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1、 第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路 引言引言 2.1 半导体管的开关特性半导体管的开关特性2.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路2.3 TTL集成逻辑门集成逻辑门电路电路2.4 集电极开路与非门集电极开路与非门2.5 三态门三态门 2.6 TTL门电路的改进门电路的改进2.7 CMOS逻辑逻辑门电路门电路2.8NMOS逻辑门逻辑门(简介简介)2.9集成门电路使用中的实际问题集成门电路使用中的实际问题 引言引言 数字集成电路按其内部有源器件的不同可以分为两大类。一类为双极型晶体管集成电路，它主要有晶体管晶体管逻辑(TTL-Transistor Transistor Logic)、射极耦合逻辑(EC

2、L-Emitter Coupled Logic)和集成注入逻辑(I2L-Integrated Injection Logic)等几种类型。另一类为MOS(Metal Oxide Semiconductor)集成电路，其有源器件采用金属氧化物半导体场效应管，它又可分为NMOS、PMOS和CMOS等几种类型。目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。TTL集成电路工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；MOS集成电路集成度高、功耗低。超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电

3、路的优势，缺点是制造工艺复杂。2.1 半导体管的开关特性半导体管的开关特性2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性1、开关作用 二极管导通 开关接通 一般:Vd=0.7V(硅)或0.3V(锗)。二极管截止 开关断开 Id=0 。2、开关特性现象 vivf tvRIIfIR结论结论二极管正向导通二极管正向导通反向截止反向截止有一个反向恢复过程有一个反向恢复过程（不希（不希望有）望有）ts 存储时间存储时间tt 渡越时间渡越时间原因：原因：电荷的存储效应电荷的存储效应(导通过程存储的电荷在截导通过程存储的电荷在截止时释放需要时间止时释放需要时间)ts tt 2.1.2 三极管的开关特性极管的开

4、关特性1、开关作用 三极管饱和三极管饱和 开关接通开关接通B C IBIBS Vce=0.3V(硅)或0.1(锗)。E Vbe=0.7V(硅)或0.3(锗)三极管截止三极管截止 开关断开开关断开B C IB=IE=IC=0 。E 2、开关时间现象开关时间定义td 延迟时间tr上升时间ts存储时间tf下降时间ton=td+tr 开通时间toff=ts+tf 关闭时间关注toff 2.1.3 MOS管的开关特性的开关特性开关作用 g d N沟道型:VgsVT 开关接通 s VgsVT 开关接通 s Vgs1 真值表逻辑式:L=A+BAB L 000010100111 2.2.3 三极管“非门”电路

5、1、电路及符号 +5V RcVi Rb T Vo（L）（A）逻辑符号 A L分析：当Vi=高电平，满足IBIBS=Vcc/Rc,T饱和导通 Vo=0.3V(低电平)当Vi=低电平，T截止 Vo=5V(高电平)1 续真值表逻辑式:L=AAL0110 2.3 TTL集成逻辑门集成逻辑门 2.3.1 TTL非门的电路组成及工作原理非门的电路组成及工作原理 图 2.3.1 典型TTL与非门电路 Vb1VC2 1.电路组成电路组成 输入级输入级晶体管晶体管T1和电阻和电阻Rb构成。构成。中间级中间级晶体管晶体管T2和电阻和电阻Rc2、Re2构成。构成。输出级输出级晶体管晶体管T3、T4、D和电阻和电阻R

6、c4构成，推构成，推 拉式结构，拉式结构，在正常工作时，在正常工作时，T4和和T3总是一总是一 个截止，另一个饱和。个截止，另一个饱和。2、工作原理、工作原理*当输入Vi=3.6V(高电平)Vb1=3.6+0.7=4.3V 足以使T1(bc结)T2(be结)T3(be结)同时导通,一但导通Vb1=0.7+0.7+0.7=2.1V(固定值),此时V1发射结必截止(倒置放大状态)。Vc2=Vces+Vbe2=0.2+0.7=0.9V 不足以T4和D同时导通,T4和D均截止。V0=0.2V(低电平)*当输入Vi=0.2V(低电平)Vb1=0.2+0.7=0.9V不 足以使T1(bc结)T2(be结)

7、T3(be结)同时导通,T2 T3均截止,同时Vcc-Rc2-T4-D-负载形成通路,T4和D均导通。V0=Vcc-VRc2(可略)-Vbe4-VD=5-0.7-0.7=3.6(高电平)结论结论:输入高输入高,输出低输出低;输入低输入低,输出高输出高(非逻辑非逻辑)思考问题?三极管反相器与TTL反相器各自特点?TTL优势：1、工作速度快2、带负载能力强3、传输特性好为什么？工作速度快，带负载能力强的工作速度快，带负载能力强的主要原因：主要原因：T1的作用的作用 当当输输入入端端全全为为高高电电位位时时，T1倒倒置置工工作作状状态态。T1向向T2提提供了较大的基极电流，使供了较大的基极电流，使T

8、2、T3迅速导通饱和；迅速导通饱和；当当某某一一输输入入端端突突然然从从高高电电位位变变到到低低电电位位时时，Ib1流流向向T1低低电电位位输输入入端端，该该瞬瞬间间产产生生很很大大的的Ic1，为为T2和和T3 提提供供了了很很大大的的反反向向基基极极电电流流，使使T2和和T3 基基区区的的存存储储电电荷荷迅迅速速消消散散，因而加快了因而加快了T2和和T3 的截止过程，提高了开关速度。的截止过程，提高了开关速度。采用了推拉式输出电路采用了推拉式输出电路 加速了加速了T3管存储电荷的消散过程。管存储电荷的消散过程。当当T2由由饱饱和和转转为为截截止止时时，D和和T4导导通通，此此时时瞬瞬间间电电

9、流流很很大，从而加速了大，从而加速了T3管脱离饱和的速度，使管脱离饱和的速度，使T3迅速截止。迅速截止。此此外外，由由于于采采用用推推拉拉式式输输出出级级，与与非非门门输输出出低低电电平平时时T3处处于于深深饱饱和和状状态态，输输出出电电阻阻很很低低；而而输输出出高高电电平平时时D、T4导导通通，其其输输出出电电阻阻也也很很低低，因因此此无无论论哪哪种种状状态态输输出出电电阻阻都都很低，都有很强的带负载能力。很低，都有很强的带负载能力。2.3.2 TTL反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性 电压传输特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线，即UO=f(uI)函数关系。如图2.3.2所示曲

10、线大致分为四段：AB段(截止区)：当UI0.6V时，T1工作在深饱和状态，Uces10.1V，Vbe20.7V，故T2、T3截止，D、T4均导通，输出高电平UOH=3.6V。图 2.3.2 TTL反相器的电压传输特性 BC段(线性区)：当0.6VUI1.3V时，0.7VVb21.4V，T2开始导通，T3尚未导通。此时T2处于放大状态，其集电极电压Vc2随着UI的增加而下降，使输出电压UO也下降。CD段(转折区)：1.3VUI1.4V，当UI略大于1.3V时，T2 T3均导通，T3进入饱和状态，输出电压UO迅速下降。DE段(饱和区)：当UI1.4V时，随着UI增加 T 1进入倒置工作状态，D截止

11、，T4截止，T2、T3饱和，因而输出低电平UOL=0.3V。2.3.3 TTL与非门图2.3.3-1 1、结构特点、结构特点输入级输入级-多发射极晶体管多发射极晶体管V1和电阻和电阻R构成输入级。构成输入级。其其 功能是对输功能是对输 入变量入变量A、B、C实现实现“与运算与运算”，如图如图2.3.3-2所示。所示。中间级中间级-晶体管晶体管V2和电阻和电阻R2、R3构成。实现构成。实现“非非”.输出级输出级-晶体管晶体管V3、V4、V5和电阻和电阻R4、R5构成，推拉构成，推拉 结构结构,V3、V4射极跟随器射极跟随器,在正常工作时，在正常工作时，V4和和 V5总是一个截止，另一个饱和。总是

12、一个截止，另一个饱和。图图 2.3.3-2多射极晶体管的结多射极晶体管的结构及其等效电路构及其等效电路 2.TTL与非门技术参数与非门技术参数 (1)输入和输出的高电平和低电平输入和输出的高电平和低电平 TTL反相器：输出高电平 VoH=3.6V，输出低电平 VoL=0.2V 输入高电平 ViH=1.2V，输入低电平 ViL=0.4V TTL与非门：输出高电平 VoH=2.4V，输出低电平 VoL=0.4V 输入高电平 ViH=2V，输入低电平 ViL=0.8V (2)阈值电压阈值电压UT 阈值电压也称门槛电压。电压传输特性上转折区中点所对应的输入电压UT1.3V，可以将UT看成与非门导通(输

13、出低电平)和截止(输出高电平)的分界线。(3)开门电平开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF。开 门 电 平 UON是 保 证 输 出 电 平 达 到 额 定 低 电 平(0.3V)时，所允许输入高电平的最低值，即只有当UIUON时，输出才为低电平。通常UON=1.4V，一般产品规定UON1.8V。关门电平UOFF是保证输出电平为额定高电平(2.7V左右)时，允许输入低电平的最大值，即只有当UIUOFF时，输出才是高电平。通常UOFF1V，一般产品要求UOFF0.8V。(4)噪声容限噪声容限UNL、UNH。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UI偏离规定值。为了保证电路

14、可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示 UNL=UiL-VoL TTL与非门：ViL=0.8V，VoL=0.4V，则UNL=0.4V 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH表示：UNH=UoH-ViHTTL与非门：ViH=2V，VOH=2.4V，则UNH=0.4V (5)扇入系数和扇出系数扇入系数和扇出系数*扇入系数NI 扇入系数是门电路的输入端数。一般NI5，最多不超过8。当需要的输入端数超过NI时，可以用与扩展

15、器来实现。*扇出系数NO 扇出系数NO是在保证门电路输出正确的逻辑电平和不出现过功耗的前提下，其输出端允许连接的同类门的输入端数。NO由由IOLmax/IIS和和IOHmax/IIH中的中的较小者决定。较小者决定。一般一般NO8，NO越大，表明门的负载能力越强越大，表明门的负载能力越强 (6)平均延迟时间平均延迟时间tpd衡量门电路速度的重要指标，表示输出信号滞后于输入信号的时间。通常将输出电压由高电平跳变为低电平的传输延迟时间称为导通延迟时间tPHL，将输出电压由低电平跳变为高电平的传输延迟时间称为截止延迟时间tPLH。tPHL和tPLH是以输入、输出波形对应边上等于最大幅度50%的两点时间

16、间隔来确定的，如图2.3-4所示。tpd为tPLH和tPHL的平均值：通常，TTL门的tpd在340ns之间。图 2.3-4 TTL与非门的平均延迟时间 (7)空载功耗。空载功耗。输出端不接负载时，门电路消耗的功率叫空载功耗。动态功耗是门电路的输出状态由UOH变为UOL(或相反)时，门电路消耗的功率。静态功耗是门电路的输出状态不变时，门电路消耗的功率。静态功耗又分为截止功耗和导通功耗。截止功耗POFF是门输出高电平时消耗的功率；导通功耗PON是门输出低电平时消耗的功率。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功耗。TTL门的功耗范围为122 mW。(8)功耗延迟积功耗延迟积M。门的平均延迟时间tpd和空载导通功耗PON的乘积叫功耗延迟积或功耗速度积，也叫品质因数，简称pd积。记作MM=PONtpd若PON的单位是mW，tpd的单位是ns，则M的单位是pJ(微微焦耳)。M是全面衡量一个门电路品质的重要指标。M越小，其品质越高。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 传输延迟时间tpd/ns 功耗PON/mW 产品名称