數(shù)字電子技術(shù)_03邏輯門電路

1、2022-7-71 2022-7-72 數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOSMOS管工作管工作在開關(guān)狀態(tài)。在開關(guān)狀態(tài)。導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開關(guān)閉合導(dǎo)通狀態(tài)：相當(dāng)于開關(guān)閉合截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開關(guān)斷開。截止?fàn)顟B(tài)：相當(dāng)于開關(guān)斷開。邏輯變量邏輯變量兩狀態(tài)開關(guān)：兩狀態(tài)開關(guān)： 在邏輯代數(shù)中邏輯變量有兩種取值：在邏輯代數(shù)中邏輯變量有兩種取值：0 0和和1 1；電子開關(guān)有兩種狀態(tài)：閉合、斷開。電子開關(guān)有兩種狀態(tài)：閉合、斷開。半導(dǎo)體二極管、三極管和半導(dǎo)體二極管、三極管和MOSMOS管，則是構(gòu)成這管，則是構(gòu)成這種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件種電子開關(guān)的基本開關(guān)元件。2022-7-73 (1)

2、 靜態(tài)特性：靜態(tài)特性： 斷開時(shí)，開關(guān)兩端的電壓不管多大，等效電阻斷開時(shí)，開關(guān)兩端的電壓不管多大，等效電阻ROFF = 無窮，電流無窮，電流IOFF = 0。 閉合時(shí)，流過其中的電流不管多大，等效電阻閉合時(shí)，流過其中的電流不管多大，等效電阻RON = 0，電壓，電壓UAK = 0。 (2) 動(dòng)態(tài)特性：開通時(shí)間動(dòng)態(tài)特性：開通時(shí)間 ton = 0 關(guān)斷時(shí)間關(guān)斷時(shí)間 toff = 0 理想開關(guān)的開關(guān)特性：理想開關(guān)的開關(guān)特性： 2022-7-74客觀世界中，沒有理想開關(guān)?？陀^世界中，沒有理想開關(guān)。乒乓開關(guān)、繼電器、接觸器等的靜態(tài)特性十分乒乓開關(guān)、繼電器、接觸器等的靜態(tài)特性十分接近理想開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很差

3、，無法滿足數(shù)字電接近理想開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很差，無法滿足數(shù)字電路一秒鐘開關(guān)幾百萬次乃至數(shù)千萬次的需要。路一秒鐘開關(guān)幾百萬次乃至數(shù)千萬次的需要。半導(dǎo)體二極管、三極管和半導(dǎo)體二極管、三極管和MOSMOS管做為開關(guān)使用管做為開關(guān)使用時(shí)，其靜態(tài)特性不如機(jī)械開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很好。時(shí)，其靜態(tài)特性不如機(jī)械開關(guān)，但動(dòng)態(tài)特性很好。2022-7-75靜態(tài)特性及開關(guān)等效電路靜態(tài)特性及開關(guān)等效電路正向?qū)〞r(shí)正向?qū)〞r(shí)UD(ON)0.7V（硅）（硅） 0.3V（鍺）（鍺）RD幾幾 幾十幾十相當(dāng)于開關(guān)閉合相當(dāng)于開關(guān)閉合 圖3-1 二極管的伏安特性曲線2022-7-76反向截止時(shí)反向截止時(shí)反向飽和電流極小反向飽和電流極小反向

4、電阻很大（約幾百反向電阻很大（約幾百kk）相當(dāng)于開關(guān)斷開相當(dāng)于開關(guān)斷開圖3-1 二極管的伏安特性曲線2022-7-77圖3-2 二極管的開關(guān)等效電路(a) 導(dǎo)通時(shí) (b) 截止時(shí)圖3-1 二極管的伏安特性曲線開啟電壓理想化伏安特性曲線2022-7-782. 2. 動(dòng)態(tài)特性：動(dòng)態(tài)特性：若輸入信號頻率過高，二極管會(huì)雙向?qū)ǎ糨斎胄盘栴l率過高，二極管會(huì)雙向?qū)ǎ蜗驅(qū)щ娮饔?。因此去單向?qū)щ娮饔?。因此高頻應(yīng)用時(shí)高頻應(yīng)用時(shí)需考慮此參數(shù)。需考慮此參數(shù)。二極管從截止變?yōu)閷?dǎo)通和從導(dǎo)通變?yōu)榻刂苟夹瓒O管從截止變?yōu)閷?dǎo)通和從導(dǎo)通變?yōu)榻刂苟夹枰欢ǖ臅r(shí)間。通常后者所需的時(shí)間長得多。要一定的時(shí)間。通常后者所需的

5、時(shí)間長得多。 反向恢復(fù)時(shí)間反向恢復(fù)時(shí)間t trere ：二極管從導(dǎo)通到截止所需的：二極管從導(dǎo)通到截止所需的時(shí)間。時(shí)間。一般為納秒數(shù)量級（通常一般為納秒數(shù)量級（通常t trere 5ns 5ns ）。）。2022-7-791. 1. 靜態(tài)特性及開關(guān)等效電路靜態(tài)特性及開關(guān)等效電路在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在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)只是極兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。短暫的過渡狀態(tài)。圖3-3三極管的三種工作狀態(tài)（a）電路 （b）輸出特性曲線2022-7-710開關(guān)等效電路(1) (1) 截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài) 條件：發(fā)

6、射結(jié)反偏條件：發(fā)射結(jié)反偏特點(diǎn)：電流約為特點(diǎn)：電流約為0 0 2022-7-711(2)(2)飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏特點(diǎn)：特點(diǎn)：U UBESBES=0.7V=0.7V，U UCESCES=0.3V/=0.3V/硅硅2022-7-712圖3-4三極管開關(guān)等效電路(a) 截止時(shí) (b) 飽和時(shí)2022-7-7132. 2. 三極管的開關(guān)時(shí)間（動(dòng)態(tài)特性）三極管的開關(guān)時(shí)間（動(dòng)態(tài)特性）圖3-5 三極管的開關(guān)時(shí)間 開啟時(shí)間ton 上升時(shí)間tr延遲時(shí)間td關(guān)閉時(shí)間toff下降時(shí)間tf存儲(chǔ)時(shí)間ts2022-7-714(1) 開啟時(shí)間開啟時(shí)間ton 三極管從截止到

7、飽和所需的時(shí)間。三極管從截止到飽和所需的時(shí)間。ton = td +tr td ：延遲時(shí)間延遲時(shí)間 tr ：上升時(shí)間上升時(shí)間(2) 關(guān)閉時(shí)間關(guān)閉時(shí)間toff 三極管從飽和到截止所需的時(shí)間。三極管從飽和到截止所需的時(shí)間。toff = ts +tf ts ：存儲(chǔ)時(shí)間（幾個(gè)參數(shù)中最長的；飽和越深越長）：存儲(chǔ)時(shí)間（幾個(gè)參數(shù)中最長的；飽和越深越長）tf ：下降時(shí)間：下降時(shí)間toff ton 。開關(guān)時(shí)間一般在納秒數(shù)量級。高頻應(yīng)用時(shí)需考慮。2022-7-715門電路的概念：門電路的概念： 實(shí)現(xiàn)基本和常用邏輯運(yùn)算的電子電路，叫邏輯實(shí)現(xiàn)基本和常用邏輯運(yùn)算的電子電路，叫邏輯門電路。實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算的叫與門，實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算的叫

8、或門電路。實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算的叫與門，實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算的叫或門，實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算的叫非門，也叫做反相器，等等。門，實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算的叫非門，也叫做反相器，等等。分立元件門電路和集成門電路分立元件門電路和集成門電路: : 分立元件門電路：用分立的元件和導(dǎo)線連接起分立元件門電路：用分立的元件和導(dǎo)線連接起來構(gòu)成的門電路。簡單、經(jīng)濟(jì)、功耗低，負(fù)載差。來構(gòu)成的門電路。簡單、經(jīng)濟(jì)、功耗低，負(fù)載差。 集成門電路：把構(gòu)成門電路的元器件和連線都集成門電路：把構(gòu)成門電路的元器件和連線都制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起來，便構(gòu)成了制作在一塊半導(dǎo)體芯片上，再封裝起來，便構(gòu)成了集成門電路?，F(xiàn)在使用最多的是集成門電路?，F(xiàn)在使用最多的是CMOSCM

9、OS和和TTLTTL集成門集成門電路。電路。2022-7-716電路電路工作原理工作原理A、B為輸入信號為輸入信號 （+3V或或0V）F 為輸出信號為輸出信號 VCC+12V表2-1電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V2022-7-717用邏輯用邏輯1 1表示高電平（此例為表示高電平（此例為+3V+3V）用邏輯用邏輯0 0表示低電平（此例為表示低電平（此例為0.7V0.7V）ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3. 3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平邏輯賦值并規(guī)定高低電平4. 4. 真值表真值表ABF0000

10、10100111表3-2 二極管與門的真值表A A、B B全1，F(xiàn) F才為1?？梢妼?shí)現(xiàn)了與邏輯2022-7-718邏輯符號邏輯符號工作波形工作波形( (又一種表示邏輯功能的方法）又一種表示邏輯功能的方法）邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式FA B圖3-6 二極管與門（a）電路 （b）邏輯符號 （c）工作波形2022-7-719電路電路工作原理工作原理電路輸入與輸出電壓的關(guān)系A(chǔ)BF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B為輸入信號（為輸入信號（+3V或或0V）F為輸出信號為輸出信號 2022-7-7204. 4. 真值表真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V

11、2.3V可見實(shí)現(xiàn)了或邏輯3. 3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯用邏輯1 1表示高電平（此例為表示高電平（此例為+2.3V+2.3V）用邏輯用邏輯0 0表示低電平（此例為表示低電平（此例為0V0V）ABF000011101111A A、B B有1，F(xiàn) F就1。表3-2 二極管或門的真值表2022-7-721圖3-7 二極管或門（a）電路 （b）邏輯符號 （c）工作波形邏輯符號邏輯符號工作波形工作波形邏輯表達(dá)式邏輯表達(dá)式FA+ B2022-7-722 電位指絕對電壓的大??；電平指一定的電壓范電位指絕對電壓的大小；電平指一定的電壓范圍。圍。 高電平和低電平：在數(shù)字電路中分別表

12、示兩段高電平和低電平：在數(shù)字電路中分別表示兩段電壓范圍。電壓范圍。 例：上面二極管與門電路中規(guī)定高電平為例：上面二極管與門電路中規(guī)定高電平為3V3V，低電平低電平0.7V0.7V。 又如，又如，TTLTTL電路中，通常規(guī)定高電平的額定值為電路中，通常規(guī)定高電平的額定值為3V3V，但從，但從2V2V到到5V5V都算高電平；低電平的額定值為都算高電平；低電平的額定值為0.3V0.3V，但從，但從0V0V到到0.8V0.8V都算作低電平。都算作低電平。關(guān)于高低電平的概念關(guān)于高低電平的概念 2022-7-7232. 邏輯狀態(tài)賦值邏輯狀態(tài)賦值 在數(shù)字電路中，用邏輯在數(shù)字電路中，用邏輯0 0和邏輯和邏輯1

13、 1分別表示輸入、分別表示輸入、輸出高電平和低電平的過程稱為邏輯賦值。輸出高電平和低電平的過程稱為邏輯賦值。 經(jīng)過邏輯賦值之后可以得到邏輯電路的真值表，經(jīng)過邏輯賦值之后可以得到邏輯電路的真值表，便于進(jìn)行邏輯分析。便于進(jìn)行邏輯分析。2022-7-724圖3-8 非門(a) 電路 （b）邏輯符號電路電路工作原理工作原理A、B為輸入信號 （+3.6V或0.3V）F為輸出信號 AF0.3V+VCC3.6V0.3V2022-7-7253. 3. 邏輯賦值并規(guī)定高低電平邏輯賦值并規(guī)定高低電平用邏輯用邏輯1 1表示高電平（此例為表示高電平（此例為+3.6V+3.6V）用邏輯用邏輯0 0表示低電平（此例為表示

14、低電平（此例為0.3V0.3V）4. 4. 真值表真值表AF0.3V+VCC3.6V0.3VAF0110表3-4 三極管非門的真值表A與F相反可見實(shí)現(xiàn)了非邏輯Y=A2022-7-726正邏輯體系：用1表示高電平，用0表示低電平。負(fù)邏輯體系：用1表示低電平，用0表示高電平。 正負(fù)邏輯的規(guī)定正負(fù)邏輯的規(guī)定 正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換正負(fù)邏輯的轉(zhuǎn)換對于同一個(gè)門電路，可以采用正邏輯，也可以采用負(fù)邏輯。 本書若無特殊說明，一律采用正邏輯體制。 同一個(gè)門電路，對正、負(fù)邏輯而言，其邏輯功能是不同的。2022-7-727ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V正與門相當(dāng)于負(fù)或門二極管與門電路

15、用正邏輯ABF000010100111正與門用負(fù)邏輯負(fù)或門ABF1111010110002022-7-728TTLTTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用集成邏輯門電路的輸入和輸出結(jié)構(gòu)均采用半導(dǎo)體三極管，所以稱晶體管半導(dǎo)體三極管，所以稱晶體管晶體管邏輯門電路，晶體管邏輯門電路，簡稱簡稱TTLTTL電路。電路。TTLTTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。簡單了解簡單了解TTLTTL反相器的電路及工作原理，重點(diǎn)反相器的電路及工作原理，重點(diǎn)掌握其特性曲線和主要參數(shù)（應(yīng)用所需知識）。掌握其特性曲線和主要參數(shù)（應(yīng)用所需知識）。2022-7-7291. 1. 電路組成電路組成圖3-9 T

16、TL反相器的基本電路 2022-7-730(1) (1) 輸入級輸入級NPN當(dāng)輸入低電平時(shí)， uI=0.3V，發(fā)射結(jié)正向?qū)ǎ?uB1=1.0V當(dāng)輸入高電平時(shí)， uI=3.6V，發(fā)射結(jié)受后級電路的影響將反向截止。 uB1由后級電路決定。NNP2022-7-731(2) (2) 中間級中間級反相器VT2實(shí)現(xiàn)非邏輯反相輸出同相輸出向后級提供反相與同相輸出。輸入高電 壓時(shí)飽和輸入低電壓時(shí)截止2022-7-732(3) (3) 輸出級（輸出級（推拉式輸出）推拉式輸出） VT3為射極跟隨器低輸入高輸入飽和截止低輸入高輸入截止導(dǎo)通2022-7-7332. 2. 工作原理工作原理（1）當(dāng)輸入高電平時(shí)， uI

17、=3.6V，VT1處于倒置工作狀態(tài)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏，uB1=0.7V3=2.1V，VT2和VT4飽和，輸出為低電平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6V2022-7-734（2） 當(dāng)輸入低電平時(shí)，當(dāng)輸入低電平時(shí)， uI=0.3V，VT1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，uB1=0.3V+0.7V=1V，VT2和和VT4均截止，均截止，VT3和和VD導(dǎo)通。導(dǎo)通。輸出高電平輸出高電平uO =VCC -UBE3-UD5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3V2022-7-735 (3) 采用采用推拉式輸出級推拉式輸出級利于提高開關(guān)速度和負(fù)載能力利于提高開關(guān)速度和負(fù)載能力 VT3組成射極輸

18、出器，優(yōu)點(diǎn)是既能提高開關(guān)速度，組成射極輸出器，優(yōu)點(diǎn)是既能提高開關(guān)速度，又能提高負(fù)載能力。又能提高負(fù)載能力。 當(dāng)輸入高電平時(shí)，當(dāng)輸入高電平時(shí)，VT4飽和，飽和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和和VD截止，截止，VT4的集電的集電極電流可以全部用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。極電流可以全部用來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 當(dāng)輸入低電平時(shí)，當(dāng)輸入低電平時(shí)，VT4截止，截止，VT3導(dǎo)通導(dǎo)通(為射極輸為射極輸出器出器)，其輸出電阻很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。，其輸出電阻很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。 可見，無論輸入如何，可見，無論輸入如何，VT3和和VT4總是一管導(dǎo)通總是一管導(dǎo)通而另一管截止。而另一管截止。 這種推拉式工作方式，這種推

19、拉式工作方式，帶負(fù)載能力很強(qiáng)帶負(fù)載能力很強(qiáng)。 2022-7-736電壓傳輸特性：輸出電壓uO與輸入電壓uI的關(guān)系曲線。圖3-10 TTL反相器電路的電壓傳輸特性截止區(qū)線性區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)飽和區(qū)VT4截止，稱關(guān)門VT4飽和，稱開門2022-7-7372. 2. 結(jié)合電壓傳輸特性介紹幾個(gè)參數(shù)結(jié)合電壓傳輸特性介紹幾個(gè)參數(shù) (1) 輸出高電平輸出高電平UOH 典型值為典型值為3V。(2) 輸出低電平輸出低電平UOL 典型值為典型值為0.3V。2022-7-738(3) 開門電平開門電平UON一般要求一般要求UON1.8V(4) 關(guān)門電平關(guān)門電平UOFF一般要求一般要求UOFF0.8V 在保證輸出為額定低電平的

20、條件下，允許的最小在保證輸出為額定低電平的條件下，允許的最小輸入高電平的數(shù)值，稱為開門電平輸入高電平的數(shù)值，稱為開門電平UON。在保證輸出為額定高電平的條件下，允許的最大在保證輸出為額定高電平的條件下，允許的最大輸入低電平的數(shù)值，稱為關(guān)門電平輸入低電平的數(shù)值，稱為關(guān)門電平UOFF。UOFFUON2022-7-739(5) 閾值電壓閾值電壓UTH 電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對應(yīng)的電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)所對應(yīng)的uI值稱為值稱為閾值電壓閾值電壓UTH（又稱門檻電平）。通常（又稱門檻電平）。通常UTH1.4V。 (6) 噪聲容限（噪聲容限（ UNL和和UNH ） 噪聲容限也稱噪聲容限也稱抗干擾能

21、力抗干擾能力，它反映門電路在多大，它反映門電路在多大的干擾電壓下仍能正常工作。的干擾電壓下仍能正常工作。 UNL和和UNH越大，電路的抗干擾能力越強(qiáng)。越大，電路的抗干擾能力越強(qiáng)。2022-7-740UOFFUNLUILUONUNHUIH2022-7-741 低電平噪聲容限（低電平正向干擾范圍）低電平噪聲容限（低電平正向干擾范圍） UNL=UOFF-UIL UIL為電路輸入低電平的典型值（為電路輸入低電平的典型值（0.3V） 若若UOFF=0.8V，則有，則有 UNL=0.8-0.3=0.5 (V) 高電平噪聲容限（高電平負(fù)向干擾范圍）高電平噪聲容限（高電平負(fù)向干擾范圍）UNH = UIH -

22、UON UIH為電路輸入高電平的典型值（為電路輸入高電平的典型值（3V） 若若UON=1.8V，則有，則有 UNH = 3-1.8 =1.2 (V)2022-7-7421.1. 輸入伏安特性輸入伏安特性輸入電壓和輸入電流之間的關(guān)系曲線。輸入電壓和輸入電流之間的關(guān)系曲線。圖3-11 TTL反相器的輸入伏安特性（a）測試電路 （b）輸入伏安特性曲線2022-7-743 兩個(gè)重要參數(shù)：兩個(gè)重要參數(shù)： (1) 輸入短路電流輸入短路電流IIS當(dāng)當(dāng)uI = 0V時(shí)，時(shí)，iI從輸入端流出。從輸入端流出。 iI =(VCCUBE1)/R1 =(50.7)/4 1.1mA(2) 高電平輸入電流高電平輸入電流II

23、H 當(dāng)輸入為高電平時(shí)，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，VT1的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏，處于倒置工作狀態(tài)，倒置工作的三極管電流正偏，處于倒置工作狀態(tài)，倒置工作的三極管電流放大系數(shù)放大系數(shù)反反很小很小(約在約在0.01以下以下)，所以，所以 iI = IIH =反反 iB2 IIH很小，約為很小，約為10A左右左右。2022-7-744圖3-12 輸入負(fù)載特性曲線 （a）測試電路 （b）輸入負(fù)載特性曲線 TTL反相器的輸入端對地接上電阻RI 時(shí)，uI隨RI 的變化而變化的關(guān)系曲線。2. 2. 輸入負(fù)載特性輸入負(fù)載特性2022-7-745在一定范圍內(nèi)，在一定范圍內(nèi)，uI隨隨RI的增大而升的增大

24、而升高。但當(dāng)輸入電壓高。但當(dāng)輸入電壓uI達(dá)到達(dá)到1.4V以后，以后，uB1 = 2.1V，RI增大，增大，由于由于uB1不變，故不變，故uI = 1.4V也不變。這也不變。這時(shí)時(shí)VT2和和VT4飽和導(dǎo)飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。通，輸出為低電平。虛框內(nèi)為TTL反相器的部分內(nèi)部電路 2022-7-746RI 不大不小時(shí)，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。不大不小時(shí)，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。RI 較小時(shí)，關(guān)門，輸出高電平；較小時(shí)，關(guān)門，輸出高電平；RI 較大時(shí)，開門，輸出低電平；較大時(shí)，開門，輸出低電平；ROFFRONRI 懸空時(shí)？2022-7-747(1) 關(guān)門電阻關(guān)門電阻ROFF 在保證門電路輸出為在保證門電路

25、輸出為額定高電平的條件下，所允許額定高電平的條件下，所允許RI 的最大值稱為關(guān)的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的門電阻。典型的TTL門電路門電路ROFF 0.7k。 (2) 開門電阻開門電阻RON 在保證門電路輸出為額在保證門電路輸出為額定低電平的條件下，所允許定低電平的條件下，所允許RI 的最小值稱為開門的最小值稱為開門電阻。典型的電阻。典型的TTL門電路門電路RON 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RI RON或或RI ROFF ，否則輸入信號將不在高低電平范圍內(nèi)。，否則輸入信號將不在高低電平范圍內(nèi)。振蕩電路則令振蕩電路則令 ROFF RI RON使電路處于轉(zhuǎn)使電路處

26、于轉(zhuǎn)折區(qū)。折區(qū)。2022-7-7483. 3. 輸出特性輸出特性 指輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系曲線。指輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系曲線。(1) 輸出高電平時(shí)的輸出特性輸出高電平時(shí)的輸出特性負(fù)載電流iL不可過大，否則輸出高電平會(huì)降低。圖3-13 輸出高電平時(shí)的輸出特性（a）電路 （b）特性曲線拉電流負(fù)載2022-7-749圖3-14輸出低電平時(shí)的輸出特性（a）電路 （b）特性曲線(2) (2) 輸出低電平時(shí)的輸出特性輸出低電平時(shí)的輸出特性負(fù)載電流iL不可過大，否則輸出低電平會(huì)升高。一般灌電流在20 mA以下時(shí)，電路可以正常工作。典型TTL門電路的灌電流負(fù)載為12.8 mA。 灌電流負(fù)載2022

27、-7-7501. 平均傳輸延遲時(shí)間平均傳輸延遲時(shí)間tpd 平均傳輸延遲時(shí)間平均傳輸延遲時(shí)間tpd表征了門電路的開關(guān)速度。表征了門電路的開關(guān)速度。 tpd = （tpLH +tpHL）/2 圖3-15 TTL反相器的平均延遲時(shí)間 2022-7-7512 2 TTLTTL門電路主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)門電路主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)表3-5 74系列TTL門電路主要參數(shù)的典型數(shù)據(jù)參 數(shù) 名 稱典 型 數(shù) 據(jù) 導(dǎo)通電源電流 ICCL 10 mA 截止電源電流 ICCH 5 mA 輸出高電平 UOH 3 V 輸出低電平 UOL 0.35 V 輸入短路電流 IIS 2.2 mA 輸入漏電流 IIH 70A 開門電平

28、UON 1.8 V 關(guān)門電平 UOFF 0.8 V 平均傳輸時(shí)間 tpd 30 ns2022-7-752每一個(gè)發(fā)射極能各自獨(dú)立形成正向偏置的發(fā)每一個(gè)發(fā)射極能各自獨(dú)立形成正向偏置的發(fā)射結(jié)，并可使三極管進(jìn)入放大或飽和區(qū)。射結(jié)，并可使三極管進(jìn)入放大或飽和區(qū)。圖3-16 多發(fā)射極三極管 1 1TTLTTL與非門的電路結(jié)構(gòu)及工作原理與非門的電路結(jié)構(gòu)及工作原理 有0.3V箝位于1.0V全為3.6V集電結(jié)導(dǎo)通2022-7-753圖3-17三輸入TTL與非門電路(a)電路 (b) 邏輯符號全1輸出0有0輸出11V 2.1V2022-7-754 為了提高工作速度，降低功耗，提高抗干擾能力，為了提高工作速度，降低

29、功耗，提高抗干擾能力，各生產(chǎn)廠家對門電路作了多次改進(jìn)。各生產(chǎn)廠家對門電路作了多次改進(jìn)。7474系列與系列與5454系列的電路具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)系列的電路具有完全相同的電路結(jié)構(gòu)和電氣性能參數(shù)。其不同之處見下表所示。和電氣性能參數(shù)。其不同之處見下表所示。 系列系列參數(shù)參數(shù)74系列系列54系列系列工作環(huán)境溫度工作環(huán)境溫度070OC-55125OC電源電壓工作范圍電源電壓工作范圍5V5%5V10%2022-7-755表3-6 不同系列TTL門電路的比較 系列參數(shù)54/74標(biāo)準(zhǔn)54H/74H高速54S/74S肖特基tpd/ns1064P/門/mw1022.520 系列參數(shù)54LS/74LS低功耗肖特

30、基54ALS/74ALS低功耗肖特基高速tpd/ns104P/門/mw21 其中LS系列的綜合性能(功耗延遲積)較優(yōu)，價(jià)格較ALS系列優(yōu)越，因此得到了較廣的應(yīng)用。 2022-7-756對于不同系列的對于不同系列的TTL器件，只要器件型號的后器件，只要器件型號的后幾位數(shù)碼一樣，則它們的邏輯功能、外形尺寸、引幾位數(shù)碼一樣，則它們的邏輯功能、外形尺寸、引腳排列就完全相同。腳排列就完全相同。例如，例如，7420、74H20、74S20、74LS20都是四都是四輸入雙與非門，都采用輸入雙與非門，都采用14條引腳雙列直插式封裝，條引腳雙列直插式封裝，而且各引腳的位置也是相同的。而且各引腳的位置也是相同的。

31、2022-7-757為何要采用集電極開路門呢？推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)存在局限性推拉式輸出電路結(jié)構(gòu)存在局限性。首先，首先，輸出端不能并聯(lián)使用輸出端不能并聯(lián)使用。若兩個(gè)門的輸出。若兩個(gè)門的輸出一高一低，當(dāng)兩個(gè)門的輸出端并聯(lián)以后，必然有很一高一低，當(dāng)兩個(gè)門的輸出端并聯(lián)以后，必然有很大的電流同時(shí)流過這兩個(gè)門的輸出級，而且電流的大的電流同時(shí)流過這兩個(gè)門的輸出級，而且電流的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的工作電流，數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常的工作電流，可能使門電路損壞可能使門電路損壞。而且，輸出端也而且，輸出端也呈現(xiàn)不高不低的電平呈現(xiàn)不高不低的電平，不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)，不能實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的邏輯功能。有的邏輯功能。 2022-7-758圖3-18推

32、拉式輸出級并聯(lián)的情況01很大的電流不高不低的電平：1/0?2022-7-759 其次，在采用推拉式輸出級的門電路中，電其次，在采用推拉式輸出級的門電路中，電源一經(jīng)確定（通常規(guī)定為源一經(jīng)確定（通常規(guī)定為5V），輸出的高電平也），輸出的高電平也就固定了（不可能高于電源電壓就固定了（不可能高于電源電壓5V），因而無法），因而無法滿足對不同輸出高電平的需要。滿足對不同輸出高電平的需要。 集電極開路門（簡稱集電極開路門（簡稱OC門）就是為克服以上門）就是為克服以上局限性而設(shè)計(jì)的一種局限性而設(shè)計(jì)的一種TTL門電路。門電路。 2022-7-760 (1)(1)電路結(jié)構(gòu)：輸出級是集電極開路的。電路結(jié)構(gòu)：輸出級

33、是集電極開路的。 1 1集電極開路門的電路結(jié)構(gòu)集電極開路門的電路結(jié)構(gòu) (2)(2)邏輯符號：用邏輯符號：用“”表示集電極開路。表示集電極開路。圖3-19 集電極開路的TTL與非門（a）電路 （b）邏輯符號集電極開路2022-7-761(3)(3)工作原理：工作原理：當(dāng)當(dāng)VT3飽和，輸出低電平飽和，輸出低電平UOL0.3V；當(dāng)當(dāng)VT3截止，由外接電源截止，由外接電源E通過外接上拉電阻通過外接上拉電阻提供高電平提供高電平UOHE。因此，因此， OC門電路必須外接電源和負(fù)載電阻，門電路必須外接電源和負(fù)載電阻，才能提供高電平輸出信號。才能提供高電平輸出信號。2022-7-762(1) OC門的輸出端并

34、聯(lián)，實(shí)現(xiàn)門的輸出端并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)線與線與功能。功能。 RL為外接負(fù)載電阻。為外接負(fù)載電阻。圖2-20 OC門的輸出端并聯(lián)實(shí)現(xiàn)線與功能 Y1Y2Y000010100111CDABCDABYYY212022-7-763圖3-21用OC門實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換的電路 （2 2）用）用OC門實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換門實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換2022-7-764三態(tài)門電路的輸出有三種可能出現(xiàn)的狀態(tài)：三態(tài)門電路的輸出有三種可能出現(xiàn)的狀態(tài)：高電平、低電平、高阻。高電平、低電平、高阻。何為高阻狀態(tài)？懸空、懸浮狀態(tài)，又稱為禁止?fàn)顟B(tài)。懸空、懸浮狀態(tài)，又稱為禁止?fàn)顟B(tài)。測電阻為測電阻為，故稱為高阻狀態(tài)。，故稱為高阻狀態(tài)。測電壓為測電壓為0V，但不是接地。

35、，但不是接地。因?yàn)閼铱?，所以測其電流為因?yàn)閼铱?，所以測其電流為0A。2022-7-765(1)電路結(jié)構(gòu)：增加了控制輸入端（Enable）。 1 1三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)(2)工作原理：01截止YAB EN = 0時(shí)，電路為正常的與非工作狀態(tài)，時(shí)，電路為正常的與非工作狀態(tài)，所以稱控制端低電平有效。所以稱控制端低電平有效。2022-7-76610導(dǎo)通1.0V1.0V截止截止懸空當(dāng)EN = 1時(shí)，門電路輸出端處于懸空的高阻狀態(tài)。2022-7-767控制端高電平有效的三態(tài)門(2)邏輯符號控制端低電平有效的三態(tài)門用“”表示輸出為三態(tài)。高電平有效低電平有效2022-7-7682 2三態(tài)門的主要應(yīng)

36、用實(shí)現(xiàn)總線傳輸三態(tài)門的主要應(yīng)用實(shí)現(xiàn)總線傳輸要求各門的控制要求各門的控制端端EN輪流為高電平，輪流為高電平，且在任何時(shí)刻只有一且在任何時(shí)刻只有一個(gè)門的控制端為高電個(gè)門的控制端為高電平。平。圖3-23 用三態(tài)門實(shí)現(xiàn)總線傳輸 如有如有8個(gè)門，則個(gè)門，則8個(gè)個(gè)EN端的波形應(yīng)依端的波形應(yīng)依次為高電平，如下頁次為高電平，如下頁所示。所示。2022-7-7692022-7-7702022-7-771MOS門電路：以門電路：以MOS管作為開關(guān)元件構(gòu)成的管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。門電路。 MOS門電路，尤其是門電路，尤其是CMOS門電路具有制造門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、工藝簡單、

37、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得到了十分迅速的發(fā)展。價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，得到了十分迅速的發(fā)展。2022-7-7721MOS管的開關(guān)特性 MOS管有管有NMOS管和管和PMOS管兩種。管兩種。 當(dāng)當(dāng)NMOS管和管和PMOS管成對出現(xiàn)在電路中，且二管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管管(意為互補(bǔ)意為互補(bǔ))。MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。 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。2022-7-773圖3-24 NMOS管的電路符號及轉(zhuǎn)移特性 (a) 電路符號 （b）轉(zhuǎn)移特性D接正電源截止導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小 （

38、1）NMOS管的開關(guān)特性 2022-7-774圖3-25 PMOS管的電路符號及轉(zhuǎn)移特性 (a) 電路符號 （b）轉(zhuǎn)移特性D接負(fù)電源 （2）PMOS管的開關(guān)特性 導(dǎo)通導(dǎo)通電阻相當(dāng)小截止2022-7-775圖3-26 CMOS反相器 PMOS管負(fù)載管NMOS管驅(qū)動(dòng)管 開啟電壓|UTP|=UTN，且小于VDD。 2CMOS反相器的工作原理 （1）基本電路結(jié)構(gòu)2022-7-776 （2）工作原理圖3-26 CMOS反相器 UIL=0V截止導(dǎo)通UOHVDD當(dāng)uI= UIL=0V時(shí)，VTN截止，VTP導(dǎo)通， uO = UOHVDD 2022-7-777圖3-26 CMOS反相器 UIH= VDD截止UO

39、L 0V當(dāng)uI =UIH = VDD ，VTN導(dǎo)通，VTP截止， uO =UOL0V導(dǎo)通2022-7-778 （3 3）邏輯功能）邏輯功能實(shí)現(xiàn)反相器功能（非邏輯）。實(shí)現(xiàn)反相器功能（非邏輯）。 （4）工作特點(diǎn)）工作特點(diǎn)VTP和和VTN總是一管導(dǎo)通而另一管截止，流過總是一管導(dǎo)通而另一管截止，流過VTP和和VTN的靜態(tài)電流極?。{安數(shù)量級），因而的靜態(tài)電流極?。{安數(shù)量級），因而CMOS反相器的反相器的靜態(tài)功耗極小靜態(tài)功耗極小。這是。這是CMOS電路最突電路最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。出的優(yōu)點(diǎn)之一。2022-7-779圖3-27 CMOS反相器的電壓傳輸特性和電流傳輸特性 3 電壓傳輸特性和電流傳輸特性AB段

40、：截止區(qū)i iD D為0BC段：轉(zhuǎn)折區(qū)閾值電壓UTHVDD/2轉(zhuǎn)折區(qū)中點(diǎn)：電流最大CMOS反相器在使用時(shí)應(yīng)盡量避免長期工作在BC段。CD段：導(dǎo)通區(qū)2022-7-7804. CMOS電路的優(yōu)點(diǎn)電路的優(yōu)點(diǎn) （1）微功耗。 CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級。 （2）抗干擾能力很強(qiáng)。 輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。 （3）電源電壓范圍寬。 多數(shù)CMOS電路可在318V的電源電壓范圍 內(nèi)正常工作。 （4）輸入阻抗高。 （5）負(fù)載能力強(qiáng)。 CMOS電路可以帶50個(gè)同類門以上。 （6）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平VDD ）2022-7-781 負(fù)載管串聯(lián)負(fù)載管串聯(lián)（串聯(lián)開關(guān)）（串聯(lián)開關(guān)）1 1

41、CMOS或非門或非門 驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)驅(qū)動(dòng)管并聯(lián)（并聯(lián)開關(guān)）（并聯(lián)開關(guān)）圖3-28 CMOS或非門 A A、B B有有高電平，則高電平，則驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通、驅(qū)動(dòng)管導(dǎo)通、負(fù)載管截止，負(fù)載管截止，輸出為低電輸出為低電平。平。 10截止導(dǎo)通2022-7-782 該電路具有或非邏輯功能,即Y=A+B 當(dāng)輸入全為低當(dāng)輸入全為低電平，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管電平，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)管均截止，兩個(gè)負(fù)載均截止，兩個(gè)負(fù)載管均導(dǎo)通，輸出為管均導(dǎo)通，輸出為高電平。高電平。00截止導(dǎo)通12022-7-783圖3-29 CMOS與非門 該電路具有與非邏輯功能，即 Y=AB2 CMOS與非門與非門 負(fù)載管并聯(lián)負(fù)載管并聯(lián)（并聯(lián)開關(guān)）（并聯(lián)開關(guān)） 驅(qū)動(dòng)管串聯(lián)驅(qū)

42、動(dòng)管串聯(lián)（串聯(lián)開關(guān)）（串聯(lián)開關(guān)）2022-7-784 （1 1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)C和和C是一對互補(bǔ)的控制信號。是一對互補(bǔ)的控制信號。由于由于VTP和和VTN在結(jié)構(gòu)上對稱，所以圖中在結(jié)構(gòu)上對稱，所以圖中的輸入和輸出端可以互換，又稱雙向開關(guān)。的輸入和輸出端可以互換，又稱雙向開關(guān)。3 3 CMOS傳輸門傳輸門 圖3-30 CMOS傳輸門（a）電路 （b）邏輯符號2022-7-785若若 C =1（接（接VDD )、C =0（接地），（接地），當(dāng)當(dāng)0uI(VDD|UT|)時(shí)，時(shí)，VTN導(dǎo)通；導(dǎo)通；當(dāng)當(dāng)|UT|uIVDD 時(shí)，時(shí)，VTP導(dǎo)通；導(dǎo)通； uI在在0VDD之間變化時(shí)，之間變化時(shí)，VTP和和V

43、TN至少有一至少有一管導(dǎo)通，使傳輸門管導(dǎo)通，使傳輸門TG導(dǎo)通導(dǎo)通。 （2） 工作原理（了解）工作原理（了解）若若 C = 0（接地（接地)、C = 1（接（接VDD ），），uI在在0VDD 之間變化時(shí)，之間變化時(shí)，VTP和和VTN均截止，均截止，即傳輸門即傳輸門TG截止截止。2022-7-786 （3） 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 圖3-31 CMOS模擬開關(guān) CMOS模擬開關(guān)：實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能。模擬開關(guān)：實(shí)現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能。 C = 0時(shí)，TG1導(dǎo)通、TG2截止，uO = uI1； C = 1時(shí)，時(shí)，TG1截止、截止、TG2導(dǎo)通，導(dǎo)通，uO = uI2。2022-7-787圖3-32 CM

44、OS三態(tài)門(a)電路 (b) 邏輯符號 當(dāng)當(dāng)EN= 0時(shí)，時(shí)，TG導(dǎo)通，導(dǎo)通，F(xiàn)=A； 當(dāng)當(dāng)EN=1時(shí)，時(shí)，TG截止，截止，F(xiàn)為高阻輸出。為高阻輸出。 CMOS三態(tài)門三態(tài)門2022-7-788 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)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)： 2022-7-789 （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。對多余的輸入端，可以按造成器件的永久損壞。