數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課件：第2章 門(mén)電路

1、第二章 門(mén)電路數(shù)字電子電路學(xué)習(xí)要點(diǎn)： 基本邏輯門(mén)電路的邏輯功能2.1 半導(dǎo)體器件的開(kāi)關(guān)特性2.2 分立元件門(mén)電路2.3 CMOS集成門(mén)電路2.4 TTL集成門(mén)電路2.0概述門(mén)電路：實(shí)現(xiàn)基本與常用邏輯運(yùn)算的電子電路。在數(shù)字電路中，用電子開(kāi)關(guān)的兩種不同狀態(tài)來(lái)表示二值邏輯中變量取值0和1，電子開(kāi)關(guān)通常采用半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管。高低電平：高電平UH： 2.45V 低電平UL： 00.8V0.8V0V2.4V5VUHUL正負(fù)邏輯：正邏輯： 1高電平， 0低電平負(fù)邏輯： 0高電平， 1低電平分立元件門(mén)電路與集成門(mén)電路分立元件門(mén)電路：用分立的元器件和導(dǎo)線連接起來(lái)的門(mén)電路；集成門(mén)電路：把門(mén)電路的元器

2、件和連線封裝在半導(dǎo)體芯片上。數(shù)字電路的集成度：SSI、MSI、LSI、VLSI2.0概述2.1半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管的開(kāi)關(guān)特性2.1.1理想開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性2.1.2半導(dǎo)體二極管開(kāi)關(guān)特性2.1.3半導(dǎo)體三極管開(kāi)關(guān)特性2.1.4MOS管開(kāi)關(guān)特性2.1.1理想開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)特性靜態(tài)特性：斷開(kāi)時(shí)：ROFF =，IOFF = 0 合上時(shí)：RON = 0， UK = 0動(dòng)態(tài)特性：開(kāi)通時(shí)間 ton = 0，即開(kāi)關(guān)由斷開(kāi)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到閉合狀態(tài)不需要時(shí)間，可以瞬間完成；關(guān)斷時(shí)間 toff = 0，即開(kāi)關(guān)由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開(kāi)狀態(tài)也不需要時(shí)間，也可以瞬間完成。2.1.2半導(dǎo)體二極管開(kāi)關(guān)特性原理：半導(dǎo)體二極管的單向?qū)?/p>

3、通特性-+IDUDUI死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.1V導(dǎo)通壓降硅管0.60.7V鍺管0.2-0.3V反向擊穿電壓UBR反向飽和電流 IS（很小，A級(jí)） 二極管的靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性導(dǎo)通條件： UD 0.5V導(dǎo)通時(shí)的特點(diǎn)：UD0.7V，導(dǎo)通壓降為0.7V，相當(dāng)于一個(gè)具有0.7V壓降的閉合開(kāi)關(guān)。截止條件： UD 0.5V截止時(shí)的特點(diǎn)：ID0，相當(dāng)于一個(gè)斷開(kāi)的開(kāi)關(guān)。2.1.2半導(dǎo)體二極管開(kāi)關(guān)特性-+IDUD開(kāi)關(guān)應(yīng)用舉例：ui0V時(shí)，二極管截止，如同開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，uo0V。ui5V時(shí)，二極管導(dǎo)通，如同0.7V的電壓源，uo4.3V。二極管的反向恢復(fù)時(shí)間限制了二極管的開(kāi)關(guān)速度。RLuiuo+-+-D開(kāi)關(guān)電路RLui

4、=0Vuo+-+-Dui=0V時(shí)的等效電路RLui=5Vuo+-+-Dui=5V時(shí)的等效電路0.7V+-uit5Vuot4.3V二極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性的本質(zhì)原因在于PN結(jié)中的結(jié)電容Cj（勢(shì)壘電容Cb和擴(kuò)散電容Cd ）的存在，極大地影響了二極管的動(dòng)態(tài)特性，無(wú)論是開(kāi)通還是關(guān)斷，伴隨著Cj的充、放電過(guò)程，都要經(jīng)過(guò)一段延遲時(shí)間才能完成。二極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性u(píng)IiD00UILUIHtrtdtontftstoff 開(kāi)通時(shí)間tonton= td + trtd ：Cb 放電時(shí)間tr ：Cd 充電時(shí)間 關(guān)斷時(shí)間tofftoff = ts + tfts ：Cd 放電時(shí)間tf ：Cb 充電時(shí)間二極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性2.

5、1.3半導(dǎo)體三極管開(kāi)關(guān)特性cbe集電極基極發(fā)射極+-uCEiEiCiBuBE0.5V，發(fā)射結(jié)開(kāi)始導(dǎo)通，uBE=0.7V時(shí)，iB變化，uBE基本不變，管子工作在放大區(qū)，iC=iB，實(shí)現(xiàn)線性放大，iB繼續(xù)增大，到達(dá)一定值IBS，進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)iC不再隨iB增大，UCES0.3V，iB越大，UCES 越接近零。三極管的靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性2.1.3半導(dǎo)體三極管開(kāi)關(guān)特性cbe集電極基極發(fā)射極+-uCEiEiCiB三極管的靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性模擬電路中，三極管工作在放大狀態(tài)，而在數(shù)字電路中要求三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)或者飽和狀態(tài)。NPN型三極管截止、放大、飽和3種工作狀態(tài)的特點(diǎn) 條件 偏置情況 集電極電流 CE間電壓 C

6、E間等效電阻 工作特點(diǎn)工作狀態(tài) 放大 飽和 截止 iB0 發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏uBE0，uBC0 iC0 uCEVCC 很大相當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)0iB0,uBCIBS 發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏uBE0,uBC0 iCICS uCEUCES0.3V 很小相當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合應(yīng)用舉例 uI = UIL = -2V時(shí)三極管截止，iB0、iC0、uOVCC =12VVCCRCTRBuOuIiCiEiB+-+-+12V=1003V-2V uI = UIH =3V時(shí)iB = (uI - uBE)/RB = (3-0.7)/2.3mA = 1mA流入基極的實(shí)際電流IBS = ICS/VCC/RC = 0.06mA臨界飽和基極電

7、流iB IBS 三極管工作在飽和狀態(tài) uO = UCES0.3Vcbe集電極基極發(fā)射極+-uCEiEiCiB飽和導(dǎo)通條件：飽和導(dǎo)通時(shí)：截止條件：截止時(shí)：三極管的動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)特性（自學(xué)）2.1.4MOS管開(kāi)關(guān)特性MOS管由金屬-氧化物-半導(dǎo)體（Metal-Oxide-Semiconductor）構(gòu)成，最顯著的特點(diǎn)也是具有放大能力。它通過(guò)柵極電壓控制其工作狀態(tài)，是一種具有放大特性的由電壓控制的開(kāi)關(guān)元件。 MOS絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管（N溝道）（1） 結(jié)構(gòu)PNNGSDP型基底兩個(gè)N+區(qū)SiO2絕緣層金屬鋁N導(dǎo)電溝道未預(yù)留 N溝道增強(qiáng)型預(yù)留 N溝道耗盡型GSDN溝道增強(qiáng)型（2）符號(hào)柵極漏極源極GSDP溝道增強(qiáng)型P

8、NNGSDNPPGSDMOS管的工作原理以N 溝道增強(qiáng)型為例PNGSDUDSUGSUGS = 0 時(shí)ID=0對(duì)應(yīng)截止區(qū)NND-S 間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN 結(jié)UGS 0時(shí)感應(yīng)出電子UT 稱為開(kāi)啟電壓UDS = 0PNGSDUDSUGSNUGS足夠大時(shí)（UGS UT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的 N 型導(dǎo)電溝道（反型層）。一般 UTN 2V漏極特性曲線IDU DS0UGS 0可變電阻區(qū)恒流區(qū)截止區(qū)模擬電路恒流區(qū)數(shù)字電路截止區(qū)、可變電阻區(qū) P 溝道增強(qiáng)型可變電阻區(qū)(UGSUT)已經(jīng)產(chǎn)生溝道但還沒(méi)有夾斷。UTP = -UTN 當(dāng)UGS UTN 時(shí)，通道開(kāi)啟，MOS管工作在可變電阻區(qū)，DS

9、間導(dǎo)通，相當(dāng)于一個(gè)閉合的開(kāi)關(guān)（此時(shí)UDS應(yīng)在一定范圍內(nèi)）MOS管的靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性：GSDuIuORDVDD+10V 截止條件：UGS UTN 導(dǎo)通后，MOS管相當(dāng)于一個(gè)具有一定導(dǎo)通電阻RON 的閉合開(kāi)關(guān)，RON 較小GSDuIuORDVDD+10VMOS管的靜態(tài)開(kāi)關(guān)特性：MOS管的動(dòng)態(tài)特性（自學(xué)）2.2分立元件門(mén)電路*分立元件門(mén)電路：由分立的半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管以及電阻等元件組成的門(mén)電路。2.2.2三極管非門(mén)（反相器）2.2.1二極管與門(mén)和或門(mén)2.2.1二極管與門(mén)和或門(mén)1二極管與門(mén)+VCC(+5V)R 3k Y D1AB5V0VD2uA uB uY D1 D20V 0V 0.7V 導(dǎo)通

10、 導(dǎo)通0V 5V 0.7V 導(dǎo)通 截止5V 0V 0.7V 截止 導(dǎo)通5V 5V 5V 截止 截止Y = ABABY000001111001& ABY2、二極管或門(mén)Y = A + BR 3kYD1AB5V0VD2ABY000011111101uA uB uY D1 D20V 0V 0V 截止 截止0V 5V 4.3V 截止 導(dǎo)通5V 0V 4.3V 導(dǎo)通 截止5V 5V 4.3V 導(dǎo)通 導(dǎo)通1ABY2.2.2三極管非門(mén)（反相器）uA0V時(shí)，三極管截止，iB0，iC0，輸出電壓uYVCC5VuA5V時(shí)，三極管導(dǎo)通?；鶚O電流為：iBIBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓uYUCES0.3V。三極管

11、臨界飽和時(shí)的基極電流為：1AY邏輯符號(hào)AY0101Y = A1kTY+5V=304.3k電路圖5V0VA1、半導(dǎo)體三極管非門(mén)當(dāng)uA0V時(shí)，由于uGSuA0V，小于開(kāi)啟電壓UT，所以MOS管截止。輸出電壓為uYVDD10V。當(dāng)uA10V時(shí)，由于uGSuA10V，大于開(kāi)啟電壓UT，所以MOS管導(dǎo)通，且工作在可變電阻區(qū)，導(dǎo)通電阻很小，只有幾百歐姆。輸出電壓為uY0V。1AY邏輯符號(hào)Y = AGSDAYRD+VDD+10V20k電路圖10V0V2、MOS三極管非門(mén)2.3CMOS集成門(mén)電路CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）集成電路的許多最基本的邏輯

12、單元都是用P溝道增強(qiáng)型MOS管和N溝道增強(qiáng)型MOS管，按照互補(bǔ)對(duì)稱形式連接起來(lái)構(gòu)成。CMOS集成電路具有電壓控制、功耗極小、連接方便等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的集成電路之一。2.3.1CMOS非門(mén)（反向器）2.3.2CMOS與非門(mén)、或非門(mén)、與門(mén)、或門(mén)2.3.3CMOS與或非門(mén)、異或門(mén)2.3.4CMOS傳輸門(mén)、三態(tài)門(mén)和漏極開(kāi)路門(mén)2.3.5CMOS電路的特點(diǎn)及使用時(shí)的注意事項(xiàng)2.3.1CMOS非門(mén)（反向器）UTP = - 2VUTN = 2V結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：TP、TN 特性對(duì)稱，按照對(duì)稱互補(bǔ)的原則連接，通常G1S1D1AYVDD+10VG2S2D2uAuOTNTP10V0V工作原理： uA = 0V時(shí)uG

13、SN = 0V UTN，TN 截止uGSP = -10V UTN，TN 導(dǎo)通uGSP = 0V UTP，TP 截止 uY0VY = AUTP = - 2VUTN = 2V10V0VG1S1D1AYVDD+10VG2S2D2uAuOTNTP10V0VG1S1D1AYVDD+10VG2S2D2uAuOTNTP(a)電路VDD+10VSRONP10V(b) TN截止，TP導(dǎo)通uYS0VVDD+10VuYRONN(c) TN導(dǎo)通，TP截止（1）uA0V時(shí)，TN截止，TP導(dǎo)通。輸出電壓uY VDD10V。（2）uA10V時(shí)，TN導(dǎo)通，TP截止。輸出電壓uY 0V。輸入端保護(hù)電路引入二極管保護(hù)網(wǎng)絡(luò)C1、C

14、2是柵極等效輸入電容，與RS 構(gòu)成積分網(wǎng)絡(luò)，可衰減干擾電壓，提高電路可靠性，但對(duì)輸入信號(hào)會(huì)產(chǎn)生延時(shí)作用。避免由于輸入電壓過(guò)高或過(guò)低而在柵極與溝道之間的二氧化硅絕緣層兩側(cè)積累電荷而產(chǎn)生高壓，擊穿介質(zhì)。-uDF uG VDD + uDFG1S1D1AYVDD+10VG2S2D2uAuOTNTPC2RSD3C1D2D1輸入（伏安）特性iI = f (uI)實(shí)際反映的是輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)的特性。0iIuIG1S1D1YVDD+10VG2S2D2uOTNTPRSD3D2D1uI+-iI-uDFVDD+uDF輸出特性1uI =VDD+VDDiOuO+-RL+VDD uI =UIL =0V 時(shí) 帶拉電流負(fù)載 uI

15、 =UIH =10V 時(shí)帶灌電流負(fù)載1uI =0V+VDDiOuO+-RLTN 截止，TP導(dǎo)通uO=UOH+VDDuOTP+-RL0ViOTN 導(dǎo)通，TP 截止uO=UOLuO+-RLiO+VDDTN+VDDuO = f (iO)傳輸特性AB段 ：uI UTN，TN導(dǎo)通，但導(dǎo)通電阻較大，故uO 略有下降，iD開(kāi)始出現(xiàn)并逐漸增加，功耗增大OFEDCBAUTNUTHUTPuI/ViD /mA電流傳輸特性傳輸特性O(shè)UNLFEDCBAUNHUTNUTHUTPuI/VuO /V電壓傳輸特性CD段 ：uI 在0.5VDD附近，TN 、TP均導(dǎo)通，且導(dǎo)通電阻都較小，是uO 隨uI變化而急劇變化的區(qū)域，iD最

16、大，功耗也最大把uI = 0.5VDD稱為反相器的轉(zhuǎn)折電壓或閾值電壓，用UTH表示OFEDCBAUTNUTHUTPuI/ViD /mA電流傳輸特性傳輸特性O(shè)UNLFEDCBAUNHUTNUTHUTPuI/VuO /V電壓傳輸特性DE段與BC段、EF段與AB段分別是對(duì)應(yīng)的，只是TN、TP的工作情況相反。OFEDCBAUTNUTHUTPuI/ViD /mA電流傳輸特性噪聲容限：uO為規(guī)定值時(shí)，uI 允許波動(dòng)的最大范圍UNL：輸出為低電平時(shí)的噪聲容限UNH：輸出為高電平時(shí)的噪聲容限傳輸特性O(shè)FEDCBAUTNUTHUTPuI/ViD /mA電流傳輸特性O(shè)UNLFEDCBAUNHUTNUTHUTPuI

17、/VuO /V電壓傳輸特性CMOS反相器的UNL 、 UNH都比較大，接近0.5VDD，一般取UNL = UNH =0.3VDD。傳輸特性O(shè)UNLFEDCBAUNHUTNUTHUTPuI/VuO /V電壓傳輸特性O(shè)FEDCBAUTNUTHUTPuI/ViD /mA電流傳輸特性2.3.2CMOS與非門(mén)、或非門(mén)、與門(mén)、或門(mén)uA+VDD+10VAYTP1TN1uBBTN2TP2VSS1、CMOS與非門(mén)A、B中有一個(gè)或全為低電平時(shí)，TN1、TN2中有一個(gè)或全部截止，TP1、TP2中有一個(gè)或全部導(dǎo)通，輸出Y為高電平。只有當(dāng)輸入A、B全為高電平時(shí)，TN1和TN2才會(huì)都導(dǎo)通，TP1和TP2才會(huì)都截止，輸出Y

18、才會(huì)為低電平。&ABYuA /V uB /V uY /V 0 0 0 1010 010 10101010 0分析方法： 對(duì)每一種輸入電平組合，判斷每個(gè)MOS管的工作狀態(tài)，確定輸出電平，列表總結(jié)邏輯關(guān)系。uA+VDD+10VAYTP1TN1uBBTN2TP2VSS1、CMOS與非門(mén)2、CMOS或非門(mén)只要輸入A、B當(dāng)中有一個(gè)或全為高電平，TP1、TP2中有一個(gè)或全部截止，TN1、TN2中有一個(gè)或全部導(dǎo)通，輸出Y為低電平。只有當(dāng)A、B全為低電平時(shí)，TP1和TP2才會(huì)都導(dǎo)通，TN1和TN2才會(huì)都截止，輸出Y才會(huì)為高電平。uA+VDDAYTP1TN1uBBTN2VSSTP2uY（a）電路圖1ABY（b）

19、邏輯符號(hào)uA+VDDAYTP1TN1uBBTN2VSSTP2uY（a）電路圖uA /V uB /V uY /V 0 0 0 1010 010 1010 0 0 02、CMOS或非門(mén)或非門(mén)電平關(guān)系表或非門(mén)邏輯真值表 A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 03、CMOS與門(mén)&ABAB1Y=AB=AB&ABY電路組成：在基本CMOS與非門(mén)電路的輸出端加一反相器4、CMOS或門(mén)1ABA+B1Y=A+B=A+B1ABY電路組成：在基本CMOS或非門(mén)電路的輸出端加一反相器CMOS基本電路的缺點(diǎn)：帶緩沖的門(mén)電路 電路的輸出特性不對(duì)稱；電路的電壓傳輸特性發(fā)生偏移，導(dǎo)致噪聲容限下降。+VDD+

20、10VAYTP1TN1BTN2TP2VSS111帶緩沖的與非門(mén)在基本電路的輸入端和輸出端加上反向器2.3.3CMOS與或非門(mén)、異或門(mén)1、CMOS與或非門(mén)(a)由與非門(mén)和反相器構(gòu)成&1ABCDY(b)由與門(mén)和或非門(mén)構(gòu)成&1ABCDY(c)邏輯符號(hào)&1ABCDY2、CMOS異或門(mén)電路組成：直接由與非門(mén)組合構(gòu)成&ABY&2.3.4CMOS傳輸門(mén)、三態(tài)門(mén)和漏極開(kāi)路門(mén)1、CMOS傳輸門(mén)TGCCuO /uIuI /uO(a) 邏輯符號(hào)C0、C1，即C端為低電平（0V）、C端為高電平（+VDD）時(shí)，TN和TP都不具備開(kāi)啟條件而截止，輸入和輸出之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)一樣。C1、C0，即C端為高電平（+VDD）、C

21、端為低電平（0V）時(shí)，TN和TP都具備了導(dǎo)通條件，輸入和輸出之間相當(dāng)于開(kāi)關(guān)接通一樣，uOuI 。傳輸門(mén)是一種可以傳送模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的壓控開(kāi)關(guān)。(a) 電路+VDDTPTNCCuO /uIuI /uOSSDDGG2、CMOS三態(tài)門(mén)（TSL門(mén)）當(dāng)控制端信號(hào)EN=1時(shí)，TP2、TN2均截止，Y與地和電源都斷開(kāi)了，輸出端呈現(xiàn)為高阻態(tài)。+VDDENYTP2ATN2VSSTP1（a）電路圖TN11EN=0時(shí)，TP2、TN2均導(dǎo)通，TP1、TN1構(gòu)成反相器?？梢?jiàn)電路的輸出有高阻態(tài)、高電平和低電平3種狀態(tài)，是一種三態(tài)門(mén)。1ENENY（b）邏輯符號(hào)A控制信號(hào)端（使能端）（三態(tài)輸出反相器）三態(tài)門(mén)邏輯符號(hào)控制端

22、電平的約定1ENENY（a）控制端低電平有效A1ENENY（b）控制端高電平有效A控制端加低電平信號(hào)時(shí)，三態(tài)門(mén)處于工作狀態(tài)，YA，加高電平信號(hào)時(shí)禁止，YZ控制端加高電平信號(hào)時(shí)，三態(tài)門(mén)處于工作狀態(tài)，YA，加低電平信號(hào)時(shí)禁止， YZ3、CMOS漏極開(kāi)路門(mén)（OD門(mén)）&Y（b）邏輯符號(hào)+V DDRD外接主要特點(diǎn)： 輸出MOS管的漏極開(kāi)路，工作時(shí)必須外接電源和電阻， 電路才能正常工作。 VSS1&D（a）電路圖TN漏極開(kāi)路與非門(mén) 可以實(shí)現(xiàn)線與，即可以把幾個(gè)OD門(mén)的輸出端用導(dǎo)線連接 起來(lái)，實(shí)現(xiàn)“與”運(yùn)算。 3、CMOS漏極開(kāi)路門(mén)（OD門(mén)）主要特點(diǎn)：YAB CDAB + CD 可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯電平變換，因?yàn)?/p>

23、OD門(mén)輸出MOS管漏極 電源外接，UOH隨V DD的不同而改變。 帶負(fù)載能力強(qiáng)。輸出高電平時(shí)帶拉電流能力決定于外接電 源和電阻，輸出低電平時(shí)帶灌電流能力由輸出MOS管的容 量決定，比較大。&CD&+V DDY2.3.5CMOS電路的特點(diǎn)及使用時(shí)的注意事項(xiàng)CMOS電路產(chǎn)品簡(jiǎn)介：CC4000系列：符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的CMOS集成電路，電源電壓VDD為318V，產(chǎn)品的輸入端和輸出端都加反相器作為緩沖級(jí)，具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)能力和輸出波形，高、低電平的抗干擾能力相同，功能和外部線排列與對(duì)應(yīng)序號(hào)的國(guó)外產(chǎn)品一致，是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最普遍的CMOS器件。高速CMOS即HCMOS集成電路：54/74HC: 是帶緩沖輸出

24、 的HCMOS電路；54/74HCU：是不帶緩沖輸出的HCMOS電路；54/74HCT：是LSTTL（Low-power Schottky TTL：低功耗肖特基TTL）集成電路兼容的HCMOS電路。CMOS集成電路的特點(diǎn)： 功耗極低 電源電壓范圍寬 抗干擾能力強(qiáng) 邏輯擺幅大 輸入電阻極高 扇出能力（帶同類門(mén)個(gè)數(shù)的能力）強(qiáng) 集成度高、溫度穩(wěn)定性好 抗輻射能力強(qiáng) 成本低使用中的注意問(wèn)題： 注意輸入端的靜電防護(hù)； 注意輸入電路的過(guò)流保護(hù)； 注意電源電壓極性、防止輸出端短路；參閱CMOS集成電路手冊(cè)2.4T T L集成門(mén)電路雙極型門(mén)電路TTL (Transistor-Transistor Logic

25、Integrated Circuit )輸入級(jí)和輸出級(jí)都采用半導(dǎo)體三極管，也稱為晶體管-晶體管邏輯電路。在TTL 集成電路中，門(mén)電路是基礎(chǔ)，反向器是典型。2.4.1TTL反相器（非門(mén)）2.4.2TTL其它邏輯門(mén)2.4.3 集電極開(kāi)路門(mén)（OC門(mén)）和三態(tài)門(mén)（TSL門(mén)）2.4.4TTL集成電路2.4.1T T L反相器（非門(mén)）1、電路組成及其基本原理+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1iB1ADYA0V3.6V0.3V3.6VuIuO+VCCTTL反相器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)保護(hù)二極管A+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1iB1DuI+VCC“0”0.7V三個(gè)PN結(jié)導(dǎo)通需2.1V不足以

26、讓T2、T4導(dǎo)通T2、T4截止uO忽略iB3， uO5ube3uD 3.6V 高電平！輸入為低電平（0V）時(shí)輸入為高電平（3.6V）或輸入端懸空時(shí)+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1iB1DuI+VCC“1”反偏全導(dǎo)通T2、T4飽和導(dǎo)通電位被鉗在2.1VT1工作在倒置狀態(tài)1V截止uO 0.3V輸出低電平輸入懸空，相當(dāng)于輸入“1”2主要外部特性*輸入伏安特性+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1DuI+VCCD1iI = f (uI)iI輸入伏安特性01.4IIHIIS-112iI/mAuI/V uIUIL0V短路輸入端短路電流IIS+5VR1T1uI4k等效電路iI01.4IIHIIS-

27、112iI/mAuI/V輸入伏安特性 uIUIH3.6V時(shí)，T1倒置，倒置時(shí)i = 0.010.02輸入端漏電流IIH+5VR1T1uI4k等效電路iI2.1V輸入負(fù)載特性Ri0，uI0關(guān)門(mén)電阻Roff0.7k，Ri Ron ，相當(dāng)于輸入高電平。輸出特性輸出電壓uO和輸出電流iO之間關(guān)系曲線1+-uI+-uO+VCC+5ViOuO /ViO/mA0102030-30-20-10123 uI=UIH uI=UIL uIUIH3.6V uOUOL帶灌電流負(fù)載帶灌電流能力：輸出低電平時(shí)，允許流入反相器的最大電流。約16mA。 1uI =0V+VCCiOuO+-RL+VCC輸出特性輸出電壓uO和輸出電

28、流iO之間關(guān)系曲線1+-uI+-uO+VCC+5ViOuO /ViO/mA0102030-30-20-10123 uI=UIH uI=UIL uIUIL0V uOUOH帶拉電流負(fù)載帶拉電流能力：輸出高電平時(shí)，允許流出反相器的最大電流。 一般-400A，輸出短路電流IOS可達(dá)-33mA。 1uI=0V+VCCiOuO+-RL電壓傳輸特性&V+-uIuO輸出電壓隨輸入電壓的變化情況+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1iB1DuI+VCCuO+-+-D112233410uO /VuI /VUILUOFFUthUONUIHUNLUNHUOLUOH電壓傳輸特性曲線ABCDEAB段：截止區(qū)BC段：放大

29、（線性）區(qū)CD段：轉(zhuǎn)折區(qū)DE段：飽和區(qū)電壓傳輸特性12233410uO /VuI /VUILUOFFUthUONUIHUNLUNHUOLUOH電壓傳輸特性曲線ABCDE電壓傳輸特性主要特性參數(shù):輸出高電平UOH3.6V輸出低電平UOL0.3V關(guān)門(mén)電平 UOFF0.8V開(kāi)門(mén)電平 UON 2.0V閾值電壓 Uth 1.4V輸入低電平噪聲容限UNL=UOFFUIL0.80.3=0.5V輸入高電平噪聲容限UNH=UIHUON3.02.0=1.0V2.4.2TTL其它邏輯門(mén)Y=AB多發(fā)射極+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1b1c1ANNPDBD1D2+VCC&ABYR1ABb1c1+VCCT1的等

30、效電路1、TTL與非門(mén)輸入信號(hào)不全為1：如uA=0.3V， uB=3.6V則uB1=0.3+0.7=1V，T2、T4截止，T3導(dǎo)通忽略iB3，輸出端的電位為：輸出Y為高電平。uY50.70.73.6V3.6V0.3V+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1b1c1ADBD1D2+VCCR1ABb1c1+VCCT1的等效電路1V3.6V+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1b1c1ADBD1D2+VCCR1ABb1c1+VCCT1的等效電路輸入信號(hào)全為1：如uA=uB=3.6V則T1倒置，uB1=2.1V，T2、T4導(dǎo)通，T3截止輸出端的電位為：輸出Y為低電平。uY =UCES0.3V3.6V

31、3.6V0.3V功能表真值表邏輯表達(dá)式輸入有低，輸出為高；輸入全高，輸出為低。0.3V 0.3V 3.6V0.3V 3.6V 3.6V3.6V 0.3V 3.6V3.6V 3.6V 0.3V0 0 1 A B Y0 1 11 0 11 1 0Y=A+B1ABY+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1b1c1ADBT2T1R1+VCC2、TTL或非門(mén)輸入級(jí)輸出級(jí)中間級(jí)TTL門(mén)電路分析方法：根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，對(duì)每一種輸入電平組合分析確定各個(gè)三極管的工作狀態(tài)，列真值表確定邏輯關(guān)系。3、TTL與或非門(mén)將TTL或非門(mén)電路中的T1、T1換成多發(fā)射極三極管即可+5VYR4R2R1T2R3T3T4T1b1c1AD

32、BT2T1R1+VCCCD4、TTL與門(mén)、或門(mén)在TTL與非門(mén)的中間級(jí)再加一個(gè)反相器，即可得到與門(mén)1&ABABYABAB&ABY在TTL或非門(mén)的中間級(jí)再加一個(gè)反相器，即可得到或門(mén)11ABA+BYA+BA+B1ABY5、TTL異或門(mén)1&AYB1應(yīng)用中需注意的主要問(wèn)題： 普通門(mén)電路的輸出端不允許直接用導(dǎo)線相連Y=AB11&ABY11&ABY正確錯(cuò)誤 TTL門(mén)電路多余端的處理：&ABCYY=ABC端的處理： 懸空 接高電平 通過(guò)R 2.5k接地 C與A或B相連使C=1應(yīng)用中需注意的主要問(wèn)題：Y=AB+C C端或D端接地&ABCY=AB+CD1DY=AB 使D=1的各種方法 TTL門(mén)電路多余端的處理：應(yīng)

33、用中需注意的主要問(wèn)題：2.4.3 集電極開(kāi)路門(mén)（OC門(mén)）和三態(tài)門(mén)（TSL門(mén)）1、集電極開(kāi)路門(mén)（OC門(mén)）Rc+V CCY(+5V)R2R1T2R3T3T1b1c1ABD1D2+VCCOC與非門(mén)的電路結(jié)構(gòu)&CD&+V DDYOC門(mén)線與圖問(wèn)題的提出：為解決一般TTL與非門(mén)不能線與而設(shè)計(jì)OC門(mén)必須外接負(fù)載電阻 RC和電源VCC才能正常工作 Rc+V CCY(+5V)R2R1T2R3T3T1b1c1ABD1D2+VCCOC與非門(mén)的電路結(jié)構(gòu)A、B不全為1時(shí)， uB1=1V， T2、T3截止， Y=1。接入外接電阻RC 后：A、B全為1時(shí)， uB1=2.1V， T2、T3飽和導(dǎo)通， Y=0。*外接電阻RC

34、的取值范圍為：2、輸出三態(tài)門(mén)（TSL門(mén)）三態(tài)門(mén)，簡(jiǎn)稱TSL（Three-State Logic）門(mén)，是在普通門(mén)電路的基礎(chǔ)上，加上使能控制信號(hào)和控制電路構(gòu)成的，“三態(tài)”指的是在輸出端除了高電平、低電平外，還有一種狀態(tài)：高阻。注意：高阻不是輸出高電平，也不是輸出低電平，也不能認(rèn)為是輸出電平介于高電平和低電平之間，高阻實(shí)際上相當(dāng)于輸出端與內(nèi)部電路斷開(kāi)。YR13k T2T5T1AD+VCC(+5V)電路結(jié)構(gòu)R2750 T4T3R53k R3360 R4100 EE1Y國(guó)標(biāo)符號(hào)（三態(tài)輸出反相器）ENE0時(shí)，二極管D導(dǎo)通，T1基極和T3基極均被鉗制在低電平，因而T2T5均截止，輸出端開(kāi)路，電路處于高阻狀態(tài)

35、。結(jié)論：電路的輸出有高阻態(tài)、高電平和低電平3種狀態(tài)。E1時(shí)，二極管D截止，TSL門(mén)的輸出狀態(tài)完全取決于輸入信號(hào)A的狀態(tài)，電路輸出與輸入的邏輯關(guān)系和一般反相器相同，即：Y=A，A0時(shí)Y1，為高電平；A1時(shí)Y0，為低電平。YR13k T2T5T1AD+VCC(+5V)電路結(jié)構(gòu)R2750 T4T3R53k R3360 R4100 EE1Y國(guó)標(biāo)符號(hào)（三態(tài)輸出反相器）EN三態(tài)門(mén)的符號(hào)及功能表（三態(tài)輸出與非門(mén)）功能表使能端高電平起作用使能端低電平起作用E=0F=ABE=1輸出高阻E=0輸出高阻E=1F=AB功能表&ABF符號(hào)E&ABF符號(hào)ETSL門(mén)的應(yīng)用：作多路開(kāi)關(guān)：E=0時(shí)，門(mén)G1使能，G2禁止，Y=A

36、；E=1時(shí)，門(mén)G2使能，G1禁止，Y=B。信號(hào)雙向傳輸：E= 0時(shí)，信號(hào)向右傳送，B=A；E=1時(shí)，信號(hào)向左傳送，A=B （a）多路開(kāi)關(guān)Y1EN1EN1EBG1G2（b）雙向傳輸B1EN1EN1EG1G2TSL門(mén)的應(yīng)用：構(gòu)成數(shù)據(jù)總線：讓各門(mén)的控制端輪流處于低電平，即任何時(shí)刻只讓一個(gè)TSL門(mén)處于工作狀態(tài)，而其余TSL門(mén)均處于高阻狀態(tài)，這樣總線就會(huì)輪流接受各TSL門(mén)的輸出。（c）單向總線EN1E1G1A1EN1E2G2A2EN1EnGnAn總線2.4.4TTL集成電路TTL門(mén)電路是基本邏輯單元，是構(gòu)成各種TTL電路的基礎(chǔ)，實(shí)際生產(chǎn)的TTL集成電路，品種齊全，種類繁多，應(yīng)用十分普遍。 74 標(biāo)準(zhǔn)系列； 74 H高速系列； 74 S肖特基系列； 74 LS低功耗肖特基系列；名稱國(guó)際常用系列型號(hào)說(shuō)明四2輸入與非門(mén)74LS00四2輸入或門(mén)四2異或門(mén)四2輸入或非門(mén)四2輸