电子技术基础 数字部分第五讲第三章3-1.ppt

3 逻辑门电路逻辑门电路 Logic gate circuit 3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路教学基本要求：教学基本要求：1、了解半导体器件的开关特性。了解半导体器件的开关特性。2、熟熟练练掌掌握握基基本本逻逻辑辑门门(与与、或或、与与非非、或或非非、异异或或门门)、三态门、三态门、OC门门(OD门门)和传输门的逻辑功能。和传输门的逻辑功能。3、掌握掌握逻辑门的主要参数逻辑门的主要参数3.1 逻辑门逻辑门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 逻辑门的一般特性逻辑门的一般特性先介绍先介绍TTL逻辑门逻辑门再介绍再介绍MOS逻辑门逻辑门1、逻辑门逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。2、逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介逻辑门电路是各种数字电路及数字系统的基本逻辑单元。逻辑门电路是各种数字电路及数字系统的基本逻辑单元。1.CMOS集成电路集成电路:广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC74HCT74VHC74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低(超低超低)电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列74ALS2.TTL 集成电路集成电路:广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介Low-Voltage LogicUltra-Low-Voltage Logic3.1.2 逻辑门电路的一般特性逻辑门电路的一般特性1.1.输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平 vO vI 驱动门驱动门G1 负载门负载门G2 1 1 输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIH(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOL(max)输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max)0 G1门门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min)VIL(max)+VDD 0 G2门门vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI VNH 当前级门输出高电平的最小当前级门输出高电平的最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2.噪声容限噪声容限VNH=VOH(min)VIH(min)VNL=VIL(max)VOL(max)在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力示门电路的抗干扰能力 1 驱动驱动门门 vo 1 负载门负载门 vI 噪声噪声 类类型型参数参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)782.10.93.传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出输出 50%90%50%10%tPLH tf tr 输入输入 50%50%10%90%4.4.功耗功耗静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流电源总电流ID与电源电压与电源电压VDD的乘积。的乘积。5.5.延时延时 功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标.延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP表示表示扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。6.6.扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗门电路有动态功耗扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。（a)a)拉电流负载拉电流负载当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。个数。高电平高电平扇出数扇出数:IOH:驱动门的输出端为高电平电流值驱动门的输出端为高电平电流值 IIH:负载门的输入电流负载门的输入电流。(b)灌电流负载灌电流负载当负载门的个数增加时，总的灌电流当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起将增加，同时也将引起输出低电压输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。出低电平的上限值。IOL：驱动门的输出端为低电平电流值：驱动门的输出端为低电平电流值IIL：负载门输入端电流：负载门输入端电流电路类型电路类型电源电电源电压压/V传输延传输延迟时间迟时间/ns静态功耗静态功耗/mW功耗延迟积功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限直流噪声容限输出逻输出逻辑摆幅辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较3.2.1 BJT的开关特性的开关特性Switching characteristics of BJT一、一、BJT的开关作用：的开关作用：1.输入输入Vi=0发射结发射结0偏、集电结反偏。偏、集电结反偏。VBE=0,VBC0。只有很小的反向饱和。只有很小的反向饱和漏电流漏电流ICBO、ICEO，所以，所以IB0、IC0、VCEVcc，对应于，对应于A点。点。三极管三极管C、E间近似于开路，三极管间近似于开路，三极管工作在截止状态工作在截止状态2.输入输入Vi=+VB调节调节Rb,使使Ib=Vcc/Rc，三极管工作在，三极管工作在B点。点。Ic接近于接近于Vcc/Rc。当。当IB再增加再增加IcIB，集电极电流达到饱和。，集电极电流达到饱和。对应的基极电流对应的基极电流IBS=Vcc/Rc，基极临界饱和电流，基极临界饱和电流。而而Ic=ICS（Vcc/Rc），集电极饱和电流。），集电极饱和电流。集电极电压集电极电压VCE=Vcc-ICSRc=VCES0.3v,称为三极管的饱和压降。称为三极管的饱和压降。三极管三极管C、E间近似于短路，三极管工作在饱和状态。间近似于短路，三极管工作在饱和状态。对于对于NPN三极管，三极管，VCES0.3v,VBE0.7v,所以，饱和后，集电结正偏，此时，所以，饱和后，集电结正偏，此时，发射结、集电结均正偏。发射结、集电结均正偏。可见，三极管相当于一个受基极控制的无触点开关。可见，三极管相当于一个受基极控制的无触点开关。工作状态工作状态截止截止放大放大饱和饱和条件条件iB00iB ICS/工工作作特特点点偏置偏置情况情况发射结零偏或反偏、发射结零偏或反偏、集电结反偏集电结反偏发射结正偏、发射结正偏、集电结反偏集电结反偏发射结、集电结发射结、集电结均正偏均正偏集电极集电极电流电流iC0iCiBiC=ICS（Vcc/Rc）且不随且不随iB增加而增加增加而增加管压降管压降VCEVccVCE=Vcc-iCRcVCEs0.2-0.3vc、e间间等效电等效电阻阻很大，约为数百千很大，约为数百千欧，相当于开关断欧，相当于开关断开开可变可变很小，约为数百欧，很小，约为数百欧，相当于开关闭合相当于开关闭合NPNNPN型型BJTBJT截止、放大、饱和工作状态的特点截止、放大、饱和工作状态的特点二、二、BJT的开关时间的开关时间 Switching time of BJTBJT的开关过程也是其内部电荷的开关过程也是其内部电荷“建立建立”和和“消散消散”过程。过程。1、开关过程：、开关过程：td(延迟时间延迟时间)从从VIH加入，到集电极电流加入，到集电极电流 Ic上升到上升到0.1ICS 所需时间所需时间.tr(上升时间上升时间)Ic从从 0.1ICS上升到上升到0.9ICS所需时间所需时间.ts(存储时间存储时间)从从VI=0加入，到加入，到Ic下降下降 到到0.9ICS所需时间所需时间.tf(下降时间下降时间)Ic从从 0.9ICS下降到下降到0.1ICS所需时间所需时间.三极管的开通时间：ton=td+tr是建立基区电荷的时间。三极管的关闭时间：toff=ts+tf存储电荷消散的时间。总称BJT的开关时间。晶体二极管、三极管的开关特性：晶体二极管、三极管的开关特性：晶体二极管、三极管的开关特性分为静态开关特性与动晶体二极管、三极管的开关特性分为静态开关特性与动态开关特性。态开关特性。静态开关特性指它们导通与截止时的特点。二极管主要静态开关特性指它们导通与截止时的特点。二极管主要表现为单向导电性。三极管的静态开关特性包括截止与饱和表现为单向导电性。三极管的静态开关特性包括截止与饱和的条件及截止、饱和时的电流电压参数。饱和状态下的参数的条件及截止、饱和时的电流电压参数。饱和状态下的参数典型值有：典型值有：V VCESCES=0.3V=0.3V、V VBESBES=0.7V=0.7V，饱和集电极电流，饱和集电极电流I ICESCES15mA(15mA(随晶体管型号不同而有所不同随晶体管型号不同而有所不同)。动态开关特性是指由截止到导通或导通到截止所需的转动态开关特性是指由截止到导通或导通到截止所需的转换时间。由截止到导通的转换时间叫开启时间换时间。由截止到导通的转换时间叫开启时间t tonon，由导通，由导通到截止的转换时间叫关闭时间到截止的转换时间叫关闭时间t toffoff.VoVcc(+10v)AB5kD1D2 解：图为二极管与门电路解：图为二极管与门电路.对这类电路的求解，最重要的是要判断图中二极管的状态对这类电路的求解，最重要的是要判断图中二极管的状态是导通还是截止。具体分析如下：是导通还是截止。具体分析如下：1.A接接10V，B接接0.3V时，时，D2管导通，输出管导通，输出Vo被箝在被箝在0.3+0.71.0(V)，即，即Vo1.0V，此时此时D1截止。截止。2.A,B都接都接10V，D1，D2都截止，都截止，Vo等于等于Vcc，即，即Vo=10V，此时，此时D1，D2两端为零偏置，两端为零偏置，故不通。故不通。3.A接接10V，B悬空时，二极管悬空时，二极管D1，D2都不通，因此都不通，因此Vo=10V.用表测用表测B点电压时，尽管点电压时，尽管表的内阻较大，但由于和表的内阻较大，但由于和B端相接，相当于端相接，相当于B被接通，被接通，Vo经经D2管有电流通过，经管有电流通过，经D2管管减去一个二极管导通压降减去一个二极管导通压降0.7V(在微弱电流下，实际二极管导通压降在微弱电流下，实际二极管导通压降0.7V)，故测得，故测得VB=9.3V.4.A接接0.3V，B悬空时，悬空时，D1通，故通，故Vo1.0V。用万用表测。用万用表测B点电压时，点电压时，D2也相当于被也相当于被接通，接通，Vo经经D2应减去应减去0.7V，故，故VB=0.3V。5.A接接5k电阻，电阻，B悬空时，悬空时，D1管应导通，此时管应导通，此时Vo端电压应按下式计算求得，即端电压应按下式计算求得，即Vo5.35(V)测测VB电压时，电压时，D2相当于接通，相当于接通，Vo减去减去0.7V即为即为B点电压，点电压，VB4.65V。例例2.1 2.1 二极管门电路电压测量二极管门电路电压测量:二极管门电路如图所示。已知二极管门电路如图所示。已知二极管二极管D1D1，D2D2导通压降为导通压降为0.7V0.7V，试回答下列问题：，试回答下列问题：1.A1.A接接10V10V，B B接接0.3V0.3V时，输出时，输出VoVo为多少伏为多少伏?2.A,B2.A,B都接都接10V10V，VoVo为多少伏为多少伏?3.A3.A接接10V10V，B B悬空，用万用表测悬空，用万用表测B B端电压，端电压，V VB B为多少伏为多少伏?4.A4.A接接0.3V0.3V，B B悬空，测悬空，测V VB B时应为多少伏时应为多少伏?5.A5.A接接5k5k电阻，电阻，B B悬空，测悬空，测V VB B电压时，应为多少伏电压时，应为多少伏?3.2.2基本逻辑门电路基本逻辑门电路Basic Logic gate circuit一、二极管与门电路 Diode AND Gate circuit二、二极管或门电路 Diode OR Gate circuit三、非门电路BJT反相器：NOT Gate circuit-BJT Inverter一、二极管与门电路一、二极管与门电路 Diode AND Gate circuit1.功功能能：完完成成与与运运算算-与与逻逻辑辑：只只有有输输入入端端都都是是高高电电平平，即即逻逻辑辑1时时输输出出才才是是高高电电平平逻逻辑辑1；否否则则，输输出出就就是逻辑是逻辑0。2.电路电路3.真值表真值表4.逻辑表达式：逻辑表达式：Y=AB缺缺点点：输输出出与与输输入入的的高高低低电电平平不不等等。差差为为二二极极管管的的导导通通压压将将0.7v。如如作作为为下下级级的的输输入入信信号号，将将发发生生信信号号高高低低电电平平的的偏偏移移。其其次次，当当接接入入负负载载时时，负负载载电电阻阻的的改改变变有有时时会会影响输出的高点平。影响输出的高点平。YVccABD1D2RABY&1 0 01 0 0B B A A Y Y0 0 00 0 00 1 00 1 01 1 11 1 1电路的真值表电路的真值表A/vB/vY/v003303030.7 0.7 0.7 3.7电路的逻辑电平电路的逻辑电平二、二极管或门电路二、二极管或门电路DiodeORGatecircuit1.1.功能：完成或运算功能：完成或运算-或逻辑或逻辑2.2.电路电路3.3.真值表真值表4.4.逻辑表达式：逻辑表达式：Y=A+B Y=A+B D1YABD2RABY1 1 0 1 1 0 1 B B A A Y Y 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1电路的真值表电路的真值表A/vB/vY/v0033030302.32.32.3电路的逻辑电平电路的逻辑电平1.电路电路2.真值表真值表3.逻辑表达式：逻辑表达式：Y=AY(Vo)VccA(VI)RcR1R2VEETAY11 0 A Y0 1 电路的真值表电路的真值表三、非门电路三、非门电路BJT反相器反相器NOT Gate circuit-BJT Inverter3.2.3 TTL（Transistor-Transistor Logic）逻辑门电路逻辑门电路TTL Logic gate circuitTTL逻逻辑辑门门电电路路由由若若干干BJT（三三极极管管 Bipolar Junction Transistor）和和电电阻阻组组成成。这这种种门门电电路路上上世世纪纪60年年即即已已问问世世，随随后后经经过过电电路路结结构构和和工工艺艺方方面面的的改改进进，至至今今仍仍广广泛泛应应用用于于各各种种数数字字电电路路或或系系统统中中。TTL电电路路的的基基本本环环节节是是带带电电阻阻负负载载的的反反相相器器（非非门门），为为了了改改善善它它的的开开关关速速度度和和其其他他性性能能，往往往往还还需需增增加加其其他他若若干干元元气气件件。下下面面首首先先来来讨讨论论一一下下基基本本的的BJT反反相相器器的的开开关关速度不高的原因，再讨论改进的反相器和逻辑门电路。速度不高的原因，再讨论改进的反相器和逻辑门电路。开关速度不高的原因：开关速度不高的原因：BJT的基区存储电荷，存入、消散需要一定时间。的基区存储电荷，存入、消散需要一定时间。考虑负载电容（门电路之间的接线电容、门电路输入电容）的影响时，电路如图。考虑负载电容（门电路之间的接线电容、门电路输入电容）的影响时，电路如图。充充电电时时，即即VO由由低低向向高高变变化化时时，充充电电路路径：径：VCC -RC-CL（=RC CL较大）较大）放放电电时时，即即VO由由高高向向低低变变化化时时，放放电电路路径：径：CL通过通过BJT放电。放电。由由于于充充、放放电电，增增加加了了VO波波形形的的上上升升、下降时间。下降时间。产产生生了了更更为为实实用用的的TTL（Transistor-Transistor Logic）电路。）电路。一一.基本的基本的BJT反相器的动态性能反相器的动态性能Dynamic characteristics of Basic BJT Inverter输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电结和发射的集电结和发射极同时输出两个相极同时输出两个相位相反的信号，作位相反的信号，作为为T T3 3和和T T4 4输出级的输出级的驱动信号；驱动信号；Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 二、二、TTL反相器的基本电路反相器的基本电路BasiccircuitTTLInverter1.1.电路组成电路组成输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提高组成。用于提高电路的开关速度电路的开关速度2.TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）（1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平（I I =0.2 V）T1 深度饱和深度饱和 (v(vB1B1=0.9v)=0.9v)截止截止导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平T4D4T3T2T1输入输入高电平高电平输出输出T2、T3截止，截止，T4、D导通导通（2）当输入为高电平（）当输入为高电平（I=3.6 V）T2、T3饱和导通饱和导通 T1:倒置的放大状态。倒置的放大状态。T4和和D截止。截止。使输出为低电平使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.2V输入输入A输出输出L0110逻辑真值表逻辑真值表 逻辑表达式逻辑表达式 L =A 饱和饱和截止截止T4低电平低电平截止截止截止截止饱和饱和倒置工作倒置工作高电平高电平高电平高电平导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平输出输出D4T3T2T1输入输入（3）采用输入级以提高工作速度）采用输入级以提高工作速度 当当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间 T2、T3管的状态变化滞管的状态变化滞后于后于T1管，仍处于导通管，仍处于导通状态。状态。T1管管Je正偏、正偏、Jc反偏，反偏，T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流（管射极电流（1+1）iB1很快地从很快地从T2的基区的基区抽走多余的存储电荷抽走多余的存储电荷,从从而加速了输出由低电平而加速了输出由低电平到高电平的转换。到高电平的转换。（4）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当当 O=0.2V时时当输出为低电平时，当输出为低电平时，T4截止，截止，T3饱和导通，其饱和电流全饱和导通，其饱和电流全部用来驱动负载部用来驱动负载a)带负载能力带负载能力当当 O O=3.6V时时 O由低到高电平跳变的瞬间，由低到高电平跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小使充电，其时间常数很小使输出波形上升沿陡直。而当输出波形上升沿陡直。而当 O由高变低后，由高变低后，CL很快放电，很快放电，输出波形的下降沿也很好。输出波形的下降沿也很好。T T3 3截止，截止，T T4 4组成的电压跟随组成的电压跟随器的输出电阻很小，输出高器的输出电阻很小，输出高电平稳定，带负载能力也较电平稳定，带负载能力也较强。强。输出端接负载输出端接负载电容电容CL时时，b)输出级对提高开关速度的作用输出级对提高开关速度的作用三、TTL反相器的传输特性：Transfer characteristics of TTL Inverter传输特性：指传输特性：指V Vo o=f(Vf(Vi i)的关系曲线，见图（近似折线的关系曲线，见图（近似折线ABCDEABCDE）ABAB段段（特性曲线截止区）：输入（特性曲线截止区）：输入V Vi i很低，很低，T1T1发发射结饱和导通，射结饱和导通，T2T2、T3T3都截止，都截止，T4T4导通，输出导通，输出为高电平为高电平3.6v3.6v。输入输入V Vi i电压加至电压加至B B点，点，T1T1发射结仍饱和（发射结仍饱和（0.2 v0.2 v），），V VB2B2=V=VC1C1增大使增大使T2T2发射结正偏，此时发射结正偏，此时V VB2B2=V=Vi i+V+VCESCES，则，则V Vi i=V=VB2B2-V-VCESCES，V VB2B2对应对应T2T2发射结正偏并开始导发射结正偏并开始导通通V VB2B2=V=VF F0.60.6（0.70.7）v v，B B点点V Vi i=V=VB2B2-V-VCESCES=0.4 0.4（0.50.5）v v。BCBC段段（特性曲线的放大区）：随（特性曲线的放大区）：随V Vi i增大，增大，T2T2发发射结正偏并开始导通后，处于线性放大状态，射结正偏并开始导通后，处于线性放大状态，V Vi i上升，则上升，则V VC2C2和和V Vo o线性下降。线性下降。CDCD段段（特性曲线的转折区）：此时，（特性曲线的转折区）：此时，T2T2、T3T3同同时导通，输出电压急剧下降为低电平。时导通，输出电压急剧下降为低电平。DEDE段段（特性曲线的饱和区）：（特性曲线的饱和区）：V Vi i再增加，再增加，V Vo o不不再变化。再变化。v0/vv0/v2 21 13 34 45 51 12 23 30.20.22.482.483.63.61.1v1.1v 1.2v1.2v0.4v0.4vvI/vvI/vA B A B C CD DE E基本的基本的TTLTTL反相器的传输特性反相器的传输特性1.TTL与非门电路与非门电路多发射极多发射极BJT T1e e bc eeb cA&BAL=B3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路TTL与非门与非门电路的工作原理电路的工作原理 任一输入端为低电平时任一输入端为低电平时:TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 IT1T2T4T3 O输入全为高电输入全为高电平平(3.6V)倒置使用的放大倒置使用的放大状态状态饱和饱和截止截止饱和饱和低电平低电平（0.2V）输入有低电平输入有低电平 (0.2V)深饱和深饱和截止截止放大放大截止截止高电平高电平（3.6V）当全部输入端为高电平时：当全部输入端为高电平时：输出低电平输出低电平 输出高电平输出高电平 2.TTL或非门或非门 TTL NOR gate 若若A、B中有一个为高电平中有一个为高电平:由由TTL与非门改进而来。用两个与非门改进而来。用两个BJT T2A和和T2B代替代替T2若若A、B均为低电平均为低电平:T2A和和T2B均将截止，均将截止，T3截止。截止。T4和和D饱和，饱和，输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和，将饱和，T3饱和，饱和，T4截止，截止，输出为低电平。输出为低电平。逻辑表达式逻辑表达式vOHvOL输出为低电平输出为低电平的逻辑门输出的逻辑门输出级的损坏级的损坏3.2.5 集电极开路门和三态门电路集电极开路门和三态门电路Open collector gate and Three state gate circuitOpen collector gate and Three state gate circuit1.1.集电极开路门集电极开路门电路电路a）集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路b）使用时的外电路连接使用时的外电路连接C）逻辑功能逻辑功能L=A BOC门输出端连接实现线与门输出端连接实现线与VCC2.三态与非门三态与非门(TSL)OC门可时线“线与”，但RP限制了工作速度，同时带负载能力下降（因为省了有源负载），所以，为保证推拉式输出的特点，还能实现“线与”，开发了三态门电路三态门电路特点：有高电平、低电平、高阻态（禁止态），共有三态。当当EN=3.6V时时T6饱和，T7截止，相当于集电极开路，TSL与非门的工作状态（A、B与非）。EN数据数据输输入端入端输输出端出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态与非门真值表 当当EN=0.2V时时T4基极钳位低电平，截止，同时，T3截止，TSL与非门的高阻状态。EN数据数据输输入端入端输输出端出端L LAB10010111011100高阻高阻高电平高电平使能使能=高阻状态高阻状态与非逻辑与非逻辑 ZL ABLEN=0_EN=1真值表真值表逻辑符号逻辑符号ABCS&L EN特点特点:功耗低、速度快、驱动力强功耗低、速度快、驱动力强3.2.6 BiCMOS门电路门电路 I I为高电平为高电平:MN、M1和和T2导通，导通，MP、M2和和T1截止，输出截止，输出 O O为低电平。为低电平。工作原理工作原理:M1的导通的导通,迅速拉走迅速拉走T1的基区存储的基区存储电荷电荷;M2截止截止,MN的输出电流全的输出电流全部作为部作为T2管的驱动电流管的驱动电流,M1、M2加快输出状态的转换加快输出状态的转换3.2.7 改进型改进型TTL门电路门电路-抗饱和抗饱和TTL电路电路：Improve type TTL gate circuitre saturation TTL circuit特点：传输速度较快。特点：传输速度较快。采用肖特基势垒二极管（采用肖特基势垒二极管（SBD：Schottky Barrier Diode）钳位）钳位,达到抗饱和效果。称为达到抗饱和效果。称为SBD TTL电路。（简称电路。（简称STTL）（1）肖特基势垒二极管）肖特基势垒二极管SBD：利用金属（铝）和：利用金属（铝）和半导体相接触形成势垒的二极管。特点：半导体相接触形成势垒的二极管。特点：l l 单向导电性。单向导电性。l l 导通门坎较低：导通门坎较低：0.4-0.5v。l l 多子导电，电荷存储效应较小。多子导电，电荷存储效应较小。利用利用SBD导通门坎较低，将导通门坎较低，将BLT的集电结的正的集电结的正向偏压钳位在向偏压钳位在0.4-0.5v，另外，分基极电流直，另外，分基极电流直接到集电极，起到抗饱和效果。接到集电极，起到抗饱和效果。SBDT(a)电路连接方式ecbT(a)代表符号ecb肖特基肖特基TTL(STTL)与非门的典型电路与非门的典型电路（2 2）图）图2.4.152.4.15为肖特基为肖特基TTL(STTL)TTL(STTL)与非门的典型电路。与非门的典型电路。与基本与基本TTLTTL与非门电路相比，与非门电路相比，作了若干改进。在基本的作了若干改进。在基本的TTLTTL电路中，电路中，T1T1、T2T2和和T3T3工作在深工作在深度饱和区，管内电荷存储效应度饱和区，管内电荷存储效应对电路的开关速度影响很大。对电路的开关速度影响很大。现在除现在除T4T4外，其余的外，其余的BJTBJT均采均采用用SBDSBD钳位，以达到明显的抗钳位，以达到明显的抗饱和效果。其次，基本电路中饱和效果。其次，基本电路中的所有电阻值这里几乎都减半。的所有电阻值这里几乎都减半。这两项改进导致门电路的开关这两项改进导致门电路的开关时间大为缩短。由于电阻值的时间大为缩短。由于电阻值的减小也必然会引起门电路功耗减小也必然会引起门电路功耗的增加的增加.TTL与非门的典型参数与非门的典型参数l.高低电平标称值高低电平标称值:输出低电平输出低电平VOL0.3V，输出高电平输出高电平VOH3.6V。2.输入短路电流输入短路电流IIL和扇出系数和扇出系数N。IIL是输入端接低电平时通过是输入端接低电平时通过TTL与非门内部电阻与非门内部电阻R1流向外部低流向外部低电平处的电流，基本电平处的电流，基本TTL与非门的典型值为与非门的典型值为1.5mA，而对于它，而对于它的前级门的前级门(输出为输出为0电平时电平时)形成灌电流负载。扇出系数形成灌电流负载。扇出系数N是指带是指带同类门负载的个数，它的大小主要取决于同类门负载的个数，它的大小主要取决于TTL门内部输出级开门内部输出级开关管饱和时所允许的最大集电极电流关管饱和时所允许的最大集电极电流ICES(典型值典型值15mA)与单个与单个负载门的负载门的IIL的比值，即：的比值，即：NICES/IIL15mA/1.5mA10。此外，。此外，其参数还有扇入系数、关门电平其参数还有扇入系数、关门电平Voff，开门电平，开门电平Von，平均延时，平均延时tpd，平均功耗，平均功耗PW等等.集电极开路集电极开路OC门、三态门的使用特点门、三态门的使用特点一般一般TTLTTL集成门集成门(也包括也包括CMOSCMOS门门)输出端彼此不能并接，否则易烧输出端彼此不能并接，否则易烧坏器件。而有些实际应用中又需要多个门的输出端并接，如总坏器件。而有些实际应用中又需要多个门的输出端并接，如总线传输，因此产生了线传输，因此产生了TTLTTL集电极开路门、集电极开路门、TTLTTL三态门和三态门和CMOSCMOS三态三态门门.1.OC1.OC门使用特点门使用特点:在使用时，输出端要通过外接电阻在使用时，输出端要通过外接电阻R RL L(1.5 k(1.5 k2.5k)2.5k)接至电源。接至电源。OCOC门可用作电平转换和总线传输。门可用作电平转换和总线传输。2.2.三态门的使用特点三态门的使用特点:三态门的三态是指输出为三态门的三态是指输出为0 0电平、电平、1 1电平和高阻三种状态。当器电平和高阻三种状态。当器件的控制端信号件的控制端信号ENEN为使能电平为使能电平(有的为有的为0 0电平，有的为电平，有的为1 1电平电平)时，时，器件被选通，输出逻辑电平器件被选通，输出逻辑电平0 0或或1 1；反之器件处于非工作状态，；反之器件处于非工作状态，输出端对外呈现高阻态。输出端对外呈现高阻态。使用时，当多个三态门的输出端并接在一起时，任何时刻只使用时，当多个三态门的输出端并接在一起时，任何时刻只允许一个门被选通，否则就会出现一般集成门输出端并接时的允许一个门被选通，否则就会出现一般集成门输出端并接时的同样后果，即器件损坏或不能正常工作。同样后果，即器件损坏或不能正常工作。例例1 TTL1 TTL与非门电路如图与非门电路如图(a)(a)所示，所示，TTLTTL与非门内部输入级电路如图与非门内部输入级电路如图(b)(b)所示，试问：所示，试问：(1)(1)若使与非门输出若使与非门输出F=1F=1，R R阻值应为多少？阻值应为多少？(2)(2)若使与非门输出若使与非门输出F=0F=0，R R阻值应为多阻值应为多少少?解解 (1)(1)与非门内部输入级电流几乎全部流过外接电阻与非门内部输入级电流几乎全部流过外接电阻R R，设电阻上的压降为，设电阻上的压降为V VR R，因，因为要求为要求F F1 1，即要求与非门处于关门状态，所以，即要求与非门处于关门状态，所以(设关门电平设关门电平V VOffOff=1V)=1V)应有下式应有下式成立：成立：V VR R V VOffOff 即即V VR R 1V 1V，求得求得R1kR1k (2)(2)设电路刚接上电源时，流过设电路刚接上电源时，流过R R1 1的电流仍然全部流过外接电阻的电流仍然全部流过外接电阻R R，因为要求，因为要求F=0F=0，即要求与非门处于开门状态，所以，即要求与非门处于开门状态，所以(设开门电平设开门电平V Vonon=2V)=2V)应有下式成立：应有下式成立：V VR R V Vonon 即即 V VR R 2V 2V 求得求得R2.6kR2.6k。+5vF(a)与非门电路&+5vRR1 3kT1(b)与非门内部输入级Vcc(+5v)(例例2)2)电路如图电路如图(a)(a)、(b)(b)、(c)(c)、(d)(d)所示，试找出电路中的错误，并说明为什么。所示，试找出电路中的错误，并说明为什么。解解 图图(a)(a)：电路中多余输入端接：电路中多余输入端接“1 1”是是错误的，因为或门见错误的，因为或门见1 1为为1 1，使，使F F1 1恒为恒为 1 1，失去了或门的作用，即或门被锁住。失去了或门的作用，即或门被锁住。图图(b)(b)：电路中多余输入端接：电路中多余输入端接“0 0”电平是电平是错误的，因为与门见错误的，因为与门见0 0为为0 0，使，使F F2 2恒为恒为0 0，即与门被锁住。即与门被锁住。图图(c)(c)：电路中两个与非门输出端并接是：电路中两个与非门输出端并接是错误的，会烧坏器件。因为每个与非门的错误的，会烧坏器件。因为每个与非门的输出是由各自的输入信号决定的。当两个输出是由各自的输入信号决定的。当两个与非门的输出电平不相等时，两个门的输与非门的输出电平不相等时，两个门的输出级形成了低阻通道，使得电流过大，从出级形成了低阻通道，使得电流过大，从而烧坏器件。而烧坏器件。图图(d)(d)：电电路路中中两两OCOC门门输输出出端端虽虽能能并并接接，但但它它们们没没有有外外接接电电阻阻至至电电源源，电电路路不不会会有有任何输出电压，所以是错误的。任何输出电压，所以是错误的。&A B“0”F2=AB(b)A B“1”F1=A+B1(a)ABF3=AB CD(C)G1&G2&CDABF4=AB CD(d)&CDhw:3.1.7hw:3.1.7、3.2.13.2.1、3.2.23.2.2、3.2.33.2.3、例例2.2 2.2 反相器电路截止、饱和分析计算反相器电路截止、饱和分析计算 图中图中R218k，30，设，设T管的管的VCES0.1V，VBE=0.7V。试问：。试问：1.当当VI为何值时，为何值时，T管饱和，管饱和，VCES0.1V。2.若若VI=3.0V，Vo端灌入电流为多大时，端灌入电流为多大时，T管脱离饱和管脱离饱和?解解:反相器电路满足输入输出的反相关系。反相器