数字电子技术第二章

1、概述,第 2 章逻辑门电路,二极管、三极管的开关特性,TTL 集成逻辑门,CMOS 集成逻辑门,集成逻辑门的应用,本章小结,最简单的与、或、非门电路,2.1 概 述,主要要求：,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。,2.1 概述,门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。,基本门电路:与门、或门、非门,正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0 负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0 在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。 今后除非特别说

2、明，一律采用正逻辑。,2.1 概述,一、正逻辑与负逻辑,二、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义,获得高、低电平的基本原理,高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。,高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？,由门电路种类等决定,一些约定:,TTL门电路:VILmax=0.7V,VIHmin=1.4V VOLmax=0.3V,VOHmin=3.6V,CMOS门电路:VILmax=VIHmax=VDD/2 VOL=0V,VOH=VDD,对低电平而言,电压越低越好,对高电平而言,电压越高越好.但前提是不能超过电源电压的范围.,主要要求：,理解二极管、三极管的开关特性。,掌握二

3、极管、三极管开关工作的条件。,2.2二极管和三极管的开关特性,利用二极管的单向导电性，此电路相当于一个受外加电压极性控制的开关。,当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL 开关闭合,2.2.1二极管开关特性,假定：UIH=VCC ，UIL=0,当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 开关断开,三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？,当输入 uI 为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。,iB 0，iC 0，C、E 间相当于开关断开。,三极管关断的条件和等效电路,负载线,饱 和 区,放大区,一、三极管的开关作用及其条件,截止区,三极管 截止状态 等效电路,uI=UIL,U

4、th为门限电压,2.2.2半导体三极管的开关特性,饱 和 区,放大区,一、三极管的开关作用及其条件,uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移， iC 增大，uCE 减小。,截止区,三极管 截止状态 等效电路,S 为放大和饱和的交界点，这时的 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示；相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； UBE(sat) 为饱和基极电压； UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， UBE(sat) 0.7V， UCE(sat) 0.3V。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用。,uI 增大使 uBE Uth时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大导通状

5、态。,饱 和 区,放大区,一、三极管的开关作用及其条件,截止区,三极管 截止状态 等效电路,uI=UIH,三极管开通的条件和等效电路,当输入 uI 为高电平，使 iB IB(sat)时，三极管饱和。,uBE UCE(sat) 0.3 V 0， C、E 间相当于开关合上。,三极管 饱和状态 等效电路,iB 愈大于 IB(Sat) ， 则饱和愈深。,由于UCE(Sat) 0，因此饱和后 iC 基本上为恒值， iC IC(Sat) =,例下图电路中 = 50,UBE(on) = 0.7 V,UIH = 3.6 V,UIL = 0.3 V,为使三极管开关工作,试选择 RB 值,并对应输入波形画出输出波

6、形。,解：(1)根据开关工作条件确定 RB 取值,uI = UIL = 0.3 V 时,三极管满足截止条件,uI = UIH = 3.6 V 时,为使三极管饱和,应满足 iB IB(sat),所以求得 RB 29 k，可取标称值 27 k。,(2) 对应输入波形画出输出波形,可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。,三极管截止时， iC 0，uO +5 V,三极管饱和时， uO UCE(sat) 0.3 V,假设VCC=5V,RB=4K,=50,求RC多大时, 三极管可以进入饱和状态.(输入高电平),RC

7、100即可,例,这里的参数在以后的讲课中会用到.,当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH 开关断开,假定：UIH=VCC ，UIL=0,当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=UCES=UOL 开关闭合,三级管非门电路,以后在数字电路中遇到这样的电路,都可以认为这是一个非门.,上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为 ：,uI 从 UIL 正跳到 UIH 时，三极管将由截止转变为饱和， iC 从 0 逐渐增大到 IC(sat)，uC 从 VCC 逐渐减小为 UCE(sat)。,uI 从 UIH 负跳到时 UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱

8、和区。,二、三极管的动态开关特性,uI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称为三极管开通时间。,通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。,uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称为三极管关断时间。 通常 toff ton,二、三极管的动态开关特性,开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。,在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称 SBD) 。,抗饱和三极管的开关速度高, 没有电荷存储效应 S

9、BD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V， 因此 UBC = 0.4 V 时，SBD 便导通，使 UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。,三、抗饱和三极管简介,图2.3.1 二极管与门,返回,真值表,逻辑电平,2.3.1 二极管与门,2.3 最简单的与、或、非门电路,缺点：输出电平发生偏移,2.3.2 二极管或门,图2.3.2 二极管或门,返回,逻辑电平,真值表,缺点：输出电平发生偏移,2.3.3三极管非门,图2.3.3 三极管非门（反相器）,返回,真值表,R2 和VEE的作用：保证输入为低电平时三极管可靠截止；输入为高电平时，保证三极管工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零

10、。,缺点:输出电阻大,带负载能力差.,2.3.4DTL(二级管-三极管)门电路,或非门:二级管或门+三极管非门,与非门:二级管与门+三极管非门,缺点：1、输出电平发生偏移,级数越多,偏移越大.,与或非门:二级管与门+二级管或门+三极管非门,2 、带负载能力差,主要要求：,了解 TTL 与非门的组成和工作原理。,了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。,2.4TTL 集成逻辑门,掌握 TTL 基本门电路的逻辑功能和主要外特性。,掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。,2.4.1TTL 反相器的电路结构和工作原理,一、电路结构,输入级主要由三极管 T1 、基极电阻 R1 和钳位二极管D1

11、组成。 D1 为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，D1 不工作，当输入的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 -0.7 V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对 V1 还有保护作用。,中间级起倒相放大作用，T2 集电极 C2 和发射极 E2 同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动 T3和 T5。,输出级由 T3、D2、 R4和V5组成。其中 V3 ，与 V5 构成推拉式输出结构，提高了负载能力。,输入端为低电平时，输出高电平。,二、TTL 反相器的工作原理（设输入VIH=3.6V，VIL=0.3V）,输入电流方向:IIL流出输入端,

12、输入电流大小：1mA,输入为高电平时，输出低电平,输入电流方向:IIH流入输入端,输入电流大小：小于40uA,三、电压传输特性和噪声容限,输出电压随输入电压变化的特性,uI 较小时工作于AB 段，这时 T2、T5 截止，T4、D2 导通，输出恒为高电平，UOH 3.6V，称与非门工作在截止区或处于关门状态。,uI 较大时工作于 BC 段，这时 T2、T5 工作于放大区， uI 的微小增大引起 uO 急剧下降，称与非门工作在转折区。,uI 很大时工作于 CD 段，这时 T2、T5 饱和，输出恒为低电平，UOL 0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。,1、电压传输特性,下面介绍与电压传输特

13、性有关的主要参数：,有关参数,标准高电平 USH,当 uO USH 时，则认为输出高电平，通常取 USH = 3 V。,标准低电平 USL,当 uO USL 时，则认为输出低电平，通常取 USL = 0.3 V。,关门电平 UOFF,保证输出不小于标准高电平USH 时,允许的输入低电平的最大值。,开门电平 UON,保证输出不高于标准低电平USL 时,允许的输入高电平的最小值。,阈值电压 UTH,转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。,USH = 3V,USL = 0.3V,UOFF,UON,UTH,近似分析时认为： uI UTH，则与非门开通， 输出低电平UOL； uI UTH，则与非门关闭

14、， 输出高电平UOH。,噪声容限越大，抗干扰能力越强。,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。UNH = UIH UON,输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。,2、噪声容限,2.4.2 TTL反相器的静态输入特性和 输出特性,返回,图2.4.4 TTL反相器的输入端等效电路,b）-0.6Vvi0.6V时，T1和T2都截止，,输入电流随着输入电压vi的增加而增加。其中Vi=0时的电流叫做输入短路电流，用iIS表示。,a）vi-0.7V时，由于输入保护二极管的导通，使

15、输入端流出的电流急剧增加。,研究输入电流随输入电压变化的特性,一、输入特性,当输入端数增加时,总电流跟输入端数没关系.,c）vi=3.6V时，T1倒置，iIH为正，约为40uA。,d） vi6V时，输入电流将随输入电压的增加而迅速增大，甚至达到击穿电流值，因此TTL门电路的输入电压一般应限制在5.5V以下。,图2.4.5 TTL反相器的输入特性,当输入端数增加时,总电流为各输入端电流相加.,二. 输入负载特性,当用TTL与非门组成一些较复杂的逻辑电路时，有时需要在信号与输入端或输入端与地之间接一电阻。有电流流过RI，必然产生电压降，将vi随RI的变化而变化的关系曲线叫做门电路的输入负载特性。,

16、ROFF 称关门电阻。RI ROFF 时，相应输入端相 当于输入低电平。对 STTL 系列，ROFF 700 。,RON 称开门电阻。RI RON 时，相应输入端相当于输入高电平。对 STTL 系列，RON 2.1 k。,a）RI变化使T2管未导通以前，RI增大，vi增大。使vi=0.7V时的RI称为关门电阻，记为ROFF。,b） vi0.7V以后，vi仍随RI的增大而增大。,c） vi1.4以后，T5管开始导通，UB1被钳位在2.1V,此后vi不再随RI的增大而增大。此时的RI称为开门电阻,不同 TTL 系列， RON、 ROFF 不同。,相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑 0

17、。,逻辑0,因此 Ya 输出恒为高电平 UOH 。,相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑 1 。,逻辑1,因此，可画出波形如图所示。,解：图(a)中，RI = 300 ROFF 800 ,图(b)中，RI = 5.1 k RON 3 k,实际应用,a）若将两个TTL门电路经过一个电阻串接，这个电阻的阻值不能大于RON。,三. 输出特性,负载电流流入与非门的输出端。,负载电流从与非门的输出端流向外负载。,输入均为高电平,输入有低电平,输出为低电平,输出为高电平,灌电流负载,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

18、门电路。,实用中常用扇出系数 NOL 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。,输出电压uo随输出电流IL的变化而变化的关系曲线。,a）输出低电平时的输出特性,UoL=iLrce5,iL=nIIL,n为负载门的个数.,TTL反相器低电平输出特性,由低电平输出特性可以查出输出某一低电平时的最大负载电流。,TTL反相器输出低电平时的输出特性如下所示。,每个门的输出低电平特性都可以测出。,根据iL=nIILiLmax，可以算出带负载门的个数n。,b）输出高电平时的输出特性,输入低电平时，输出高电平。此时T1深度饱和，T2、T5截止，T4饱和，Uo=UoH=Vcc-UR2-UBE

19、4-UD2=Vcc-UR4-UCES4-UD2，,UR4=IL*R4,IL=NIIH,TTL反相器高电平输出特性,由高电平输出特性可以查出输出高电平为某一值时的最大负载电流。,每个门的输出高电平特性也可以测出。,输出高电平时的输出特性如下所示。,扇出系数 NOL 表示电路负载能力。取上面求出的两个n的小者。,根据iL=NIIHiLmax，可以算出带负载门的输入端数N,从而求出门的个数n。,门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。,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，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。,一、传输延迟时间,输入电压波形下降沿 0.5 UIm 处到输

20、出电压上升沿 0.5 Uom处间隔的时间称截止延迟时间 tPLH。,输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿 0.5 Uom处间隔的时间称导通延迟时间 tPHL。,平均传输延迟时间 tpd,tPHL,tPLH,tpd 越小，则门电路开关速度越高，工作频率越高。,2.4.3 TTL反向器的动态特性,二、电源的动态尖峰电流,通过计算可以发现，输出电平不同时它从电源所取的电流也不一样。,Vo=VoL时，T1倒置，T2、T5饱和导通，T4截止，,Vo=VoH时，T1饱和，T2、T5截止，T4饱和导通，,返回,图2.4.16 TTL反相器电源电流的计算,a）vOVOL 的情况 （b） vO

21、VOH的情况,动态工作情况下，特别是当输入信号由高电平转换成低电平的过程中，会出现 T4、T5同时导通的情况，此时,危害：使电源的平均电流和平均功耗增大，信号频率越高，平均电流和平均功耗越大。,措施：电源与 地之间加接高频滤波电容。,返回,图2.4.17 TTL反相器的电源动态尖峰电流,返回,图2.4.19 电源尖峰电流的近似波形,返回,图2.4.20 TTL与非门电路,2.4.4其他类型的TTL门电路,一、其他逻辑功能的门电路,1.与非门,与反相器的区别：输入端改成了多发射极三极管。,返回,图2.4.21 多发射极三极管（a）结构示意图 （b）符号及等效电路,与非门输出电路的结构与电路参数与

22、反相器相同，所以反相器的输出特性也适用于与非门。,在计算与非门每个输入端的输入电流时，应根据输入端的不同工作状态区别对待。,a、在把输入端并联使用时，低电平输入电流和反相器相同；,b、输入接高电平时，总的输入电流为单个输入端的高电平输入电流的两倍.,输出特性：,输入特性：,返回,图2.4.22 TTL或非门电路,2.或非门,输出特性：,与反相器相同,输入特性：,与反相器相同,返回,图2.4.23 TTL与或非门,3 . TTL与或非,输出特性,输入特性,同反相器,同与非门,返回,图2.4.24 TTL异或门,4. TTL异或门,图2.4.25 推拉式输出级并联的情况,返回,二、集电极开路的门电

23、路（OC门）,推拉式输出的门电路存在的三个问题：,A、输出端不能并接使用；,B、电源确定后，输出高电平确定，无法满足不同高低电平的需要；,C、不能驱动大电流、高电压的负载；,原因：集电极电阻固定,图2.4.26 集电极开路与非门的电路和图形符号,返回,1、电路结构和逻辑符号,使用注意事项：必须外接负载电阻和电源,图2.4.27 OC门输出并联的接法及逻辑图,返回,B. 由于输出的高电平VOH=VCC，而VCC的值可以不同于VCC，所以只要根据要求选择VCC的大小，就可以得到所需的VOH值；,C. 有些OC门的输出管设计的尺寸较大，足以承受较大电流和较高电压。例如SN7404输出管允许的最大负载

24、电流为40mA，截止时耐压30V，足以直接驱动小型继电器,A. Y1、Y2中有一个低电平一个高电平时，可以增大RL，使管子不致烧坏；,Y1、Y2全为高电平时，可以减小RL，从而保证输出高电平。,图2.4.28 计算OC门负载电阻最大值的工作状态,返回,2、外接负载电阻的计算,每个OC门的输入端均有低电平，输出为高电平。,为保证高电平不低于规定的高电平，RL不能选的太大。,图2.4.29 计算OC门负载电阻最小值的工作状态,返回,当OC门中只有一个导通时，电流的实际流向如图所示。,负载电流全部流入导通的OC门，RL值不可太小，以确保流入导通的OC门的电流不致超过最大允许的负载电流ILM。,图2.

25、4.30 例 2.4.4 的电路,返回,例2.4.4 试为图2.4.30电路中的RL选择合适的阻值。,已知G1、G2为OC门，输出管截止时的漏电流为IOH=200uA，输出管导通时的最大负载电流ILM=16mA。G3、G4、G5均为74系列与非门，它们的IIL=1mA，IIH=40uA，给定VCC=5V，要求OC门输出的高电平VOH3.0V，低电平VOL0.4V.,取RL=1K,相当于与门作用。 因为 Y1、Y2 中有低电 平时，Y 为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，Y 才为高电平，故 Y = Y1 Y2。,3. 应用,(1) 实现线与,两个或多个 OC 门的输出端直接相连，相当于将这

26、些输出信号相与，称为线与。,只有 OC 门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联，否则可能损坏器件。,注意,(2)驱动显示器和继电器等,例 下图为用 OC 门驱动发光二极管 LED 的显示电路。 已知 LED 的正向导通压降 UF = 2V，正向工作电流 IF = 10 mA，为保证电路正常工作，试确定 RC 的值。,解：为保证电路正常工作，应满足,因此RC = 270 ,分析： 该电路只有在 A、B 均为高电平，使输出 uO 为低电平时，LED 才导通发光；否则 LED 中无电流流通，不发光。 要使 LED 发光，应满足IRc IF = 10 mA。,(3)实现电平转换,TTL 与非门

27、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 OC 门就可以适应负载门对电平的要求。,OC 门的 UOL 0.3V，UOH VDD，正好符合 CMOS 电路 UIH VDD，UIL 0的要求。,图2.4.31 三态输出门的电路图和图形符号 （a）控制端高电平有效 （b）控制端低电平有效,返回,三、三态输出门电路（TS门）,在普通门电路的基础上附加控制电路而构成的。,EN 即 Enable,返回,返回,(2)构成双向总线,返回,2.4.5 TTL电路的改进系列,74：标准系列；,74H：高速系列；,74S：肖特基系列；,74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延

28、迟积较小的系列。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。,74AS：先进肖特基系列；,74ALS：先进低功耗肖特基系列。,54系列与74系列的比较,相同之处：完全相同的电路结构和电器性能参数.,不同之处：54系列的工作温度范围更宽，电源允许的工作范围更大。,74 工作环境温度070 电源工作范围5V5%,54 工作环境温度-55120 电源工作范围5V10%,TTL 集成门的类型很多,那么如何识别它们?各类型之间有何异同?如何选用合适的门?,2.4.6、TTL 集成门应用要点,1. 各系列 TTL 集成门的比较与选用,用于民品,用于军品,具有完全相同的电路

29、结构和电气性能参数，但 CT54 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。,按工作温度和电源允许变化范围不同分为,向高速 发展,向低功 耗发展,按平均传输延迟时间和平均功耗不同分,向减小 功耗 - 延迟积 发展,措施：增大电阻值,措施： (1) 采用 SBD 和抗饱和三极管； (2) 采用有源泄放电路； (3) 减小电路中的电阻值。,其中，LSTTL 系列综合性能优越、品种多、价格便宜； ALSTTL 系列性能优于 LSTTL，但品种少、价格较高，因此实用中多选用 LSTTL。,CT74 系列(即标准 TTL ),集成门的选用要点,(1)实际使用中的最高工作频率 fm 应不大于逻

30、辑门最高工作 频率 fmax 的一半。,实 物 图 片,双列直插 14 引脚 四 2 输入与非门,2. TTL 集成逻辑门的使用要点,(1)电源电压用 + 5 V，,74 系列应满足 5 V 5% 。,(2)输出端的连接,普通 TTL 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 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 电源 VCC 之间应接负载电阻 RL。,输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。 输出电流应小于产品手册上规定的最大值。,3. 多余输入端的处理,与门和与非门的多余输入端接逻辑 1 或者与有用输入端

31、并接。,接 VCC,通过 1 10 k 电阻接 VCC,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，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。,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,解：,OC 门输出端需外接上拉电阻,RC,5.1k,Y = 1,Y = 0,RI RON ，相应输入端为高电平。,510,RI ROFF ，相应输入端为低电平。,复习： MOS 场效应管,MOS 场效应管（绝缘栅场效应管）,N沟道绝缘栅场效应管,P沟道绝缘栅场效应管,增强型,耗尽型,增强型,耗尽型,2.6 CMOS门电路,一、增强型 N

32、沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET),1. 结构与符号,P 型衬底,(掺杂浓度低),用扩散的方法 制作两个 N 区,在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层,用金属铝引出 源极 S 和漏极 D,在绝缘层上喷金属铝引出栅极 G,S 源极 Source,G 栅极 Gate,D 漏极 Drain,N 沟道增强型,P 沟道增强型,N 沟道耗尽型,P 沟道耗尽型,IDSS,FET 符号、特性的比较,2.6 CMOS门电路,复习内容,N沟道增强型,P沟道增强型,逻辑符号,进入可变电阻区的条件,进入截止区的条件,UGS（TH）0 UGSUGS(TH),U GS(TH)0 UGSUG

33、S(TH),UGSUGS(TH),UGSUGS(TH),(一)电路基本结构,要求VDD UGS(th)N +UGS(th)P且 UGS(th)N =UGS(th)P,UGS(th)N,增强型 NMOS 管开启电压,增强型 PMOS 管开启电压,UGS(th)P,2.6.1 CMOS 反相器的工作原理,可见该电路构成 CMOS 非门，又称 CMOS 反相器。,无论输入高低，VN、VP 中总有一管截止，使静态漏极电流 iD 0。因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。,uO VDD 为高电平。,uO 0 V ，为低电平。,图2.6.2 CMOS反相器的电压传输特性,返回,电压传输特性,二、电压传输特

34、性和电流传输特性,图2.6.3 CMOS反相器的电流传输特性,返回,电流传输特性,特点：无论输入低电平还是高电平，电流均接近于零，因此功耗低。,前面我们已经分别计算过TTL门电路在输入低电平和高电平两种情况下的电源电流 ，从而可以得知TTL门电路的功耗。,图2.6.4 不同VDD下CMOS反相器的噪声容限,返回,三、输入端噪声容限,结论：电源电压越高，抗干扰能力越强。,图2.6.6 CMOS反相器的输入保护电路 （a）CC4000系列的输入保护电路 （b）74HC系列的输入保护电路,返回,2.6.2CMOS反相器的静态输入特性和输出特性,1、输入特性,图2.6.7 CMOS反相器的输入特性 （

35、a）图2.6.6 (a)电路的输入特性 （b）图2.6.6 (b)电路的输入特性,返回,因CMOS反相器用的是绝缘栅场效应管，故Ii0 ，因此输入特性如下图所示。,图2.6.8 vO= VOL时CMOS反相器的工作状态,返回,2、输出特性,输出低电平特性,图2.6.9 CMOS反相器的低电平输出特性,返回,同样的IoL值下，VDD越高，VOL也越低,图2.6.10 vO= VOH时CMOS反相器的工作状态,返回,输出高电平特性,图2.6.11 CMOS反相器的高电平输出特性,返回,同样的IOH下，VDD越大，输出高电平越高。,3、输入负载特性,因绝缘栅场效应管的栅极绝缘，因此无输入负载特性。,

36、4、CMOS反相器的功耗,集成电路的功耗是指馈电电源提供给集成电路的功耗，它是衡量电路性能的重要技术指标。各种集成电路的功耗水平，由该电路的线路结构、制造工艺、集成度和外部使用条件决定。在目前流行的各种集成电路产品中，CMOS集成电路的功耗是最低的，整个封装的静态平均功耗小于10uW，但随着工作频率的升高，CMOS集成电路的动态功耗显著增大。,例 下图中，门电路为CMOS系列，试确定它们的输出。,图2.6.18 CMOS与非门,返回,2.6.3 其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,1. CMOS 与非门,返回,CMOS 与非门工作原理,2. CMOS 或非门,图2.6.

37、19 CMOS或非门,二、漏极开路的 CMOS 门,简称 OD 门,与 OC 门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。,需外接上拉电阻 RD,功能： 1、可以实现线与； 2、可以实现电平转换； 3、可以带大电流的负载。,三、CMOS 传输门和双向模拟开关,COMS传输门与前面所讲的推拉式输出的门电路、OC门、三态门的区别：,推拉式输出的门电路、OC门、三态门只能用来传输0、1 信号，而传输门可以传输0VDD之间的任何信号。,注意,由一对参数对称一致的增强型 NMOS 管和 PMOS 管并联构成。,工作原理,MOS 管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此 CMOS 传输门的输出端和输入端

38、也可互换。,当 C = 0V，uI = 0 VDD 时，VN、 VP 均截止，输出与输入之间呈现高 电阻，相当于开关断开。,uI 不能传输到输出端，称传输门关闭。,当 C = VDD，uI = 0 VDD 时，VN、 VP 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。,uO = uI，称传输门开通。,CMOS 传输门结构,传输门是一个理想的双向开关， 可传输模拟信号，也可传输数字信号。,TG 即 Transmission Gate 的缩写,CMOS 传输门,双向模拟开关,图2.6.25 CMOS双向模拟开关的电路结构和符号,图2.6.28 CMOS三态门电路结构之一,返回,四

39、、三态输出的CMOS门电路,反相器上增加一对P沟道和N沟道的MOS管组成。,图2.6.29 CMOS三态门电路结构之二 （a）用或非门控制 （b）用与非门控制,返回,在反相器的基础上增加一个控制管和一个与非门或者或非门而形成。,图2.6.30 CMOS三态门电路结构之三,返回,在反相器的输出端串进一个CMOS模拟开关，作为输出状态的控制开关。,2.6.5、CMOS 数字集成电路应用要点,(一)CMOS 数字集成电路系列,提高速度措施：减小 MOS 管的极间电容。,由于CMOS电路 UTH VDD / 2，噪声容限UNL UNH VDD / 2，因此抗干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能力越强。

40、,民品,军品,VDD = 2 6 V,T 表示与 TTL 兼容 VDD = 4.5 5.5 V,1. 注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同， 一般多用 + 5 V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。,(二)CMOS 集成逻辑门使用要点,2. 闲置输入端的处理,不允许悬空。,可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容， 使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。,与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平； 或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。,主要要求：,了解 TTL 和 CMOS 电路的主要差异。,了解集成门电路的选用和应用。,3.5 集成逻辑门电路的应用,一、CMOS 门电

41、路比之 TTL 的主要特点,注意：CMOS 电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非 CMOS 电路的驱动能力比 TTL 强。实际上 CMOS4000 系列驱动能力远小于 TTL，HCMOS 驱动能力与 TTL 相近。,二、集成逻辑门电路的选用,根据电路工作要求和市场因素等综合决定,若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用 TTL 电路。目前多用 74LS 系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至 20 MHz；如工作频率较高，可选用 CT74ALS 系列，其工作频率一般可至 50 MHz。,若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用 CMOS 电路。其中 CMOS4000 系

42、列一般用于工作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS 常用于工作频率 20 MHz 以下、要求较强驱动能力的场合。,三、集成逻辑门电路应用举例,例 试改正下图电路的错误，使其正常工作。,VDD,可用两级电路 2 个与非门实现之,例 试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。,解：(1) 用与非门实现与门,设法将 Y = AB 用与非式表示,因此，用与非门实现的与门电路为,Y = AB,可用两级电路 3 个与非门实现,(2) 用与非门实现或门,因此，用与非门实现的或门电路为,Y = A + B,设法将 Y = A + B 用与非式表示,可用两级电路 3 个或非门实现之。,(3)

43、 用或非门实现与门,设法将 Y = AB 用或非式表示,因此，用或非门实现的与门电路为,将或非门多余输入端与有用端并联使用构成非门,可用两级电路 2 个或非门实现之,(4) 用或非门实现或门,设法将 Y = A + B 用或非式表示,因此，用或非门实现的或门电路为,Y = A + B,例 有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。,解：(1) 分析设计要求，建立真值表,感三种不同类型的火灾探测器,有烟感、温感和紫外光,产生报警信号,两种或三种探测器发出

44、探测信号时，报警系统才,与非门设计,报警电路的输入信号为烟感、温感和紫外光感三种探测器的输出信号，设用 A、B、C 表示，且规定有火灾探测信号时用 1 表示，否则用 0 表示。,报警电路的输出用 Y 表示，且规定需报警时Y 为 1 ，否则 Y 为 0。,由此可列出真值表如右图所示,(2) 根据真值表画函数卡诺图,1,1,1,1,(3) 用卡诺图化简法求出输出逻辑函数的最简与或表达式，再变换为与非表达式。,Y = AB,+ AC,+ BC,(4) 画逻辑图,根据 Y 的与非表达式画逻辑图,Y,门电路是组成数字电路的基本单元之一，最基 本的逻辑门电路有与门、或门和非门。实用中 通常采用集成门电路，

45、常用的有与非门、或非 门、与或非门、异或门、输出开路门、三态门 和 CMOS 传输门等。门电路的学习重点是常 用集成门的逻辑功能、外特性和应用方法。,本章小结,在数字电路中，三极管作为开关使用。 硅 NPN 管的截止条件为 UBE 0.5 V ，可靠截止条件为 UBE 0 V，这时 iB 0，iC 0，集电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件为 iB IB(sat) ，这时，硅管的 UBE(sat) 0.7 V，UCE(sat) 0.3 V，集电极和发射极之间相当于开关闭合。,三极管的开关时间限制了开关速度。开关时间主要由电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储

46、电荷的消散。,TTL 数字集成电路主要有 CT74 标准系列、 CT74L 低功耗系列、CT74H 高速系列、 CT74S 肖特基系列、CT74LS 低功耗肖特基 系列、CT74AS 先进肖特基系列和 CT74ALS 先进低功耗肖特基系列。其中，CT74L 系列 功耗最小，CT74AS 系列工作频率最高。,通常用功耗 - 延迟积来综合评价门电路性能。,CT74LS 系列功耗-延迟积很小、性能优越、 品种多、价格便宜，实用中多选用之。 ALSTTL 系列性能更优于 LSTTL， 但品种少、价格较高。,CMOS 数字集成电路主要有 CMOS4000 系列和HCMOS 系列。CMOS4000 系列工

47、作速度低，负载能力差，但功耗极低、抗干扰能力强，电源电压范围宽，因此，在工作频率不高的情况下应用很多。CC74HC 和 CC74HCT 两个系列的工作频率和负载能力都已达到 TTL 集成电路 CT74LS的水平，但功耗、抗干扰能力和对电源电压变化的适应性等比 CT74LS 更优越。因此，CMOS 电路在数字集成电路中，特别是大规模集成电路应用更广泛，已成为数字集成电路的发展方向。,应用集成门电路时，应注意：,TTL电路只能用5 V(74系列允许误差5%)；CMOS 4000 系列可用 3 15 V；HCMOS系列可用 2 6 V；CTMOS 系列用 4.5 5.5 V。一般情况下，CMOS 门

48、多用 5 V，以便与 TTL 电路兼容。,(1)电源电压的正确使用,(2)输出端的连接,开路门的输出端可并联使用实现线与，还可用来驱动需要一定功率的负载。,三态输出门的输出端也可并联，用来实现总线结构，但三态输出门必须分时使能。使用三态门时，需注意使能端的有效电平。,普通门(具有推拉式输出结构)的输出端不允许直接并联实现线与。,(3) 闲置输入端的处理,(4)信号的正确使用,TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平， CMOS 电路多余输入端不允许悬空。,CMOS电路多余输入端与有用输入端的并接仅适用于工作频率很低的场合。,数字电路中的信号有高电平和低电平两种取值，高电平和低电平为某规定范围的

49、电位值，而非一固定值。门电路种类不同，高电平和低电平的允许范围也不同。,或门和或非门,与门和与非门,多余输入端接地或与有用输入端并接,多余输入端接正电源或与有用输入端并接,UILUOFF UIHUON,UILUSL UIHUSH,通常,以保证有较大的噪声容限,噪声容限越大，则电路抗干扰能力越强。,UIL UOL 0 V UIH UOH VDD,UNL UNH VDD / 2 ，噪声容限很大， 因此电路抗干扰能力很强。,CMOS 传输门既可传输数字信号， 也可传输模拟信号。,当输入端外接电阻 RI 时,RI ROFF 相当于输入逻辑 0 RI RON 相当于输入逻辑 1,TTL 电 路,CMOS

50、 电路,CMOS 门电路由于输入电流为零， 因此不存在开门电阻和关门电阻。,概述,第 2 章逻辑门电路,二极管、三极管的开关特性,TTL 集成逻辑门,CMOS 集成逻辑门,集成逻辑门的应用,本章小结,最简单的与、或、非门电路,2.1 概 述,主要要求：,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。,TTL 即 Transistor-Transistor Logic,CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,一、门电路的作用和常用类型,按功能特点不同分,按逻辑功能不同分,按电路结构不同分,输入端和输出端都用三极管的逻辑门

51、电路。,用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。,二、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义,获得高、低电平的基本原理,高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。,高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？,由门电路种类等决定,主要要求：,理解二极管、三极管的开关特性。,掌握二极管、三极管开关工作的条件。,2.2二极管和三极管的开关特性,2.2.1 半导体二极管的开关特性,二极管开关电路,真值表,逻辑电平,三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？,当输入 uI 为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。,iB 0，iC 0，C、E 间相当于开关断开。,三极管关断的条件和

52、等效电路,负载线,饱 和 区,放大区,一、三极管的开关作用及其条件,截止区,三极管 截止状态 等效电路,uI=UIL,Uth为门限电压,2.2.2半导体三极管的开关特性,饱 和 区,放大区,一、三极管的开关作用及其条件,uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移， iC 增大，uCE 减小。,截止区,三极管 截止状态 等效电路,S 为放大和饱和的交界点，这时的 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示；相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； UBE(sat) 为饱和基极电压； UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， UBE(sat) 0.7V， UCE(sat) 0.3V

53、。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用。,uI 增大使 uBE Uth时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作于放大导通状态。,饱 和 区,放大区,一、三极管的开关作用及其条件,截止区,三极管 截止状态 等效电路,uI=UIH,三极管开通的条件和等效电路,当输入 uI 为高电平，使 iB IB(sat)时，三极管饱和。,uBE UCE(sat) 0.3 V 0， C、E 间相当于开关合上。,三极管 饱和状态 等效电路,iB 愈大于 IB(Sat) ， 则饱和愈深。,由于UCE(Sat) 0，因此饱和后 iC 基本上为恒值， iC IC(Sat) =,例下图电路中 = 50,UBE(on) = 0

54、.7 V,UIH = 3.6 V,UIL = 0.3 V,为使三极管开关工作,试选择 RB 值,并对应输入波形画出输出波形。,解：(1)根据开关工作条件确定 RB 取值,uI = UIL = 0.3 V 时,三极管满足截止条件,uI = UIH = 3.6 V 时,为使三极管饱和,应满足 iB IB(sat),所以求得 RB 29 k，可取标称值 27 k。,(2) 对应输入波形画出输出波形,可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。,三极管截止时， iC 0，uO +5 V,三极管饱和时， uO UCE(

55、sat) 0.3 V,上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为 ：,uI 从 UIL 正跳到 UIH 时，三极管将由截止转变为饱和， iC 从 0 逐渐增大到 IC(sat)，uC 从 VCC 逐渐减小为 UCE(sat)。,uI 从 UIH 负跳到时 UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。,二、三极管的动态开关特性,uI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称为三极管开通时间。,通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。,uI 负跳变到 iC 下降到 0.1I

56、C(sat) 所需的时间 toff 称为三极管关断时间。 通常 toff ton,二、三极管的动态开关特性,开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。,在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称 SBD) 。,抗饱和三极管的开关速度高, 没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V， 因此 UBC = 0.4 V 时，SBD 便导通，使 UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。,三、抗饱和三极管简介,图2.3.1 二极管与门,返回,真值表,逻辑电平,2.3.1 二极管与门,2.3 最简单的

57、与、或、非门电路,缺点：输出电平发生偏移,2.3.2 二极管或门,图2.3.2 二极管或门,返回,逻辑电平,真值表,缺点：输出电平发生偏移,2.3.3三极管非门,图2.3.3 三极管非门（反相器）,返回,真值表,R2 和VEE的作用：保证输入为低电平时三极管可靠截止；输入为高电平时，保证三极管工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零。,主要要求：,了解 TTL 与非门的组成和工作原理。,了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。,2.4TTL 集成逻辑门,掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。,了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。,2.4.1TTL 反相器的电路结构和工作原理,一

58、、电路结构,输入级主要由三极管 T1 、基极电阻 R1 和钳位二极管D1组成。 D1 为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，D1 不工作，当输入的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 -0.7 V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对 V1 还有保护作用。,中间级起倒相放大作用，T2 集电极 C2 和发射极 E2 同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动 T3和 T5。,输出级由 T3、D2、 R4和V5组成。其中 V3 ，与 V5 构成推拉式输出结构，提高了负载能力。,输入端为低电平时，输出高电平。,输入低电平端对应的发射结导通，uB1= 0.7 V + 0.3V = 1 V,这时 T2、T5 截止。 T2 截止使 T1 集电极等效电阻很大，使,V2 截止使 uC2 VCC = 5 V，则T4饱和、D2导通,因此，输入有低电平时，输出为高电平。,二、TTL 反相器的工作原理（设输入VIH=3.6V，VIL=0.3V）,IB1 I B1(sat) ，T1 深度饱和。,电流方向:流出输入端,因此，T1 发射结反偏而集电极正偏，称处于倒置放大状态。,输入为高电平时，输出低电平,VCC 经 R1 使 T1 集电结和 T2、T5 发射结导通，使uB1 = 2.1