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1、第五章集成逻辑门电路第1页，共92页，编辑于2022年，星期三5.1 概概 述述主要要求：主要要求：了解逻辑门电路的作用和常用类型。了解逻辑门电路的作用和常用类型。理解高电平信号和低电平信号的含义。理解高电平信号和低电平信号的含义。第2页，共92页，编辑于2022年，星期三 TTL 即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型按功能特点不同分按功能特点不同分普通门普通门(推拉式输出推拉式输出)CMOS传输门传输门 输出输出开路门开路门
2、三态门三态门门电路门电路(GateCircuit)指用以实现基本逻辑关系和指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分与门与门 或门或门 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非门 与或非门与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分 TTL集成门电路集成门电路 CMOS集成门电路集成门电路 输输入入端端和和输输出出端端都都用用三三极管的逻辑门电路。极管的逻辑门电路。用互补对称用互补对称MOS管构管构成的逻辑门电路。成的逻辑门电路。第3页，共92页，编辑于2022年
3、，星期三二、高电平和低电平的含义二、高电平和低电平的含义 高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定范围的电位值，而非一固定值。的电位值，而非一固定值。高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？10高电平高电平低电平低电平01高电平高电平低电平低电平正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定 第4页，共92页，编辑于2022年，星期三主要要求：主要要求：理解理解二极管的开关特性。二极管的开关特性。理解三极管的开关特性。理解三极管的开关特性。5.2基本逻辑门电路基本逻辑门电路了解分立元件基本门电路。了解分立元件基本门电路。第5页，共92页，编辑于2022年，星期三开
4、关器件开关器件5.2.1开关器件开关器件具有闭合和断开两种工作状态。具有闭合和断开两种工作状态。理想开关特性理想开关特性闭合接通电阻为闭合接通电阻为0，断开电阻为无穷大，闭合，断开电阻为无穷大，闭合或断开动作瞬间完成。或断开动作瞬间完成。实际开关特性实际开关特性闭合接通电阻不为闭合接通电阻不为0，断开电阻不为无穷大，闭，断开电阻不为无穷大，闭合或断开动作有一定延迟时间（称合或断开动作有一定延迟时间（称开关时间开关时间），），承受功率有限。承受功率有限。第6页，共92页，编辑于2022年，星期三5.2.2二极管、三极管及场效管的开关特性二极管、三极管及场效管的开关特性 1、二极管伏安特性、二极管
5、伏安特性 Uthth为门限电压（硅二为门限电压（硅二极管约极管约0.5V）。）。一、二极管的开关特性一、二极管的开关特性 IR R为反向电流（为反向电流（近似近似为为0）。）。UBRBR为反向击穿电压。为反向击穿电压。反向击穿电压的大小与二反向击穿电压的大小与二极管的型号有关。极管的型号有关。第7页，共92页，编辑于2022年，星期三 当输入当输入 uI为低电平为低电平UIL IL Uth th，二极管反向截止（相当，二极管反向截止（相当于断开）。于断开）。二极管通断的条件和等效电路二极管通断的条件和等效电路 当输入当输入 uI为高电平为高电平UIH IH Uth th，二极管正向导通（，二极
6、管正向导通（硅硅二极管约二极管约0.7V ）。）。2、静态开关特性、静态开关特性第8页，共92页，编辑于2022年，星期三三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？当输入当输入 uI为低电平，使为低电平，使 uBEUth时，三极管截止。时，三极管截止。iB 0，iC 0，C、E间相当于间相当于开关断开。开关断开。三极管关断的条件和等效电路三极管关断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线临界饱和线临界饱和线 饱和区放大区二、三极管的开关特性二、三极管的开关特性 截止区uBEUthBEC三极管截止状态等效电路uI=UILuBE+-Uth为门限电
7、压1 1、三极管的静态开关特性、三极管的静态开关特性第9页，共92页，编辑于2022年，星期三IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱和区放大区二、三极管的开关特性二、三极管的开关特性 uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移，iC 增大，uCE 减小。截止区uBEUth时，时，三极管开始导通，三极管开始导通，iB0，三极管工作于放大导通状态。三极管工作于放大导通状态。第10页，共92页，编辑于2022年，星期三IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱和区放大区二、三极管的开关特性二、三极管
8、的开关特性 截止区uBEIB(sat)因为因为iB=IHB-0.7VUR所以求得所以求得RBton开关时间主要由于开关时间主要由于电荷存电荷存储效应储效应引起，要提高开关速引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消度，加速基区存储电荷的消散。散。二极管、三极管作为开二极管、三极管作为开关，其开关的转换速度都与关，其开关的转换速度都与延迟时间有关。延迟时间有关。2 2、三极管的动态开关特性、三极管的动态开关特性 第16页，共92页，编辑于2022年，星期三在在场场效效应应管管漏漏极极和和源源极极之之间间加加上上电电压压，而而使使栅栅极极和和源源极极
9、之之间间没没有有控控制制电电压压其其值值=0时时，漏漏源源电电流流等等于于0，MOS管管处处于于截截止止状状态态。如如果果在在加加上上一一个个大大的的控控制制电电压压，其其值值超超过过MOS管管的的开开启启电电压压VT，则则MOS管处于导通状态，管处于导通状态，三、场效管的开关特性三、场效管的开关特性 第17页，共92页，编辑于2022年，星期三1.二极管二极管“与与”门电路门电路 电路电路电路电路(2)工作原理工作原理输入输入A、B、C全为高电平全为高电平“1”，输出输出 Y 为为“1”。输入输入A、B、C不全为不全为“1”，输出输出 Y 为为“0”。0V0V0V0V0V3V+U 12VRD
10、ADCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC“与与”门逻辑状态表门逻辑状态表0V3VY=A B C逻辑表达式：逻辑表达式：5.2.3分立元件门电路分立元件门电路第18页，共92页，编辑于2022年，星期三2.二极管二极管“或或”门电路门电路(1)电路电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABYC“或或”门逻辑状态表门逻辑状态表3V3V-U 12VRDADCABYDBC(2)(2)工作原理工作原理工作原理工作原理输入输入A、B、C全为低电平全为低电平“0”，输出输出
11、 Y 为为“0”。输入输入A、B、C有一个为有一个为“1”，输出输出 Y 为为“1”。Y=A+B+C逻辑表达式：逻辑表达式：第19页，共92页，编辑于2022年，星期三3.晶体管晶体管“非非”门电路门电路+UCC-UBBARKRBRCYT 1 0截止截止截止截止饱和饱和(2)逻辑表达式：逻辑表达式：Y=A“0”10“1”(1)电路电路“0”“1”AY“非非”门逻辑状态表门逻辑状态表第20页，共92页，编辑于2022年，星期三4、与非与非门电路门电路二极管与门和三极管非门串接而成二极管与门和三极管非门串接而成,实现实现与非与非逻辑功能。逻辑功能。ABD1D2+12VRD+3VR2R1+12VF第
12、21页，共92页，编辑于2022年，星期三5、或非或非门电路门电路D1D2-12VRBA二极管或门和三极管非门串接而成二极管或门和三极管非门串接而成,实现实现或或非非逻辑功能。逻辑功能。+12V+3VFDR1R2需要不需要不同电源同电源第22页，共92页，编辑于2022年，星期三主要要求：主要要求：了解了解TTL与非门的组成和工作原理。与非门的组成和工作原理。了解了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识。集成逻辑门的主要参数和使用常识。5.3TTL集成逻辑门集成逻辑门 掌握掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性。基本门的逻辑功能和主要外特性。了解了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用集电极开
13、路门和三态门的逻辑功能和应用。第23页，共92页，编辑于2022年，星期三体积大。体积大。元件参数差异，工作稳定度差。元件参数差异，工作稳定度差。各种门的输入、输出高低电平差异大。各种门的输入、输出高低电平差异大。分立元件门电路的不足分立元件门电路的不足开关转换速度慢。开关转换速度慢。5.3.1TTL与非门与非门一、概述一、概述需要不同电源，功耗大。需要不同电源，功耗大。第24页，共92页，编辑于2022年，星期三 T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T1输入级输入级中间级中间级输出级输出级二、二、TTL“TTL“与非与非”门电路门电路1.1.电路电路电路电路E2E3E
14、1B等效电路等效电路C多发射极三多发射极三极管极管第25页，共92页，编辑于2022年，星期三 T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T1(1)输入全为高电平输入全为高电平“1”(3.6V)时时2.2.工作原理工作原理工作原理工作原理4.3VT T2 2、T T5饱和导通饱和导通钳位2.1VE结反偏截止截止“0”(0.3V)负载电流负载电流负载电流负载电流（灌电流）（灌电流）（灌电流）（灌电流）输入全高输入全高“1”,输出为低输出为低“0”1VT1R1+Ucc T4第26页，共92页，编辑于2022年，星期三 T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T
15、12.工作原理工作原理1VT2 2、T5截止截止截止截止 负载电流负载电流负载电流负载电流（拉电流）（拉电流）（拉电流）（拉电流）(2)(2)输入端有任一低电平输入端有任一低电平输入端有任一低电平输入端有任一低电平“0”(0.3V)“0”(0.3V)(0.3V)“1”“0”输入有低输入有低“0”输出为输出为高高“1”流过流过 E结的电流结的电流为正向电流为正向电流5VVY 5-0.7-0.7 =3.6VTTL电路输入端悬空电路输入端悬空时相当于输入高电平。时相当于输入高电平。注意注意第27页，共92页，编辑于2022年，星期三C E B SBD B C E 在普通三极管的基极和集电极之间并接一
16、个肖特基势垒二极管(简称 SBD)。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高抗饱和三极管的开关速度高 没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V，因此 UBC=0.4 V 时，SBD 便导通，使 UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。采用采用抗饱和三极管构成的集成与非门电路抗饱和三极管构成的集成与非门电路第28页，共92页，编辑于2022年，星期三ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3R1R2R4R5RBRCB1C1C2E2YVCC+5V输入级输入级中间倒相级中间倒相级输出级输出级STTL系列与非门电路系列与非门电路逻辑符号逻辑符号2.8k 900 50
17、 3.5k 500 250 V1V2V3V5V6典型典型TTL与非门电路与非门电路（CT54/74S系列为例）系列为例）第29页，共92页，编辑于2022年，星期三电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线5.3.2TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数1.电压传输特性电压传输特性和噪声容限和噪声容限 输出电压随输入电压变化的特性 uI 较小时工作于AB 段，这时 V2、V5 截止，V3、V4 导通，输出恒为高电平，UOH 3.6V，称与非门工作在截
18、止区或处于关门状态。uI 较大时工作于 BC 段，这时 V2、V5 工作于放大区，uI 的微小增大引起 uO 急剧下降，称与非门工作在转折区。uI 很大时工作于 CD 段，这时 V2、V5 饱和，输出恒为低电平，UOL 0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线饱和区：与非门处于开门状态。截止区：与非门处于关门状态。转折区 第30页，共92页，编辑于2022年，星期三下面介绍与电压传输特性有关的主要参数：有关参数有关参数
19、0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线电压传输特性曲线标准高电平标准高电平USH当当uOUSH时，则认为输出高电时，则认为输出高电平，通常取平，通常取USH=3V。标准低电平标准低电平USL当当uOUSL时，则认为输出低电平，时，则认为输出低电平，通常取通常取USL=0.3V。关门电平关门电平UOFF保保证证输输出出不不小小于于标标准准高高电电平平USH时时,允许的输入低电平的最大值。允许的输入低电平的最大值。开门电平开门电平UON保保证证输输出出不不高高于于标标准准低低电电平平USL时时,允许的输入高电平的最小值。允许的输入高电平的最
20、小值。阈值电压阈值电压UTH转转折折区区中中点点对对应应的的输输入入电电压压，又又称称门槛电平。门槛电平。USH=3VUSL=0.3VUOFFUONUTH近似分析时认为：uI UTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uI UTH，则与非门关闭，输出高电平UOH。第31页，共92页，编辑于2022年，星期三噪声容限越大，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。UNL=UOFFUIL指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH=UIHUON输入信号上叠加的噪声电压只要不超
21、过允许值，输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限噪声容限。输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限UNH输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限UNL第32页，共92页，编辑于2022年，星期三输入负载特性测试电路输入负载特性测试电路 输入负载特性输入负载特性曲线曲线0uI/VR1/k UOFF1.1FNROFFRON2.输入负载特性输入负载特性 ROFF称关门电阻。称关门电阻。RIRON时时，相相应应输输入入端端相相当当于于输输入高电平。对入高电平。对STTL系列，系列，RON 2.1k。RONROF
22、FUOFF第33页，共92页，编辑于2022年，星期三 例例 下图中，已知下图中，已知 ROFF 800，RON 3k，试对应，试对应输入波形定性画出输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。与非门的输出波形。(a)(b)tA0.3V3.6VO不同 TTL 系列，RON、ROFF 不同。相应输入端相当于输入低电平，也相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑即相当于输入逻辑0。逻辑逻辑0因此因此Ya输出恒为高电平输出恒为高电平UOH。相应输入端相当于输入高电平，也即相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑相当于输入逻辑1。逻辑逻辑1因此，可画出波形如图所示。因此，可画出波形如图所示。Y
23、btOYatUOHO解：图解：图(a)中，中，RI=300 RON 3k 第34页，共92页，编辑于2022年，星期三3.负载能力负载能力 负载电流流入与负载电流流入与非门的输出端。非门的输出端。负载电流从与非门的负载电流从与非门的输出端流向外负载。输出端流向外负载。负载电流流入驱动门负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门负载电流流出驱动门IOH输入均为输入均为高电平高电平输入有输入有低电平低电平输出为低电平输出为低电平输出为高电平输出为高电平灌电流负载拉电流负载不不管管是是灌灌电电流流负负载载还还是是拉拉电电流流负负载载，负负载载电电流流都都不不能能超超过过其其最最大大允允许许电电流流，
24、否否则则将将导导致致电电路路不能正常工作，甚至烧坏门电路。不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用实用中常用扇出系数扇出系数NOL表示电路负载能力。表示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。通常按照负通常按照负载电流的流向将载电流的流向将与非门负载分为与非门负载分为 灌电流负载灌电流负载拉电流负载拉电流负载第35页，共92页，编辑于2022年，星期三 由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。输入信号输入信号UOm0.5UOm0.5UImUIm输出信号输出信号4.传输延迟时间传输延迟时间 输入电压波形下降沿输入电压波
25、形下降沿0.5UIm处到输出电压上升沿处到输出电压上升沿0.5Uom处间隔处间隔的时间称的时间称截止延迟时间截止延迟时间tPLH。输入电压波形上升沿输入电压波形上升沿0.5UIm处到输出电压下降沿处到输出电压下降沿0.5Uom处间处间隔的时间称隔的时间称导通延迟时间导通延迟时间tPHL L。平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpdtPHLtPLHtpd越小，则门电路越小，则门电路开关速度越高，工作频开关速度越高，工作频率越高。率越高。0.5UIm0.5UOm第36页，共92页，编辑于2022年，星期三5.功耗功耗-延迟积延迟积 常用功耗常用功耗P 和平均传输延迟时间和平均传输延迟时间tpd的乘积
26、的乘积(简称简称功耗功耗延迟积延迟积)来来综合评价门电路的性能，即综合评价门电路的性能，即M=P tpd性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的特点，然而这两者矛盾。特点，然而这两者矛盾。M 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。第37页，共92页，编辑于2022年，星期三5.3.3TTL非门、或非门和与或非门非门、或非门和与或非门1TTL非门非门在在TTL与非门基础上将多发射极管更换成普通晶体管即可与非门基础上将多发射极管更换成普通晶体管即可第38页，共92页，编辑于2022年，星期三2TTL或非门或非门当
27、当A、B中任何一个为高电平时都将中任何一个为高电平时都将或或导通，使导通，使导导通，通，截止，电路输出低电平，只有在截止，电路输出低电平，只有在A、B同时为低电平时，同时为低电平时，和和同时截止，使同时截止，使导通，导通，截止，电路输出为高电平。截止，电路输出为高电平。第39页，共92页，编辑于2022年，星期三3TTL与或非门与或非门将与、或非两种方法组合运用，就可以得到与或非电路，由图将与、或非两种方法组合运用，就可以得到与或非电路，由图分析可知，只要分析可知，只要A、B或者或者C、D中任何一组输入同时为高电平，输中任何一组输入同时为高电平，输出就为低电平，只有两组输入都不同时为高电平时，
28、输出为高电平，出就为低电平，只有两组输入都不同时为高电平时，输出为高电平，第40页，共92页，编辑于2022年，星期三BAY 非门的线与连接图图示示电电路路为为两两个个非非门门的的输输出出端端直直接接连接的情况。其输出与输入间的关系为连接的情况。其输出与输入间的关系为两两个个逻逻辑辑门门输输出出端端相相连连，可可以以实实现现两输出相两输出相与与的功能，称为的功能，称为线与线与。在在用用门门电电路路组组合合各各种种逻逻辑辑电电路路时时，如如果果能能将将输输出出端端直直接接并并接接，有有时时能能大大大大简化电路。简化电路。前前面面介介绍绍的的推推拉拉式式输输出出结结构构的的TTL门门电电路路是是不
29、不能能将将两两个个门门的的输出端直接并接的。输出端直接并接的。5.3.4集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门第41页，共92页，编辑于2022年，星期三两个与非门输出直接相连接的情况如如图图所所示示的的连连接接中中，如如果果F1 1输输出出为为高高电电平平，F2 2输输出出为为低低电电平平，由由于于推推拉拉式式输输出出级级总总是是呈呈现现低低阻阻抗抗，因因此此将将会会有有一一个个很很大大的的负负载载电电流流流流过过两两个个输输出出级级，该该电电流流远远远远超超过过正正常工作电流，甚至会损坏门电路。常工作电流，甚至会损坏门电路。为为了了使使TTL门门能能够够实实现现线线与与，把把输输出出级级
30、改改为为集集电电极极开开路路的的结结构构，简称简称OC门门。第42页，共92页，编辑于2022年，星期三 使用时需外接上拉电阻 RL 即 Open collector gate，简称 OC 门。常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来的，TTL 与非门的上述特性对这些门电路大多适用。VC 可以等于 VCC也可不等于 VCC (一一)集电极开路与非门集电极开路与非门 1.电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理 输入都为高电平时，输入都为高电平时，V2和和V5饱和导通，输出为饱和导通，输出为低电平低电平UOL 0.3V。输入有低电平时，
31、输入有低电平时，V2和和V5截止，输出为高电平截止，输出为高电平UOH VC。因此具有与非功能。因此具有与非功能。工作原理工作原理 OC门门第43页，共92页，编辑于2022年，星期三 相当于与门作用。因为 Y1、Y2 中有低电平时，Y 为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，Y才为高电平，故 Y=Y1 Y2。2.应用应用 (1)实现线与实现线与两个或多个两个或多个OC门的输出端直接相连，相门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与。当于将这些输出信号相与，称为线与。Y只有只有OC门才能实现线与。普通门才能实现线与。普通TTL门输门输出端不能并联，否则可能损坏器件。出端不能并联，
32、否则可能损坏器件。注意注意第44页，共92页，编辑于2022年，星期三OC门门电电路路取取消消了了典典型型TTL门门电电路路中中V3、V4的的输输出出电电路路，在在使使用用时时外外接接一一个个电电阻阻RL和和外外接接电电源源V。只只要要电电阻阻RL和和电电源源Vcc的的数数值值选选择择恰恰当当，就就能能保保证证输输出出的的高高、低低电电平平符符合合要要求求，输输出出三三极极管管V5的的负载电流又不过大。负载电流又不过大。以上表示了以上表示了n个个OC门并联使用的情况，其输出门并联使用的情况，其输出 n个OC门并联使用YBA&DC&JI&VCCRLn第45页，共92页，编辑于2022年，星期三式
33、中，式中，IOH为为OC门输出管的截止漏电流门输出管的截止漏电流IOL为为OC门输出管允许的最大负载电流门输出管允许的最大负载电流IIL负载门的低电平输入电流负载门的低电平输入电流VCC为负载电阻为负载电阻RL所接的外接电源电压所接的外接电源电压IIH负裁门的高电平输入电流负裁门的高电平输入电流n“线与线与”输出的输出的OC门的个数门的个数N负载门的个数负载门的个数 m接入电路的负载门输入端个数接入电路的负载门输入端个数只只要要RL选选择择得得恰恰当当，可可保保证证OC门门的的正正常常工工作作，就就不不会会在在+VCC和和地地之之间间形形成成低低阻阻通通路路。RL的的取取值值原原则则是是：应应
34、保保证证输输出出高高电电平平UOH2.7V，输出低电平，输出低电平UOL0.35V。REOHOHCLSEOLOLCmInIUERmIIUE+-minmaxVCCVCCIHNIIL第46页，共92页，编辑于2022年，星期三(2)驱动显示器和继电器等驱动显示器和继电器等 例例 下图为用下图为用OC门驱动发光二极管门驱动发光二极管LED的显示电路。的显示电路。已知已知LED的正向导通压降的正向导通压降UF=2V，正向工作电流，正向工作电流IF=10mA，为保证电路正常工作，试确定，为保证电路正常工作，试确定RC的值。的值。解解：为保证电路正常工作，应满足为保证电路正常工作，应满足因此因此RC=27
35、0 分析：该电路只有在 A、B 均为高电平，使输出 uO 为低电平时，LED 才导通发光；否则 LED 中无电流流通，不发光。要使 LED 发光，应满足IRc IF=10 mA。第47页，共92页，编辑于2022年，星期三TTLCMOSRLVDD+5V(3)实现电平转换实现电平转换 TTL与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用种类门电路的高低电平标准不一样。应用OC门就可以门就可以适应负载门对电平的要求。适应负载门对电平的要求。OC 门的 UOL 0.3V，UOH VDD，正好符合 CMOS 电路 UIH VDD，U
36、IL 0的要求。VDDRL第48页，共92页，编辑于2022年，星期三 即 Tri-State Logic 门，简称 TSL 门。其输出有高电平态、低电平态和高阻态三种状态。三态输出与非门电路三态输出与非门电路 EN=1时，时，P=0，uP=0.3V01100.3V1V导通截止截止另一方面，另一方面，V1导通，导通，uB1=0.3V+0.7V=1V,V2、V5截止。截止。这时，从输出端这时，从输出端Y看进去，对看进去，对地和对电源地和对电源VCC都相当于开路，都相当于开路，输输出端呈现高阻态出端呈现高阻态，相当于输出端开，相当于输出端开路。路。Y=AB1V导通截止截止Z这时这时VD导通，使导通
37、，使uC2=0.3V+0.7V=1V，使，使V4截止。截止。(二二)三态输出门三态输出门 1.电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理工作原理工作原理 EN=0时，时，P=1，VD截止截止电路等效为一个输入为电路等效为一个输入为A、B 和和1的的TTL与非门。与非门。Y=AB第49页，共92页，编辑于2022年，星期三综上所述，可综上所述，可见：见：(二二)三态输出门三态输出门 1.电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理只有当使能信号只有当使能信号 EN=0时才允许三态时才允许三态门工作，故称门工作，故称 EN 低电平有效低电平有效。EN 称使能信号或控制信号，称使能信号或控
38、制信号，A、B 称数据信号。称数据信号。当当EN=0时，时，Y=AB，三态门处于工作态；三态门处于工作态；当当EN=1时，三态门输出呈时，三态门输出呈现高阻态，又现高阻态，又称称禁止态。禁止态。第50页，共92页，编辑于2022年，星期三EN 即 Enable功能表功能表Z0AB1YEN使能端低电平有效使能端低电平有效使能端高电平有效使能端高电平有效功能表功能表Z1AB0YENEN第51页，共92页，编辑于2022年，星期三2.应用应用 任何时刻任何时刻EN1、EN2、EN3中只能有一个为有效电平中只能有一个为有效电平，使相应三态门工作，而其他三使相应三态门工作，而其他三态输出门处于高阻状态，
39、从而态输出门处于高阻状态，从而实现了总线的复用。实现了总线的复用。总线总线 (1)构成单向总线构成单向总线 第52页，共92页，编辑于2022年，星期三DIDO/DIDO00高阻态高阻态工作工作DI EN=0 时，总线上的数据 DI经反相后在 G2 输出端输出。(2)构成双向总线构成双向总线 DIDO/DIDO11工作工作DO高阻态高阻态 EN=1 时，数据 DO 经 G1 反相后传送到总线上。DIDO/DIDO11工作工作DO高阻态高阻态 EN=1 时，数据 DO 经 G1 反相后传送到总线上。DIDO/DIDO第53页，共92页，编辑于2022年，星期三 TTL 集成门的类型很多,那么如何
40、识别它们?各类型之间有何异同?如何选用合适的门?5.3.5 TTL集成门的各种系列及应用要点集成门的各种系列及应用要点 1.各系列各系列TTL集成门的比较与选用集成门的比较与选用 用于民品用于民品用于军品用于军品具有完全相同的电路结构和电气性能参数，具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但但CT54系列更适合在温度条件恶劣、供电电源系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。变化大的环境中工作。按工作温度和电源允许变化范围不同分为按工作温度和电源允许变化范围不同分为CT74系列系列CT54系列系列第54页，共92页，编辑于2022年，星期三向高速向高速发展发展向低功向低功耗发展耗发展
41、按平均传输延迟时间和平均功耗不同分按平均传输延迟时间和平均功耗不同分向减小向减小功耗功耗-延迟积延迟积发展发展 措施：增大电阻值 措施：(1)采用 SBD 和抗饱和三极管；(2)采用有源泄放电路；(3)减小电路中的电阻值。其中，其中，LSTTL系列综合性能优越、品种多、价格系列综合性能优越、品种多、价格便宜；便宜；ALSTTL系列性能优于系列性能优于LSTTL，但品种少、价，但品种少、价格较高，因此格较高，因此实用中多选用实用中多选用LSTTL。CT74系系列列(即即标标准准TTL)CT74L系列系列(即低功耗即低功耗TTL简称简称LTTL)CT74H系列系列(即高速即高速TTL简称简称HTT
42、L)CT74S系列系列(即肖特基即肖特基TTL简称简称STTL)CT74AS系列系列(即先进肖特基即先进肖特基TTL简称简称ASTTL)CT74LS系列系列(即低功耗肖特基即低功耗肖特基TTL简称简称LSTTL)CT74ALS系列系列(即先进低功耗肖特基即先进低功耗肖特基TTL简称简称LSTTL)第55页，共92页，编辑于2022年，星期三集成门的选用要点集成门的选用要点(1)实际使用中的最高工作频率实际使用中的最高工作频率fm应不大于逻辑门最高工作应不大于逻辑门最高工作频率频率fmax的一半。的一半。(2)不同系列不同系列TTL中，器件型号后面几位数字相同时，通中，器件型号后面几位数字相同时
43、，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度度(平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd)和平均功耗不同。实际使用和平均功耗不同。实际使用时，时，高速门电路可以替换低速的；反之则不行。高速门电路可以替换低速的；反之则不行。例如例如CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00 xx74xx00引脚图引脚图双列直插 14 引脚四 2 输入与非门 第56页，共92页，编辑于2022年，星期三2.TTL集成逻辑门的使用要点集成逻辑门的使用要点 (1)电源电压用电源电压用+5V，74系列应
44、满足系列应满足5V 5%。(2)输出端的连接输出端的连接普通普通TTL门输出端不允许直接并联使用。门输出端不允许直接并联使用。三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。一个门工作，其他门输出处于高阻状态。集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源电源VCC之间应接负载电阻之间应接负载电阻RL。输出端不允许直接接电源输出端不允许直接接电源VCC或直接接地。或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。第57页，共92页，
45、编辑于2022年，星期三3.多余输入端的处理多余输入端的处理 与门和与非门的多余输入端接逻辑与门和与非门的多余输入端接逻辑1或者与有用输入端并接。或者与有用输入端并接。接 VCC通过 1 10 k 电阻接 VCC与有用输入端并接TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。第58页，共92页，编辑于2022年，星期三或门和或非门的多余输入端接逻辑或门和或非门的多余输入端接逻辑0或者与有用输入端并接或者与有用输入端并接第59页，共92页，编辑于2022年，星期三 例例 欲用下列电路实现非运算，试改错。欲用下列电路实现
46、非运算，试改错。(ROFF 700，RON 2.1k)第60页，共92页，编辑于2022年，星期三解：解：OC 门输出端需外接上拉电阻RC5.1kY=1Y=0 RI RON，相应输入端为高电平。510 RI Uth，管子导通。管子导通。当当uGSUth，管子截止。管子截止。PMOS增强型，当增强型，当uGS-Uth管子截止管子截止(Uth是管子的开启是管子的开启电压电压)第63页，共92页，编辑于2022年，星期三AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNBAuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB增强型 NMOS 管(驱动管)增强型 PMOS 管(负载管)构成互补对称结构5.4.1CMOS反相
47、器反相器(一一)电路基本结构电路基本结构 要求要求VDDUGS(th)N+UGS(th)P且且UGS(th)N=UGS(th)P UGS(th)N增强型 NMOS 管开启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB NMOS 管的衬底接电路最低电位，PMOS管的衬底接最高电位，从而保证衬底与漏源间的 PN 结始终反偏。.uGSN+-增强型 PMOS 管开启电压uGSP+-UGS(th)PuGSNUGS(th)N时，增强型时，增强型NMOS管导通管导通uGSNUGS(th)N时，增强型时，增强型NMOS管截止管截止OiDuGSUGS(th)N增强型增强型NMOS管管转移特性转移特性时时,增强型
48、增强型PMOS管导通管导通时时,增强型增强型PMOS管截止管截止OiDuGSUGS(th)P增强型增强型PMOS管管转移特性转移特性AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB(一一)电路基本结构电路基本结构 UIL=0V，UIH=VDD第64页，共92页，编辑于2022年，星期三AuIYuOVDDSGDDGSVP衬底衬底BVN衬底衬底B(二二)工作原理工作原理 ROFFNRONPuO+VDDSDDS导通电阻 RON 截止电阻 ROFFRONNROFFPuO+VDDSDDS可见该电路构成可见该电路构成CMOS非门，又称非门，又称CMOS反相器。反相器。无论输入高低，无论输入高低，VN、VP中总有
49、一管截止，使静态漏极电中总有一管截止，使静态漏极电流流iD 0。因此。因此CMOS反相器静态功耗极微小。反相器静态功耗极微小。输入为低电平，输入为低电平，UIL=0V时，时，uGSN=0VUGS(th)N,VN导通，导通，VP截止，截止，输入为低电平输入为低电平UIL=0V时，时，uGSN=0VUGS(th)N，VN截止，截止，VP导通，导通，uO VDD,为高电平。为高电平。UIH=VDDuO 0V，为低电平。，为低电平。第65页，共92页，编辑于2022年，星期三C、C 为互补控制信号 由一对参数对称一致的增强型 NMOS 管和 PMOS 管并联构成。PMOSCuI/uOVDDCMOS传输
50、传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN5.4.2CMOS传输门传输门工作原理工作原理 MOS 管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此 CMOS 传输门的输出端和输入端也可互换。uOuIuIuO当当C=0V，uI=0VDD时，时，VN、VP均截止，输出与输入之间呈现高均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。电阻，相当于开关断开。uI不能传输到输出端，称传输门关闭。不能传输到输出端，称传输门关闭。CC当当C=VDD，uI=0VDD时，时，VN、VP中至少有一管导通，输出与输入中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。之间呈现低电阻，相当于开关闭合。uO=