集成门电路与触发器课件

1 第第 三三 章章 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集集 成成 门门 电电 路路 与与 触触 发发 器器1 第 三 章 第三章 集成门电路与触发器集 成 12 集集成成门门电电路路和和触触发发器器等等逻逻辑辑器器件件是是实实现现数数字字系系统统功功能能的的物质基础。物质基础。随随着着微微电电子子技技术术的的发发展展，人人们们把把实实现现各各种种逻逻辑辑功功能能的的元元器器件件及及其其连连线线都都集集中中制制造造在在同同一一块块半半导导体体材材料料小小片片上上，并并封封装装在在一一个个壳壳体体中中，通通过过引引线线与与外外界界联联系系，即即构构成成所所谓谓的的集集成成电路块，电路块，通常又称为通常又称为集成电路芯片。集成电路芯片。第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器采用集成电路进行数字系统设计的采用集成电路进行数字系统设计的优点：优点：可可靠靠性性高高、可可维维性性好好、功功耗耗低低、成成本本低低等等优优点点，可可以以大大大简化设计和调试过程。大简化设计和调试过程。2 集成门电路和触发器等逻辑器件是实现数字系统功能的物质23 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 本章知识要点本章知识要点:半导体器件的开关特性；半导体器件的开关特性；逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法；逻辑门电路的功能、外部特性及使用方法；常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性。常用触发器的功能、触发方式与外部工作特性。3 第三章 集成门电路与触发器 本章知识要点:34 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 3.1 数字集成电路的分数字集成电路的分类类 数数字字集集成成电电路路通通常常按按照照所所用用半半导导体体器器件件的的不不同同或或者者根根据据集成规模的大小进行分类。集成规模的大小进行分类。一一.根据所采用的半导体器件进行分类根据所采用的半导体器件进行分类 根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为根据所采用的半导体器件，数字集成电路可以分为两大类。两大类。1.双极型集成电路：双极型集成电路：采用双极型半导体器件作为元件。主采用双极型半导体器件作为元件。主要特点是要特点是速度快、负载能力强，但功耗较大、速度快、负载能力强，但功耗较大、集成度较低。集成度较低。2.单极型集成电路单极型集成电路(又称为又称为MOS集成电路集成电路)：采用金属采用金属-氧化氧化物半导体场效应管物半导体场效应管(Metel Oxide Semiconductor Field Effect Transister)作为元件。作为元件。主要特点是主要特点是结构简单、制造方便、集成结构简单、制造方便、集成度高、功耗低，但速度较慢。度高、功耗低，但速度较慢。4 第三章 集成门电路与触发器 3.1 数字集45 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器双极型集成电路又可进一步可分为：双极型集成电路又可进一步可分为：TTL(Transistor Transistor Logic)电路；电路；ECL(Emitter Coupled Logic)电路；电路；I2L(Integrated Injection Logic)电路。电路。TTL电路的电路的“性能价格比性能价格比”最佳，应用最广泛。最佳，应用最广泛。MOS集成电路又可进一步分为：集成电路又可进一步分为：PMOS(P-channel Metel Oxide Semiconductor)；NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)；CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor)。CMOS电电路路应应用用较较普普遍遍，因因为为它它不不但但适适用用于于通通用用逻逻电电路路的设计，而且综合性能最好的设计，而且综合性能最好。5 第三章 集成门电路与触发器双极型集成电路又可进56 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器二根据集成电路规模的大小进行分类二根据集成电路规模的大小进行分类通通常常根根据据一一片片集集成成电电路路芯芯片片上上包包含含的的逻逻辑辑门门个个数数或或元元件件个数，分为个数，分为 SSI、MSI、LSI、VLSI。1.SSI(Small Scale Integration)小规模集成电路小规模集成电路:逻辑门数小于逻辑门数小于10 门门(或元件数小于或元件数小于100个个)；2.MSI(Medium Scale Integration)中规模集成电路中规模集成电路:逻辑门数为逻辑门数为10 门门99 门门(或元件数或元件数100个个999个个)；3.LSI(Large Scale Integration)大规模集成电路大规模集成电路:逻辑门数为逻辑门数为100 门门9999 门门(或元件数或元件数1000个个99999个个)；4.VLSI(Very Large Scale Integration)超大规模集成电路超大规模集成电路:逻辑门数大于逻辑门数大于10000 门门(或元件数大于或元件数大于100000个个)。6 第三章 集成门电路与触发器二根据集成电路规模的大67 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器3.2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性数数字字电电路路中中的的晶晶体体二二极极管管、三三极极管管和和MOS管管等等器器件件一一般般是是以以开开关关方方式式运运用用的的，其其工工作作状状态态相相当当于于相相当当于于开开关关的的“接接通通”与与“断开断开”。由由于于数数子子系系统统中中的的半半导导体体器器件件运运用用在在开开关关频频率率十十分分高高的的电电路路中中（通通常常开开关关状状态态变变化化的的速速度度可可高高达达每每秒秒百百万万次次数数量量级级甚甚至至千千万万次次数数量量级级），因因此此，研研究究这这些些器器件件的的开开关关特特性性时时，不不仅仅要要研研究究它它们们在在导导通通与与截截止止两两种种状状态态下下的的静静止止特特性性，而而且且还还要要分分析析它们在导通和截止状态之间的转变过程，即它们在导通和截止状态之间的转变过程，即动态特性。动态特性。7 第三章 集成门电路与触发器3.2 半导体器78 静态特性是指二极管在导通和静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。截止两种稳定状态下的特性。典型典型二极管的静态特性曲线二极管的静态特性曲线(又称伏安特又称伏安特性曲线性曲线)如图所示。如图所示。第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器3.2.1 晶体二极管的开关特性晶体二极管的开关特性一静态特性一静态特性 1.正向特性：正向特性：门门槛槛电电压压(UTH)：使使二二极极管管开开始始导导通通的的正正向向电电压压，有有时时又又称称为导通电压为导通电压(一般锗管约一般锗管约0.1V，硅管约，硅管约0.5V)。正向电压正向电压 UF UTH：管子截止，电阻很大、正向电流管子截止，电阻很大、正向电流 IF 接近接近于于 0，二极管类似于开关的断开状态二极管类似于开关的断开状态；正向电压正向电压 UF =UTH：管子开始导通，正向电流管子开始导通，正向电流 IF 开始上升；开始上升；正向电压正向电压 UF UTH(一般锗管为一般锗管为0.3V，硅管为，硅管为0.7V)：管子充分管子充分导通，电阻很小，正向电流导通，电阻很小，正向电流IF 急剧增加，二极管类似于开关的接通状急剧增加，二极管类似于开关的接通状态。态。8 静态特性是指二极管在导通和截止两种稳定状态下的特性。89 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 2 反向特性反向特性 二极管在反向电压二极管在反向电压 UR 作用下，处于截止状态，反向电阻作用下，处于截止状态，反向电阻很大，反向电流很大，反向电流IR 很小（将其称为反向饱和电流，用很小（将其称为反向饱和电流，用IS表示，表示，通常可忽略不计），通常可忽略不计），二极管的状态类似于开关断开二极管的状态类似于开关断开。而且反向。而且反向电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。电压在一定范围内变化基本不引起反向电流的变化。注意事项：注意事项：正正向向导导通通时时可可能能因因电电流流过过大大而而导导致致二二极极管管烧烧坏坏。组组成成实实际电路时通常要串接一只电阻际电路时通常要串接一只电阻R，以限制二极管的正向电流；，以限制二极管的正向电流；反反向向电电压压超超过过某某个个极极限限值值时时，将将使使反反向向电电流流IR突突然然猛猛增增，致致使使二二极极管管被被击击穿穿（通通常常将将该该反反向向电电压压极极限限值值称称为为反反向向击击穿穿电电压压UBR），一般不允许反向电压超过此值。），一般不允许反向电压超过此值。9 第三章 集成门电路与触发器 2 反向特性 注910 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器二极管组成的开关电路图如图二极管组成的开关电路图如图(a)所示。二极管导通状态所示。二极管导通状态下的等效电路如图下的等效电路如图(b)所示，截止状态下的等效电路如图所示，截止状态下的等效电路如图(c)所示，图中忽略了二极管的正向压降。所示，图中忽略了二极管的正向压降。二极管开关电路及其等效电路二极管开关电路及其等效电路DU0RR断开断开R关闭关闭(a)(b)(c)由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它由于二极管的单向导电性，所以在数字电路中经常把它 当作开关使用。当作开关使用。10 第三章 集成门电路与触发器二极管组成的开关电1011 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器二二.动态特性动态特性二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转二极管的动态特性是指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一换过程中的特性，它表现在完成两种状态之间的转换需要一定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。定的时间。为此，引入了反向恢复时间和开通时间的概念。1.反向恢复时间反向恢复时间反向恢复时间：反向恢复时间：二极管从正向导通到反向截止所需要的二极管从正向导通到反向截止所需要的 时间称为反向恢复时间。时间称为反向恢复时间。当作用在二极管两端的电压由正向导通电压当作用在二极管两端的电压由正向导通电压 UF 转为反向转为反向 截止电压截止电压 UR 时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截时，在理想情况下二极管应该立即由导通转为截 止，电路中只存在极小的反向电流。止，电路中只存在极小的反向电流。实际情况如何呢？实际情况如何呢？11 第三章 集成门电路与触发器二.动态特性二1112 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 实际过程如右图所示。实际过程如右图所示。图中：图中：0t1时时刻刻：输输入入正正向向导导通通电电压压 UF，二二极极管管导导通通，电电阻阻很很小小，电电路路中中的的正正向向电电流流IF UF/R。ts 称为存储时间；称为存储时间；tt 称为渡越时间；称为渡越时间；tre=ts+tt 称为反向恢复时间。称为反向恢复时间。t1时时刻刻：输输入入电电压压由由正正向向电电压压UF 转转为为反反向向电电压压 UR，首首先先正正向向电电流流IF 变变到到一一个个很很大大的的反反向向电电流流IR UR/R，该该电电流流维维持持一一段段时时间间ts后后开开始始逐逐渐渐下下降降，经经过过一一段段时时间间tt后后下下降降到到一一个个很很小小的的数数值值0.1IR(接近反向饱和电流接近反向饱和电流 IS)，二极管进入反向截止状态。，二极管进入反向截止状态。12 第三章 集成门电路与触发器 实际过程如右图所示。1213 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器产生反向恢复时间产生反向恢复时间tre 的原因？的原因？二二极极管管外外加加正正向向电电压压 UF 时时，PN结结两两边边的的多多数数载载流流子子不不断断向向对对方方区区域域扩扩散散，一一方方面面使使空空间间电电荷荷区区变变窄窄，另另一一方方面面使使相相当数量的载流子存储在当数量的载流子存储在PN结的两侧。结的两侧。当当输输入入电电压压突突然然由由正正向向电电压压UF变变为为反反向向电电压压UR时时，PN结结两两边边存存储储的的载载流流子子在在反反向向电电压压作作用用下下朝朝各各自自原原来来的的方方向向运运动动，即即P 区中的电子被拉回区中的电子被拉回 N区，区，N区中的空穴被拉回区中的空穴被拉回 P区，形区，形 成成反向漂移电流反向漂移电流IR。开开始始时时空空间间电电荷荷区区依依然然很很窄窄，二二极极管管电电阻阻很很小小，反反向向电电流流IR UR/R。经过时间经过时间ts 后，后，PN 结两侧存储的载流子显著减少，空间电结两侧存储的载流子显著减少，空间电 荷区逐渐变宽，反向电流慢慢减小；直至经过时间荷区逐渐变宽，反向电流慢慢减小；直至经过时间tt 后，后，IR 减减小至反向饱和电流小至反向饱和电流IS，二极管截止。，二极管截止。13 第三章 集成门电路与触发器产生反向恢复时间t1314 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 2.开通时间开通时间开开通通时时间间：二二极极管管从从反反向向截截止止到到正正向向导导通通的的时时间间称称为为开开通时间。通时间。由由于于PN结结在在正正向向电电压压作作用用下下空空间间电电荷荷区区迅迅速速变变窄窄，正正向向电电阻阻很很小小，因因而而它它在在导导通通过过程程中中及及导导通通以以后后，正正向向压压降降都都很很小小，故故电电路路中中的的正正向向电电流流IF UF/R。而而且且加加入入输输入入电电压压UF后后，回路电流几乎是立即达到回路电流几乎是立即达到IF的最大值。的最大值。即即：二二极极管管的的开开通通时时间间很很短短，对对开开关关速速度度影影响响很很小小，相相对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。14 第三章 集成门电路与触发器 2.开通时间1415 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 3.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性晶晶体体三三极极管管由由集集电电结结和和发发射射结结两两个个PN结结构构成成。根根据据两两个个PN结的偏置极性，三极管有结的偏置极性，三极管有截止、放大、饱和截止、放大、饱和3种工作状态。种工作状态。一一个个用用NPN型型共共发发射射极极晶晶体体三三极极管管组组成成的的简简单单电电路路及及其其输出特性曲线如下图所示。输出特性曲线如下图所示。一静态特性一静态特性15 第三章 集成门电路与触发器 3.2.2 晶体三1516 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器3.饱和状态饱和状态 uB 0，两两个个PN结结均均为为正正偏偏，iB IBS(基基极极临临界界饱饱和和电电流流)UCC/Rc,此此时时iC=ICS(集集电电极极饱饱和和电电流流)UCC/Rc。三三极极管管呈现低阻抗，类似于开关接通。呈现低阻抗，类似于开关接通。1.截止状态截止状态 uB0，两两个个PN结结均均为为反反偏偏，iB0,iC 0,uCE UCC。三三极极管管呈现高阻抗，类似于开关断开。呈现高阻抗，类似于开关断开。2.放大状态放大状态 uB0，发射结正偏，集电结反偏，发射结正偏，集电结反偏，iC=iB。该该电电路路工工作作特点可归纳如下：特点可归纳如下：16 第三章 集成门电路与触发器3.饱和状态 1617 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器晶晶体体三三极极管管在在截截止止与与饱饱和和这这两两种种稳稳态态下下的的特特性性称称为为三三极极管的静态开关特性。管的静态开关特性。在在数数字字逻逻辑辑电电路路中中，三三极极管管相相当当于于一一个个由由基基极极信信号号控控制制的的无触点开关，其作用对应于触点开关的无触点开关，其作用对应于触点开关的“闭合闭合”与与“断开断开”。上上述述共共发发射射极极晶晶体体三三极极管管电电路路在在三三极极管管截截止止与与饱饱和和状状态态下下的等效电路如下图所示。的等效电路如下图所示。17 第三章 集成门电路与触发器晶体三极管在截止与1718 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器晶晶体体三三极极管管在在饱饱和和与与截截止止两两种种状状态态转转换换过过程程中中具具有有的的特特性性称为三极管的动态特性。称为三极管的动态特性。三三极极管管的的开开关关过过程程和和二二极极管管一一样样，管管子子内内部部也也存存在在着着电电荷荷的的建建立立与与消消失失过过程程。因因此此，两两种种状状态态的的转转换换也也需需要要一一定定的的时时间间才能完成。才能完成。二动态特性二动态特性在在图图（a）的的输输入入端端输输入入一一个个理理想想的的矩矩形形波波电电压压，在在理理想想情情况况下下 iC 和和uCE 的的波波形形应应该该如如波波形形图图中中(a)所所示示。但但实实际际转转换换过过程程中中IC 和和UCE 的的波波形形如如波波形形图图中中（b）所所示示，无无论论从从截截止止转转向向导导通通还还是是从从导导通通转转向向截截止止都存在一个逐渐变化的过程。都存在一个逐渐变化的过程。例如，图例如，图(a)所示电路的动态特性如下所示。所示电路的动态特性如下所示。18 第三章 集成门电路与触发器晶体三极管在饱和与1819 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 1开通时间开通时间（ton）开通时间：开通时间：三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。三极管从截止状态到饱和状态所需要的时间。当输入电压当输入电压ui由由-U1 跳变到跳变到+U2时，三极管从截止到开始导时，三极管从截止到开始导通所需要的时间称为通所需要的时间称为延迟时间延迟时间td。经经过过延延迟迟时时间间td后后，iC不不断断增增大大。iC上上升升到到最最大大值值的的90%所需要的时间称为所需要的时间称为上升时间上升时间tr。开通时间开通时间ton=td+tr 2.关闭时间关闭时间（toff）关闭时间关闭时间：三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间。三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间。当当输输入入电电压压ui由由+U2跳跳变变到到-U1时时，集集电电极极电电流流从从ICS到到开开始始下降所需要的时间称为下降所需要的时间称为存储时间存储时间ts。集电极电流由集电极电流由0.9ICS降至降至0.1ICS所需的时间称为所需的时间称为下降时间下降时间tf 。关闭时间关闭时间toff=ts+tf 开通时间开通时间ton和关闭时间和关闭时间toff是影响电路工作速度的主要因素。是影响电路工作速度的主要因素。19 第三章 集成门电路与触发器 1开通时间（t1920 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器3.2.3 MOS管的开关特性管的开关特性一一.静态特性静态特性 MOS管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种管作为开关元件，同样是工作在截止或导通两种状态。状态。MOS管是电压控制元件，主要由栅源电压管是电压控制元件，主要由栅源电压uGS决定决定其工作状态。其工作状态。由由NMOS增强型管构成的开关电路如下图所示。增强型管构成的开关电路如下图所示。20 第三章 集成门电路与触发器3.2.3 MOS2021 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器工作特性如下：工作特性如下：当当uGS开开启启电电压压UT时时：MOS管管工工作作在在截截止止区区，漏漏源源电电流流IDS基基本本为为0，输输出出电电压压uDS UDD，MOS管管处处于于“断断开开”状状态态，其等效电路如图其等效电路如图(b)所示。所示。当当uGS开开启启电电压压UT时时：MOS管管工工作作在在导导通通区区，漏漏源源电电流流iDS=UDD/(RD+rDS)。其其中中，rDS为为 MOS 管管导导通通时时的的漏漏源源电电阻阻。输输出出电电压压UDS=UDD rDS/(RD+rDS),若若rDSRD，则则uDS 0V，MOS管处于管处于“接通接通”状态，其等效电路如图状态，其等效电路如图(c)所示。所示。21 第三章 集成门电路与触发器工作特性如下：2122 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器二二.动态特性动态特性MOS管本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。管本身导通和截止时电荷积累和消散的时间是很小的。动态特性主要取决于电路中杂散电容充、放电所需的时间。动态特性主要取决于电路中杂散电容充、放电所需的时间。1.当当电电压压ui由由高高变变低低，MOS管管由由导导通通转转换换为为截截止止时时，电电源源UDD通过通过RD向杂散电容向杂散电容CL充电，充电时间常数充电，充电时间常数1=RDCL。2.当当电电压压ui由由低低变变高高，MOS管管由由截截止止转转换换为为导导通通时时，杂杂散散电容电容CL上的电荷通过上的电荷通过rDS进行放电，其放电时间常数进行放电，其放电时间常数2rDSCL。因因为为rDS比比RD小小得得多多，因因此此，由由截截止止到到导导通通的的转转换换时时间间比比由导通到截止的转换时间要短。由导通到截止的转换时间要短。22 第三章 集成门电路与触发器二.动态特性2223 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器由于由于MOS管导通时的漏源电阻管导通时的漏源电阻rDS比晶体三极管的饱和电比晶体三极管的饱和电阻阻rCES要大得多，漏极外接电阻要大得多，漏极外接电阻RD也比晶体管集电极电阻也比晶体管集电极电阻RC大，所以，大，所以，MOS管的充、放电时间较长，使管的充、放电时间较长，使MOS管的开关速管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。度比晶体三极管的开关速度低。为了提高为了提高MOS器件的工作速度，引入了器件的工作速度，引入了CMOS电路。电路。在在CMOS电电路路中中，由由于于充充电电电电路路和和放放电电电电路路都都是是低低阻阻电电路路，因因此此，其其充充、放放电电过过程程都都比比较较快快，从从而而使使CMOS电电路路有有较高的开关速度。较高的开关速度。23 第三章 集成门电路与触发器由于MOS管导通时2324 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 3.3逻逻 辑辑 门门 电电 路路实实现现基基本本逻逻辑辑运运算算和和常常用用复复合合逻逻辑辑运运算算的的逻逻辑辑器器件件统统称称为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元电路。为逻辑门电路，它们是组成数字系统的基本单元电路。从从实实际际应应用用的的角角度度出出发发，下下面面主主要要介介绍绍TTL集集成成逻逻辑辑门门和和CMOS集成逻辑门。集成逻辑门。学学习习时时应应重重点点掌掌握握集集成成逻逻辑辑门门电电路路的的功功能能和和外外部部特特性性，以以及及器器件件的的使使用用方方法法。对对其其内内部部结结构构和和工工作作原原理理只只要要求求作作一一般了解。般了解。24 第三章 集成门电路与触发器 3.3逻 辑 门 2425 3.3.1 简单逻辑门电路简单逻辑门电路二极管与门二极管与门设：设：VIL=0V，VIH=3V，二极管正向导通压降为，二极管正向导通压降为0.7V分析可得：分析可得：若定义若定义1表示高电平，表示高电平，0表示低电平，则得真值表：表示低电平，则得真值表：&A BY结论：该电路实现了与的关系，为与门结论：该电路实现了与的关系，为与门VCC=5VR=3K D1 ABYD2 25 3.3.1简单逻辑门电路二极管与门设：VIL=0V，2526 二极管或门二极管或门分析可得：分析可得：若定义若定义1表示高电平，表示高电平，0表示低电平，则得真值表：表示低电平，则得真值表：设：设：VIL=0V，VIH=3V，二极管正向导通压降为，二极管正向导通压降为0.7V结论：该电路实现了或的关系，为或门结论：该电路实现了或的关系，为或门1A BYRD1 ABYD2 26 二极管或门分析可得：若定义1表示高电平，0表示低电平，2627 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器晶体三极管反相器晶体三极管反相器一一.反相器的工作原理反相器的工作原理 反相器又称反相器又称“非门非门”。晶体三极管反相器。晶体三极管反相器的电路图和逻辑符号如的电路图和逻辑符号如图图(a)和图和图(b)所示所示。图图中中，负负电电源源UB的的作作用用是是保保证证输输入入ui为为低低电电平平时时晶晶体体管管T能能可可靠靠截截止止。二二极极管管DQ和和电电源源UQ组组成成钳钳位位电电路路，使使输输出出高高电电平稳定在规定的标准值平稳定在规定的标准值(3.2V)。电电路路中中给给定定的的参参数数可可以以保保证证当当输输入入ui为为高高电电平平3.2V时时晶晶体体管管T可可靠靠饱饱和和导导通通，输输出出电电压压 uO=UCES 0.3V，为为低低电电平平；而而当当ui为为低低电电平平0.3V时时，T可可靠靠截截止止，输输出出电电压压uO等等于于钳钳位位电电源源UQ与与钳钳位位二二极极管管DQ的的导导通通压压降降之之和和，即即uO=2.5V+0.7V=3.2V，为高电平。，为高电平。输出与输入之间满足逻辑输出与输入之间满足逻辑“非非”的关系，实现了反相器的功能。的关系，实现了反相器的功能。27 第三章 集成门电路与触发器晶体三极管反相器一.2728 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器1.灌电流负载灌电流负载一一个个带带有有两两个个带带灌灌电电流流负负载载的的晶晶体体管管反反相相器电路如右图所示。器电路如右图所示。图中灌电流负载将对图中灌电流负载将对电路工作产生何影响呢？电路工作产生何影响呢？二二.反相器的负载能力反相器的负载能力反相器负载：反相器负载：是指反相器输出端所连接的其他电路。可分是指反相器输出端所连接的其他电路。可分 为为“灌电流负载灌电流负载”和和“拉电流负载拉电流负载”两种情两种情况。况。灌电流负载：灌电流负载：是指负载电流是指负载电流IL从负载流入反相器。从负载流入反相器。拉电流负载：拉电流负载：是指负载电流是指负载电流IL从反相器流入负载。从反相器流入负载。28 第三章 集成门电路与触发器1.灌电流负载一2829 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器反相器输出低电平时，反相器输出低电平时，负载电流负载电流IL流入流入T的集电极，的集电极，形成灌电流负载。集电极电形成灌电流负载。集电极电流流IC=IRc+IL，IL随负载个数随负载个数的增加而增大。的增加而增大。为了使反相器正常工作，在带灌电流负载的情况下，不能为了使反相器正常工作，在带灌电流负载的情况下，不能破坏条件破坏条件IbIBS。通常用。通常用ILmax 表示三极管从饱和退到临界饱和表示三极管从饱和退到临界饱和时所允许灌入的最大负载电流。时所允许灌入的最大负载电流。ILmax反映了三极管带灌电流负反映了三极管带灌电流负载的能力，即限制了反相器带负载的数量。载的能力，即限制了反相器带负载的数量。三极管三极管T截止时，反相器输出截止时，反相器输出uO为高电平为高电平(3.2V)，负载电流，负载电流IL和和IRc都流入钳位电源都流入钳位电源UQ，对输出无影响。，对输出无影响。29 第三章 集成门电路与触发器反相器输出低电平时2930 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器2.拉电流负载拉电流负载一一个个带带拉拉电电流流负负载载的的晶晶体体管管反反相相器器电电路路如如下下图图所所示示。图中，虚线框中为负载等效电路。图中，虚线框中为负载等效电路。图中的拉电流负载将对电路工作产生何影响呢？下面图中的拉电流负载将对电路工作产生何影响呢？下面分截止和导通两种竟情况讨论。分截止和导通两种竟情况讨论。30 第三章 集成门电路与触发器2.拉电流负载3031 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器三三极极管管截截止止时时，Ic0，IRc=IL+IQ，假假设设输输出出uo=3.2V不不变变，则则 IRc=(UCC-3.2V)/Rc是一个定值。是一个定值。随随着着负负载载电电流流IL的的增增加加，IQ必必然然减减小小，当当IL IRc时时，IQ 0，此此时时钳钳位位二二极极管管失失去去作作用用。若若IL 继继续续增增大大，则则IRc 将将不不再再是是定定值值而而是是随随之之增增大大，从从而而使使Rc上上压压降降增增大大，致致使使输输出出电电压压uo降降低低。因因此此，反相器的最大拉电流应小于反相器的最大拉电流应小于IRc，即，即 ILmax IRc (UCC-3.2V)/Rc 三极管三极管T截止：截止：反相器输出为高，电流反相器输出为高，电流IL从反相器中流从反相器中流出来，形成拉电流负载。出来，形成拉电流负载。三三极极管管T饱饱和和导导通通：输输出出低低电电平平uo 0.3V，IQ=0，IRc=IL+Ic，IL增增大大，Ic变变小小，这这有有利利于于饱饱和和。但但要要求求IL不不超过超过IRc最大值，否则将破坏反相器的正常工作。最大值，否则将破坏反相器的正常工作。31 第三章 集成门电路与触发器三极管截止时，Ic3132 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器3.3.2 TTL 集成逻辑门电路集成逻辑门电路TTL(Transistor Transistor Logic)电路是晶体管电路是晶体管-晶体管晶体管逻辑电路的简称。逻辑电路的简称。TTL电路的功耗大、线路较复杂，使其集成度受到一定电路的功耗大、线路较复杂，使其集成度受到一定的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。的限制，故广泛应用于中小规模逻辑电路中。下面，对几种常见下面，对几种常见TTL门电路进行介绍，重点讨论门电路进行介绍，重点讨论TTL与非门。与非门。32 第三章 集成门电路与触发器3.3.2 TTL3233 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器一一.典型典型TTL与非门与非门 该电路可按该电路可按 图中虚线划分为三部分：图中虚线划分为三部分：输入级输入级 由多发射极晶体管由多发射极晶体管T1和电阻和电阻R1组成；组成；中间级中间级 由晶体管由晶体管T2和电阻和电阻R2、R3组成；组成；输出级输出级 由晶体管由晶体管T3、T4、T5和电阻和电阻R4、R5组成。组成。1.电路结构及工作原理电路结构及工作原理 (1)电路结构电路结构 典型典型TTL与非门电与非门电路图及相应逻辑符号如路图及相应逻辑符号如右图所示。右图所示。33 第三章 集成门电路与触发器一.典型TTL与非门3334 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器(2)工作原理工作原理 输入级由多发射极晶体管输入级由多发射极晶体管T1实实现逻辑现逻辑“与与”的功能；的功能；中间级由中间级由T2的集电极和发射极的集电极和发射极输出两个相位相反的信号分别控制输出两个相位相反的信号分别控制T3和和T5；输出级由输出级由T3、T4、T5组成推拉组成推拉式输出电路，用以提高电路的带负式输出电路，用以提高电路的带负载能力、抗干扰能力和响应速度。载能力、抗干扰能力和响应速度。逻辑功能分析如下：逻辑功能分析如下：输输入入端端全全部部接接高高电电平平(3.6V)：电电源源Ucc通通过过R1和和T1的的集集电电结结向向T2提提供供足足够够的的基基极极电电流流，使使T2饱饱和和导导通通。T2的的发发射射极极电电流在流在R3上产生的压降又使上产生的压降又使T5饱和导通，输出为低电平饱和导通，输出为低电平(0.3V)。实实现现了了“输输入入全全高高，输输出出为为低低”的的逻逻辑辑关关系系34 第三章 集成门电路与触发器(2)工作原理 3435 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器当有输入端接低电平当有输入端接低电平(0.3V)时：时：输入端接低电平的发射输入端接低电平的发射 结导通，使结导通，使T1的基极电位的基极电位Ub1=0.3V+0.7V=1V。该电压作用于。该电压作用于T1的集电结和的集电结和T2、T5的发射结上，不可能使的发射结上，不可能使T2和和T5导通，即导通，即T2、T5均截止。均截止。综合上述，当输入综合上述，当输入A、B、C均为均为 高电平时，输出为低电平高电平时，输出为低电平(0V)；当；当 A、B、C中中至至少少有有一一个个为为低低电电平平时时，输输出为高电平出为高电平(3.6V)。输输出出与与输输入入之之间间为为“与与非非”逻逻辑辑，即即F=A B F=A B C C由于由于T2截止，电源截止，电源UCC通过通过R2驱动驱动T3和和T4管，使之工作在导通状态，电路管，使之工作在导通状态，电路输出为高电平输出为高电平(3.6V)。通常将电路的。通常将电路的这种工作状态称为截止状态，它实现了这种工作状态称为截止状态，它实现了“输入有低，输出为高输入有低，输出为高”的逻辑功能。的逻辑功能。35 第三章 集成门电路与触发器当有输入端接低电3536 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器2.主要外部特性参数主要外部特性参数TTL与与非非门门的的主主要要外外部部特特性性参参数数有有输输出出逻逻辑辑电电平平、开开门门电电平平、关关门门电电平平、扇扇入入系系数数、扇扇出出系系数数、平平均均传传输输时时延延和和空空载功耗等。载功耗等。(2)输输出出低低电电平平VOL：输输出出低低电电平平VoL是是指指输输入入全全为为高高电电平平时时的的输输出出电电平平。VOL的的典典型型值值是是0.3V，产产品品规规范范值值为为VOL0.4V，标准低电平，标准低电平VSL=0.4V。(1)输输出出高高电电平平VOH：输输出出高高电电平平VOH是是指指至至少少有有一一个个输输入入端端接接低低电电平平时时的的输输出出电电平平。VOH的的典典型型值值是是3.6V。产产品品规规范范值为值为VOH2.4V，标准低电平，标准低电平VSH=2.4V。36 第三章 集成门电路与触发器2.主要外部特性参3637 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器(3)开门电平开门电平VO N ：开门电平开门电平VON是指在额定负载下，是指在额定负载下，使输出电平达到标准低电平使输出电平达到标准低电平VSL的输入电平，它表示使与非的输入电平，它表示使与非 门开通的最小输入电平。门开通的最小输入电平。VON的产品规范值为的产品规范值为VON1.8V。开门电平的大小反映了。开门电平的大小反映了高电平抗干扰能力，高电平抗干扰能力，VON 愈小，在输入高电平时的抗干扰能愈小，在输入高电平时的抗干扰能力愈强。力愈强。(4)关门电平关门电平VOFF：关门电平关门电平VOFF是指输出空载时，使是指输出空载时，使 输出电平达到标准高电平输出电平达到标准高电平VSH的输入电平，它表示使与非门的输入电平，它表示使与非门 关断所允许的最大输入电平。关断所允许的最大输入电平。VOFF 的产品规范值的产品规范值VOFF0.8V。关门电平的大小反映了。关门电平的大小反映了 低电平抗干扰能力，低电平抗干扰能力，VOFF越大，在输入低电平时的抗干扰能越大，在输入低电平时的抗干扰能 力越强。力越强。37 第三章 集成门电路与触发器(3)开门电平3738 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器(5)扇入系数扇入系数Ni：扇入系数扇入系数Ni是指与非门允许的输入端数是指与非门允许的输入端数目。目。一一 般般Ni为为25，最多不超过，最多不超过8。当应用中要求输入端数目。当应用中要求输入端数目 超过超过Ni时，可通过分级实现的方法减少对扇入系数的要求。时，可通过分级实现的方法减少对扇入系数的要求。(7)输输入入短短路路电电流流IiS：输输入入短短路路电电流流IIs是是指指当当与与非非门门的的某某一个输入端接地而其余输入端悬空时，流过接地输入端的电流。一个输入端接地而其余输入端悬空时，流过接地输入端的电流。在在实实际际电电路路中中，IiS是是流流入入前前级级与与非非门门的的灌灌电电流流，它它的的大大小小将将直直接接影影响响前前级级与与非非门门的的工工作作情情况况。输输入入短短路路电电流流的的产产品品规规范范值值IiS1.6mA。(6)扇出系数扇出系数No：扇出系数扇出系数NO是指与非门输出端连接同类是指与非门输出端连接同类门的最多个数。它反映了与非门的带负载能力，一般门的最多个数。它反映了与非门的带负载能力，一般No8。扇入和扇出是反映门电路互连性能的指标。扇入和扇出是反映门电路互连性能的指标。38 第三章 集成门电路与触发器(5)扇入系数N3839 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器(8)高高电电平平输输入入电电流流IiH：高高电电平平输输入入电电流流IiH是是指指某某一一输输入入端端接接高高电电平平，而而其其他他输输入入端端接接地地时时，流流入入高高电电平平输输入入端端的的电电流流，又称为又称为输入漏电流输入漏电流。一般一般IiH50A。(9)平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd：平均传输延迟时间：平均传输延迟时间tpd 是指一个是指一个矩形波信号从与非门输入端传到与非门输出端矩形波信号从与非门输入端传到与非门输出端(反相输出反相输出)所延所延迟的时间。迟的时间。通常将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的时间延迟称通常将从输入波上沿中点到输出波下沿中点的时间延迟称为为导通延迟时间导通延迟时间tpdL；从输入波下沿中点到输出波上沿中点的；从输入波下沿中点到输出波上沿中点的时间延迟称为时间延迟称为截止延迟时间截止延迟时间tpdH。平均延迟时间定义为。平均延迟时间定义为 tpd=(tpdL+tpdH)/2 平均延迟时间是反映与非门开关速度的一个重要参数。平均延迟时间是反映与非门开关速度的一个重要参数。Tpd的典型值约的典型值约10ns，一般小于，一般小于40ns。39 第三章 集成门电路与触发器(8)高电平输入3940 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器(10)空空载载功功耗耗P：空空载载功功耗耗是是当当与与非非门门空空载载时时电电源源总总电电流流ICC和电源电压和电源电压UCC的乘积。的乘积。输输出出为为低低电电平平时时的的功功耗耗称称为为空空载载导导通通功功耗耗PON，输输出出为为高电平时的功耗称为高电平时的功耗称为空载截止功耗空载截止功耗POFF，PON大于大于POFF。平均功耗平均功耗 P=(PON+POFF)/2 一般一般P50mW,如如74H系列门电路平均功耗为系列门电路平均功耗为22mW。40 第三章 集成门电路与触发器(10)空载功耗P4041 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 3.TTL与非门集成电路芯片与非门集成电路芯片TTL与与非非门门集集成成电电路路芯芯片片种种类类很很多多，常常用用的的TTL与与非非门集成电路芯片有门集成电路芯片有7400和和7420等。等。7400的的引引脚脚分分配配图图如如图图(a)所所示示；7420的的引引脚脚分分配配图图如如图图(b)所示。所示。图中，图中，UCC为电源引脚，为电源引脚，GND为接地脚，为接地脚，NC为空脚。为空脚。41 第三章 集成门电路与触发器 3.TTL与4142 42 4243 43 4344 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器常用的常用的TTLTTL或非门集成电路芯片有或非门集成电路芯片有2 2输入输入4 4或非门或非门74027402等。等。74027402的引脚分配图如下图所示。的引脚分配图如下图所示。44 第三章 集成门电路与触发器常用的TTL或非门4445 45 4546 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器常用的常用的TTL与或非门集成电路芯片与或非门集成电路芯片7451的引脚排列图的引脚排列图如下图所示。如下图所示。46 第三章 集成门电路与触发器常用的TTL与或非4647 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器2.两种特殊的门电路两种特殊的门电路 (1)集电极开路门集电极开路门(OC门门)集集电电极极开开路路门门（Open Collector Gate）是是一一种种输输出出端端可可以直接相互连接的特殊逻辑门，简称以直接相互连接的特殊逻辑门，简称OC门门。OC门门电电路路将将一一般般TTL与与非非门门电电路路的的推推拉拉式式输输出出级级改改为为三三极极管管集集电电极极开开路路输输出出。下下图图给给出出了了一一个个集集电电极极开开路路与与非非门门的电路结构图和逻辑符号。的电路结构图和逻辑符号。47 第三章 集成门电路与触发器2.两种特殊的门电4748 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器 注注意意！集集电电极极开开路路与与非非门门只只有有在在外外接接负负载载电电阻阻RL和和电电源源UCC后才能正常工作。后才能正常工作。集集电电极极开开路路与与非非门门在在计计算算机机中中应应用用很很广广泛泛，可可以以用用它它实实现现线线与与逻逻辑辑、电电平平转转换换以以及及直直接接驱驱动动发发光光二二极极管管、干干簧继电器等。簧继电器等。48 第三章 集成门电路与触发器 注意！4849 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器例如，下图所示电路中，只要有一个门输出为低电平，例如，下图所示电路中，只要有一个门输出为低电平，输出输出F F便为低电平；仅当两个门的输出均为高电平时，输出便为低电平；仅当两个门的输出均为高电平时，输出F F 才为高电平。即才为高电平。即F=F1 F2=A1B1C1 A2B2C2该该电电路路实实现现了了两两个个与与非非门门输输出出相相“与与”的的逻逻辑辑功功能能。由由于于该该“与与”逻逻辑辑功功能能是是由由输输出出端端引引线线连连接接实实现现的的，故故称称为为“线线与与”逻辑。逻辑。49 第三章 集成门电路与触发器例如，下图所示电路4950 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器(2)三态输出门三态输出门(TS门门)三态输出门有三种输出状态：三态输出门有三种输出状态：输出高电平、输出低电输出高电平、输出低电平和高阻状态，前两种状态为工作状态，后一种状态为禁平和高阻状态，前两种状态为工作状态，后一种状态为禁止状态止状态。简称三态门简称三态门(Three state Gate)、TS门等。门等。注意注意!三态门不是指具有三种逻辑值。三态门不是指具有三种逻辑值。如何使电路处在工作状态和禁止状态？如何使电路处在工作状态和禁止状态？通过外加控制信号！通过外加控制信号！50 第三章 集成门电路与触发器(2)三态输出5051 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器例例如如，右右图图所所示示为为一一个个三三态态输输出出与与非非门门的的电电路路结结构构图图和和逻逻辑符号。辑符号。该该电电路路是是在在一一般般与与非非门门的的基基础础上上，附附加加使使能能控控制制端端和和控控制制电路构成的。电路构成的。该电路逻辑功能如下：该电路逻辑功能如下：EN=0：二极管二极管D反偏，此时电路功能与一般与非门无区反偏，此时电路功能与一般与非门无区 别，输出别，输出 ；EN=1：一方面因为一方面因为T1有一个输入端为低，使有一个输入端为低，使T2、T5截截 止。另一方面由于二极管导通，迫使止。另一方面由于二极管导通，迫使T3的基极电位变低，致的基极电位变低，致 使使T3、T4也截止。输出也截止。输出F便被悬空，即处于高阻状态。便被悬空，即处于高阻状态。51 第三章 集成门电路与触发器例如，右图所示为一5152 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器因因为为该该电电路路是是在在EN=0时时为为正正常常工工作作状状态态，所所以以称称为为使使能能控控制制端端低低电电平平有有效效的的三三态态与与非非门门。该该电电路路的的逻逻辑辑符符号号如如图图中中(b)所所示示。控控制制端端加加一一个个小小圆圆圈圈表表示示低低电电平平有有效效，并并将将控控制制信信号写成号写成 。若若某某三三态态与与非非门门的的逻逻辑辑符符号号在在控控制制端端未未加加小小圆圆圈圈，且且控控制制信信号号写写成成EN时时，则则表表明明电电路路在在EN=1时时为为正正常常工工作作状状态态，称该三态与非门为使能控制端高电平有效的三态与非门。称该三态与非门为使能控制端高电平有效的三态与非门。52 第三章 集成门电路与触发器因为该电路是在EN5253 右右图图所所示示为为用用三三态态门门构构成成的单向数据总线。的单向数据总线。当当某某个个三三态态门门的的控控制制端端为为1时时，该该逻逻辑辑门门的的输输入入数数据据经经反反相后送至总线。相后送至总线。为为了了保保证证数数据据传传送送的的正正确确性性，任任意意时时刻刻，n个个三三态态门门的的控控制制端端只只能能有有一一个个为为1，其其余余均均为为0，即即只只允允许许一一个个数数据据端端与与总总线线接接通通，其其余余均均断断开开，以以便便实实现现n个数据的分时传送。个数据的分时传送。三三态态与与非非门门主主要要应应用用于于总总线线传传送送，它它既既可可用用于于单单向向数数据据传送，也可用于双向数据传送。传送，也可用于双向数据传送。第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器53 右图所示为用三态门构成的单向数据总线。三态5354 第三章第三章第三章第三章 集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器集成门电路与触发器如如下下图图所所示示，用用两两种种不不同同控控制制输输入入的的三三态态门门可可构构成成的的双向总线。双向总线。图中：图中：EN=1时时：G1工工作作，G2处处于于高高阻阻