数字电路与逻辑设计-第二章.ppt

电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院第二章第二章 逻辑门电路逻辑门电路2.1 数字集成电路的特点和分类数字集成电路的特点和分类 2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门 2.4 三极管反相器三极管反相器2.5 TTL集成逻辑门集成逻辑门 2.6 ECL逻辑门逻辑门路路2.7 CMOS反相器反相器2.8 不同工艺逻辑门之间的互联不同工艺逻辑门之间的互联2.2 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院逻辑门电路逻辑门电路 门电路门电路：用以：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路元电路通称通称门电路门电路。门电路门电路是构成数字电路的基本器件，可以由分立元是构成数字电路的基本器件，可以由分立元件构成，但实际中常用的是集成逻辑门。件构成，但实际中常用的是集成逻辑门。理解逻辑门的理解逻辑门的基本结构基本结构、工作原理工作原理；掌握基本逻辑门的掌握基本逻辑门的外部特性外部特性。本本章章重重点点重点重点 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院半导体集成电路半导体集成电路半导体集成电路半导体集成电路是采用是采用外延生长外延生长、光刻光刻、氧化物生氧化物生长长、离子注入离子注入等技术，将等技术，将晶体管晶体管、电阻电阻、电容电容等元等元件和件和内部电路连线内部电路连线一起做在一块半导体基片上所构一起做在一块半导体基片上所构成的成的电路单元电路单元。它又称为。它又称为集成电路组件集成电路组件。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类双极型集成电路双极型集成电路MOS集成电路集成电路按有源器件类型分按有源器件类型分PMOSNMOSCMOSTTL、ECLI2L、HTL两类集成电路相比较：两类集成电路相比较：双极型集成电路工作速度高，驱动双极型集成电路工作速度高，驱动能力强，但功耗大，能力强，但功耗大，集成度集成度低。低。MOS集成电路集成度高，功耗相对较低。缺点是工作速集成电路集成度高，功耗相对较低。缺点是工作速度略低。目前度略低。目前CMOS器件是主要的数字集成电路工艺。器件是主要的数字集成电路工艺。单位面积上晶体管数。单位面积上晶体管数。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类按集成按集成度分度分SSI（10-100个晶体管，个晶体管，10-20个等效门）个等效门）MSI（100-1000个晶体管，个晶体管，20-100个等效门）个等效门）LSI（103-105个晶体管，个晶体管，100-1000个等效门）个等效门）VLSI（105个晶体管，个晶体管，10104 4个以上等效门）个以上等效门）常用常用SSI、MSI：门、触发器、译码器、多路选择器、加：门、触发器、译码器、多路选择器、加法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器。法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器。常见常见LSI、VLSI：只读存储器、随机存取寄存器、可：只读存储器、随机存取寄存器、可编程逻辑器件、大规模移位寄存器、微处理器、单片编程逻辑器件、大规模移位寄存器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器。和专用数字信号处理器。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院 2.1 数字集成电路特点和分类数字集成电路特点和分类按设计方法分按设计方法分通用芯片通用芯片可编程逻辑器件可编程逻辑器件半定制集成电路半定制集成电路全定制集成电路全定制集成电路逻辑门电路是构成数字器件的基本单元。逻辑门电路是构成数字器件的基本单元。功能固定，所实现的系功能固定，所实现的系统体积和功耗都较大。统体积和功耗都较大。通过对器件内部的连通过对器件内部的连线编程来实现预期的线编程来实现预期的逻辑功能。使用灵活，逻辑功能。使用灵活，减少了系统的芯片数减少了系统的芯片数和功耗。和功耗。门阵列、标准单元等构成的集成门阵列、标准单元等构成的集成电路，内部连线向厂家定做，适电路，内部连线向厂家定做，适用于器件需求较多时。用于器件需求较多时。针对用户的技术要求由器件生产针对用户的技术要求由器件生产厂家专门进行设计和制作，只适厂家专门进行设计和制作，只适用于很大批量的生产。用于很大批量的生产。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.2晶体管的开关特性晶体管的开关特性2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性半导体二极管具有半导体二极管具有单向导单向导电性电性，外加正向电压时导，外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，通，外加反向电压时截止，相当于一个受外加电压极相当于一个受外加电压极性控制的开关性控制的开关。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院二极管的等效电路二极管的等效电路当二极管的当二极管的正向导通压降和正向导通压降和外加电压相比不能忽略外加电压相比不能忽略，而，而导通电阻与外接电阻相比可导通电阻与外接电阻相比可以忽略以忽略时，近似特性曲线和时，近似特性曲线和等效电路如右下图所示。等效电路如右下图所示。在数字电路中，多数情况都符合在数字电路中，多数情况都符合外加电压较低而外接电阻较大外加电压较低而外接电阻较大的的条件，因此条件，因此常用这种近似方法常用这种近似方法。VDVD 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性二极管二极管由正向导通状态变为反向截止状态由正向导通状态变为反向截止状态所需要的时所需要的时间，称为间，称为反向恢复时间反向恢复时间tR，它是扩散区所存储的电荷，它是扩散区所存储的电荷消散所需要的时间。消散所需要的时间。影响二极管开关速度的主要因素影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间是反向恢复时间。二极管二极管由反向截止状态变为正向导通状态由反向截止状态变为正向导通状态所需要的时所需要的时间来，称为间来，称为开通时间开通时间，它是在扩散区存储电荷所需要，它是在扩散区存储电荷所需要的时间，这个的时间，这个时间很短时间很短，可以，可以忽略不计忽略不计。二极管二极管在在导导通与截止两种状通与截止两种状态态之之间转换间转换需要一定的需要一定的时间时间，转换时间转换时间的的长长短决定了器件可以工作的短决定了器件可以工作的最大速度最大速度。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.2.2 双极型晶体管的开关特性双极型晶体管的开关特性饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区输出特性曲线输出特性曲线在数字电路中，晶体管工在数字电路中，晶体管工作在作在饱和饱和与与截止截止状态。通状态。通过改变基极信号过改变基极信号vI来控制来控制C、E间的接通与断开。间的接通与断开。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态截止截止状态：状态：发射结发射结和和集电结集电结均均反向偏置反向偏置。iB 0，iC=0，VBE 0V(硅管硅管0，iC=iB，有电流放大作用。，有电流放大作用。饱和饱和状态：状态：发射结发射结和和集电结均正向偏置集电结均正向偏置。iB IBS（iC iB），），VCE 很小很小(VCE(sat)0.3V)，饱和得越深，饱和得越深，VCE就越小，就越小，深度饱和深度饱和时时VCE(sat)0.1V。饱和压降饱和压降基极临界饱基极临界饱和电流和电流 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院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当当I=VIL Vth时，三极管时，三极管导通导通。随着随着I的增加，的增加，iB增加，增加，RC上的压降增大，上的压降增大，O减小。减小。VIL截止截止vIVth导通导通iBiCVCC 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院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当当vI增大到一定值时，三极管进入增大到一定值时，三极管进入饱和状态饱和状态，三极管相当于闭合的开，三极管相当于闭合的开关，关，O=VCE（sat)=VOL 0.3V0.3V。晶体管晶体管进进入入临临界界饱饱和状和状态态时时的集的集电电极和基极极和基极电电流分流分别记为别记为ICS、IBS：电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院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当当RC上的压降增大到接近电源电上的压降增大到接近电源电压压VCC时，三极管上的压降近似时，三极管上的压降近似为为0，三极管处于，三极管处于深度饱和状态深度饱和状态，O=VCE（sat)=VOL 0.1V0.1V。饱和饱和状态时状态时iB IBS（iCIBS=ICS/。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院双极型三极管的开关等效电路双极型三极管的开关等效电路截止截止状态状态等效电路等效电路ICEO 0饱和导通饱和导通状状态等效电路态等效电路VCE（sat)0当当I=VIL时，三极管时，三极管截止截止，O=VOH；当当I=VIH 时，三极管时，三极管饱和饱和，O=VOL。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院双极型三极管的动态开关特性双极型三极管的动态开关特性延迟时间延迟时间td：三极管发射结电：三极管发射结电压由反偏上升到压由反偏上升到0.5V，晶体管，晶体管开始导通，所需要的时间。开始导通，所需要的时间。上升时间上升时间tr：集电极电流：集电极电流iC从从0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需时间。所需时间。截止截止状态状态饱和饱和状态状态开通时间开通时间ton：三：三极管从截止状态极管从截止状态转换为饱和状态转换为饱和状态所需要的时间，所需要的时间，ton=td+tr 。tdtrton 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院三极管的关闭时间三极管的关闭时间存储时间存储时间ts：三极管从饱和状态进：三极管从饱和状态进入放大状态过程中，基区所存储的入放大状态过程中，基区所存储的多余电荷消散所需要的时间。多余电荷消散所需要的时间。饱和饱和状态状态截止截止状态状态下降时间下降时间tf：集电极电流从：集电极电流从0.9ICS到到减小为减小为0.1ICS 所需要的时间。所需要的时间。关闭时间关闭时间toff：三：三极管从极管从饱和饱和状态状态转换为转换为截止截止状态状态所需要的时间，所需要的时间，toff=ts+tf 。tstftoff 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院三极管的开关时间三极管的开关时间一般一般延迟时间延迟时间td较小，较小，存储时间存储时间ts随饱和深度而变化。当饱和深随饱和深度而变化。当饱和深度较深时，度较深时，ts时间最长，成为时间最长，成为影影响三极管工作速度的主要因素响三极管工作速度的主要因素。由于晶体管存在开关时间，当作由于晶体管存在开关时间，当作开关使用时，不能随控制信号的开关使用时，不能随控制信号的状态变化而立即改变状态，因此，状态变化而立即改变状态，因此，晶体管的开关时间将是影响电路晶体管的开关时间将是影响电路工作速度的主要因素工作速度的主要因素。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院0V5V0.7VvAvBvFHHHHLLLHLLLL5V5V5V2.3 二极管逻辑门二极管逻辑门2.3.1、二极管与门电路、二极管与门电路ABF111100010000A A、B B中有一个或一个以中有一个或一个以上为低电平上为低电平0V0V，则输出，则输出F F就为就为低电平低电平0.7V0.7V。只有只有A A、B B全为高全为高电平电平5V5V，则输出，则输出F F才为高电平才为高电平5V5V。F=AB低电平上升了低电平上升了0.7V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.3.2 二极管或门电路二极管或门电路5V0V4.3VvAvBvFHHHHLLLHLLHHABF111100010011F=A+B0V0VA A、B B中有一个或一个以中有一个或一个以上为高电平上为高电平5V5V，则输出，则输出F F就为就为高电平高电平4.3V4.3V。高电平下降高电平下降了了0.7V只有只有A A、B B全为低电平全为低电平0V0V，则输出则输出F F才为低电平才为低电平0V0V。0V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院二极管门电路的缺点二极管门电路的缺点当信号通过二极管门电路时，会因为二当信号通过二极管门电路时，会因为二极管的正向导通压降而导致极管的正向导通压降而导致电平偏离电平偏离。二极管门电路二极管门电路带负载能力差带负载能力差。克服缺点的方法克服缺点的方法：在二极管门电：在二极管门电路的输出端连接一个三极管反相路的输出端连接一个三极管反相器，构成与非门、或非门。器，构成与非门、或非门。RL越小，越小，VF越低，越偏越低，越偏离高电平离高电平EC输出高电平输出高电平二极管门电路二极管门电路不能实现非逻辑不能实现非逻辑。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.4 晶体管反相器晶体管反相器BE结结反偏反偏，三极，三极管可靠管可靠截止截止。VO=VCC=12V=VOH0V12VEb的接入使得即使输入低电平稍大于的接入使得即使输入低电平稍大于0，三极管也能可靠截止，使输出为高电平。三极管也能可靠截止，使输出为高电平。-0.92VVI=VIL=0V时：时：电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.4.1 晶体管反相器的工作原理晶体管反相器的工作原理VI=VIH=3V时：时：Ib=I1-I2IbIBS三极管三极管饱和饱和 VO=Vce(sat)0.3V=VOL3V0.3VIbI1I2 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.4.2 反相器的负载能力反相器的负载能力灌电流灌电流负载负载IL反相器后反相器后面所接的面所接的其它电路其它电路负载电流负载电流IL流入反相器流入反相器三极管三极管VTVT饱和时，饱和时，V VO O=V=VOLOL=0.3V=0.3V，D D截止。截止。IC=IRC+IL EC/RC+IL=12mA+IL 随着随着I IL L的增大，的增大，I Ic c也增大，到也增大，到I Ic c=I=ICSCS时时VTVT临界饱和，临界饱和，I Ic c再增大，再增大，VTVT就会退出饱和，就会退出饱和，V VO O就会上升而不能维持为低电平。就会上升而不能维持为低电平。负载能力负载能力：在保证正常的输出：在保证正常的输出高、低电平值的情况下，反相高、低电平值的情况下，反相器器输出输出端所能承受的端所能承受的最大电流最大电流。3VICIRC3V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院反相器的灌电流负载能力反相器的灌电流负载能力I ILmaxLmax=I=ICSCS-I-IRCRC=12.6mA=12.6mA提高灌电流负载能力的方法：提高灌电流负载能力的方法：1、提高三极管的饱和深度。、提高三极管的饱和深度。2、加大、加大Rc使使IRC减小。减小。临临界界饱饱和和时时：I ICSCS=I IBSBS=I Ib b=300.82=24.6mA=300.82=24.6mAI IC C=I=IRCRC+I+IL LEEC C/R/RC C+I+IL L=12mA+I=12mA+IL LIICSCSIL3V3V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院反相器的拉电流负载能力反相器的拉电流负载能力IRCIDIL负载电流负载电流IL从从反相器流出反相器流出晶体管晶体管VTVT截止，截止，IC=0 ，二极管导通，二极管导通，V VO O=V=VOHOH=q qV V3.7V3.7V。随着随着IL的增大，的增大，ID减小，减小，极限时极限时ID=0，D截止。截止。减小减小Rc使使IRC增加。增加。提高拉电流负载能力的方法：提高拉电流负载能力的方法：3V0V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院系列系列型号型号电电 源源 电电 压压（V）门门传传输输时时延延（ns）门门 静静 态态 功功 耗耗（mW）TTL54/74TTL54/74LSTTL54/74ALSTTL55%(74)510%(54)107.5510212.5 TTL集成逻辑门集成逻辑门同型号不同系列的器件同型号不同系列的器件,逻辑功能相同，管脚兼容，但性能不同。逻辑功能相同，管脚兼容，但性能不同。TTL电路电路分类分类TTLSTTLLSTTLALSTTL中速标准中速标准TTL肖特基肖特基TTL，速度快，功耗大。，速度快，功耗大。低功耗肖特基低功耗肖特基TTLASTTLFTTL先进低功耗肖特基先进低功耗肖特基TTL快速快速TTL先进肖特基先进肖特基TTL 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.5.1 TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理输输入入级级中中间间级级输输出出级级中间级中间级是放大级，由是放大级，由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极和发射极可以分别提供两的集电极和发射极可以分别提供两个相位相反的电压信号。个相位相反的电压信号。输入级输入级由多发射极晶体管由多发射极晶体管T1和基极电阻和基极电阻R1组成，它组成，它实现了输入变量实现了输入变量A、B、C的与运算。二极管的与运算。二极管D1、D2和和D3可以限制输入端可能可以限制输入端可能出现的负极性干扰。出现的负极性干扰。输出级输出级由由T3、T4、T5和和R4、R5组成，其中组成，其中T3、T4构成复合跟随构成复合跟随器，与器，与T5组成推挽输出结构，具有较强的负载能力。组成推挽输出结构，具有较强的负载能力。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院多发射极晶体管多发射极晶体管F=ABC多发射极晶体管实现了输入多发射极晶体管实现了输入变量变量A、B、C的与运算。的与运算。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门工作原理与非门工作原理V VCCCC=5V=5V、V VILIL=0.3V=0.3VV VIHIH=3.6V=3.6V、=30 =30 V Vce(satce(sat深深)=0.1V =0.1V V Vce(sat)ce(sat)=0.3V=0.3V有有一个输入为低电平一个输入为低电平：VA=0.3V，VB=VC=3.6V T1管的管的beA结抢先导通，使结抢先导通，使T1基极基极Vb1=0.3+0.7=1V，另，另两个发射结因反偏而截止。两个发射结因反偏而截止。T2管截止（管截止（Vb1Vbc1+Vbe2=0.7+0.7=1.4V）ib1=(Vcc-Vb1)/R1=(5-1)/3=1.3mAic100.3V3.6V3.6V1V三极管饱和条件：三极管饱和条件：icIBS5V5Vic1ib1 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门工作原理与非门工作原理Vb2=Vc1=0.1+0.3=0.4V 因此因此T5也截止。也截止。Vc2Vcc=5V，使，使T3和和T4导通导通。VF=Vcc-ib3R2-Vbe3-Vbe45-0.7-0.7=3.6Vic1ib1，T1处于处于深度深度饱和状态饱和状态，Vces1=0.1V。输入有一个或一个以上为低输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平电平时输出为高电平3.6V。5V0.4V3.6V0.3V3.6V3.6V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门工作原理与非门工作原理输入全为高电平输入全为高电平VA=VB=VC=3.6VVb1的电位较高，使的电位较高，使T1的的集电结和集电结和T2、T5全导通。全导通。Vb1=2.1V，T1的的发射结反偏发射结反偏，因此，因此T1处于处于倒置倒置状态。状态。ic1=(1+F)ib1ic2max Vcc/R2 6.67mAic2 ib2 (=30)2.1V3.6V3.6V3.6VT2饱和饱和Vc2=Vces2+Vbe51V5Vib1=(VCC-Vb1)/R1=0.97mA=ib2=0.3+0.7=1V=Vb3 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门工作原理与非门工作原理Vb3=VC2=1V，使，使T3导通导通，而，而T4截止截止。iC50ib5很大很大ic5ib5,T5处于处于深度饱和状态深度饱和状态VF=Vces(sat)5=0.1V0.1V输入全为高电平时输出为低电平输入全为高电平时输出为低电平0.1V1V输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平3.6V3.6V3.6V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门的优点与非门的优点VO=VOH时，时，T5截止，截止，输出为复合跟随器输输出为复合跟随器输出，输出电阻很低，出，输出电阻很低，负载能力强负载能力强。VO=VOL时，时，T4截止，截止，T5饱和，输出电阻很低，饱和，输出电阻很低，负载负载能力强能力强。无论是高电平输出还是低电平输出，无论是高电平输出还是低电平输出，TTL与非门的与非门的输出电阻输出电阻都很都很低低，都有，都有较强较强的带的带负载能力负载能力。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.5.2 TTL与非门的特性参数与非门的特性参数1.电压传输特性电压传输特性电压传输特性电压传输特性：输出：输出VO电压随输入电压电压随输入电压VI的的变化而变化的曲线。变化而变化的曲线。线性区线性区:当当0.6VV0.6VVI I1.3V1.3V，0.7VV0.7VVb2b21.4V1.4V时，时，T T2 2导通，导通，T T5 5仍截止，仍截止，V VC2C2随随V VI I升高而下降，经升高而下降，经T T3 3、T T4 4两级射随器两级射随器使使V VO O线性下降。线性下降。转折区：转折区：1.3VV1.3VVi i1.4V1.4V，T T5 5由截由截止变为导通，输出迅速降低。止变为导通，输出迅速降低。饱和区饱和区：V VI I1.4V1.4V，T T4 4截止，截止，T T5 5深深度饱和，输出低电平度饱和，输出低电平0.2V0.2V。截止区截止区：当当V VI I0.6V0.6V，T T2 2、T T5 5截止，输出高电截止，输出高电平平V VOH OH=3.6V=3.6V。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院TTL与非门的参数与非门的参数从传输特性曲线可从传输特性曲线可知：知：TTL电路的电路的VOH=3.6V，VOL=0.2V。手册上规定：手册上规定：VOH2.4V，VOL0.4V。3.6V0.2V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院阈值电压阈值电压V VT T（门限电压）（门限电压）V VT T电压传输特性曲线上电压传输特性曲线上转折区转折区CD段段中点中点对对应的输入电压，既是应的输入电压，既是三极管三极管T5截止和导通截止和导通的分界线，也是输出的分界线，也是输出高、低电平的分界线，高、低电平的分界线，因此这个电压称为因此这个电压称为阈阈值电压值电压V VT T也叫也叫门限电门限电压压。V VT T1.4V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院开门电平开门电平V VONON在保证在保证输出为低电平输出为低电平的前提下，所允许的的前提下，所允许的输入高电平输入高电平的的最小值最小值称为称为开门电平开门电平V VONON。V VONON0.4VV VONON=1.5V=1.5V手册规定：手册规定：V VONON1.8V1.8V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院关门电平关门电平V VOFFOFF在保证在保证输出为高电平输出为高电平的前提下，所允许的的前提下，所允许的输入低电平的最大值输入低电平的最大值称为称为关门电平关门电平V VOFFOFF。V VOFFOFF2.4VV VOFFOFF=1.1V=1.1V手册规定：手册规定：OFFOFF0.8V0.8V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限：在：在保证输出高保证输出高、低电平基本不变低电平基本不变（或者说（或者说变化的大小不超过允许的变化的大小不超过允许的限度）的前提下，限度）的前提下，输入电输入电平允许波动的范围平允许波动的范围。V VI IV VO O噪声噪声 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院噪声容限噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限VNL：保：保证证输出输出为为高高电平的前提下，电平的前提下，允许叠加在允许叠加在输入低电平输入低电平上上的最大噪声或干扰电压。的最大噪声或干扰电压。高电平噪声容限高电平噪声容限VNH：保：保证证输出输出为为低低电平的前提下，电平的前提下，允许叠加在允许叠加在输入高电平输入高电平上上的最大噪声或干扰电压。的最大噪声或干扰电压。V VOFFOFFV VONON2.4V0.4VVNLV VILIL噪声噪声VNL=VOFF-VILVNH=VIHVONV VIHIH噪声噪声VNH 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院噪声容限噪声容限V VOFFOFFV VONON2.4V0.4V开门电平和关门电开门电平和关门电平越接近，传输特平越接近，传输特性越接近理想情况，性越接近理想情况，与非门的噪声容限与非门的噪声容限越大，抗干扰能力越大，抗干扰能力越强。越强。VNL=VOFF-VILVNH=VIHVON 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院噪声容限噪声容限将多个门组成系统时，前级将多个门组成系统时，前级门的输出是后级门的输入。门的输出是后级门的输入。前前级级的的输输出高出高电电平平为为V VOH1OH1=V=VIH2IH2=2.4V=2.4V，器件的开，器件的开门门电电平平V VONON=1.8V=1.8V，则则V VNHNH=V=VON-ON-V VIHIH=2.4-1.8=0.6V=2.4-1.8=0.6V。前前级级的的输输出低出低电电平平为为V VOL1OL1=V=VIL2IL2=0.4V=0.4V，器件的关，器件的关门门电电平平V VOFFOFF=0.8V=0.8V，则则 V VNLNL=V=VOFF-OFF-V VILIL=0.8-0.4=0.4V=0.8-0.4=0.4V。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2、静态输入特性、静态输入特性(1)静态输入电流与输入电压之间的关系曲线，即静态输入电流与输入电压之间的关系曲线，即iI=f（VI）。）。假定输入电流流入假定输入电流流入T1发射极发射极时方向为正，反之为负。时方向为正，反之为负。0.2VI IILIL当当VI=VIL=0.2V时时,T1饱饱和，和，T2、T5截止。截止。I IILIL是是V VI I=VIL时流过时流过R R1 1的电流，是的电流，是输输入端的总电流入端的总电流，当当与非与非门门的的输输入入端并接端并接使用使用时时，总总的低的低电电平平输输入入电电流等于流等于单单个个输输入端的入端的电电流流。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院输入短路电流输入短路电流IIS输输入入短短路路电电流流IIS：指指输输入入信信号号VI=0V时，由输入端流出的电流。时，由输入端流出的电流。由上式可以看出：由上式可以看出：I IISIS 是是V VI I=0V=0V时流过时流过R R1 1的电流，的电流，是是输入端的总电流输入端的总电流，当，当有有n n个输入端为个输入端为V VI I=0V=0V时，时，总的总的I IISIS不变。不变。-1.4mA0VI IISIS 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2、静态输入特性、静态输入特性当当VI=VIH=3.4V时时，T1处处于倒置放大状于倒置放大状态态，T2、T5处处于于饱饱和状和状态态，T4截止。截止。IIH称为称为输入漏电流输入漏电流（输输入高电平电流入高电平电流）：）：当当VIVT时时的的输输入入电电流，即流，即T1倒置工作倒置工作时时的反向的反向电电流，其流，其电电流流值值很小，很小，约约为为10A。IIH当当与非与非门门的的输输入端并接使用入端并接使用时时，总总的高的高电电平平输输入入电电流等流等于各于各输输入端入端电电流之和流之和。Ib1 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2、静态输入特性、静态输入特性7474系列系列门电路每个门电路每个输入端的输入端的I IIHIH值在值在4040 A A以下以下。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院输入负载特性输入负载特性在在Ri 较小，较小，T5导通之前，近似有：导通之前，近似有：当当Ri较小时，较小时，VI几乎与几乎与 Ri成正比。成正比。当当Ri增加到使增加到使VI=1.4V 时，时，Vb1升高为升高为2.1V，使，使 T5导通，此后，导通，此后，Vb1被钳位在被钳位在2.1V，则输入维持，则输入维持VI=1.4V不变。不变。随着随着Ri的增加，的增加，VI增加，到增加，到Ri大到大到一定程度上面的公式就不再适用。一定程度上面的公式就不再适用。1.4V 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院输入负载特性输入负载特性Ri较小较小时，时，VI=VIL，与非门截止，与非门截止，输出高电平输出高电平；Ri较大较大时，时，VI=VIH，与非门导通，与非门导通，输出低电平输出低电平。关门电阻关门电阻ROFF：保证与非门：保证与非门关闭关闭，输出为输出为高高电平（电平（VOH2.4V）的条）的条件下所允许的件下所允许的 Ri的的最大值最大值。开门电阻开门电阻RON：保证与非门：保证与非门导通导通，输出为输出为低低电平（电平（VOL0.4V）的条）的条件下所允许的件下所允许的Ri的的最小值最小值。标准标准TTL的的ROFF700，RON 2K。TTL门电路的门电路的输入端悬空输入端悬空相当于输入相当于输入高电平高电平。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院3、静态输出特性、静态输出特性输出电压随输出电流输出电压随输出电流(负载负载)的变化情况。的变化情况。IL输出高电平输出高电平T5截止截止 T3、T4导通导通拉电流负载拉电流负载空载时空载时：VO=VOH5-20.7=3.6V3.6V5mA当当RL较大较大，IL5mA时，时，T3深饱和深饱和。输出输出VO随随IL的增加而降低。的增加而降低。2.4V VO O=V=VCCCC-V-Vces3ces3-V-Vbe4be4-I-IR5R5RR5 5 5mAIL14mAVcc-VVcc-Vces3ces3-V-Vbe4be4-I-IL LRR5 5 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院3、静态输出特性、静态输出特性T5的导通电阻的导通电阻Rces5很小很小，大致为，大致为十几欧姆，因此，当十几欧姆，因此，当IL增加时，增加时，VOL上升很缓慢。上升很缓慢。输出低电平输出低电平T4截止、截止、T5饱和饱和从曲线上可以看出，要使从曲线上可以看出，要使VOL0.4V，则，则IL20mA。灌电流负载灌电流负载0.4VVo=ILRces5IL 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院负载能力负载能力以推动以推动同类门同类门的个数来衡量的个数来衡量推动同类门的个数称为推动同类门的个数称为扇出系数扇出系数NO。VO=VOH2.4V时时对于对于推动门推动门有：有：ILmax拉拉=0.4mA对于对于负载门负载门有：有：IIH40AILIIHIIHIIHVOH 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院负载能力负载能力VO=VOL0.4V时时对于对于推动门推动门有：有：ILmax灌灌=20mA对于对于负载门负载门有：有：IIL-1.3mA15综上可得：综上可得：扇出系数扇出系数N NO O=10=10。一般手册上给出一般手册上给出NO O8ILIILIILIILVOL-1.3mA 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院2.5.3 TTL逻辑门的动态特性逻辑门的动态特性1、平均传输延迟时间、平均传输延迟时间tpd导导通通延延迟迟时时间间t tPHPHL L ：输输入入信信号号vI上上升升致致幅幅值值的的50%50%到到输输出出响响应应v vO O下下降降致幅值的致幅值的50%50%所需要的时间间隔。所需要的时间间隔。截截止止延延迟迟时时间间t tPLPLH H ：输输入入信信号号vI下下降降致致幅幅值值的的50%50%到到输输出出响响应应v vO O上上升升致致幅值的幅值的50%50%所需要的时间间隔。所需要的时间间隔。平均传输延迟时间指平均传输延迟时间指输出电压波输出电压波形滞后于输入电压波形的时间。形滞后于输入电压波形的时间。t tPHLPHLttPLHPLHt tPHLPHLt tPLHPLH标准标准TTLTTL门电路：门电路：t tpdpd=10ns=10ns20ns20ns 电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院、交流噪声容限、交流噪声容限由于由于TTL电路中存在三极管的电路中存在三极管的开关时间开关时间和和分布电容分布电容的的冲放电冲放电过程，因此过程，因此输入信号状态变化输入信号状态变化时时必须有足够的必须有足够的变化幅度和作用时间变化幅度和作用时间才能才能使输出状态可靠改变使输出状态可靠改变。当当输入信号为窄脉冲输入信号为窄脉冲，而且，而且脉冲宽度接近于门电路的脉冲宽度接近于门电路的传输延迟时间传输延迟时间时，为使输出状态可靠改变时，为使输出状态可靠改变所需要的脉所需要的脉冲幅度远大于信号为直流时所需要的信号变化幅度冲幅度远大于信号为直流时所需要的信号变化幅度。门电路对这类窄脉冲的容限称为门电路对这类窄脉冲的容限称为交流噪声容限交流噪声容限，交流交流噪声容限大于直流噪声容限噪声容限大于直流噪声容限。电电 路路 中中 心心 张张 咏咏 梅梅 电电 子子 工工 程程 学学 院院、交流噪声容限、交流噪声容限正脉冲噪声容限：正脉冲噪声容限：使输出高电平降使输出高电平降到到2.0V时所需输入正脉冲的幅度。时所需输入正脉冲的幅度。负脉冲噪声容限：负脉冲噪声容限：使输出低电平升使输出低电平升到到0.8V时所需输入负脉冲的幅度。时所需输入负脉冲的幅度。绝大多数绝大多数TTL门电路门电路的的传输延迟时传输延迟时间间都都在在50ns以