[信息与通信]数字电路与逻辑电路设计 第2章 集成门电路.ppt

第2章 集成门电路本章在介绍三极管反相器的 结构和参数特点的基础上，详细 讨论了TTL反相器的结构、工作 原理、主要性能参数、TTL的不 同逻辑门，并简单介绍了TTL各 种系列的特点另外，讲述了 CMOS门电路的结构、工作原理 、主要参数、应用特点及与TTL 门电路的接口本章要点2.1 三极管反相器开关电路 开关电路高低电平BJT、 FET或 二极管2.1.1 三极管的开关特性三极管开关电路BJT作 为开关vI=VIL,三极 管截止vI=VIH,三极管 饱和导通输出高 电平输出低 电平2.1.2 三极管反相器的工作原理实用的三极管反相器电路逻辑符号逻辑表达式保证三极管 可靠截止2.1.3 三极管的开关时间三极管开关的动态特性三极管电路的有关知识可知，当输 入信号由高电平变为低电平或由低电 平变为高电平时，三极管不可能立即 实现从饱和到截止或从截止到饱和的 转换的变化总是落后于的变化，从 而的变化也落后于的变化 开启 时间关断 时间2.1.4 三极管反相器的负载能力三极管反相器的负载能力：指反相器输出端接其他电路时输出电流的能 力负载分为灌电流负载和拉电流负载 ①灌电流负载vI为高电平， vO输出低电平时，三极管饱 和导通，从负载流入三极管的电流。

②拉电流负载vI为低电平， vO输出高电平时，三极 管截止，从三极管流入负载的电流三极管饱和 程度下降 输出高电平 的最小值③推拉式输出为了提高带负载能力，即 矛盾推拉式输出改进T2是射极输输 出器，输输出 电电阻很低 2.2 TTL集成反相器2.2.1 TTL反相器的工作原理1.电路结构组成：输入级、倒相级、输出级及输 入保护电路 输入级T1和R1倒相级T2和R2、 R3输出级T3、 T4、T5及R5、 R3构成推拉式输出输入保 护电路D12.工作原理 设电源电压VCC=5V，输入信号的高、低电平分别为VOH=3.4V 、 VOL=0.2V ，PN结的特性用折线等效模型代替，开启电压和工作电压 VON=0.7V，三极管的饱和压降为VCES=0.2V1）当输输入为为低电电平A＝0（ VIL=0.2V )0.2V0.9V0.2V① T2、 T5截止② T1深度饱和，VCES1≈0③ T3、 T4导通5V3.4VY＝1（2）当输输入为为高电电平A＝1（ VIH=3.4V )3.4V2.1V1.4V0.7V① T1倒置状态（发射结反偏，集电 结正偏）② T2、 T5饱和导通③ T3导通， T4截止0.9V0.2VY＝0则2.2.2 TTL反相器的外特性及主要电气参数1.电压传输特性电压传输特性电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的关系曲线。

TTL反相器电路（1）AB段（截止区）： 输入电压vI1.4V, vB1=2.1V, T2、 T5 饱和， T3、T4截止，输出vO为低电平 0.2V对于典型的TTL反相 器，阀值电压VTH一般 约为1.4V可以粗略地 认为，当vI > VTH 时， 反相器导通，输出低电 平；当vI VDD+VDF时，D2导通，输入电压被箝制 在VDD+VDF ；当vI VDD - ∣VGS(th)P∣TN导通，内阻很小；TP截止，电阻很 大输出电压为低电平，vO=VOL=0，iD=0 ，功耗极小 总结：CMOS反相器在高电平、 低电平的稳定状态时，漏极电流为 零，故静态功耗也为零；只有在高 、低电平的动态转换期间，漏极电 流较大，动态功耗不为零相比于 TTL反相器，功耗大为减小 2.输入噪声容限相比于TTL门电路， CMOS门电路的阀值电压较 高，近似为电源电压的一半 其输入低电平和输入高电 平的噪声容限几乎相等从 工程上，考虑到一定的余量 ，一般取为电源电压的所 以，相比于TTL电路，其抗 干扰能力较强 3.输入特性输入电流iI随输入电压vI变化的关系曲线输入电压在正常工作范围0~VDD之间变化时，保护二极管 均为反向偏置，输入电流近似为零；当时vI >VDD+VDF时，D2 导通，iI 急剧增加；当vI

在同 样的负载电流情况下，电源电压VDD越大，TP管的栅源电 压越负，导通内阻越小，VOH下降越小 5.传输延时时间MOS管是单极性三极管，开关过程中没有电荷的积累和消散现象但 由于管子的导通电阻较大，集成电路中管子的极间电容及负载电容的影响， 使输出电压的变化滞后于输入电压的变化，相比于TTL门电路，其延时时间 更大，约为十几个纳秒，故其开关速度较低  6.CMOS集成电路的特点（1）静态功耗低在电源电压VDD＝5V时，中规模集成电路的静态功耗 小于100mW有利于提高集成度和封装密度，比较适合于大规模集成； （2）电源电压范围较宽CC4000系列的CMOS电路的电源电压范围从 3~18V，选择电源的余地大，电源设计要求低； （3）输入阻抗高正常工作的CMOS集成电路，其输入端的保 护二极管处于反偏状态，直流输入阻抗大于100MΩ； （4）扇出能力强在低频工作时，一个输出端可驱动50个 以上CMOS集成电路的输入端，这主要是由于CMOS集成电 路输入阻抗高、输入端取用电流小的原因 （5）抗干扰能力强CMOS集成电路的电压噪声容限可达电源电压的 45%，而且高、低电平的噪声容限基本相等 ；（6）逻辑摆幅大。

空载时输出高电平VOH=（VDD-0.05）~VDD，输出低电平 （VSS+0.05）~VSS （7）温度稳定性好，且有较强的抗辐射能力 CMOS集成器件的国外产品主要有4000、74C、 74HC等系列，后两种是高速CMOS电路，其传输 延时时间已接近标准的TTL器件，其引脚排列和逻 辑功能也和同型号的74系列TTL电路一致74HCT 系列更是在电平上和74系列的TTL电路相容，从而 使两者互换使用更为方便在4000系列基础上发展 起来的有4000B系列、4500系列和5000系列等国 产的CMOS器件以4000系列为主 2.3.3 其它类型的CMOS集成门电路 1.其它逻辑功能的CMOS门电路 （1）与非门 电路 ②当A、B全为高电平时，TN1、TN2都导 通，而TP1、TP2都截止，输出低电平 TN1、TN2 串联TP1、TP2 并联工作原理：①只要A、B中有一个是低电平，则TN1、 TN2中必有一个管子是截止的，而TP1、 TP2中必有一个是导通的，输出高电平；TP1、TP2 串联（2）或非门TN1、TN2 并联电路 工作原理：②当A、B全为低电平时，TN1、TN2都截 止的，而TP1、TP2都导通，输出高电平 ①只要A、B中有一个是高电平，则TN1、 TN2中必有一个管子是导通的，而TP1、 TP2中必有一个是截止的，输出低电平；2.带缓冲级的CMOS门电路普通门的缺点：它的输出电阻RO受输入端逻辑状态的影响 ①当A＝B＝1时，，两个串联的NMOS管都导 通，输出低电平，RO＝2RON MOS管的 导通电阻②当A＝B＝0时，，两个并联的PMOS管都导 通，输出高电平，RO＝（1/2）RON ③当A、B中一个为1、一个为0时，两个串联的 NMOS管都截止，两个并联的PMOS管只有一个 导通，输出高电平，RO＝RON总结：①输出状态的不同使输出电阻相差四 倍之多；②输出端的高、低电平大小受输入端 数目的影响；③输入端工作状态不同对电压传 输特性也有影响。

带缓冲级的门电路 或非门电路 逻辑电路逻辑表达式3. CMOS传输门和双向模拟开关（1）CMOS传输门 电路 逻辑符号控制端高、 低电平分别 为VDD和0V 输入输出可以互换 ，信号可双向传输工作原理：①当C＝0， 时，只要输入信号的变化范围不超过 VDD和0V ，则TN管和TP管同时截止，输出与输入之间是 高阻态（电阻大于109Ω），传输门截止 ；②当C＝1， 时，若0≤vI≤VDD-VGS（th）N，TN管导通， TP管截止，导通电阻很小，vO≈vI；若︱VGS（th）P︱≤vI≤， TP管导通，TN管截止， vO≈vI输出电压（2）CMOS双向模拟开关 利用非门将CMOS传输门的两个控制端连接在一起，作为控制端， 就构成了CMOS双向模拟开关电路 逻辑符号C=0时，开关不通，输出高阻态 ； C=1时，开关接通，vO=vI；利用CMOS传输门和CMOS反相器的各种组合可以构成多种复杂的逻 辑电路，如数据选择器、触发器、计数器等 【例1】试判断下面由CMOS传输门构成电路的输出和输入逻辑关系解：0001则输出逻辑式为则实现与逻辑关系避免传输门关闭时 出现高阻态，在输 出端通过大电阻接 地，也可以输出端 通过电阻接电源。

4.三态输出的CMOS门从逻辑功能上看，三态输出的CMOS门与TTL的三态门没有区别，但在 电路结构上，CMOS的三态门要简单得多 三态非门电路 逻辑符号所有NMOS管和PMOS管均截止 ，输出Y为高阻状态 A＝0时，所有NMOS管截止而所 有PMOS管导通，输出Y＝1；A＝1时 ，所有NMOS管导通而PMOS管截止 ，输出Y＝0，输出逻辑式为【例2】电路如图所示，试分析其逻辑功能解：传输门截止，输出为Y＝Z（高阻态）传输门开启，CMOS反相器的输出通 过传输门到达输出，使得此电路逻辑功能为三 态输出非门，使能控 制端低电平有效2.4 TTL和CMOS集成电路的使用及接口2.4.1 两类数字集成门电路的使用 1.输入端的扩展①外接一个扩展器与扩展器74H61逻辑符号②利用二极管与门和或门实现输入端的扩展 与非扩展或非扩展适合CMOS门2.多余输入端的处理对于与门和与非门，多余的输入端应接高电平或和已经使用的端相连 ；对于或门和或非门，多余的输入端应接低电平或和已经使用的端相连 接高电平，可以直接通过电阻和电源相连或者接到高电平处；接低电平可 直接接地，但也有其它的连接方式 注意：①TTL门：根据门输入级的特性，悬空、通过一个大电阻（大于）接地 相当于在输入端加了一个高电平；通过一个小电阻（小于）接地相当于 在输入端加了一个低电平； ②CMOS门：为防止干扰破坏逻辑关系和损坏器件，CMOS门 输入端不能悬空。

另外，由于CMOS门输入端不取用电流，所 以输入端不管是通过大电阻还是通过小电阻接地，都相当于在 输入端加了一个低电平3.提高TTL门的带负载能力①当门电路所能提供的拉电流满足不了负载的需要时，可以改变电路连 接，将拉电流负载变成灌电流负载如：一般的TTL在输出高电平的时候，最大 输出电流约为0.4mA，而发光二极管正 常工作时的电流约十多个毫安 拉电流iO灌电流iOTTL与非门输出低电平时 ，发光二极管发光，发光 二极管的工作电流由电源 VCC提供，且TTL门电路 的低电平最大输出电流约 为16mA左右，完全可以 满足正常工作要求 ②使门电路只承担灌电流负载，而让变换电路承担所需的拉电流负载 如：对TTL与非门而言，是一个拉电流负 载，明显负载过大，不能正常工作 100mAβ=254mA当TTL与非门输出高电 平时，D1截止，VCC经R1 、D2向三极管基极提供 拉电流，TTL与非门提 供的拉电流几乎为零 4. TTL电路使用中的注意事项（1。