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第2章 门电路本讲稿第一页，共四十五页第第第第2 2章章章章 门电路门电路门电路门电路学习要点学习要点l掌掌握握各各种种TTL门门电电路路和和CMOS门门电电路路的的逻逻辑功能辑功能。l理理解解TTL门门电电路路的的主主要要参参数数及及TTL电电路路与与CMOS电路的主要差异电路的主要差异。l了了解解二二极极管管、双双极极型型晶晶体体管管和和MOS管管的的开开关关特性特性，l了了解解门门电电路路的的使使用用常常识识，集集电电极极开开路路门门、三态门三态门、传输门等电路及功能传输门等电路及功能。本讲稿第二页，共四十五页第第第第2 2章章章章 门电路门电路门电路门电路2.1 2.1 半导体元件的开关特性半导体元件的开关特性半导体元件的开关特性半导体元件的开关特性2.2 2.2 分立元件门电路分立元件门电路分立元件门电路分立元件门电路2.3 TTL2.3 TTL集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路2.4 CMOS2.4 CMOS集成门电路集成门电路集成门电路集成门电路2.5 2.5 集成门电路的使用集成门电路的使用集成门电路的使用集成门电路的使用退出退出退出退出本讲稿第三页，共四十五页2.1 2.1 半导体元半导体元半导体元半导体元件的开关特性件的开关特性件的开关特性件的开关特性本讲稿第四页，共四十五页获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。二极管符号：正极负极uD 本讲稿第五页，共四十五页uououi0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。Ui0.5V时，二极管导通。本讲稿第六页，共四十五页2.1.2 晶体管的开关特性晶体管的开关特性本讲稿第七页，共四十五页RbRc+VCCbce截止状态饱和状态iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V饱和区截止区放大区本讲稿第八页，共四十五页ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3V本讲稿第九页，共四十五页工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiUTuo02.1.3 场效应管的开关特性场效应管的开关特性本讲稿第十页，共四十五页2.2 2.2 分立元件分立元件分立元件分立元件门电路门电路门电路门电路本讲稿第十一页，共四十五页2.2.1 二极管与门二极管与门Y=AB本讲稿第十二页，共四十五页Y=A+B2.2.2 二极管或门二极管或门本讲稿第十三页，共四十五页uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。三极管临界饱和时的基极电流为：2.2.3 晶体管非门晶体管非门本讲稿第十四页，共四十五页当uA0V时，由于uGSuA0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。当uA10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY0V。本讲稿第十五页，共四十五页2.3 TTL2.3 TTL集成门集成门集成门集成门电路电路电路电路本讲稿第十六页，共四十五页2.3.1 TTL与非门与非门本讲稿第十七页，共四十五页输入信号不全为1：如uA=0.3V，uB=3.6V3.6V0.3V1V则uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4导通忽略iB3，输出端的电位为：输出Y为高电平。uY50.70.73.6V本讲稿第十八页，共四十五页3.6V3.6V输入信号全为1：如uA=uB=3.6V2.1V则uB1=2.1V，T2、T5导通，T3、T4截止输出端的电位为：uY=UCES0.3V输出Y为低电平。本讲稿第十九页，共四十五页功能表功能表真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式输入有低，输出为高；输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。输入全高，输出为低。本讲稿第二十页，共四十五页74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。本讲稿第二十一页，共四十五页A=0时，T2、T5截止，T3、T4导通，Y=1。A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。TTL非门2.3.2 其他功能的其他功能的TTL门电路门电路本讲稿第二十二页，共四十五页A、B中只要有一个为1，即高电平，如A1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y0。AB0时，iB1、iB1均分别流入T1、T1发射极，使T2、T2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y1。TTL或非门本讲稿第二十三页，共四十五页A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。TTL与或非门本讲稿第二十四页，共四十五页与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门本讲稿第二十五页，共四十五页问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。外接电阻R的取值范围为：OC门2.3.3 TTL集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门本讲稿第二十六页，共四十五页TSL门E0时，二极管D导通，T1基极和T2基极均被钳制在低电平，因而T2T5均截止，输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。E1时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号A的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般反相器相同，即：Y=A，A0时Y1，为高电平；A1时Y0，为低电平。本讲稿第二十七页，共四十五页TSL门的应用：作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。本讲稿第二十八页，共四十五页TTL系列集成电路74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。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。2.3.4 TTL集成电路的主要参数集成电路的主要参数本讲稿第二十九页，共四十五页TTL与非门主要参数（1）输出高电平UOH：TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平USH2.4V。（2）高电平输出电流IOH：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。（3）输出低电平UOL：TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL0.4V，标准低电平USL0.4V。（4）低电平输出电流IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。（5）扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般TTL门电路NO8，功率驱动门的NO可达25。（6）最大工作频率fmax：超过此频率电路就不能正常工作。本讲稿第三十页，共四十五页（7）输入开门电平UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般TTL门电路的UON1.8V。（8）输入关门电平UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般TTL门电路的UOFF0.8V。（9）高电平输入电流IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。（10）低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。（11）平均传输时间tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。（12）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。本讲稿第三十一页，共四十五页2.4 CMOS2.4 CMOS集集集集成门电路成门电路成门电路成门电路本讲稿第三十二页，共四十五页2.4.1 CMOS非门非门（1）uA0V时，TN截止，TP导通。输出电压uYVDD10V。（2）uA10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY0V。本讲稿第三十三页，共四十五页A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。2.4.2 其他功能的其他功能的CMOS门电路门电路CMOS与非门本讲稿第三十四页，共四十五页CMOS或非门只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。本讲稿第三十五页，共四十五页与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+BCMOS与或非门本讲稿第三十六页，共四十五页CMOS异或门本讲稿第三十七页，共四十五页2.4.3 CMOS漏极开路门、三态门和传输门漏极开路门、三态门和传输门CMOS OD门本讲稿第三十八页，共四十五页CMOS TSL门E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。本讲稿第三十九页，共四十五页CMOS 传输门C0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。C1、，即C端为高电平（VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。本讲稿第四十页，共四十五页（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。2.4.4 CMOS集成电路的特点集成电路的特点本讲稿第四十一页，共四十五页2.5 2.5 集成门电集成门电集成门电集成门电路的使用路的使用路的使用路的使用本讲稿第四十二页，共四十五页2.5.1 集成电路使用时的注意事项集成电路使用时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。本讲稿第四十三页，共四十五页2.5.2 TTL电路和电路和CMOS电路的连接电路的连接本讲稿第四十四页，共四十五页本讲稿第四十五页，共四十五页