第二章逻辑门电路

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1、 内容概述内容概述 第一节第一节 标准标准TTL与非门与非门 第二节第二节 其它类型其它类型TTL门电路门电路 第三节第三节 ECL逻辑门电路逻辑门电路 第四节第四节 I2 L逻辑门电路逻辑门电路 第五节第五节 NMOS逻辑门电路逻辑门电路 第六节第六节 CMOS逻辑门电路逻辑门电路 第七节第七节 逻辑门的接口电路逻辑门的接口电路 小结小结内容概述内容概述双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门集集成成逻逻辑辑门门按器件类型分按器件类型分按集成度分按集成度分SSI：100个等效门个等效门MSI：103个等效门个等效门LSI ：104个等效门个等效门VLSI：104个以上等效门

2、个以上等效门本章内容：本章内容： 集成逻辑门的基本结构、工作原理；集成逻辑门的基本结构、工作原理； 集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。集成逻辑门的外部特性、参数及其接口电路。TTL、ECLI2L、HTLPMOSNMOSCMOS TTL与非门电路组成与非门电路组成 TTL与非门工作原理与非门工作原理 TTL与非门工作速度与非门工作速度 TTL与非门外特性及主要参数与非门外特性及主要参数 TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型 TTL集成电路产品集成电路产品TTL与非门电路组成与非门电路组成 输出级由输出级由D3、T4、T5和电阻和电阻R4组成。组成。T4与与T5组成推拉式输出组成推拉式

3、输出结构，具有较强的负载能力。结构，具有较强的负载能力。 输入级由多发射输入级由多发射极晶体管极晶体管T1、二极管二极管D1、D2和电阻和电阻R1组成。组成。实现输入变量实现输入变量A、B的的与运算。与运算。 中间级由中间级由T2、R2和和R3组成。组成。T2的集电极的集电极C2和发射极和发射极E2分别分别提供两个相位相反的电压信号。提供两个相位相反的电压信号。TTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端至至少少有有一一个个（设（设A端）接低电平：端）接低电平：0.3V3.6V1V3.6VT1管管:A端端发发射射结结导导通通，UB1 = UA + UBE1 = 1V，其其它它发发射射结结反

4、反偏偏截截止。止。 （5-0.7-0.7）V = 3.6V因因为为UB1 =1V, 所所以以 T2、T5截止截止, UC2Ucc=5V。 T4：工作在放大状态工作在放大状态5V电路输出高电平：电路输出高电平：TTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端至至少少有有一一个个（设（设A端）接低电平：端）接低电平：0.3V3.6V1V3.6VT1管管:A端端发发射射结结导导通通，UB1 = UA + UBE1 = 1V，其其它它发发射射结结反反偏偏截截止。止。 （5-0.7-0.7）V = 3.6V因因为为UB1 =1V, 所所以以 T2、T5截止截止, UC2Ucc=5V。 T4：工作在放大状

5、态工作在放大状态5V电路输出高电平：电路输出高电平： 输入端全接高电平：输入端全接高电平：3.6V2.1V0.3VT1:UB1= UBC1+UBE2+UBE5 = 0.7V3 = 2.1V电电路路输输出出低低电电平平：UOL = 0.3V3.6VT1：发射结反偏，集电发射结反偏，集电极正偏，工作在倒置放正偏，工作在倒置放大状态且大状态且T2 、T5导通。导通。T2：工作在工作在饱和状态饱和状态T4：UC2 = UCES2 + UBE5 1V，T4截止。截止。T5：处于处于深饱和状态深饱和状态TTL与非门工作原理与非门工作原理 输输入入端端全全接接高高电电平平，输出为低电平。输出为低电平。 输输

6、入入端端至至少少有有一一个个接接低低电电平平时时，输输出出为为高高电平。电平。 由由此此可可见见，电电路路的的输输出出与与输输入入之之间间满满足足与非逻辑关系：与非逻辑关系：TTL与非门工作原理与非门工作原理T1：倒置放大状态倒置放大状态T2：饱和状态饱和状态T4：截止状态截止状态T5：深度饱和状态深度饱和状态T1：深度饱和状态深度饱和状态T2：截止状态截止状态T4：放大状态放大状态T5：截止状态截止状态TTLTTL与非门工作速度与非门工作速度存存在在的的问问题题：一一是是与与非非门门内内部部晶晶体体管管工工作作在在饱饱和和状状态态对对电电路路开开关关速速度度产产生生影影响响，二二是是与与非非

7、门门输输出出端端接接容容性性负负载载时对工作速度产生影响。时对工作速度产生影响。 采取的措施：采取的措施：1. 采用多发射极晶体管采用多发射极晶体管T1，加速加速T2管脱离饱和状态。管脱离饱和状态。 2. T4和和T5同时导通，加速同时导通，加速T5管脱离饱和状态。管脱离饱和状态。 3. 降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。 TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 外特性：外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。指的是电路在外部表现出来的各种特性。掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护掌握器件的外特性及其

8、主要参数是用户正确使用、维护和设计电路的重要依据。和设计电路的重要依据。 介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。介绍手册中常见的特性曲线及其主要参数。 TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（一）（一）电压传输特性电压传输特性 TTL与与非非门门输输入入电电压压UI与与输输出出电电压压UO之之间间的的关关系系曲曲线线，即即 UO = f（UI）。）。截截 止止 区区 ： 当当 UI0.6V，Ub11.3V时时，T2、T5截截止止，输出高电平输出高电平UOH = 3.6V。线线 性性 区区 ： 当当 0.6VUI1.3V，0.7VU b21.4V时时，T2导导通通，T5仍仍截截止

9、止，UC2随随Ub2升升高高而而下下降降，经经T4射随器使射随器使UO下降。下降。转折区：转折区：当当UI1.3V时，时，输入电压略微升高，输出输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为电压急剧下降，因为T2、T4、T5均处于放大状态。均处于放大状态。饱和区：饱和区：UI继续升高，继续升高，T1进入倒进入倒置工作状态置工作状态Ub1=2.1V，此时此时T2、T5饱和，饱和，T4截止，输出低电平截止，输出低电平UOL = 0.3V ，且且UO不随不随UI的增大的增大而变化。而变化。 TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（一）（一）电压传输特性电压传输特性 TTL与与非非门门输输入

10、入电电压压UI与与输输出出电电压压UO之之间间的的关关系系曲曲线线，即即 UO = f（UI）。）。截截 止止 区区 ： 当当 UI0.6V，Ub11.3V时时，T2、T5截截止止，输出高电平输出高电平UOH = 3.6V。线线 性性 区区 ： 当当 0.6VUI1.3V，0.7VU b21.4V时时，T2导导通通，T5仍仍截截止止，UC2随随Ub2升升高高而而下下降降，经经T4射随器使射随器使UO下降。下降。转折区：转折区：当当UI1.3V时，时，输入电压略微升高，输出输入电压略微升高，输出电压急剧下降，因为电压急剧下降，因为T2、T4、T5均处于放大状态。均处于放大状态。饱和区：饱和区：U

11、I继续升高，继续升高，T1进入倒进入倒置工作状态置工作状态Ub1=2.1V，此时此时T2、T5饱和，饱和，T4截止，输出低电平截止，输出低电平UOL = 0.3V ，且且UO不随不随UI的增大的增大而变化。而变化。 ABCDETTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 根据电压传输特性，可以求出根据电压传输特性，可以求出TTL与非门几个重要参数：与非门几个重要参数：输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL 、阈值电压、阈值电压UTH、开门电平、开门电平UON和关门电平和关门电平UOFF 、噪声容限等噪声容限等。1.输出高电平输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平U

12、OL ： AB段所对应的输出电压为段所对应的输出电压为UOH 。DE段所段所对应的输出电压为对应的输出电压为UOL。一般要求一般要求UOH3V，UOL0.4V 。3. 开门电平开门电平UON：开门电平开门电平UON也称输入高电平电压也称输入高电平电压UIH，指指的是输出电平的是输出电平UO =0.3V时，允许输入高电时，允许输入高电平的最小值。平的最小值。UON典型值为典型值为1.4V，一般产一般产品要求品要求UON1.8V。4. 关门电平关门电平UOFF ：关门电平关门电平UOFF也称输入低电平电压也称输入低电平电压UIL，指的是在保证输出电压为额定高电平指的是在保证输出电压为额定高电平UO

13、H的的90%时，允许输入低电平的最大值。一时，允许输入低电平的最大值。一般产品要求般产品要求UOFF0.8V。2. 阈值电压阈值电压UTH：CD段中点所对应的输入电压称为阈值电段中点所对应的输入电压称为阈值电压压UTH，也称门槛电压。也称门槛电压。UTH=1.31.4V。低电平噪声容限低电平噪声容限U NL：高电平噪声容限高电平噪声容限U NH：5. 噪声容限噪声容限TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。噪声容限表示门电路抗干扰能力的参数。 （二）（二）输入特性输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即输入电流与输入电压之间的关系曲线，即I

14、I = f（UI）。）。1. 1. 输入短路电流输入短路电流IIS（输入低电平电流输入低电平电流IIL）当当UIL = 0V时由输入端流出的电流。时由输入端流出的电流。2. 2. 输入漏电流输入漏电流IIH（输入高电平电流）输入高电平电流） 指指一一个个输输入入端端接接高高电电平平，其其余余输输入入端端接接低低电电平平，流流入入该输入端的电流，约该输入端的电流，约10AA左右。左右。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数假定输入电流假定输入电流II流入流入T1发射极发射极时方向为正，反之为负。时方向为正，反之为负。前级驱动门导通时，前级驱动门导通时，IIS将灌入将灌入前级门，称

15、为灌电流负载。前级门，称为灌电流负载。前级驱动门截止时，前级驱动门截止时， IIH从前级从前级门流出，称为拉电流负载。门流出，称为拉电流负载。 TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（三）（三）输入负载特性输入负载特性 UI在一定范围内会随着在一定范围内会随着Ri的增加而升高，形成的增加而升高，形成Ui = f（Ri）变化曲线，称为输入负载特性。变化曲线，称为输入负载特性。 若若要要使使与与非非门门稳稳定定在在截截止止状状态态，输输出出高高电电平平，应选择应选择RiROFF。 若若要要保保证证与与非非门门可可靠靠导导通通，输输出出低低电电平平，应应选选择择RiRON。TTL与非

16、门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（四）功耗（四）功耗 功耗有静态功耗和动态功耗之分。功耗有静态功耗和动态功耗之分。 动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。 静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有空载导通功耗空载导通功耗PON和空载截止功耗和空载截止功耗POFF两个参数。两个参数。 1. 空载导通功耗空载导通功耗PON指的是输出端开路、输入端全部悬空、指的是输出端开路、输入端全部悬空、与非门导通时的功耗。标准与非门导通时的功耗。标准TTL芯片芯片PON 50mW。 2. 空载截止功耗空载截

17、止功耗POFF指的是输出端开路、输入端接地、与指的是输出端开路、输入端接地、与非门截止时的功耗。标准非门截止时的功耗。标准TTL芯片芯片POFF25mW。TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（四）功耗（四）功耗 功耗有静态功耗和动态功耗之分。功耗有静态功耗和动态功耗之分。 动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。动态功耗指的是电路发生转换时的功耗。 静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有静态功耗指的是电路没有发生转换时的功耗。静态功耗有空载导通功耗空载导通功耗PON和空载截止功耗和空载截止功耗POFF两个参数。两个参数。 1. 空载导通功耗空载导通功耗PON指的是输出

18、端开路、输入端全部悬空、指的是输出端开路、输入端全部悬空、与非门导通时的功耗。标准与非门导通时的功耗。标准TTL芯片芯片PON 50mW。 2. 空载截止功耗空载截止功耗POFF指的是输出端开路、输入端接地、与指的是输出端开路、输入端接地、与非门截止时的功耗。标准非门截止时的功耗。标准TTL芯片芯片POFF25mW。 1.扇入系数扇入系数NI是指合格输入端的个数。是指合格输入端的个数。 2.扇出系数扇出系数NO表示门电路带负载能力的大小，表示门电路带负载能力的大小，NO表示可表示可驱动同类门的个数。驱动同类门的个数。NO分为两种情况，一是灌电流负载分为两种情况，一是灌电流负载NOL，二是拉电流

19、负载二是拉电流负载NOH。NO=min（NOL，NOH）。）。 IOLmax为为驱驱动动门门的的最最大大允允许许灌灌电电流流，IIL是是一一个个负负载载门门灌灌入入本本级级的的电电流流。 IOHmax为为驱驱动动门门的的最最大大允允许许拉拉电电流流，IIH是是负负载门高电平输入电流。载门高电平输入电流。 （五）（五）扇入系数扇入系数NI和扇出系数和扇出系数NOTTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数（六）（六）平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间平均传输延迟时间t tpdpd：TTL与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 平均传输延迟时间是表示门电路开关速度

20、的参数，它是指平均传输延迟时间是表示门电路开关速度的参数，它是指门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延门电路在输入脉冲波形的作用下，输出波形相对于输入波形延迟了多少时间。迟了多少时间。 导导通通延延迟迟时时间间t tPHL PHL ：输输入入波波形形上上升升沿沿的的50%50%幅幅值值处处到到输输出出波波形形下下降降沿沿50% 50% 幅幅值值处所需要的时间。处所需要的时间。 截截止止延延迟迟时时间间t tPLHPLH：从从输输入入波波形形下下降降沿沿50% 50% 幅幅值值处处到到输输出出波波形形上上升升沿沿50% 50% 幅幅值值处处所需要的时间。所需要的时间。 通常通常t

21、 tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小，电路的开关速度越高。小，电路的开关速度越高。一般一般t tpdpd=10ns=10ns40ns40ns。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（一）高速系列（一）高速系列（74H系列）系列） 高速高速74H系列电路对标准系列电路对标准74系列电路进行了两项改进：系列电路进行了两项改进： 一是在输出级采用了达林顿结构，将输出级的一是在输出级采用了达林顿结构，将输出级的 T4用复合管用复合管T3和和T4代替，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对容代替，减小门电路输出高电平时的输出电阻，提高对容性负载的充电速度。性负载的充电速度。 二

22、是降低电路中所有电二是降低电路中所有电阻的阻值，加速三极管的开阻的阻值，加速三极管的开关速度。关速度。 74H系列门电路的传输系列门电路的传输时间比时间比74系列减小了一半，系列减小了一半，但是由于电源电流的增大，但是由于电源电流的增大，电路的功耗变大。电路的功耗变大。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（二）肖特基系列（二）肖特基系列（74S系列）系列）肖特基肖特基7474S S系列与标准系列与标准74系列相比有两点改进。系列相比有两点改进。一是增加了有源泄放电路代替一是增加了有源泄放电路代替T2射极电阻射极电阻R3。 二是将标准门电路中所二是将标准门电路中所有可能工作在饱和区的晶体有

23、可能工作在饱和区的晶体管都用肖特基三极管代替。管都用肖特基三极管代替。 由由T6、R6和和R3构成的有源构成的有源泄放电路来代替原泄放电路来代替原T2射极电阻射极电阻R3。一是提高工作速度，二是一是提高工作速度，二是提高抗干扰能力。提高抗干扰能力。 工工作作速速度度和和抗抗干干扰扰能能力力提提高高。一一般般7474S S系系列列电电路路的的t tpdpd小小于于1010nsns。 TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（三）低功耗肖特基系列（三）低功耗肖特基系列（74LS系列）系列） 74LS系列与标准系列与标准74系列相比，电路有多项改进措施系列相比，电路有多项改进措施, ,以达到以达到

24、缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。 74LS系列具有较小的延系列具有较小的延迟迟- -功耗积，具有较好的综合性能。功耗积，具有较好的综合性能。 为降低功耗，提高电路为降低功耗，提高电路各电阻的阻值各电阻的阻值,将电阻将电阻R5原原接地端改接到输出端，减小接地端改接到输出端，减小T3导通时电阻导通时电阻R5上的功耗。上的功耗。 为缩短传输延迟时间，为缩短传输延迟时间，用肖特基管和有源泄放电路；用肖特基管和有源泄放电路；还将输入级的多发射极管改还将输入级的多发射极管改用用SBD代替。代替。TTL标准与非门的改进型标准与非门的改进型（三）低功耗肖特基系列（三）低功耗

25、肖特基系列（74LS系列）系列） 74LS系列与标准系列与标准74系列相比，电路有多项改进措施系列相比，电路有多项改进措施, ,以达到以达到缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。 74LS系列具有较小的延系列具有较小的延迟迟- -功耗积，具有较好的综合性能。功耗积，具有较好的综合性能。 为降低功耗，提高电路为降低功耗，提高电路各电阻的阻值各电阻的阻值,将电阻将电阻R5原原接地端改接到输出端，减小接地端改接到输出端，减小T3导通时电阻导通时电阻R5上的功耗。上的功耗。 为缩短传输延迟时间，为缩短传输延迟时间，用肖特基管和有源泄放电路；用肖特基管和有源泄放电路；还将输

26、入级的多发射极管改还将输入级的多发射极管改用用SBD代替。代替。TTL集成电路产品集成电路产品系系 列列名名 称称特特 点点54/74系列系列TTL通用标准系列通用标准系列TTL最早产品，中速器件，目前仍使用。最早产品，中速器件，目前仍使用。54H/74H系列系列TTL快速系列快速系列74系列改进型，速度较系列改进型，速度较74系列高，功耗大。系列高，功耗大。54S/74S系列系列TTL肖特基系列肖特基系列采采用用肖肖特特基基晶晶体体管管和和有有源源泄泄放放回回路路，速速度度高高，品种较品种较74LS系列少。系列少。54LS/74LS系列系列TTL低功耗肖特基低功耗肖特基系列系列目前主要应用的

27、产品，品种齐全，价格低廉。目前主要应用的产品，品种齐全，价格低廉。54AS/74AS系列系列TTL先进的肖特基先进的肖特基系列系列74S系列的改进产品，速度和功耗得到改进。系列的改进产品，速度和功耗得到改进。54ALS/74ALS系列系列TTL先进的低功耗先进的低功耗肖特基系列肖特基系列74LS系系列列的的改改进进产产品品，速速度度和和功功耗耗有有较较大大改改进，但品种少，价格略高。进，但品种少，价格略高。54F/74F系列系列TTL高速系列高速系列与与74ALS及及74AS产产品品相相当当，属属高高速速型型产产品品，品种较少。品种较少。 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门） 三态输出逻辑

28、门（三态输出逻辑门（TSL门）门） 或非门、与或非门和异或门或非门、与或非门和异或门 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）10普通普通TTL门输出端并联出现的问题门输出端并联出现的问题 两两个个TTL与与非非门门输输出出端端直直接接并并联联，设设门门1输输出出高高电电平平、门门2输出低电平，则产生一个大电流。输出低电平，则产生一个大电流。 门门1输出高电输出高电平，平， T4导通、导通、T5截止。截止。 门门2输出低输出低电平，电平， T5导通。导通。1.抬高门抬高门2输出低电平；输出低电平；2.会因功耗过大损坏门电路。会因功耗过大损坏门电路。注：注：普通普通TTL输出端不能直接输出端不能

29、直接并联使用。并联使用。 UCC门门1的的R5、T4门门2的的T5 产生一个大电流。产生一个大电流。 （一）一）OC门的电路结构门的电路结构 当当输输入入端端全全为为高高电电平平时时，T2、T5导导通通，输出输出F为低电平；为低电平； 输输入入端端有有一一个个为为低低电电平平时时，T2、T5截截止止，输输出出F高高电电平平接接近电源电压近电源电压UC。 OC门实现与非逻门实现与非逻辑功能。辑功能。集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）输出低电平输出低电平0.3V高电平为高电平为UC（530V）ABF 逻辑符号：逻辑符号：RLUC集电极开路与非门（集电极开路与非门（OC门）门）（二）二）OC

30、门实现线与逻辑门实现线与逻辑负载电阻负载电阻RL的选择的选择（自学，且为考（自学，且为考试内容。）试内容。）集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）相当于与逻辑相当于与逻辑FRLUC等效逻辑符号等效逻辑符号（二）二）OC 门实现线与逻辑门实现线与逻辑负载电阻负载电阻RL的选择的选择（自学，且为考（自学，且为考试内容。）试内容。）集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）相当于与逻辑相当于与逻辑FRLUC等效逻辑符号等效逻辑符号（三）三）OC门应用门应用-电平转换器电平转换器 OC 门门需需外外接接电电阻阻，所所以以电电源源UCC可可以以选选5V30V。OC 门门作作为为TTL电电路路可可以以和和

31、其其它它不不同同类类型型、不不同同电电平平的的逻逻辑辑电电路进行连接。路进行连接。集电极开路门（集电极开路门（OC门）门） 当当UDD= =UCC时时 ，如如CMOS电源电压电源电压UDD = 5V，一般，一般TTL门可以直接驱动门可以直接驱动CMOS门。门。TTL电路驱动电路驱动CMOS电路图电路图 当当 UDDUCC时时 ， 如如CMOS的的UDD = 5V18V，特特别别是是UDD UCC时时，可可以以选选用用TTL的的OC门门电电路路实实现现电电平平变变换。换。（三）三）OC门应用门应用-驱动感性器件驱动感性器件 在在数数字字设设备备中中，常常会会碰碰到到用用门门电电路路驱驱动动大大电

32、电流流的的情情况况，例例如如驱驱动动感感性性器器件件，利利用用OC门门可可以以实实现现大大电电流流的的驱驱动动。合合理选择理选择UC，使驱动电流小于使驱动电流小于OC门中门中T5所能承受的最大值。所能承受的最大值。 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）驱动干簧继电器驱动干簧继电器的电路连接的电路连接驱动脉冲变压器驱动脉冲变压器的电路连接的电路连接三态输出逻辑门（三态输出逻辑门（TSL门）门）（一）三态门工作原理（一）三态门工作原理 当当 E=0时时，T4截截止止，C端端输输出出高高电电平平，D2截截止止，则则右右侧侧电路执行正常与非功能电路执行正常与非功能F=AB。101V1V输出输出F端

33、处于高阻状态记为端处于高阻状态记为Z。Z当当 E= 1时，时， TSL门门输输出出具具有有高高、低低电电平平状状态态外外，还还有有第第三三种种输输出出状状态态 高高阻阻状状态态，又又称称禁禁止止态态或失效态。或失效态。非门是三态门的非门是三态门的状态控制部分状态控制部分六管六管TTL与非门与非门T6、T7、 T9、 T10均截止均截止增加部分增加部分E使能端使能端使使能能端端的的两两种种控控制制方方式式低电平使能低电平使能高电平使能高电平使能三态门的逻辑符号三态门的逻辑符号ABF EFAB E三态输出逻辑门（三态输出逻辑门（TSL门）门）1. 实现总线结构实现总线结构 任何时刻只能有一个控制端

34、有效，即只有一个门处于数任何时刻只能有一个控制端有效，即只有一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。据传输，其它门处于禁止状态。2. 实现双向数据传输实现双向数据传输 当当E=0时时，门门1工工作作，门门2禁禁止止，数据从数据从A送到送到B； 当当E=1时时，门门1禁禁止止，门门2工工作作，数数据从据从B送到送到A。三态输出逻辑门（三态输出逻辑门（TSL门）门）（二）三态门的应用（二）三态门的应用总线总线011. 实现总线结构实现总线结构 任何时刻只能有一个控制端有效，即只有一个门处于数任何时刻只能有一个控制端有效，即只有一个门处于数据传输，其它门处于禁止状态。据传输，其它门处于禁止状态。2.

35、 实现双向数据传输实现双向数据传输 当当E=0时时，门门1工工作作，门门2禁禁止止，数据从数据从A送到送到B； 当当E=1时时，门门1禁禁止止，门门2工工作作，数数据从据从B送到送到A。三态输出逻辑门（三态输出逻辑门（TSL门）门）（二）三态门的应用（二）三态门的应用总线总线01A=1时，时，T2、T4导通，导通，T3截止，输出截止，输出F =0；B=1时，时，T12、T4导通，导通，T3截截止，输出止，输出F =0。或非门、与或非门、异或门或非门、与或非门、异或门（一）（一）TTL或非门或非门结构：结构：R1、T1、T2构成的电构成的电路和路和R11、T11、T12构成的电构成的电路完全相同

36、，路完全相同，T2和和T12 对应的对应的集电极和发射极集电极和发射极并联。并联。 只有当只有当A=B=0时，时，T2和和T12同时截止，才有同时截止，才有T4截止，截止，T3、D3导通，导通，输出输出F= 1。电路实现或非逻辑功能。电路实现或非逻辑功能。 由由于于三三极极管管多多发发射射极极之之间间实实现现与与逻逻辑辑运运算算，即即A、B之之间间或或C、D之间实现与逻辑运算，整个电路实现与或非逻辑运算。之间实现与逻辑运算，整个电路实现与或非逻辑运算。或非门、与或非门、异或门或非门、与或非门、异或门（二）（二）TTL与或非门与或非门结构：将或非门电路中的结构：将或非门电路中的每个输入端改用多发

37、射极每个输入端改用多发射极三极管，三极管， 其余部分相同。其余部分相同。 A=B=0：T2、T3导导通通，T4、T5截截止止，T7、T9导导通通，T8、D3截止，因此截止，因此F =0。或非门、与或非门、异或门或非门、与或非门、异或门（三）（三）TTL异或门异或门 A=B=1：T1、T2、T3倒置，倒置，T6、T9导通，导通，T8、D3截止，因截止，因此此F = 0。 A=0，B=1或或A=1，B=0：T1导通，导通，T6截止；截止；T4、T5必有一个必有一个导通，导通，T7截止。由于截止。由于T6、T7同时同时截止，因此截止，因此T9截止，截止，T8、D3导通，导通，故故F = 1。 输出输

38、出F与输入与输入A、B之间实之间实现异或逻辑：现异或逻辑： 00010 11 011 ECL门电路工作原理门电路工作原理 标标准准TTL门门电电路路的的晶晶体体管管工工作作在在饱饱和和区区，工工作作速速度度受受到到限限制制。如如果果将将晶晶体体管管工工作作状状态态由由饱饱和和改改为为非非饱饱和和，可可以以从从根根本本上上提提高高电电路路的的工工作作速速度度。发发射射极极耦耦合合逻逻辑辑电电路路（ECL）是是非非饱饱和和型型高高速速数数字字集集成成电电路路，平平均均传传输输延延迟迟时时间间小小于于2ns，是是目目前前唯唯一一能能提提供供亚亚毫毫微微秒秒开开关关时时间间的的实实用用电电路路。主主要

39、要应应用用于于每每秒秒运运算算百百万次以上的大型高速计算机、数字通信系统等方面。万次以上的大型高速计算机、数字通信系统等方面。 ECL门电路的主要特点门电路的主要特点 基准电压基准电压ECL门电路工作原理门电路工作原理差分输入级差分输入级输出级输出级 基基准准电电压压UBB由由T5、D1、D2和和电电阻阻R1、R2、R3组组成成的的射射极极输输出出电电路路提提供供，T4管管基基极极的的基基准准电电压压UBB为为1.2V，为为使使电电路路具具有有相相同同的的噪噪声声容容限限，UBB选选两两个个输输入入高高低低电平的平均值。电平的平均值。 T5基基极极接接入入的的D1、D2用用来来对对T5的的发发

40、射射结结进进行行温温度度补补偿偿，补偿由温度引起补偿由温度引起UBE5的变化。的变化。 射射极极输输出出器器T6和和T7组组成成输输出出级级，下下拉拉电电阻阻R01、R02与与发发射射极极之之间间是是开开路路的的。射射极极输输出出器器的的作作用用：实实现现前前后后级级隔隔离离，增增加加驱驱动动能能力力；实实现现电电平平变变换换，将将D和和C4点点的的高高、低低电电平平转转换成换成0.8V和和1.6V。 T1、T2、T3三三个个输输入入管管组组成成三三个个输输入入端端且且并并联联连连接接，T4加加有有固固定定偏偏压压UBB（1.2V）。）。 是典型是典型ECL或或/或非门电路，由于电或非门电路，

41、由于电路中路中T4管的输入信号通过发射极电阻管的输入信号通过发射极电阻RE耦耦合，称该电路为发射极耦合逻辑电路。合，称该电路为发射极耦合逻辑电路。输输入高低电平分别为：入高低电平分别为：0.80.8V V和和1.61.6V V。 基准电压基准电压ECL门电路工作原理门电路工作原理差分输入级差分输入级输出级输出级 基基准准电电压压UBB由由T5、D1、D2和和电电阻阻R1、R2、R3组组成成的的射射极极输输出出电电路路提提供供，T4管管基基极极的的基基准准电电压压UBB为为1.2V，为为使使电电路路具具有有相相同同的的噪噪声声容容限限，UBB选选两两个个输输入入高高低低电平的平均值。电平的平均值

42、。 T5基基极极接接入入的的D1、D2用用来来对对T5的的发发射射结结进进行行温温度度补补偿偿，补偿由温度引起补偿由温度引起UBE5的变化。的变化。 射射极极输输出出器器T6和和T7组组成成输输出出级级，下下拉拉电电阻阻R01、R02与与发发射射极极之之间间是是开开路路的的。射射极极输输出出器器的的作作用用：实实现现前前后后级级隔隔离离，增增加加驱驱动动能能力力；实实现现电电平平变变换换，将将D和和C4点点的的高高、低低电电平平转转换成换成0.8V和和1.6V。 T1、T2、T3三三个个输输入入管管组组成成三三个个输输入入端端且且并并联联连连接接，T4加加有有固固定定偏偏压压UBB（1.2V）

43、。）。 是典型是典型ECL或或/或非门电路，由于电或非门电路，由于电路中路中T4管的输入信号通过发射极电阻管的输入信号通过发射极电阻RE耦耦合，称该电路为发射极耦合逻辑电路。合，称该电路为发射极耦合逻辑电路。输输入高低电平分别为：入高低电平分别为：0.80.8V V和和1.61.6V V。 基准电压基准电压ECL门电路工作原理门电路工作原理差分输入级差分输入级输出级输出级结结论论：C4与与A、B、C之之间间为为或或逻逻辑辑，D与与A、B、C之间是或非逻辑关系。之间是或非逻辑关系。F、 与与A、B、C之间之间是：是：逻辑符号：逻辑符号： 下下拉拉电电阻阻：驱驱动动负负载载较较轻轻时时，可可将将输

44、输出出端端分分别别与与R01、R02相相连连，获获得得规规定定的的输输出出电电平平。负负载载较较重重时时，输输出出端端与与R01、R02断断开开连连接接。既既可可方方便便使使用用，又能降低功耗。又能降低功耗。 输输入入全全为为低低电电平平1.6V：UBB电电平平高高于于1.6V，T4导导通通，射射极极电电位位UE = 1.9V，各各输输入入管管截截止止， 则则D点点为为高电平，高电平，C4点为低电平。点为低电平。 A为为高高电电平平：T1基基极极电电位位0.8V，高高于于基基准准电电压压UBB，T1导导通通且且在在放放大大区区。发发射射极极E为为1.5V，T4发发射射结结电电压压为为0.3V，

45、T4截截止止，C4点点为为高高电电平平，D点点为为低低电电平平。由由于于T1、T2、T3三三管管输输入入回回路路并并联联，只只要要有有一一个个输输入入端端为为高高电电平平，C4点为高电平、点为高电平、D点则为低电平点则为低电平 。 ECL门电路的应用门电路的应用A+BC+D A+B+C+D 线或连接线或连接A+B+C+D 1. 开关速度高开关速度高 ECL电电路路中中的的三三极极管管工工作作在在放放大大区区或或截截止止区区，消消除除了了饱饱和和带带来来的的存存储储时时间间。电电阻阻取取值值小小，高高、低低电电平平之之差差小小，缩缩短短了了上上升升时时间间和和下下降降时时间间。输输出出采采用用射

46、射极极输输出出，输输出出电电阻阻小小，负负载载电电容充电的时间减小。目前容充电的时间减小。目前ECL传输延迟时间已做到传输延迟时间已做到0.1ns以内。以内。 2. 逻辑功能强逻辑功能强 ECL门门电电路路具具有有或或/或或非非互互补补输输出出端端，且且采采用用射射极极开开路路形形式，允许多个输出端并联，实现输出的线或逻辑。式，允许多个输出端并联，实现输出的线或逻辑。 3. 负载能力强负载能力强 ECL电电路路采采用用射射极极输输出出，输输出出阻阻抗抗小小，输输出出电电流流大大；输输入入级级有有射射极极电电阻阻RE，负负反反馈馈作作用用强强，输输入入阻阻抗抗高高，输输入入电电流流小小。电路的扇

47、出系数大，实际应用时扇出一般不超过电路的扇出系数大，实际应用时扇出一般不超过10。 ECL门电路主要特点门电路主要特点 1. 功耗大功耗大 ECL电电路路的的功功耗耗为为输输入入级级、基基准准电电源源和和输输出出级级三三部部分分之之和和。由由于于电电路路中中电电阻阻值值较较小小，且且三三极极管管又又工工作作在在非非饱饱和和区区，所以所以ECL电路的功耗大，每门平均功耗达电路的功耗大，每门平均功耗达40mW。 2. 抗干扰能力差抗干扰能力差 ECL电电路路的的逻逻辑辑摆摆幅幅只只有有0.8V左左右右，直直流流噪噪声声容容限限UN约约300mV，抗干扰能力差。抗干扰能力差。 3. 输出电平的稳定性

48、差输出电平的稳定性差 由由于于ECL电电路路中中的的三三极极管管导导通通时时工工作作在在放放大大区区，电电路路的的输输出出电电平平与与T6、T7的的发发射射结结压压降降有有关关，所所以以输输出出电电平平的的变变化化与温度和电路参数的变化直接相关。与温度和电路参数的变化直接相关。ECL门电路主要缺陷门电路主要缺陷 I2 L基本单元电路基本单元电路 TTL和和ECL工工作作速速度度较较高高，但但是是电电路路复复杂杂，功功耗耗较较大大，因因此此无无法法满满足足高高密密度度大大规规模模集集成成电电路路的的制制造造需需要要。2020世世纪纪70年年代代初初研研制制成成功功的的集集成成注注入入逻逻辑辑电电

49、路路（I2L）结结构构简简单单、功功耗耗低低，特特别别适适合合于于大大规规模模集集成成电电路路的的制制造造。I2L发发展展速速度度快快，在在大大规规模模和和超超大大规规模模集集成成电电路路中中得得到到广广泛泛应应用用，例例如如单单片片机机、电电子子表表、电电子琴等。子琴等。 I2 L门电路的主要特点门电路的主要特点 I2 L门电路门电路 I2 L基本单元电路基本单元电路 TTL和和ECL工工作作速速度度较较高高，但但是是电电路路复复杂杂，功功耗耗较较大大，因因此此无无法法满满足足高高密密度度大大规规模模集集成成电电路路的的制制造造需需要要。2020世世纪纪70年年代代初初研研制制成成功功的的集

50、集成成注注入入逻逻辑辑电电路路（I2L）结结构构简简单单、功功耗耗低低，特特别别适适合合于于大大规规模模集集成成电电路路的的制制造造。I2L发发展展速速度度快快，在在大大规规模模和和超超大大规规模模集集成成电电路路中中得得到到广广泛泛应应用用，例例如如单单片片机机、电电子子表表、电电子琴等。子琴等。 I2 L门电路的主要特点门电路的主要特点 I2 L门电路门电路I2 L基本单元电路基本单元电路I0 T2的的驱驱动动电电流流由由T1集集电电极极注注入入，故故有有注注入入逻辑之称。逻辑之称。（二）工作原理（二）工作原理1.当当A端端接接低低电电平平 0.1V时时，T2截截止止，I0从从输输入入端端

51、A流流出出，C1、C2和和C3输出高电平。输出高电平。2.当当A端接高电平或开路时，端接高电平或开路时，I0流入流入T2基极，基极，T2饱和导通，饱和导通，C1、C2和和C3输出低电平。输出低电平。（一）（一）电路组成电路组成电路可简化为：电路可简化为： 多多集集电电极极晶晶体体管管T2，C1、C2和和C3之之间相互隔离。间相互隔离。 射极加正电压射极加正电压UE，构成恒流源构成恒流源I0。 电电路路的的任任何何一一个个输输出出与与输输入入之之间间都是非逻辑关系。都是非逻辑关系。逻辑符号逻辑符号输入：输入：A输出：输出：C1、C2、C3I2 L基本单元电路基本单元电路（一）（一）或非门或非门线

52、与连接线与连接等效逻辑图等效逻辑图I2 L基本单元电路基本单元电路（二）（二）与门与门线与连接线与连接等效逻辑图等效逻辑图I2 L基本单元电路基本单元电路（三）（三）与非门与非门 电电源源UE作作为为输输入入信信号号B使用使用 等效逻辑图等效逻辑图 B为为低低电电平平时时：T1截截止止，无无法法向向T2的的基基极极提提供供驱驱动动电电流流，故故T2也也截截止止。由由于于负负载载门门的的作作用，输出用，输出F为高电平。为高电平。 当当A、B均均为为高高电电平平时时，T1、T2导通，输出导通，输出F为低电平。为低电平。 I2 L门电路门电路逻辑功能：逻辑功能：（四）与或非门（四）与或非门等效逻辑图

53、等效逻辑图线与连接线与连接I2 L门电路门电路逻辑功能：逻辑功能：（四）与或非门（四）与或非门等效逻辑图等效逻辑图线与连接线与连接 1.结构简单，集成度高结构简单，集成度高 I2L电电路路中中只只包包含含NPN和和PNP管管，没没有有电电阻阻，各各单单元元之之间间不不需需要要隔隔离离，工工艺艺简简单单，节节省省芯芯片片面面积积。其其基基本本逻逻辑辑单单元元面面积积仅仅为为TTL的十分之一。的十分之一。 2. 低电压、微电流工作，功耗低低电压、微电流工作，功耗低 I2L电电路路能能在在0.8V、1nA/单单元元的的情情况况下下工工作作，是是目目前前功功耗耗最最低的集成电路。低的集成电路。 3.

54、品质因数最佳品质因数最佳 I2L是目前功耗与速度二者之积的品质因数最好的电路。是目前功耗与速度二者之积的品质因数最好的电路。 4. 生产工艺简单生产工艺简单 常常规规的的TTL要要经经过过六六次次光光刻刻四四次次扩扩散散，I2L经经过过四四次次光光刻刻两两次扩散，工艺简单。次扩散，工艺简单。I2 L门电路主要特点门电路主要特点 1. 开关速度低开关速度低 I2L属属于于饱饱和和型型电电路路，限限制制了了电电路路的的开开关关速速度度，I2L反反相相器的传输时间器的传输时间tpd一般在一般在20ns30ns之间。之间。 2. 抗干扰能力差抗干扰能力差 I2L的的逻逻辑辑摆摆幅幅仅仅700mV左左右

55、右，噪噪声声容容限限UN不不大大于于250mV，低于低于ECL电路，抗干扰能力较差。电路，抗干扰能力较差。 3. 多片连接性能差多片连接性能差 多多片片I2L芯芯片片一一起起使使用用时时，由由于于各各管管子子输输入入特特性性的的离离散散性性，基极电流分配不均，严重时电路无法正常工作。基极电流分配不均，严重时电路无法正常工作。 I2 L门电路主要缺陷门电路主要缺陷 NMOS反相器反相器 前面介绍的前面介绍的TTL、ECL和和I2L采用的都是双极型晶体管，采用的都是双极型晶体管，两种载流子参与导电，称为双极型集成电路。两种载流子参与导电，称为双极型集成电路。 本节介绍只有一种载流子参与导电的单极型

56、逻辑门电路本节介绍只有一种载流子参与导电的单极型逻辑门电路- MOS集成电路。集成电路。 MOS集成电路主要包括集成电路主要包括NMOS、PMOS以及以及CMOS电路。电路。电路具有以下特点：制造工艺简单、成品率高、功耗低、集成电路具有以下特点：制造工艺简单、成品率高、功耗低、集成度高、抗干扰能力强，适合大规模集成电路。度高、抗干扰能力强，适合大规模集成电路。 NMOS门电路门电路MOS管的开关特性管的开关特性 数字逻辑电路中的数字逻辑电路中的MOS管均是增强型管均是增强型MOS管，特点如下：管，特点如下： 当当|UGS|UT| 时，管子导通，导通电阻很小，时，管子导通，导通电阻很小，D、S之

57、间之间相相当开关闭合当开关闭合。 当当|UGS|UT| 时，管子截止，时，管子截止， D、S之间之间相当于开关断开相当于开关断开。NMOSPMOSNMOS反相器反相器1. A输入高电平输入高电平UIH = 8V2. A输入低电平输入低电平U IL = 0.3V结论：结论：电路执行逻辑非功能。电路执行逻辑非功能。 T1、T2均均导导通通，输输出出低电平低电平UOL0.3V。 T1截截止止、T2导导通通，输输出出高高电电平平UOH =UDD- -UT2= 8V。驱动管驱动管负载管负载管 设设电电源源电电压压UDD = 10V，开启电压开启电压UT1 = UT2 = 2V。NMOS反相器反相器1.

58、A输入高电平输入高电平UIH = 8V2. A输入低电平输入低电平U IL = 0.3V结论：结论：电路执行逻辑非功能。电路执行逻辑非功能。 T1、T2均均导导通通，输输出出低电平低电平UOL0.3V。 T1截截止止、T2导导通通，输输出出高高电电平平UOH =UDD- -UT2= 8V。驱动管驱动管负载管负载管 设设电电源源电电压压UDD = 10V，开启电压开启电压UT1 = UT2 = 2V。NMOS门电路门电路驱动管驱动管串联串联负载管负载管 T1和和T2都导通，输出低电平。都导通，输出低电平。2. 当输入端有一个接低电平时，当输入端有一个接低电平时， 与与低低电电平平相相连连的的驱驱

59、动动管管截截止止，输输出出高电平。高电平。 电路实现与非逻辑功能：电路实现与非逻辑功能： 注意：注意：增加扇入，需增加串联驱动增加扇入，需增加串联驱动管的个数。管的个数。扇入过多，则低电平升高，扇入过多，则低电平升高，因此因此扇入一般不超过扇入一般不超过3。1. 当两个输入端当两个输入端A和和B均接高电平时，均接高电平时，01通通通通110止通1（一）NMOS与非门与非门10止通0NMOS门电路门电路驱动管驱动管并联并联负载管负载管 T1和和T2都截止，输出高电平。都截止，输出高电平。2. 当输入端有一个接高电平时，当输入端有一个接高电平时， 与与高高电电平平相相连连的的驱驱动动管管导导通通，

60、输出低电平。输出低电平。电路实现或非逻辑功能：电路实现或非逻辑功能： 增加扇入，增加并联驱动管的增加扇入，增加并联驱动管的个数。个数。扇入越多，输出低电平降低，扇入越多，输出低电平降低，因此因此MOS电路中多采用或非门。电路中多采用或非门。1. 当输入端当输入端A和和B均接低电平时，均接低电平时，10止止止止0（二）NMOS或非门或非门NMOS门电路门电路负载管负载管电路实现与或非逻辑功能：电路实现与或非逻辑功能：（三）NMOS与或非门与或非门 驱动管驱动管T1与与T2串联、串联、T3与与T4串联，然后再并联连串联，然后再并联连接。接。 CMOS反相器反相器 为提高工作速度，降低输出阻抗和功耗

61、，目前广泛采用由为提高工作速度，降低输出阻抗和功耗，目前广泛采用由PMOS和和NMOS两管组成的互补型两管组成的互补型MOS电路，简称电路，简称CMOS电路。电路。 其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路 CMOS门电路的改进型门电路的改进型 CMOS电路的特点电路的特点 CMOS门电路主要参数门电路主要参数 CMOS反相器反相器PMOSNMOS1. 输入低电平输入低电平UIL = 0V:UGS1UT1T1截止截止|UGS2|UT2 电电路路中中电电流流近近似似为为零零，UDD主主要要降降在在T1，输输出出高高电电平平UOHUDD。T2导通导通2. 输入高电平输入高电平UIH=UDD T1通

62、通、T2止止，UDD主主要要降降在在T2，输出低电平，输出低电平UOL0V。实现逻辑非功能：实现逻辑非功能：漏极相连漏极相连作输出端作输出端（一）（一）CMOS反相器组成及原理反相器组成及原理 两管特性对称，两管特性对称，NMOS管的衬底接到电路的最低电管的衬底接到电路的最低电位，位，PMOS管的衬底接到电管的衬底接到电路的最高电位。衬底与漏源路的最高电位。衬底与漏源间的间的PN结始终处于反偏。结始终处于反偏。柵极相连柵极相连作输入端作输入端 电电源源电电压压UDDUT1+|UT2|， UDD适适 用用 范范 围围 较较 大大 (318V)。 UT1：NMOS的开启电压的开启电压; UT2：P

63、MOS的开启电压。的开启电压。CMOS反相器反相器PMOSNMOS1. 输入低电平输入低电平UIL = 0V:UGS1UT1T1截止截止|UGS2|UT2 电电路路中中电电流流近近似似为为零零，UDD主主要要降降在在T1，输输出出高高电电平平UOHUDD。T2导通导通2. 输入高电平输入高电平UIH=UDD T1通通、T2止止，UDD主主要要降降在在T2，输出低电平，输出低电平UOL0V。实现逻辑非功能：实现逻辑非功能：漏极相连漏极相连作输出端作输出端（一）（一）CMOS反相器组成及原理反相器组成及原理 两管特性对称，两管特性对称，NMOS管的衬底接到电路的最低电管的衬底接到电路的最低电位，位

64、，PMOS管的衬底接到电管的衬底接到电路的最高电位。衬底与漏源路的最高电位。衬底与漏源间的间的PN结始终处于反偏。结始终处于反偏。柵极相连柵极相连作输入端作输入端 电电源源电电压压UDDUT1+|UT2|， UDD适适 用用 范范 围围 较较 大大 (318V)。 UT1：NMOS的开启电压的开启电压; UT2：PMOS的开启电压。的开启电压。CMOS反相器反相器（二）（二）CMOS反相器传输特性反相器传输特性AB段：由于段：由于UI=UGS1UT1，|UGS2| |UT2|，故故T1截止，截止，T2导导通。输出高电平通。输出高电平UOHUDD。CD段：段：UI=UGS1UT1，T1导通。导通

65、。UIUDD|UT2|，则则|UGS2| |UT2|，T2截止。输出低电平截止。输出低电平UOL0V。 电电源源电电压压UDDUT1+|UT2|，T1和和T2的参数对称，的参数对称，UT1=|UT2|。 UT1：NMOS的开启电压的开启电压; UT2：PMOS的开启电压。的开启电压。BC段段：由由于于UT1UIUDD|UT2|，所所以以UGS1 UT1，|UGS2| |UT2|，T1和和T2同时导通。同时导通。 T1和和T2参数完全对称参数完全对称的情况下，的情况下，CMOS反相器反相器的阈值电压等于电源电压的阈值电压等于电源电压的一半，获得较大的噪声的一半，获得较大的噪声容限。转折区的变化率

66、很容限。转折区的变化率很大，大，CMOS反相器更接近反相器更接近于理想开关特性。于理想开关特性。CMOS反相器反相器（三）（三）CMOS反相器噪声容限反相器噪声容限 在每个固定的在每个固定的UDD情况下，情况下，UNL和和UNH始终相等。国产始终相等。国产4000系列系列CMOS电路的测试结果表明，电路的测试结果表明，UNL=UNH30%UDD。 随随着着电电源源电电压压UDD的的增增加加，噪噪声声容容限限也也相相应应地地变变大大。为为了了提提高高CMOS反反相相器器的的噪噪声声容容限限，可可以以适适当提高电源电压当提高电源电压UDD 。 CMOS反相器反相器（四）（四）CMOS反相器传输延迟

67、时间反相器传输延迟时间 CMOS反反相相器器的的输输出出电电阻阻比比TTL电电路路的的输输出出电电阻阻大大，容容性性负载对前者传输延迟时间会产生更大的影响。负载对前者传输延迟时间会产生更大的影响。 CMOS反反相相器器的的输输出出电电阻阻与与UIH （ UIHUDD ）有有关关，因因此此CMOS反相器的传输延迟时间与反相器的传输延迟时间与UDD有关。有关。 根根据据CMOS反反相相器器的的互互补补对对称称性性可可知知，当当反反相相器器接接容容性性负负载载时时，它它的的导导通通延延迟迟时时间间tPHL和和截截止止延延迟迟时时间间tPLH是是相相等等的的。CMOS反相器的平均传输延迟时间约为反相器

68、的平均传输延迟时间约为10ns。uI/uOuI/uOCCTG工作原理：工作原理：1. C为为低低电电平平：T1、T2截截止止，传传输输门门相相当当于于开开关关断断开开。CL上上电电压压保保持不变，传输门可以保存信息。持不变，传输门可以保存信息。2. C为为高高电电平平：T1、T2中中至至少少有有一一只只管管子子导导通通，使使UO=UI，相相当当于于开开关闭合，传输门传输信息。关闭合，传输门传输信息。结论：传输门相当于一个理想的双向开关。结论：传输门相当于一个理想的双向开关。其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路（一）CMOS传输门（传输门（TG） CMOS传传输输门门与与CMOS反反相相器器

69、一一样样，也也是是构构成成各各种种逻逻辑辑电电路路的的一一种种基基本本单单元元电电路。路。 组组成成：T1是是NMOS管管，T2是是PMOS管管，开开启启电电压压分分别别为为UT1、UT2，设设UDD（UT1+|UT2|），），T1和和T2的的参参数数对对称称。有有一一对对互互补补的的电压控制信号，电压控制信号，CL为负载电容。为负载电容。信信号号特特点点：CMOS传传输输门门的的输输出出与与输输入入端端可可以以互互换换。一一般般输输入入电电压压变变化化范范围围为为0UDD，控制控制电压为电压为0或或UDD。 逻辑符号逻辑符号门控信号门控信号 传传输输门门的的导导通通电电阻阻为为几几百百欧欧，

70、截截止止电电阻阻达达50M以以上上，平平均均延延迟迟时时间间为为几几十至一二百十至一二百ns。 电路结构：电路结构：逻辑符号：逻辑符号：其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路（二）二）CMOS模拟开关模拟开关 控控制制模模拟拟信信号号传传输输的的电电子子开开关关。开开关关通通与与断断由由数数字字信信号号控控制。制。工作原理：工作原理：传输门传输门 控制信号控制信号C = 1时：模拟开关时：模拟开关闭合；闭合；C = 0时，模拟开关断开。时，模拟开关断开。传输控制信号高、低电平之间任传输控制信号高、低电平之间任意大小的模拟电压。意大小的模拟电压。 反相器：其输入和输反相器：其输入和输出提供传输

71、门的两个出提供传输门的两个反相控制信号反相控制信号。uI/uOuI/uOCSW电路结构：电路结构：逻辑符号：逻辑符号：其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路（二）二）CMOS模拟开关模拟开关 控控制制模模拟拟信信号号传传输输的的电电子子开开关关。开开关关通通与与断断由由数数字字信信号号控控制。制。工作原理：工作原理：传输门传输门 控制信号控制信号C = 1时：模拟开关时：模拟开关闭合；闭合；C = 0时，模拟开关断开。时，模拟开关断开。传输控制信号高、低电平之间任传输控制信号高、低电平之间任意大小的模拟电压。意大小的模拟电压。 反相器：其输入和输反相器：其输入和输出提供传输门的两个出提供传输

72、门的两个反相控制信号反相控制信号。uI/uOuI/uOCSW1. CMOS与非门与非门与非门电路结构：与非门电路结构：当当A和和B为高电平时：为高电平时：输出低电平输出低电平当当A和和B有有一一个个或或一一个个以以上上低低电电平时：平时：电路输出高电平电路输出高电平结论：电路实现与非逻辑功能。结论：电路实现与非逻辑功能。其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路（三）三）CMOS门电路门电路与非门工作原理：与非门工作原理：PMOS管管T3、T4并联并联NMOS管管T1、T2串联串联 每每个个输输入入端端与与一一 对对 NMOS和和PMOS管管的栅极相连。的栅极相连。 A和和B有有一一个个或或一一

73、个个以以上上为为低低电电平平时时，与与 低低 电电 平平 相相 连连 的的NMOS管管截截止止、PMOS管管导导通通，输输出出高电平。高电平。011 当当A和和B为为高高电电平平时时，T1和和T2导导通通，T3和和T4截截止止，输输出出低低电电平。平。 1102. CMOS或非门或非门或非门电路结构：或非门电路结构：当当A和和B为低电平时：为低电平时：输出高电平输出高电平当当A和和B有有一一个个或或一一个个以以上上高高电电平时：平时：电路输出低电平电路输出低电平结论：电路实现或非逻辑功能。结论：电路实现或非逻辑功能。其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路（三）三）CMOS门电路门电路或非门工

74、作原理：或非门工作原理：PMOS管管T3、T4串联串联NMOS管管T1、T2并联并联 当当A和和B为为低低电电平平时时，T1和和T2截截止止，T3和和T4导导通通，输输出出高高电电平。平。 A和和B有有一一个个或或一一个个以以上上为为高高电电平平时时，与与高高电电平平相相连连的的NMOS管管导导通通、PMOS管管截止截止，输出低电平。，输出低电平。 每每个个输输入入端端与与一一 对对 NMOS和和PMOS管管的栅极相连。的栅极相连。3. CMOS异或门异或门A=B=0：TG断断开开，则则C=B=1，F=C=0。A=B=1：TG接接通通，C=B=1，反反相相器器2的的两两只只MOS管管都都截截止

75、止，输出输出F=0。 输入输入A、B相同相同其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路（三）三）CMOS门电路门电路结构：由三个结构：由三个CMOS反相器反相器和一个和一个CMOS传输门组成。传输门组成。反相器反相器1 1反相器反相器2 2反相器反相器3 3 输入输入A、B不同不同A=1，B=0：TG通，通，F=1；A=0，B=1：TG断，断，F=1。结论结论：电路实现异或逻辑功能。电路实现异或逻辑功能。00110传传输输门门的的控控制制信信号号和和反反相器相器2的供电信号的供电信号A、ACMOS门电路的改进型门电路的改进型 CMOS 4000系列系列IC虽然以其低功耗、高抗干扰能力等独虽然以其

76、低功耗、高抗干扰能力等独特的优点和完整的系列产品，受到用户的普遍欢迎，发展也相特的优点和完整的系列产品，受到用户的普遍欢迎，发展也相当迅速，但是它的工作速度低，应用范围受到一定限制。当迅速，但是它的工作速度低，应用范围受到一定限制。 在在CMOS 4000系列系列IC基础上的改进型电路有高速基础上的改进型电路有高速CMOS和双极型和双极型CMOS电路，这两种改进型电路，这两种改进型CMOS集成电路的出现是集成电路的出现是CMOS集成电路最重要的突破，改进型的集成电路最重要的突破，改进型的CMOS集合了集合了CMOS和和TTL的优点。的优点。CMOS门电路的改进型门电路的改进型（一）高速（一）高

77、速CMOS门电路门电路 CMOS 4000系列集成电路于系列集成电路于60年代年代开发，开发，70年代逐步完善，由于受到当时年代逐步完善，由于受到当时工艺条件的限制，该系列用金属栅工艺工艺条件的限制，该系列用金属栅工艺制造，因此在制造，因此在MOS管各极之间存在着较管各极之间存在着较大的寄生电容，这些寄生电容的存在降大的寄生电容，这些寄生电容的存在降低了低了MOS管的开关速度。管的开关速度。寄生电容寄生电容4000系列系列高速高速CMOS系列系列C10.25pF0.1pFC20.12pF0.05pFC30.37pF0.15pFC40.66pF0.31pFC50.54pF0.22pFCMOS门电

78、路的改进型门电路的改进型（一）高速（一）高速CMOS门电路门电路 CMOS 4000系列集成电路于系列集成电路于60年代年代开发，开发，70年代逐步完善，由于受到当时年代逐步完善，由于受到当时工艺条件的限制，该系列用金属栅工艺工艺条件的限制，该系列用金属栅工艺制造，因此在制造，因此在MOS管各极之间存在着较管各极之间存在着较大的寄生电容，这些寄生电容的存在降大的寄生电容，这些寄生电容的存在降低了低了MOS管的开关速度。管的开关速度。寄生电容寄生电容4000系列系列高速高速CMOS系列系列C10.25pF0.1pFC20.12pF0.05pFC30.37pF0.15pFC40.66pF0.31p

79、FC50.54pF0.22pF 高速高速CMOS电路从工艺上作了改进：电路从工艺上作了改进：1. 采用硅栅工艺制采用硅栅工艺制造；造；2. 尽可能地减小沟道的长度；尽可能地减小沟道的长度；3. 缩小缩小MOS管的尺寸。使管的尺寸。使高速高速CMOS的寄生电容减小，高速的寄生电容减小，高速CMOS的开关速度达到标的开关速度达到标准准4000系列的系列的810倍。倍。 高速高速CMOS有三种系列：有三种系列： HC系列：输入和输出都是系列：输入和输出都是CMOS电平，有输出缓冲级。电平，有输出缓冲级。 HCT系系列列：输输入入是是TTL电电平平，输输出出是是CMOS电电平平，且且有有输出缓冲级。输

80、出缓冲级。 HCU系列：输入和输出都是系列：输入和输出都是CMOS电平，无输出缓冲。电平，无输出缓冲。 多数产品集中在前两个系列中，多数产品集中在前两个系列中，HCU系列的产品较少。系列的产品较少。CMOS门电路的改进型门电路的改进型（一）高速（一）高速CMOS门电路门电路高速高速CMOS系列电路具有以下特点：系列电路具有以下特点：1. 有简单门到大规模集成电路的全系列产品；有简单门到大规模集成电路的全系列产品；2. 器件功能、器件引脚与器件功能、器件引脚与TTL 74系列相同；系列相同；3. 电源电压和工作温度范围宽，功耗低，噪声容限高；电源电压和工作温度范围宽，功耗低，噪声容限高；4. 高

81、高速速CMOS门门的的典典型型传传输输延延迟迟为为811.5ns，与与TTL基基本本相相同，比同，比CMOS 4000系列提高一个数量级；系列提高一个数量级；5. .相邻输入端之间电流耦合小，有助于在交通或重工业噪声相邻输入端之间电流耦合小，有助于在交通或重工业噪声环境中使用。环境中使用。 CMOS门电路的改进型门电路的改进型（一）高速（一）高速CMOS门电路门电路 Bi-CMOS电路特点：采用电路特点：采用CMOS电路实现逻辑功能，采用电路实现逻辑功能，采用驱动能力强的驱动能力强的TTL电路实现输出级。电路实现输出级。 Bi-CMOS性能特点：具有性能特点：具有CMOS电路的低功耗，同时具有

82、电路的低功耗，同时具有TTL输出电阻低、负载能力强、传输延迟时间短等特点。输出电阻低、负载能力强、传输延迟时间短等特点。 CMOS门电路的改进型门电路的改进型（二）（二）双极型双极型CMOS门电路（门电路（Bi-CMOS） 1. Bi-CMOS非门非门 CMOS门电路的改进型门电路的改进型（二）（二）双极型双极型CMOS门电路（门电路（Bi-CMOS） 组组成成：T1和和T3是是驱驱动动管管，T5和和T6是是输输出出管管，T2和和T4分分别别是是T5和和T6基基极极的的下下拉拉负负载载管管，形形成成有有源源负负载载。CL为负载电容。为负载电容。 输入高电平：输入高电平：T2、T3和和T6导通，

83、导通，T1、T4和和T5截止，输出低电平。截止，输出低电平。 输入低电平：输入低电平：T1、T4和和T5导通，导通，T2、T3和和T6截止，输出高电平。截止，输出高电平。 输入与输出之间输入与输出之间实现非逻辑。实现非逻辑。0111002. Bi-CMOS与非门与非门 CMOS门电路的改进型门电路的改进型（二）（二）双极型双极型CMOS门电路（门电路（Bi-CMOS） A、B中有低电平：输出高电平。中有低电平：输出高电平。A、B全为高电平：输出低电平。全为高电平：输出低电平。输入与输出之间实现与非逻辑。输入与输出之间实现与非逻辑。 A、B中中有有低低电电平平：设设B为为低低电电平平，则则T4、

84、T7导导通通，则则T8导导通通、T9截截止止，输出高电平。输出高电平。01011A、B全为高电平：全为高电平： T2和和T5导通，导通，T7截止，因截止，因此此T8截止、截止、T9导通，输导通，输出低电平。出低电平。111002. Bi-CMOS与非门与非门 CMOS门电路的改进型门电路的改进型（二）（二）双极型双极型CMOS门电路（门电路（Bi-CMOS） A、B中有低电平：输出高电平。中有低电平：输出高电平。A、B全为高电平：输出低电平。全为高电平：输出低电平。输入与输出之间实现与非逻辑。输入与输出之间实现与非逻辑。 A、B中中有有低低电电平平：设设B为为低低电电平平，则则T4、T7导导通

85、通，则则T8导导通通、T9截截止止，输出高电平。输出高电平。01011A、B全为高电平：全为高电平： T2和和T5导通，导通，T7截止，因截止，因此此T8截止、截止、T9导通，输导通，输出低电平。出低电平。111003. Bi-CMOS或非门或非门 CMOS门电路的改进型门电路的改进型（二）（二）双极型双极型CMOS门电路（门电路（Bi-CMOS） A、B全全为为低低电电平平：则则T1和和T4导导通通，且且T7导导通通，使使得得T8导导通通、T9截止，输出高电平。截止，输出高电平。A、B中有高电平：输出低电平。中有高电平：输出低电平。A、B全为低电平：输出高电平。全为低电平：输出高电平。输入与

86、输出之间实现或非逻辑。输入与输出之间实现或非逻辑。A、B中有高电平：中有高电平：A为高为高电平，则有电平，则有T2、T3导通，导通，T7截止，使得截止，使得T8截止、截止、T9导通，输出低电平。导通，输出低电平。CMOS电路的特点电路的特点1. 静态功耗低：小规模约静态功耗低：小规模约2.55W；中规模约中规模约25100W。2. 集成度高、温度稳定性好。集成度高、温度稳定性好。3. 抗辐射能力强：抗辐射能力强：MOS管是多数载流子受控导电器件，射线辐射管是多数载流子受控导电器件，射线辐射对多数载流子浓度影响不大。对多数载流子浓度影响不大。4. 电源利用率高：逻辑摆幅约等于电源电压，使电源电压

87、得到充电源利用率高：逻辑摆幅约等于电源电压，使电源电压得到充分利用。分利用。5. 扇出系数大。扇出系数大。6. 电源取值范围宽：国产电源取值范围宽：国产CC74HC系列电源范围为系列电源范围为318V，CC74C系列为系列为715V。7. 易受静态干扰：由于输入阻抗高，容易受静电感应，因此在使易受静态干扰：由于输入阻抗高，容易受静电感应，因此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。用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好。 CMOS门电路不用的输入端不能悬空。低速场合可将多余的门电路不用的输入端不能悬空。低速场合可将多余的输入端和有用的信号端并联使用。输入端和有用的信号端

88、并联使用。 CMOS门电路主要参数门电路主要参数 系系 列列 参参 数数基本基本CMOS4000/4000B系列系列高速高速CMOS74HC系列系列与与TTL兼容的兼容的高速高速CMOS74HCT系列系列与与TTL兼容的兼容的高速高速BiCMOS74BCT系列系列Tpd/ns（CL=15pF）7510132.9PD /mW0.0021.551.00020.00037.5 TTL门驱动门驱动CMOS门门 系统设计的需要，将从速度、复杂性和功能等方面选择合系统设计的需要，将从速度、复杂性和功能等方面选择合适的系列芯片，或者从几种系列中选择性能最佳的芯片，组装适的系列芯片，或者从几种系列中选择性能最

89、佳的芯片，组装起来。在不同逻辑器件混合使用的系统中，常常碰到不同系列起来。在不同逻辑器件混合使用的系统中，常常碰到不同系列逻辑芯片的接口问题。逻辑芯片的接口问题。 CMOS门驱动门驱动TTL门门 门电路带负载的接口电路门电路带负载的接口电路 有两个方面的接口问题需要考虑。有两个方面的接口问题需要考虑。1. 驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流。驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流。 驱动门与负载门电流之间的驱动应满足：驱动门与负载门电流之间的驱动应满足： IOH(max)nIIH(max) ，IOL(max)mIIL(max) （n和和m是负载电流的个数）是负载电流的个数）2. 驱动门

90、的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内。驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内。 驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足：驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足： UOH(min)UIH(min)，UOL(max)UIL(max)。 有两个方面的接口问题需要考虑。有两个方面的接口问题需要考虑。1. 驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流。驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流。 驱动门与负载门电流之间的驱动应满足：驱动门与负载门电流之间的驱动应满足： IOH(max)nIIH(max) ，IOL(max)mIIL(max) （n和和m是负载电流的个数）是负载电流的个数）2. 驱动门的

91、输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内。驱动门的输出电压应在负载门所要求的输入电压范围内。 驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足：驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足： UOH(min)UIH(min)，UOL(max)UIL(max)。TTL门驱动门驱动CMOS门门 TTL采用采用74LS系列，系列，CMOS采用采用74HC系列，且系列，且电源电压相同都为电源电压相同都为5V。只只有一个条件不满足，有一个条件不满足，TTL门电路输出高电平门电路输出高电平2.7V，CMOS电路的输入高电平电路的输入高电平要求高于要求高于3.5V。 1. 电源电压相同电源电压相同 接接一一上上拉拉电电阻阻Rx，使

92、使TTL门门电电路路的的输输出出高高电电平平升升高高至至电电源源电电压压，以以实实现现与与74HC电路的兼容。电路的兼容。 TTL门驱动门驱动CMOS门门CMOS电源电源UDD高于高于TTL电源电源UCC2. 电源电压不同电源电压不同方方案案一一：选选用用具具有有电电平平偏偏移移功功能能的的CMOS电电路路，该该电电路路有有两两个个电电源源输输入入端端：UCC=5V、UDD=10V时时，输输入入接接 收收 TTL电电 平平 1.5V/3.5V， 输输 出出CMOS电电平平9V/1V，满满足足CMOS电电路对输入电压的要求。路对输入电压的要求。 方方案案二二：采采用用TTL的的OC门门，将将OC

93、门门T5管管的的外外接接电电阻阻RL直直接接与与CMOS电源电源UDD连接。连接。 74HC109CMOS门驱动门驱动TTL门门 4000系系列列CMOS电电路路驱驱动动74系系列列TTL电电路路：CMOS门门的的驱驱动能力不满足动能力不满足TTL门的要求。门的要求。为解决这个问题，有多种方法。为解决这个问题，有多种方法。为解决这个问题，有多种方法。为解决这个问题，有多种方法。 4000系系列列CMOS电电路路驱驱动动74LS系系列列TTL电电路路：驱驱动动一一个个TTL门门时时，可可以以直直接接相相连连。如如果果驱驱动动门门数数增增加加，需需要要提提高高CMOS的驱动能力。的驱动能力。 74

94、HC系系列列、74HCT系系列列CMOS电电路路驱驱动动TTL电电路路：无无论论负负载载门门是是74系系列列还还是是74LS系系列列，都都可可以以直直接接相相连连，应应计计算算驱驱动动门门的个数。的个数。 用用CMOS门门驱动驱动TTL门门电路时，对于驱动门和负载门应当电路时，对于驱动门和负载门应当分不同系列考虑。分不同系列考虑。 CMOS门驱动门驱动TTL门门 增增 加加 一一 级级CMOS驱驱动动器器，如如选选择择同同相相驱驱动动器器CC4010 。 采采用用漏漏极极开开路路 的的 CMOS驱驱 动动器器 ， 如如 CC40107 。 将将CMOS门门输输出出经经分分立立元元件件驱驱动动电

95、电路路，实实现现电电流流的的放放大大，再再驱驱动动TTL负载门。负载门。4000系列系列CMOS电路驱动电路驱动74系列系列TTL电路的几种方法电路的几种方法门电路带其它负载门电路带其它负载门电路驱动发光二极管门电路驱动发光二极管LED 的连接方式：的连接方式：设设LED的工作电流为的工作电流为ID、LED的正向压降为的正向压降为UD。输输出出高高有有效效,限限流流电电阻阻R的选择如下：的选择如下： 输输出出低低有有效效,限限流流电电阻阻R的选择如下：的选择如下： 门电路带其它负载门电路带其它负载门电路驱动发光二极管门电路驱动发光二极管LED 的连接方式：的连接方式：设设LED的工作电流为的工

96、作电流为ID、LED的正向压降为的正向压降为UD。输输出出高高有有效效,限限流流电电阻阻R的选择如下：的选择如下： 输输出出低低有有效效,限限流流电电阻阻R的选择如下：的选择如下： 本本章章学学习习重重点点在在TTL和和CMOS集集成成电电路路的的外外部部特特性性，主主要要有有两两个个方方面面：一一是是输输入入与与输输出出之之间间的的逻逻辑辑功功能能；二二是是外外部部电电气气特性及其主要参数。特性及其主要参数。 TTL电电路路输输入入级级采采用用多多发发射射极极晶晶体体管管，输输出出级级采采用用推推拉拉式式结结构构，工工作作速速度度快快，负负载载能能力力强强，是是一一种种目目前前使使用用广广泛

97、泛的的集集成成逻逻辑辑门门。CMOS集集成成电电路路具具有有功功耗耗低低、扇扇出出大大、电电源源电电压压范范围围宽宽、抗抗干干扰扰能能力力强强、集集成成度度高高等等一一系系列列特特点点，在在整整个个数数字字集集成成电路中占据主导地位。电路中占据主导地位。 在在逻逻辑辑门门电电路路的的实实际际应应用用中中，经经常常会会碰碰到到不不同同类类型型的的门门电电路路之之间间、门门电电路路与与负负载载之之间间的的接接口口设设计计问问题题，正正确确分分析析和和解解决决这些问题，是数字电路设计工作者应当掌握的。这些问题，是数字电路设计工作者应当掌握的。 小小 结结自我检测：自我检测：2.4，2.8，2.11，2.12，2.13思考题：思考题： 2.4，2.7 习题：习题： 2.2，2.7，2.12，2.20 ，2.22 ，2.27，2.30作作 业业