逻辑门电路唐治德主编课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,,*,*,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,*,Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,,*,Click to edit Master title style,,Click to edit Master text styles,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,*,,逻辑门电路唐治德主编,2.1.1 二极管的开关特性,1．二极管的开关作用,当 ，二极管截止，等效为开关断开,当,，,二极管导通，,等效为开关闭合,,,2． 二极管的开关时间,由于二极管的PN结具有等效电容，二极管的通断就伴随着电容的充放电，所以，二极管的通断转换需要一定时间。

二极管通断转换的时间既是二极管的开关时间1）开通时间t,on,：二极管从截止转为导通所需的时间2）反向恢复时间t,re,：二极管从导通转为截止所需的时间，它由2段时间组成，即存储时间t,s,和渡越时间t,t,，t,re,=t,s,+t,t,v,,-,,i,,R,L,,+,,I,v,-,,图,2.1.2,,二极管的开关,时间,,（,a,）,,二极管开关电路,,(b),二极管的电流波形,,O,,O,,I,v,,V,F,,-,V,R,,I,F,,-,I,R,,t,,t,,i,,I,S,,t,s,,t,t,,t,on,,,,3．PN结的存储电荷,,PN结的,正向导通,过程：正向电压削弱PN结的势垒电场，N区的电子向P区扩散并建立电子浓度分布，P区的空穴向N区扩散并建立空穴浓度分布由于浓度不同，穿越PN结的电荷继续扩散，形成连续的正向电流从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间,t,on,,存储电荷：,,距PN结越远，电荷浓度越低；,,正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多图,2.1.3 PN,结的存储电荷,,+,,-,,I,F,,P,区,N,区,,n,--,存储电荷浓度,,n,N,—,电子浓度,,n,P,—,空穴浓度,,x,—,距离,,o,,L,N,,L,P,,,,,+,,-,,i,R,,P,区,N,区,,图,2.1.4 PN,存储电荷的驱散,,PN结截止过程：,,在反向电压的作用下，N区的空穴存储电荷被电场赶回到P区，P区的电子存储电荷被电场赶回到N区，形成反向电流，驱散存储电荷。

驱散存储电荷的时间就是存储时间t,s,在存储电荷驱散后，PN结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到PN结通过反向饱和电流I,S,，这段时间就是渡越时间t,t,通常，开通时间t,on,和反向恢复时间t,re,为纳秒级，t,re,= t,s,+t,t,>>t,on,, t,s,>t,t,所以，二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间t,s,2.1.2三极管的开关作用特性,,1. 三极管的开关作用,电路,输入特性,输出特性,,( a ),,( b ),,( c ),V,th,,BE,v,,B,i,,O,,V,C,ES,,CE,v,,C,i,,O,,V,CC,,c,CC,R,V,,0,=,B,i,,I,B4,,I,B3,=,I,BS,,I,B2,,I,B1,,,A,,B,,I,v,,CE,v,,C,i,,B,i,,CC,V,,BE,v,,R,b,,R,c,C,,当输入电压为低电平，使 三极管处于截止状态，,,ce之间等效为开关断开当输入电压为高电平，使 ，使三极管工作在输出特性的B点，处于临界饱和状态ce之间等效为开关闭合。

在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态，称为开关状态I,v,,CE,v,,C,i,,B,i,,CC,V,,BE,v,,R,b,,R,c,C,,,,表2.2.1 NPN三极管的工作状态及特点,工作状态,,截,,止,,放,,大,,饱,,和,,条,,,件,,0,£,B,i,,b,CS,BS,B,I,I,i,=,<,<,0,,b,CS,BS,B,I,I,i,=,³,,PN,结偏置,,发射结反偏,,集电结反偏,,发射结正偏,,集电结反偏,,发射结正偏,,集电结正偏,,集电极电流,,0,»,C,i,,B,C,i,i,×,»,b,,b,CS,BS,B,I,I,i,=,³,,集射电压,,{,图,2.1,.,5,(a)},,CC,CE,V,v,»,,c,C,CC,CE,R,i,V,v,-,=,,V,V,v,CES,CE,3,.,0,~,2,.,0,»,=,,特,,,点,,集射等效电阻,,约为数百千欧,,等效为开关断开,,可变,,约为数百欧姆,,等效为开关闭合,,,,,2． 三极管的开关时间,三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换需要一定的时间。

三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间设输入电压的高电平V,IH,和低电平V,IL,满足下述条件：,I,v,,CE,v,C,i,,B,i,,CC,V,,BE,v,,R,b,,R,c,O,,I,v,,V,IH,,V,IL,,I,CS,,0.9I,CS,,t,,t,,t,s,,t,f,,t,d,,O,,t,r,,0.1I,CS,,C,i,,设输入电压的高电平V,IH,和低电平V,IL,满足下述条件：,,,,O,,I,v,,V,IH,,V,IL,,I,CS,,0.9I,CS,,t,,t,,t,s,,t,f,,t,d,,O,,,r,,0.1I,CS,,C,i,,根据集电极电流波形，三极管的开关时间用下述参数描述：,,1)延迟时间t,d,：从正跳变开始到从0上升至0.1I,CS,所需的时间；,,2)上升时间t,r,：从0.1I,CS,上升至0.9I,CS,所需的时间；,,3)存储时间t,s,：从负跳变开始到从I,CS,下降至0.9I,CS,所需的时间；,三极管的开关时间一般为ns数量级，并且t,off,＞t,on,、t,s,＞t,f,基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素下降时间t,f,：从0.9I,CS,下降至0.1I,CS,所需的时间；,,）开通时间t,on,：从截止转换到饱和所需的时间，t,on,=t,d,+t,r,；,,6）关闭时间t,off,：从饱和转换为截止所需的时间，t,off,=t,s,+t,f,。

t,,,三极管的开关时间一般为ns数量级，并且t,off,＞t,on,、t,s,＞t,f,基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷1 TTL非门的工作原理,,5 CMOS 传输门/三态门/异或门,,饱和区de段： vI ＞1.,,TP1和TN1组成CMOS反相器，TN2和TN3与反相器配合驱动三极管TB1和TB2组成的推拉式输出电路，使TB1和TB2的基极信号相位相反当 时，NMOS管截止，电容充电，充电时间常数大于放电时间常数，达100nS左右,故输出的上升沿比下降沿慢2三极管的开关作用特性,,②输入高电平（VIH=3.,,三极管的开关时间一般为ns数量级，并且toff＞ton、ts＞tf此时负载门的输入电流近似为输入短路电流-IIS,,,3 CMOS反相器的特性,,为了使P型衬底和源区及漏区间的PN结截止，P型衬底必须接电位最低的节点（通常是NMOS管的源极）2)输出低电平转换为高电平的传输延迟时间tPLH：从输入下降沿幅值的50%对应的时刻起，到输出上升沿幅值的50% 对应的时刻止所需的时间。

当C=1时， ，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、,,当输入电压为高电平，使 ，使三极管工作在输出特性的B点，处于临界饱和状态由于浓度不同，穿越PN结的电荷继续扩散，形成连续的正向电流而74和54系列的区别仅是工作温度和电源电压的变化范围不同，其他相同CMOS逻辑同样可以实现各种逻辑功能的门(与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、漏极开路门等),,VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）,,传输门的导通电阻小于1kΩ2.2 TTL门电路,2.2.1 TTL非门的工作原理,,2.2.2 TTL非门的特性,,2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门,,2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门,,*2.2.5 TTL 门电路的产品系列,TTL----Transistor Transistor Logic,TTL有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或非等逻辑门，它们的工作原理相似。

2.2.1 TTL非门的工作原理,,图,2.2.,1 TTL,非门,,,A,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,1.电路组成,,TTL门一般由3级组成：输入级、中间级和输出级,输入级,输入级：信号缓冲输入,中间级：输出两个相位相反的倒相信号,中间级,输出级,输出级：推拉式输出电路，无论输出高电平或低电平，输出级的输出电阻都很低，带负载能力强2.2.1 TTL非门的工作原理,,图,2.2.,1 TTL,非门,,,A,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,1）输入低电平（V,IL,=0.3 V）,输入低电平时，输出为高电平2.工作原理,V,IL,=0.3 V,1 V,0.4V,5 V,4.3,3.6V,T,1,深饱和,,T,2,、T,5,截止,T,3,临界饱和，T,4,放大，形成射极输出器，输出电阻小。

T,1,深饱和,,T,2,、T,5,截止,T,3,临界饱和，T,4,放大，形成射极输出器，输出电阻小图,2.2.,1 TTL,非门,,,A,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,②,输入高电平（V,IH,=3.6 V）,输入高电平，输出为低电平V,IH,=3.6 V,2.1V,1.4V,0.7V,0.3V,1V,0.3,T,2,、T,5,饱和,,T,1,处于倒置状态,T,3,放大状态，T,4,截止,综上所述，输入低电平时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低电平实现了逻辑非,无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强而且T,4,和T,5,总是一个导通、另一个就截止图,2.2.,1 TTL,非门,,,A,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,3．工作速度的提高,输入,T,1,T,2,、T,5,T,3,T,4,输出,低电平,深饱和,截止,临界饱和,放大(射极),高电平,高电平,倒置放大,饱和,放大,截止,低电平,V,IH,=3.6 V,2.1V,1.4V,0.7V,0.3V,1V,0.3,1）,,v,I,: V,IH,→V,IL,，,T,1,放大,T,1,吸取T,2,管饱和时的超量存储电荷，使T,2,管快速脱离饱和，转换到截止状态。

2） TTL门具有推拉输出级，其输出电阻很小，与分布电容形成的时间常数小，故输出状态转换快2.2.2 TTL非门的特性,1.电压传输特性,截止区ab段：,v,I,＜0.5 VT,1,饱和，V,C1,=+V,CES1,<0.6V ,T,2,、T,5,截止，T,3,和T,4,组成复合管射极输出器，,v,o,=3.6V线性区bc段:0.5 V＜,v,I,,＜1.1 VT,1,饱和，0.6V

由于T,5,集电极的等效电阻减小快，,v,o,急剧减少转折区中点输入电压定义为门坎电压V,th,，约为1.3V图,2.2.,1 TTL,非门,,,A,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,饱和区de段：,v,I,,＞1.4 VT,1,处于倒置状态，T,2,、T,5,饱和，T,3,放大状态，T,4,截止v,o,=0.3V设 输出高电平值域：[V,OHmin,，3.6V]，V,OHmin,〉2V,,输出低电平值域：[0.1V，V,OLmax,]，V,OLmax,<0.5V,则由传输特性确定输入高、低电平的值域为,,输入低电平值域：[0.0V,V,ILmax,] 输入高电平值域：[V,IHmin,,5.0V],V,ILmax,是对应于输出电平为V,OHmin,的输入电平，亦称为关门电平（T,5,截止）,,V,IHmin,是对应于输出电平为V,OLmax,的输入电平，亦称为开门电平（T,5,饱和）,,,2.输入噪声容限,定义:,对于TTL反相器，,,在保证输出高电平在其值域内的条件下，输入低电平允许的干扰脉冲最大幅度称为低电平噪声容限V,NL,。

同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为V,NH,G,2,门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为：,V,NL,= V,ILmax,- V,OLmax,,G,2,门输入高电平允许的干扰脉冲幅度为：,V,NH,= V,OHmin,- V,IHmin,,适当选择V,OLmax,、V,ILmax,、V,IHmin,和V,OHmin,，获得最佳的噪声容限,一个门的输出常常是另一个门的输入，如图2.2.3所示3.输入特性,输入特性有输入伏安特性和输入负载特性1)输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线,,,图,2.2.,1 TTL,非门,,,A,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,当 （即,v,I,=V,IL,）时，,T,1,发射结导通，T,2,、T,5,截止，,I,IS,称为输入短路电流。

当 （即,v,I,=V,IH,）时，,,T,1,发射结截止，T,2,、T,5,饱和，其反向电流即为高电平输入电流I,IH,,约为40μA当 随,v,I,增加，即从-1.6mA增加至40μA1,,I,i,,2,,I,v,(V),,4,,I,IH,= 40,μ,A,,-,I,IS,,0,,V,IL,max,,I,v,,I,i,,-,10mA,,-,20mA,,图,2.2.,4,非门的输入伏安特性,,V,IH,m,in,,,,称为关门（T5截止）电阻Roff2）反向恢复时间tre：二极管从导通转为截止所需的时间，它由2段时间组成，即存储时间ts和渡越时间tt，tre=ts+tt同时包含NMOS管和PMOS管的门电路称为互补对称MOS门电路，即CMOS门电路饱和区de段： vI ＞1.,,6V ,T2、T5截止，T3和T4组成复合管射极输出器，vo=3.,,3 CMOS反相器的特性,,1 MOS管的开关特性,,1 MOS管的开关特性,,1)延迟时间td：从正跳变开始到从0上升至0.,,5 TTL 门电路的产品系列,,6V]，VOHmin〉2V,,实际中希望并联。

普通TTL门输出端不能并联！,,1)输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线,,提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷所以，R4的作用是限制输出电流距PN结越远，电荷浓度越低；,,6V]，VOHmin〉2V,,它的输出除了常规的高电平、低电平外，还有高阻抗状态传输门和门电路组合可实现复杂的逻辑电路，例如，触发器、数据选择器等2)输入负载特性,TTL门的输入端与参考电位之间接电阻R，输入电压与电阻之间的关系曲线称为输入负载特性当电阻,R,很小，使 时，,A,,V,V,CC,5,=,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,R,T,1,发射结导通，T,2,、T,5,截止对应于,v,I,=V,IL,=0.8V的电阻,,称为关门（T,5,截止）电阻R,off即当 时，R

I,1,,R,,R(,Ω,),,I,v,(V),,0,,R,off,,R,on,,1.4,,V,IL,max,,,,由于R>R,on,=2.0k时T,5,饱和导通，故称R,on,为开门电阻综上所述，当RR,on,时（包括R→∞，即输入端悬空），非门输出低电平，即等效输入为高电平（逻辑1）,A,,V,V,CC,5,=,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,R,I,1,,R,,R(,Ω,),,I,v,(V),,0,,R,off,,R,on,,1.4,,V,IL,max,,当R>R,on,=2.0k时，由上式， ，,T,1,集电结导通，T,2,、T,5,饱和，限制,,,4.输出特性：带上负载后，负载电流与输出电压的关系曲线  有低电平输出特性和高电平输出特性,,1）低电平输出特性,,图,2.2.,1 TTL,非门,,,A,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,当输入为高电平（即,v,I,=V,IH,）时，输出为低电平。

此时，,T,4,截止，T,2,、T,5,饱和导通，等效电路如图2.2.6T,5,可以吸入负载电流，称为灌电流CC,V,,R,3,,T,5,,R,L,,L,i,,V,OL,,非门,,,图,2.2.,6,TTL,门低电平输出等效电路,,,,T,5,饱和时，其集射极之间的等效电阻小（大约20Ω），且基本不变，故输出电压随负载电流线性增加, 低电平输出特性如图2.2.7所示CC,V,,R,3,,T,5,,R,L,,L,i,,V,OL,,非门,,,图,2.2.,6,TTL,门低电平输出电路,,图,2.2.,7 TTL,门低电平输出特性,,V,OL,(V),,L,i,(mA),,0,,20,,10,,0.2,,0.6,,I,LLmax,,V,O,Lmax,,,,2）高电平输出特性,,图,2.2.,1 TTL,非门,,,A,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,N,,N,,P,,I,v,,I,i,,O,i,,O,v,,输入低电平（即,v,I,=V,IL,）时，输出高电平。

此时，T,2,、T,5,截止，T,3,、T,4,组成射极输出器, 等效电路如图2.2.8T,4,向负载输出电流，称为拉电流图,2.2.8 TTL,门高电平输出等效电路,,CC,V,,R,L,,L,i,,V,OH,,非门,,,T,3,,T,4,,R,4,,100,Ω,,,,当负载电流较小（负载电阻大）时，由于射极输出器输出电阻小，输出电压基本不变当负载电流较大（负载电阻小）时，R,4,上的电压较大，使T,3,、T,4,饱和，故输出电压基本上随负载电流线性下降所以，R,4,的作用是限制输出电流图,2.2.,9,TTL,门高电平输出特性,,V,OH,(V),,L,i,(mA),,0,,-,1,,-,2,,2,,4,,图,2.2.8 TTL,门高电平输出等效电路,,CC,V,,R,L,,L,i,,V,OH,,非门,,,T,3,,T,4,,R,4,,100,Ω,,,,5.扇出系数 驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数,记为N图,2.2.,10,非门的扇出系数,,1,,1,,1,,.,,.,,.,,G,1,,I,i,,当驱动门G,1,输出低电平时，负载门的输入电流近似等于输入短路电流I,IS,。

如果G,1,吸入的最大低电平电流为I,LLmax,，则驱动负载门的最大个数为：,,1,,I,i,,2,,I,v,(V),,4,,I,IH,= 40,μ,A,,-,I,IS,,0,,V,IL,max,,I,v,,I,i,,-,10mA,,-,20mA,,图,2.2.,4,非门的输入伏安特性,,V,IH,m,in,,,图,2.2.,7 TTL,门低电平输出特性,,V,OL,(V),,L,i,(mA),,0,,20,,10,,0.2,,0.6,,I,LLmax,,V,O,Lmax,,,,5.扇出系数:驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数,记为N图,2.2.,10,非门的扇出系数,,1,,1,,1,,.,,.,,.,,G,1,,I,i,,,1,,I,i,,2,,I,v,(V),,4,,I,IH,= 40,μ,A,,-,I,IS,,0,,V,IL,max,,I,v,,I,i,,-,10mA,,-,20mA,,图,2.2.,4,非门的输入伏安特性,,V,IH,m,in,,,图,2.2.,7 TTL,门低电平输出特性,,V,OL,(V),,L,i,(mA),,0,,20,,10,,0.2,,0.6,,I,LLmax,,V,O,Lmax,,当驱动门G,1,输出高电平时，负载门的输入电流近似等于高电平输入电流I,IH,。

如果G,1,输出的最大高电平电流为I,LHmax,，则驱动负载门的最大个数为：,,,扇出系数为：,例如，74H系列门电路的参数：I,IS,=1.6mA, I,IH,=0.04mA, I,LLmax,=16mA, I,LHmax,=0.4mA,则,,,6.传输延迟时间,1,,A,,Y,,A,,Y,,t,PHL,,t,PLH,,50%,,50%,,(1)输出高电平转换为低电平的传输延迟时间t,PHL,：从输入上升沿幅值的50%对应的时刻起，到输出下降沿幅值的50% 对应的时刻止所需的时间在t,PHL,期间，T,5,管由截止转换到饱和，主要对应于T,5,管的开通时间2)输出低电平转换为高电平的传输延迟时间t,PLH,：从输入下降沿幅值的50%对应的时刻起，到输出上升沿幅值的50% 对应的时刻止所需的时间在t,PLH,期间，T,5,管由饱和转换到截止，主要对应于T,5,管的关断时间所以，t,PLH,大于t,PHL,3)平均传输延迟时间t,pd,：,,,2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门,1．TTL与非门,,图,2.2.,12 TTL,与非门,(a),电路,(b),多发射极三极管等效电路,,（,c,）输入级等效电路,,A,,B,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,b,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,c,1,,A B,,T,1,b,1,,c,1,,c,1,,b,1,,(a),(b),（,c,）,,A,,B,,c,1,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,X,,X,,当A、B都是高电平时，T,1,的２个发射结都截止，T,2,、T,5,饱和，输出低电平；,,当A、B中任何一个为低电平时，T,1,中与低电平相连的发射结导通，T,2,、T,5,截止，输出高电平；电路实现与非逻辑。

X=AB,,,2．TTL或非门,,图,2.2.,1,3,TTL,或非,门,,A,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,T,’,1,,B,,T,’,2,,R,’,1,3k,,V,V,CC,5,=,,(3)当A为高电平时，T,1,的发射结截止，T,2,、T,5,饱和，输出低电平；,(1) 当A、B都是低电平时，T,1,和T,1,’的发射结都导通，T,2,、T,2,’和T,5,截止，输出高电平；,(2) 当B为高电平时，T,1,’的发射结截止，T,2,’、T,5,饱和，输出低电平；,(4)当A和B都为高电平时，T,1,和T,1,’的发射结都截止，T,2,、T,2,’、T,5,饱和，输出低电平电路实现或非逻辑,,,3．TTL与或非门,,图,2.2.,1,3,TTL,或非,门,,A,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,T,’,1,,B,,T,’,2,,R,’,1,3k,,V,V,CC,5,=,,图,2.2.,1,4,TTL,与,或非门,,A,,B,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,T,’,1,,C,,D,,T,’,2,,R,’,1,3k,,V,V,CC,5,=,,X,,Z,,或非门电路比较可知， T,1,’和T,1,改为多发射极三极管，分别实现X=AB、Z=CD。

所以:,,,2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门,,图,2.2.15 TTL,与非门并联,,----,,电路烧坏！,,A,,B,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,C,,D,,V,V,CC,5,=,,R,1,,3k,,R,4,,100,Ω,,X,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,G,1,,G,2,,AB=0,CD=1,普通TTL门输出端不能并联！,,实际中希望并联因为通过并联可以扩展或增强的路的功能TTL 集电极开路门和三态门的输出端可以并联设输入电压的高电平VIH和低电平VIL满足下述条件：,,TP1和TN1组成CMOS反相器，TN2和TN3与反相器配合驱动三极管TB1和TB2组成的推拉式输出电路，使TB1和TB2的基极信号相位相反2）反向恢复时间tre：二极管从导通转为截止所需的时间，它由2段时间组成，即存储时间ts和渡越时间tt，tre=ts+tt所以，R4的作用是限制输出电流。

所以，R4的作用是限制输出电流输入高电平，输出为低电平当C=1时， ，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为VNH5 TTL 门电路的产品系列,,输入高电平，输出为低电平T4截止，T2、T5饱和导通，等效电路如图2.,,当EN=0(低电平)时，T7截止，T8饱和，导致T3、T4、T2和T5截止，输出电阻大，即为高阻态，记为X5 TTL 门电路的产品系列,,N型衬底必须接电位最高的节点（通常是PMOS管的源极）将两者组合则可充分发挥各自的优势，组成性能优秀的BiCMOS门电路因此，MOS管栅极电位被限制在[-VF，VDD+VF],,提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷T3 临界饱和，T4放大，形成射极输出器，输出电阻小饱和区de段： vI ＞1.,,二极管通断转换的时间既是二极管的开关时间符号“,◇,”表示集电极开路,,OC门正常使用时，必须外接电阻R，与T,5,形成反相器整个电路实现与非逻辑功能,OC与非门输出端可以并联，如图（b）。

只有Y,1,和Y,2,同时为高电平时，Y才为高电平，即Y= Y,1,Y,2,，OC门的并联线实现逻辑与，简称为线与所以,1.集电极开路门（OC门,,,&,,◇,,&,,◇,,CC,V,,A,,B,,C,,D,,1,O,i,,R,,图,2.2.18 OC,与非门外接电阻的计算,,G,1,,.,,.,,.,,1,,1,,.,,.,,.,,G,n,,G,1,,G,m,,On,i,,1,I,i,,Im,i,,R,i,,O,v,,(1)当OC门输出高电平时，,OC 门的输出电流为I,OH,（等于T,5,管的穿透电流）,负载门输入电流为I,IH,,,,(2)当OC门输出低电平时，以及灌入一个OC 门的电流不超过其最大允许值I,OLmax,此时负载门的输入电流近似为输入短路电流-I,IS,,,上拉电阻R的计算,,,2.三态TTL门,,图,2.2.,19 TTL TSL,与非门,,A,,B,,V,V,CC,5,=,,R,1,3k,,R,4,,100,Ω,,Y,,R,2,750,Ω,,R,3,360,Ω,,R,5,3k,,T,1,,T,2,,T,3,,T,4,,T,5,,EN,,R,6,3k,,R,7,,T,6,,T,7,,T,8,,TSL,钳位电路,,&,,▽,,EN,,&,,▽,,EN,,(a),,(b),,(c),,三态门,简称为TSL门（Tristate Logic）。

它的输出除了常规的高电平、低电平外，还有高阻抗状态当,使能输入端,,EN=1(高电平)时，T,7,饱和，T,8,截止：,当EN=0(低电平)时，T,7,截止，T,8,饱和，导致T,3,、,T,4,、T,2,和,T,5,截止，输出电阻大，即为高阻态，记为X▽”表示3态输出,,,TSL门的应用,X,1,X,n,EN=0，G,1,工作，输入,,EN=1， G,2,工作，输出,,,*2.2.5 TTL 门电路的产品系列,1TTL门的产品系列号为：,,74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、,,74AS/54AS和74ALS/54ALS在系列号后的数字则是品种代号，品种代号相同的门功能相同例如，7400和74H00都是2输入与非门，仅是系列不同而74和54系列的区别仅是工作温度和电源电压的变化范围不同，其他相同74系列的工作环境温度规定为0–70,o,C,,电源电压的工作范围是5V±5%,,,54系列的工作环境温度规定为-55-+125,o,C,,电源电压的工作范围是5V±10%,,,说明54系列比74系列性能好表2.2.2 不同系列TTL门的特性比较,,,74/54,74H/54H,74S/54S,74LS/54LS,74AS/54AS,74ALS/54ALS,平均传输时间t,pd,(nS),10,6,4,10,1.5,4,每门功耗P(mW),10,22.5,20,2,20,1,延时功耗积(nS·mW),100,135,80,20,30,4,不同系列TTL门的特性和电路见教材和手册,,,2.3 CMOS门电路,2.3.1 MOS管的开关特性,,2.3.2 CMOS反相器的工作原理,,2.3.3 CMOS反相器的特性,,2.3.4 CMOS与非门/或非门,,2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门,,*2.3.6 BiCMOS 门电路,由于CMOS和BiCMOS门电路性能优秀，成为门电路的主流产品。

本节主要介绍CMOS门电路，然后简要介绍BiCMOS门电路同时包含NMOS管和PMOS管的门电路称为互补对称MOS门电路，即CMOS门电路CMOS工艺与双极型工艺相结合形成的门电路称为BiCMOS门2.3.1 MOS管的开关特,1．NMOS管的开关特性,为了使P型衬底和源区及漏区间的PN结截止，P型衬底必须接电位最低的节点（通常是NMOS管的源极）在很多情况下，P型衬底直接接电位最低的节点，而不与源极相连，这时漏极与源极可以互换使用图,2.3.1,NMOS,管的结构、电路符号、转移特性和输出特性,,N,+,,P,型衬底,,,S,,G,,D,,-,GS,v,+,,N,+,,-,,DS,v,+,,V,TN,,GS,v,,D,i,(mA),,O,,DS,v,,D,i,(mA),,O,,TN,V,3,,,TN,V,5,.,2,,TN,V,2,,TN,V,,D,i,,D,,G,,S,,B,,D,i,,B,,S,i,O,2,,1,,4,,I,DN,,截止区,,可变电阻区,,,D,,G,,S,,D,i,,标准符号,,简化,符号,,,,2.3.1 MOS管的开关特,1．NMOS管的开关特性,,图,2.3.1,NMOS,管的结构、电路符号、转移特性和输出特性,,N,+,,P,型衬底,,,S,,G,,D,,-,GS,v,+,,N,+,,-,,DS,v,+,,V,TN,,GS,v,,D,i,(mA),,O,,DS,v,,D,i,(mA),,O,,TN,V,3,,,TN,V,5,.,2,,TN,V,2,,TN,V,,D,i,,D,,G,,S,,B,,D,i,,B,,S,i,O,2,,1,,4,,I,DN,,截止区,,可变电阻区,,,D,,G,,S,,D,i,,标准符号,,简化,符号,,,当 时,无导电沟道，源漏之间2个背靠背的PN结总有一个截止 (nA级)，DS之间的截止电阻可达10,8,Ω量级，等效为开关断开。

当 时, P,型衬底中的电子受栅极上正电荷的吸引在栅极下形成导电层，连接个,2,个,N,+,岛形成,N,型导电沟道，在,的作用下形成电流， (mA),工作在可变电阻区，等效为开关闭合K是常数，与沟道的宽长比和半导体材料有关R,on,约为1kΩ可变电阻区导通电阻与成反比,,,,图,2.3.,2,,NMOS,管的,开关特性,,D,,G,,S,,R,,I,v,,V,DD,=5V,,O,v,,C,L,,电容放电,,电容充电,,I,v,,O,v,,因为,R,on,约为1kΩ为确保输出电压小于0.3V（低电平），电阻R必须大于20kΩ当 时，NMOS管导通，电容放电，时间常数达nS级当 时，NMOS管截止，电容充电，充电时间常数大于放电时间常数，达100nS左右,故输出的上升沿比下降沿慢提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷即 ， ，输出高电平,,VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）,,输入高电平（vI= VDD）时，输出为低电平。

4 CMOS与非门/或非门,,6mA增加至40μA即 ， ，输出高电平,,3)存储时间ts：从负跳变开始到从ICS下降至0.,,T1集电结导通，T2、T5饱和，限制,,输出级：推拉式输出电路，无论输出高电平或低电平，输出级的输出电阻都很低，带负载能力强5 TTL 门电路的产品系列,,T3 临界饱和，T4放大，形成射极输出器，输出电阻小输入特性有输入伏安特性和输入负载特性同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为VNH只有Y1和Y2同时为高电平时，Y才为高电平，即Y= Y1Y2，OC门的并联线实现逻辑与，简称为线与VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）,,由于T5集电极的等效电阻减小快，vo急剧减少根据集电极电流波形，三极管的开关时间用下述参数描述：,,或非门电路比较可知， T1’和T1改为多发射极三极管，分别实现X=AB、Z=CD例如，7400和74H00都是2输入与非门，仅是系列不同2 不同系列TTL门的特性比较,,NMOS和PMOS管均截止，输入端与输出端断开。

2．PMOS管的开关特性,,PMOS管的特性亦与NMOS管相似区别是，开启电压V,TP,为负值，即栅极电位低于源极电位|V,TP,|,PMOS管导通,否则截止源极电位高于漏极电位，形成流出漏极的导通电流N型衬底必须接电位最高的节点（通常是PMOS管的源极）2.3.2 CMOS反相器的工作原理,当 时， ， NMOS管截止，PMOS导通（可变电阻区）即 ， ，输出高电平,当 时， ，NMOS管导通（可变电阻区），PMOS截止即 ， ，输出低电平,综上所述，电路实现逻辑非,电源电压：,由电路，得,,,1．电压传输特性,,ab段：,,,T,N,截止,T,P,导通 ,,de段：,,,T,N,导通,T,P,截止,,bcd段：,,,T,N,和T,P,都导通,,导通电阻与栅源电压的绝对值成反比v,I,增加，使 增加，,的绝对值减小,，导致R,N,减小,，R,P,增大。

因此，,v,I,增加使,v,o,减小2.3.3 CMOS反相器的特性,,,当,时，,传输特性的中点c ，阈值电压为V,DD,/2CMOS门的输入噪声容限大，近似为：,在中点，电源到地的等效电阻最小，电源电流最大，这正是产生动态尖峰电流的原因转折区电压变化率大，可以作为放大器2．输入伏安特性,增加输入保护等电路，即构成实际的CMOS门电路当 时，D,1,导通，输入电流等于其导通电流，MOS管栅极电位近似等于V,F,+V,DD,；,,设V,F,是二极管的正向导通电压，则当 时 ，,二极管截止，输入电流近似等于零，MOS管栅极电位等于输入电压,,当 时，D,2,导通，输入电流等于其导通电流，,MOS管栅极电位近似等于-V,F,因此，MOS管栅极电位被限制在[-V,F,，V,DD,+V,F,],,,3．输出特性,（1）低电平输出特性,当电源电压改变时，T,N,的栅源电压变化，所以，绘出了多只曲线输入高电平（,v,I,= V,DD,）时，输出为低电平此时，T,P,截止，T,N,导通。

低电平输出特性是T,N,的输出特性,,,（2）高电平输出特性,输入低电平（即v,I,= 0V）时，输出为高电平此时，T,P,导通，T,N,截止高电平输出特性是T,P,的输出特性,当电源电压改变时，输出高电平向上平移，所以，绘出了多只曲线CMOS门的其他特性与TTL门类似（只是参数不同），不再赘述2.3.4 CMOS与非门/或非门,CMOS逻辑同样可以实现各种逻辑功能的门(与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、漏极开路门等),1．CMOS与非门,当A=B=1时，T,N1,和T,N2,导通，T,P1,和T,P2,截止，输出低电平，Y=0当输入有一个为低电平时，栅极接低电平的NMOS管截止、PMOS管导通，输出高电平，Y=11．CMOS与非门,,,2. CMOS或非门,当输入全为低电平，即（A=B=0）时，T,N1,和T,N2,截止，T,P1,和T,P2,导通，输出高电平，Y=1当输入有高电平时，栅极接高电平的NMOS管导通、PMOS管截止，输出低电平，Y=03. 带缓冲级的CMOS与非门,在与非门中，由于PMOS管并联，NMOS管串联，致使输出电阻在高低电平时输出电阻不同，并且抬高了低电平电位。

为了克服这些缺点，在每个输入端、输出端各增设一级反相器组成带缓冲级的CMOS与非门 T1吸取T2管饱和时的超量存储电荷，使T2管快速脱离饱和，转换到截止状态VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）,,一个门的输出常常是另一个门的输入，如图2.,,距PN结越远，电荷浓度越低；,,5 CMOS 传输门/三态门/异或门,,2 不同系列TTL门的特性比较,,当EN=0时，传输门导通，,,无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强74系列的工作环境温度规定为0–70 oC,,距PN结越远，电荷浓度越低；,,T3放大状态，T4截止,,当输入电压为高电平，使 ，使三极管工作在输出特性的B点，处于临界饱和状态三态门,简称为TSL门（Tristate Logic）在中点，电源到地的等效电阻最小，电源电流最大，这正是产生动态尖峰电流的原因1 MOS管的开关特性,,同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为VNH1 MOS管的开关特性,,CMOS逻辑同样可以实现各种逻辑功能的门(与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、漏极开路门等),,74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、,,低电平输出特性是TN的输出特性,,如果G1吸入的最大低电平电流为ILLmax，则驱动负载门的最大个数为：,,低电平输出特性是TN的输出特性,2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门,1. CMOS 传输门,门电路只能将数字信号从输入端传递到输出端，而传输门则可进行双向传递。

当控制信号C=0时， NMOS和PMOS管均截止，输入端与输出端断开当C=1时， ，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合2.3.5 CMOS 传输门/三态门/异或门,1. CMOS 传输门,当C=1时， ，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合TG,,I,O,v,v,/,,V,DD,=5V,,T,N,,C,,O,I,v,v,/,,V,SS,=,-,5,V,or 0V,,C,,T,P,,具体导通情况是：,传输门的导通电阻小于1kΩ则PMOS管导通；,如果,，则NMOS管导通；,如果,，则两管同时导通如果,,,当C=1时，传输门导通，输出电压为：,式中R,TG,是传输门的导通电阻(CC4066: R,TG,<240Ω)，K,TG,定义为电压传输系数在数字电路中，通常V,SS,=0 (不用负电源)传输门和门电路组合可实现复杂的逻辑电路，例如，触发器、数据选择器等在模拟电路中，传输门作模拟电子开关，如图2.3.16所示其中反相器和传输门组合成模拟开关2. CMOS三态门,当EN=0时，传输门导通，,当EN=1时，传输门截止，输出为高阻态。

3. CMOS异或门,当B=0时，传输门TG导通，T,P2,和T,N1,截止，,当B=1时，TG截止，T,P2,导通，将T,P1,的源极接电源V,DD,，而T,N1,的源极等效接地，使T,P1,和T,N1,组成反相器,因此，,,,*2.3.6 BiCMOS 门电路,T,P1,和T,N1,组成CMOS反相器,，T,N2,和T,N3,与反相器配合驱动三极管T,B1,和T,B2,组成的推拉式输出电路，使T,B1,和T,B2,的基极信号相位相反如前所述，双极型三极管组成的推拉式输出电路输出电阻小，带负载能力强；而CMOS逻辑电路简单，功耗小将两者组合则可充分发挥各自的优势，组成性能优秀的BiCMOS门电路1.BiCMOS反相器,,,*2.3.6 BiCMOS 门电路,当A=1时，CMOS反相器输出低电平，使T,N3,和T,B1,截止；使T,N2,导通，驱动T,B2,饱和输出低电平，Y=0当A=0时，CMOS反相器输出高电平，使T,N3,导通、T,B1,饱和；使T,N2,截止，导致T,B2,截止故输出高电平，Y=11.BiCMOS反相器,,,5 CMOS 传输门/三态门/异或门,,距PN结越远，电荷浓度越低；,,距PN结越远，电荷浓度越低；,,T1发射结导通，T2、T5截止。

例如，74H系列门电路的参数：IIS=1.,,同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为VNH6V]，VOHmin〉2V,,设输入电压的高电平VIH和低电平VIL满足下述条件：,,在tPLH期间，T5管由饱和转换到截止，主要对应于T5管的关断时间。