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1、2.2 2.2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性2.3 2.3 分立元件构成的与、或、非门分立元件构成的与、或、非门第2章 门电路2.1 2.1 概述概述2.4 2.4 TTLTTL集成门电路集成门电路2.1 概 述 门电路：实现基本运算、复合运算的单元电 路，如与门、与非门、或门 门电路中以高门电路中以高/ /低电平表低电平表 示逻辑状态的示逻辑状态的1/01/0获得高、低电平的基本原理高高/ /低电平都允许有低电平都允许有 一定的变化范围一定的变化范围使用的实际开关为 晶体二极管、三极 管以及场效应管等 电子器件。正逻辑：高电平表示1，低电平表示0 负逻辑：高电平表示0，低电平表示
2、1除非特别说 明，一律采 用正逻辑。2.2半导体二极管和三极管的开关特性IS-二极管的反向饱和电流；k-玻尔兹曼常数 1.381*10-23J/K；T-热力学温度；V-加到二极 管两端的电压；q-电子电荷1.6*10-19C一、半导体二极管开关特性 1、二极管伏安特性二极管等效电路2、二极管开关特性图2-3 二极管的伏安特性曲线 图2-2 二极管开关电路图2-4 二极管正向导通时的等效电路 导通条件及特点 条件：VD0.7V 特点：相当于 0.7V电压降的闭合开关 截止条件及特点 条件： VD 0.7V, iB 0, iC随iB成正比变化， iC=iB 饱和区：条件VCE 0, VCE 很低，
3、iC 随iB增加 变缓变缓 ，趋趋于“饱饱和” 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, ce间“断开” 二、半导体三极管开关特性图2-11 NPN型硅三极管开关等效电路 (a)截止时的理想等效电路 (b)饱和时的近似等效电路 (c)饱和时的理想等效电路3、双极型三极管的基本开关电路：只要参数合理：只要参数合理：V VI I=V=VILIL时，时，T T截止，截止，V VOO=V=VOHOHV VI I=V=VIHIH时，时，T T导通，导通，V VOO=V=VOLOL2.3 最简单的与、或、非门电路 一、 二极管与门设VCC = 5V 加到A,B的 VIH=3VVIL=
4、0V 二极管导通时 VDF=0.7VABY 0V0V0.7V 0V3V0.7V 3V0V0.7V 3V3V3.7VABY 000 010 100 111规定3V以上为10.7V以下为0这种与门电路简单，但存在着严重的缺点 1、输出电平都比输入电平高出0.7V电平偏离，UCC（5V）0V会造成逻辑混乱。0.7V1.4V2.1VVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RVD1VD2RUCC（5V）RL=R 3V3V3.7 V2.5 V2、当输出端对地接上负载电阻（常称为下拉负载）时，会使输出高电平降低，即带负载能力差，严重时会造成逻辑混乱。 二、 二极管或门设VCC = 5V 加到A,B的 VIH
5、=3VVIL=0V 二极管导通时 VDF=0.7VABY 0V0V0V 0V3V2.3V 3V0V2.3V 3V3V2.3VABY 000 011 101 111规定2.3V以上为10V以下为0二极管构成的门电路的缺点 电平有偏移 带负载能力差 只用于IC内部电路三、反相器（非门） 0.3V2.4 TTL集成门电路TTL（Transistor-Transistor-Logic）输入输出都是由三极管来完成的逻辑电路。一、TTL非门的工作原理T1是输入级， T2是倒相级， T3 、 T4 是输出级。D1起保护作用， D2起电平移位设所有的TTL电路工作电压都是5V。 UCC R1R2R4T3D2T
6、4 R3D1T1T2uouIYA电路集成门电路的发展方向：高速、低功耗、高抗干扰能力、带负载能力强。UCC R1R2R4T3D2T4 R3D1T1T2uouIYA由于T3工作在射极输出器状态，所以带拉电流负载能力较强。 uI=UIL时uO=UOH3.6V0.3V设UIL=0.3V，UIH=3.6V uO =5 UBE3 UD2=3.6V。uI=UIH时UCCR1R2R4T3D2T4 R3D1T1T2uouIYA输出和输入之间是反相关系，即 :空载输出时约为0.3V3.6V1.4V1V0.7V0.3VuO=UOLuE1=3.6V，二、TTL与非门工作原理1. 有一个输入端输入低电平0.3V1.0
7、V3.6VT2，T5 截止T4 ， D3 导通2.1V3.6V3.6VT2饱和T5深度饱和0.7V1.0VD3，T4 截止0.3V2. 两个输入端都输入高电平功能表真值表逻辑表达式输入有低，输出为高输入有低，输出为高 ；输入全高，输出为；输入全高，输出为 低。低。74LS00内含4个2输入与非门 ，74LS20内含2个4输入与非 门。二、TTL电路的特性和参数1. 抗干扰能力(1)输出高电平VOH 1. 典型值：3.6V 2. VOH(min) =2.4V 3. (2)输出低电平VOL 4. 典型值：0.3V 5. VOL(max) =0.4V(3)输入高电平VIHVIH(min)=VON=2
8、.0V保证输出为低电平的最小输入高电平(4)输入低电平VILVIL(max)=VOFF =0.8V保证输出为高电平的最大输入低电平TTL系列集成电路74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型 电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路 与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电 路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的， 其典型电路与非门的平均传输时间tpd
9、9ns，平均功耗P2mW 。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。三、OC门及TSL门？OC门 ：集电极开路的与非门推拉输出的TTL与非门 输出端是不允许并联使 用的。图2-30 TTL开路门(a)电路构成 (b)符号TTL三态门的实现结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。图2-34 三态门 (a)电路组成 (b)高电平使能三态门符号(c)低电平使能三态门符号逻辑符号名 称输出表达式常用三态门的图形符号和输出逻辑表达式Y =高阻 （EN=0 时）A （EN=1 时）Y =A （EN= 0 时） 高阻 （EN= 1 时）Y =高阻 （EN=
10、0 时）AB （EN=1 时）Y =高阻 （EN= 1 时）AB （EN=0 时）三态非门 （1 控制有效）1ENENAY1ENENAY&ENENAYB&ENENAYB三态非门 （0 控制有效）三态与非门 （1 控制有效）三态与非门 （0 控制有效）使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围 内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下 可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。 TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路， 多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）T
11、TL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用 接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的 输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得 对器件造成损害。利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、 非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电 路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态 门、OC门、OD门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路 已被集成电路所取代。TTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强， 带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、 集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度 稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS电路的工作速度已 有了大幅度的提高。本章小结
