數(shù)電-第三章-門電路

第二章邏輯門電路2.1二極管的開關(guān)特性及二極管門電路2.3TTL邏輯門電路2.4CMOS門電路本章小結(jié)2.2三極管的開關(guān)特性及反相器門電路門電路是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元第二章邏輯門電路實(shí)現(xiàn)各種基本邏輯關(guān)系的電子電路稱為門電路門電路中的二極管和三極管都工作在開關(guān)狀態(tài)在數(shù)字電路中，只要能明確區(qū)分高電平和低電平兩個(gè)狀態(tài)就可以了，所以，高電平和低電平都允許有一定的范圍。因此，數(shù)字電路對(duì)元器件參數(shù)精度的要求比模擬電路要低一些?！?.0概述一、正邏輯與負(fù)邏輯正邏輯：用高電平表示邏輯1，用低電平表示邏輯0負(fù)邏輯：用低電平表示邏輯1，用高電平表示邏輯0正負(fù)邏輯之間存在著簡(jiǎn)單的對(duì)偶關(guān)系，例如正邏輯與門等同于負(fù)邏輯或門等。在數(shù)字系統(tǒng)的邏輯設(shè)計(jì)中，若采用NPN晶體管和NMOS管，電源電壓是正值，一般采用正邏輯。若采用的是PNP管和PMOS管，電源電壓為負(fù)值，則采用負(fù)邏輯比較方便。今后除非特別說明，一律采用正邏輯。二、數(shù)字系統(tǒng)中所用的為兩值邏輯0和1，一般用高、低電平來表示，我們利用開關(guān)S獲得高、低電平。如圖1示：

VI控制開關(guān)S的斷、通情況。S斷開，VO為高電平；S接通，VO為低電平。使用的實(shí)際開關(guān)為晶體二極管、三極管以及場(chǎng)效應(yīng)管等電子器件。

邏輯電平高電平VH：大于給定電平值的電壓范圍輸入高電平VIH輸出高電平VOH低電平VL：小于給定電平值的電壓范圍輸入低電平VIL輸出低電平VOL邏輯“0”和邏輯“1”對(duì)應(yīng)的電壓范圍寬，因此在數(shù)字電路中，對(duì)電子元件、器件參數(shù)精度的要求及其電源的穩(wěn)定度的要求比模擬電路要低工藝分類雙極型門電路MOS門電路Bi-CMOS電路基本邏輯門電路與門、或門、非門常用門電路與門、或門、非門與非門、或非門、與或非門、同或、異或三、門電路概述2.1二極管的開關(guān)特性及二極管門電路理想開關(guān)特性的靜態(tài)特性：先看一個(gè)簡(jiǎn)單的單向閥的開關(guān)特性閉合時(shí)電阻為0實(shí)際上開關(guān)閉合時(shí)總是有一個(gè)很小的電阻，斷開時(shí)電阻不可能為∞，轉(zhuǎn)換過程總要花一定的時(shí)間開關(guān)動(dòng)作在瞬間完成斷開時(shí)電阻為∞正向反向單向閥的開關(guān)特性球體球體tt壓力流量00壓力=0時(shí)壓力為正時(shí)球體在喇叭口處球體在喇叭以上壓力為突變?yōu)樨?fù)時(shí)喇叭口球體在喇叭以上球體在喇叭口處流量0t理想特性開關(guān)動(dòng)作不能瞬間完成關(guān)閉時(shí)還有一定的泄露只有正向壓力足以頂起球體時(shí)才開啟（圖中沒有畫出）單向閥的工作并不理想有泄漏二極管具有單向?qū)щ娦砸?、二極管的開關(guān)特性（一）靜態(tài)特性二極管加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，伏安特性很陡，壓降很小（硅管：0.7V，鍺管0.3V），可以近似看作是一個(gè)閉合的開關(guān)二極管加反向電壓時(shí)截止，截止后的伏安特性具有飽和特性（反向電流幾乎不隨反向電壓的增大而增大）且反向電流很?。╪A級(jí)），可以近似看作是一個(gè)斷打開的開關(guān)伏安特性0uDiD導(dǎo)通時(shí)的等效電路截止時(shí)的等效電路+--+存儲(chǔ)時(shí)間（二）動(dòng)態(tài)特性當(dāng)uD

為一矩形電壓時(shí)電流波形的不夠陡峭（不理想）tt00反向恢復(fù)時(shí)間漏電流iDuDuDiD上升時(shí)間二極管VD的電流的變化過程上升時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間都很小，基本上由二極管的制作工藝決定常用的開關(guān)二極管是：IN4148。存儲(chǔ)時(shí)間與正向電流，反向電壓有關(guān)。VDR波形和“單向閥”的特性是相似的這就限制了二極管的最高工作頻率二極管的反向恢復(fù)時(shí)間限制了二極管的開關(guān)速度。數(shù)字電路的輸入和輸出信號(hào)只有高電平（UIH和U0H

）和低電平（UIL和U0L

）兩種狀態(tài)。二、正負(fù)邏輯問題用1表示高電平，用0表示低電平，稱為正邏輯用0

表示高電平，用1

表示低電平，稱為負(fù)邏輯通常采用正邏輯，除非殊聲明關(guān)于高電平和低電平高電平和低電平是相對(duì)的，不是一個(gè)定值三、二極管與門ABVD1YUCC（5V）VD2RA、B——輸入，Y——輸出設(shè)：UIH=3V，UIL=0V只要A、B中有一個(gè)為低電平（0V），二極管正向?qū)▔航礥DF=0.7V。只有A、B同時(shí)為高電平（3V），以A=0為例0V0.7V則相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，Y就為低電平（0.7V），即：只要AB=0，則Y=0。即：只有AB=1，才有Y=1。3V3V3.7VY才為高電平（3.7V）。邏輯符號(hào)所以：Y=AB只有A、B同時(shí)為高電平（3V），Y才為高電平（3.7V）。即：只有AB=1，才有Y=1。只要A、B中有一個(gè)為低電平（0V），Y就為低電平（0.7V），即：只要AB=0，則Y=0。邏輯電平關(guān)系真值表A/VB/VY/VABY000.7正邏輯000ABVD1YUCC（5V）VD2R030.7300.7333.7010100111這種與門電路雖然很簡(jiǎn)單，但存在著嚴(yán)重的缺點(diǎn)

1、輸出電平都比輸入電平高出0.7V——電平偏離，如果將三個(gè)這種門級(jí)聯(lián)（前級(jí)的輸出作為后級(jí)的輸入），UCC（5V）0V則最后一級(jí)的輸出低電平偏離到2.1V，已接近規(guī)定的輸入的高電平，會(huì)造成邏輯混亂。0.7V1.4V2.1VVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RUCC（5V）RL=R3V3V3.7V2.5V這種與門電路雖然很簡(jiǎn)單，但存在著嚴(yán)重的缺點(diǎn)

2、當(dāng)輸出端對(duì)地接上負(fù)載電阻（常稱為下拉負(fù)載）時(shí)，會(huì)使輸出高電平降低，即帶負(fù)載能力差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成邏輯混亂。四、二極管或門ABVD1YVD2RA、B——輸入，Y——輸出設(shè)：UIH=3V，UIL=0V只要A、B中有一個(gè)為高電平（3V），二極管正向?qū)▔航礥DF=0.7V。只有A、B同時(shí)為低電平（0V），兩個(gè)二極管均截止。以A=1為例0V0V則相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，Y就為低電平（2.3V），即：只要A+B=1，則Y=1。3V2.7VY才為低電平（0V）,即：只有A+B=0，才有Y=0邏輯符號(hào)所以：Y=A+B0V只有A、B同時(shí)為低電平（0V），Y才為低電平（0V）。即：只有A+B=0，才有Y=0。只要A、B中有一個(gè)為高電平（3V），Y就為高電平（2.3V），即：只要A+B=1，則Y=1。邏輯電平關(guān)系真值表A/VB/VY/VABY000正邏輯000032.3302.3332.3011101111ABVD1YVD2R這種或門電路同樣存在“電平偏離”和帶載能力差的問題2.2三極管的開關(guān)特性及反相器三極管是電流控制的電流源，在模擬電路中，工作在放大區(qū)。在數(shù)字電路中工作在飽和區(qū)或截止區(qū)——開關(guān)狀態(tài)。下面以NPN硅管為例進(jìn)行分析ICSIBSIB=0UCCiCuCEuOuiiBTRcRBUCC飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)uCEiC0負(fù)載線三極管CE之間相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)：在飽和區(qū)“閉合”，截止區(qū)“斷開”iCuCEuOui=0.3ViBTRcRBUCC飽和區(qū)截止區(qū)ICSIBSIB=0UCCuCEiC0一、三極管開關(guān)特性1.三極管的截止條件和等效電路當(dāng)輸入信號(hào)uI=UIL=0.3V時(shí)（UBE=0.3V<0.5V）三極管截止，可靠截止條件為:UBE<0V截止時(shí)，iB、iC都很小，三個(gè)極均可看作開路iC

≈0，uO=UOH=UCC輸入特性0uBE/ViB0.50.7iB=0，等效電路BCE輸出特性2.三極管的飽和條件和等效電路在模擬電路中，為了不產(chǎn)生失真，通常規(guī)定飽和時(shí)UCES=1V。由于三極管的輸入特性很陡，通常認(rèn)為飽和時(shí)的UBES和導(dǎo)通時(shí)的UBE相等（硅管：0.7V，鍺管0.3V）在數(shù)字電路中，為了更接近理想開關(guān)，規(guī)定飽和時(shí)UCES=0.3V。輸入特性0uBE/ViB/μAUBES飽和區(qū)截止區(qū)ICSIBSIB=0UCCuCEiC0輸出特性UCES將三極管剛剛從放大進(jìn)入飽和時(shí)的狀態(tài)稱為：臨界飽和狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)uI=UIH=3.2V時(shí)iCuCEuOui=3.2ViBTRcRBUCCIB=0UCCuCEiC0輸出特性ICSIBSUCES臨界飽和集電極電流：定義飽和深度：臨界飽和基極電流：可靠飽和條件為：iB≥IBSUCESBCEUBES等效電路＋－RbRc+VCCbce＋－截止?fàn)顟B(tài)飽和狀態(tài)iB≥IBSui=UIL<0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū)3.三極管三極管的動(dòng)態(tài)開關(guān)特性當(dāng)基極施加一矩形電壓uI時(shí)截止到飽和所需的時(shí)間稱為開啟時(shí)間ton，它基本上由三極管自身決定。iCuCEuIiBTRcRBUCCuOiC、uO波形不夠陡峭，

iC、uO滯后于uI，即三極管在截止與飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間。這是由三極管的結(jié)電容引起的，內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)過程比較復(fù)雜。uI

iC

uO

UIL

UIL

ICS

0

Ucc

UCES

tontoff飽和到截止所需的時(shí)間稱為關(guān)閉時(shí)間toff，它與飽和深度S有直接關(guān)系，S越大toff越長(zhǎng)。②ui=0.3V時(shí)，因?yàn)閡BE<0.5V，iB=0，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，ic=0。因?yàn)閕c=0，所以輸出電壓：①ui=1V時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流：因?yàn)?<iB<IBS，三極管工作在放大狀態(tài)。iC=βiB=50×0.03=1.5mA，輸出電壓：三極管臨界飽和時(shí)的基極電流：uo=uCE=UCC-iCRc=5-1.5×1=3.5Vuo=VCC=5V③ui＝3V時(shí)，三極管導(dǎo)通，基極電流：而因?yàn)閕B>IBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓：uo＝UCES＝0.3V二、反相器（非門）

一般開關(guān)電路分析要點(diǎn)：

1

.先假定所有開關(guān)器件全部斷開（截止）；2.輸入端分別加低電平和高電平，從輸入端開始逐個(gè)器件進(jìn)行分析3.判斷是否滿足導(dǎo)通條件；若不滿足，該器件截止，分析下一器件4.導(dǎo)通時(shí)，判斷是否滿足飽和條件；確定后，分析下一器件；

所有開關(guān)器件狀態(tài)確定后，討論下列特性：傳輸特性（電路功能）：輸入電平—輸出電平關(guān)系

輸入特性：在高/低電平輸入時(shí)，輸入端電流特性（大小，方向）輸出特性：在高/低電平輸出時(shí)，輸出端電流特性（大小，方向）

二、反相器（非門）

二、反相器（非門）

設(shè)三極管的β=20；UCES=0.3V，UBES=0.7V，UIL=0.3V，UIH=3.2V

（一）邏輯功能分析

1.當(dāng)uI=UIL=0.3V，即：A=0時(shí)假設(shè)三極管截止TRCR1UCC=5VR24.7KUBB=-5VuouI10K56KEBCuO=UOH=5V，即Y=1象這樣的電路（UBB是負(fù)電源），當(dāng)uI=UIL=0.3V時(shí)三極管一定能可靠截止，就不必分析了。UBE<0.5V，三極管截止，假設(shè)成立，iC≈0iC0.3V5V2.當(dāng)uI=UIH=3.2V，即：A=1時(shí)假設(shè)三極管飽，UBES=0.7V，UCES=0.3V可見：iB>iBS

，即假設(shè)成立實(shí)現(xiàn)了邏輯非：TRCR1UCC=5VR24.7KUBB=-5VuouI10K56KEBCuO=UOL=UCES=0.3V，即Y=0它是一個(gè)非門（也稱反相器）R1R2UBB=-5VuI10K56K0.7V3.2V3.2Vi1i2iBUILmax

(二）電壓傳輸特性

電壓傳輸特性就是uI和uI關(guān)系曲線。當(dāng)UIL上升到一定程度UILmax時(shí)，UBE=0.5V，三極管將退出截止轉(zhuǎn)入放大，輸出電壓將會(huì)下降。0.5V代入有關(guān)的參數(shù)，

UILmax

≈1.5V當(dāng)UIH降低到一定程度UIHmin時(shí)，iB=iBS

，三極管將退出飽和轉(zhuǎn)入放大，輸出電壓將會(huì)上升。

代入有關(guān)的參數(shù)，

UIHmin≈2.2VuO/VuI/V055R1R2UBB=-5V10K56KBUILmaxiB=0UIHmin

R1R2UBB=-5V10K56KBUIHminiB=00.7V當(dāng)1.5V<uI<2.2V，三極管工作在放大區(qū)，輸出電壓隨輸入電壓的增大而線性減小。UILmax

uO/VuI/V055UOFF通常用抗干擾容限來表示抗干擾能力?！叭菹蕖笨衫斫猓鹤鳛橐粋€(gè)實(shí)用電路必須容許有干擾，但不能太大，是有限制的。(三)抗干擾能力1.關(guān)門電平UOFF

反相器輸出高電平（不是空載時(shí)的5V，要比5V低一些，如3.2V）時(shí)，稱為關(guān)門或截止?fàn)顟B(tài)保證反相器關(guān)門（輸出為高電平）的輸入低電平的最大值叫關(guān)門電平UOFF

，它比UILmax略大一點(diǎn)。3.2關(guān)門2.開門電平UON

保證反相器開門（輸出為低電平）的輸入高電平的最小值叫開門電平UON，它基本上就是UIHmin。由此可見，電壓傳輸特性越陡電路的抗干擾能力就越強(qiáng)。UIHmin

uO/VuI/V055UON關(guān)門反相器輸出低電平時(shí)，稱為開門或飽和狀態(tài)。UILN=UOFF-UIL4.輸入高電平時(shí)的擾干擾容限UIHNUIHN

=UIH-UON

3.輸入低電平時(shí)的抗干擾容限UILNUILUIHUOFFUILNUIHN(四)反相器的帶負(fù)載能力（輸出特性）

按負(fù)載電流的實(shí)際方向分為兩種：1.輸出高電平時(shí)的帶拉電流負(fù)載能力IOHTR1R2UBB=-5VuI10K56K通常認(rèn)為：IOH

就是uO降到0.9UOH=0.9×3.2=2.88（V）時(shí)的iO反相器輸出高電平時(shí)的等效電路不難看出，隨著iO的增大（RL減?。﹗O降低。RC越大特性越軟，帶負(fù)載能力越差輸出特性曲線uO/V0iO/mA15IOHiORLRCUCC=5V4.7Kuo實(shí)際電流流向反相器稱為灌電流負(fù)載實(shí)際電流流向負(fù)載叫拉電流負(fù)載2.88VTTL（Transistor-Transistor-Logic）——輸入輸出都是由三極管來完成的邏輯電路。一、TTL非門的工作原理T1是輸入級(jí)，T2是倒相級(jí)，T3

、T4

是輸出級(jí)。2.3TTL門電路D1起保護(hù)作用，D2起電平移位所有的TTL電路工作電壓都是5V。UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA電路集成門電路的發(fā)展方向：高速、低功耗、高抗干擾能力、帶負(fù)載能力強(qiáng)。T1的集電極電流是T2

的極小的反向基極電流（可以理解為T2

的的集電極電阻很大），所以T1飽和、T2、T4截止，T3

、D2

導(dǎo)通。UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA由于T3工作在射極輸出器狀態(tài)，所以帶拉電流負(fù)載能力較強(qiáng)。uI=UIL時(shí)uO=UOH3.6V0.3V設(shè)UIL=0.3V，UIH=3.2V可以認(rèn)為T4截止時(shí)有一個(gè)很小的漏電流，作為T3的下拉負(fù)載，但負(fù)載很輕，T3的基極電流就更小了，空載（沒有外部負(fù)載）時(shí)，uO

=5–UBE3–UD2=3.6V。uI=UIH時(shí)UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYAuC2=UBES4+UBES2≈0.7+0.3=1V，迫使T3

、T2截止，由于T4飽和?？梢娸敵龊洼斎胫g是反相關(guān)系，即:空載輸出時(shí)約為0.3V3.2V1.4V1V0.7V0.3VuO=UOLuE1=3.2V，而T1的集電極被T2、T4的發(fā)射結(jié)限幅，uC1=1.4V，此時(shí)T1集電結(jié)正向?qū)ǘl(fā)射結(jié)反偏（常稱為倒置工作狀態(tài)），可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為發(fā)射結(jié)截止，可使T2、T4飽和。二、TTL非門的特性曲線

T2在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中具有很大的放大倍數(shù)，其電壓傳輸特性要陡，因而提高了抗干擾能力。（一）電壓傳輸特性u(píng)O/VuI/V055UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA電壓傳輸特性T2的倒的相作用——集電極和發(fā)射極的相位相位相反。輸入高電平時(shí)，輸出低電平輸入低電平時(shí)，輸出高電平越陡，抗干擾能力就越強(qiáng)（二）輸入特性輸入特性曲線輸入端的等效電路UCCR1T4R3D1T1uIT2iIIISuIiI0IIH1.輸入低電平時(shí)uI=0時(shí)的輸入電流叫做輸入短路電流IIS2.輸入高電平時(shí)UB1=2.1V（被T1的集電結(jié)、T2、T4的發(fā)射結(jié)限幅），T1的發(fā)射結(jié)反偏，所以高電平輸入電流IIH也很小。IIL0.3V顯然IIS的數(shù)值比IIL稍大一點(diǎn)。3.2V2.1V74LS系列門電路的每個(gè)輸入端的IIH

在40μA以下。

1.4V0.7V1.4V當(dāng)輸入端開路時(shí)，T1也沒有發(fā)射極電流，即:輸入端開路也相當(dāng)于輸入高電平。當(dāng)前級(jí)輸出高電平時(shí)，它是一個(gè)很輕的拉電流負(fù)載。輸入電壓介于高、低電平之間的情況要復(fù)雜一些，但考慮到這種情況只發(fā)生在輸入信號(hào)電平轉(zhuǎn)換的短暫過程中，就不做詳細(xì)分析了。輸入特性曲線輸入端的等效電路UCCR1T4R3D1T1uIT2iIIISuIiI0IIH當(dāng)前級(jí)輸出低電平時(shí)，它是一個(gè)較重的灌電流負(fù)載。若TTL門電路作為前級(jí)的負(fù)載，由輸入特性曲線可以看出：（三）輸出特性1.高電平輸出特性輸出高電平時(shí)的等效電路UCCR2R4T3D2uoRLIOH

T3工作在射極輸出器狀態(tài)，輸出電阻較小，帶拉電流負(fù)載能力較強(qiáng)，故拉電流IOH對(duì)輸出高電平影響不大。但考慮到門電路（主要是T3

工作在放大狀態(tài)）的功耗限制，74LS系列規(guī)定IOH=0.4mA。UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA輸出高電平輸出時(shí)，T2

、T4

，截止等效2.低電平輸出特性輸出低電平時(shí)，T42、T3

，截止，T4飽和當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)門電路的輸出電平不正常時(shí)，應(yīng)從三個(gè)方面來考慮：1.輸入電平是否滿足要求；2.負(fù)載是否太重；3.門電路本身損壞UCCR1R2R4T3D2T4R3D1T1T2uouIYA

T4工作在飽和狀態(tài)，輸出電阻很?。ㄒ话阒挥?0Ω左右），故灌電流IOL對(duì)輸出低電平影響也很小。輸出低電平時(shí)的等效電路等效RLUCCT4uoIOL考慮到門電路的功耗（主要是T3）限制，74LS系列的IOL=8mA。一片集成電路內(nèi)的各個(gè)邏輯門互相獨(dú)立，可以單獨(dú)使用，但其電源引線（電源正極Ucc和電源負(fù)極GND）是共用的。常用TTL集成電路的封裝TTL“與非”門外引線排列圖4．電路應(yīng)用

利用圖所示74LS00可控制信號(hào)傳送。

與非門電路選通信號(hào)實(shí)驗(yàn)三、其它類型的TTL門電路

（一）其它功能的TTL門電路常用的其它功能的TTL門電路有：與門、與非門、或門、或非門、與或非門、異或門。在使用這些門電路時(shí)，會(huì)遇到多余輸入端的問題，處理方法是

&&&AABAB&YBUCCABYUCCYYBAAB≥1ABY≥1≥1≥1YYBA與門、與非門的處理辦法是一樣的，并聯(lián)使用或接電源或門、或非門的處理辦法是一樣的，并聯(lián)使用或接地TTL與非門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC

多發(fā)射極的邏輯1.任一輸入為低電平（0.3V）時(shí)“0”1V不足以讓T2、T5導(dǎo)通三個(gè)PN結(jié)導(dǎo)通需2.1V+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC

+5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1.任一輸入為低電平（0.3V）時(shí)“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube43.4V高電平！

2.輸入全為高電平（3.4V）時(shí)“1”全導(dǎo)通電位被嵌在2.1V全反偏1V截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC

2.輸入全為高電平（3.4V）時(shí)+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏“1”飽和uF=0.3V

(二)其它輸出結(jié)構(gòu)的TTL門電路 普通的TTL門電路有輸出端是不允許直接連接在一起。TTL門電路的輸出結(jié)構(gòu)有以下三種：①推拉式結(jié)構(gòu)②集電極開路輸出結(jié)構(gòu)即OC門

③三態(tài)輸出結(jié)構(gòu)

普通TTL與非門禁止輸出端直接相連(二)其它輸出結(jié)構(gòu)的TTL門電路1.集電極開路（OC）門以集電極開路的反相器為例，就是原反相器去掉T3、D2，T4的集電極內(nèi)部開路。R4T3D2AUCCR1T4R3D1T1T2YR2UCC2RL1AYOC反相器符號(hào)這樣就可以帶一些小型的繼電器。實(shí)際上這種電路必須接上拉負(fù)載才能工作，負(fù)載的電源UCC2一般可工作在12～24V。集電極開路的與非門（OC門）集電極懸空無T3,T4+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC

T3T4應(yīng)用時(shí)輸出端要接一上拉負(fù)載電阻RLRLUCC+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC

1.OC門可以實(shí)現(xiàn)“線與”功能&&&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL輸出級(jí)

UCCRLT5T5T5

FF=F1F2F3?任一導(dǎo)通F=0UCCRLF1F2F3F

全部截止F=1F=F1F2F3?所以：F=F1F2F3UCCRLF1F2F3F

問題如何確定上拉電阻RL?（RL(max)

RL(min)）問題的提出：為解決一般TTL與非門不能線與而設(shè)計(jì)的。①A、B不全為1時(shí)，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接電阻R后：②A、B全為1時(shí)，uB1=2.1V，T2、T3飽和導(dǎo)通，Y=0。外接電阻R的取值范圍為：OC門集電極開路與非門輸出低電平為0.3V（T4飽和），輸出的高電平接近UCC2（T4截止）。特別說明：OC門不是功能的分類，只是電路的輸出結(jié)構(gòu)不同，輸出還可以并聯(lián)。AUCCR1T4R3D1T1T2YR2UCC2RL輸入、輸出的電平不一致，這種功能叫電平轉(zhuǎn)換。OC與非門輸出并聯(lián)后，所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能是：Y＆＆UCC2RLABCDOC門的應(yīng)用這種功能叫線與。線與①線與

②電平轉(zhuǎn)移

一般TTL電路輸出高電平為3.6V，在需要不同高電平電壓值輸出的情況下，也可以用OC實(shí)現(xiàn)。如圖所示電路中，OC電路的輸出經(jīng)負(fù)載電阻RL接向+10V電源電壓VCC。這樣，當(dāng)電路輸入低電平時(shí)輸出管截止，輸出高電平電壓值為10V。

OC實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)移③用作驅(qū)動(dòng)電路

OC門通常具有較大電流驅(qū)動(dòng)能力，可直接用它驅(qū)動(dòng)指示燈、繼電器、脈沖變壓器等等，其連接見下圖。

OC門用作驅(qū)動(dòng)電路2.三態(tài)（TS）門三態(tài)門是指輸出除了高、低電平，還有一個(gè)狀態(tài)：高阻。當(dāng)當(dāng)叫做使能端，低電平有效現(xiàn)以一個(gè)三態(tài)反相器為例介紹D1、D2截止，實(shí)際上普通的反相器，實(shí)現(xiàn)正常的反相功能。時(shí)D1、D2

導(dǎo)通，迫使T2、T3、T4都截止，輸出端就呈現(xiàn)高阻狀態(tài)時(shí)使能端也有高電平使能的1ENAYUCCYR4T3D2AR1T4R3T1T2R2D2D11EN三態(tài)反相器符號(hào)三態(tài)門E---控制端+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB

DE

01截止+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB

DE

10導(dǎo)通截止截止高阻態(tài)+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB

DE

&ABF符號(hào)功能表低電平起作用&ABF符號(hào)功能表高電平起作用使能端的兩種控制方式低電平使能高電平使能三態(tài)門的邏輯符號(hào)ABF

EFAB

E返回總結(jié)

三態(tài)門又稱為三態(tài)輸出門，它的輸出端有三種狀態(tài)：①門導(dǎo)通，輸出低電平；②門截止，輸出高電平；③高阻態(tài)，或稱禁止態(tài)，此時(shí)輸出端相當(dāng)于是懸空的，即與內(nèi)部電路斷開。

三態(tài)門是在普通門電路的基礎(chǔ)上加上控制電路構(gòu)成的。主要改變的是電路的輸出結(jié)構(gòu)，不改變邏輯功能，所以任何邏輯功能門都可以有三態(tài)輸出的功能。

三態(tài)門的典型應(yīng)用分時(shí)控制電路依次使三態(tài)門G1、G2……G7使能（且任意時(shí)刻使能一個(gè)），就將D1、D2……D7（以反碼的形式）分時(shí)送到總線上

1EN1EN1EN分時(shí)控制電路D0D1D7G0G1G7在一些復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)中（如計(jì)算機(jī)）為了減少各單元電路之間的連線，使用了“總線”011101110總線雙向傳輸數(shù)據(jù)線當(dāng)G1使能，G2高阻時(shí)當(dāng)時(shí)G2使能，G1高阻1EN1G1G21ENAB/BABAX數(shù)據(jù)從A到B數(shù)據(jù)從B到AX0101TSL門的應(yīng)用：用于控制信號(hào)的傳輸①作多路開關(guān)：E=0時(shí)，門G1使能，G2禁止，Y=A；E=1時(shí)，門G2使能，G1禁止，Y=B。②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。③構(gòu)成數(shù)據(jù)總線：讓各門的控制端輪流處于低電平，即任何時(shí)刻只讓一個(gè)TSL門處于工作狀態(tài)，而其余TSL門均處于高阻狀態(tài)，這樣總線就會(huì)輪流接受各TSL門的輸出。右圖是利用三態(tài)門進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳送應(yīng)用于微機(jī)讀寫控制的連接圖，此時(shí)的控制端EN可作為讀/寫(RW)選擇端。當(dāng)此端為低電平時(shí)，由微處理器向存儲(chǔ)器寫入信號(hào)，數(shù)據(jù)傳送從左往右；當(dāng)此端為高電平時(shí)，微處理器（CPU）從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送從右往左。

（2）三態(tài)門的用途

利用三態(tài)門進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳送四、TTL的改進(jìn)系列

在工藝上同時(shí)滿足上述要求是有一定的困難的、甚至是不可能的，所以不同的子系列有著自己的特點(diǎn)。常用的有(說明只要×××的數(shù)字相同邏輯功能就相同）：在工藝上同時(shí)滿足上述要求是有一定的困難的、甚至是不可能的，所以不同的子系列有著自己的特點(diǎn)。

74LS×××：低功耗中速TTL。功耗是74系列的1/5，速度與74系列相當(dāng)。

74HC×××：電平與兼容的TTL的CMOS邏輯電路74系列的工作溫度是0～70℃。和74系列功能一一對(duì)應(yīng)而工作溫度為-55～125℃的產(chǎn)品是54系列，它主要用于軍工產(chǎn)品、汽車電子產(chǎn)品。數(shù)字電路的發(fā)展，對(duì)集成電路的要求更高。集成電路的改進(jìn)主要從提高工作速度、降低功耗、增強(qiáng)抗干擾能力等方面進(jìn)行。常用的三種改進(jìn)型的TTL與非門的特性四、TTL的改進(jìn)系列

CMOS門電路有和TTL相當(dāng)功能的邏輯門，如：與門、或門、與非門、或非門、與或非門、三態(tài)門、異或門、和類似TTL的OC門的OD門（漏極開路的門電路）等，其邏輯符號(hào)和表達(dá)式與TTL門電路的完全一致。此外，CMOS傳輸門也是常用的CMOS門電路。

TTL門電路只能用于控制數(shù)字信號(hào)的傳遞，而CMOS傳輸門可用來控制模擬信號(hào)的傳遞。

2.1CMOS門電路

CMOS集成門電路是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件的簡(jiǎn)稱。

2.1CMOS門電路

一、MOS管的開關(guān)特性（一）MOS管的基本開關(guān)電路以增強(qiáng)型NMOS管基本開關(guān)電路為例

當(dāng)uI<UGS（TH）時(shí)，MOS管工作在截止區(qū)，當(dāng)uI>UGS（TH）

時(shí)，溝道電阻變得很小，我們可以將MOS管看作是一個(gè)電壓控制的電子開關(guān)TuIuOUDDRDDGSUGS(TH)UDSID0UGSID0輸出為低電平，uO=UOL≈0V輸出即為高電平，uO=UOH≈UDDUGS<UGS(TH)UGS>UGS(TH)（二）MOS管的開關(guān)等效電路截止時(shí)漏源間的內(nèi)阻ROFF很大，可視為開路C表示柵極的輸入電容。數(shù)值約為幾個(gè)皮法因此這個(gè)電阻一般情況不能忽略不計(jì)導(dǎo)通時(shí)漏源間的內(nèi)阻RON約在1KΩ以內(nèi)，且與UGS有關(guān)（UGS

↑→RON↓

）開關(guān)電路的輸出端不可避免地會(huì)帶有一定的負(fù)載電容，所以在動(dòng)態(tài)工作時(shí)，漏極電流ID和輸出電壓UO=UDS的變化會(huì)滯后于輸入電壓的變化，這一點(diǎn)和雙極型三極管是相似的。

DGSCDGSCRON導(dǎo)通時(shí)截止時(shí)UDSID0UGS<UGS(TH)UGS2UGS2>UGS1UGS1RON2RON1ROFFSDGIDUDSUGS特性曲線越陡，表示RON越小RON2<RON1uI=0V時(shí)，T1導(dǎo)通，T2截止，

輸出與輸入之間為邏輯非的關(guān)系只有當(dāng)uI>UDD時(shí)，D1導(dǎo)通；uI<0V時(shí)D2導(dǎo)通。對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)二、CMOS反相器的工作原理uI=UDD時(shí)，T1截止，T2導(dǎo)通，T1為增強(qiáng)型PMOS，D1、D2

是保護(hù)二極管T2為增強(qiáng)型NMOS靜態(tài)時(shí)T1、T2總是有一個(gè)導(dǎo)通而另一個(gè)截止——謂互補(bǔ)狀態(tài)，所以把這種電路結(jié)構(gòu)形式稱為互補(bǔ)MOS（Complementary-SymmeteryMOS，簡(jiǎn)稱CMOS）。工作在互補(bǔ)狀態(tài)，流過T1、T2

的靜態(tài)電流極小，靜態(tài)功耗極小,這是CMOS電路最突出的一大優(yōu)點(diǎn)T1T2UDDuIuoD1D2uO≈UDD

uO≈0三、CMOS反相器的特性曲線

（一）電壓傳輸特性及噪聲容限T1T2UDDuIuoD1D2uiuo0傳輸特性特性很陡，閾值電壓，從而獲得了更大的輸入噪聲容限，UDD/2UDDUDD增大時(shí)的特性曲線（二）輸入特性在正常情況下，保護(hù)電路不動(dòng)作，其輸入電流不大于1μA。由于保護(hù)電路的二極管電流的容量有限，一般為1mA，所以有可能出現(xiàn)大電流的場(chǎng)合，如：輸入端接有低內(nèi)阻的信號(hào)源、長(zhǎng)線時(shí)（存在分布電感和分布電容），應(yīng)在輸入端串入保護(hù)電阻，串入保護(hù)電阻且隨著電源電壓（5-15V）提高而增大。閾值電壓確保流經(jīng)保護(hù)二極管的電流不超過1mA。（三）輸出特性在UDD>5V時(shí)，且輸出電流不超出允許范圍時(shí)，UOH≥0.95UDD；UOL≤0.05V。四、其它類型的CMOS門電路

（一）其他邏輯功能的CMOS門電路在CMOS門電路的系列產(chǎn)品中，除了反相器外常用的還有與門、或門、與非門、或非門、與或非門、異或門等（二）漏極開路的門電路（OD門）如同TTL電路中的OC門那樣，CMOS門的輸出電路結(jié)構(gòu)也可做成漏極開路（OD）的形式。其使用方法與TTL的OC門類似（三）CMOS傳輸門和雙向模擬開關(guān)C和若C=0（0V），若C=1（UDD），是一對(duì)互補(bǔ)的控制信號(hào)。T1的底襯接UDD、T2的底襯接地，這時(shí)源極、漏極是可以互換的，輸入、輸出也可以互換，即是雙向傳輸?shù)?。（UDD）時(shí)，T1、T2均截止，輸入與輸出之間呈高阻態(tài)（ROFF>109Ω），傳輸門截止。輸入在0～UDD

之間T1、T2

總有一個(gè)導(dǎo)通，輸入與輸出之間呈低阻態(tài)（RON<1KΩ），傳輸門導(dǎo)通。（0V）時(shí)，T1T2UDDCCuo/uiui/uoTGuo/uiui/uoCC利用傳輸門可以組合成各種復(fù)雜的邏輯電路傳輸門的另一個(gè)重要用途是做模擬開關(guān)，用來傳輸連續(xù)變化的模擬電壓信號(hào)。模擬開關(guān)廣泛用于多路模擬信號(hào)的切換，如電視機(jī)的多路音頻、視頻切換。TGuo/uiui/uoC1C常用的模擬開關(guān)有CC4066四路雙向模擬開關(guān)，在UDD=15V時(shí)的導(dǎo)通電阻RON<240Ω，且基本不受輸入電壓的影響。這一點(diǎn)是無法用一般的邏輯門實(shí)現(xiàn)的，模擬開關(guān)的基本電路是由傳輸門和反相器組成的。目前精密的CMOS雙向模擬開關(guān)的RON<10Ω（如MAX312、313、314）。(四)三態(tài)輸出的CMOS門電路三態(tài)輸出CMOS門電路和TTL三態(tài)門電路功能和應(yīng)用沒有什么區(qū)別，只是在電路結(jié)構(gòu)上CMOS的三態(tài)輸出門電路要簡(jiǎn)單得多。五、TTL電路與CMOS電路的接口在目前TTL與CMOS兩種電路并存的情況下，經(jīng)常會(huì)遇到互相對(duì)接的問題。驅(qū)動(dòng)門負(fù)載門UOH(min)≥UIH(min)UOL(max)≤UIL(max)IOH(max)≥nIIH(max)IOL(max)≥mIIL(max0其中n和m分別為負(fù)載電流中IIH和IIL的個(gè)數(shù)，當(dāng)所有負(fù)載門的輸入端沒有并聯(lián)（指多余輸入端）的情況下，n=m驅(qū)動(dòng)門必須能為負(fù)載門提供合乎標(biāo)準(zhǔn)的高、低電平和足夠的驅(qū)動(dòng)電流，也就是必須同時(shí)滿足下列各式：CMOS邏輯門電路的主要參數(shù)

CMOS門電路主要參數(shù)的定義同TTL電路，下面主要說明CMOS電路主要參數(shù)的特點(diǎn)。（1）輸出高電平VOH與輸出低電平VOL。CMOS門電路VOH的理論值為電源電壓VDD，VOH（min）=0.9VDD；VOL的理論值為0V，VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS門電路的邏輯擺幅（即高低電平之差）較大，接近電源電壓VDD值。（2）閾值電壓Vth。閾值電壓Vth約為VDD/2。（3）抗干擾容限。CMOS非門的關(guān)門電平VOFF為0.45VDD，開門電平VON為0.50VDD。因此，其高、低電平噪聲容限均達(dá)0.45VDD。其他CMOS門電路的噪聲容限一般也大于0.3VDD，電源電壓VDD越大，其抗干擾能力越強(qiáng)。（4）傳輸延遲與功耗。CMOS電路的功耗很小，一般小于1mW/門，但傳輸延遲較大，一般為幾十ns/門，且與電源電壓有關(guān)，電源電壓越高，CMOS電路的傳輸延遲越小，功耗越大。74HC高速CMOS系列的工作速度己與TTL系列相當(dāng)。（5）扇出系數(shù)。因CMOS電路有極高的輸入阻抗，故其扇出系數(shù)很大，一般額定扇出系數(shù)可達(dá)50。但必須指出的是，扇出系數(shù)是指驅(qū)動(dòng)CMOS電路的個(gè)數(shù)，若就灌電流負(fù)載能力和拉電流負(fù)載能力而言，CMOS電路遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TTL電路。

CMOS邏輯門電路的主要參數(shù)

系列參數(shù)/單位TTLCMOS74系列74LS系列4000系列①74HC系列74HCT系列UOH(min)/V2.42.74.64.44.4UOL(max)/V0.40.50.050.10.1UIH(min)/V2.02.03.53.52UIL(max)/V0.80.81.51.00.8IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4.00-4.00IOL(max)/mA1680.514.004.00IIH(max)/μA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1×10-3-0.1×10-3-0.1×10-3TTL和CMOS兩種電路輸入電壓、電流和輸出電壓、電流的參數(shù)對(duì)照比較表①——4000系列電路在UDD=5V時(shí)的參數(shù)CMOS集成門電路的應(yīng)用燈光報(bào)警器電路下圖是用CMOS集成六反相器構(gòu)成的燈光報(bào)警器電路。2.2

集成門電路的實(shí)用知識(shí)2.2.1

常用集成門電路型號(hào)系列簡(jiǎn)介1、TTL門電路型號(hào)系列介紹

2.CMOS門電路型號(hào)系列介紹

3、74系列的TTL、和4000系列的CMOS門電路輸入、輸出參數(shù)

在該表中CMOS門電路的供電電壓采用與TTL門電路相同的供電電壓+5V。

2.2.2

集成門電路使用注意事項(xiàng)

1、TTL門電路的使用注意事項(xiàng)：

（1）TTL電路的電源正端通常標(biāo)以“VCC”，負(fù)端標(biāo)以“GND”。電源正常是集成電路門電路能否正常工作的必要條件。

（2）TTL集成電路對(duì)電源電壓要求比較嚴(yán)格，除了低電壓、低功耗系列外，通常只允許在+5V±0.5V的范圍內(nèi)工作，若電源電壓超過5.5V，將損壞器件；若電源電壓低于4.5V,器件的邏輯功能將不正常。

TTL與非門輸入端經(jīng)電阻接地（3）TTL門電路的多余輸入端處理方法集成電路在使用集成電路時(shí)有時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)多余的引腳。多余的引腳要按具體情況進(jìn)行處理。1、TTL門電路的使用注意事項(xiàng)：

（4）TTL集成電路的輸出端不允許直接接地或直接接+5V，否則將導(dǎo)致器件損壞。與非門多余輸入端的處理或門、或非門多余輸入端的處理（1）CMOS電路的電源正端標(biāo)以“VDD”，負(fù)端標(biāo)以“VSS”。使用時(shí)一般將“VSS”接地。（2）由于CMOS通過上千Ω的電阻接地，仍看作低電平輸入。（3）CMOS集成電路一定要先加VDD，后加輸入信號(hào)；先撤去輸入信號(hào)，后去掉VDD。（4）CMOS集成電路的輸出端不允許直接接VDD或VSS（5）在儲(chǔ)存和運(yùn)輸中，MOS集成電路應(yīng)用金屬紙（如鋁箔）包好，短路集成電路的管腳，裝入金屬盒內(nèi)屏蔽。使用時(shí)，開封后要馬上使用，以免靜電擊穿集成電路。（6）所有與CMOS電路直接接觸的工具，測(cè)試設(shè)備必須可靠地接地。2、CMOS集成電路的使用注意事頂

2.2.3TTL與CMOS電路的接口技術(shù)1.TTL驅(qū)動(dòng)CMOSTTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路的接口電路的作用是：提高輸出高電平，以便與CMOS電路邏輯電平相容。TTL驅(qū)動(dòng)CMOS(一)用TTL電路驅(qū)動(dòng)CMOS電路1.用TTL電路驅(qū)動(dòng)4000系列和74HC系列CMOS電路

根據(jù)TTL和CMOS兩種電路的參數(shù)對(duì)照比較表可知，無論是74系列還是74LS系列作驅(qū)動(dòng)門，只有輸出的高電平不滿足要求。參數(shù)/單位74系列74LS系列4000系列①74HC系列74HCT系列UOH(min)/V2.42.74.64.44.4UOL(max)/V0.40.50.050.10.1UIH(min)/V2.02.03.53.52UIL(max)/V0.80.81.51.00.8IOH(max)/mA-0.4-0.4-0.51-4.00-4.00IOL(max)/mA1680.514.004.00IIH(max)/μA40200.10.10.1IIL(max)/mA-1.6-0.4-0.1×10-3-0.1×10-3-0.1×10-3輸出高電平不滿足要求輸出低電平滿足要求輸出拉電流滿足要求輸出灌電流滿足要求UOH=UDD-RU（IO+nIIH）由于IO和IIH都很小，所以只要RU值不是特別大，輸出高電平將被提到UOH≈UDD。最簡(jiǎn)單的方法是在TTL的輸出端與電源之間接一電阻（通常稱為上拉電阻）RU。1.用TTL電路驅(qū)動(dòng)4000系列和74HC系列CMOS電路

當(dāng)TTL的輸出為高電平（輸出級(jí)T4

截止）時(shí)RUR4T3D2UCCT4TTL的輸出級(jí)RU強(qiáng)迫輸出級(jí)的T3截止IOIO為TTL輸出級(jí)截止時(shí)的漏電流TTLUCC=UDD=5Vn個(gè)CMOS1&11….RUIO+nIIHIOIIH另一種解決的方法是采用專用的電平轉(zhuǎn)換電路，如CC40109,它有兩個(gè)電源UCC和UDD，當(dāng)UCC=5V，UDD=10V時(shí)2.用TTL電路驅(qū)動(dòng)74HCT列CMOS電路74HCT系列