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1、12.2 标准标准TTL与非门与非门12.2.1 TTL与非门与非门12.2.2 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门 12.2.3 CMOS逻辑门逻辑门第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 在在数数字字系系统统中中应应用用大大量量的的逻逻辑辑门门电电路路。采采用用分分立立元元件件焊焊接接成成门门电电路路，因因有有许许多多缺缺点点,已已不不采采用用。集集成成门门电电路路是是通通过过特特殊殊工工艺艺方方法法将将所所有有电电路路元元件件制制造造在在一一个个很很小小的的硅硅片片上上，其其优优点点是是体体积积小小、重重量量轻轻、功功耗耗小小、成成本本低低、使使用用起起来来焊焊
2、点少、可靠性提高。目前使用比较多的有点少、可靠性提高。目前使用比较多的有 1. CT74/54TTL ，（Transistor Transistor Logic ）晶晶体体管管晶晶体体管管系系列列逻逻辑辑电电路路。CT74/54TTL系系列列也也称称TTL标标准准系系列列，第第一一个个字字母母C代代表表中中国国；T代代表表TTL；74代代表表标标准准TTL民用系列；民用系列；54代表标准代表标准TTL军用系列。军用系列。 2. CT74LS/54LSTTL ，（，（Low power Schottky Transistor Transistor Logic）低功耗肖特基系列逻辑电路。）低功耗肖
3、特基系列逻辑电路。 3. CC4 - - -，标准标准CMOS逻辑电路。逻辑电路。 4. CC74HC/54HC ，高速，高速CMOS逻辑电路。逻辑电路。第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 缺口标记缺口标记12 345 67891011121314绝大多数右下角GND绝大多数左上角Vcc 以以CT7400为例讲解。为例讲解。CT7400是一个与非门，在一个是一个与非门，在一个封装内有四个相同的与非门。其外形如图所示。封装内有四个相同的与非门。其外形如图所示。正视图引线排列从左下角引线排列从左下角 开始开始,逆时针计算逆时针计算7/27/2024 1.输入部分的输入部分的
4、VT1、R1为为与门。与门。 2.中间放大中间放大级由级由VT2、R2 、 R3组成。组成。 3.输出级为反相器，由输出级为反相器，由 VT3、 VD4、 VT5、 R4组组成。成。 TTL与非门的电路如图所示与非门的电路如图所示 。该电路由三个部分组成。该电路由三个部分组成。 12.2.1.1 TTL与非门的电路结构与非门的电路结构12.2.1 TTL与非门与非门 TTL是指输入级是晶体管，是指输入级是晶体管，输出级是晶体管构成的逻辑输出级是晶体管构成的逻辑电路电路。 第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 以以CT7400为例讲解。为例讲解。CT7400是一个与非门，由
5、上节可是一个与非门，由上节可知当它的全部输入端是高电平时，输出为低电平，这一状态知当它的全部输入端是高电平时，输出为低电平，这一状态也称为也称为开态开态；输入端有低电平输入时，输出为高电平，这一；输入端有低电平输入时，输出为高电平，这一状态也称为状态也称为关态关态。下面将分别讨论这两个状态。下面将分别讨论这两个状态。1. 输入有低电平时，输出为高电平输入有低电平时，输出为高电平(关态关态) （输入有（输入有“0”，输出为，输出为“1”）2. 输入全为高电平时，输出为低电平输入全为高电平时，输出为低电平(开态开态) （输入全（输入全“1”，输出为，输出为“0”） 12.2.1.2 TTL与非门的
6、逻辑功能与非门的逻辑功能第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.030.3V1VIiL 该电位不足以使该电位不足以使VT2及及VT5导通，因导通，因此此VT2及及VT5截止。截止。VT2截止，截止，VCC经经R2有电流向有电流向VT3的基极的基极流去，使流去，使VT3饱和，饱和，于是可以列出如下方于是可以列出如下方程式程式1. 输入有低电平，输出为高电平输入有低电平，输出为高电平(关态关态) 第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 输出高电平时，可以有电流从输出端流出，这个电流输出高电平时，可以有电流从输出端流出，这个电流称为高电平输出电流称为高电平输出电流I
7、OH ，也称也称拉电流拉电流。 TTL逻辑门在关态时，输入端有低电平输入电流逻辑门在关态时，输入端有低电平输入电流IIL流出，流出，该电流根据不同的子系列数值有所不同，大约在该电流根据不同的子系列数值有所不同，大约在1mA左右。左右。 TTL逻辑门输入有逻辑门输入有“0”，输出为，输出为“1”，即，即VT5截止，截止，上拉部分饱和导通的状态称为上拉部分饱和导通的状态称为关态关态。 拉电流拉电流IOH第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.030.7V1.4V1V2.1V 因所有的输入端因所有的输入端A=B=H=1，VT1管的管的两个发射结都反偏，两个发射结都反偏，于是于是VCC通
8、过通过R1、VT1集电结向集电结向VT2提供基提供基流流 IB2。只要电路参数只要电路参数设计正确，设计正确，VT2可饱可饱和，和，VT2将将IB2放大后放大后可驱动可驱动VT5饱和。饱和。 与与此此同同时时，因因为为UC2 = UE2+UCES20.7+0.3=1V，所所以以1V不不可可能能同同时时打打开开两两个个串串联联的的PN结结，即即VT3的的发发射射结结和和VD4，故故VT3和和VD4截止，所以截止，所以UOL = UCES5 0.3V 。 所所以以VCC不不会会经经R4向向VT5灌灌入入电电流流，VT5的的集集电电极极电电流流只只可可能能由由外外电电路路提提供供，并并流流入入VT5
9、，这这个个电电流流称称为为输输出出低低电电平平电流电流I IOLOL，也称也称灌电流灌电流。2. 输入全部为高电平，输出为低电平输入全部为高电平，输出为低电平( (开态开态) ) 灌电流灌电流 IOL第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 通通过过对对开开态态和和关关态态的的分分析析，可可以以确确定定CT7400型型TTL逻逻辑辑门门具具有有输输入入全全“1”，输输出出为为“0”；输输入入有有“0”，输输出出为为“1”的的与与非非逻逻辑辑关关系系，因因而而它它是是与与非非门门。并并且且它它的输出级只有开态和关态两种稳定工作状态。的输出级只有开态和关态两种稳定工作状态。 对应
10、所有输入端为高电平，输出为低电平的状态称为对应所有输入端为高电平，输出为低电平的状态称为开态开态，即即VT5饱和导通的状态。饱和导通的状态。第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 12.2.1.3 TTL与非门的应用与非门的应用 与非门的应用十分广泛，除了用于与非运算外，与非门与非门的应用十分广泛，除了用于与非运算外，与非门（含与门）还可以用于许多简单的控制电路中。（含与门）还可以用于许多简单的控制电路中。 第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.0312.2.2.1 集电极开路门（集电极开路门（OC） OC门电路如图所示门电路如图所示 。该电路与标准结构的与
11、非门基。该电路与标准结构的与非门基本相同，仅输出级与标准输出级不同，没有上拉部分。本相同，仅输出级与标准输出级不同，没有上拉部分。 为此在使用时，在为此在使用时，在T5的集的集电极即输出端与电源之间要接电极即输出端与电源之间要接一个上拉电阻一个上拉电阻Rc。否则不能获否则不能获得高电平输出。得高电平输出。 OC门的优点是功耗小。门的优点是功耗小。在正确选择在正确选择Rc后，输出端可以后，输出端可以并联，从而可以实现所谓并联，从而可以实现所谓“线线与与”的功能。而标准输出级是的功能。而标准输出级是不能并联的。不能并联的。12.2.2 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门 第第12章章 集成逻
12、辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 1工作原理工作原理 当当VT5集电极开路后，几个集电极开路后，几个OC门就可以并联，例如门就可以并联，例如两个两个OC门并联如图所示。门并联如图所示。 只有当所有门的输出只有当所有门的输出都是高电平时，总的输出都是高电平时，总的输出才是高电平，只要有一个才是高电平，只要有一个门的输出是低电平，总的门的输出是低电平，总的输出就是是低电平。这相输出就是是低电平。这相当当“与与”逻辑关系，它是逻辑关系，它是在输出线上实现的，称为在输出线上实现的，称为“线与线与”。逻辑关系。逻辑关系第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 2. 集电极负载电阻
13、的确定集电极负载电阻的确定 Rc的数值大小合适，的数值大小合适，OC门连在一起才能正常工作。门连在一起才能正常工作。根据经验数据，根据经验数据，Rc的数值一般取值范围在的数值一般取值范围在1k 20 k 。如。如果逻辑门的工作速度较高，果逻辑门的工作速度较高，Rc的取值应小一些，如果逻辑的取值应小一些，如果逻辑门的工作速度较低，门的工作速度较低，Rc的取值可大一些。的取值可大一些。第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 三态门是在标准输出级的开态、关态两个状态的基础上三态门是在标准输出级的开态、关态两个状态的基础上又增加了一个高阻状态，即输出级的又增加了一个高阻状态，即输出
14、级的VT5和上拉部分都不通。和上拉部分都不通。 当当EN=L时，与非门应处于高阻状态。当时，与非门应处于高阻状态。当EN=L时，时，VT5本来就截止，现在只要将上拉部分截止就可以了。本来就截止，现在只要将上拉部分截止就可以了。 增加一个使能端增加一个使能端EN来加以控制是处于工作状态，还是来加以控制是处于工作状态，还是高阻状态。高阻状态。12.2.2.2 三态门三态门(TSG)(a) 三态门的逻辑符号三态门的逻辑符号 (b) 高电平使能高电平使能 (c) 低电平使能低电平使能图图12.2.9 三态门三态门 1. 三态门的逻辑功能三态门的逻辑功能第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 201
15、0.03 EN代表高电平使能，当代表高电平使能，当EN=1时，使三态门执行规定的逻时，使三态门执行规定的逻辑功能，根据图辑功能，根据图12.2.9(a)下半部分画出的逻辑符号是与非逻辑下半部分画出的逻辑符号是与非逻辑功能。功能。 EN代表低电平使能，代表低电平使能，当当EN=0时，使三态门执行规定的逻时，使三态门执行规定的逻辑功能，对应图辑功能，对应图12.2.9(a)上半部分画出的逻辑符号。高电平使上半部分画出的逻辑符号。高电平使能端的控制功能见图能端的控制功能见图12.2.9(b)，低电平使能端的控制功能见图，低电平使能端的控制功能见图12.2.9(c)。(a) 三态门的逻辑符号三态门的逻
16、辑符号 (b) 高电平使能高电平使能 (c) 低电平使能低电平使能图图12.2.9 三态门三态门第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03主要用于多路数据在一条总线（主要用于多路数据在一条总线（bus）上的分时传输。上的分时传输。 2. 三态门的应用三态门的应用第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 金属氧化物半导体（金属氧化物半导体（Metal-Oxide-Semiconductor）场）场效应管集成电路（简称效应管集成电路（简称MOS集成电路）有很多特点：集成电路）有很多特点：工艺简单，集成度高（例如在工艺简单，集成度高（例如在35mm2的芯片上可做几万
17、的芯片上可做几万支管子）；支管子）；MOS管可以作为负载电阻使用，使管可以作为负载电阻使用，使MOS集集成电路完全成电路完全MOS管化（除管化（除MOS管外，不包括电阻等其他管外，不包括电阻等其他元件）；元件）；输入阻抗高，可以超过输入阻抗高，可以超过1010，扇出数目大；，扇出数目大；功耗小、噪声小；功耗小、噪声小；可以做成双向开关；可以做成双向开关；利用极间电利用极间电容存储电荷效应，可以组成动态存储器件。容存储电荷效应，可以组成动态存储器件。MOS电路与电路与前面讲过的双极型门电路相比，主要的缺点是开关速度较前面讲过的双极型门电路相比，主要的缺点是开关速度较低。低。 MOS集成电路根据集
18、成电路根据MOS管的不同，又分为管的不同，又分为PMOS、NMOS和和CMOS三种。由于三种。由于CMOS具有一系列的优点，所以具有一系列的优点，所以主要介绍主要介绍CMOS门电路。门电路。12.2.3 CMOS逻辑门逻辑门第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 CMOS反相器的电路图见图反相器的电路图见图12.2.11。CMOS反相器中的反相器中的NMOS管和管和PMOS管一般都是增强型管一般都是增强型MOS管，两只管子的几管，两只管子的几何尺寸基本相同。何尺寸基本相同。 要求电源电压大于两个管子的要求电源电压大于两个管子的开启电压的绝对值之和。即开启电压的绝对值之和。即
19、VDD|UthonP|+|UthonN|，为了简化下标，该，为了简化下标，该式也写成式也写成VDD|UTP|+|UTN|，VDD有有23V即可使电路工作。即可使电路工作。12.2.3.1 CMOS反相器反相器 1CMOS反相器的电路结构反相器的电路结构图图12.2.11 CMOS反相器反相器 第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 2CMOS反相器工作原理反相器工作原理 当当UI为高电平时，为高电平时，VTN的栅源电压的栅源电压UGSN大于开启电压大于开启电压UTN，于是于是VTN管导通。对于管导通。对于VTP管来说，由于栅极电位较高，栅源间管来说，由于栅极电位较高，栅源间
20、的电压的电压UGSP绝对值小于绝对值小于VTP开启电压的绝对值开启电压的绝对值|UTP|，因此，因此VTP管管截止。截止。VTN导通和导通和VTP截止使反相器输出低电平。截止使反相器输出低电平。 当当UI为低电平时，为低电平时，VTN栅源间的电压栅源间的电压UGSN小于小于VTN的开启电压，的开启电压，VTN管截止。管截止。对于对于VTP来说，由于栅极电位较低，使栅来说，由于栅极电位较低，使栅源电压源电压UGSP绝对值大于绝对值大于VTP开启电压的绝开启电压的绝对值，因此对值，因此VTP管导通。管导通。VTN截止和截止和VTP导通使反相器输出高电平。导通使反相器输出高电平。 第第12章章 集成
21、逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 CMOS反相器静态时反相器静态时VTN和和VTP只有一个导通，由于截止只有一个导通，由于截止的的MOS管相当于一个几兆欧以上的大电阻，所以静态电流很管相当于一个几兆欧以上的大电阻，所以静态电流很小，静态功耗仅微瓦量级。小，静态功耗仅微瓦量级。 当带电容负载时，因两管不当带电容负载时，因两管不会同时导通，故沟道电阻制作的会同时导通，故沟道电阻制作的较小。故对负载电容的充电电流较小。故对负载电容的充电电流较大，输出电压上升较快；放电较大，输出电压上升较快；放电时也很快，因此输出电压的上升时也很快，因此输出电压的上升和下降边沿就较小，这就有可能和下降边沿就较
22、小，这就有可能提高反相器的工作速度。提高反相器的工作速度。 图图12.2.12 CMOS反相器带电容负载反相器带电容负载 但是，但是， CMOS反相器动态工作时反相器动态工作时VTN和和VTP会有一个暂短会有一个暂短的同时导通的瞬间，动态功耗随开关频率增加而增加。的同时导通的瞬间，动态功耗随开关频率增加而增加。第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 CMOS门门电电路路是是在在CMOS反反相相器器的的基基础础上上构构成成的的，CMOS门门电电路路中中无无论论是是晶晶体体管管还还是是电电阻阻负负载载全全部部由由MOS管管组组成成，具具有有全全MOS管管化化的的特特点点。其其次
23、次CMOS门门电电路路是是在在与与非非单单元元、或非单元加上反相器构成的逻辑等效门电路。或非单元加上反相器构成的逻辑等效门电路。1. CMOS与非单元和或非单元与非单元和或非单元12.2.3.2 CMOS门电路门电路图图12.2.13 CMOS与非单元与非单元 图图12.2.13 是是CMOS与非单元电与非单元电路，两个路，两个PMOS场效应管并联，只场效应管并联，只要有一个导通，输出即为高电平；要有一个导通，输出即为高电平；两个两个NMOS场效应管串联，只有两场效应管串联，只有两个都导通，输出即为低电平。个都导通，输出即为低电平。 只要只要A 、B中有一个低电平，中有一个低电平，输出即为高电
24、平；输入输出即为高电平；输入A 、B全是全是高电平，输出为低电平高电平，输出为低电平，符合与非，符合与非的逻辑功能的逻辑功能。第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03图图12.2.14 CMOS或非单元或非单元 图示为图示为CMOS或非单元，或非单元，VTP和和VTN不会同时导通。两个不会同时导通。两个PMOS场效应管串联，只有两个都导通输场效应管串联，只有两个都导通输出即为高电平；两个出即为高电平；两个NMOS场效应场效应管并联，只要有一个导通，输出即管并联，只要有一个导通，输出即为低电平。为低电平。 若输入若输入A和和B 只要有一个是高电平，只要有一个是高电平，VTP管至
25、少有一个截管至少有一个截止，止，VTN管至少有一个导电，输出是低电平；输入管至少有一个导电，输出是低电平；输入A和和B 全部全部是低电平，是低电平，VTP管全部导通，输出为高电平，符合或非的逻辑管全部导通，输出为高电平，符合或非的逻辑功能。功能。 第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.032. CMOS与非门与非门CMOS与非门的等效方框图如图与非门的等效方框图如图12.2.15所示。所示。 CMOS门电路是一种组合门，主要特点是在输入端和输门电路是一种组合门，主要特点是在输入端和输出端都有反相器，反相器主要起缓冲隔离作用。出端都有反相器，反相器主要起缓冲隔离作用。图图12.2
26、.15 CMOS与非门的等效逻辑图与非门的等效逻辑图第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.033. CMOS或非门或非门图图12.2.16 CMOS或非门的等效逻辑图或非门的等效逻辑图第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.0312.2.3.3 CMOS传输传输门门 CMOS传输门是传输门是CMOS集成电路中所特有的品种，集成电路中所特有的品种，TTL集成电路中没有这种电路。集成电路中没有这种电路。CMOS传输门如图传输门如图12.1.17所示。所示。(a) CMOS传输门传输门 (b) 逻辑符号逻辑符号 图图 12.2.17 CMOS传输门传输门 传输门是由传输
27、门是由PMOS管和管和NMOS管并联而成的。两个管的源管并联而成的。两个管的源极相接，作为输入端，两个管的漏极相接，作为输出端。两管极相接，作为输入端，两个管的漏极相接，作为输出端。两管的栅极作为控制端，分别作用一对互为反相的控制电压。由于的栅极作为控制端，分别作用一对互为反相的控制电压。由于MOS管的结构对称，源极和漏极可以互换，因此管的结构对称，源极和漏极可以互换，因此CMOS传输传输门具有双向特性，通常也称为双向开关。门具有双向特性，通常也称为双向开关。 第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 设在设在MOS管开启电压绝对值管开启电压绝对值均为均为3V。 令令VTN的
28、栅极的栅极C =0V，VTP的栅极的栅极C = +10V。当。当ui在在010V范围内连续变化时，范围内连续变化时，VTN和和 VTP管的栅源电压始终达不到开启管的栅源电压始终达不到开启电压，电压，VTN和和 VTP管均截止，故管均截止，故CMOS传输门处于关断状态。传输门处于关断状态。 输入入0V1V2V3V4V6V7V8V9V10VVTN VTP 输出出0V1V2V3V4V6V7V8V9V10V 令令VTN的栅极的栅极C =+10V，VTP的栅极的栅极C = 0V。当。当ui在在010V范围内连续变化时，范围内连续变化时，VTN和和 VTP管至少有一个导通，见下表。管至少有一个导通，见下表
29、。 由于由于MOS管的结构对称，源极和漏极可管的结构对称，源极和漏极可以互换，因此传输门可实现双向传输。以互换，因此传输门可实现双向传输。第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 传输门和反相器结合可以组成单刀开关，电路和表示符号传输门和反相器结合可以组成单刀开关，电路和表示符号分别如图分别如图12.2.18(a)、(b)和和(c)所示。用几组所示。用几组CMOS传输门还传输门还可以构成双刀开关等多种开关形式。可以构成双刀开关等多种开关形式。(a) CMOS传输门作开关运用传输门作开关运用 (b)符号图符号图 (c)等效单刀开关等效单刀开关 图图 12.1.18 CMOS传输
30、门作开关传输门作开关第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 CMOS门电路的电压传输特性曲线如下左图所示门电路的电压传输特性曲线如下左图所示; CMOS门电路的速度功耗特性曲线如下右图所示。门电路的速度功耗特性曲线如下右图所示。第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03 所以所以CMOS逻辑门速度较快，而功耗却较小，是优质逻辑门速度较快，而功耗却较小，是优质优良的集成电路，是现在大规模集成电路的主流品种。优良的集成电路，是现在大规模集成电路的主流品种。CMOS集成电路还有一系列特点集成电路还有一系列特
31、点 ： 1.供电电压范围宽，供电电压范围宽，1.5V20V ;2.高电平接近电源电压高电平接近电源电压, 约比电源电压小约比电源电压小0.1V , 对电源对电源 电压的利用率高电压的利用率高;低电平接近等于低电平接近等于0 , 约约 0.1V;3.与与TTL的连接问题，有逻辑电平兼容的问题的连接问题，有逻辑电平兼容的问题 ;4. 阈值电平为电源电压的阈值电平为电源电压的40%60% , 噪声容限大噪声容限大;5. CMOS的动态功耗将随工作频率的提高而提高的动态功耗将随工作频率的提高而提高 ;6. 扇出系数与工作频率有关，与输出端的分布电容有关。扇出系数与工作频率有关，与输出端的分布电容有关。第第12章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2010.03
