第2章_邏輯門電路

1、第第2章章 邏輯門電路邏輯門電路2.1 二極管和三極管的開關特性2.2 TTL門電路2.3 CMOS門電路 實現(xiàn)輸入邏輯變量與輸出邏輯變量之間某種基本邏輯實現(xiàn)輸入邏輯變量與輸出邏輯變量之間某種基本邏輯運算或復合邏輯運算的電路稱為邏輯門電路，簡稱門電路。運算或復合邏輯運算的電路稱為邏輯門電路，簡稱門電路。 常用的邏輯門電路有：與門、或門、非門、與非門、或常用的邏輯門電路有：與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門和同或門等。非門、與或非門、異或門和同或門等。 邏輯門電路通常是集成電路，分為雙極型和邏輯門電路通常是集成電路，分為雙極型和MOSMOS 。TTLTTL門和門和CMOSCMOS

2、門特性優(yōu)良，是集成電路的主流產品門特性優(yōu)良，是集成電路的主流產品。 在門電路中，晶體管和在門電路中，晶體管和MOSMOS管工作開關狀態(tài)。管工作開關狀態(tài)。2.1二極管和三極管的開關特性二極管和三極管的開關特性2.1.1 二極管的開關特性2.1.2 三極管的開關特性 邏輯輸入信號（高電平或低電平）通常使門電路中的二極管、雙極型三極管和場效應管工作在開關狀態(tài)（導通或截止狀態(tài)），開關狀態(tài)（導通或截止狀態(tài)），導致輸出亦為邏輯信號（高電平或低電平），從而電路實現(xiàn)一定的輸入輸出邏輯關系。因此，電子元件的開關特性是實現(xiàn)邏輯門電路的基礎。2.1.1 二極管的開關特性二極管的開關特性1二極管的開關作用二極管的開關

3、作用當當 ，二極管截止，等效為開關斷開，二極管截止，等效為開關斷開0iVvVthBR時，當當 ，二極管導通，二極管導通，等效為開關閉合等效為開關閉合0iVvth時，2 二極管的開關時間二極管的開關時間 由于二極管的由于二極管的PN結具有等結具有等效電容，二極管的通斷就伴隨著效電容，二極管的通斷就伴隨著電容的充放電，所以，二極管的電容的充放電，所以，二極管的通斷轉換需要一定時間。二極管通斷轉換需要一定時間。二極管通斷轉換的時間既是二極管的開通斷轉換的時間既是二極管的開關時間。關時間。1 1）開通時間）開通時間t tonon：二極管從截止轉：二極管從截止轉為導通所需的時間。為導通所需的時間。2 2

4、）反向恢復時間）反向恢復時間t trere：二極管從導：二極管從導通轉為截止所需的時間，它由通轉為截止所需的時間，它由2 2段段時間組成，即時間組成，即存儲時間存儲時間t ts s和渡越時和渡越時間間t tt t，t trere=t=ts s+t+tt t。 + v - i RL + Iv- 圖圖 2.1.2 二極管的開關二極管的開關時間時間 （a） 二極管開關電路二極管開關電路 (b) 二極管的電流波形二極管的電流波形 O O Iv VF -VR IF -IR t t i IS ts tt ton 3PN結的存儲電荷結的存儲電荷 PNPN結的結的正向導通正向導通過程過程：正向：正向電壓削弱電

5、壓削弱PNPN結的勢壘電場，結的勢壘電場，N N區(qū)區(qū)的電子向的電子向P P區(qū)擴散并建立電子濃區(qū)擴散并建立電子濃度分布，度分布，P P區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N N區(qū)擴散并區(qū)擴散并建立空穴濃度分布。建立空穴濃度分布。由于濃度不由于濃度不同，穿越同，穿越PN結的電荷繼續(xù)擴散，結的電荷繼續(xù)擴散，形 成 連 續(xù) 的 正 向 電 流 。形 成 連 續(xù) 的 正 向 電 流 。 從截止形成穩(wěn)定的正向電流從截止形成穩(wěn)定的正向電流的過程就是二極管的導通時間的過程就是二極管的導通時間ton 。存儲電荷：存儲電荷：距距PN結越遠，電荷濃度越低；結越遠，電荷濃度越低；正向電流越大，電荷的濃度梯度越大，存儲電荷越多。正向電

6、流越大，電荷的濃度梯度越大，存儲電荷越多。 圖圖2.1.3 PN結的存儲電荷結的存儲電荷 + - IF P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū) n-存儲電荷濃度存儲電荷濃度 nN電子濃度電子濃度 nP空穴濃度空穴濃度 x距離距離 o LN LP + - iR P區(qū)區(qū) N區(qū)區(qū) 圖圖2.1.4 PN存儲電荷的驅散存儲電荷的驅散 PN結截止過程：結截止過程：在在反向電壓的作用反向電壓的作用下，下，N區(qū)的空穴存儲電荷被電場趕回到區(qū)的空穴存儲電荷被電場趕回到P區(qū)，區(qū)，P區(qū)的電子存儲電荷被電場趕回到區(qū)的電子存儲電荷被電場趕回到N區(qū)，區(qū)，形成反向電流，形成反向電流，驅散存儲電荷。驅散存儲電荷。驅散存儲電荷的時間就是存儲時間驅散存儲

7、電荷的時間就是存儲時間ts 。在存儲電荷驅散后，在存儲電荷驅散后，PN結的空間電荷區(qū)變寬，逐漸恢復到結的空間電荷區(qū)變寬，逐漸恢復到PN結通過反向飽和電流結通過反向飽和電流IS，這段時間就是渡越時間，這段時間就是渡越時間tt。 通常，開通時間通常，開通時間ton和反向恢復時間和反向恢復時間tre為納秒級，為納秒級，tre= ts+ttton , tstt。所以，二極管的開關時間主要取決于。所以，二極管的開關時間主要取決于PN存儲電荷的驅散時間存儲電荷的驅散時間ts。2.1.2三極管的開關作用特性三極管的開關作用特性 1. 三極管的開關作用三極管的開關作用電路電路輸入特性輸入特性輸出特性輸出特性

8、( a ) ( b ) ( c )Vth BEv Bi O VCES CEv Ci O VCC cCCRV 0= =Bi IB4 IB3=IBS IB2 IB1 A B Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 當輸入電壓為低電平當輸入電壓為低電平，使，使 三極管處于截止狀態(tài)，三極管處于截止狀態(tài)，ce之間等效為開關斷開。之間等效為開關斷開。時，thBEVv當輸入電壓為高電平當輸入電壓為高電平，使，使 ，使三極管工作在輸出，使三極管工作在輸出特性的特性的B點，處于臨界飽和狀態(tài)。點，處于臨界飽和狀態(tài)。ce之間等效為開關閉合。之間等效為開關閉合。時BSBIi = 在數(shù)字電路中，在數(shù)字電

9、路中，邏輯輸入信號通常使三極管工作在邏輯輸入信號通常使三極管工作在截止或飽和狀態(tài)，稱為開關狀態(tài)截止或飽和狀態(tài)，稱為開關狀態(tài)。CSBSBCESCEBIIiVVi=或飽和條件：截止條件：;0cCESCCCSRVVI= Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 0.3V表表2.2.1 NPN三極管的工作狀態(tài)及特點三極管的工作狀態(tài)及特點工作狀態(tài)工作狀態(tài) 截截 止止 放放 大大 飽飽 和和 條條 件件 0 Bi CSBSBIIi= = 0 CSBSBIIi= = PNPN 結偏置結偏置 發(fā)射結反偏發(fā)射結反偏 集電結反偏集電結反偏 發(fā)射結正偏發(fā)射結正偏 集電結反偏集電結反偏 發(fā)射結正偏發(fā)射結

10、正偏 集電結正偏集電結正偏 集電極電流集電極電流 0 Ci BCii CSBSBIIi= = 集射電壓集射電壓 圖圖 2.12.1 . .5 5(a)(a) CCCEVv cCCCCERiVv = = VVvCESCE3.02.0 = = 特特 點點 集射等效電阻集射等效電阻 約為數(shù)百千歐約為數(shù)百千歐 等效為開關斷開等效為開關斷開 可變可變 約為數(shù)百歐姆約為數(shù)百歐姆 等效為開關閉合等效為開關閉合 2 三極管的開關時間三極管的開關時間 三極管的開關過程與二極管相似，也要經歷一個電荷的建三極管的開關過程與二極管相似，也要經歷一個電荷的建立與驅散過程，表現(xiàn)為三極管的飽和與截止兩種狀態(tài)相互轉換立與驅散

11、過程，表現(xiàn)為三極管的飽和與截止兩種狀態(tài)相互轉換需要一定的時間。三極管飽和與截止兩種狀態(tài)轉換的時間既是需要一定的時間。三極管飽和與截止兩種狀態(tài)轉換的時間既是三極管的開關時間。三極管的開關時間。設輸入電壓的高電平設輸入電壓的高電平VIH和低電平和低電平VIL滿足下述條件：滿足下述條件：截止飽和thILBEbBSIHVVVRIVIv CEvCi Bi CCV BEv Rb RcO Iv VIH VIL t 設輸入電壓的高電平設輸入電壓的高電平VIH和低電平和低電平VIL滿足下述條件：滿足下述條件：截止飽和thILBEbBSIHVVVRIV O Iv VIH VIL ICS 0.9ICS t t ts

12、 tf td O r 0.1ICS Ci 根據(jù)集電極電流波形，三極管的開關根據(jù)集電極電流波形，三極管的開關時間用下述參數(shù)描述：時間用下述參數(shù)描述：1)1)延遲時間延遲時間t td d：從：從vI正跳變開始到正跳變開始到iC從從0 0上升至上升至0.1I0.1ICSCS所需的時間；所需的時間；2)2)上升時間上升時間t tr r： iC從從0.1I0.1ICSCS上升至上升至0.9I0.9ICSCS所需的時間；所需的時間；3)3)存儲時間存儲時間t ts s：從：從vI負跳變開始到負跳變開始到iC從從I ICSCS下降至下降至0.9I0.9ICSCS所需的時間；所需的時間； 三極管的開關時間一般

13、為三極管的開關時間一般為ns數(shù)量級，并且數(shù)量級，并且toffton、tstf?；鶇^(qū)存儲電荷是影響三極管開關速度的主要因素?；鶇^(qū)存儲電荷是影響三極管開關速度的主要因素。4）下降時間下降時間t tf f： iC從從0.9I0.9ICSCS下降至下降至0.1I0.1ICSCS所需的時間；所需的時間；5）開通時間開通時間t tonon：從截止轉換到飽和所需的時間，：從截止轉換到飽和所需的時間，t tonon=t=td d+t+tr r；6）關閉時間關閉時間toff：從飽和轉換為截止所需的時間，：從飽和轉換為截止所需的時間，toff=ts+tf。t2.2 TTL門電路2.2.1 TTL非門的工作原理2.

14、2.2 TTL非門的特性2.2.3 TTL與非門/或非門/與或非門2.2.4 TTL 集電極開路門和三態(tài)門*2.2.5 TTL 門電路的產品系列TTL-Transistor Transistor LogicTTLTTL有與、或、非、與非、或非、異或、同或、有與、或、非、與非、或非、異或、同或、與或非等邏輯門，它們的工作原理相似。與或非等邏輯門，它們的工作原理相似。 2.2.1 TTL非門的工作原理非門的工作原理 圖圖 2.2.1 TTL 非門非門 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii O

15、i Ov 1.電路組成電路組成TTL門一般由門一般由3級組成：輸入級、中間級和輸出級級組成：輸入級、中間級和輸出級輸入級輸入級輸入級：信號緩沖輸輸入級：信號緩沖輸入入中間級：輸出兩個相位中間級：輸出兩個相位相反的倒相信號相反的倒相信號 中間級中間級輸出級輸出級輸出級：輸出級：推拉式輸出電路，推拉式輸出電路，無論輸出高電平或低電平，無論輸出高電平或低電平，輸出級的輸出電阻都很低，輸出級的輸出電阻都很低，帶負載能力強。帶負載能力強。2.2.1 TTL非門的工作原理非門的工作原理 圖圖 2.2.1 TTL 非門非門 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5

16、 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1 1）輸入低電平）輸入低電平（V VILIL=0.3 V=0.3 V）因此，輸入低電平時，輸出為高電平。因此，輸入低電平時，輸出為高電平。2.工作原理工作原理=0110YAYAAYVIL=0.3 V1 V5 V4.3 3.6VT T3 3 臨界飽和，臨界飽和，T T4 4放大，形成射放大，形成射極輸出器，輸出電阻小。極輸出器，輸出電阻小。T T1 1導通（深飽和）導通（深飽和）T T2 2、T T5 5截止截止VVVvRCCO6 . 37 . 07 . 02= 圖圖 2.2.1 TTL 非門非門 A VVCC5= =

17、R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 輸入高電平輸入高電平（VIH=3.6 V）mARVVIBCC131 . 25111=輸入高電平，輸出為低電平。輸入高電平，輸出為低電平。 VIH=3.6 V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.3T T2 2、T T5 5飽和飽和T T1 1處于倒置狀態(tài)處于倒置狀態(tài)T T3 3放大狀態(tài)，放大狀態(tài)，T T4 4截止截止綜上所述，輸入低電平綜上所述，輸入低電平時，輸出為高電平；輸時，輸出為高電平；輸入高電平時，輸出為低入高電平時，輸出為低電平。實現(xiàn)了邏輯非電平。

18、實現(xiàn)了邏輯非AY = 無論輸出低電平或是高電平，無論輸出低電平或是高電平，TTL非門的推拉輸出級輸出電阻非門的推拉輸出級輸出電阻均很小，帶負載能力強。而且均很小，帶負載能力強。而且T4和和T5總是一個導通、另一個就截總是一個導通、另一個就截止。止。 I I1 12.2.2 TTL非門的特性非門的特性1.電壓傳輸特性電壓傳輸特性截止區(qū)截止區(qū)ab段段：vI0.5 V。T1飽和飽和，VC1=+VCES10.6V ,T2、T5截止截止，T3和和T4組成復合管射極輸出器，組成復合管射極輸出器，vo=3.6V。線性區(qū)線性區(qū)bc段段:0.5 V vI 1.1 V。T1仍飽和仍飽和，0.6VVC1=+VCES

19、11.2V , T2已已處處于放大狀態(tài)，于放大狀態(tài)，T5仍然截止，仍然截止，T3和和T4仍然是射極輸出器仍然是射極輸出器，vo隨隨vI線性減少，斜線性減少，斜率為率為T2級的放大倍數(shù)：級的放大倍數(shù)： 1 . 232=RRdvdvIO 圖圖2.2. 1 TTL非門非門 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 轉轉折區(qū)折區(qū)cdcd段：段：1.2 V1.2 VvI1.3 V1.3 V。T T1 1仍仍飽和飽和，1.3VV1.3VVC1C1= = vI +V+VCES1CES11.4V

20、, 1.4V, T T2 2仍放大，仍放大，T T5 5由截止進入放大狀態(tài)由截止進入放大狀態(tài), T, T3 3和和T T4 4的狀態(tài)同前。由于的狀態(tài)同前。由于T T5 5集電極的等效電阻減小快，集電極的等效電阻減小快，vo急劇減急劇減少少。轉折區(qū)中點輸入電壓定義為門坎電壓。轉折區(qū)中點輸入電壓定義為門坎電壓V Vthth，約為，約為1.3V1.3V。 圖圖2.2. 1 TTL非門非門 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 飽和區(qū)飽和區(qū)dede段：段： vI 1.4 V1.4 V

21、。T T1 1處于倒置狀態(tài)處于倒置狀態(tài)，T T2 2、T T5 5飽和飽和，T T3 3放大狀態(tài)，放大狀態(tài)，T T4 4截止截止。vo=0.3V=0.3V。2.輸入噪聲容限輸入噪聲容限定義定義:對于對于TTLTTL反相器，反相器， 在在保證輸出高電平在其值域內的條件下，保證輸出高電平在其值域內的條件下，輸入低電輸入低電平允許的干擾脈沖最大幅度稱為低電平噪聲容限平允許的干擾脈沖最大幅度稱為低電平噪聲容限VNL 。 同樣，在保證輸出低電平在其值域內的條件下，同樣，在保證輸出低電平在其值域內的條件下，輸入輸入高電平允許的干擾脈沖最大幅度稱為高電平噪聲容限，高電平允許的干擾脈沖最大幅度稱為高電平噪聲容

22、限，記為記為VNH。設設 輸出高電平值域輸出高電平值域：VVOHminOHmin，3.6V3.6V，V VOHminOHmin2V2V 輸出低電平值域輸出低電平值域：0.1V0.1V，V VOLmaxOLmax ，V VOLmaxOLmax 0.5V 0.5V則由傳輸特性確定則由傳輸特性確定輸入輸入高、低電平的值域為高、低電平的值域為 輸入低電平值域：輸入低電平值域：0.0V,V0.0V,VILmaxILmax 輸入高電平值域：輸入高電平值域：VVIHminIHmin,5.0V,5.0V VILmax是對應于輸出電平為是對應于輸出電平為VOHmin的輸入電平，亦稱為的輸入電平，亦稱為關門電平關

23、門電平（T5截止）；截止）；VIHmin是對應于輸出電平為是對應于輸出電平為VOLmax的輸入電平，亦稱為的輸入電平，亦稱為開門電平開門電平（T5飽和）。飽和）。 圖圖2.2. 1 TTL 非門非門 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov G G2 2門門輸入低電平輸入低電平允許的干擾脈沖幅度為：允許的干擾脈沖幅度為：VNL = VILmax - VOLmax G G2 2門門輸入高電平輸入高電平允許的干擾脈沖幅度為：允許的干擾脈沖幅度為：VNH = VOHmin - VIHm

24、in 適當選擇適當選擇VOLmax、VILmax、VIHmin 和和VOHmin，獲得最佳的噪聲容限，獲得最佳的噪聲容限一個門的輸出常常是另一個門的輸入，上圖中： 3.輸入特性輸入特性 輸入特性有輸入伏安特性和輸入負載特性。輸入特性有輸入伏安特性和輸入負載特性。 1)輸入伏安特性輸入伏安特性:輸入電流與輸入電壓之間的關系曲線輸入電流與輸入電壓之間的關系曲線 圖圖2.2. 1 TTL非門非門 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 當當 （即（即vI=VIL）時，）時，T1發(fā)射結

25、導通，發(fā)射結導通，T2、T5截止，截止， max0ILIVv ISBEILccIImARVVVi=6 . 130511I IISIS稱為輸入短路電流。稱為輸入短路電流。VvVIIH5min當當 （即（即vI=VIH）時，）時， T T1 1發(fā)射結截止，發(fā)射結截止，T T2 2、T T5 5飽和，飽和，其反向其反向電流即為高電平輸入電流電流即為高電平輸入電流I IIH IH , ,約為約為40A40A。當當 隨隨v vI I增加，即從增加，即從-1.6mA-1.6mA增加至增加至40A40A。IIHIILiVvV時，minmax 1 Ii 2 Iv(V) 4 IIH= 40 A -IIS 0 V

26、IL max Iv Ii -10mA -20mA 圖2.2. 4非門的輸入伏安特性非門的輸入伏安特性 VIH m in 2)輸入負載特性輸入負載特性 TTL門的輸入端與參考電位之間接門的輸入端與參考電位之間接電阻電阻R，輸入電壓與電阻之間的關系，輸入電壓與電阻之間的關系曲線稱為曲線稱為輸入負載特性輸入負載特性。 當電阻當電阻R很小，使很小，使 時時，maxILIVv A VVCC5= =R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RT1發(fā)射結導通，發(fā)射結導通，T2、T5截止截止kRRRRRVVvBECC

27、I33 . 4)(11=對應于對應于vI=VIL=0.8V的電阻的電阻稱為稱為關門關門（T5截止）截止）電阻電阻Roff。即當即當 時，時，RRoff Ron=2.0k時時T5飽和導通，故稱飽和導通，故稱Ron為開門電阻。為開門電阻。綜上所述，綜上所述，當當RRon時（包括時（包括R，即輸入端懸，即輸入端懸空），非門輸出低電平，即等效輸入為高電平（邏輯空），非門輸出低電平，即等效輸入為高電平（邏輯1）A VVCC5= =R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RI1 R R() ) Iv(V) 0

28、Roff Ron 1.4 VILmax 當當RRon=2.0k時，由上式，時，由上式， ，VvI7 . 1T1集電結導通，集電結導通，T2、T5飽和，限制飽和，限制VvI4 . 1kRRRRRVVvBECCI33 . 4)(11=4.輸出特性：輸出特性：帶上負載后，負載電流與輸出電壓的關系曲線帶上負載后，負載電流與輸出電壓的關系曲線 。有低電平輸出特性和高電平輸出特性有低電平輸出特性和高電平輸出特性 1）低電平輸出特性）低電平輸出特性 圖圖2.2. 1 TTL 非門非門 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N

29、 N P Iv Ii Oi Ov 當當vI=VIH時，輸出為低電平。時，輸出為低電平。此時，此時， T4截止，截止，T2、T5飽和導通。飽和導通。 CCV R3 T5 RL Li VOL 非門非門 圖圖 2.2.2.2.6 6 TTLTTL 門低電平輸出等效電路門低電平輸出等效電路 T5可以吸入負載電流，稱為可以吸入負載電流，稱為灌電流。灌電流。 T5飽和時，其集射極之間的等效電阻小（大約飽和時，其集射極之間的等效電阻?。ù蠹s20），），且基本不變，故輸出電壓隨負載電流線性增加。且基本不變，故輸出電壓隨負載電流線性增加。 CCV R3 T5 RL Li VOL 非門非門 TTLTTL門低電平輸

30、出電路門低電平輸出電路TTLTTL門門低電平輸出特性低電平輸出特性 VOL(V) Li(mA) 0 20 10 0.2 0.6 ILLmax VOLmax 2）高電平輸出特性）高電平輸出特性 TTL非門非門 A VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 當當vI=VIL時，輸出高電平。時，輸出高電平。此時，此時，T2、T5截止，截止，T3、T4組成射極輸出器組成射極輸出器。 TTLTTL門高電平輸出等效電路門高電平輸出等效電路 CCV RL Li VOH 非門非門 T3 T4 R4

31、100 T4向負載輸出電流，稱為向負載輸出電流，稱為拉電流。拉電流。 當負載電流較?。ㄘ撦d電阻大）時，由于射極輸出器輸當負載電流較小（負載電阻大）時，由于射極輸出器輸出電阻小，輸出電壓基本不變。出電阻小，輸出電壓基本不變。 圖圖2.2.2.2.9 9 TTLTTL門門高電平輸出特性高電平輸出特性 VOH(V) Li(mA) 0 -5 -10 2 4 圖圖 2.2.8 TTL2.2.8 TTL門高電平輸出等效電路門高電平輸出等效電路 CCV RL Li VOH 非門非門 T3 T4 R4 100 當負載電流較大（負載電阻小）時當負載電流較大（負載電阻?。r，R4上的電壓較大上的電壓較大，使，使T

32、3、T4飽和，故輸出電壓基本上隨負載電流線性下降。所以，飽和，故輸出電壓基本上隨負載電流線性下降。所以，R4的作的作用是限制輸出電流。用是限制輸出電流。5.扇出系數(shù)扇出系數(shù):驅動相同系列的驅動相同系列的TTL門的個數(shù)稱為扇出系數(shù)門的個數(shù)稱為扇出系數(shù),記為記為N。 圖圖2.2. 10 非門的扇出系數(shù)非門的扇出系數(shù) 1 1 1 . . . G1 Ii 當驅動門當驅動門G G1 1輸出低電平輸出低電平時，負載門的輸入電流近似等于輸入短路電時，負載門的輸入電流近似等于輸入短路電流流I IISIS。如果。如果G G1 1吸入的最大低電平電流為吸入的最大低電平電流為I ILLmaxLLmax，則驅動負載門

33、的最大，則驅動負載門的最大個數(shù)為：個數(shù)為： 1 Ii 2 Iv(V) 4 IIH= 40 A -IIS 0 VILmax Iv Ii -10mA -20mA 圖圖 2.2.4 非門的非門的輸入伏安特性輸入伏安特性 VIHmin 圖圖 2.2.2.2.7 TTL7 TTL 門門低電平輸出特性低電平輸出特性 VOL(V) Li(mA) 0 20 10 0.2 0.6 ILLmax VOLmax ISLLLIINmax=當驅動門當驅動門G1輸出高電平時，負載門的輸入電流近似等于高電平輸入輸出高電平時，負載門的輸入電流近似等于高電平輸入電流電流IIH。如果。如果G1輸出的最大高電平電流為輸出的最大高電

34、平電流為ILHmax，則驅動負載門的，則驅動負載門的最大個數(shù)為：最大個數(shù)為：IHLHHIINmax=maxLLISLIINmaxLHIHHIIN扇出系數(shù)為：扇出系數(shù)為：例如，例如，74H系列門電路的參數(shù)：系列門電路的參數(shù)：IIS=1.6mA, IIH=0.04mA, ILLmax=16mA, ILHmax=0.4mA,則則=ISLLIHLHLHIIIINNNmaxmax,min,min106 . 116,04. 04 . 0min,minmaxmax=ISLLIHLHIIIIN6.傳輸延遲時間傳輸延遲時間1 A Y A Y tPHL tPLH 50% 50% (1)輸出高電平轉換為低電平的傳輸

35、延遲時間輸出高電平轉換為低電平的傳輸延遲時間tPHL：從輸入上從輸入上升沿幅值的升沿幅值的50%對應的時刻起，到輸出下降沿幅值的對應的時刻起，到輸出下降沿幅值的50% 對應的時刻止所需的時間。對應的時刻止所需的時間。在在tPHL期間，期間，T5管由截止轉換到管由截止轉換到飽和，主要對應于飽和，主要對應于T5管的開通時間。管的開通時間。2PLHPHLpdttt=(2)輸出低電平轉換為高電平的傳輸輸出低電平轉換為高電平的傳輸延遲時間延遲時間tPLH：從輸入下降沿幅值的從輸入下降沿幅值的50%對應的時刻起，到輸出上升沿對應的時刻起，到輸出上升沿幅值的幅值的50% 對應的時刻止所需的時對應的時刻止所需

36、的時間。在間。在tPLH期間，期間，T5管由飽和轉換到管由飽和轉換到截止，主要對應于截止，主要對應于T5管的關斷時間。管的關斷時間。所 以 ，所 以 ， tP L H大 于大 于 tP H L。(3)平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間tpd：2.2.3 TTL與非門與非門/或非門或非門/與或非門與或非門1TTL與非門與非門 圖圖 2.2.12 TTL與非門與非門 (a) 電路電路 (b) 多發(fā)射極三極管等效電路多發(fā)射極三極管等效電路 （c）輸入級等效電路）輸入級等效電路 A B VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 b1 T2 T3 T4

37、T5 c1 A B T1 b1 c1 c1 b1 (a) (b) （c） A B c1 VVCC5= = R1 3k X X 當當A A、B B都是高電平時都是高電平時，T T1 1的個發(fā)射結都截止，的個發(fā)射結都截止，T T2 2、T T5 5飽和，飽和，輸出低電平；輸出低電平； ABY =X=AB 當當A A、B B中任何一個為低電平中任何一個為低電平時，時，T T1 1中與低電平相連的發(fā)射結中與低電平相連的發(fā)射結導通，導通，T T2 2、T T5 5截止，輸出高電平；電路實現(xiàn)與非邏輯。截止，輸出高電平；電路實現(xiàn)與非邏輯。2TTL或非門或非門 圖圖2.2.13 TTL 或非或非門門 A R1

38、 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 B T2 R1 3k VVCC5= = (3)當當A為高電平時為高電平時，T1的發(fā)的發(fā)射結截止，射結截止，T2、T5飽和飽和，輸，輸出低電平；出低電平；(1) 當當A、B都是低電平時，都是低電平時，T1和和T1的發(fā)射結都導通，的發(fā)射結都導通，T2 、T2和和T5截止，輸出高電平；截止，輸出高電平；(2) 當當B為高電平時為高電平時，T1的發(fā)射結截止，的發(fā)射結截止，T2、T5飽和飽和，輸出低，輸出低電平；電平；(4)當當A和和B都為高電平時，都為高電平時，T1和和T1的發(fā)射結都截止，的發(fā)射結都截

39、止，T2、T2、T5飽和飽和，輸出低，輸出低電平。電平。電路實現(xiàn)或非邏輯電路實現(xiàn)或非邏輯BAY=3TTL與或非門與或非門 圖圖 2.2.13 TTL 或非或非門門 A R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 B T2 R1 3k VVCC5= = 圖圖 2.2.14 TTL 與與或非門或非門 A B R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 C D T2 R1 3k VVCC5= = X Z BAY= 或非門電路比較可知，或非門電路比較可知， T1和和T1改為多發(fā)射

40、極改為多發(fā)射極三極管，分別實現(xiàn)三極管，分別實現(xiàn)X=AB、Z=CD。所以。所以:CDABZXY=2.2.4 TTL 集電極開路門和三態(tài)門集電極開路門和三態(tài)門 圖圖 2.2.15 TTL 與非門與非門并聯(lián)并聯(lián) - 電路燒壞電路燒壞！ A B VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 C D VVCC5= = R1 3k R4 100 X R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 G1 G2 AB=0CD=1普通普通TTL門輸出端不能并聯(lián)！門輸出端不能并聯(lián)！ 實際中希望并聯(lián)。因為通過并聯(lián)可以擴展或

41、增強電路的功能。TTL 集電極開路門和三態(tài)門的輸出端可以并聯(lián)。集電極開路門和三態(tài)門的輸出端可以并聯(lián)。 符號符號“”表示集電極開路表示集電極開路, OC門正常使用時，門正常使用時，必須外接電必須外接電阻阻R。整個電路實現(xiàn)。整個電路實現(xiàn)與非與非邏輯功能邏輯功能ABY = OC OC與非門輸出端可以并聯(lián)，如圖（與非門輸出端可以并聯(lián)，如圖（b b）。只有）。只有Y Y1 1和和Y Y2 2同時為同時為高電平時，高電平時，Y Y才為高電平，即才為高電平，即Y= YY= Y1 1Y Y2 2，OCOC門的并聯(lián)線實現(xiàn)門的并聯(lián)線實現(xiàn)邏輯邏輯與與，簡稱為，簡稱為線與線與。所以。所以CDABCDABYYY=211

42、.集電極開路門（集電極開路門（OC門）門）& & CCV A B C D 1Oi R 圖圖2.2.18 OC與非門外接電阻的計算與非門外接電阻的計算 G1 . . . 1 1 . . . Gn G1 Gm Oni 1Ii Imi Ri Ov )(IoCCRCCOminiRVRiVv=(1)當當OC門輸出高電平時門輸出高電平時，OC 門門的輸出電流為的輸出電流為IOH（等于等于T5管的穿管的穿透電流透電流）,負載門輸入電流為負載門輸入電流為IIH, min)(OHIHOHCCOVmInIRVv=minmaxmaxRmIIVVRISOLOLCC=maxminRmInIVVRIHOH

43、OHCC=(2)當當OC門輸出低電平時，門輸出低電平時，以及灌入一個以及灌入一個OC 門的電流不超過門的電流不超過其最大允許值其最大允許值IOLmax。此時負載門的輸入電流近似為輸入短路。此時負載門的輸入電流近似為輸入短路電流電流IIS,maxmax)(OLISOLCCOVmIIRVv=上拉電阻上拉電阻R的計算的計算maxminRRR2.三態(tài)三態(tài)TTL門門 圖圖 2.2.19 TTL TSL 與非門與非門 A B VVCC5= = R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 EN R6 3k R7 T6 T7 T8 TSL鉗位電路鉗位電路

44、 & EN & EN (a) (b) (c) 三態(tài)門三態(tài)門,簡稱為簡稱為TSL門（門（Tristate Logic）。它的輸出除了常）。它的輸出除了常規(guī)的高電平、低電平外，還有高阻抗狀態(tài)。規(guī)的高電平、低電平外，還有高阻抗狀態(tài)。當當使能輸入端使能輸入端 EN=1(EN=1(高電平高電平) )時，使時，使T T7 7飽和，飽和，T T8 8截止截止：ABABENABY=1 當當EN=0(低電平低電平)時時，T7截止，截止，T8飽和飽和，導致導致T3、T4、T2和和T5截止，截止，輸出電阻大，即為輸出電阻大，即為高阻態(tài)高阻態(tài)，記為，記為X?！啊北硎颈硎?態(tài)輸出態(tài)輸出TSL門的應用門的

45、應用 X1XnijXXjji=EN=1，G1工作，總線接收G1的數(shù)據(jù)；EN=0， G2工作，總線向G2輸入信息 *2.2.5 TTL 門電路的產品系列1。TTL門的產品系列號為：74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、 74AS/54AS和74ALS/54ALS。2。在系列號后的數(shù)字則是品種代號，品種代號相同的門功能相同。例如，7400和74H00都是2輸入與非門，僅是系列不同。3。而74和54系列的區(qū)別僅是工作溫度和電源電壓的變化范圍不同，其他相同。 74系列的工作環(huán)境溫度規(guī)定為070 oC 電源電壓的工作范圍是5V5% 54系列的工作環(huán)境溫度規(guī)定為-55-+125

46、oC 電源電壓的工作范圍是5V10% 說明54系列比74系列性能好。 表2.2.2 不同系列TTL門的特性比較74/5474H/54H74S/54S74LS/54LS74AS/54AS74ALS/54ALS平均傳輸時間tpd (nS)1064101.54每門功耗P(mW)1022.5202201延時功耗積(nSmW)1001358020304不同系列TTL門的特性和電路見教材和手冊2.3 CMOS門電路門電路2.3.1 MOS管的開關特性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與非門/或非門2.3.5 CMOS 傳輸門/三態(tài)門/異或門*2.3.6

47、 BiCMOS 門電路 由于CMOS和BiCMOS門電路性能優(yōu)秀，成為門電路的主流產品。本節(jié)主要介紹CMOS門電路，然后簡要介紹BiCMOS門電路。 同時包含NMOS管和PMOS管的門電路稱為互補對稱互補對稱MOS門電門電路，即路，即CMOS門電路。門電路。 CMOS工藝與雙極型工藝相結合形成的門電路稱為工藝與雙極型工藝相結合形成的門電路稱為BiCMOS門門。 2.3.1 MOS管的開關特管的開關特1NMOS管的開關特性管的開關特性 為了使P型襯底和源區(qū)及漏區(qū)間的PN結截止，P型襯底必須接電位最低的節(jié)點（通常是NMOS管的源極）。 在很多情況下，P型襯底直接接電位最低的節(jié)點，而不與源極相連，這

48、時漏極與源極可以互換使用。 圖 2.3.1 NMOS 管的結構、電路符號、轉移特性和輸出特性 N+ P 型襯底 S G D -GSv+ N+ - DSv + VTN GSv Di(mA) O DSv Di(mA) O TNV3 TNV5 . 2 TNV2 TNV Di D G S B Di B SiO2 1 4 IDN 截止區(qū) 可變電阻區(qū) D G S Di 標準符號 簡化符號 2.3.1 MOS管的開關特性管的開關特性1NMOS管的開關特性管的開關特性 圖圖 2.3.1 NMOS 管的結構、電路符號、轉移特性和輸出特性管的結構、電路符號、轉移特性和輸出特性 N+ P 型襯底型襯底 S G D

49、-GSv+ N+ - DSv + VTN GSv Di(mA) O DSv Di(mA) O TNV3 TNV5 . 2 TNV2 TNV Di D G S B Di B SiO2 1 4 IDN 截止區(qū)截止區(qū) 可變電阻區(qū)可變電阻區(qū) D G S Di 標準符號標準符號 簡化簡化符號符號 當當 時時,無導電溝道，源漏之間無導電溝道，源漏之間2個背靠背的個背靠背的PN結總有一個截止結總有一個截止 (nA級級)，DS之間的截止電阻可達之間的截止電阻可達108量級，等效為開關斷開。量級，等效為開關斷開。 TNGSVvTNGSVvDSv0Di 當當 時時, P型襯底中的電子受柵極上正電荷的吸引在柵極下形

50、成導型襯底中的電子受柵極上正電荷的吸引在柵極下形成導電層，連接個電層，連接個2個個N+島形成島形成N型導電溝道，在型導電溝道，在 的作用下形成電流，的作用下形成電流， (mA),工作在可變電阻區(qū)工作在可變電阻區(qū)，等效為開關閉合。，等效為開關閉合。TNDSTNGSTNGSONVvVvVvKR=,)(21K是常數(shù)，與溝道的寬長比和半導體材料有關。是常數(shù)，與溝道的寬長比和半導體材料有關。Ron約為約為1k?？勺冸娮鑵^(qū)導通電阻可變電阻區(qū)導通電阻RON與與vGS 成反比成反比 圖 2.3.2 NMOS 管的開關特性 D G S R Iv VDD=5V Ov CL 電容放電 電容充電 Iv Ov 因為因為

51、Ron約為約為1k。為確保輸出電壓小于為確保輸出電壓小于0.3V（低電平），（低電平），電阻電阻R必須大于必須大于20k。 當當 時，時，NMOS管導通，電容放電，時間常數(shù)管導通，電容放電，時間常數(shù)達達nS級。級。TNIHIVVv= 當當 時，時，NMOS管截止，電容充電，管截止，電容充電，充電時間充電時間常數(shù)大于放電時間常數(shù)常數(shù)大于放電時間常數(shù)，達，達100nS左右左右,故輸出的上升沿比下降故輸出的上升沿比下降沿慢。沿慢。TNILIVVv=2PMOS管的開關特性管的開關特性 PMOSPMOS管的特性亦與管的特性亦與NMOSNMOS管相似。區(qū)別是，開啟電壓管相似。區(qū)別是，開啟電壓V VTPTP

52、為為負值，即柵極電位低于源極電位負值，即柵極電位低于源極電位|V|VTPTP|,PMOS|,PMOS管導通管導通, ,否則截止。否則截止。源極電位高于漏極電位，形成流出漏極的導通電流。源極電位高于漏極電位，形成流出漏極的導通電流。N N型襯底型襯底必須接電位最高的節(jié)點（通常是必須接電位最高的節(jié)點（通常是PMOSPMOS管的源極）。管的源極）。各類場效應管的符號及特性曲線表：各類場效應管的符號及特性曲線表： P溝道2.3.2 CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理 當當 時，時， ， NMOS管截止，管截止，PMOS導通（可變電阻區(qū)）。即導通（可變電阻區(qū)）。即 ， ，輸出高電平，輸出高電平0=

53、IvDDGSPGSNVvv= ，0810NR310PR 當當 時，時， ，NMOSNMOS管導通（可變電管導通（可變電阻區(qū)），阻區(qū)），PMOSPMOS截止。即截止。即 ， ，輸出低電平，輸出低電平DDIVv =0=GSPDDGSNvVv，310NR810PR綜上所述，電路實現(xiàn)邏輯非綜上所述，電路實現(xiàn)邏輯非AY =DDDDPNNOVVRRRv=0=DDPNNOVRRRvTNTPTNDDVVVV2=IGSNvv=DDIGSPVvv=DDPNNOVRRRv=電源電壓：由電路，得增強型2.3.3 CMOS反相器的特性反相器的特性 1電壓傳輸特性電壓傳輸特性 ab段：段： ,TNIVv TPGSPTNG

54、SNVvVv，,TN截止截止,TP導通導通 , DDOVv de段：段： |,|TPDDIVVvTPGSPTNGSNVvVv，,TN導通導通,TP截止截止, 0Ovbcd段：段： TPGSPTNGSNVvVv，,TN和和TP都導通都導通,|,|TPDDITNVVvV導通電阻與柵源電壓的絕對值成反比。導通電阻與柵源電壓的絕對值成反比。 vI增加，使增加，使 增加，增加， 的絕對值減小的絕對值減小，導致，導致RN減小減小，RP增大。因增大。因此，此，vI增加使增加使vo減小。減小。 )(IGSNvv=)(DDIGSPVvv=DDPNNOVRRRv=當 DDIVv21=時，DDGSPGSNVvv21

55、|=PNRR =DDOVv21=傳輸特性的中點c ，閾值電壓為VDD/2。CMOS門的輸入噪聲容限大，近似為：DDNLNHVVV%30= 在中點，電源到地的等效電阻最小，電源電流最大，這正是產生動態(tài)尖峰電流的原因。轉折區(qū)電壓變化率大，可以作為放大器。2輸入伏安特性輸入伏安特性增加輸入保護等電路，即構成實際的增加輸入保護等電路，即構成實際的CMOS門電路。門電路。 當當 時，時，D1導通，輸入電流等于其導通電流，導通，輸入電流等于其導通電流，MOS管柵極電位近似等于管柵極電位近似等于VF+VDD； FDDIVVv 設設VF是二極管的正向導通電壓，則是二極管的正向導通電壓，則當當 時時 ，F(xiàn)DDI

56、FVVvV二極管截止，輸入電流近似等于零，二極管截止，輸入電流近似等于零，MOS管柵極電位等于輸入電壓管柵極電位等于輸入電壓 當當 時，時，D2導通，輸入電流等于其導通電流，導通，輸入電流等于其導通電流，MOS管管柵極電位近似等于柵極電位近似等于-VF。 FIVv因此，因此，MOS管柵極電位被限制在管柵極電位被限制在-VF，VDD+VF3輸出特性輸出特性（1）低電平輸出特性）低電平輸出特性DSOLvV=DLii = 當電源電壓改變時，TN的柵源電壓變化，所以，繪出了多只曲線。 輸入高電平（vI= VDD）時，輸出為低電平。此時，TP截止，TN導通。低電平輸出特性是低電平輸出特性是TN的輸出特性

57、的輸出特性（2）高電平輸出特性）高電平輸出特性 輸入低電平（即vI= 0V）時，輸出為高電平。此時，TP導通，TN截止。DDDSOHVvV=DLii =高電平輸出特性是高電平輸出特性是TP 的輸出特性的輸出特性CMOS門的其他特性與TTL門類似（只是參數(shù)不同），不再贅述。2.3.4 CMOS與非門與非門/或非門或非門 CMOS邏輯同樣可以實現(xiàn)各種邏輯功能的門(與門、或門、與非門、或非門、與或非門、異或門、同或門、漏極開路門等) 1CMOS與非門與非門 當A=B=1時，TN1和TN2導通，TP1和TP2截止，輸出低電平，Y=0。 當輸入有一個為低電平時，柵極接低電平的NMOS管截止、PMOS管導

58、通，輸出高電平，Y=1。ABY =1CMOS與非門與非門2. CMOS或非門或非門 當輸入全為低電平，即（A=B=0）時，TN1和TN2截止，TP1和TP2導通，輸出高電平，Y=1。 當輸入有高電平時，柵極接高電平的NMOS管導通、PMOS管截止，輸出低電平，Y=0。BAY=3. 帶緩沖級的帶緩沖級的CMOS與非門與非門 在與非門中，由于PMOS管并聯(lián)，NMOS管串聯(lián)，致使輸出電阻在高低電平時輸出電阻不同，并且抬高了低電平電位。 為了克服這些缺點，在每個輸入端、輸出端各增設一級反相器組成帶緩沖級的CMOS與非門 。ABBAXY=2.3.5 CMOS 傳輸門傳輸門/三態(tài)門三態(tài)門/異或門異或門1. CMOS 傳輸門傳輸門 門電路只能將數(shù)字信號從輸入端傳遞到輸出端，而傳輸門電路只能將數(shù)字信號從輸入端傳遞到輸出端，而傳輸門則可