数字电子技术基础第三章.ppt

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1、第三章第三章 门电路门电路3-1 概述3-2 半导体二极管门电路3-3 TTL门电路3-4CMOS门电路3-13-1 概述l门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门 门电路中以高门电路中以高门电路中以高门电路中以高/低电平表低电平表低电平表低电平表示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0l获得高、低电平的基本原理高高/低电平都允许有低电平都允许有一定的变化范围一定的变化范围正逻辑：正逻辑：高电平高电平表示表示1，低电平低电平表示表示0负逻辑：负逻辑：高电平高电平表示表示0，低电平低电平表示表示13.23.2半导体二极管门电路半导体二极管门电路半导体二极

2、管的结构和外特性（半导体二极管的结构和外特性（DiodeDiode）l二极管的结构：PN结+引线+封装构成PN二极管的开关特性：二极管的开关特性：高电平：高电平：VIH=VCC低电平：低电平：VIL=0 uVI=VIH D截止，VO=VOH=VCCuVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V二极管的开关等效电路：二极管的动态电流波形：3.2.2 二极管与门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7VABY000010100111规定规定3V以上为以上为10.7V以

3、下为以下为03.2.3 二极管或门设设VCC=5V加到加到A,B的的 VIH=3V VIL=0V二极管导通时二极管导通时 VDF=0.7VABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VABY000011101111规定规定2.3V以上为以上为10V以下为以下为0二极管构成的门电路的缺点u电平有偏移u带负载能力差u只用于IC内部电路一、一、双极型三极管的结构双极型三极管的结构3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性3.3 TTL门电路门电路管芯管芯+三个引出电极三个引出电极+外壳外壳基区薄低掺杂发射区高掺杂集电区低掺杂以NPN为例说明工作原理：u当VCC VB

4、Bube 结正偏,bc结反偏ue区发射大量的电子ub区薄，只有少量的空穴ubc反偏，大量电子形成IC二、三极管的输入特性和输出特性 三极管的输入特性曲线（NPNNPN）uVON：开启电压u硅管，0.5 0.7Vu锗管，0.2 0.3Vu近似认为:uVBE 0.7V以后，基本为水平直线l特性曲线分三个部分特性曲线分三个部分放大区：条件放大区：条件VCE 0.7V,iB 0,iC随随iB成正比变化，成正比变化，iC=iB。饱和区：条件饱和区：条件VCE 0,VCE 很低，很低，iC 随随iB增加增加变缓变缓，趋趋于于“饱饱和和”。截止区：条件截止区：条件VBE=0V,iB=0,iC=0,ce间间“

5、断开断开”。三极管开关电路如图所示三极管开关电路如图所示三、三、双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路图图3.3.1 晶体三极管开关电路晶体三极管开关电路三极管替代三极管替代开关开关3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性图图3.3.1 晶体三极管开关电路晶体三极管开关电路T当当vI=VIH，为高电平时，使得，为高电平时，使得iBIBS=VCC/RC，三极管处于，三极管处于饱和导通态，输出饱和导通态，输出vo VOL Vces0,为低电平；为低电平；3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性当当vI=VILVON为低电平时，三为低电平时，三极管处于截

6、止状态，输出极管处于截止状态，输出vo VOHVCC,为高电平为高电平其中：其中：硅管为硅管为0.3V,锗管为锗管为0.1V很小，为很小，为几十欧姆几十欧姆三极管开关状态下的等效电路如图所示三极管开关状态下的等效电路如图所示3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性四、双极型三极管的开关等效电路四、双极型三极管的开关等效电路 截止时，发射结反偏，截止时，发射结反偏，iC0，相当开关断开；，相当开关断开；饱和时，发射结正偏，饱和时，发射结正偏，vCEVCE（sat）0，相当开关闭合。，相当开关闭合。截止截止饱和饱和阻值很小，忽略阻值很小，忽略(c)饱和时的等效电路饱和时的等效电路五

7、、双极型三极管的动态开关特性五、双极型三极管的动态开关特性3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性即在开关电路中，输出电压的变化滞后于输入电压的变化即在开关电路中，输出电压的变化滞后于输入电压的变化图图3.3.7六六、三极管反相器、三极管反相器3.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性三极管反相器就是三极管的开关电路三极管反相器就是三极管的开关电路只要参数选择合理，即当只要参数选择合理，即当vI=VIL时，时，T截止，输出截止，输出vO=VOH为高电平；当为高电平；当vI=VIH时，时，T饱和导通，输出饱和导通，输出vO=VOL为低电平，则为低电平，则YA 一、电

8、路结构一、电路结构3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理T1、R1和和D1:输入级输入级T2、R2和和R3:倒相级倒相级T4、T5、R4、D2:推推拉式输出级拉式输出级设：设：VCC5V，VIH3.4VPN结的导通压降为结的导通压降为 VON0.7V当当vIVIL0.2V时时3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理T1导通导通T2截止截止T4导通导通T5截止截止D2导通导通输出为高电平输出为高电平0.9V3.4V0.2VvoVOHVCC IC2R22VON 3.4V当当vIVIH3.4V时时3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原

9、理反相器的电路结构和工作原理T1截止截止T2导通导通T4截止截止T5导通导通D2截止截止voVOLVCE（sat）0.2V输出为低电平输出为低电平2.1V0.2V3.4V则输出和输入的逻辑则输出和输入的逻辑关系为关系为二、电压传输特性二、电压传输特性3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理TTL反相器输出电压随输入电压变化的曲线反相器输出电压随输入电压变化的曲线a.AB段：段：图图3.3.10 TTL反相器的电反相器的电 压传输特性压传输特性3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理b.BC段：段：图图3.3.10 TTL反相器的电反相

10、器的电 压传输特性压传输特性3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理c.CD段：段：图图3.3.10 TTL反相器的电反相器的电 压传输特性压传输特性3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理d.DE段：段：图图3.3.10 TTL反相器的电反相器的电 压传输特性压传输特性3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理三、输入噪声容限三、输入噪声容限3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理当输入电压当输入电压vI偏离正常低偏离正常低电平（电平（0.2V）升高，或偏）升高，或偏离正常高

11、电平（离正常高电平（3.4V）降）降低，在一定范围内，输低，在一定范围内，输出高低电平并不立刻改出高低电平并不立刻改变变3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理74系列典型值为：系列典型值为：VNH=0.4V,VNL=0.4V,3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性输入电流随输入电压的变化关系，称为输入特性，输入电流随输入电压的变化关系，称为输入特性，一、输入特性一、输入特性VCCR1k4T1D1be2be5IvIi图图3.5.12 TTL反相器输入端反相器输入端的等效电路的等效电路a.当输入为低电平时，即当输入为低电平时，

12、即vI0.2V，若，若VCC5V，则，则TTL反相器的输入电流为反相器的输入电流为3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性当当vI0时时此电流此电流IIS称为输入短路电流，在称为输入短路电流，在TTL门电路手册中给出，门电路手册中给出，由于和输入电流值相近，故分析和计算时代替由于和输入电流值相近，故分析和计算时代替IIL。b.当输入为高电平时，即当输入为高电平时，即vI3.4V，T1发射结截止，处发射结截止，处于倒置状态，只有很小的反向饱和电流于倒置状态，只有很小的反向饱和电流IIH3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出

13、特性IISD1导通导通输入低电平输入低电平输入高电平输入高电平VCCR1k4T1D1be2be5IvIi.二、输出特性二、输出特性3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性输出电压与输出电流的关系，称为输出特性，分为高电输出电压与输出电流的关系，称为输出特性，分为高电平输出特性和低电平输出特性。平输出特性和低电平输出特性。1.高电平输出特性高电平输出特性 当输出为当输出为vOVOH时，时，T4、D2导通，导通，T5截止截止3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性1.高电平输出特性高电平输出特性图图3.3.14 输出高电平

14、等效电路输出高电平等效电路实际方向实际方向3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性图图3.3.14 输出高电平等效电路输出高电平等效电路实际方向实际方向2.低电平输出特性低电平输出特性3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性 当输出为当输出为vOVOL时，时，T4、D2截止，截止，T5导通导通图图3.3.16输出低电平等效电路输出低电平等效电路2.低电平输出特性低电平输出特性3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性 当输出为当输出为vOVOL时，时，T4、D2截止，截止，T5导通导

15、通图图3.3.16输出低电平等效电路输出低电平等效电路3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性图图3.3.16输出低电平等效电路输出低电平等效电路3.扇出系数（扇出系数（Fan-out）的计算）的计算3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性 扇出系数就扇出系数就是一个门电是一个门电路驱动同类型门电路的个数。路驱动同类型门电路的个数。也就是表示门电路的带负载也就是表示门电路的带负载能力。能力。图图3.3.18 扇出系数的计算扇出系数的计算IOLIIL当输出为高电平时，当输出为高电平时，设可带设可带N2个非门，则有个非门，

16、则有图图3.3.18 扇出系数的计算扇出系数的计算IOHIIH3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性则取则取Nmin N1，N2例：已知例：已知74系列的反相器系列的反相器VOH3.2V,VOL0.2V，IOL（max）16mA，IOH（max）4mA，IIL1mA，IIH40A，计算门，计算门G1可带同类门的个数可带同类门的个数图图3.3.18 扇出系数的计算扇出系数的计算解：当解：当G1输出为低电平时，有输出为低电平时，有3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性当当G1输出为高电平时，有输出为高电平时，有3.3.

17、3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性图图3.3.18 扇出系数的计算扇出系数的计算故取故取N10，即门，即门G1可带同类门可带同类门的个数为的个数为10个个四、四、输入端的负载特性输入端的负载特性3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性VCCR1k4T1be2be5IvIiRP 一般对于一般对于TTL门电门电路，若输入端通过电阻路，若输入端通过电阻接地，一般当接地，一般当RP0.7K时，构成低电平输入方时，构成低电平输入方式式；当当RP1.5K时，构时，构成高电平输入方式。成高电平输入方式。3.3.3 TTL反相器的静态输

18、入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性输入端悬空时，用万输入端悬空时，用万用表测量其电压，读用表测量其电压，读书为多少，此时应视书为多少，此时应视为高电平还是低电平为高电平还是低电平？3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性例例3.3.3 电路如图所示，试写出各个电路输出端的表达电路如图所示，试写出各个电路输出端的表达式。式。解：解：3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性例：计算例：计算RP的取值范围。的取值范围。已知已知G1、G2

19、均为均为74系的系的TTL反相器，反相器，VCC5V，VOH3.4V,VOL0.2V,VIH（min）2.0V，VIL（max）0.8V，IIH40A解：解：vo1=VOH时，若使时，若使vI2 VIH（min），则，则3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性故取故取RP0.69k练习：电路如图所示，试写出各输出端的逻辑式练习：电路如图所示，试写出各输出端的逻辑式3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性反相器的静态输入特性和输出特性3.3.4 TTL反相器的动态特性反相器

20、的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间图图3.3.26 TTL反相器的动态波形反相器的动态波形原因：结电容原因：结电容和寄生电容的和寄生电容的存在。存在。TTL门的平门的平均传输延时均传输延时为为3 40ns二、交流噪声二、交流噪声3.3.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性交流噪声容限远大于直流噪声容限。交流噪声容限远大于直流噪声容限。（a）正正脉冲噪声容限脉冲噪声容限图图3.3.27 正正脉冲噪声容限脉冲噪声容限 将输出为高电将输出为高电平由额定值降到平由额定值降到2.0V时输入正脉冲时输入正脉冲的幅度称为正脉冲的幅度称为正脉冲噪声容限噪声容限（b）负脉冲噪声容限）负脉冲噪声容限

21、3.5.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性图图3.5.28 负脉冲噪声容限负脉冲噪声容限 将输出为低电将输出为低电平由额定值上升到平由额定值上升到0.8V时输入负脉冲时输入负脉冲的幅度称为负脉冲的幅度称为负脉冲噪声容限噪声容限三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流3.3.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性三、电源的动态尖峰电流三、电源的动态尖峰电流3.3.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性1.两种状态下电源负载电流不等（空载情况下两种状态下电源负载电流不等（空载情况下)2、动态尖峰电流、动态尖峰电流3.3.4 TTL反相器的动态特性反相器的动态特性3.3.5 其他

22、类型的其他类型的TTL门电路门电路一、其他逻辑功能的门电路一、其他逻辑功能的门电路1.与非门与非门输入级输入级倒相级倒相级输出级输出级输入级输入级倒相级倒相级输出级输出级3.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路1.由于与非门电由于与非门电路结构和电路参路结构和电路参数与反相器相同，数与反相器相同，故反相器的输出故反相器的输出特性也适用于与特性也适用于与非门；非门；3.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路2.两个输入端并联使用时，计算与非门每个输入端的输两个输入端并联使用时，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分别对待。入电流时，应根据输入端的不同工作

23、状态分别对待。u 若输入端接低电平若输入端接低电平时，输入电流的计算和时，输入电流的计算和反相器相同反相器相同，即，即u 若输入端接高电平，若输入端接高电平，T1的两个发射结反偏，故输的两个发射结反偏，故输入电流为单个输入端高电平输入电流的入电流为单个输入端高电平输入电流的2倍。倍。IIII例：已知电路例：已知电路TTL与非门的参数为与非门的参数为IOH0.5mA，IOL8mA，IIL0.4mA，IIH40A，问可以驱动多少个同类逻辑门？，问可以驱动多少个同类逻辑门？解：设输出为高电平时，可以解：设输出为高电平时，可以带带N1个同类逻辑门，则个同类逻辑门，则 2N1IIHIOH设输出为低电平时

24、，可以带设输出为低电平时，可以带N2个逻辑门，则个逻辑门，则N2IILIOL故取故取N123.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路2.或非门或非门3.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路3.与或非门与或非门3.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 与或门相比，输入管与或门相比，输入管T1和和T 1都是多发射极都是多发射极的三极管，构成与门电的三极管，构成与门电路，其输出为路，其输出为4.异或门异或门注：与门和或门注：与门和或门是在与非门和或是在与非门和或非门的基础上加非门的基础上加了一级反相器构了一级反相器构成。成。3.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电

25、路AB（AB）1.推拉式输出电路结构的局限性推拉式输出电路结构的局限性：3.6 OC门（门（Open Collector Gate）将推拉式将推拉式TTL与非门的与非门的输出端并联，输出端并联，则当某一门的则当某一门的输出端为低电平，如输出端为低电平，如Y2=0,则当则当Y1=1时，会有时，会有G1门的电门的电流通过流通过G2门的门的T5管，这个电管，这个电流远远超过正常工作电路，流远远超过正常工作电路，有可能使有可能使T5管损坏。管损坏。输出电平不可调输出电平不可调 负载能力不强，尤其是高电平输出负载能力不强，尤其是高电平输出 输出端不能并联使用输出端不能并联使用 为了使为了使TTL与非门能

26、实现线与与非门能实现线与功能，把输出级的去掉功能，把输出级的去掉T3、T4管，管，使使T5管的集电极开路，就构成集电管的集电极开路，就构成集电极开路门，即极开路门，即OC门。门。1.推拉式输出电路结构的局限性推拉式输出电路结构的局限性图图3.3.353.6 OC门（门（Open Collector Gate）2.OC门的结构特点门的结构特点图图3.3.363.6 OC门（门（Open Collector Gate）3.6 OC门（门（Open Collector Gate）若利用若利用OC门实现线门实现线与功能，则将几个与功能，则将几个OC门门的输出并联起来用一个的输出并联起来用一个上拉电阻即

27、可上拉电阻即可.图图3.3.383.线与的实现线与的实现3.6 OC门（门（Open Collector Gate）图图3.5.393.6 OC门（门（Open Collector Gate）图图3.5.40 输出为高电平的情况输出为高电平的情况VOHIOHIIH其中其中n驱动管的个数驱动管的个数 m负载管输入端的个数负载管输入端的个数3.6 OC门（门（Open Collector Gate）4 4、外接负载电阻、外接负载电阻RLRL的计算的计算u驱动管输出为高电平驱动管输出为高电平u 驱动管输出为低电平驱动管输出为低电平图图3.5.41 输出为高电平的情况输出为高电平的情况VOLIOLII

28、L其中：其中：m 负载管短路电负载管短路电流的个数；流的个数；IOLOC门门T5管管导通时的电流；导通时的电流；IIL负载负载门每个输入端的短路输入电门每个输入端的短路输入电流流3.6 OC门（门（Open Collector Gate）4 4、外接负载电阻、外接负载电阻RLRL的计算的计算4.OC门的应用门的应用u实现与或非逻辑线与实现与或非逻辑线与图图3.5.38u电平转换电平转换 由于由于OC门的高电平可门的高电平可以通过外加电源改变，故以通过外加电源改变，故它可作为电平转换电路。它可作为电平转换电路。3.6 OC门（门（Open Collector Gate）例例:选定合适的选定合适的

29、RL阻值。已知阻值。已知G1、G2为为OC门，输出管门，输出管IOH200A，IOLmax16mA。G3、G4和和G5均为均为74系列系列与非门，它们的与非门，它们的IIL1mA，IIH40A。，要求。，要求OC门门的高电平的高电平VOH3.0V，低电平，低电平VOL0.4V.解：当输出为高电平时解：当输出为高电平时当输出为高电平时当输出为高电平时例例2:输出输出VOH3.6V，VOL0.3V。电压表满量程为。电压表满量程为50V，内阻为，内阻为20K/V，输入信号，输入信号A、B、C的取值（如的取值（如表一表一)，求开关，求开关S断开和闭合时断开和闭合时V1和和V2的值。的值。则当则当S断开

30、时，相当此端加高电平，断开时，相当此端加高电平，T2、T5导通，将导通，将T1的基极电位钳位在的基极电位钳位在2.1V，故，故V12.1-0.7=1.4V；当；当S闭合闭合时，若此端输入为低电平，则相应的时，若此端输入为低电平，则相应的be结导通，将结导通，将T1的的基极电位钳位在基极电位钳位在0.3+0.7=1V，故，故V11-0.7=0.3V；此端；此端输入为高电平则与输入为高电平则与S断开相同断开相同解：对于门解：对于门G2的输入端可以用图所示电路来等效的输入端可以用图所示电路来等效故故对应的输入输出如表二对应的输入输出如表二3.7三态三态TTL与非门（与非门（TSLThree Stat

31、e Logic Gate）三态门特点是除了输出高、低电平两个状态外，还有第三态门特点是除了输出高、低电平两个状态外，还有第三种状态，即高阻状态。三种状态，即高阻状态。输入级多了一个使输入级多了一个使能端能端EN 和一个二和一个二极管极管D。图图3.5.461.电路结构电路结构图图3.5.47图图3.5.462.工作原理工作原理（1）当）当EN 0时，时，P1，D截止，与非门为截止，与非门为正常工作状态，即正常工作状态，即（2）当）当EN 1时，时，P0，D导通，导通，T4截止；截止；而而P0使得使得T1导通，导通，T2、T5截止，与非门为高阻截止，与非门为高阻态，即态，即YZ3.7三态三态TT

32、L与非门与非门控制端为高电平有效的三态门控制端为高电平有效的三态门（1）当）当EN1时，时，P1，D截止，与非截止，与非门为正常工作状态，门为正常工作状态，即即Y（AB）（2）当）当EN0时，时，P0，D导通，导通，T4截止；而截止；而P0使使得得T1导通，导通，T2、T5截止，与非门为高阻态，即截止，与非门为高阻态，即YZ3.7三态三态TTL与非门与非门3.三态门的用途三态门的用途图图3.5.51 总线结构总线结构图图3.5.50 数据的双向传输数据的双向传输 TTL三态门除了电平转三态门除了电平转换，也可以构成数据的双向换，也可以构成数据的双向传输和总线结构传输和总线结构3.7三态三态TT

33、L与非门与非门 电路如图所示，试用表格方式列出各门电路的名称、电路如图所示，试用表格方式列出各门电路的名称、输出逻辑式及当输出逻辑式及当ABCD1001时各输出逻辑函数的取时各输出逻辑函数的取值。值。练习：练习：3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理 TTL逻辑器件分成逻辑器件分成54系列和系列和74系列两大类系列两大类,54系列和系列和74系列系列按工作速度和功耗可分成下面按工作速度和功耗可分成下面4个系列：个系列：(a)标准通用系列：标准通用系列：国产型号为国产型号为CT54/74系列，与国际上系列，与国际上SN54/74系列系列相当相当.国产型号为国产型号

34、为CT54H/74H系列，与国际上系列，与国际上SN54H/74H系列相当系列相当(b)高速系列：高速系列：(c)肖特基系列：肖特基系列：国产型号为国产型号为CT54S/74S系列，与国际上系列，与国际上SN54S/74S系系列相当列相当(d)低功耗肖特基系列：低功耗肖特基系列：国产型号为国产型号为CT54LS/74LS系列，与国际上系列，与国际上SN54LS/74LS系列相当系列相当3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理3.8TTL电路的改进系列电路的改进系列门电路的综合性能指标门电路的综合性能指标dp积：积：将传输延迟时间将传输延迟时间tpd和功耗和功耗P的

35、乘积称为的乘积称为dp积，即积，即对于门电路，对于门电路，dp值越小越好，说明门电路速度快，功值越小越好，说明门电路速度快，功耗低。耗低。图图3.5.52一、高速系列一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）a.是输出级采用达是输出级采用达林顿结构（林顿结构（减小输减小输出电阻出电阻Ro）l所有的电阻阻值降低了将近一倍所有的电阻阻值降低了将近一倍电路如图所示电路如图所示标准标准74系列系列3.8TTL电路的改进系列电路的改进系列二、肖特基系列二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）图图3.5.54 a.在在74S系列的门电系列的门电路中采用抗饱和三极路中采用抗

36、饱和三极管（或称为肖特基三管（或称为肖特基三极管）。是由普通的极管）。是由普通的双极型三极管和势垒双极型三极管和势垒二极管（二极管（SBDSchottky Barrier Diode)组合而成。组合而成。1.电路结构的改进电路结构的改进3.8TTL电路的改进系列电路的改进系列b.用有源泄放电路用有源泄放电路缩缩短了电路的传输延迟时短了电路的传输延迟时间；间；图图3.5.54图图3.5.55c.减小电阻值减小电阻值，功耗，功耗增加；由于增加；由于T5为浅饱为浅饱和，故低电平升高。和，故低电平升高。3.8TTL3.8TTL电路的改进系列电路的改进系列三、低功耗肖特基系列三、低功耗肖特基系列74LS

37、/54LS（Low-Power Schottky TTL）3.8 TTL电路的改进系列电路的改进系列1.电路结构的改进：电路结构的改进：a.仍然采用抗饱和三极管和有源泄放电路；仍然采用抗饱和三极管和有源泄放电路；b.用肖特基二极管用肖特基二极管SBD代替多发射极三极管；代替多发射极三极管；c.增加了增加了D3和和D4两个两个SBD管子管子,加快管子的开关速度。加快管子的开关速度。d.大幅度提高电路中各个电阻的阻值，另将大幅度提高电路中各个电阻的阻值，另将R5接地改接地改为接到输出端。为接到输出端。2.74LS系列的优点系列的优点传输延迟时间短传输延迟时间短,功耗降低功耗降低3.8 TTL电路的

38、改进系列电路的改进系列1.74AS系列（系列（Advanced Schottky TTL）：）：2.74ALS系列系列（Advanced Low-Power Schottky TTL）为了降低延迟功率积（为了降低延迟功率积（dp积），采用较高阻值积），采用较高阻值电阻，缩小器件的尺寸，在电路也做了局部的改进。电阻，缩小器件的尺寸，在电路也做了局部的改进。其其dp积是积是74系列门电路中最小的一种。系列门电路中最小的一种。电路和电路和74LS系列相似，但采用低阻值电阻，故传系列相似，但采用低阻值电阻，故传输延迟时间较短，工作速度提高。但功耗要输延迟时间较短，工作速度提高。但功耗要74LS系列系列

39、的大些。的大些。四四、74AS和和74ALS系列系列注：在不同系列的注：在不同系列的TTL器件中，只要器件型号的后几位器件中，只要器件型号的后几位数码相同，则其逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完数码相同，则其逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。全相同。3.9 CMOS门电路门电路 CMOS逻辑门电路是在逻辑门电路是在TTL器件之后，出现的应器件之后，出现的应用比较广泛的数字逻辑器件，在功耗、抗干扰、带负用比较广泛的数字逻辑器件，在功耗、抗干扰、带负载能力上优于载能力上优于TTl逻辑门，所以超大规模器件几乎都采逻辑门，所以超大规模器件几乎都采用用CMOS门电路，如存储器门电路，如存储器ROM、

40、可编程逻辑器件、可编程逻辑器件PLD等等 国产的国产的CMOS器件有器件有CC4000(国际国际CD4000/MC4000)、高速高速54HC/74HC系列（国际系列（国际MC54HC/74HC),此外还有此外还有兼容型的兼容型的74HCT和和74BCT系列（系列（BiCMOS）一、一、MOS管的类型和符号管的类型和符号a.增强型增强型NMOS3.9.1 MOS管管(绝缘栅）的开关特性绝缘栅）的开关特性b.增强型增强型PMOS3.9.1 MOS3.9.1 MOS管管管管(绝缘栅）的开关特性绝缘栅）的开关特性绝缘栅）的开关特性绝缘栅）的开关特性图图3.3.2 NMOS管共源极接法电路及其输出特性

41、管共源极接法电路及其输出特性(a)(b)3.9.1 MOS3.9.1 MOS管管管管(绝缘栅）的开关特性绝缘栅）的开关特性绝缘栅）的开关特性绝缘栅）的开关特性开启电压开启电压当当当当v vGSGS 10 109 9VGS VGS(th)时时,管子导通，管子导通，iD V 2GS，RON V VGSGS(th)(th)，管子截止，管子截止，管子截止，管子截止，i iD D=0=0VGS|VGS（th)P|+VGS(th)N，2.工作原理工作原理l当当vIVIL0为低电平时为低电平时3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理l当当vIVIHVDD为高电平时为高电平时u

42、特点特点 1.无论无论 vI 是高电平还是低电平，是高电平还是低电平，T1和和T2管总是管总是一个导通一个截止的工作状态，称为互补，这一个导通一个截止的工作状态，称为互补，这种电路结构种电路结构CMOS电路电路；2.由于无论输入为低电平还是高电平，由于无论输入为低电平还是高电平，T1和和T2总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过T1和和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。的静态电流很小，故其静态功耗很小。3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理uAB段：输入低电平段：输入低电平uCD段：输入高电平段：输入高电平图图3.

43、3.11 CMOS反相器的电反相器的电压传输特性压传输特性二、电压传输特性和电流传输特性二、电压传输特性和电流传输特性1.电压传输特性电压传输特性3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理uBC段：段：图图3.3.11 CMOS反相器的电反相器的电压传输特性压传输特性T1、T2同时导通，若同时导通，若T1、T2参数完全相同，则参数完全相同，则2.电流传输特性电流传输特性图图3.3.12 CMOS反相器的电反相器的电流传输特性流传输特性uAB段：输入低电平段：输入低电平输出漏极电流近似为零输出漏极电流近似为零 电流传输特性是反相电流传输特性是反相器的漏极电流随输入电

44、压器的漏极电流随输入电压变化曲线。变化曲线。uCD段：输入高电平段：输入高电平3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理uBC段：段：图图3.3.12 CMOS反相器的电反相器的电流传输特性流传输特性T1、T2同时导通，有电同时导通，有电流流iD同时通过，且在同时通过，且在 vIVDD/2附近处，漏极附近处，漏极电流最大。电流最大。3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理3.9.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理图图3.3.14 VDD对电压传输特性对电压传输特性的影响的影响结论：可以通过提高结论：可以

45、通过提高VDD来提高噪声容限来提高噪声容限三、输入端噪声容限三、输入端噪声容限图图3.3.13 CMOS反相器输反相器输入噪声容限示意图入噪声容限示意图3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性一、输入特性一、输入特性 输入特性是从输入特性是从CMOS反相器输入端看其输入电压反相器输入端看其输入电压与电流的关系。与电流的关系。由于由于MOS管的栅极和衬底之间管的栅极和衬底之间存在存在SiO2为介质的输为介质的输入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对由由MOS管所组成的管所组成的CMOS电路，必须采取保护措

46、施。电路，必须采取保护措施。0vI VDD，输入端保护电路不起作用。当，输入端保护电路不起作用。当vI VDD+VF时，时，D1导通，将栅极电位导通，将栅极电位vG钳位在钳位在VDD+VF，而当，而当vI -VF时，时，D2导通，将栅极电位导通，将栅极电位vG钳位在钳位在VF图图3.3.15 CMOS反相器的两种常用保护电路反相器的两种常用保护电路3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性图图3.3.16 CMOS反相器的输入特性反相器的输入特性D1、D2截止截止D1或或D2导通导通D1或

47、或D2导通导通二、输出特性二、输出特性1.低电平输出特性低电平输出特性 在输入为高电平，即在输入为高电平，即 vIVIHVDD时，此时时，此时T1截止，截止，T2导通，电流从负载注入导通，电流从负载注入T2，输出电压输出电压VOL随电流增加而提随电流增加而提高。高。图图3.3.17 输出为低电平时的电路输出为低电平时的电路3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性实际上是实际上是T2管漏极电流管漏极电流iD和漏源电压和漏源电压vDS之间的关系之间的关系3.9.3 CMOS 反相器的静态输入

48、和输出特性反相器的静态输入和输出特性2.高电平输出特性高电平输出特性图图3.3.18 输出为高电平时的电路输出为高电平时的电路电流的实际方向与所电流的实际方向与所设方向相反设方向相反 在输入为低电平，即在输入为低电平，即 vIVIL0时，此时时，此时T1导通，导通，T2截止，电流从截止，电流从T1管流出到负载，输出电压管流出到负载，输出电压VOHVDDIOHRON1随电流增加而下降。随电流增加而下降。3.9.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性反相器的静态输入和输出特性图图3.3.19 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性高电平输出特性也和管高电平输出特性也和管子的输出特性有关

49、，而子的输出特性有关，而且且vGS越负，电压下降越负，电压下降的越少的越少3.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性一、传输延迟时间一、传输延迟时间tPHL和和tPLHCMOS电路电路tPHL tPLH二、交流噪声容限二、交流噪声容限3.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性图图3.3.20 交流噪声容限在不同交流噪声容限在不同VDD时交流时交流噪声容限与噪声电压作用时间的关系噪声容限与噪声电压作用时间的关系它反映它反映CMOS反相器反相器的动态抗干扰能力。的动态抗干扰能力。其中其中tw 是脉冲宽度。是脉冲宽度。VNA=f（tw）三、动态功耗三、动态功耗3.9.4 CMOS

50、反相器的动态特性反相器的动态特性电容充放电的功耗为电容充放电的功耗为两个管子同时导通时的功耗两个管子同时导通时的功耗PT为为3.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性总的动态功耗为总的动态功耗为3.9.4 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性CMOS反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即3.9.5 其他类型的其他类型的CMOS逻辑门逻辑门1.CMOS与非门与非门 T1、T3为两个串联为两个串联的的PMOS，T2、T4为为两个并联的两个并联的NMOS图图3.3.21 CMOS与非门与非门一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的CMOS门电路门电