教学课件第2章 逻辑门电路.ppt

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1、教学课件第教学课件第2章章 逻辑门电路逻辑门电路第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路基本概念基本概念CMOS逻辑门电路逻辑门电路TTL逻辑门电路逻辑门电路ECL电路电路Bi-CMOS电路电路数字集成电路使用中应注意的问题数字集成电路使用中应注意的问题3/30/20232第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路在数字电路中，在数字电路中，“门门”是指能实现基本是指能实现基本逻辑关系的电路。逻辑关系的电路。将门电路的所有元器件及连接导线制作在将门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上构成集成逻辑门电路。同一块半导体基片上构成集成逻辑门电路。3/30/202332.1概述概述集成电路按照集成电路按照

2、单位芯片面积单位芯片面积集成门电路个集成门电路个数分为：数分为：小规模集成电路小规模集成电路(Small Scale Integrated Circuit,SSI)：十几个门电路十几个门电路中规模集成电路中规模集成电路(Medium Scale Integrated Circuit,MSI)：上百个门电路：上百个门电路大规模集成电路大规模集成电路(Large Scale Integrated Circuit,LSI)：几百个至几千个门电路几百个至几千个门电路超大规模集成电路超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated Circuit,VLSI)：一万个以上门电路：一

3、万个以上门电路3/30/202342.1概述概述按照制造门电路晶体管的不同，逻辑门电按照制造门电路晶体管的不同，逻辑门电路分为路分为:MOS型型(单极型单极型)双极型双极型混合型。混合型。双极型集成电路的速度高而集成度低，单双极型集成电路的速度高而集成度低，单极型集成电路的集成度高而速度低。极型集成电路的集成度高而速度低。3/30/202352.1概述概述单极型集成电路中的单极型集成电路中的基本开关元件基本开关元件是是MOS(Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体金属氧化物半导体)晶体管。单极型集成电晶体管。单极型集成电路包括路包括:PMOSNMOSCMOSnCMO

4、S门电路是由门电路是由NMOS管和管和PMOS管组成的互补管组成的互补MOS集集成电路成电路nCMOS电路的集成度、成本、功耗和抗干扰能力远优于电路的集成度、成本、功耗和抗干扰能力远优于TTL，是目前使用最广泛、占主导地位的集成电路。，是目前使用最广泛、占主导地位的集成电路。3/30/202362.1概述概述双极型集成电路中的双极型集成电路中的基本开关元件基本开关元件是晶体是晶体三极管。双极型集成电路包括三极管。双极型集成电路包括:TTL(Transistor Transistor Logic)circuit晶体管晶体管-晶晶体管逻辑电路体管逻辑电路（常用）（常用）ECL(Emitter Co

5、upled Logic)circuit发射极耦合逻发射极耦合逻辑电路辑电路ECL电路主要用于高速或超高速数字系统或设电路主要用于高速或超高速数字系统或设备中。备中。3/30/202372.1概述概述混合型集成逻辑门有混合型集成逻辑门有Bi-CMOS。Bi-CMOS技术将技术将BJT的高速性和高驱动能的高速性和高驱动能力以及力以及CMOS的高密度、低功耗和低成本的高密度、低功耗和低成本等优点结合起来。等优点结合起来。可用于射频电路及模数混合电路中。可用于射频电路及模数混合电路中。3/30/202382.2 CMOS逻辑门电路逻辑门电路2.2.1 MOS管的开关模型管的开关模型以以NMOS管为例管

6、为例当用增强型当用增强型NMOS做工作管时，如输入电压做工作管时，如输入电压vI为为高电平高电平（大于开启电压（大于开启电压VT）则）则NMOS管导通，开关闭合，若满足管导通，开关闭合，若满足RDRON，输出电压，输出电压vO为低电平为低电平vIVT3/30/20239NMOS管的开关特性管的开关特性输输入入电电压压vI为为低低电电平平时时则则NMOS管管截截止止，开开关关断断开开，若若满满足足RDROFF，输输出出电电压压vO为为高电平。高电平。vIVT2.2.2 CMOS反相器反相器CMOS反相器的电路结构反相器的电路结构CMOS反相器是构成反相器是构成CMOS集成电路的基本集成电路的基本

7、单元单元3/30/202311工作原理工作原理电源电压条件：电源电压条件：CMOS反相反相器要求电源电压大于两个管器要求电源电压大于两个管子开启电压的绝对值之和，子开启电压的绝对值之和，即即 VDDVTN+|VTP|3/30/202312工作原理工作原理vI输入低电平时：输入低电平时：NMOS管管 vI=VIL|VTP|，因此，因此T2充分导通。充分导通。3/30/202313工作原理工作原理电源电压差不多全部电源电压差不多全部降落在工作管降落在工作管T1的漏的漏源之间，使反相器输源之间，使反相器输出高电平出高电平VOHVDD。3/30/202314工作原理工作原理当当vI=VIHVTN时，时

8、，T1管导管导通。通。对于对于PMOS负载管：负载管：VG2较高，使较高，使|VGS|VTP|，因此，因此T2管截止。管截止。3/30/202315工作原理工作原理电电源源电电压压几几乎乎全全部部降降落落在在负负载载管管T2上上，使使反反相相器器输输出出低低电电平平且且很很低低，VOL0V。3/30/2023162.2.3 CMOS反相器的传输特性和反相器的传输特性和抗干扰能力抗干扰能力CMOS反相器的传输特性曲线反相器的传输特性曲线CMOS反相器的传输特性曲线分为电压传反相器的传输特性曲线分为电压传输特性曲线和电流传输特性曲线。输特性曲线和电流传输特性曲线。电压传输特性曲线是描述输出电压电压

9、传输特性曲线是描述输出电压vO与输入与输入电压电压vI之间对应关系的曲线。之间对应关系的曲线。电流传输特性是指漏极电流电流传输特性是指漏极电流iD随输入电压随输入电压vI变化关系的曲线变化关系的曲线。3/30/202317电压和电流传输特性曲线电压和电流传输特性曲线传输特性分为传输特性分为5个区段个区段3/30/202318电压和电流传输特性曲线电压和电流传输特性曲线AB段段：输入电压输入电压0 vI VTN，NMOS管截止，管截止，PMOS管导通且管导通且工作在低电阻的可变电阻区，工作在低电阻的可变电阻区，此时输出电压此时输出电压vo不随输入电压不随输入电压vI变化变化。vo=VOHVDD，

10、iD03/30/202319电压和电流传输特性曲线电压和电流传输特性曲线BC段段：输入电压输入电压VTN vI IOHmax时，输出电压时，输出电压vo迅速减小，当迅速减小，当voVOHmin时破坏了时破坏了输出为高电平的逻辑关系，因而对拉电流值也要有限制。输出为高电平的逻辑关系，因而对拉电流值也要有限制。3/30/2023332.2.5 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性1.传输延时时间传输延时时间tPHL、tPLH由于由于CMOS反相器中反相器中MOS管存在一定的开关时间等原因，使管存在一定的开关时间等原因，使得其输出不能立即响应输入信号的变化，而有一定的延迟得其输出不能立即响应输入

11、信号的变化，而有一定的延迟。输出电压输出电压vo由高电平变为低电平时的传输延迟时间称为导通由高电平变为低电平时的传输延迟时间称为导通传输延迟时间传输延迟时间tPHL；输出电压；输出电压vo由低电平变为高电平时的传输由低电平变为高电平时的传输延迟时间称为截止传输延迟时间延迟时间称为截止传输延迟时间tPLH3/30/2023342.2.5 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性2.动态功耗动态功耗动态功耗是指动态功耗是指CMOS反相器从一种稳定状态转换到另一种稳反相器从一种稳定状态转换到另一种稳定状态时消耗的功率。定状态时消耗的功率。动态功耗由两部分组成，一部分是对负载电容充、放电所消动态功耗由

12、两部分组成，一部分是对负载电容充、放电所消耗的功率耗的功率PC，另一部分是因管，另一部分是因管VTN和管和管VTP在短时间内同时在短时间内同时导通所产生的瞬时导通功耗导通所产生的瞬时导通功耗PT。3/30/2023352.2.5 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性(1)计算负载电容充、放电所消耗的功率计算负载电容充、放电所消耗的功率PC。3/30/2023362.2.5 CMOS反相器的动态特性反相器的动态特性(2)计算瞬时导通功耗计算瞬时导通功耗PTCPD为电为电路功耗路功耗电电容。容。总的动态功耗总的动态功耗PD为为3/30/2023372.2.6 CMOS与非门与非门图所示电路为两

13、个输入端的图所示电路为两个输入端的CMOS与非门。与非门。工作原理：工作原理：当输入当输入A、B都为都为高电平时高电平时:T1、T2管都导通，管都导通，T3、T4都截止，都截止，因此输出为低电因此输出为低电平；平；工作管工作管负载负载管管3/30/2023382.2.6 CMOS与非门与非门工作原理：工作原理：当当A、B中有一个为低电平中有一个为低电平时时:T1、T2管必有一个导通，管必有一个导通，T3、T4必有一个截止，输出为高必有一个截止，输出为高电平。电平。电路的输入和输出之间是与电路的输入和输出之间是与非逻辑关系。非逻辑关系。3/30/2023392.2.7 CMOS或非门或非门 图所

14、示电路为两个输入端的图所示电路为两个输入端的CMOS或非门。或非门。当当输输入入A、B至至少少有有一一个个高高电平时电平时:并并联联的的NMOS管管 T1和和T2中中至少有一个导通至少有一个导通串串联联的的PMOS管管T3、T4至至少少有有一一个个截截止止，因因此此输输出出为为低电平；低电平；VDDT2(N)F-CMOS或非门或非门T1(N)T4(P)BAT3(P)3/30/2023402.2.7 CMOS或非门或非门当输入当输入A、B都为低电平时都为低电平时:并联并联NMOS管管T1和和T2都截止都截止串串联联PMOS管管T3和和T4都都导导通通，电路输出为高电平。电路输出为高电平。电电路路

15、的的输输入入和和输输出出之之间间是是或或非逻辑关系。非逻辑关系。VDDT2(N)F-CMOS或非门或非门T1(N)T4(P)BAT3(P)3/30/202341带缓冲器的带缓冲器的CMOS门电路门电路实实际际生生产产的的CMOS电电路路中中均均采采用用带带缓缓冲冲级级的的结结构构，就就是是在在门电路的输入端、输出端加入了反相器作为缓冲器。门电路的输入端、输出端加入了反相器作为缓冲器。3/30/202342带缓冲器的带缓冲器的CMOS门电路门电路实实际际生生产产的的CMOS电电路路中中均均采采用用带带缓缓冲冲级级的的结结构构，就就是是在在门电路的输入端、输出端加入了反相器作为缓冲器。门电路的输入

16、端、输出端加入了反相器作为缓冲器。3/30/2023432.3其他类型的其他类型的CMOS门电路及参数门电路及参数图所示为三态输出门电路。图所示为三态输出门电路。A是是输输入入端端，EN是是控控制制端端，F是输出端。是输出端。2.3.1 三态门三态门3/30/2023442.3.1 三态门三态门1.三态门工作原理三态门工作原理当当控控制制端端 为为高高电电平平时时，NMOS管管 VT1和和 PMOS管管VT4均均截截止止，电电路路输输出出端端F呈呈现高阻态；现高阻态；当当控控制制端端 为为低低电电平平时时，VT1和和 VT4管管 同同 时时 导导 通通，VT2和和VT3管管构构成成的的CMOS

17、反反相器正常工作相器正常工作。CMOS三态门三态门3/30/2023452.3.1 三态门三态门2.三态门的用途三态门的用途：在总线传输中的应用在总线传输中的应用实现数据双向传输实现数据双向传输2.3.2 CMOS传输门传输门 CMOS传输门传输门(也称模拟开关也称模拟开关)是逻辑电路的是逻辑电路的一种基本单元电路，其功能是一种传输信一种基本单元电路，其功能是一种传输信号可控开关电路。号可控开关电路。3/30/2023472.3.2 CMOS传输门传输门 CMOS传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，其传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，其功能是一种传输信号可控开关电路。功能是一种传输信号可控开

18、关电路。CMOS传输门电路如图传输门电路如图2-21所示。所示。传输门的输入传输门的输入端和输出端也可端和输出端也可以互换。以互换。传输门的导通传输门的导通电阻约几百欧姆电阻约几百欧姆-开关接通；其开关接通；其截止电阻可大于截止电阻可大于109欧姆欧姆-开关断开关断开。接近于理想开。接近于理想开关。开关。工作条件工作条件:设设TN和和TP的的|VT|=3V，vI：0V10V。2.3.2 CMOS传输门传输门 CMOS传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，其传输门是逻辑电路的一种基本单元电路，其功能是一种传输信号可控开关电路。功能是一种传输信号可控开关电路。CMOS传输门电路如图传输门电路如图2-

19、21所示。所示。(C=10V，C=0V或或C=0V，C=10V)。2.3.2 CMOS传输门传输门 工作原理：工作原理：若若C=0V，C=10V时，时，VTN和和VTP同时截止，故传输门同时截止，故传输门截止，则输入和输出之间呈截止，则输入和输出之间呈现高阻态（现高阻态（109以上），相以上），相当于开关断开；当于开关断开；2.3.2 CMOS传输门传输门 若若C=10V，C=0V且且vI在在07V之间变化时，之间变化时，VTN管导通；管导通；工作原理：工作原理：而而vI在在310V之间变化时，之间变化时，VTP管导通；管导通；故故vI在在37V之间变化时，之间变化时，VTN、VTP管均导通。

20、管均导通。输入和输出之间呈现低阻输入和输出之间呈现低阻状态（状态（1-2k），相当于），相当于开关接通。开关接通。2.3.2 CMOS传输门传输门 结论：结论：CMOS传输门的导通和截止取决于控传输门的导通和截止取决于控制端所加的电平。制端所加的电平。C=1，C=0时，时，传输门导通；传输门导通；C=0，C=1时，时，传输门截止。传输门截止。2.3.3 漏极开路门（漏极开路门（OD门）门）线与线与：把几个逻辑门把几个逻辑门的输出端直接连在一的输出端直接连在一起实现逻辑与。起实现逻辑与。CMOS与非门直接线与非门直接线与出现的问题：与出现的问题：有可能破坏逻辑关系，而有可能破坏逻辑关系，而且还会

21、把门中的导通管烧坏。且还会把门中的导通管烧坏。2.3.3 漏极开路门（漏极开路门（OD门）门）1.OD门的结构及其工作原理门的结构及其工作原理 电路结构：把电路结构：把CMOS与非门电路的输出缓冲器改与非门电路的输出缓冲器改为漏极开路输出，称为漏极开路（为漏极开路输出，称为漏极开路（Open Drain）门电路，简称门电路，简称OD门。门。使用时必须在使用时必须在VTN漏极外加漏极外加合适负载电阻合适负载电阻RL和正电源和正电源VDD。RL称为上拉电阻。称为上拉电阻。2.3.3 漏极开路门漏极开路门(OD门门)2.漏极负载电阻漏极负载电阻RL的选择的选择当当OD门线与输出为高电平时门线与输出为

22、高电平时 若若m个个OD与非门的输出都为高电平直接并联，则与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结果为高电平，如图所示。线与结果为高电平，如图所示。为保证并联输出高电平不低为保证并联输出高电平不低于规定的于规定的VOHmin值，则要求值，则要求RL取值不能太大，才能保证取值不能太大，才能保证VDD-IRLRLVOHmin。IRL=mIOH+nIIH VDD-(mIOH+nIIH)RLVOHmin RL最大值最大值RLmax为：为：VDD-IRLRLVOHmin2.3.3 漏极开路门漏极开路门(OD门门)当当OD门线与输出为低电平时门线与输出为低电平时，从最不利情况考虑，从最不利情况考虑，设只有

23、一个设只有一个OD门处于导通状态，而其它的门处于导通状态，而其它的OD门门均截止，如图所示。均截止，如图所示。RL不能太小，应保证线与不能太小，应保证线与输出低电平仍能低于规定的输出低电平仍能低于规定的VOLmax值，即值，即VDD-IRLRLVOLmax。VDD-IRLRLVOLmaxVDD-(IOL-nIIL)RLVOLmaxRL最小值最小值RLmin为：为：RLminRLRLmax 2.3.3 漏极开路门漏极开路门(OD门门)【例例2-1】图中图中,74HC03中的中的3个个漏极开路与非门漏极开路与非门G1、G2、G3构成构成线与连接，驱动线与连接，驱动74HC04中的反相中的反相器器G

24、4、74HC00中的与非门中的与非门G5和和74HC02中的或非门中的或非门G6。已知已知VDD=5V时，驱动门输出高电时，驱动门输出高电平平VOH4.4V时，输出电流时，输出电流IOH5A，输出低电平，输出低电平VOL0.33V时，输出电流时，输出电流IOL5mA；负载门；负载门的输入电流的输入电流IIL=IIH1.0A。试计算上拉电阻试计算上拉电阻R L的选择范围。的选择范围。2.3.3 漏极开路门漏极开路门(OD门门)解：当线与的解：当线与的OD门输出低电平时门输出低电平时VOLmax=0.33V，IOL5mA，IIL1.0A当当OD门输出高电平时门输出高电平时VOHmin=4.4V，I

25、OH5A，IIH1.0A则电阻则电阻R L的选择范围为：的选择范围为：0.93kRL30k 2.3.3 漏极开路门漏极开路门(OD门门)3.OC门的应用：门的应用：实现与或非逻辑实现与或非逻辑(线与线与)实现电平转移实现电平转移 用作驱动器用作驱动器 2.3.4低电压低电压CMOS门电路门电路随着随着IC工业的发展，工业的发展，MOS管的栅极与源极、栅极与漏极之管的栅极与源极、栅极与漏极之间的绝缘氧化层变得更薄，不能隔离高达间的绝缘氧化层变得更薄，不能隔离高达5V的电压差；的电压差；同同时要时要减小动态功耗减小动态功耗使得使得CMOS门向低电源电压方向发展。因此，选择门向低电源电压方向发展。因

26、此，选择3.3V0.3V、2.5V0.2V、1.8V0.15V作为低电压作为低电压CMOS门门电路的标准逻辑电源电压。电路的标准逻辑电源电压。3/30/2023602.3.5 CMOS系列门电路主要性能参数系列门电路主要性能参数最早投放到市场的最早投放到市场的CMOS集成电路是集成电路是4000系列，系列，4000系列中的器件有非常低的功耗，并有较宽的工系列中的器件有非常低的功耗，并有较宽的工作电压范围作电压范围(315V)，但传输延迟时间很长，带负载，但传输延迟时间很长，带负载能力较弱。能力较弱。不具有不具有与与TTL系列的系列的管脚兼容性管脚兼容性（当两种当两种IC管脚结管脚结构相同时，则

27、这两个构相同时，则这两个IC管脚兼容管脚兼容）和）和电气兼容性电气兼容性（当两种当两种IC能相互连接而不需要采取任何特殊措施能相互连接而不需要采取任何特殊措施来保证正常工作时，这两种来保证正常工作时，这两种IC是电气兼容的是电气兼容的）。）。3/30/2023612.3.5 CMOS系列门电路主要性能参数系列门电路主要性能参数74C系列与相同编号的系列与相同编号的TTL器件是管脚兼容和逻辑功能等效器件是管脚兼容和逻辑功能等效的。的。74HC/HCT系列是高速系列是高速CMOS与与74LS器件相比，它的开关速度提高了器件相比，它的开关速度提高了10倍。倍。比比74C系列具有更高的输出电流。系列具

28、有更高的输出电流。74HC/HCT与相同编号的与相同编号的TTL器件是管脚兼容和逻辑功能等器件是管脚兼容和逻辑功能等效的。效的。74HCT器件与器件与TTL器件具有电气兼容性。器件具有电气兼容性。3/30/2023622.3.5 CMOS系列门电路主要性能参数系列门电路主要性能参数74AC/ACT(Advanced CMOS Logic,亦称亦称ACL)系系列是先进列是先进CMOS逻辑系列逻辑系列,它与各种它与各种TTL系列是逻系列是逻辑功能等效的。辑功能等效的。74AC和和74ACT芯片管脚布局具有抗噪性能，使器芯片管脚布局具有抗噪性能，使器件的输入对芯片其他管脚上信号变化不敏感。件的输入对

29、芯片其他管脚上信号变化不敏感。74AC器件与器件与TTL不具有电气兼容性，不具有电气兼容性，74ACT能直能直接与接与TTL相连接相连接3/30/2023632.3.5 CMOS系列门电路主要性能参数系列门电路主要性能参数74AHC/AHCT系列是改进的高速系列是改进的高速CMOS系列系列它的器件速度比它的器件速度比HC系列的快系列的快3倍；倍；带负载能力也提高了近一倍；带负载能力也提高了近一倍；可以直接用来替换可以直接用来替换HC系列器件。系列器件。74AHC/AHCT系列是目前比较受欢迎的、应用最系列是目前比较受欢迎的、应用最广的广的CMOS器件。器件。3/30/2023642.3.5 C

30、MOS系列门电路主要性能参数系列门电路主要性能参数测试条件：测试条件：4000系列为系列为VDD=5V，IOmax=1A；74HC/HCT系列为系列为VDD=4.5V，IOmax=4mA；74AHC/AHCT系列为系列为VDD=4.5V，IOmax=8mA；74LVC/ALVC系列为系列为VDD=3.3V，IOmax=100A。温度为温度为+25C。3/30/2023652.4.1 三极管的开关特性三极管的开关特性在数字电路中，三极管经常工作在截止状在数字电路中，三极管经常工作在截止状态（相当于开关断开）和饱和状态（相当态（相当于开关断开）和饱和状态（相当于开关闭合），并且经常在这两个状态之于

31、开关闭合），并且经常在这两个状态之间进行快速转换间进行快速转换-称为三极管工作在开关称为三极管工作在开关状态。状态。2.4 TTL门电路门电路3/30/2023662.4.1 三极管的开关特性三极管的开关特性1.截止、饱和的条件截止、饱和的条件截止：截止：VBE 0V(0.5V)饱和：饱和：IBIBS临界饱和：临界饱和：VCE=VBE此时：此时：一般一般VCES=0.10.3V3/30/2023672.4.1 三极管的开关特性三极管的开关特性2.三极管的开关时间三极管的开关时间0.9ICS0.1ICS延迟时间延迟时间td上升时间上升时间tr开启时间开启时间ton=td+tr存储时间存储时间ts

32、下降时间下降时间tf关闭时间关闭时间toff=ts+tf一般地一般地toffton，ts tf并且开关时间为纳秒数量极并且开关时间为纳秒数量极3/30/2023682.4.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路2.2.1 TTL与与非非门门的的工作原理工作原理 TTL与与非非门门的的典典型电路型电路TTL与非门的典型电与非门的典型电路如图路如图2-6所示，它分所示，它分成输入级、中间级和输成输入级、中间级和输出级三个部分。出级三个部分。输入级输入级中间级中间级输出级输出级3/30/2023691.TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输入级输入级由多发射极由多发射极晶体管晶体管T1和电阻和电阻R1组成

33、，通过组成，通过T1的各的各个发射极实现与逻个发射极实现与逻辑功能。辑功能。3/30/2023701.TTL与非门的典型电路与非门的典型电路中中间间级级由由T2、R2、R3组成。组成。其其主主要要作作用用是是从从T2管管的的集集电电极极c2和和发发射射极极e2同同时时输输出出两两个个相相位位相相反反的的信信号号，分分别别驱驱动动T3和和T5管管，来来保保证证T4和和T5管管有有一一个个导导通通时时，另一个就截止。另一个就截止。3/30/2023711.TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输出级输出级由由R4、R5、T3、T4、T5组成，组成，T5是反相器，是反相器，T3、T4组成复合管构成一

34、个射随组成复合管构成一个射随器，作为器，作为T5管的有源负载，管的有源负载，并与并与T5组成推拉式电路，使组成推拉式电路，使输出无论是高电平或是低电输出无论是高电平或是低电平，输出电阻都很小，提高平，输出电阻都很小，提高了带负载能力。了带负载能力。3/30/2023722.工作原理工作原理则则VB1=VIL+VBE1 =0.3+0.7=1VVB2=VC1=VCES1+VIL =0.1+0.3=0.4V0.3V3.6V3.6VDA导通导通！设设A=0 B=1 C=1(VIL=0.3V)，1V0.4V所以：所以：T2、T5 截止截止T3 、T4 导通导通VF =VB3UBE3UBE4 50.70.

35、7=3.6V拉电流拉电流F=13/30/2023732.工作原理工作原理设设A=B=C=1，即即VA=VB=VC=VIH=3.6V3.6V3.6V3.6V2.1VT1管的基极电位升高，管的基极电位升高，使使T1管的集电结、管的集电结、T2和和T5的发射结正向偏置而的发射结正向偏置而导通，导通，T1管的基极电位管的基极电位VB1被箝位在被箝位在2.1V。1.4VT3 导通导通，T4 截止截止 VF=0.3V ，F=0VF=0.3V灌电流灌电流电源电源VCC通过通过R1向向T2和和T5提供很大的偏置提供很大的偏置电流，使电流，使T2和和T5管处管处于饱和导通状态，饱于饱和导通状态，饱和压降为和压降

36、为0.3V。T2管管的集电极电位的集电极电位VC2=VCE2+VBE5=0.3V+0.7V=1V故故T1管处于倒置工作管处于倒置工作状态：发射结反向偏状态：发射结反向偏置、集电结正向偏置。置、集电结正向偏置。1.0V3/30/202374结论：结论：电路只要输入有一个为低电平电路只要输入有一个为低电平时，输出就为高电平；只有输时，输出就为高电平；只有输入全为高电平时，输出才为低入全为高电平时，输出才为低电平。该门为与非门。即电平。该门为与非门。即输入不全为输入不全为1时，输出为时，输出为1输入全为输入全为1时，输出为时，输出为0111111100 0 00 0 10 1 00 1 11 0 0

37、1 0 11 1 01 1 1FA B C真值表真值表3/30/2023752.4.3 TTL与非门的特性曲线与非门的特性曲线1.电压传输特性电压传输特性电压传输特性是描述输出电压电压传输特性是描述输出电压vo与输入与输入电压电压vI之间对应关系的曲线，如图所示。之间对应关系的曲线，如图所示。3/30/2023761.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性AB段（截止区）：nvI0.6V，输出电压，输出电压vO保持在高电平保持在高电平VH。nVC10.7V，T2和和T5管管截止，截止，T3、T4管导通，管导通，输出为高电平，输出为高电平，VOH=3.6V。n由于这段由于这段T2和和T5

38、管截管截止，故称截止区。止，故称截止区。T1管饱和，饱和压降为管饱和，饱和压降为0.1伏伏3/30/2023771.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性BC段段(线性区线性区)：0.6VvI1.3V，0.7VVC11.4V。nT2管开始导通并处于放大状管开始导通并处于放大状态，态，VC2和和vO随输入电压随输入电压vI的的增大而线性降低，故该段称增大而线性降低，故该段称为线性区。为线性区。nT5管仍截止。管仍截止。T3、T4管还是管还是处于导通状态。处于导通状态。3/30/2023781.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段段(过渡区过渡区)：1.3VvI1.4V，n

39、T5管开始导通，管开始导通，T2、T3、T4管管也都处于导通状态，也都处于导通状态，T4、T5管管有一小段时间同时导通有一小段时间同时导通;nT2、T5管管趋于趋于饱和导通，饱和导通，T4管管趋于趋于截止，输出电压截止，输出电压vO急剧下急剧下降到低电平降到低电平vO=0.3V。n由于由于vI的微小变化而引起输出的微小变化而引起输出电压电压vO的急剧下降，故此段称的急剧下降，故此段称为过渡区或转折区。为过渡区或转折区。3/30/2023791.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段段(过渡区过渡区)：nCD段段中点中点对应的输入电压，对应的输入电压，既是既是T5管截止和导通的分界

40、管截止和导通的分界线，又是输出高、低电平的线，又是输出高、低电平的分界线，故此电压称分界线，故此电压称阈值电阈值电压压VT（门槛电压），（门槛电压），VT=1.4V。nVT是决定与非门状态的重要是决定与非门状态的重要参数。当参数。当vIVT时，与非门时，与非门截止，输出高电平。截止，输出高电平。n当当vIVT时，与非门饱和导时，与非门饱和导通，输出低电平。通，输出低电平。VT3/30/2023801.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性DE段（饱和区）：段（饱和区）：vI1.4VnT1管处于倒置工作状态，管处于倒置工作状态，VB1被箝位在被箝位在2.1V，T2、T5管进入饱和导通状态

41、，管进入饱和导通状态，T3管微导通，管微导通，T4管截止。管截止。n由于由于T2、T5管饱和导通，管饱和导通，故称该段为饱和区。故称该段为饱和区。3/30/2023812.输入特性曲线输入特性曲线输入特性输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系是描述输入电流与输入电压之间的关系曲线，如图曲线，如图2-8所示的特性曲线。所示的特性曲线。规定输入电流流规定输入电流流入输入端为正，而从输入端流出为负入输入端为正，而从输入端流出为负。2.输入特性曲线输入特性曲线当当vI1.3V以后以后，T5管开始导通，管开始导通，VB1被箝位在被箝位在2.1V左右；此后，左右；此后，iI的绝对值随的绝对值随vI的增

42、大而迅速减的增大而迅速减小。小。2.输入特性曲线输入特性曲线IB1绝大部分经绝大部分经T1集电结流入集电结流入T2的基极。的基极。当当vI1.4V以后以后，T1就进入倒置工作状态，就进入倒置工作状态，iI由由e1端端流入输入端，此时的输入电流称为流入输入端，此时的输入电流称为输入漏电流输入漏电流IIH，TTL产品规定产品规定IIH 40A,典型值约为典型值约为10A。IIH2.输入特性曲线输入特性曲线输入短路输入短路（低电平）（低电平）电流电流IIS1.4mA。7410 IIS1.6mA输入漏输入漏（高电平）（高电平）电流电流IIH10A。7410 IIH40AIIHIIS3.输入端负载特性输

43、入端负载特性 在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接电阻电阻RI接地。接地。此时就有电流此时就有电流II流过流过RI，并在其上产生电压降，并在其上产生电压降vI。3.输入端负载特性输入端负载特性 当输入端所接电阻当输入端所接电阻RI=0时，即输入端接地时，输时，即输入端接地时，输出为高电平；出为高电平；而而RI=时，输入电流没有通路，与输入端加高电时，输入电流没有通路，与输入端加高电平等效，此时输出为低电平。平等效，此时输出为低电平。3.输入端负载特性输入端负载特性 RI比较小时，与非门截止，输出高电平；比较小时，与非门截止，输出高电平；RI较大时

44、，与非门饱和，输出为低电平；较大时，与非门饱和，输出为低电平；RI不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。3.输入端负载特性输入端负载特性 TTL门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。vI和和RI之间的关系曲线叫做之间的关系曲线叫做输入端负载特性输入端负载特性。TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 关门电阻关门电阻ROFF：保证：保证TTL与非门关闭，输出为标与非门关闭，输出为标准高电平时，所允许的准高电平时，所允许的RI最大值。一般最大值。一般ROFF=0.8k。RIROFF时，与非门输出高电平。时，与非

45、门输出高电平。3.输入端负载特性输入端负载特性 开门电阻开门电阻RON：保证：保证TTL与非门导通，输出为标准与非门导通，输出为标准低电平时，所允许的低电平时，所允许的RI最小值。一般最小值。一般RON=2k。RIRON时，与非门输出低电平。时，与非门输出低电平。4.输出特性输出特性 TTL与与非非门门实实际际工工作作时时，输输出出端端总总要要接接负负载载，产产生生负负载载电电流流，此此电电流流也也在在影影响响输输出出电压的大小。电压的大小。输输出出电电压压与与负负载载电电流流之之间间的的关关系系曲曲线线，称称为为输出特性输出特性。输输出出电电压压有有高高电电平平、低低电电平平两两种种状状态态

46、，所所以有两种输出特性。以有两种输出特性。4.输出特性输出特性 与与非非门门输输入入全全为为高高电电平平时时，输出为低电平。输出为低电平。VT1管倒置工作，管倒置工作，VT2、VT5管饱和导通，管饱和导通，VT3管微导通，管微导通，VT4管截止。管截止。这这时时输输出出级级等等效效电电路路如如图图(a)所所示示，其其电电流流很很大大，是是灌灌电电流负载。流负载。输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 4.输出特性输出特性 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 是三极管在基极电流为某一值时共射是三极管在基极电流为某一值时共射极接法的输出特性曲线如图极接法的输出特性曲线如图2

47、-10(b)所所示。示。T5饱和，其导通电阻饱和，其导通电阻rce很小（十几欧很小（十几欧姆），所以姆），所以iL增加时增加时vO仅稍有增加，仅稍有增加，输出低电平输出低电平VOL。当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，T5管退出饱管退出饱和进入放大，和进入放大，vO迅速上升，破坏了输迅速上升，破坏了输出为低电平的逻辑关系，因此对灌电出为低电平的逻辑关系，因此对灌电流值要有限制。流值要有限制。7410 IOLmax=16mAIOLmaxVOLmax4.输出特性输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 当与非门输入端其中有一端为低当与非门输入端其中有一端为低电平时，输出为

48、高电平。电平时，输出为高电平。VT1管处于深饱和，管处于深饱和，VT2、VT5管截止，管截止，VT3、VT4管导通。管导通。这时输出级等效电路如图这时输出级等效电路如图(a)所示，所示，负载是拉电流负载。负载是拉电流负载。TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 在在iL较小时，较小时，T3处于饱和边缘，处于饱和边缘，T4管放大，管放大，T3、T4组成的复合管有组成的复合管有一定的放大作用，一定的放大作用，输出特性曲线如图输出特性曲线如图2-11(b)所示。所示。输出电阻很小，输出电阻很小，TTL与非门的输与非门的输出电压出电压vO 随随iL变化

49、不大，故输出变化不大，故输出高电平高电平VOH。当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，R4上压上压降增大，降增大，VC3下降，使下降，使T3进入深饱进入深饱和，和，输出电压输出电压vO随负载电流的增加而随负载电流的增加而迅速下降，迅速下降，vOVCC-VCES3-VBE4-iLR4。为了保证为了保证vO为标准高电平。对拉为标准高电平。对拉电流值要有限制。电流值要有限制。IOHmaxVOHmin7410 IOHmax=0.4mA5.动态特性动态特性 延时延时级级三三极极管管存存在在一一定定的的开开关关时时间间等等原原因因,使使得得其其输输出出不不能能立立即即响响应应输输入入信信号号的的变变

50、化化,有有一一定的延时定的延时一般平均的延时为一般平均的延时为1020ns.3/30/20231005.动态特性动态特性 动态尖峰电流动态尖峰电流 n静态时静态时TTL与非门电路的电源电流比较小，与非门电路的电源电流比较小，在在10mA左右。左右。n动态情况下，出现瞬间动态情况下，出现瞬间T4和和T5都导通的状都导通的状态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持续时间较短，故称之为流大，但持续时间较短，故称之为尖峰电尖峰电流或浪涌电流流或浪涌电流。3/30/20231015.动态特性动态特性 n在在工工作作频频率率较较高高时时，平平均均电电流流增增大大，