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1、第2章 门电路2.1 概述 2.2 半导体二极管和 三极管的开关特性 2.3 分立元件门电路 2.4 TTL门电路 2.5 CMOS门电路2.1 概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门（DTL、TTL）MOS集成门 NMOS PMOS CMOS正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管 和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值， 则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。2.1 概述一、正逻辑
2、与负逻辑VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。 2.1 概述二、逻辑电平105V0V0.8V2V高电平下限低电平上限实际开关为晶体二极 管、三极管以及场效 应管等电子器件逻辑电平v高电平UH：输入高电平UIH输出高电平UOHv低电平UL：输入低电平UIL输出低电平UOLv逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽， 因此在数字电路中，对电子元件、器件 参数精度的要求及其电源的稳定度的要 求比模拟电路要低。2.1 概述一、二极管伏安特性2.2 半导体二极管和三极管的开关特性门坎电压Uth反向击穿电压二极管的单向导电性： 外加正向电压（Uth），二极 管导通，导通压降
3、约为0.7V； 外加反向电压，二极管截止。 uD(V) iD(mA)0.7V2.2.1 半导体二极管的开关特性利用二极管的单向导电 性，相当于一个受外加电压 极性控制的开关。当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL 开关闭合二、二极管开关特性2.2 半导体二极管和三极管的开关特性假定：UIH=VCC ，UIL=0当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 开关断开 2.2 半导体二极管和三极管的开关特性一、双极型三极管结构2.2.2 双极型三极管的开关特性因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故 称为双极型三极管。NPN型PNP型2.2 半导体二极管和三极管的开关特性二、双极型三极管
4、输入特性双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制 c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以b,e间的回路作为 输入回路，c,e间的回路作为输出回路。输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本等同于 二极管的伏安特性。2.2 半导体二极管和三极管的开关特性三、双极型三极管输出特性放大区：发射结正偏，集电结反偏；ubeuT， ubcVT， ubcVT；深度饱和状态下， 饱和压降UCEs 约为0.2V。2.2 半导体二极管和三极管的开关特性四、双极型三极管开关特性利用三极管的饱和与截 止两种状态，合理选择电路 参数，可产生类似于开关的 闭合和断开的效果，用于输 出高、低电平，即开关工
5、作 状态。当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH 开关断开假定：UIH=VCC ，UIL=0当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL 开关闭合 MOS管是金属氧化物半导体场效应管的简称。（ Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） 由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。2.2 半导体二极管和三极管的开关特性一、MOS管结构2.2.3 MOS管的开关特性NMOS管电路符号PMOS管电路符号2.2 半导体二极管和三极管的开关特性二、MOS管开关特性NMOS管的基本开关电路当uI=UIL时，MOS管截
6、止，uO=VDD=UOH 开关断开当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL 开关闭合 选择合适的电路参数，则可以保证2.3 分立元件门电路一、二极管与门Y=AB2.3 分立元件门电路二、二极管或门Y=A+B2.3 分立元件门电路三、三极管非门输入为低，输出为高；输入为高，输出为低。利用二极管的压降为0.7V，保证 输入电压在1V以下时，开关电路 可靠地截止。A R1 4kW T1 T2 T4 T5 R4 R3 1KW 130W +VccR2 1.6KW Y D1 D2 输入级中间级输出级2.4 TTL门电路TTL非门典型电路一、74系列门电路推拉式输出级作用 ：降低功耗，提高 带负载能
7、力2.4 TTL门电路TTL与非门典型电路区别：T1改为多发射极三极管。2.4 TTL门电路TTL或非门典型电路区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。2.4 TTL门电路二、74S系列门电路74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称 肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极 管SBD组合而成。SBD的正向压降约为0.3V，使晶体管不会进 入深度饱和，其Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间， 提高了开关速度。抗饱和三极管2.4 TTL门电路三、TTL系列门电路74：标准系列；74H：高速系列；74S：肖特基系列；74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为
8、功耗延迟积较 小的系列。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成 电路的主流，是应用最广的系列。性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的 门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗 延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗延迟积越小，门 电路的综合性能就越好。74AS：先进肖特基系列；74ALS：先进低功耗肖特基系列。2.4 TTL门电路74LS系列常用芯片与门Y=AB=AB或 门 Y=A+B=A+B异或门2.4 TTL门电路2.4 TTL门电路四、TTL门电路的重要参数1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。测试电路电压传输特性低电平输入电压UIL，ma
9、x0.8V 高电平输入电压UIH，min2V 低电平输出电压UOL，max0.5V 高电平输出电压UOH，min2.7V74LS系列门电路标准规定：2.4 TTL门电路 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能 使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干 扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 2.输入噪声容限高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允 许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH 表示： 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许 叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表 示： UNL = UIL,maxUILUNH = U
10、IHUIH,min1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO2.4 TTL门电路输入低电平噪声容限：UNL=UIL,maxUOL,max 输入高电平噪声容限：UNH=UOH,minUIH,min74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V0.5V=0.3V UNH=2.7V2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V2.4 TTL门电路3.扇出系数扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。 要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流 IOH和IOL均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。 计
11、算：输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1；输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2；扇出系数min（N1，N2）。 低电平输入电流IIL，max-0.4mA 高电平输入电流IIH，max20A 低电平输出电流IOL，max8mA 高电平输出电流IOH，max-0.4mA74LS系列门电路标准规定：2.4 TTL门电路例：如图，试计算74LS系列非门电路G1 最多可驱动多少个同类门电路。解： G1输出为低电平时，可以驱动N1 个同类门； 应满足 IOL N1 |IIL| G1输出为高电平时，可以驱动N2个同类门； Nmin（N1,N2） 20N1 IOL / |IIL| 8mA/0.4mA
12、20应满足 |IOH| N2 IIHN2 |IOH| / IIH 0.4mA/20A 202.4 TTL门电路五、集电极开路的门电路（OC门）Y&A B&C D& Y&A B&C D“线与”推拉式输出级并联1.“线与”的概念2.4 TTL门电路普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与 。解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路的 三极管结构。OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻 的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、 低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。2.OC门的电路结构和逻辑符号2.4 TTL门电路3.OC门的“线与”功能2.4 TTL门电
13、路当n个前级门输出均为 高电平，即所有OC门同 时截止时，为保证输出 的高电平不低于规定的 UOH，min值，上拉电阻不 能过大，其最大值计算 公式：4.外接上拉电阻RU的计算方法2.4 TTL门电路当n个前级门中有一个 输出为低电平，即所有 OC门中只有一个导通时 ，全部负载电流都流入导 通的那个 OC门，为确保 流入导通OC门的电流不 至于超过最大允许的IOL，max值，RU值不可太小，其 最小值计算公式：2.4 TTL门电路5.OC门的应用实现线与。 可以简化电路，节省器件。实现电平转换。 如图所示，可使输出高电平变为10V。用做驱动器。 如图是用来驱动发光二极管的电路。2.4 TTL门
14、电路六、三态输出门电路（TS门）1.三态门的电路结构和逻辑符号功能表EN=0EN=1Y高阻态 输出有三种状态：高电平、低电平、高阻态。控制端或 使能端2.4 TTL门电路高电平有效低电平有效两种控制模式：2.4 TTL门电路2.三态门的应用数据总线结构只要控制各个门的EN端轮 流为1，且任何时刻仅有一个 为1，就可以实现各个门分时 地向总线传输。实现数据双向传输EN=1，G1工作，G2高阻，A经 G1反相送至总线；EN=0，G1高阻，G2工作，总线 数据经G2反相从Y端送出。2.4 TTL门电路七、TTL门电路多余输入端的处理1.与非门的处理“1”悬空2.或非门、与或非门的处理“0”（1）CM
15、OS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。 （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。2.5 CMOS门电路CMOS电路的特点：常用CMOS逻辑门器件系列： 4000系列； 74HC系列高速
16、CMOS系列。 2.5 CMOS门电路一、MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；输入高电平，NMOS管导通。输入低电平，PMOS管导通；输入高电平，PMOS管截止。2.5 CMOS门电路二、CMOS非门2.5 CMOS门电路CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特性CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性， 因而 其噪声容限大，抗干扰能力强。2.5 CMOS门电路三、CMOS与非门（P并N串）2.5 CMOS门电路四、CMOS或非门（P串N并）特点：需外接上拉电阻。 应用：与OC门类似，输出端可以并接，实现“线与”功能；实现电平转换。2.5 CMOS门电路五、漏极开路的CMOS门电路（OD）2.5 CMOS门电路六、CMOS传输门和双向模拟开关C0、 ，TN和T
