TTL門電路和CMOS門電路

1、 本章總的要求：本章總的要求： 熟練掌握熟練掌握TTLTTL和和CMOSCMOS集成門電路輸集成門電路輸出與輸入間的邏輯關(guān)系、外部電氣特出與輸入間的邏輯關(guān)系、外部電氣特性，包括電壓傳輸特性、輸入特性、性，包括電壓傳輸特性、輸入特性、輸出特性和動(dòng)態(tài)特性等；掌握各類集輸出特性和動(dòng)態(tài)特性等；掌握各類集成電子器件正確的使用方法。成電子器件正確的使用方法。 重點(diǎn)：重點(diǎn)： TTLTTL電路與電路與CMOSCMOS電路的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)電路的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn). . 3.1 概述概述 門電路是用以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的電子電路，與已經(jīng)講過的邏輯運(yùn)算相對(duì)應(yīng)。常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或

2、門等。正邏輯正邏輯：高電平表示邏輯：高電平表示邏輯1 1、低電平表示邏輯、低電平表示邏輯0 0。負(fù)邏輯負(fù)邏輯：高電平表示邏輯：高電平表示邏輯0 0、低電平表示邏輯、低電平表示邏輯1 1。獲得高、低電平的基本方法獲得高、低電平的基本方法：利用半導(dǎo)體開關(guān)元件的：利用半導(dǎo)體開關(guān)元件的 導(dǎo)通導(dǎo)通、截止截止（即開、關(guān)）兩種工作狀態(tài)。（即開、關(guān)）兩種工作狀態(tài)。3.2 半導(dǎo)體二極管門電路半導(dǎo)體二極管門電路3.2.1 半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性 IF 0.5 0.7iD(mA) uD(V)伏安特性UBR0Ui0.5V時(shí)，二時(shí)，二極管導(dǎo)通極管導(dǎo)通。Ui0時(shí)時(shí)vGS足夠大時(shí)足夠大時(shí)（vGSVGS(th)），），形成電

3、場(chǎng)形成電場(chǎng)GB,把把襯底中的電子吸引襯底中的電子吸引到上表面，除復(fù)合到上表面，除復(fù)合外，剩余的電子在外，剩余的電子在上表面形成了上表面形成了N型型層（反型層）為層（反型層）為D、S間的導(dǎo)通提供了間的導(dǎo)通提供了通道。通道。VGS(th)稱為閾值電壓稱為閾值電壓(開啟電壓）開啟電壓）源極與源極與襯底接襯底接在一起在一起N溝道溝道可以通過改變可以通過改變vGS的大小來控制的大小來控制iD的大小。的大小。二、MOS管的輸入、輸出特性管的輸入、輸出特性 對(duì)于共源極接法的電路，柵極和襯底之間被二氧對(duì)于共源極接法的電路，柵極和襯底之間被二氧化硅絕緣層隔離，所以化硅絕緣層隔離，所以柵極電流為零柵極電流為零。輸

4、出特性曲線輸出特性曲線（漏極特性曲線）（漏極特性曲線）夾斷區(qū)（截止區(qū)） 用途：做無觸點(diǎn)的、斷開狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：整個(gè)溝道都夾斷 )(thGSGSvv0Di特點(diǎn)：可變電阻區(qū)特點(diǎn)特點(diǎn): :(1)(1)當(dāng)vGS 為定值時(shí),iD 是 vDS 的線性函數(shù)，管子的漏源間呈現(xiàn)為線性電阻，且其阻值受 vGS 控制。 （2）管壓降vDS 很小。用途：用途：做壓控線性電阻和無觸點(diǎn)的、閉合狀態(tài)的電子開關(guān)。條件：源端與漏端溝道都不夾斷 恒流恒流區(qū)：(又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）又稱飽和區(qū)或放大區(qū)）特點(diǎn)特點(diǎn):(1)受控性：受控性： 輸入電壓輸入電壓vGS控制輸出電流控制輸出電流2)(1thGSGSDSDVvIi(2)恒流性

5、：恒流性：輸出電流輸出電流iD 基本上不受輸出電壓基本上不受輸出電壓vDS的影響。的影響。條件條件:(1)源端溝道未夾斷源端溝道未夾斷 (2)漏端溝道予夾斷漏端溝道予夾斷 用途用途:可做可做放大器放大器和和恒流源恒流源。三、MOS管的基本開關(guān)電路管的基本開關(guān)電路 當(dāng)當(dāng)vI=vGSVGS(th)且且vI繼續(xù)升高時(shí)，繼續(xù)升高時(shí)，MOS管工作在可變管工作在可變電阻區(qū)。電阻區(qū)。MOS管導(dǎo)通內(nèi)阻管導(dǎo)通內(nèi)阻RON很小，很小，D-S間相當(dāng)于閉合間相當(dāng)于閉合的開關(guān)的開關(guān),vO0。四、MOS管的四種基本類型管的四種基本類型GSDN 溝道耗盡型溝道耗盡型GSDN溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型GSDP 溝道增強(qiáng)型溝道增強(qiáng)型G

6、SDP 溝道耗盡型溝道耗盡型在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。3.3.2 CMOS反相器工作原理 PMOS管管NMOS管管CMOS電路電路VDDT1T2vIvO一、電路結(jié)構(gòu)一、電路結(jié)構(gòu) 當(dāng)當(dāng)NMOS管和管和PMOS管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，管成對(duì)出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管管(意為互補(bǔ)意為互補(bǔ))。VDDTPTNvIvOvI=0截止截止 vo=“”導(dǎo)導(dǎo) 通通vI=1VDDT1T2vIvO導(dǎo)通導(dǎo)通 vo=“”截止截止 靜態(tài)下，無論靜態(tài)下，無論vI是高電平還是低電平，是高電平還是低電平，T1、T2總有總有一個(gè)截止，因此一個(gè)截止，因此CMOS

7、反相器的靜態(tài)功耗極小。反相器的靜態(tài)功耗極小。二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性 電壓傳輸特性閾值電壓閾值電壓VTHT1導(dǎo)通T2截止T2導(dǎo)通T1截止T1T2同時(shí)導(dǎo)通電流傳輸特性T2截止T1截止CMOS反相器在使用時(shí)應(yīng)盡量避免長(zhǎng)期工作在BC段。(max)(max)OLILNLVVV輸入低電平時(shí)噪聲容限：輸入低電平時(shí)噪聲容限： 在保證輸出高、低電在保證輸出高、低電平基本不變的條件下平基本不變的條件下,輸入輸入電平的允許波動(dòng)范圍稱為電平的允許波動(dòng)范圍稱為輸入端噪聲容限輸入端噪聲容限。(min)(min)IHOHNHVVV輸入高電平時(shí)噪聲容限：輸入高電平時(shí)噪聲容限：三、輸入端噪

8、聲容限三、輸入端噪聲容限 噪聲容限衡量門電路的噪聲容限衡量門電路的抗干擾能力?？垢蓴_能力。噪聲容限越大，表明電路抗干擾能力越強(qiáng)。噪聲容限越大，表明電路抗干擾能力越強(qiáng)。 測(cè)試表明：測(cè)試表明：CMOS電路噪聲容限電路噪聲容限VNH=VNL30VDD，且隨，且隨VDD的增加而加大。的增加而加大。 因?yàn)橐驗(yàn)镸OS管的柵極和襯底之間存在著以管的柵極和襯底之間存在著以SiO2為介質(zhì)的輸入電容，而絕緣介質(zhì)非常薄，極易被為介質(zhì)的輸入電容，而絕緣介質(zhì)非常薄，極易被擊穿，所以應(yīng)采取保護(hù)措施。擊穿，所以應(yīng)采取保護(hù)措施。3.3.3 CMOS反相器的靜態(tài)輸入輸出特性 一、輸入特性一、輸入特性 iI (mA)-0.7 0

9、VDD + 0.7 vI (V) 在正常的輸入信號(hào)范圍內(nèi)，在正常的輸入信號(hào)范圍內(nèi)，即即0.7V vI (VDD+0.7)V時(shí)輸時(shí)輸入電流入電流iI 0。(因?yàn)橐驗(yàn)镃MOS門電門電路的路的GS間有一層絕緣的間有一層絕緣的SiO2薄薄層。層。)在在0.7V (VDD+0.7)V以外的以外的區(qū)域，區(qū)域， iI從零開始增大，并隨從零開始增大，并隨vI增加急劇上升，原因是保護(hù)增加急劇上升，原因是保護(hù)電路中的二極管已進(jìn)入導(dǎo)通狀電路中的二極管已進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。態(tài)。注意：注意：由于門電路輸入端的由于門電路輸入端的絕緣層使輸入的阻抗極高，絕緣層使輸入的阻抗極高，若有靜電感應(yīng)會(huì)在懸空的輸若有靜電感應(yīng)會(huì)在懸空的輸入端

10、產(chǎn)生不定的電位，故入端產(chǎn)生不定的電位，故CMOSCMOS門電路的輸入端不允許門電路的輸入端不允許懸空懸空。二、輸出特性二、輸出特性 低電平輸出特性低電平輸出特性高電平輸出特性高電平輸出特性VOL0VOHVDD3.3.4 CMOS反相器的動(dòng)態(tài)特性 一、傳輸延遲時(shí)間一、傳輸延遲時(shí)間 tviotvoo50%50%tpdHLtpdLH平均傳輸時(shí)間平均傳輸時(shí)間)(21pHLpLHpdttt二、交流噪聲容限二、交流噪聲容限 噪聲電壓作用時(shí)間越短、電源電壓越高，交流噪聲容噪聲電壓作用時(shí)間越短、電源電壓越高，交流噪聲容限越大。限越大。三、動(dòng)態(tài)功耗三、動(dòng)態(tài)功耗 反相器從一種穩(wěn)定狀態(tài)突然變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過反相

11、器從一種穩(wěn)定狀態(tài)突然變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的過程中，將產(chǎn)生附加的功耗，即為動(dòng)態(tài)功耗。程中，將產(chǎn)生附加的功耗，即為動(dòng)態(tài)功耗。 動(dòng)態(tài)功耗包括：負(fù)載電容充放電所消耗的功率動(dòng)態(tài)功耗包括：負(fù)載電容充放電所消耗的功率PC和和PMOS、NMOS同時(shí)導(dǎo)通所消耗的瞬時(shí)導(dǎo)通功耗同時(shí)導(dǎo)通所消耗的瞬時(shí)導(dǎo)通功耗PT。 在工作頻率較高的情況下，在工作頻率較高的情況下，CMOS反相器的動(dòng)態(tài)功耗反相器的動(dòng)態(tài)功耗要比靜態(tài)功耗大得多，靜態(tài)功耗可忽略不計(jì)。要比靜態(tài)功耗大得多，靜態(tài)功耗可忽略不計(jì)。3.3.5 其他類型CMOS門電路 1.與與非非門門)(BAY一、其他邏輯功能的一、其他邏輯功能的CMOS門電路門電路任一輸入端為低，設(shè)任一輸

12、入端為低，設(shè)vA=0vA=0斷開斷開 導(dǎo)通導(dǎo)通 vO=1輸入全為高電平輸入全為高電平vA=1vB=1導(dǎo)通導(dǎo)通 斷開斷開 vO=02.或非門或非門)(BAY任一輸入端為高，設(shè)任一輸入端為高，設(shè)vA=1vA=1導(dǎo)通導(dǎo)通 斷開斷開 vO=0輸入端全為低輸入端全為低vA=0vB=0斷開斷開 導(dǎo)通導(dǎo)通 vO=13. 帶緩沖級(jí)的帶緩沖級(jí)的CMOS門電路門電路)()( BABAY)()( BABAY 帶緩沖級(jí)的門電路其輸出電阻、輸出高、低電平以及帶緩沖級(jí)的門電路其輸出電阻、輸出高、低電平以及電壓傳輸特性將不受輸入端狀態(tài)的影響。電壓傳輸特性的電壓傳輸特性將不受輸入端狀態(tài)的影響。電壓傳輸特性的轉(zhuǎn)折區(qū)也變得更陡。

13、轉(zhuǎn)折區(qū)也變得更陡。二、漏極開路輸出門電路（二、漏極開路輸出門電路（OD門）門）為什么需要為什么需要OD門？門？普通與非門輸出不能普通與非門輸出不能直接連在一起實(shí)現(xiàn)直接連在一起實(shí)現(xiàn)“線與線與”！ABYCD)()( CDABY10產(chǎn)產(chǎn)生生一一個(gè)個(gè)很很大大的的電電流流需將一個(gè)需將一個(gè)MOS管的漏極開路構(gòu)成管的漏極開路構(gòu)成OD門。門。需加一上拉電阻)(BAYABYOD輸出與非門的邏輯符號(hào)及函數(shù)式輸出與非門的邏輯符號(hào)及函數(shù)式ODOD門輸出端可直接連接實(shí)現(xiàn)線與。門輸出端可直接連接實(shí)現(xiàn)線與。)()()(21 CDABCDABYYYABYCDVDDRLRL的選擇：的選擇：(max)LIHOHOHDDLRmIn

14、IVVRIOHIIHn個(gè)m個(gè)OHLIHOHDDVRmInIV)(VDDVILVILVILRLVOHn是并聯(lián)是并聯(lián)OD門的數(shù)目，門的數(shù)目，m是負(fù)載門電路高電平輸入電流的數(shù)目。是負(fù)載門電路高電平輸入電流的數(shù)目。VIHVILVILVDDRLVOLm個(gè)IOLIIL(max)/ )(OLILLOLDDIImRVV(min)(max)|LILOLOLDDLRImIVVR例例3.3.2 m是負(fù)載門電路低電平輸入電流的數(shù)目。在負(fù)載門為是負(fù)載門電路低電平輸入電流的數(shù)目。在負(fù)載門為CMOS門電路的情況下，門電路的情況下，m和和m相等。相等。C0、 ，即，即C 端為低電平（端為低電平（0V）、）、 端為高電平端為高

15、電平（VDD）時(shí)，）時(shí)， T1和和T2都不具備開啟條件而截止，輸都不具備開啟條件而截止，輸入和輸出之間相當(dāng)于開關(guān)斷開一樣，呈高阻態(tài)。入和輸出之間相當(dāng)于開關(guān)斷開一樣，呈高阻態(tài)。1CC三、三、CMOS傳輸門傳輸門C1、 ，即，即C 端為端為高電平（高電平（VDD）、）、 端為端為低電平（低電平（0V）時(shí)，）時(shí)，T1和和T2至至少有一個(gè)導(dǎo)通，輸入和輸出少有一個(gè)導(dǎo)通，輸入和輸出之間相當(dāng)于開關(guān)接通一樣，之間相當(dāng)于開關(guān)接通一樣，呈低阻態(tài)，呈低阻態(tài)，vovi 。0CC TG1TG2ABYA=1、B=0時(shí)，時(shí)，TG1截止，截止，TG2導(dǎo)通，導(dǎo)通，Y=B =1;TG1TG2ABYA=0、B=1時(shí)，時(shí)，TG2截止

16、，截止，TG1導(dǎo)通，導(dǎo)通，Y=B =1;TG1TG2ABYA=0、B=0時(shí)，時(shí)，TG2截止，截止，TG1導(dǎo)通，導(dǎo)通，Y=B =0;TG1TG2ABYA=1、B=1時(shí)，時(shí)，TG1截止，截止，TG2導(dǎo)通，導(dǎo)通，Y=B =0;BAY雙向模擬開關(guān)雙向模擬開關(guān)1NE , G4輸出高電平，輸出高電平，G5輸出低電平，輸出低電平，T1、T2 同時(shí)截止，輸出呈同時(shí)截止，輸出呈高阻態(tài)高阻態(tài)；四、三態(tài)門四、三態(tài)門 AYEN邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)101100NEAYAYEN邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)0101110若若A=1，則，則G4、G5輸出均為高電平，輸出均為高電平，T1截止、截止、T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，Y=0；若若A=0，則，則G

17、4、G5輸出均為低電平，輸出均為低電平，T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2截止，截止，Y=1；0001AYENAYEN低電平有效低電平有效) 1()0(NEZNEAY高電平有效高電平有效)0() 1(ENZENAY三態(tài)門有三種狀態(tài)三態(tài)門有三種狀態(tài):高電平、低電平、高阻態(tài)。高電平、低電平、高阻態(tài)。3.3.6 CMOS電路的特點(diǎn) CMOS電路電路的優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)1. 靜態(tài)功耗小。靜態(tài)功耗小。2. 允許電源電壓范圍寬允許電源電壓范圍寬(3 18V）。）。3. 扇出系數(shù)大，噪聲容限大。扇出系數(shù)大，噪聲容限大。 1 1輸入電路的靜電保護(hù)輸入電路的靜電保護(hù) CMOS電路的輸入端設(shè)置了保護(hù)電路，給使用者電路的輸入端設(shè)置了保護(hù)

18、電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護(hù)還是有限的。由于帶來很大方便。但是，這種保護(hù)還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電路的輸入阻抗高，極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，從而擊穿電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：件的永久損壞。為避免靜電損壞，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： CMOS電路電路的正確使用的正確使用 （1 1）所有與）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。表等必須可靠接地。 （2 2）存儲(chǔ)和運(yùn)輸）存儲(chǔ)和運(yùn)輸CMOS電路，最好采用金屬電路，最好采用金屬屏

19、蔽層做包裝材料。屏蔽層做包裝材料。2 2多余的輸入端不能懸空。多余的輸入端不能懸空。輸入端懸空極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，輸入端懸空極易產(chǎn)生感應(yīng)較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對(duì)多余的輸入端，可以按造成器件的永久損壞。對(duì)多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯(lián)使用。使用。3輸入電路需過流保護(hù)輸入電路需過流保護(hù)3.5 TTL門電路門電路3.5.1 雙極型三極管的開關(guān)特性一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu)一、雙極型三極管的結(jié)構(gòu) BECNNP基極基極 發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極BECNPN型三極管型三極管PNP集電極集電極 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極

20、 BCEBECPNP型三極管型三極管二、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性二、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性 IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 AIB( A)UBE(V)204060800.40.8輸入特性曲線輸入特性曲線輸出特性曲線輸出特性曲線開啟電壓開啟電壓飽飽和和區(qū)區(qū)截止區(qū)截止區(qū)放大區(qū)放大區(qū)三、雙極型三極管的基本開關(guān)電路三、雙極型三極管的基本開關(guān)電路 在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和飽和和和截止截止兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的

21、過渡狀態(tài)。三極管臨界飽和三極管臨界飽和時(shí)的基極電流：時(shí)的基極電流：mA094. 0mA1503 . 05cCESCCBSRUVIui=1V時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流：時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流：mA03. 0mA107 . 01bBEiBRuuiuo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03501=3.5Vui= =0.3V時(shí)，因?yàn)闀r(shí)，因?yàn)閡BE 0.5V，iB=0=0，三極管工作在，三極管工作在 截止?fàn)顟B(tài)，截止?fàn)顟B(tài)，ic=0=0。因?yàn)?。因?yàn)閕c=0=0，所以輸出電壓：，所以輸出電壓：uo=VCC=5V 截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)ui=UIL0.5Vuo=+VCC+VCCRbRcbcemA094. 0mA15

22、03 . 05cCESCCBSRUVIui3V3V時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流：時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流：mA23. 0mA107 . 03BiuoUCES0.3V0.3V三極管飽和三極管飽和飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)iBIBSui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V四、雙極型三極管的開關(guān)等效電路四、雙極型三極管的開關(guān)等效電路 開關(guān)等效電路開關(guān)等效電路(1) 截止?fàn)顟B(tài) 條件：發(fā)射結(jié)反偏特點(diǎn)：電流約為0 (2)飽和狀態(tài)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點(diǎn)：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅三極管開關(guān)等效電路(a) 截止時(shí) (b) 飽和時(shí)uituot+Vcc0.3V五、雙極型三極管的

23、動(dòng)態(tài)開關(guān)特性五、雙極型三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性 BJTBJT的開關(guān)時(shí)間：的開關(guān)時(shí)間：是指是指BJTBJT管由管由截止到飽和截止到飽和導(dǎo)通導(dǎo)通 或者由或者由飽和導(dǎo)通到截止飽和導(dǎo)通到截止所需要的時(shí)間。所需要的時(shí)間。延遲時(shí)間延遲時(shí)間td從從+ +VB2加到集加到集電極電流電極電流ic上升到上升到0.10.1ICS所需所需要的時(shí)間；要的時(shí)間； 上升時(shí)間上升時(shí)間tric從從0.10.1ICS到到0.90.9ICS所需要的時(shí)間；所需要的時(shí)間； 開通時(shí)間開通時(shí)間t tonon= =t td d+ +t tr r就是建立基區(qū)電荷時(shí)間就是建立基區(qū)電荷時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間存儲(chǔ)時(shí)間ts從輸入信號(hào)降從輸入信號(hào)降到到- -VB1到

24、到ic降到降到0.90.9ICS 所需要所需要的時(shí)間；的時(shí)間； 下降時(shí)間下降時(shí)間tfic從從0.90.9ICS降到降到0.10.1ICS所需要的時(shí)間。所需要的時(shí)間。 關(guān)閉時(shí)間關(guān)閉時(shí)間toff=ts+tf就是就是存儲(chǔ)電荷消散的時(shí)間存儲(chǔ)電荷消散的時(shí)間 加入加入VEE的目的是確的目的是確保即使輸入低電平信號(hào)稍大保即使輸入低電平信號(hào)稍大于零時(shí)，也能使三極管基極于零時(shí)，也能使三極管基極為負(fù)電位，從而使三極管為負(fù)電位，從而使三極管 可靠截止，輸出為高電平?？煽拷刂梗敵鰹楦唠娖?。AY六、三極管反相器六、三極管反相器 AY集成門電路集成門電路雙極型雙極型TTL (Transistor-Transistor

25、Logic Integrated Circuit , TTL)ECLNMOSCMOSPMOSMOSMOS型型（M Metal-etal-O Oxide-xide- S Semiconductoremiconductor，MOSMOS）TTL 晶體管晶體管- -晶體管邏輯集成電路晶體管邏輯集成電路MOS 金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管集成電路金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管集成電路3.5.2 TTL反相器輸入級(jí)倒相級(jí)輸出級(jí)稱為稱為推拉式推拉式電路電路或或圖騰圖騰柱輸出電路柱輸出電路一、一、TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理1.輸入為低電平（輸入為低電平（0.2V）時(shí)）時(shí)三個(gè)三個(gè)PN結(jié)結(jié)

26、導(dǎo)通需導(dǎo)通需2.1V0.9V不足以讓不足以讓T2、T5導(dǎo)通導(dǎo)通T2、T5截止截止1.輸入為低電平（輸入為低電平（0.2V）時(shí)）時(shí)vovo=5vR2vbe4vD23.4V 輸出輸出高電平高電平2.輸入為高電平（輸入為高電平（3.4V）時(shí)）時(shí)電位被嵌電位被嵌在在2.1V全導(dǎo)通全導(dǎo)通 vB1=VIH+VON=4.1V發(fā)射結(jié)反偏 1V截止T2、T5飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通2.輸入為高電平（輸入為高電平（3.4V）時(shí)）時(shí)vo =VCE50.3V 輸出低電平輸出低電平 可見，無論輸入如何，可見，無論輸入如何，T4和和T5總是一管總是一管導(dǎo)通而另一管截止。導(dǎo)通而另一管截止。 這種推拉式工作方式，這種推拉式工作方式，

27、帶負(fù)載能力很強(qiáng)帶負(fù)載能力很強(qiáng)。AB段：段：vI0.6V, vB10.7V, vI1.4V, vI繼繼續(xù)升高續(xù)升高,vo不不再變化，保再變化，保持低電平持低電平0.3V。（飽和區(qū)飽和區(qū)）二、電壓傳輸特性二、電壓傳輸特性 輸出高電平輸出高電平VOH、輸出低電平、輸出低電平VOL VOH 2.4V VOL 0.4V 便認(rèn)為合格。便認(rèn)為合格。 典型值典型值VOH=3.4V VOL 0.3V 。 閾值電壓閾值電壓VTH(門檻電壓門檻電壓)vIVTH時(shí)，認(rèn)為時(shí)，認(rèn)為vI是高電平。是高電平。VTH=1.4VOLILNLVVV輸入低電平時(shí)噪聲容限：輸入低電平時(shí)噪聲容限：IHOHNHVVV輸入高電平時(shí)噪聲容限：

28、輸入高電平時(shí)噪聲容限：三、輸入端噪聲容限三、輸入端噪聲容限 一一.輸入特性輸入特性:3.5.3 TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性輸入短路電輸入短路電流流IIS(IIL)高電平輸入電流高電平輸入電流IIH二二.輸出特性輸出特性TTL反相器高電平輸出特性反相器高電平輸出特性由于受到功耗的限制手冊(cè)上給出的高電平輸出電流的最大值要比5mA小得多。74系列系列IOH(max)=0.4mA二二.輸出特性輸出特性TTL反相器低電平輸出特性反相器低電平輸出特性IOL(max)前后級(jí)之間電流的聯(lián)系前后級(jí)之間電流的聯(lián)系？前級(jí)輸出為前級(jí)輸出為 高電平時(shí)高電平時(shí)前級(jí)（驅(qū)動(dòng)門）前級(jí)（驅(qū)動(dòng)門）后級(jí)（負(fù)載門）后級(jí)（負(fù)載

29、門）前級(jí)流出前級(jí)流出電流電流I IOHOH（拉電流）（拉電流）1發(fā)射結(jié)反偏發(fā)射結(jié)反偏,輸輸入電流入電流IIH很小很小(幾十幾十A)前級(jí)輸出為前級(jí)輸出為 低電平時(shí)低電平時(shí)前級(jí)（驅(qū)動(dòng)門）前級(jí)（驅(qū)動(dòng)門）后級(jí)（負(fù)載門）后級(jí)（負(fù)載門）0流入前級(jí)流入前級(jí)的電流的電流IOL (灌電流灌電流)輸入低電平輸入低電平時(shí)的輸入電時(shí)的輸入電流流I IILIL，大約，大約為為1mA1mA。扇出系數(shù)扇出系數(shù)驅(qū)動(dòng)同類門的個(gè)數(shù)。驅(qū)動(dòng)同類門的個(gè)數(shù)。灌電流工作時(shí)：灌電流工作時(shí)：ILOLOLIIN拉電流工作時(shí)：拉電流工作時(shí)：IHOHOHIIN扇出系數(shù)扇出系數(shù)NO取取NOL、 NOH中較小的一個(gè)。中較小的一個(gè)。扇出系數(shù)衡量門電路的扇

30、出系數(shù)衡量門電路的帶負(fù)載能力帶負(fù)載能力。IILIOLIIHIOH例例3.5.2 解：解： VOL=0.2V時(shí)，驅(qū)動(dòng)門輸出電流IOL=16mA,每個(gè)負(fù)載門的輸入電流為IIL=1mA。16116ILOLOLIIN VOH=3.2V時(shí)，驅(qū)動(dòng)門輸出電流IOH=7.5mA,但手冊(cè)規(guī)定|IOH|0.4mA,故取|IOH|=0.4mA;每個(gè)負(fù)載門的輸入電流為IIH=40A。1004. 04 . 0IHOHOHIIN扇出系數(shù)扇出系數(shù)NO=10輸入端輸入端“1”,“0” ？三三. 輸入端負(fù)載特性輸入端負(fù)載特性在一定范圍內(nèi)，uI隨RP的增大而升高。但當(dāng)輸入電壓uI達(dá)到1.4V以后，uB1 = 2.1V，RP增大，

31、由于uB1不變，故uI = 1.4V也不變。這時(shí)T2和T5飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。1.4開門電阻開門電阻RON (2K左右）左右）(1) (1) 關(guān)門電阻關(guān)門電阻ROFF 在保證門電路輸出在保證門電路輸出為額定高電平的條件下，所允許為額定高電平的條件下，所允許RP 的最大值稱為的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的關(guān)門電阻。典型的TTLTTL門電路門電路ROFF 0.7k 0.7k。 (2) (2) 開門電阻開門電阻RON 在保證門電路輸出為在保證門電路輸出為額定低電平的條件下，所允許額定低電平的條件下，所允許RP 的最小值稱為開的最小值稱為開門電阻。典型的門電阻。典型的TTLTTL門電路門電路RON

32、2k 2k。 數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RP RON或或RP ROFF ，否則輸入信號(hào)將不在高低電平范圍內(nèi)。，否則輸入信號(hào)將不在高低電平范圍內(nèi)。振蕩電路則令振蕩電路則令 ROFF RP RON使電路處于轉(zhuǎn)使電路處于轉(zhuǎn)折區(qū)。折區(qū)。10K例：判斷如圖例：判斷如圖TTL電路輸出為何狀態(tài)？電路輸出為何狀態(tài)？Y0=010 Y1=1 Y01110Y1Y2=010VCCY210K1. 懸空的輸入端相當(dāng)于接高電平。懸空的輸入端相當(dāng)于接高電平。2. 為了防止干擾，一般應(yīng)將懸空的為了防止干擾，一般應(yīng)將懸空的輸入端接高電平。輸入端接高電平。例例3.5.3解：解：vO1=VOH、vI2VIH

33、(min)時(shí)時(shí)應(yīng)滿足：應(yīng)滿足：VOHIIHRPVIH(min)kIVVRIHIHOHP35(min)vO1=VOL、vI2VIL(max)時(shí)時(shí)POLILILBECCRVVRVvV(max)1(max)1kRVvVVVRILBECCOLILP69. 01(max)1(max)因此，因此，RP不應(yīng)大于不應(yīng)大于690.G1G2RPvO1vI23.5.4 TTL反相器的動(dòng)態(tài)特性一、傳輸延遲時(shí)間一、傳輸延遲時(shí)間tviotvoo50%50%tpdHLtpdLH平均傳輸時(shí)間平均傳輸時(shí)間)(21pdHLpdLHpdttt平均傳輸延遲時(shí)間平均傳輸延遲時(shí)間tpd表征了門電路的開表征了門電路的開關(guān)速度。關(guān)速度。 二

34、二. .功耗：功耗： 有靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。有靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗指的是當(dāng)指的是當(dāng)電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗電路沒有狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)的功耗;動(dòng)態(tài)功耗動(dòng)態(tài)功耗只發(fā)生在狀只發(fā)生在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間。對(duì)于態(tài)轉(zhuǎn)換的瞬間。對(duì)于TTL電路靜態(tài)功耗是主要的，電路靜態(tài)功耗是主要的，用用PD表示表示 。3.5.5 其他類型的TTL門電路 一一. 其他邏輯功能的門電路其他邏輯功能的門電路輸入端改成多發(fā)輸入端改成多發(fā)射極三極管射極三極管)(BAY1.與與非非門門 TTL集成門電路的封裝：集成門電路的封裝： 雙列直插式雙列直插式 如：如：TTLTTL門電路芯片（門電路芯片（四四2 2輸入與非門，輸入與非門，型號(hào)型

35、號(hào)7474LS00LS00 ) )地地GNDGND外外 形形管腳管腳 電源電源V VCCCC（+5V+5V）74LS00內(nèi)含4個(gè)2輸入與非門，74LS20內(nèi)含2個(gè)4輸入與非門。例：例：如圖電路，已知如圖電路，已知 74S00門電路門電路GP參數(shù)為：參數(shù)為：IOH/IOL=-1.0mA/20mAIIH/IIL=50A/-1.43mA試求門試求門GP能驅(qū)動(dòng)多少同類門？能驅(qū)動(dòng)多少同類門？若將電路中的芯片改為若將電路中的芯片改為74S20，其門電路參數(shù)同，其門電路參數(shù)同74S00，問此時(shí)，問此時(shí)GP能驅(qū)動(dòng)多能驅(qū)動(dòng)多少同類門？少同類門？GPG1Gn門門GP輸出低電平時(shí)，設(shè)可帶同類門數(shù)為輸出低電平時(shí)，設(shè)可

36、帶同類門數(shù)為NOL：1443. 120|ILOLOLIIN解：解：門門GP輸出的高電平時(shí)，設(shè)可帶同類門數(shù)為輸出的高電平時(shí)，設(shè)可帶同類門數(shù)為NOH：1005. 020 . 1|2|IHOHOHIIN扇出系數(shù)扇出系數(shù)=10由于與非門的輸入端為多發(fā)射極，當(dāng)前一級(jí)門輸出低電由于與非門的輸入端為多發(fā)射極，當(dāng)前一級(jí)門輸出低電平時(shí)，負(fù)載門只要一個(gè)輸入端為低電平，平時(shí)，負(fù)載門只要一個(gè)輸入端為低電平，T2、T5就截止。就截止。74S20為為4輸入輸入與非門，所以與非門，所以門門GP輸出低電平時(shí)，設(shè)可帶同類門數(shù)為輸出低電平時(shí)，設(shè)可帶同類門數(shù)為NOL：1443. 120|ILOLOLIIN門門GP輸出高電平時(shí)，設(shè)可

37、帶同類門數(shù)為輸出高電平時(shí)，設(shè)可帶同類門數(shù)為NOH：505. 040 . 1|4|IHOHOHIIN扇出系數(shù)扇出系數(shù)No=5兩方框中電路相同兩方框中電路相同A為高電平時(shí)，T2、T5同時(shí)導(dǎo)通，T4截止，輸出Y為低電平。B為高電平時(shí)，T2、T5同時(shí)導(dǎo)通，T4截止，輸出Y為低電平。A、B都為低電都為低電平時(shí)平時(shí)，T2、T2同時(shí)截止，T5截止，T4導(dǎo)通，輸出Y為高電平。)(BAY2.或非門或非門或非門或非門與或非門與或非門)(DCBAY3.與與或或非非門門4.異或門異或門若A、B同時(shí)為高電平，T6、T9導(dǎo)通，T8截止，輸出低電平；A、B同時(shí)為低電平，T4、T5同時(shí)截止，使T7、T9導(dǎo)通，T8截止，輸出也

38、為低電平。A、B不同時(shí)，T1正向飽和導(dǎo)通，T6截止；T4、T5中必有一個(gè)導(dǎo)通，從而使T7截止。T6、T7同時(shí)截止，使得T8導(dǎo)通，T9截止，輸出為高電平。74LS86二二.集電極開路門（集電極開路門（OC門）門）為什么需要為什么需要OC門？門？普通與非門輸出不能普通與非門輸出不能直接連在一起實(shí)現(xiàn)直接連在一起實(shí)現(xiàn)“線與線與”！10產(chǎn)生一個(gè)很大的電流產(chǎn)生一個(gè)很大的電流)()( CDABYABYCD集電極懸空集電極懸空 )(BAYABYOCOC門輸出端可直接連接實(shí)現(xiàn)線與。門輸出端可直接連接實(shí)現(xiàn)線與。VCCVILVILVILRLRL的選擇：的選擇：(max)LIHOHOHCCLRmInIVVRIOHII

39、Hn個(gè)m個(gè)OHLIHOHCCVRmInIV)(VOH負(fù)載門輸入負(fù)載門輸入端個(gè)數(shù)端個(gè)數(shù)VIHVILVILVCCRLVOLm個(gè)IOLIIL(max)/ )(OLILLOLCCIImRVV(min)(max)|LILOLOLCCLRImIVVR負(fù)載門個(gè)數(shù)負(fù)載門個(gè)數(shù) 由于與非門的輸入端為多發(fā)射極，當(dāng)前一級(jí)門輸出低由于與非門的輸入端為多發(fā)射極，當(dāng)前一級(jí)門輸出低電平時(shí)，負(fù)載門只要一個(gè)輸入端為低電平，電平時(shí)，負(fù)載門只要一個(gè)輸入端為低電平，T2、T5就截止。就截止。若為或非門，若為或非門，m是輸入端的個(gè)數(shù)，而不是負(fù)載門的數(shù)目。是輸入端的個(gè)數(shù)，而不是負(fù)載門的數(shù)目。例例3.5.5 三三. 三態(tài)門三態(tài)門 （TSTS

40、門門) ) 三態(tài)輸出門三態(tài)輸出門(Three-State Output Gate)是是在普通門電路的在普通門電路的基礎(chǔ)上附加控制基礎(chǔ)上附加控制電路而構(gòu)成的。電路而構(gòu)成的。ENAYBENAYB0 截截 止止)( ABY1導(dǎo)導(dǎo) 通通截止截止 截止截止 高阻態(tài)高阻態(tài) 3.5.6 TTL數(shù)字集成電路的各種系列 74H系列：系列：高速系列。其工作速度的提高是用增高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代價(jià)換取的，效果不夠理想。加功耗的代價(jià)換取的，效果不夠理想。從從提高工作速度提高工作速度、降低功耗降低功耗兩方面考慮進(jìn)行改進(jìn)。兩方面考慮進(jìn)行改進(jìn)。74S系列：系列：肖特基系列。采用抗飽和三極管，提肖特基系列

41、。采用抗飽和三極管，提高了工作速度，但電路功耗加大，并且輸出的低高了工作速度，但電路功耗加大，并且輸出的低電平升高。電平升高。74LS系列：系列：低功耗肖特基系列。兼顧功耗和速度低功耗肖特基系列。兼顧功耗和速度兩個(gè)方面，得到更小的延遲功耗積。兩個(gè)方面，得到更小的延遲功耗積。74AS系列：系列：電路結(jié)構(gòu)與電路結(jié)構(gòu)與74LS系列相似，采用低系列相似，采用低 阻值，提高了工作速度，但功耗較大。阻值，提高了工作速度，但功耗較大。74ALS系列：系列：其延遲功耗積是其延遲功耗積是TTL電路所有系電路所有系列中最小的一種。列中最小的一種。54、54H、54S、54LS系列：系列：54系列與系列與74系列電

42、路系列電路具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。54系列系列工作溫度范圍更寬，電源允許的工作范圍更大。工作溫度范圍更寬，電源允許的工作范圍更大。74系列：溫度系列：溫度070，電源電壓，電源電壓5V5%;54系列系列: 溫度溫度-55+125，電源電壓，電源電壓5V10%。型 號(hào)名 稱主 要 功 能74LS00四2輸入與非門 74LS02四2輸入或非門 74LS04六反相器 74LS05六反相器OC門74LS08四2輸入與門 74LS13雙4輸入與非門施密特觸發(fā)74LS308輸入與非門 74LS32四2輸入或門 74LS644-2-3-2輸入與或非門 74LS13313輸入與非門 74LS136四異或門OC輸出74LS365六總線驅(qū)動(dòng)器同相、三態(tài)、公共控制74LS368六總線驅(qū)動(dòng)器反相、三態(tài)、兩組控制 TTL集成門電路系列集成門電路系列 CMOS電路電路與與TTL電路比較：電路比較：（1）CMOS電路的工作速度比電路的工作速度比TTL電路的低。電路的低。（2）CMOS帶負(fù)載的能力比帶負(fù)載的能力比TTL電路強(qiáng)。電路強(qiáng)。（3）CMOS電路的電源電壓允許范圍較大，約在電路的電源電壓允許范圍較大，約在 318V，抗干擾能力比，抗干擾能力比TTL電路強(qiáng)。電路強(qiáng)。（4）CMOS電路的功耗比電路的功耗比TTL電路小得