變時可能產(chǎn)生正、負振蕩的脈沖。根據(jù)經(jīng)驗：RP=VDD/1mA，且當長度大于10米后，每增加10米，RP的值應(yīng)增加1kΩ。62(3)防止鎖定效應(yīng)

①在輸入端和輸出端設(shè)置鉗位電路；②在VDD可能出現(xiàn)高壓時，加電源去耦電路；③多電源供電時，應(yīng)先接通CMOS電源，或最后關(guān)閉CMOS電路電源。633.3.7CMOS數(shù)字集成電路的各種系列CMOS門電路的系列產(chǎn)品：CC4000/4000B系列（基本的CMOS)54/74HC系列（高速CMOS）54/74HCT系列（與TTL兼容的高速CMOS）54/74AHC系列（改進的高速CMOS）74LVC系列（低壓CMOS）74ALVC系列（改進的低壓CMOS）54/74AHCT系列（與TTL兼容的改進高速CMOS）TI公司產(chǎn)品54系列74系列（工作環(huán)境溫度：-55~+125℃)（工作環(huán)境溫度：-40~+85℃)64２、是電壓控制元件，靜態(tài)功耗小。3、允許電源電壓范圍寬（318V）。4、扇出系數(shù)大，抗噪聲容限大。優(yōu)點１、工藝簡單，集成度高。CMOS集成電路是目前的主流器件：65習(xí)題：題3.5，3.7(d)，3.8，3.9。66§3.5TTL門電路◆TTL門電路：輸入和輸出端結(jié)構(gòu)都采用了半導(dǎo)體晶體管，稱之為:Transistor—TransistorLogic。673.5.1雙極型三極管的開關(guān)特性1、BJT的開關(guān)作用工作狀態(tài)截止放大飽和條件iB≈00<iB<ICS/β

iB>ICS/β工作特點偏置情況發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為反偏發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏集電極電流iC≈0iC≈βiBiC=βICS管壓降VCEO≈VCCVCE=VCC-iCRCVCES≈0.2~0.3Vc、e間等效內(nèi)阻相當于開關(guān)斷開（很大）可變相當于開關(guān)閉合（很小）NPN型BJT工作狀態(tài)和特點68圖3.5.3雙極型三極管的基本開關(guān)電路圖3.5.5雙極型三極管的開關(guān)等效電路

(a)截止狀態(tài)

(b)飽和導(dǎo)通狀態(tài)截止時，vo=VOH≈VCC;飽和時，vo=VOL≈0V;69五、雙極型三極管的動態(tài)開關(guān)特性圖3.5.6雙極型三極管的動態(tài)開關(guān)特性三極管截止飽和導(dǎo)通70六、

三極管反相器RCDR1AY+VCC+3VAY3V0.3V0V3.7V鉗位二極管

1

0

0

11AY

1)為了保證在輸入低電平時三極管可靠截止，常在基極接入R2和負電源VEE。-VEER2

2)為了保證在輸入高電平時三極管工作在深度飽和狀態(tài)，以使輸出電平接近零，電路的參數(shù)必須合適，以保證IB>IBS

（飽和基極電流）。710V5VAY+5V3.3k

1k

10k

-8V

=20TR1R2RC例3.5.1

電路及參數(shù)如圖所示，試計算輸入高、低電平時對應(yīng)的輸出電平，并說明電路參數(shù)的設(shè)計是否合理。VCE(sat)=0.1V由戴維寧等效電路可得：解：721)當vI=VIL=0V時:三極管可靠截止iC=0，vO=VCC=5V2)當vI=VIH=5V時:三極管工作在深度飽和狀態(tài)。

由1）2）分析可知，電路參數(shù)的設(shè)計合理。vO

=VCE(sat)

≈0VAY+5V3.3k

1k

10k

-8V

=20TR1R2RC733.5.2TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理+5VYR4R2R14kT2R3T4T1T5b1c11k

1.6k

130AD1D21AY1111111234567141312111098+5V0V一、電路結(jié)構(gòu)與工作原理74LS0474+5VYR4R2R14kT2R3T4T1T5b1c11k

1.6k

130

AD1D2輸入級倒相級輸出級0.2V3.4V1、當輸入A為低電平VIL=0.2V時：0.9V0.2V0.2VT1導(dǎo)通，T2截止，T5截止，Vc2為高電平，從而T4導(dǎo)通，輸出為高電平VOH。VOH=5–VD2-VBE4-VR23.4V(vO)(vI)75+5VYR4R2R14kT2R3T4T1T5b1c11k

1.6k

130

AD1D2輸入級倒相級輸出級0.2V3.4V2、當輸入A為高電平VIH=3.4V時：電位箝在2.1V3.4V4.1V3.4V1.4VT1導(dǎo)通,T2導(dǎo)通,T5導(dǎo)通,T4截止；

輸出為低電平VOL。1.0VT1:發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏，處于倒置放大狀態(tài)

C、E作用顛倒?！獭?vO)(vI)邏輯功能：76+5VYR4R2R14kT2R3T4T1T5b1c11k

1.6k

130

AD1D2輸入級倒相級輸出級0.2V3.4V輸出級：推拉式電路，有效地降低了輸出級的靜態(tài)功耗并提高了驅(qū)動負載的能力；D1：箝位二極管，抑制輸入端可能出現(xiàn)的負極性干擾脈沖，防止輸入電壓為負時T1的發(fā)射極電流過大;D2：確保T5飽和導(dǎo)通時T4可靠截止。77圖3.5.10TTL反相器的電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性1AY0V5V3.02.01.00.51.01.5VI/VVO/V0ACDEB當輸入VI<0.6V時，T5截止T4導(dǎo)通，輸出VO為高電平;當輸入1.3V>VI>0.6V時，T5截止T4導(dǎo)通，但T2導(dǎo)通放大，輸出VO線性下降;當輸入為1.4V左右時，T5、T2導(dǎo)通，但T4截止，輸出VO急劇下降為低電平。當輸入繼續(xù)升高，T5、T2導(dǎo)通，T4截止，輸出VO為低電平不再變化。即輸出電壓隨輸入電壓的變化曲線。截止區(qū)線性區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)飽和區(qū)VTHVTH為閾值電壓或門檻電壓。78uo(V)ui(V)123UOH“1”TTL反相器理想的電壓傳輸特性VTH=1.4V79三、輸入端噪聲容限74系列門電路的標準參數(shù)為：VOH（min）=2.4V,VOL（max）=0.4V,VIH（min）=2V,VIL（max）=0.8V故VNH=0.4V高電平噪聲容限VNH為：VNH=VOH（min）-VIH（min）低電平噪聲容限VNL為：VNL=VIL（max）-VOL（max）故VNL=0.4V803.5.3TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性圖3.5.11TTL反相器的輸入端等效電路圖3.5.12TTL反相器的輸入特性1、輸入電壓為VIL時，相應(yīng)的低電平輸入電流IIL約為1mA，方向為流出。2、輸入電壓為VIH時，相應(yīng)高電平輸入電流IIH約為40A，方向為流進。高電平低電平一、輸入特性81二、輸出特性—高電平輸出特性圖3.5.13TTL反相器高電平輸出等效電路圖3.5.14TTL反相器高電平輸出特性VOH(MIN)輸出高電平時，負載電流的方向為流出。iL較小時，iL對VOH的影響很小，iL較大時，VOH隨iL絕對值的增加成線性下降。由于受功耗的限制，實際工作中輸出電流IOH不超過0.4mA。IOH≤0.4mA拉電流82二、輸出特性—低電平輸出特性圖3.5.15TTL反相器低電平輸出等效電路圖3.5.16TTL反相器低電平輸出特性說明：輸出低電平時，負載電流的方向為流進。由于T5飽和導(dǎo)通時c-e間的內(nèi)阻很小，所以負載電流增加時VOL

稍有升高，VOL與iL在較大范圍里成線性。0.2IOL≤16mA灌電流83輸入輸出特性總結(jié)1、無論是輸入還是輸出，電流和電壓是相互影響的，其關(guān)系由特性曲線確定。2、在實際工作中，當電流變化時會影響電壓的值，當電壓的變化超出0和1的邏輯定義時，它就是無效的！84應(yīng)用舉例：例3.5.2G1可以驅(qū)動多少個TTL門？其中VOH3.2V，VOL0.2V0iLiIiI=1mAiL<=16mAiL=N

iIN

iI<=16mAN<=161VOHiL<=7.5mAiL<=0.4mAiLiIiI=40

AiL=iI

NiI

N<=0.4mAN<=10N<=10扇出系數(shù)扇出系數(shù)：與非門電路輸出能驅(qū)動同類門的個數(shù)。85三、輸入端負載特性1AY11BY2R1BY2Rp問題：這時，輸入B是“1”還是“0”？861BY2Rp

Rp

R1+RpVi=(VCC-0.7V)RpViRp<1.45k

相當于輸入低電平；i圖3.5.18TTL反相器輸入端經(jīng)電阻接地時的等效電路Rp>1.45k

相當于輸入高電平。圖3.5.19TTL反相器輸入端負載特性1.4V懸空引腳等效為輸入高電平1Vi=1.4V時，T2、T5飽和導(dǎo)通1.45k

87例3.5.3

在圖3.5.20電路中，為保證G1門輸出的高、低電平能正常的傳送到G2門的輸入端，要求vO1=VOH時vI2≥VIH(min)，vO1=VOL時vI2≤VIL(max)，試計算RP的最大允許值。已知G1和G2均為74系列的反相器，VCC=5V,VOH=3.4V,VOL=0.2V,VIH(min)=2.0V,VIL(max)=0.8V。解：1）計算vO1=VOH，vI2≥VIH(min)時RP的允許值：圖3.5.20VOH-IIHRP≥VIH(min)由輸入特性得IIH=0.04mAIIHVOHVIH(min)882）計算vO1=VOL，vI2≤VIL(max)時RP的允許值：G2門輸入端等效電路VOLIILIILVOLVIL(max)√89習(xí)題：題3.11903.5.4TTL反相器的動態(tài)特性tuiotuoo50%50%tPHLtPLH導(dǎo)通傳輸時間截止傳輸時間波形邊沿變壞有延遲變化uo

平均傳輸時間（Propagationdelay)tpd=tPHL+

tPLH2典型值：3

10ns一、傳輸延遲時間91二、交流噪聲容限由于TTL電路中存在三極管的開關(guān)時間和分布電容的充放電過程，因而輸入信號狀態(tài)變化時必須有足夠的變化幅度和作用時間才能使輸出狀態(tài)改變。當輸入信號為窄脈沖，而且脈沖寬度接近于門電路傳輸延遲時間的情況下，為使輸出狀態(tài)改變所需要的脈沖幅度將遠大于信號為直流（寬脈沖）時所需要的信號變化幅度。因此，門電路對這類窄脈沖的噪聲容限——交流噪聲容限高于前面講過的直流噪聲容限。絕大多數(shù)TTL門電路的傳輸延遲時間都在50ns以內(nèi)，所以當輸入脈沖的寬度達到微秒數(shù)量級時，在信號作用時間內(nèi)電路已達到穩(wěn)態(tài)，應(yīng)將輸入信號按直流信號處理。92（a）正脈沖噪聲容限（b）負脈沖噪聲容限圖中tw表示輸入脈沖寬度，VNA表示輸入脈沖幅度。

在圖（a）中將輸出高電平降至2.0V時對應(yīng)的（某一寬度的）輸入正脈沖幅度定義為正脈沖噪聲容限。

在圖（b）中將輸出低電平升至0.8V時對應(yīng)的（某一寬度的）輸入負脈沖幅度定義為負脈沖噪聲容限。注意：交流噪聲容限實際上也反映了門電路對輸入信號的脈寬和幅度的要求。圖3.5.22TTL反相器的交流噪聲容限正脈沖使反相器的輸出高電平下降；負脈沖使反相器的輸出低電平升高。93三、電源的動態(tài)尖峰電流通過計算可以證明，TTL門電路在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，輸出電平不同時，它從電源所取的電流也不一樣。若輸入為高電平，則T1、T2和T5導(dǎo)通，T4截止，輸出低電平，電源電流ICCL等于iB1和iC2之和。2.1V0.8V94三、電源的動態(tài)尖峰電流若輸入低電平(0.2V)，則T1和T4導(dǎo)通，T2和T5截止，輸出高電平，電源電流ICCH等于iB1

。如果T1發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓為0.7V，則VB1=0.9V，于是得到：95動態(tài)情況下，特別是在輸出電壓由低電平突變?yōu)楦唠娖降倪^程中，由于T5原來在深度飽和狀態(tài)，所以T4的導(dǎo)通必然先于T5的截止，這樣就出現(xiàn)了短時間內(nèi)T4和T5同時導(dǎo)通的狀態(tài)，有很大的瞬時電流流經(jīng)T4和T5，使電源電流出現(xiàn)尖峰脈沖。電源電流的最大瞬時值：ICCM=iC4+iB4+iB1=34.7mA電源尖峰電流帶來的影響主要表現(xiàn)在兩個方面:①使電源的平均電流增加,且信號頻率越高、門電路的傳輸延遲時間tPLH越長，電流平均值增加越多。②多個門電路同時轉(zhuǎn)換狀態(tài)時，尖峰電流將增大，形成系統(tǒng)內(nèi)部噪聲。96例3.5.4

若74系列TTL反相器的電路參數(shù)如圖3.5.9所給出，并知tPHL=15ns，試計算在f=5MHz的矩形波輸入電壓信號作用下電源電流的平均值。輸入電壓信號的占空比（高電平持續(xù)時間與周期之比）為50%。考慮電源動態(tài)尖峰電流的影響之后，電源電流的平均值為：解：973.5.5其它類型的TTL門電路圖3.5.27TTL與非門電路多發(fā)射極三極管一、其它邏輯功能的門電路98圖3.2.29TTL或非門電路99圖3.5.30TTL與或非門100圖3.5.31TTL異或門101二、集電極開路的門電路（OC門）1.問題的提出&ABEF&CDG能否“線與”？（OpenCollector)102推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)的TTL與非門的輸出電阻很低。i功耗可能使門電路損壞iUOL

不允許直接“線與”&ABEF&CDG與非門“關(guān)門”與非門“開門”+5VR4R2T3T4T5100

750

3k

R3UOH+5VR4R2T3T4T5100

750

3k

R3UOL1032.集電極開路與非門電路結(jié)構(gòu)+5VYR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC去掉標準TTL與非門104Y=ABC&符號：集電極懸空RL（外接）V'CCYT5+5VR2R13kT2R3T1b1c1ABC&工作時輸出端需外接上拉負載電阻RL和電源。2.集電極開路與非門電路結(jié)構(gòu)只要RL和電源電壓的數(shù)值選擇得當，就能既保證輸出的高、低電平符合要求，輸出端三極管的負載電流又不過大。1053、OC門外接負載電阻RL的計算“1”RLVILVILIOHIOHIIHIIHILn個OC門m個TTL與非門的輸入端驅(qū)動拉電流負載IOH:每個OC門輸出三極管T5截止時的漏電流IIH:負載門每個輸入端的高電平輸入電流&&……VCC&&106為保證輸出高電平不低于規(guī)定的VOH值，RL不宜選得過大。由以上分析列出RL最大值的公式：…(1)107“0”VIHVILIILIILILn個OC門m’個TTL與非門的數(shù)目驅(qū)動灌電流負載IOL:OC門低電平輸出電流IIL:每個負載門的低電平輸入電流IOL&&……VCC&&RL108在最壞情況下，只有一個OC門導(dǎo)通，流過RL的電流和負載電流全部灌入該導(dǎo)通的OC門中，所以RL的值不可太小，以確保灌入導(dǎo)通OC門的電流不超過最大允許的負載電流ILM。由以上分析可列出RL最小值的公式：…(2)所以，RL(min)<RL<RL(max)根據(jù)要求：1093、OC門外接負載電阻RL的計算說明：負載門為TTL與非門電路的與輸入端并聯(lián)時，m'指負載門的個數(shù)。110例3.5.5

試為圖3.5.37電路中的外接負載電阻RL選定合適的阻值。已知G1、G2為OC門，輸出管截止時的漏電流為IOH=200

A，輸出管導(dǎo)通時允許的最大負載電流IOL(max)=16mA。G3、G4和G5均為74系列與非門，它們的低電平輸入電流IIL=-1mA，高電平輸入電流IIH=40

A。給定VCC=5V，要求OC門輸出的高電平VOH≥3.0V，低電平VOL≤0.4V。圖3.5.37解：111三、三態(tài)輸出門電路（TS門）(ThreeState)三種輸出狀態(tài)高電平低電平高阻狀態(tài)（禁止狀態(tài)）三態(tài)輸出門是在普通門電路的基礎(chǔ)上附加控制電路而構(gòu)成。1121.三態(tài)與非門電路結(jié)構(gòu)控制端DENEN1(使能端:Enable）AB輸入端+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5113

2.工作原理F“1”3.4V截止“0”0.3V與非工作狀態(tài)（1）

EN=“0”+5VR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5ABDENEN1

114F“0”0.3V“1”3.4V截止導(dǎo)通截止（2）

EN=“1”高阻狀態(tài)（禁止狀態(tài)）+5VR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5ABDENEN1

E=“1”時：F=Z(高阻狀態(tài))1V115符號：功能表：0（工作狀態(tài)）輸出EN接低電平時為工作狀態(tài)1高阻狀態(tài)（禁止狀態(tài)）

YABENEN&

116若去掉使能端的非門：DEN控制端(使能端:Enable）+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB輸入端EN=0：F=Z(高阻狀態(tài))

YABENEN&

1173.5.6TTL數(shù)字集成電路的各種系列前面介紹的TTL電路是一個典型的電路,它基本上是國產(chǎn)CT1000(相當于國際74)系列產(chǎn)品。TTL電路的一個重要性能指標就是速度-功耗積，即對于一個高質(zhì)量的門電路，既要求工作速度高，又要求其功耗小。為了實現(xiàn)這一目標TTL電路的設(shè)計者一直在不斷努力，對原有電路進行了多方面的改進，相繼開發(fā)出了：CT2000（74H）、CT3000（74S）、CT4000（74LS）。一、74H系列

74H系列又稱高速系列，和74系列相比主要是減小了電路中各電阻值。

74H系列與非門(74H00)的電路結(jié)構(gòu)1181、改進之一：引入肖特基二極管SBD

74H系列門電路的平均傳輸延遲時間比74系列縮短了一半，但電路的電源平均電流約增加了一倍。即延遲-功耗積未得到改善，已被淘汰。二、74S系列

74S系列又稱肖特基（Schottky）系列。通過對74系列電路的動態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，影響其工作速度的主要原因是電路中的三極管導(dǎo)通時工作在深度飽和狀態(tài)。所以提高電路工作速度的最好辦法是避免三極管工作在深度飽和狀態(tài)。于是在該系列電路中引入了抗飽和三極管。

抗飽和三極管也就是在普通三極管的基極和集電極之間接一肖特基二極管（SchottkyBarrierDiode—SBD）

SBD—利用金屬和半導(dǎo)體相接觸在交界面形成勢壘二極管。119ebcTIBIB1IB2TbceSBD+-0.4v代表符號

SBD起到抵抗BJT過飽和的作用，它使電路的開關(guān)時間大為縮短，從而提高了BJT電路的速度。

采用肖特基二極管為什么能提高TTL電路的速度？工作特點（1）它和PN結(jié)一樣，同樣具有單向?qū)щ娦裕唬?）導(dǎo)通閾值電壓較低，如Al-SiSBD的閾值電壓約為0.4~0.5V；（3）勢壘二極管的導(dǎo)電機構(gòu)是多數(shù)載流子，因而電荷存儲效應(yīng)很小。1202、改進之二：引入了由T6、RB和RC組成的有源瀉放電路。當T2由截止變?yōu)閷?dǎo)通的瞬間，由于T6的基極回路中串接了電阻RB，所以T5的基極必然先于T6的基極導(dǎo)通，使T2發(fā)射極的電流全部流入T5的基極，從而加速了T5的導(dǎo)通過程。而在穩(wěn)態(tài)下，由于T6的分流作用，減少了T5的基極電流，也就減輕了T5的飽和程度，這又有利于加快T5從導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟倪^程。121

當T2從導(dǎo)通變?yōu)榻刂购?，因為T6仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，為T5的基極提供了一個瞬間的低阻瀉放回路，使T5得以迅速截止。因此，有源瀉放回路的存在縮短了門電路的傳輸延遲時間。采用抗飽和電路帶來缺點：輸出低電平升高。圖3.5.4174S系列反相器的電壓傳輸特性122三、74LS系列（低功耗肖特基系列）

74S系列由于采用的電阻較小，其功耗仍偏大。為了降低功耗，74LS系列大幅度提高了電路中的各個電阻。同時，將R5原來接地的一端改接到輸出端，以減小T3導(dǎo)通時R5上的功耗。

74LS系列的功耗僅為74S系列的五分之一，74H系列的十分之一。為了縮短傳輸延遲時間、提高開關(guān)速度，在74S系列的基礎(chǔ)上再進行了一大改進，即將輸入端的多發(fā)射極三極管改為SBD，因為這種二極管無電荷存儲效應(yīng)。123此外，為進一步加速電路開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程，又接入了D3、D4這兩個SBD。當輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，D4→T2的集電極→T5的基極為輸出端的負載電容提供了一條放電回路，既加快了負載電容的放電速度，又為T5增加了基極電流，加速了T5的導(dǎo)通過程。同時D3也通過T2為T4的基極提供了一個附加的低內(nèi)阻放電通路，使T4更快地截止。由于采用了一系列的措施，雖然電阻阻值增大了很多，但傳輸延遲時間仍可達到74系列的水平。74LS系列的延遲-功耗積是上述四種TTL電路中最小的，僅為74系列的五分之一，74S系列的三分之一。四、74AS和74ALS系列（結(jié)構(gòu)與74LS相似，電阻減小了）、74ALS（采用了較高的電阻值，改進了工藝，延遲功耗積最小）124五、74F（FastTTL）系列在速度和功耗兩方面都介于74AS和74ALS系列之間。TTL門電路的系列分類國內(nèi)產(chǎn)品CT1000系列CT2000系列CT3000系列CT4000系列CT000系列（高速）（低功耗）（低功耗、高速度）（非標準型）（標準TTL）125TTL門電路的系列分類54/74系列

(基本TTL）54/74S系列

(肖特基TTL）54/74LS系列

(低功耗肖特基

TTL）54/74ALS系列

(先進的低功耗肖特基

TTL）54/74AS系列

(先進的肖特基

TTL）54/74F系列

(高速

TTL）對于每種TTL子系列，要在開關(guān)時間短、功耗小和抗干擾性強這三個要求之間作折衷選擇。126習(xí)題：題3.14，3.15，3.18，3.231273.8TTL電路與CMOS電路的接口考慮兩個問題（2）驅(qū)動器件的扇出系數(shù)問題。（1）驅(qū)動器件與負載的電壓兼容性問題；驅(qū)動門負載門VOH(min)≥VIH(min)VOL(max)≤VIL(max)IOH(max)≥nIIH(max)IOL(max)≥mIIL(max)即要求：圖3.8.1驅(qū)動門與負載門的連接128一、用TTL電