数字电路与逻辑设计第三章集成逻辑门精选课件.ppt

1、 在数字集成电路的发展过程中,同时存在着两种器件的发展。一种是由三极管组成的双极型集成电路,例如晶体管晶体管逻辑电路(简称TTL电路)。另一种是由MOS管组成的单极型集成电路,例如NMOS逻辑电路和互补MOS(简称CMOS)逻辑电路。TTL系列逻辑电路出现在19世纪60年代,它在此之前占据了数字集成电路的主导地位.随着计算技术和半导体技术的发展,19世纪80年代中期出现了CMOS电路。虽然它出现晚一些,但因为它有效地克服了TTL和ECL集成电路中存在的单元电路结构复杂,器件之间需要外加电隔离,以及功耗大,影响电路集成密度提高的严重缺点,因而在向大规模和超大规模集成电路的发展中,CMOS集成电路

2、已占有统治地位,而且这一优势将继续延伸。基本逻辑门电路基本逻辑门电路MOS逻辑门电路逻辑门电路集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用本章知识结构本章知识结构数字电路中的二极管与三极管数字电路中的二极管与三极管一、二极管伏安特性一、二极管伏安特性(a)(a)二极管电路表示二极管电路表示(b)二极管伏安特性二极管伏安特性(1)(1)加正向电压加正向电压V VF F时，二极管导通，管压降时，二极管导通，管压降V VD D可忽略。可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。二极管相当于一个闭合的开关。二、二极管的开关特性二、二极管的开关特性1 1二极管的静态特性二极管的静态特性DVFIF(a)LRFKVFL

3、RI(b)可见，二极管在电路中表现为一个可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压受外加电压vi控制的开控制的开关关。当外加电压。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在电压的变化在“开开”态与态与“关关”态之间转换。这个转换态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的过程就是二极管开关的动态特性动态特性。(2)(2)加反向电压加反向电压V VR R时，二极管截止，反向电流时，二极管截止，反向电流I IS S可忽略。可忽略。二极管相当于一个断开的开关。二极管相当于一个断开的开关。DVRISLR(a)KLRVR(b)2 2二极管开关的动态特性二极管开关

4、的动态特性 给二极管电路加入给二极管电路加入一个方波信号，电流的一个方波信号，电流的波形怎样呢？波形怎样呢？ts为存储时间，为存储时间，tt称为渡称为渡越时间，越时间，trets十十tt称为称为反向恢复时间反向恢复时间。+DLRivi(a)反向恢复时间：反向恢复时间：t treret ts s十十t tt t产生反向恢复过程的原因：产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间反向恢复时间t trere就是存储电荷消散所需要的时间。就是存储电荷消散所需要的时间。+区区PN耗尽层LpnL区中电子区中空穴浓度分布浓度分布PN(a)(b)x 同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段同理，二极管从截止转为

5、正向导通也需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。一般可以忽略不计。三、三、三极管的开关特性三极管的开关特性三、三极管三、三极管的开关特性的开关特性三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态 （1 1）截止状态：）截止状态：当当V VI I小于三极管发射结死区电压时，小于三极管发射结死区电压时，I IB BI ICBOCBO00，I IC CI ICEOCEO00，V VCECEV VCCCC，三极管工作在截止区，对应图，三极管工作在截止区，对应图1.4.51.4.5（b b）中的）中的A A点。点。三极

6、管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压+V+T123cbeRRbCCVIiBiCCiCIB1IB2B3IB4IB5IB=0=IBSABCDEvCEVCCVCC/RCICS0.7VI 此时，若调节此时，若调节R Rb b，则，则I IB B，I IC C，V VCECE，工作点沿着负载线由，工作点沿着负载线由A A点点BB点点CC点点DD点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为其特点为I IC CIIB B。三极管工作在放大状态的条件为：三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，

7、集电结反偏发射结正偏，集电结反偏 （2 2）放大状态：）放大状态：当当V VI I为正值且大于死区电压时，三极管导通。有为正值且大于死区电压时，三极管导通。有 bIbBEIBRVRVVI+V+T123cbeRRbCCVIiBiCCiCIB1IB2B3IB4IB5IB=0=IBSABCDEvCEVCCVCC/RCICS0.7VI 若再减小若再减小R Rb b，I IB B会继续增加，但会继续增加，但I IC C已接近于最大值已接近于最大值V VCCCC/R RC C，不会再增加，不会再增加，三极管进入饱和状态。饱和时的三极管进入饱和状态。饱和时的V VCECE电压称为饱和压降电压称为饱和压降V

8、VCESCES，其典型，其典型值为：值为：V VCESCES0.3V0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：三极管工作在饱和状态的电流条件为：I IB B I IBS BS 电压条件为：集电结和发射结均正偏电压条件为：集电结和发射结均正偏（3 3）饱和状态：）饱和状态：保持保持V VI I不变，继续减小不变，继续减小R Rb b，当，当V VCECE 0.7V0.7V时，集电时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b b）中的）中的E E点。此时的点。此时的集电极电流称为集电极饱和电流，用集电极电流称为集电极饱和电流，用I ICSCS表示，基极电

9、流称为基极表示，基极电流称为基极临界饱和电流，用临界饱和电流，用I IBSBS表示，有表示，有:CCCC0.7V-RVRVICCCSCCCCSBSRVII解：解：根据饱和条件根据饱和条件IBIBS解题。解题。例例1.4.1 电路及参数如图电路及参数如图1.4.6所示，设输入电压所示，设输入电压VI=3V，三极管的，三极管的VBE=0.7V。（1 1）若）若6060，试判断，试判断三极管三极管是否饱和，并求出是否饱和，并求出IC和和VO的值的值。（2）将）将RC改为改为6.8kW W，重复以上计算。，重复以上计算。+V+-T123RRbCCIVC（+12V）OV10k100k图1.4.6 例1.

10、4.1电路)mA0.023(1000.7-3BI)mA0.020(106012CCCBSRVIIBIBS 三极管饱和。)mA1.2(1012CCCCSCRVIIV3.0CESOVVIB不变，仍为0.023mA)mA0.029(6.86012CCCBSRVIIBIBS 三极管处在放大状态。)mA1.4(0.02360BIIC)V2.48(6.81.4-12-CCCCCEORIVVV（3）将）将RC改为改为6.8kW W，再将，再将Rb改为改为60kW W，重复以上计算。，重复以上计算。由上例可见，由上例可见，Rb、RC、等参数都能决等参数都能决定三极管是否饱和。定三极管是否饱和。则该电路的饱和条

11、件可写为：则该电路的饱和条件可写为：即即在在VI一定（要保证发射结正偏）和一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，一定的条件下，Rb越小，越小，越大，越大，RC越大，三极管越容易饱和。越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。+V+-T123RRbCCIVC（+12V）OV10k100k图1.4.6 例1.4.1电路)mA0.038(600.7-3BI IBS0.029 mAIBIBS 三极管饱和。)mA1.76(6.812CCCCSRVIICV3.0CESOVVbIRVCC

12、CRV 2 2三极管的动态特性三极管的动态特性（1 1）延迟时间延迟时间t td d 从输入信号从输入信号v vi i正跳变的正跳变的 瞬间开始，到集电极电流瞬间开始，到集电极电流i iC C上升到上升到0.10.1I ICSCS所需的时间所需的时间 （2 2）上升时间上升时间t tr r集电极电流从集电极电流从0.10.1I ICSCS上上升到升到0.90.9I ICSCS所需的时间。所需的时间。（3 3）存储时间存储时间t ts s从输入信号从输入信号v vi i下跳变的下跳变的瞬间开始，到集电极电流瞬间开始，到集电极电流i iC C下降到下降到0.90.9I ICSCS所需的时间。所需的

13、时间。（4 4）下降时间下降时间t tf f集电极电流从集电极电流从0.90.9I ICSCS下降下降到到0.10.1I ICSCS所需的时间。所需的时间。一、二极管与门和或门电路一、二极管与门和或门电路1与门电路与门电路 3.2 3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路LAB+VDD3k（+5V）RCC21&ABL=AB 2或门电路或门电路ABLDD12R3kABL=A+B1二、三极管非门电路二、三极管非门电路+VALT123RRbCCC（+5V）AL=AL=AA11二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：（1 1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值）在多个门串接使用时

14、，会出现低电平偏离标准数值的情况。的情况。（2 2）负载能力差）负载能力差0V5V+V+VL5VDDDD3k（+5V）RCC211CCR2（+5V）0.7V1.4V3k解决办法：解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。LAB+VDD3k（+5V）RCC21+VALT123RRbCCC（+5V）CBAL三、三、DTL与非门电路与非门电路工作原理：工作原理：（1）当）当A、B、C全接为高电平全接为高电平5V时，二极管时，二极管D1D3都截止，而都截止，而D4、D5和和T导通，且导通，且T为为饱和饱和导通导通，VL=0.3V=0.

15、3V，即输出低电平。，即输出低电平。（2）A、B、C中只要有一个为低电平中只要有一个为低电平0.3V时，则时，则VP1V，从而使，从而使D4、D5和和T都截止，都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：所以该电路满足与非逻辑关系，即：ABCL+VDDD123DD1R23CC（+5V）R1RcT45P3k1k4.7k3.3 3.3 TTL逻辑门电路逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理与非门的基本结构及工作原理1TTL与非门的基本结构与非门的基本结构BAC+VRPCC（+5V）PPPNNNN+V13（+5V）CCABCTb1R1+VV123

16、123D12313CC（+5V）R130ABCTTTRT4kRb11243c2c4Re2oVVc2e2输入级中间级输出级1.6k1k2 2TTL与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系（1 1）输入全为高电平）输入全为高电平3.63.6V时。时。T2 2、T3 3导通，导通，VB1 1=0.7=0.73=2.13=2.1（V ），），由于由于T3 3饱和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：VO O=VCES3CES30.30.3V这时这时T2 2也饱和导通，也饱和导通，故有故有VC2C2=VE2E2+VCE2CE2=1=1V。使使T4 4和二极管和二极管D都截止。都截止。实现了与非门的逻辑功能之一

17、：实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。+VV3.6V13123123123D（+5V）CCRACBTTTRT1KRb11243c2c4e2Ro2.1V1.4V0.7V1V0.3V倒置状态饱和饱和截止截止4k1.6k130CBAL该发射结导通，该发射结导通，VB1 1=1=1V。所以。所以T2 2、T3 3都截止。由于都截止。由于T2 2截止，流过截止，流过RC2 2的的电流较小，可以忽略，所以电流较小，可以忽略，所以VB4B4VCCCC=5=5V ，使，使T4 4和和D导通，则有：导通，则有：VO OVC CC C-VBE4BE4-VD D

18、=5-0.7-0.7=3.6=5-0.7-0.7=3.6（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平输入有低电平时，输出为高电平。综合上述两种情况，综合上述两种情况，该电路满足与非的该电路满足与非的逻辑功能，即：逻辑功能，即：+VV0.3V3.6V13123123123DRo1301c2c43BACCT2RCRRT4b1TT4ke21V5V3.6V饱和截止截止导通导通4.3V1.6k1k（2 2）输入有低电平）输入有低电平0.30.3V 时。时。二、二、TTL与非门的开关速度与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作

19、速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。+V0.3V3.6VV12313123R1c23BACCT2RCRTb1Te21V1.4V0.7ViB1iB1o4k1.6k1k （2 2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。+VV+VV123123D123123D（+5V）CCc4o截止T3T4导通导通R充电CLc4CC（+5V）o导通3T4T截止截止R放电CL（a）（b）2PHLPLHpdttt2 2TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd导

20、通延迟时间导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd是是tPHL和和tPLH的平均值。即的平均值。即 一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。三、三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力与非门的电压传输特性及抗干扰能力1电压传输特性曲线：电压传输

21、特性曲线：Vo=f（Vi）（1 1）输出高电平电压输出高电平电压V VOHOH在正逻辑体制中代表逻辑在正逻辑体制中代表逻辑“1”1”的输出电压。的输出电压。VOH的理论值为的理论值为3.63.6V，产品规定输出高电压的最小值，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4=2.4V。（2 2）输出低电平电压输出低电平电压V VOLOL在正逻辑体制中代表逻辑在正逻辑体制中代表逻辑“0”0”的输出电压。的输出电压。VOL的理论值为的理论值为0.30.3V，产品规定输出低电压的最大值，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4=0.4V。（3 3）关门电平电压关门电平电压V VOFFOF

22、F是指输出电压下降到是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电时对应的输入电压。压。即即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压输入低电平电压，用，用VIL（max）表示。产品规定表示。产品规定VIL（max）=0.8=0.8V。（4 4）开门电平电压开门电平电压V VONON是指输出电压下降到是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电时对应的输入电压。压。即即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压输入高电平电压，用，用VIH（min）表示。产品规定表示。产品规定VIH（min）=

23、2=2V。（5 5）阈值电压阈值电压V Vthth电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：近似地：VthVOFFVON 即即ViVth，与非门关门，输出高电平；，与非门关门，输出高电平；ViVth，与非门开门，输出低电平。，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为又常被形象化地称为门槛电压门槛电压。Vth的值为的值为1.31.3V1.1.V。2几个重要参数几个重要参数低电平噪声容限低电平噪声容限 VNLVOFF-VIL0

24、.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVIH-VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限噪声容限。3 3抗干扰能力抗干扰能力(mA)14151b1BCCILRVVI四、四、TTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力1 1输入低电平电流输入低电平电流IIL与输入高电平电流与输入高电平电流IIH（1 1）

25、输入低电平电流输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定IIL1.61.6mA。&oV&G0G1G2Gn0.3V+V13b1B1TR1iCC4K1VILI（2 2）输入高电平电流输入高电平电流I IIHIH是指当门电路的输入端接高电是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。平时，流入输入端的电流。有两种情况。寄生三极管效应：如图（寄生三极管效应：如图（a）所示。）所示。这时这时IIH=P PIB1B1，P P为寄生三极管的为寄生三极管的电流放大系

26、数。电流放大系数。由于由于p和和i的值都远小于的值都远小于1 1，所以所以IIH的数值比较小，产品规定：的数值比较小，产品规定：IIH4040uA。倒置的放大状态：如图（倒置的放大状态：如图（b）所）所示。这时示。这时IIH=iIB1B1，i为倒置放为倒置放大的电流放大系数。大的电流放大系数。（1 1）灌电流负载）灌电流负载ILOLOLIIN2 2带负载能力带负载能力当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当负载门的个数增加，灌电流增大，会使当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3 3脱离饱和，输出低电平升高。因脱离饱和，输出低电平升高。因此

27、，把允许灌入输出端的电流定义为此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流输出低电平电流I IO LO L，产品规定产品规定IOL=16=16mA。由此可得出。由此可得出:N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。+V+V13D12312313截止3饱和CC（+5V）TTR截止4c4RCC4Kb1b14KR输出低电平IILIILIOLC3I=IHOHOHIIN（2 2）拉电流负载。）拉电流负载。NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：。由此可得出：当驱动门输出高电平时，当驱动门输出高电平时

28、，电流从驱动门拉出电流从驱动门拉出,流至流至负载门的输入端。负载门的输入端。拉电流增大时，拉电流增大时，RC4C4上的上的压降增大，会使输出高压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允电平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定许拉出输出端的电流定义为义为输出高电平电流输出高电平电流I IOHOH。一般一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用用NO表示。表示。+V+V1231312313DRCCR3导通b14K截止T（+5V）b1Tc4R4CC4K导通输出高电平IIHIIHOHE4=II五、五、TTL与非门举例与非门举例7400740074

29、007400是一种典型的是一种典型的TTL与非门器件，内部含有与非门器件，内部含有4 4个个2 2输入端输入端与非门，共有与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。个引脚。引脚排列图如图所示。六、六、TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1 1非门非门L+V123123D12313ATTT123Re21AL=A(a)(b)Rc2RCCRTc4b142或非门或非门 L+V123123D1312312313AL=A+B(a)(b)CC4TR3TT1AT2AT1BT2BR1BR1AR2R43ABB13与或非门与或非门+VL12312313D13 123123CC4TR3T1AT2AT1BT2B

30、TR1BR1AR24R3AB11A2B2 在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为称为线与线与。普通的普通的TTL门电路不能进行线与门电路不能进行线与。为此，为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。集电极开路门。4集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）+VL12312313CC（+5V）ABTTRT1.6K4K1KRb1123c2Re2ALB&（1 1）实现线与。）实现线与。电路如右图所示，逻辑关系为电路如右图所示，逻辑关系为:OC门主要有以下几方面的应用：

31、门主要有以下几方面的应用：（2 2）实现电平转换。）实现电平转换。如图示，可使输出高电平变为如图示，可使输出高电平变为1010V。（3 3）用做驱动器。）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。如图是用来驱动发光二极管的电路。+VBA&DC&PRCCLLL12+10V&OV+5V&270（1）当输出高电平时，当输出高电平时，RP不能太大。不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由由OC门进行线与时，外接上拉电阻门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：的选择：得：得：+V&RCCPVOHIIHIIHIIHnm&得：得：（2）当输出低电平时，当输出低电

32、平时，RP不能太小。不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由由所以：所以：RP（min）RPRP（max）+V&RPCCOLVIILILIn&m&IOL（1 1）三态输出门的结构及工作原理。）三态输出门的结构及工作原理。当当EN=0=0时，时，G输出为输出为1 1，D1 1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。称为正常工作状态。当当EN=1时，时，G输出为输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端都截止。这时从输出端L看进去，呈看进去，呈现高阻，称为现高阻，称为高阻态高阻态，或禁止态。，或禁止态

33、。AB5 5三态输出门三态输出门+VL123123D123D13ABT1b1R3TR4CCTTc2R2VRc2e2c4pEN11G&ENABL&ENABLEN=0时,L=EN=1时,L=AB三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（a）组成单向总线，）组成单向总线，实现信号的分时单向传送实现信号的分时单向传送.（b）组成双向总线，）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。（2 2）三态门的应用）三态门的应用AEN&BAEN&BAEN&BENENEN111222333总线G1G2G3EN1总线DDIO1EN/IDDOGG12EN5 5

34、7474LS系列系列为低功耗肖特基系为低功耗肖特基系列。列。6 67474AS系列系列为先进肖特基系列，为先进肖特基系列，它是它是7474S系列的后继产品。系列的后继产品。7 77474ALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列，功耗肖特基系列，是是74LS系列的后继产品。系列的后继产品。七、七、TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介1 17474系列系列为为TTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTL器件。器件。2 27474L系列系列为低功耗为低功耗TTL系列，又称系列，又称LTTL系列。系列。3 37474H系列系列为高速为高速TTL系列。系列。4 47

35、474S系列系列为肖特基为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。如图示。系列，进一步提高了速度。如图示。所以输出为低电平。所以输出为低电平。一、一、NMOS门电路门电路1 1NMOS非门非门3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路逻辑关系：（设两管的开启电压为逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1T1=VT2T2=4=4V，且，且gm1 1gm2 2）（1 1）当输入）当输入Vi为高电平为高电平8 8V时，时，T1 1导通，导通，T2 2也导通。因为也导通。因为gm1 1gm2 2，所以两管的导通电阻所以两管的导通电阻RDS1DS1RDS2DS2，输出电压为：，输出电压为：VVVTTDD21(+

36、12V)ioVVV1DD2T(+12V)TioVVDS2DS1R(100200k)DD(+12V)R(310k)o（2 2）当输入）当输入Vi为低电平为低电平0 0V时，时，T1 1截止，截止，T2 2导通。所以输出电压为导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8=8V，即输出为高电平。，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。所以电路实现了非逻辑。2 2NMOS门电路门电路（1 1）与非门）与非门（2）或非门）或非门AL=ABVB1TDD3T(+12V)T2BVL=A+BADD(+12V)3T2TT11 1逻辑关系：逻辑关系：（设（设VDD（VTN+|+|VTP|），且），且VTN=|=|V

37、TP|）（1 1）当）当Vi=0=0V时，时，TN截止，截止，TP导通。输出导通。输出VOVDD。（2 2）当）当Vi=VDD时，时，TN导通，导通，TP截止，输出截止，输出VO00V。二、二、CMOS非门非门CMOS逻辑门电路是由逻辑门电路是由N沟道沟道MOSFET和和P沟道沟道MOSFET互补而成。互补而成。VVVVVVDDTPTNDDTPTN(a)(b)iioo（1 1）当）当Vi2 2V，TN截止，截止，TP导通，输出导通，输出VoVDD=10=10V。（2 2）当）当2 2VVi5 5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作在可工作在可 变电阻区。变电阻区。（3 3）当）当Vi=

38、5=5V，两管都工作在饱和区，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2/2）=5=5V。（4 4）当）当5 5VVi8 8V，TP工作在饱和区，工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。（5 5）当）当Vi8 8V，TP截止，截止，TN导通，输出导通，输出Vo=0=0V。可见：可见：CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压 Vth=VDD/2/22电压传输特性电压传输特性：（设：（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）3 3工作速度工作速度由于由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。容

39、负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平非门的平均传输延迟时间约为均传输延迟时间约为1010ns。VVVVVVCCDD(a)PTTN导通截止DDPTNT截止导通(b)i=0i=1O=1O=0LL（2）或非门）或非门三、其他的三、其他的CMOS门电路门电路1 1CMOS与非门和或非门电路与非门和或非门电路（1）与非门）与非门LVABDDTP1TN1TN2P2TLVABP1TDDTN2P2TN1T（3）带缓冲级的门电路）带缓冲级的门电路 为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。缓冲

40、级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。L L=BABAABLV8T6TT714T3T10T9TDDT2T5TBAXBABABABABAXBAL后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：2 2CMOS异或门电路异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为由两级组成，前级为或非门，输出为VL=AABDDXB+当当EN=1=1时，时，TP2 2和和TN2 2同时截止，输出为同时截止，输出为高阻状态高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。所以，这是一个低电平有效的三态门。AL 3 3 CMOS三态门三态门工作原理：工作原理：当当EN=0=0时，时，TP2 2和和T

41、N2 2同时导通，同时导通，为为正常的非门，输出正常的非门，输出LVAENDDP2TP1TTN2N1T11ENAL4 CMOS传输门传输门工作原理：（设两管的开启电压工作原理：（设两管的开启电压VTN=|=|VTP|）（1 1）当当C接高电平接高电平VDD，接低电平接低电平0 0V时，若时，若Vi在在0 0VVDD的范围变化，至的范围变化，至少有一管导通，少有一管导通，相当于一闭合开关相当于一闭合开关，将输入传到输出，即，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2 2）当当C接低电平接低电平0 0V，接高电平接高电平VDD，Vi在在0 0VVDD的范围变化时，的范围变化时，TN和和TP都截止，输出呈高

42、阻状态，都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开相当于开关断开。CCVVCCV0VDDTNTPi/Voo/ViCCTGVi/VoVoV/i1 1CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1 1）基本的）基本的CMOS40004000系列。系列。（2 2）高速的）高速的CMOSHC系列。系列。（3 3）与）与TTL兼容的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点逻辑门电路主要参数的特点（1 1）VOH（min）=0.9=0.9VDD；VOL（max）=0.01=0.01VDD。所以所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。门电路的逻辑摆幅（即高低电平之

43、差）较大。（2 2）阈值电压）阈值电压Vth约为约为VDD/2/2。（3 3）CMOS非门的关门电平非门的关门电平VOFF为为0.450.45VDD，开门电平，开门电平VON为为0.550.55VDD。因此，。因此，其高、低电平噪声容限均达其高、低电平噪声容限均达0.450.45VDD。（4 4）CMOS电路的功耗很小，一般小于电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；门；（5 5）因）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达5050。四、四、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数逻辑门电路的系列及主要参数一、一、TTL与与CMOS器件之间的接

44、口问题器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：足下列条件：驱动门的驱动门的VOH（min）负载门的负载门的VIH（min）驱动门的驱动门的VOL（max）负载门的负载门的VIL（max）驱动门的驱动门的IOH（max）负载门的负载门的IIH（总）（总）驱动门的驱动门的IOL（max）负载门的负载门的IIL（总）（总）3.5 3.5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 （b）用）用TTL门电路驱动门电路驱

45、动5 5V低电低电流继电器，其中二极管流继电器，其中二极管D作保作保护，用以防止过电压。护，用以防止过电压。二、二、TTL和和CMOS电路带负载时的接口问题电路带负载时的接口问题1 1对于电流较小、电平能够匹配对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。的负载可以直接驱动。（a a）用）用TTL门电路驱动发光二极门电路驱动发光二极管管LED，这时只要在电路中串接，这时只要在电路中串接一个约几百一个约几百W W的限流电阻即可。的限流电阻即可。VB&ACC（5V）360LEDV（5V）ABCC&继电器D 2 2带大电流负载带大电流负载（a a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（）可将同

46、一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。）所示。（b b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。）所示。VA&B&（a）CC继电器DV123（b）ABCC&负载（2 2）对于或非门及或门，多余输）对于或非门及或门，多余输入端应接入端应接低电平低电平，比如直接接，比如直接接地；也可以与有用的输入端并地；也可以与有用的输入端并联使用。联使用。三、多余输入端的处理三、多余输入端的处理（1 1）对于与非门及与门，多余输入端）对于与非门及与门，多余输入端应接应接高电平高电平，比如直接接电源正端，比如直接接电源正端，或通过一

47、个上拉电阻（，或通过一个上拉电阻（1 13 3kW W）接电源正端；在前级驱动能力允许接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使时，也可以与有用的输入端并联使用。用。V&CCBA&AB（a）（b）1ABBA（a）（b）13 3一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。2 2任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。2.5 2.5 混合逻辑中逻辑符号的变换混合逻辑中逻辑符号的变换1 1逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。逻辑

48、图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。&BA1C&BA1CLL&BA1C&BA1CLL&BAL&BALB&AL 本章小结本章小结 1 1最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。成逻辑门电路的基础。2 2目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPNNPN型三极型三极管组成，简称管组成，简称TTLTTL集成电路；另一类由集成电路；另一类由MOSFETMOSFET构成，简称构成，简称MOSMOS集成电集成电路。路。3 3TTLTTL集成逻辑门

49、电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在驱动负载的能力。在TTLTTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。电路以外，还有集电极开路门和三态门。4 4MOSMOS集成电路常用的是两种结构。一种是集成电路常用的是两种结构。一种是NMOSNMOS门电路，另一类是门电路，另一类是CMOSCMOS门电路。与门电路。与TTLTTL门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与声容限大，开关速度与TTLTTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。接近，已成为数字集成电路的发展方向。5 5为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉TTLTTL和和CMOSCMOS各个系列产品各个系列产品的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。