第3章-门电路.ppt-道客多多_道客多多docduoduo.com

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1、逻辑设计的物理实现要靠器件，逻辑门是构成数字系统的最基本的单元电路。,第三章门电路,在实现数字系统时，不仅要考虑逻辑实现，还要考虑实现该系统的物理器件的性能、技术指标。,器件的性能是由其物理结构决定的。,目前使用的逻辑门一般为集成逻辑门。,主要有：双极型（TTL和ECL）、MOS型（NMOS、CMOS、BiMOS）。,3.1 概述,3.2 半导体二极管门电路,3.5 TTL门电路,3.3 CMOS门电路,退出,第三章门电路,常用的TTL门电路和CMOS门电路的工作原理、逻辑功能及输入输出特性。,分立元件门电路,集成门电路,学习要点：,二极管、三极管、场效应管的开关特性,集成电路（Integ

2、rated Circuit，简称IC)：将数字电路的半导体元、器件、电阻、电容和连线制作在同一个半导体基片（硅片）上，构成一个完整的电路，封装在一个管壳内。与分立元件电路相比，具有体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、功耗小、成本低、工作速度快等优点。。,集成电路的分类：按照集成度（每一硅片中所含的元、器件数）分为小规模集成电路（Small Scale Integrated ，简称SSI） 1-10个门(10-100个元件) ；中规模集成电路（Medium Scale Integrated ，简称MSI） 10-100个门(100-1000个元件) ；大规模集成电路（Large Scal

3、e Integrated ，简称LSI） 100个门(1000个元件) ；超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated ，简称LSI）10万个元件。根据制造工艺的不同，分为双极型和单极型两大类。TTL电路是目前双极型数字集成电路中用的最多的一种。,3.1 概述,获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。,逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。,逻辑门电路：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。简称门电路。,基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。,74系列TTL集成

4、电路，VIL0.8V，VIH2V。 74系列 TTL集成电路，VOL 0.2V，VOH3.5V。,开关S断开时，输出电压为高电平；,S接通后输出便为低电平。,单开关电路,功耗大,S1、S2开关状态相反；,vI使S2接通的同时，使S1断开，则输出vo便为低电平。,互补开关电路,vI使S1接通的同时，使S2断开，则输出vo便为高电平。,无论vo是高电平还是低电平，S1和S2总有一个是断开的，所以流过S1和S2的电流始终为零，电路的功耗极小。,开关S由半导体二极管或三极管组成。由输入信号控制二极管或三极管工作在截止和导通两个状态时就起到开关作用。,正逻辑：以高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0

5、；负逻辑相反。,每一种逻辑都有允许的高低电平的范围。因此数字电路对元、器件参数精度及供电电源稳定度的要求比模拟电路要低些。,3.2 半导体二极管门电路,3.2.1 半导体二极管的开关特性,3.2.2 二极管与门,退出,3.2.3 二极管或门,3.2.1 半导体二极管的开关特性,二极管符号：,阳极,阴极, vD ,由于半导体二极管具有单向导电性，,而当vI =VIL=0时，D导通， vo =VoL=0。,理想二极管：,设VIH=VCC,VIL=0,D为理想开关元件。,则当vI =VIH时，D截止，vo =VoH = VCC ；,所以它相当于一个受外加电压,即外加正向电压时,导通，,外加反向电压时

6、截止，,极性控制的开关。,v0.5V时，二极管截止，i=0。,v0.5V时，二极管导通。,实际上二极管的特性并不是理想的开关特性，其特性可近似的用PN结方程和伏安特性曲线表示。,实际二极管：,分析二极管组成的电路时，要通过近似分析迅速判断二极管的开关状态。必须利用二极管的近似等效电路。,当外电路的等效电源和等效电阻都很小时，二极管的正向导通压降和正向电阻都不能忽略。,二极管近似等效电路：,当二极管的正向导通压降和正向电阻与电源电压和外接电阻相比均可以忽略时，可看作理想开关。,当二极管的正向导通压降和外加电源电压相比不能忽略，且与外接电阻相比二极管的正向电阻可以忽略时。常用这种近似方法。,uo

7、,uo,ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。,ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。,反向电流持续的时间用反向恢复时间来定量描述，二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。,在动态情况下，由于外加电压由反向突然变为正向时，要等到PN结内部建立起足够的电荷梯度后才开始有扩散电流形成，因而正向导通电流的建立要稍微滞后一些。当外加电压突然由正向变为反向时，因为PN结内部尚有一定数量的存储电荷，所以有较大的瞬态反向电流流过。随着存储电荷的消散，反向电流迅速衰减并趋近于稳态时的反向饱和电流。,Y=AB,3V以上为高电平，0.7V以下为低电平,缺点：将发生信号的高、低电

8、平的偏移；,3.2.2 二极管与门,当输出端对地接上负载电阻时，负载电阻的改变有时会影响输出的高电平。,因此，这种门电路仅用作集成电路内部的逻辑单元，而不用它直接去驱动负载电路。,0V 0V,0V 3V,3V 0V,3V 3V,0.7V,0.7V,0.7V,3.7V,导通导通,导通截止,截止导通,导通导通,3.2.3 二极管或门,Y=A+B,高于2.3V为高电平，低于0V为低电平,也存在电平偏移问题，只能用作集成电路内部的逻辑单元。,0V 0V,0V 3V,3V 0V,3V 3V,0V,2.3V,2.3V,2.3V,截止截止,导通截止,截止导通,导通导通,3.3 CMOS门电路

9、,3.3.1 MOS管的开关特性,3.3.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性,退出,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,3.3.5 其它类型的CMOS门电路,3.3.7 CMOS数字集成电路的各种系列,3.3.6 CMOS门电路的正确使用,3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理,一. MOS管的结构和工作原理,MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称。结构和符号如图。,3.3.1 MOS管的开关特性,二.MOS管的输入特性和输出特性,工作原理电路,转移特性曲线,输出特性曲线,共源接法,由于绝缘层使得即使栅极和源极之间加上电压，也不会有栅极电流流通，因此不用画输入特性曲线。,

10、漏极特性曲线,可变电阻区,恒流区,截止区,截止区：当vGSVGS(th)时，漏极和源极之间没有导电沟道，iD0。,当vGS VGS(th)时，漏极和源极之间有导电沟道，有iD产生，分成两个区域。,可变电阻区：当vGS一定时，iD与vDS之比近似的等于一个常数。而导通电阻RON|vDS=0=1/2K(vGS-VGS(th)与vGS成反比，为得到较小的导通电阻，应取尽可能大的vGS值。,恒流区：漏电流iD的大小基本上由vGS决定，vDS变化对iD的影响很小。,表示iD与vGS关系的曲线称为MOS管的转移特性曲线。,三、MOS管的基本开关电路,截止状态,uIVGS(th),uo=+VOH,导通状态

11、,uIVGS(th),uo=VOL,只要负载电阻RD远远小于MOS管的截止内阻ROFF，在输出端即为高电平VOH, VOH VDD 。这时MOS管的D-S之间就相当于一个断开的开关。,随着vI的升高iD增加，而vO随之下降。当vI继续升高后，MOS管的导通内阻RON变得很小，只要RON RD ，则开关电路的输出端将为低电平VOL ，且VOL 0。这时MOS管的D-S之间就相当于一个闭合的开关。,结论：只要合理的选择电路参数，保证当vI输入为低电平时MOS管截止，开关电路输出高电平；而输入vI为高电平时MOS管导通，开关电路输出低电平。,四. MOS管的开关等效电路,五. MOS管的四种类型,

14、 VDD称为阈值电压VTH 。,接近于理想的开关特性，使CMOS反相器具有更大的输入端噪声容限。,电压传输特性是输出电压随输入电压变化的曲线。设VDD VGS(th)N + |VGS(th)P|,且VGS(th)N =|VGS(th)P|, T1和T2具有同样的导通内阻RON和截止内阻ROFF。,AB段：T1导通,而T2截止，内阻非常高，所以流过T1和T2漏极电流几乎为零。,CD段:T2导通，T1截止，所以流过T1和T2漏极电流也几乎为零。,BC段: T1T2同时导通，有电流iD流过T1T2 ，且在vI =0.5 VDD 附近iD最大。,不应使这类器件长期工作在BC段，以防器件因功耗过大

15、而损坏,电流传输特性是漏极电流随输入电压变化的曲线。,输入端噪声容限：在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度，能完成正常逻辑功能）的条件下，输入电平的允许波动范围(能承受的最大抗干扰电压值)。,三、输入端噪声容限,关门电平VOFF:为保证非门输出电路处于截止状态的最大输入低电平值,开门电平VON:为保证非门输入电路处于饱和状态时的最小输入高电平值,多个门电路连成系统时,例：74系列门电路的VOH(min)=2.4V， VOL(max)=0.4V ，VIH(min)=2V， VIL(max)=0.8V 。,故可知 VNL= VIL(max)VOL(max)=0.80.4

16、=0.4V ， VNH=VOH(min)VIH(min)=2.42=0.4V,噪声容限越大，抗干扰能力越强。非门的输入端为低电平时，允许叠加在输入端的干扰信号最大值不能超过VNL。非门的输入端为高电平时，允许叠加在输入端的干扰信号不能超过VNH。,为了提高输入端噪声容限，可以通过适当提高VDD的方法实现，而在TTL中做不到。,3.3.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,因为MOS管的栅极和衬底之间存在着输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，故必须采取保护措施保护电路。,D2是在输入端的N型扩散电阻区和P型衬底之间自然形成的，是一种所谓分布式二极管结构。可通过较大电流

17、。,C1、C2是T1 、T2栅极的等效电容,在输入端出现瞬间过冲电压使二极管击穿时，只要反向击穿电流不过大，且持续时间短，则反向击穿电压消失后，PN结仍可恢复。,RS的阻值一般在1.52.5k之间,0vIVDD输入保护电路不起作用 vIVDD VDF ，D1导通，VGVDD VDF，保证C2上的电压不超过VDD VDF ； v10.7V ，D2导通， VG-VDF ，保证C1上的电压不超过VDD VDF,74HC系列的输入特性曲线,VDF VDDVDF , iI迅速增大 vIVDF , D2经Rs导通，iI的绝对值迅速增大，Rs决定斜率,二、输出特性,1.低电平输出特性,负载电流灌入T2，VO

18、L随IOL增加而提高，因为管子的导通压降增加。,因为VGS2越大，导通内阻越小，所以，IOL相同时VDD越大，VGS2越大，VOL越小。,2.高电平输出特性,负载电流拉电流，VOH随IOH增加而下降。,因为vGS越大，导通内阻越小，所以，IOH相同时VDD越大，则T1导通时vGS1越负，它的导通内阻越小，VOH下降的越小。,3.3.4 CMOS反相器的动态特性,由于MOS管的电极之间以及电极和衬底之间都存在着寄生电容，尤其在反相器的输出端不可避免的存在着负载电容（当负载为下一级反相器时，下一级反相器的输入电容和接线电容就构成了这一级的负载电容），当输入信号发生跳变时，输出电

19、压的变化必然滞后于输入电压的变化。把输出电压变化落后于输入电压变化的时间称为传输延迟时间。,一、传输延迟时间,由于负载电容和MOS管寄生电容的存在，输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出改变状态。当输入信号为窄脉冲，且脉冲宽度接近于门电路传输延迟时间时，为使输出状态改变，所需要的脉冲信号幅度将远大于直流输入信号的幅度。反相器对这类窄脉冲的噪声容限交流噪声容限远高于直流噪声容限。Tpd越长，交流噪声容限越大。交流噪声容限同传输延迟时间一样也受电源电压和负载电容的影响。,二、交流噪声容限,当反相器从一种稳定工作状态突然转变到另一种稳定状态的过程中，将产生附加的功耗，称为动

20、态功耗PD 。由两部分组成：一部分是由于两个管子在短时间内同时导通所产生的瞬时功耗PT ，另一部分是对负载电容充、放电所消耗的功率PC 。,三、动态功耗,两个管子同时导通时所流过的电流的平均值：,由图可见ITAV 与输入信号的上升时间、下降时间和重复频率有关；VDD越大PT 越大,PT =VDDITAV,PC与负载电容的电容量，信号的重复频率以及电源电压的平方成正比,PD =PT + PC,CMOS与非门,A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。,只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才

21、会都截止，输出Y才会为低电平。,3.3.5 其他类型的CMOS门电路,一、其他逻辑功能的CMOS门电路,常用的有与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门,CMOS或非门,只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。,只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。,与门,或门,CMOS与或非门,CMOS异或门,二、带缓冲级的CMOS门电路,输出电阻RO受输入端状态的影响。假定每个管子的导通电阻相同，输入端状态的不同，可以使输出电阻相差4倍。,前面的与非门（或非门）

22、存在的缺点：,输出的高、低电平受输入端数目的影响。,输入端数目越多，串联的驱动管数目也越多，输出的低电平VOL也越高。,当输入全部为低电平时，输入端越多，负载管并联的数目越多，输出的高电平VOH更高。,输入端工作状态不同时对电压传输特性也有一定的影响。,为克服这些缺点，在CC4000和74HC系列CMOS电路中在门电路的每个输入端、输出端增加一级具有标准参数的反相器（缓冲器）的缓冲级结构。注意电路的逻辑功能发生了变化，与非门是在或非门电路的基础上增加了缓冲器后得到的；或非门是在与非门的基础上增加了缓冲器以后得到的。,图3.3.29 带缓冲级的CMOS与非门电路,VDD,图3.3.30 带缓冲级

23、的CMOS或非门电路,三、漏极开路输出门电路（ OD门）,常用于输出缓冲/驱动器中，或者用于实现输出电平的变换，以满足吸收大负载电流的需要，此外可以用于实现线与逻辑。,四、CMOS 传输门和双向模拟开关,C0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（VDD）时，vi在0VDD之间任意变化时,TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样，呈高阻态，传输门截止。,C1、，即C端为高电平（VDD）、端为低电平（0V）时，若RLRON，当0vIVDD-VGS(th)N时，T1将导通，当VGS(th)P|vIVDD时，T2将导通， TI、T2至少有一个导通，输入和输出之间相当

24、于开关接通一样，vovI。,由于两个管子的结构形式是对称的，漏极和源极可互易使用，因此CMOS传输门属于双向器件。可以利用它和CMOS反相器组成各种复杂的逻辑电路，如寄存器、计数器等。,CMOS传输门的另一个用途是做模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。,双向模拟开关的电路结构和符号,假定接在输出端的电阻为RL，双向模拟开关的导通内阻为RTG。,当C=0时，开关截止，v0=0,电压传输系数,当C=1时，开关接通，,五、三态输出的CMOS门电路,接在集成电路的输出端，成为输出缓冲器,当EN=0时，若A=1，则G4、G5的输出同为高电平，T1截止、T2导通，Y=0；若A=0，则G4、G5的输

25、出同为低电平，T1导通、T2截止，Y=1。,电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。,Y=A，反相器处于正常工作状态。,当EN=1时，不论A的状态如何， G4输出高电平而G5输出低电平， TI和T2同时截止，输出呈现高阻态。,三态门的应用：,1.在反相器上增加一对P沟道和N沟道的MOS管组成,2.在反相器上增加一个控制管和一个与非门或者或非门组成,3.在反相器的输出端串进CMOS模拟开关，作为输出状态的控制开关,在存储和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层做包装材料。组装、调试时应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接地

26、。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。不用的输入端不应悬空。,3.3.6 CMOS电路的正确使用,一、输入电路的静电防护,输入端接低内阻信号源时，应在输入端与信号源之间串进保护电阻，保证输入保护电路中的二极管导通时电流不超过1mA。输入端接有大电容时，亦应在输入端与电容之间接入保护电阻。,二、输入电路的过流保护,输入端接长导线时，应在门电路的输入端接入保护电阻。,CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项,（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（

27、4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。,CMOS数字电路的特点,3.5 TTL门电路,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,退出,3.5.4 TTL反相器的动态特性,3.5.1 双极型三极管的开关特性,3.5.6 TT

28、L数字集成电路的各种系列,3.5.5 其他类型的TTL门电路,3.5.1 双极型三极管的开关特性,一、双极型三极管的结构,有PNP型和NPN型两种，在工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，因此被称为双极型三极管。,饱和区,截止区,放,大,区,二、双极型三极管的输入特性和输出特性,基极b和发射极e之间的电压vBE和输入电流iB之间关系的特性曲线。,为简化分析，常用虚折线来近似,在不同iB下集电极电流ic和集电极电压vCE之间的关系曲线。,VON称为开启电压。硅三极管为0.50.7V；锗三极管为0.20.3V, vi= 0.3V时，,vo=VCC=5V,说明输入为低电平时，,三、双极型三极管的

29、基本开关电路,三极管工作在,输出电压为,相当于,输出为,高电平，,开关断开。,截止状态，, vi= 1V时三极管导通，,因为0iBIBS，三极管工作在,三极管临界饱和时的基极电流：,vo=uCE,三、双极型三极管的基本开关电路,VCES为三极管深度饱和时的管压降。,iC=iB=500.03=1.5mA，,基极电流：,放大状态。,=5-1.51=3.5V,=VCC-iCRc,输出电压：,vi3V时，,因为iBIBS，,voVCES0.3V,说明输入为高电平时，,三、双极型三极管的基本开关电路,三极管,基极电流：,导通，,三极管工作在,饱和状态。,输出电压：,输出为,低电平，,相当于开关,闭合。,

30、只要合理的选择电路参数，,结论：,输出低电平。,三极管工作在,截止状态；,iBIBS ，,而vI 为高电平,VIH时,三极管工作在,深度饱和状态，,的c-e间就相当于一个受vI 控制的开关。,则三极管,三极管截止时，,相当于开关,断开，,在开关电路的,输出端,输出高电平；,三极管饱和导通时，,相当于开关,接通，,在开关电路的输出端,保证当vI为低电平VIL,时vBE VON ，,四、三极管的开关等效电路,五、双极型三极管的动态开关特性,三极管在截止和饱和导通两种状态间迅速转换的动态情况下，因为内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因此，集电极电流iC的变化将滞后于输入电压vI的变化，使得开关电

31、路的输出电压vo的变化也必然滞后于输入电压vI的变化。,uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5V,uA5V时，三极管导通。基极电流为：,iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYVCE(sat)0.3V。,三极管临界饱和时的基极电流为：,高、低电平分别为大于5V和小于0.3V,六、三极管反相器,为保证在输入低电平时三极管可靠的截止，常接入电阻R2和负电源VEE ，即使输入的低电平信号稍大于零，也能使三极管的基极为负电位，从而使三极管能可靠地截止，输出高电平。,例如：饱和压降VCE(sat) =0.1V，输入的高低电平分别为VIH5V、 VIL0V，试计算输入高、低电平

32、时对应的输出电平，并说明电路参数的设计是否合理。,解：利用戴维南定理将发射结的外接电路化简成由等效电压源vB和等效内阻RB串联的单回路。,b-e两端开路电压,电源短接时的等效电阻,当vI= VIL0V 时,此时b-e结上加反向电压，三极管截止，iC0，vOVCC5V,当vI=VIH5V时,因为,iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYVCE(sat) 0,因此电路参数的设计是合理的。,一、电路结构,设电源电压VCC5V，输入信号的高、低电平分别为VIH3.4V、VIL0.2V，开启电压VON0.7V 。,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理,当 vI = VIL时，输出为高电平

33、VOH 。T1导通。基极被钳位在vB1 = VIL+ VON0.9V。T2的发射结不会导通。而T1的集电极回路电阻= R2 +(T2的b-c结反向电阻)1，故T1工作在深度饱和状态，其饱和电压降VCES0.1V，集电极电位VC1为0.3V，T2和T5管截止。由于T2管截止，故R2上压降很小， Vc2=VB4VCC=5V，T4和D2导通，因此UO=VOH=VB4-VBE4-VD23.6V为高电平, 而vE2为低电平，从而T4导通、 T5截止。,三极管三极管逻辑电路 (TransistorTransistor Logic),一、电路结构,设电源电压VCC5V，输入信号的高、低电平分别为VIH3.4

34、V、VIL0.2V，开启电压VON0.7V 。,3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理,当 vI = VIH时，输出为低电平 VOL = VCE(sat) 。T1导通，基极vB1 = VIH+VON4.1V ,T1的集电结、T2、T5导通， vB1钳位在2.1V左右, T1管发射结反偏。UO=VOL=VCES5=0.3V，而VC2=VB4=VCES2+VBE5=1V，此电压不足以使T4和D2导通，故T4和D2截止，vC2降低，而vE2升高， vE2= VBE5 =0.7v。从而T4截止、 T5导通（饱和，由于T2能给它提供足够的基极电流）,T2集电极输出的电压信号和发射极输出的电压信

35、号变化方向相反(即相位相反)分别驱动T4和T5管，完成倒相和放大。,在稳定状态下，T4和T5总是一个导通而另一个截止，有效的降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力，这种形式的电路称为推拉式电路互或图腾柱输出电路。,输入端钳位二极管，可以抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲和防止输入电压为负时T1的发射极电流过大起到保护作用。,确保T5饱和导通时T4可靠的截止。,二、电压传输特性,截止区：AB段。vI 0.6V所以vB1 1.3V, T1饱和导通。 UC1= UI+UCE10.7V时，T2和T5截止，T4 和 D2导通。因此，输出为高电平VOH = VCC- vR2- vBE4 - vD2

36、3.4V(3.6V)。,线性区：BC段。 0.6V vI 1.3V，0.7VUC11.4V，由于T2的发射极通过电阻接地，因此T2开始导通并处于放大状态，但T5管仍然截止，因此随vI的升高vC2和vO线性下降。,转折区：CD段。1.3V1.4V， vB1约为2.1V， T2和T5趋于饱和导通，而T4截止， vO急剧降为低电平，转折区中点对应的输入电压称为阈值电压或门槛电压VTH。,饱和区：DE段。vI 1.4V后，vB1被钳位在2.1V，T2和T5管均饱和，vO=vOL=VCES5=0.3V，不再变化。,A,B,C,D,E,输出电压vO随输入电压vI变化的关系曲线,输入端噪声容限：在保证输出

37、高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度，能完成正常逻辑功能）的条件下，输入电平的允许波动范围(能承受的最大抗干扰电压值)。,三、输入端噪声容限,关门电平VOFF:为保证与非门输出电路处于截止状态的最大输入低电平值,开门电平VON:为保证与非门输入电路处于饱和状态时的最小输入高电平值,多个门电路连成系统时,例：74系列门电路的VOH(min)=2.4V， VOL(max)=0.4V ，VIH(min)=2V， VIL(max)=0.8V 。,故可知 VNL= VIL(max)VOL(max)=0.80.4=0.4V ， VNH=VOH(min)VIH(min)=2.42=0.4V

38、,噪声容限越大，抗干扰能力越强。与非门的输入端为低电平时，允许叠加在输入端的干扰信号最大值不能超过VNL。与非门的输入端为高电平时，允许叠加在输入端的干扰信号不能超过VNH。,3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性,一、输入特性,当输入信号是高、低电平而不是中间值时，忽略T2 、T5的b-c结反向电流及R3对T5基极回路的影响,当VCC5V，vI =VIL0.2V时，输入的低电平电流为,当vI =0时的输入电流叫输入短路电流IIS，略大于IIL，常代替它。,IIL,当vI =VIH3.4V时， vB1被钳位2.1V， vBC1 0 、vBE10，相当于原来的发射极和集电极互换使用

39、因此被称为倒置状态，此时三极管的电流放大系数极小，所以高电平的输入电流IIH (输入漏电流 )很小，74系列门电路每个输入端的IIH值在40A以下。,二、输出特性,1.高电平输出特性,T4工作在射极输出状态，电路的输出电阻很小。在负载电流很小的范围内，负载电流iL的变化对VOH 的影响很小。随着iL的绝对值增加， R4上的压降加大，最终使T4 b-c结变为正向偏置， T4进入饱和状态，随iL绝对值的增加VOH几乎线性下降。负载电流IL=IOH由T4的发射极流出，故IOH称为拉电流。,受功耗的限制，手册上的高电平输出电流的最大值小于5mA。 74系列门电路的运用条件规定，输出高电平时，最大负载

40、电流不能超过0.4mA。,当输出是高电平时，T4和D2导通, T5截止,2.低电平输出特性,T5饱和导通c-e间的内阻很小，所以负载电流iL的增加VOH仅稍有升高，并且在较大的范围里基本呈线性。负载电流IL=IOL由负载流入T5管的集电极，故称IOL为灌电流。但负载电流过大将使T5管退出饱和而进入放大状态，VOL开始明显上升。74系列的IOL(max)=16mA。,输出是低电平时， T5饱和导通, T4 截止,例3.5.2图示电路中，试计算门G1最多可以驱动多少个同样的门电路负载。这些门电路的输入特性和输出特性分别由图3.5.12、图3.5.14、图3.5.16给出。要求G1输出的高、低电平

41、满足VOH3.2V, VOL 0.2V。,解：首先计算保证VOL 0.2V时可以驱动的门电路数目N1。,由低电平输出特性曲线可知，VOL =0.2V时，负载电流iL=16mA；,vI =0.2V 每个门的低电平输入电流iIL = - 1mA，因此有,即 N1 16,再计算保证VOH 3.2V时可以驱动的门电路数目N2。,由高电平输出特性曲线 VOH =3.2V时，iL = - 7.5mA；,由输入特性曲线，每个输入端的高电平输入电流 IIH=40A，可得,手册上同时规定,所以应取,即 N2 10，,而N1 16,取N 10,结论1：在给定的输入、输出特性曲线下，74系列反相器可以驱动同类型反相

42、器的最大数目是10，这个数值也叫做门电路的扇出系数。可以定量表示门电路带负载能力的大小。,结论2：由于门电路无论在输出高电平还是低电平时均有一定的输出电阻，所以输出的高、低电平都要随负载电流的改变而发生改变。这种变化越小，说明门电路带负载的能力越强。也可用输出电平的变化不超过某一规定值时允许的最大负载电流来定量表示门电路带负载能力的大小。,低电平带负载能力：NL=IOL(max)/IIL 高电平带负载能力：NH=IOH(max)/IIH NO为NL、NH中最小者。,三、输入端负载特性,图3.5.18 TTL反相器输入端经电阻接地时的等效电路,输入电流流过RP，会在 RP上产生压降而形成输入端

43、电位vI。 RP越大vI 也越高。,具体使用门电路时，有时需要在输入端与地之间或输入端与信号的低电平之间接入电阻RP。,RPR1时，vI几乎与RP成正比。当vI上升到1.4V后，T2和T5的发射结同时导通，将vB1钳位在2.1V，故即使RP再增大，vI也不会升高，特性曲线趋于vI =1.4V的一条水平线。,输入端悬空时， RP为，相当于接入高电平,RON4.7k,Roff680,例3.5.3图示电路中，为保证门G1输出的高、低电平能正确地传送到门G2的输入端，要求vO1=VOH时vI2VIH(min) ，vO1=VOL时v12VIL(max) ，试计算RP的最大允许值是多少。已知G1和G2

44、均为74系列反相器， VCC=5V ， VOH=3.4V ， VOL=0.2V ， VIH(min) =2.0V ， VIL(max) =0.8V。 G1和G2的输入特性和输出特性如图3.5.12和图3.5.14、图3.5.16所示。,例3.5.3图示电路中，为保证门G1输出的高、低电平能正确地传送到门G2的输入端，要求vO1=VOH时vI2VIH(min) ，vO1=VOL时v12VIL(max) ，试计算RP的最大允许值是多少。已知G1和G2均为74系列反相器， VCC=5V ， VOH=3.4V ， VOL=0.2V ， VIH(min) =2.0V ， VIL(max) =0.8V。

45、G1和G2的输入特性和输出特性如图3.5.12和图3.5.14、图3.5.16所示。,解：首先计算vO1=VOH，vI2VIH(min) 时RP的允许值。,由输入特性曲线查得vI=VIH=2.0V时的输入电流IIH=0.04mA,然后计算vO1=VOL，vI2VIL(max) 时RP的允许值。,故应取RP0.69k。,3.5.4 TTL反相器的动态特性,一、传输延迟时间,理想情况下，当TTL与非门的输入有变化时，输出应立即按其逻辑关系发生响应，但实际上三极管内部存储电荷的积累和消散都需要时间，故输出总滞后于输入，而且上升沿和下降沿会变缓。把输出电压波形滞后于输入电压波形的时间叫做传输延迟时间。

46、,速度标志,平均延迟时间： Tpd=(TPHL+TPLH)/2， Tpd越小，速度越快。,由于存在三极管的开关时间和分布电容的充放电过程，因而输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出状态改变。当输入信号为窄脉冲，而且脉冲宽度接近于门电路传输延迟时间时，为使输出状态改变所需要的脉冲幅度是交流噪声容限。高于直流噪声容限。分为正脉冲噪声容限和负脉冲噪声容限。,二、交流噪声容限,（a）正脉冲噪声容限,（b）负脉冲噪声容限,（b）vOVOH的情况 ICCL1mA,三、电源的动态尖峰电流,图3.5.23 TTL反相器电源电流的计算,（a）vOVOL 的情况 ICCL3.4mA,图3.5.

47、24 TTL反相器的电源动态尖峰电流,工作频率高，转换次数多，瞬时功耗大，散热问题。,vOVOH时，ICCL1mA,vOVOL 时，ICCL3.4mA,使电源到地之间形成了一个低阻通路，产生一个尖峰脉冲（约35mA）。,动态尖峰电流,动态尖峰电流会使电源平均电流增大，功耗增大，同时也是一个干扰源。,图3.5.24 TTL反相器电源尖峰电流的计算,一、其它逻辑功能的门电路,3.5.5 其它类型的TTL门电路,1.与非门,多发射极三极管,输入信号不全为1：如uA=0.2V， uB=3.6V,输出端的电位为：,输出Y为高电平。,uY VCC uBE4 uD3 50.70.7=3.6V,输入信号全为

48、1：如uA=uB=3.6V,输出端的电位为：,uY=UCES0.3V,输出Y为低电平。,3.6V,0.3V,功能表,真值表,逻辑表达式,输入有低，输出为高；输入全高，输出为低。,TTL电路中与逻辑关系是利用三极管的多发射极结构实现的。,与非门输出电路结构和参数与反相器相同，所以反相器的输出特性也适用于与非门。,计算与非门每个输入端的输入电流时，低电平输入电流与反相器相同，高电平时总的输入电流等于单个输入端高电平输入电流的两倍。,74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。,A、B中只要有一个为1，即高电平，如A1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y0。,AB0时，iB1、iB1均分别流入T1、T1发射极，使T2、T2、T5均截止，T4导通，输出为高电平，即Y1。,2、或非门,电路完全相同,或逻辑是通过将两个三极管输出端并联实现的。,输入端和输出端电路结构与反相器相同，因此输入输出特性与反相器一样。,将两个或输入端并联时，无论高电平输入电流还是低电平输入电流，都是单个输入端输入电流的两倍。,A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。,A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。,

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