[工学]第2章 集成逻辑门

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1、第第2 2章章 集成逻辑门集成逻辑门2.2 晶体管开关特性2.3 分立元件门电路2.1 概述2.4 TTL门电路2.5 CMOS门电路0v+3V 正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑2.1 2.1 概述概述010v+3V1 晶体二极管开关特性2 晶体三极管开关特性2.2 2.2 晶体管开关特性晶体管开关特性 二极管开关应用电路二极管正向O 0.4 0.8 U/VI/mA 80604020-50 -25I/A-20-40反向死区 电压击穿 电压CEB132436912IC/mA 10080604020A IB=00UCE/V理想开关SRE理想开关的特性：(1) 开关S断开时，通过开关的电流i=0，这时开关两

2、端点间呈现的电阻为无穷大。(2) 开关S闭合时，开关两端的电压 v=0，这时开关两端点间呈现的电阻为零。(3) 开关S的接通或断开动作瞬间完成。(4) 上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响。 稳态开关特性：电路处于相对稳定的状态下晶体管所呈现的开关特性。 瞬态开关特性:电路处于瞬变状态下晶体管所呈现的开关特性。具体的说 ，就是晶体管在大信号作用下，由导通到截止或者由截止 到导通时呈现的开关特性。1. 1. 二极管的开关特性二极管的开关特性iDvDVthISO(a) 二极管电路表示(b) 二极管伏安特性iDvDVth称为正向开启电压或门限电压，也称为阈值电压。R导通截止相当于相当于 开关断

3、开开关断开相当于相当于 开关闭合开关闭合S3V 0VSRRD3V0V（a）电路图 （b）输入高电平等效电路 （c）输入低电平等效电路iVDVDui+ RRuVD=0.7V+ui=UIH +VD Rui=UIL+静态特性动态特性iVDILIHoo UILUIHuitttrr反向恢复时间：当输入电压ui由正值UIH跃变为负值UIL的瞬间，VD并不能立 即截止，而是在反向电压UIL的作用下，产生了很大的反向电流IL ，经过一段时间后二极管才进入截止状态trr称作反向恢复时间（又称关断时间）。正向导通时间：二极管VD由截止转为导通所需的时间称为正向导通时间（又称为开通时间）。这个时间比反向恢复时间tr

4、r小得多，所以一般情况下可以 忽略不计模拟信号模拟信号数字信号数字信号电子电路中的信号电子电路中的信号2. 2. 三极管的开关特性三极管的开关特性处理模拟信号的电路称为模拟电路。如整流电路、放处理模拟信号的电路称为模拟电路。如整流电路、放 大电路等，注重研究的是输入和输出信号间的大小及相大电路等，注重研究的是输入和输出信号间的大小及相 位关系。位关系。在模拟电路中在模拟电路中，晶体管三极管通常工作在放大区。晶体管三极管通常工作在放大区。处理数字信号的电路称为数字电路，它注重研究的处理数字信号的电路称为数字电路，它注重研究的是输入、输出信号之间的逻辑关系。是输入、输出信号之间的逻辑关系。在数字电

5、路中，晶体管一般工作在截止区和饱和区在数字电路中，晶体管一般工作在截止区和饱和区 ，起开关的作用。，起开关的作用。饱和截止截止3V 0VuO 0相当于相当于 开关断开开关断开相当于相当于 开关闭合开关闭合uO UCC+UCCuiRBRCuO T3V0VuO+UCC RCECuO+UCC RCEC 静态特性静态特性+UCCuiRBRCuO TUILUIHUOLUOHUCES=0.2-0.3VIBS饱和UCE(sat)VCCuo0.1IC(sat)IC(sat)ttttofftontfts trtd0.9IC(sat)iCoouiUILUIH 动态特性动态特性开通时间(ton)：三极管由截止到饱和

6、导通 所需要的时间，称为开 通时间.关断时间(toff)：三极管由饱和导通到截止 所需要的时间，称为关 断时间. 二极管开关应用电路限幅电路:将输入波形的一部分传送到输出端，而将其余部分抑制掉。常用的有串（并）联上限、下限和双向限幅器。DRVREF1vIvO限幅电平为VREF1的串联下限限幅器限幅电平为VREF1的串联 下限限幅器及工作波形vItVREF1vOtVREF1DRVREF1vIvO(b )OvOtVREF2VAvI串联双向限幅器（假设VREF1 10000 00111011 11011001011101011111ABYC“ “或或” ” 门逻辑状态表门逻辑状态表 三极管三极管“

7、“非非” ” 门电路门电路截止截止饱和“0”“1”1. 1. 电路电路“0” “1”2.3.2 2.3.2 三极管门电路三极管门电路+UCC-UBBARKRBRCYT逻辑表达式：Y=A1 010AY“ “非非” ” 门逻辑状态表门逻辑状态表逻辑符号1AY+UCC-UBBARKRBRCYT逻辑符号1AY 2.3.3 2.3.3 复合门电路复合门电路 “ “与非与非” ” 门电路门电路R DADCABDBC+UCC-UBBR1R2RCYT “ “或非或非” ” 门电路门电路+UCC-UBBR1R2RCYTRDADCABDBC2.4 TTL门电路(三极管三极管逻辑门电路)TTL门电路是双极型集成电路

8、，与分立元件相比，具有 速度快、可靠性高和微型化等优点，目前分立元件电路已 被集成电路替代。下面介绍集成 “与非”门电路的工作原 理、特性和参数。目前国产的TTL集成电路有：CT54/74系列（标准通用系列）；CT54H/74H系列（高速系列）；CT54S/74S系列（肖特基系列）；CT54LS/74LS系列（低功耗肖特基系列）；2.4.1 TTL“2.4.1 TTL“与非与非” ”门电路门电路输入级 倒相级 推拉式输出R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1B CR1YAT1B CR1R1ABC与逻辑(1) 输入级NPN当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导通， uB1=1.0V 当

9、输入高电平时， uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将 反向截止。 uB1由后级电路决定。NNP(2) 中间级反相器T2 实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相 与同相输出。输入高电 压时饱和输入低电 压时截止(3) 输出级（推拉式输出）T3为射极跟随器低输入高输入 饱和截止低输入高输入截止导通当输入信号A、B、C中至少有一个为低电平(0.3V)时即输出为高电平，有时称电路处于关态。一 基本工作情况VCES1=0.1VVC1=(0.3+0.1)ViB3很小R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1B CR1Y当输入信号A、B、C全部为高电平VIH(3.6V)时即输出为低电平，称电路处于开态。

10、VCES2=0.3VVC2=(0.3+0.7)VT1倒置VB1=2.1VR4AVCCT4T3D4R2T2R3T1B CR1Y采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力T3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力. 当输入高电平时 ，T4饱和，T3和D截止，T4的集电极电流可以全部用来驱动负载。 当输入低电平时 ，T4截止，T3导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。 可见，无 论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载 能力很强。 R4AVCCT4T3 D4R2T2R3T1BCR1Y有有“ “0”0”出出“ “1”1”全全“ “

11、1”1”出出“ “0”0”“ “与非与非” ”逻逻 辑关系辑关系0001 00111011 11011001011101011110ABYC“ “与非与非” ” 门逻辑状态表门逻辑状态表Y=A B C逻辑表达式：逻辑表达式：Y&A B C“ “与非与非” ”门门由此可见，电路具有与非门的逻辑功能。T1T2T3D4T4 输出高电平（关态）饱和截止导通导通截止 输出低电平（开态）倒置工作饱和截止截止饱和TTL门电路各晶体管工作状态R4AVCCT4T3D4R2T2R3T1B CR1Y二 TTL与非门的主要外部特性R4AVCCT4T3 D4R2T2R3T1BCR1Y电压传输特性vI/V3210123a

12、bcdeVNHVNLVILVoffVthVonab：vI1.3Vde：vI增加到1.4截止区线性区转折区 饱和区R4AVCCT4T3 D4R2T2R3T1BCR1YvI/V3210123abcdeVNHVNLVILVoffVthVonab：vI1.3V转折区 T4开始导通。当vI 增加时，输出电压 急剧下降，T3和D4 趋向截止，T4趋向 饱和R4AVCCT4T3 D4R2T2R3T1BCR1YvI/V3210123abcdeVNHVNLVILVoffVthVonde：vI增加到1.4饱和区随着vI增加，T1进入 倒置工作状态，T3、 D4进入截止， T4进 入饱和，输出低电平 近似为0.3V

13、，电路进 入稳定的开态。从电压传输特性曲线可以反映出 TTL与非门的几个主要特性参数。vI/V3210123abcdeVNHVNLVILVoffVthVon(1) 输出逻辑高电平和输出逻辑低电平在电压传输特性曲线截止区的输出电压为输出逻辑高电平 VOH，饱和区的输出电压为输出逻辑低电平VOL。vI/V3210123abcdeVNHVNLVILVoffVthVon(2) 开门电平(Von)和关门电平(Voff)及阈值电压(Vth)在保证输出为额定高电平(3V)的90%(2.7V)的条件下，允许的输入低电平的最大值，称为关门电平Voff；在保证输出为额定低电平(0.35V)的条件下，允许的输入高电

14、平的最小值，称为开门电平Von。一般Voff0.8V，Von1.8V。转折区的中点对应的输入电压称为TTL门的阈值电压Vth。一般Vth1.4V。vI/V3210123abcdeVNHVNLVILVoffVthVon(3) 抗干扰能力在集成电路中，经常以噪声容限的数值来定量地说明门电路的抗干扰能力。当输入为低电平时，为保证电路处于稳定的关态，输入低电平加上瞬态干扰信号 不应超过关门电平Voff。因此允许的干扰容限为VNL=Voff-VIL，称为低电平噪声容限。当输入为高电平时，为保证电路处于稳定的开态，输入高电平加上瞬态干扰信号 不应低于开门电平Von。因此允许的干扰容限为VNH=VIH-Vo

15、n，称为高电平噪声容限。TTL与非门输入特性输入特性是指输入电压和输入电流之间的关系曲线。输入电流iI以流入输入端为正,流出输入端为负vI/ViI/mA-1.0-0.5-1.51.00.51.52.0Ron 输出低电平 Roff 输出高电平时的最大电阻 Ron 输出低电平时的最小电阻 R1RVCCVCCvI R1VCCvI 多余输入端的处理：一般将多余输入端接高电平，或者与有用输入端并接。4TTL与非门输出特性TTL与非门的输出特性反映输出电压vO与输出电流iO的关系。其中输出电流规定灌入电流为正方向。iO/mA31010vO/VAB2203040 (a) 开态时iO/mA31010vO/V2203040 (b) 关态时灌电流拉电流最大允许灌电流 ILMAX最大允许拉电流 IHMAX拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降； 灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升。iO/mA31010vO/VAB2203040(a) 开态时 (a) 开态时：T4饱和。iO增加时，T4的饱和程度减轻，输出低电平略有增高 ，如图中的0A段，输出电阻约1020。AB段表示T4已脱离饱和区，输出 低电平增加较大，不能正常工作。灌电流R4AVCCT4T3 D4R2T2R3T1BCR1Y(b) 关态时：T4截止，T3 、D4导通。负载电流为拉电流。输出电阻在100左右。输出拉电流增加时，输出高电平减小