逻辑门电路课件

教学基本要求教学基本要求1、了解半导体器件的开关特性。、了解半导体器件的开关特性。2、掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或门）、三态门、异或门）、三态门、OC门的逻辑功能。门的逻辑功能。3、学会逻辑电路逻辑功能分析。、学会逻辑电路逻辑功能分析。4、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的 接口问题。接口问题。3 逻辑门电路逻辑门电路7/15/20241教学基本要求1、了解半导体器件的开关特性。3 逻辑门电路8实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。1 逻辑门电路逻辑门电路：2 逻辑门电路逻辑门电路的分类的分类：二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门逻辑门 电路电路分立分立集成集成NMOS门门TTL-三极管三极管-三极管三极管HTL 高阈值高阈值ECL 射极耦合射极耦合I2L 集成注入集成注入概概 述述构成数字逻辑电路的基本元件构成数字逻辑电路的基本元件7/15/20242实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。1 逻辑门电路：21.CMOS集成电路集成电路:广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低(超低超低)电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路:广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路3 3 数字集成电路简介数字集成电路简介7/15/202431.CMOS集成电路:4000系列74HC 74HCT744 4 逻辑门电路的一般特性逻辑门电路的一般特性1.1.1.1.输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平 vO vI 驱动门驱动门G1 负载门负载门G2 1 1 输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIH(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOH(max)输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max)0 G1门门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min)VIL(max)+VDD 0 G2门门vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI 7/15/202444 逻辑门电路的一般特性1.输入和输出的高、低电平 vO VNH 当前级门输出高电平的最小当前级门输出高电平的最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2.2.噪声容限噪声容限噪声容限噪声容限VNH=VOH(min)VIH(min)VNL=VIL(max)VOL(max)在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力表示门电路的抗干扰能力 1 驱动门驱动门 vo1 负载门负载门 vI噪声噪声 7/15/20245VNH 当前级门输出高电平的最小负载门输入高电平时的噪声类型参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或tPHL(ns)782.10.93.3.传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出输出 50%90%50%10%tPLH tf tr 输入输入 50%50%10%90%平均延迟时间：平均延迟时间：tpd=(tPLH+tPHL)/2(ns)7/15/20246类型74HC74HCT74LVC74AUCtPLH或tPHL4.4.4.4.功耗功耗功耗功耗静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流电源总电流ID与电源电压与电源电压VDD的乘积。的乘积。5.5.5.5.延时延时延时延时 功耗积功耗积功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标.延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP表示表示扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。6.6.6.6.扇入与扇出数扇入与扇出数扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗门电路有动态功耗7/15/202474.功耗静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。（a)a)带拉电流负载带拉电流负载当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。个数。高电平高电平扇出数扇出数:IOH:驱动门的输出端为高电平电流驱动门的输出端为高电平电流IIH:负载门的输入电流为负载门的输入电流为。7/15/20248扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。(b)带灌电流负载带灌电流负载当负载门的个数增加时，总的灌电流当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起将增加，同时也将引起输出低电压输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。出低电平的上限值。IOL：驱动门的输出端为低电平电流：驱动门的输出端为低电平电流IIL：负载门输入端电流之和：负载门输入端电流之和7/15/20249(b)带灌电流负载当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增电路类型电源电压/V传输延迟时间/ns静态功耗/mW功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限 输出逻辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较7/15/202410电路类型电源电压/V传输延迟时间/ns静态功耗/mW功耗延5 高、低电平产生的原理高、低电平产生的原理当当S闭合，闭合，vO=当当S断开，断开，vO=概概 述述0 V+5 V(低电平低电平)(高电平高电平)理想的开关应具有两个工作状态：理想的开关应具有两个工作状态：接通状态：接通状态：断开状态断开状态：要求阻抗越小越好，要求阻抗越小越好，相当于短路（导通）相当于短路（导通）要求阻抗越大越好，要求阻抗越大越好，相当于开路（截止）相当于开路（截止）7/15/2024115 高、低电平产生的原理当S闭合，vO=当S断开，vO=概 概概 述述7/15/202412概 述8/14/2023123.1 二极管的开关特性二极管的开关特性一、数字电路中，二极管工作在开关状态：一、数字电路中，二极管工作在开关状态：二极管正向导通时：导通电阻二极管正向导通时：导通电阻很小，两端相很小，两端相当于短路；当于短路；二极管反向截止时：二极管反向截止时：等效电阻很大，两端相等效电阻很大，两端相当于开路。当于开路。当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的开关转度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的开关转换速度要在微秒甚至纳秒内完成。换速度要在微秒甚至纳秒内完成。二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止状态之间的转换过程（即动态特性）：状态之间的转换过程（即动态特性）：7/15/2024133.1 二极管的开关特性一、数字电路中，二极管工作在开关状二、二极管的动态特性二、二极管的动态特性在在0t1期间，期间，vi VF时，时，D导通，电路中有电流流过：导通，电路中有电流流过：RLviiD1.1.二极管从正向导通到反向截止的过程二极管从正向导通到反向截止的过程vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit7/15/202414二、二极管的动态特性在0t1期间，vi VF时，D导通二、二极管的动态特性二、二极管的动态特性RLviiD1.1.二极管从正向导通到反向截止的过程二极管从正向导通到反向截止的过程：通常将二极管从导通转为截止所通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为反向恢复时间需的时间称为反向恢复时间:tre=ts+ttvitVF-VRIF-IRt10.1IRitsttt存储时间存储时间渡越时间渡越时间在在t1 时，突然时，突然 I VR时，时，电路中电流电路中电流 i=?7/15/202415二、二极管的动态特性RLviiD1.二极管从正向导通到反反向恢复时间一般在纳秒数量级。反向恢复时间一般在纳秒数量级。1.1.二极管从正向导通到反二极管从正向导通到反向截止的过程向截止的过程二、二极管的动态特性二、二极管的动态特性正向（饱和）电流愈大，电正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。需的时间也愈长。产生反向恢复的过程的原因：产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间存储电荷消散需要时间7/15/202416反向恢复时间一般在纳秒数量级。1.二极管从正向导通到反向截止1.1.二极管从反向截止到正向导通的过程二极管从反向截止到正向导通的过程二、二极管的动态特性二、二极管的动态特性结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间。复时间。二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。原因是：原因是：PN结加正偏电压时，其正向压降很小，比结加正偏电压时，其正向压降很小，比VF小得多，故电路中的正向电流小得多，故电路中的正向电流IF VF/RL。主要由。主要由外电路参数决定。外电路参数决定。end7/15/2024171.二极管从反向截止到正向导通的过程二、二极管的动态特性结论3.2 BJT的开关特性的开关特性1.BJT的开关作用的开关作用 IB5 iC IBS=IB4 IB3 IB2 IB1 A vCE VCC iB=0 VCES O ICS VCC/Rc C CIBS=VCC/Rc ICS=VCC/Rc CEVCES0.2-0.3V VCC RC iC T Rb ib+v1 -VB1 VCC RC iC T Rb ib+v1+VB17/15/2024183.2 BJT的开关特性1.BJT的开关作用 IB5 截止状态截止状态cbe饱和状态饱和状态Vb=0.7v,Vce=0.3vebc1.BJT的开关作用的开关作用3.2 BJT的开关特性的开关特性7/15/202419截止状态cbe饱和状态ebc1.BJT的开关作用3.2 iCICS工作状工作状态截截 止止放放 大大饱 和和条件条件iB0 0 iB 工工作作特特点点偏置情况偏置情况 发射射结和集和集电结均均为反偏反偏 发射射结正偏，正偏，集集电结反偏反偏 发射射结和集和集电结均均为正偏正偏集集电极极电流流iC 0Ic iB 且不随且不随iB增加而增加而增加增加管管压降降VCEO VCCVCEVCCiCRcVCES 0.20.3 V c、e间等等效内阻效内阻 很大，很大，约为数数百千欧，相当百千欧，相当于开关断开于开关断开可可变很小，很小，约为数百数百欧，相当于开关欧，相当于开关闭合合2.NPN 型型 BJT 截止、放大、饱和三种工作状态的特点截止、放大、饱和三种工作状态的特点7/15/202420iCICS工作状态截 止放 大饱 和条 v1+VB2 VB2 O t iC ICS 0.9ICS 0.1ICS O tr ts t tf td 3.BJT的开关时间的开关时间开通时间开通时间 ton=td+trtd 延迟时间延迟时间 tr 上升时间上升时间关闭时间关闭时间 toFF=ts+tfts存储时间存储时间 tf-下降时间下降时间 开关时间随管子类型开关时间随管子类型的不同而不同，一般为几的不同而不同，一般为几十几百纳秒。开关时间十几百纳秒。开关时间越短，开关速度越高。一越短，开关速度越高。一般可用改进管子内部构造般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三和外电路的方法来提高三极管的开关速度。极管的开关速度。end7/15/202421 v1+VB2 VB2 O t iC ICS 0.9IC3.3.1 3.3.1 二极管与门电路二极管与门电路二极管与门电路二极管与门电路与逻辑符号与逻辑符号 VCC+(5V)R 3kW L D1 D2 D3 A B C 7/15/2024223.3.1 二极管与门电路二极管与门电路与逻辑符号 VCC+VCC+(5V)R 3kW L D1 D2 D3 A B C 0 v若输入端中有任意一个若输入端中有任意一个为为0V,另两个为另两个为+5V输入与输出电压关系输入与输出电压关系0V5V5V3.3.1 二极管与门电路二极管与门电路 输 入输 出VAVBVCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V7/15/202423VCC+(5V)R 3kW L D1 D2 D3 A B 输 入输 出VAVBVCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V 输 入输 出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V)R 3kW L D1 D2 D3 A B C 5 vA、B、C三个都输入高三个都输入高电平电平+5V5V5V5V 输 入输 出ABCL000000100100011010001010110011113.3.1 二极管与门电路二极管与门电路 真真 值值 表表7/15/202424 输 入输 出VAVBVCVL0000 3.3.2 二极管或门电路二极管或门电路二极管或门电路二极管或门电路或逻辑符号或逻辑符号117/15/202425 3.3.2 二极管或门电路二极管或门电路或逻辑符号18/输入端输入端A、B、C都为都为0V 0 V或或逻辑真真值表表输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111 3.3.2 二极管或门电路二极管或门电路输 入输 出ABCL000000110101011110011011110111110V0V0V7/15/202426输入端A、B、C都为0V 0 V或逻辑真值表输 输入端中有任意一个为输入端中有任意一个为+5V5 V或或逻辑真真值表表输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111输 入输 出ABCL000000110101011110011011110111110V5V0V 3.3.2 二极管或门电路二极管或门电路7/15/202427输入端中有任意一个为+5V5 V或逻辑真值表输 三极管反相电路三极管反相电路非逻辑符号非逻辑符号3.3.3 非门电路非门电路 三极管反相器三极管反相器反相器传输特性反相器传输特性7/15/202428三极管反相电路非逻辑符号3.3.3 非门电路 三极管反当输入为当输入为逻辑逻辑0 0时时:0 vcc1 非逻辑真值表输入A输出L非逻辑非逻辑真值表真值表 3.3.3 非门电路非门电路 三极管反相器三极管反相器017/15/202429当输入为逻辑0时:0 vcc1 非逻辑真值表输入A输出L非当输入为逻辑当输入为逻辑1 1时时:1 0.3v0输入A输出L非逻辑真值表非逻辑真值表 3.3.3 非门电路非门电路 三极管反相器三极管反相器end01107/15/202430当输入为逻辑1时:1 0.3v0输入A输出L非逻辑真值表 3.4.1 基本的基本的BJT反相器的动态性能反相器的动态性能TTL反相器的产生反相器的产生:若考虑基本反相器负载电容若考虑基本反相器负载电容CL的影响，在反相器输出电压的影响，在反相器输出电压 O由低向高过渡时，电路由由低向高过渡时，电路由VCC通过通过Rc对对CL充电。充电。vccRcTCL 反之，当反之，当 O由高向低过渡时，由高向低过渡时，CL又将通过又将通过BJT放电。放电。CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压电压 O波形的上升时间和下降时间，导致基本的波形的上升时间和下降时间，导致基本的BJT反相反相器的开关速度不高。故需寻求更为实用的器的开关速度不高。故需寻求更为实用的TTL电路结构。电路结构。7/15/2024313.4.1 基本的BJT反相器的动态性能TTL反相器的产生1.TTL反相器的基本电路反相器的基本电路 3.4.2 TTL反相器反相器输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电结和发射的集电结和发射极同时输出两个相极同时输出两个相位相反的信号，作位相反的信号，作为为T T3 3和和T T4 4输出级的输出级的驱动信号；驱动信号；Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提高组成。用于提高电路的开关速度电路的开关速度7/15/2024321.TTL反相器的基本电路 3.4.2 TTL反相器输2.TTL2.TTL反相器的工作原理反相器的工作原理（1）当输入为低电平）当输入为低电平（I=0.2 V）0.9V 0.2V OVCCVBE4VD 50.70.7=3.6V I I低电平低电平(0.2V)(0.2V)T T1 1深度饱和深度饱和T T2 2 截止截止T T3 3 截止截止T T4 4、D D 导通导通 O O 高电平高电平（3.6V3.6V）3.4.2 TTL反相器反相器7/15/2024332.TTL反相器的工作原理（1）当输入为低电平0.9V 2.TTL2.TTL反相器的工作原理反相器的工作原理 当输入为高电平（当输入为高电平（I=3.6 V）3.6V 4.3V 2.1V 1.4V 0.2V I I全为高电平全为高电平(3.6V)(3.6V)T T1 1倒置放大倒置放大T T2 2饱和导通饱和导通T T3 3饱和导通饱和导通D D、T T4 4 截止截止 O O低电平低电平0.2V0.2V）3.4.2 TTL反相器反相器7/15/2024342.TTL反相器的工作原理 当输入为高电平（I=3.3.3.特点（特点（优点优点）（1 1）采用输入级以提高工作速度）采用输入级以提高工作速度 当当TTLTTL反相器反相器 I I由由3.6V3.6V变变0.2V0.2V的瞬间的瞬间 0.9V1.4V T2 T2、T3T3管的状态变管的状态变化滞后于化滞后于T1T1管，仍处管，仍处于导通状态。于导通状态。T T1 1管管JeJe正偏、正偏、JcJc反偏，反偏，T T1 1工作在放大状态。工作在放大状态。T1T1管射极电流管射极电流(1+(1+1 1)i)iB1B1 很快地从很快地从T2T2的基区抽走多余的的基区抽走多余的存储电荷存储电荷,从而加速了输出由从而加速了输出由低电平到高电平的转换。低电平到高电平的转换。3.4.2 TTL反相器反相器7/15/2024353.特点（优点）（1）采用输入级以提高工作速度 当TTL（2 2）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当输出为低电平时，当输出为低电平时，T T3 3处于深度处于深度饱和状态，饱和状态，T T4 4截止，截止，T T3 3的集电的集电极电流可以全部用来驱动负载。极电流可以全部用来驱动负载。输出为高电平时，输出为高电平时，T3截止，截止，T4组成的电压跟随器的输出电阻组成的电压跟随器的输出电阻很小，所以输出高电平稳定，很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。带负载能力也较强。3.6V 2.1V 1.4V 0.2V 0.9V 0.2V 3.6V3.4.2 TTL反相器反相器波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，CL很快放很快放电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。输出端接有负载电容输出端接有负载电容CL时，在时，在 输出由低到高跳变的瞬间，输出由低到高跳变的瞬间，CL充电，其充电，其时间常数很小时间常数很小，使输出，使输出7/15/202436（2）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当输出为低电 2vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V.48 V 0.2V 1 2 E D C B A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V I很低，很低，T1的发射结为正的发射结为正向偏置。向偏置。T1饱和使饱和使T2、T3截止，同时截止，同时T4和和D导通。导通。O=3.6V。I=B，T1仍维持饱和。但仍维持饱和。但 B2=C1增大使增大使T2的发射结刚好正偏。的发射结刚好正偏。B2=I+VCES，I(B)=VFVCES=0.7V0.3V0.4V 当当 I的值从的值从D点再继续增加时，点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态，保持将进入倒置放大状态，保持 O=0.2V B2=I，BC段段的的斜斜率率为为d O/d I=Rc2/Re2=1.6。I B时，由时，由T1的集电极供给的集电极供给T2的基极电流，但的基极电流，但T1仍保持为仍保持为饱和状态。在饱和状态。在BC段内，段内，T2对对 I的增量作线性放大的增量作线性放大:*3.4.3 TTL反相器的传输特性C点：当点：当 I的值继续增加，使的值继续增加，使T3开始导通，开始导通，此时此时 BE3BE3=0.7V=i=0.7V=iE2E2R Re2e2=V=VF F;o o(C C)=Vcc-)=Vcc-i iC2C2R RC2C2-2V-2VF F=2.48V;=2.48V;已知已知BCBC段的斜率，点和点的段的斜率，点和点的纵坐标，可解出纵坐标，可解出 i i(C C)=1.1V)=1.1V;CD段：当段：当 I的值继续增加到的值继续增加到C点后，点后，使使T3饱和导通，饱和导通，O 0.2V I(D)=BE3+BE2 CES1 =(0.7+0.70.2)V=1.2V 7/15/202437 2vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V.48V 03.4.4 TTL与非门1.TTL与非门电路与非门电路多发射极多发射极BJT A B&BAL=T1 e e e e b b c c 7/15/2024383.4.4 TTL与非门1.TTL与非门电路多发射极BJ2.TTL2.TTL与非门电路的工作原理与非门电路的工作原理 任一输入端为低电平时任一输入端为低电平时:T T1 1的发射结正向偏置而导通，的发射结正向偏置而导通，T T2 2截止。输出为高电平。截止。输出为高电平。TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 VCC(5V)Rc 4 130 Rc2 1.6k Rb 2 1.6k T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k D I IT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4 O O输入全为高输入全为高电平电平(3.6V)(3.6V)倒置使用的放倒置使用的放大状态大状态饱和饱和饱和饱和截止截止 低电平低电平（0.2V0.2V）输入有低电输入有低电平平(0.2V)(0.2V)深饱和深饱和截止截止截止截止放大放大 高电平高电平（3.6V3.6V）只有当全部输入端为高电平时：只有当全部输入端为高电平时：T1将转入倒置放大状态，将转入倒置放大状态，T2和和T3均饱和，输出为低电平。均饱和，输出为低电平。3.4.4 TTL与非门与非门7/15/2024392.TTL与非门电路的工作原理 任一输入端为低电平时:T vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V 2.48 V 0.2V 1 2 E D CB A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V 各种类型的各种类型的TTL门电路，门电路，其传输特性大同小异其传输特性大同小异。VOHVO(A)3.6V VOLVCES 0.2VVIL VI(B)0.4VVIH VI(D)1.2V1、TTL与非门传输特性与非门传输特性2、输入、输出的高、输入、输出的高、低电压低电压 3.4.5 TTL3.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数7/15/202440 vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V 2.48V 03.TTL3.TTL与非门噪声容限与非门噪声容限 输入噪声容限输入噪声容限:输入高电平的噪声容限为输入高电平的噪声容限为 VNH=VOHVIH 1 驱动门驱动门 vo 1 负载门负载门 vI 噪声噪声 1输出输出 1输入输入 0输入输入 0输出输出 vo vI+VDD 0 VNH VOH VIH VNL VOL VIL+VDD 0 输入低电平的噪声容限为输入低电平的噪声容限为 VNL=VILVOL 当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。的条件下，输入电平的允许波动范围。3.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数7/15/2024413.TTL与非门噪声容限 输入噪声容限:输入高电平的噪声 4.4.扇入与扇出系数扇入与扇出系数 扇入数扇入数:取决于门的输入端的个数取决于门的输入端的个数 扇出数扇出数:带同类门的个数。带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载有带灌电流负载和拉电流负载两种情况两种情况:负载门负载门驱动门驱动门0 VCC(5V)Rb1 4kW T1 T4 T3 Rc4 130W D 当负载门的个数增加时，总的当负载门的个数增加时，总的灌电流灌电流IIL将增加将增加,引起输出低引起输出低电压电压VOL的升高。的升高。带灌电流负载：输出低电平时。带灌电流负载：输出低电平时。IILIOL3.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数101&7/15/202442 4.扇入与扇出系数 扇入数:取决于门的输入端的个数1&4.扇入与扇出系数 扇入数扇入数:取决于门的输入端的个数取决于门的输入端的个数 扇出数扇出数:带同类门的个数。带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载有带灌电流负载和拉电流负载两种情况两种情况:负载门负载门驱动门驱动门1 VCC(5V)Rb1 4kW T1 T4 T3 Rc4 130W D 3.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数01带拉电流负载：门输出高电平时带拉电流负载：门输出高电平时当负载门的个数增多时，必将当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。引起输出高电压的降低。IIHIOH7/15/2024431&4.扇入与扇出系数 扇入数:取决于门的输入端的例例 查得基本的查得基本的TTL与非门与非门7410的参数如下：的参数如下：IOL16mA，IIL1.6mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类门时的试计算其带同类门时的扇出数。扇出数。解：解：(1)低电平输出时的扇出数低电平输出时的扇出数 (2)高电平输出时的扇出数高电平输出时的扇出数若若NOLNOH，则取较小的作为电路的扇出数。，则取较小的作为电路的扇出数。例题：扇出数计算举例3.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数7/15/202444例 查得基本的TTL与非门7410的参数如下：IOL1 电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。入波形延迟了多长的时间。5.传输延迟时间 输入输入 同相同相 输出输出 反相反相 输出输出 50%tPLH 50%90%10%tr tPHL 90%50%10%tf 50%tPHL tPLH 90%50%10%tf 90%50%10%tr VOL VOH VOL VOH 0V VCC 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tPdtPLH 为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间;tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间。为由高电平转换到低电平所经历的时间。(tPLHtPHL)/2 表征门电路开关速度的参数表征门电路开关速度的参数7/15/202445 电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入6.功耗与延时功耗积1 1、功耗分为、功耗分为:静态功耗：静态功耗：动态功耗：动态功耗：对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。2 2、延时、延时 功耗积功耗积DP=tpdPD3.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数指的是当电路没有状态转换时的功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。是在门的状态转换的瞬间的功耗。是一综合性的指标，用是一综合性的指标，用DP表示，其单位为焦耳。表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。7/15/2024466.功耗与延时功耗积1、功耗分为:静态功耗：动态功耗：对1.TTL或非门或非门 3.4.6 TTL3.4.6 TTL或非门、或非门、OCOC门和三态门电路门和三态门电路R1A R1 R1B R4 VCC T1A T2A T2B B D T3 R3 T4 AT1BL7/15/2024471.TTL或非门 3.4.6 TTL或非门、OC门和三态 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 1.TTL或非门或非门 TTL或非门的逻辑电路或非门的逻辑电路若二输入端为低电平若二输入端为低电平 0.9 v0.2 v0.2 v0.9 v3.6V 3.4.6 TTL3.4.6 TTL或非门、或非门、OCOC门和三态门电路门和三态门电路7/15/202448 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A1.TTL或非门或非门 若若A、B两输入端都为高电平两输入端都为高电平 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 2.1 v3.6 v3.6v2.1 v0.3V 问题：若问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出两输入端中有一个为高电平，输出L=?3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/2024491.TTL或非门 若A、B两输入端都为高电平 R1A 2.集电极开路门(Open Collector Gate)vOHvOLX3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/2024502.集电极开路门(Open Collector Gatea）集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路b）使用时的外电路连接使用时的外电路连接C）逻辑功能逻辑功能L=A BOC门输出端连接实现门输出端连接实现线与线与VCC7/15/202451a）集电极开路与非门电路b）使用时的外电路连接C）逻辑2.集电极开路门 TTL 电路电路 TTL 电路电路 D C B A T1 T2 VCC RP L A B C D&)()(CDABL=VCC(5V)Rc 4 130 W Rc2 1.6k W Rb2 1.6k W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W D 3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/2024522.集电极开路门 TTL 电路 TTL 电路 D C 集电极开路门上拉电阻Rp 的计算 TTL 电路 TTL 电路 D C B A T 1 T 2 VCCL R P 在极限情况，上拉电阻在极限情况，上拉电阻Rp具有限具有限制电流的作用。以保证制电流的作用。以保证IOL不超过额不超过额定值定值IOL(max)，故必须合理选用，故必须合理选用Rp的值。的值。另一方面，另一方面，Rp的大小影响的大小影响OC门门的开关速度，的开关速度，Rp的值愈大，因而的值愈大，因而开关速度愈慢开关速度愈慢 Rp(min)3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/202453 集电极开路门上拉电阻Rp 的计算 TTL 电路 TT集电极开路门上拉电阻Rp 的计算举例 例例2.4.2 设设TTL与非门与非门74LS01(OC)驱动驱动八八个个74LS04(反相器反相器)，试确定一合适大小的上拉电阻试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设，设VCC5V。解：从器件手册查出得：解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400 A，VIH(min)=2V，IIH=20 A。IIL(total)=400 A8=3.2mA得得 VCC=5V，IIH(total)=20 A8=0.16mA。Rp的值可在的值可在985 至至18.75k,之间选择之间选择,可选可选1k 的电阻器为宜。的电阻器为宜。所以所以 3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/202454集电极开路门上拉电阻Rp 的计算举例 例2.4.2 设T集电极开路门的缺点：由于由于OC门输出不是推拉门输出不是推拉式式(Totem)结构，电路的结构，电路的上升延迟很大，这是因为：上升延迟很大，这是因为：T3退出饱和状态很慢；退出饱和状态很慢；对输出负载电容的充电对输出负载电容的充电电流只能通过外接的电流只能通过外接的RL来提供。因此，输出来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。波形的上升沿时间很大。3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路VCC7/15/202455集电极开路门的缺点：由于OC门输出不是推拉式(Totem)结 3.三态与非门三态与非门(TSL)三态钳位电路三态钳位电路 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R6 VCC D3.6V1.4V0.7VX X当当CS=1时时CS数据输入端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态与非门真值表=AB3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/202456 3.三态与非门(TSL)三态钳位电路 R1 R2 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R6 VCC D当当CS=0时时0.2V0.2V0.9V0.9V低电平低电平0.9V0.9V开路开路CS数据数据输入端入端输出端出端LAB10010111011100高阻高阻态 3.三态与非门三态与非门(TSL)三态与非门真值表三态与非门真值表 AB CS&L 高电平使能高电平使能=高阻状态高阻状态与非功能与非功能 ZL ABLCS=0_CS=13.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/202457 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门ACS R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R6 VCC DCS=1 F=ABCS=0 F为高阻ABCSENL7/15/202458CS R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非另一种形式的三态与非门：另一种形式的三态与非门：CS数据数据输入端入端输出端出端LAB00010111011101高阻 3.三态与非门三态与非门(TSL)三态与非门真值表三态与非门真值表 低电平使能低电平使能=高阻状态高阻状态与非功能与非功能 ZL ABLCS=1_CS=0 AB CS&L 3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/202459另一种形式的三态与非门：CS数据输入端输出端LAB00010CSABLVCCCSABENLCS数据数据输入入端端输出端出端LAB00010111011101高阻7/15/202460CSABLVCCCSABENLCS数据输入端输出端LAB00三态与非门的应用：三态与非门的应用：两个三态门和总线相连两个三态门和总线相连电路电路1、2只能有一个处于正常态只能有一个处于正常态 若要求若要求D1向向BUS传送，则应有：传送，则应有：若要求若要求D2D2向向BUSBUS传送，则应有：传送，则应有：1BUS23.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路G=0G=17/15/202461三态与非门的应用：两个三态门和总线相连电路1、2只能有一个处三态与非门的应用：双向传输三态与非门的应用：双向传输当当CS=0时，门时，门1工作，门工作，门2禁止，数据从禁止，数据从A送到送到B；当当CS=1时，门时，门1禁止，门禁止，门2工作，数据从工作，数据从B送到送到A。3.4.6 TTL或非门、或非门、OC门和三态门电路门和三态门电路7/15/202462三态与非门的应用：双向传输当CS=0时，门1工作，门2禁1.CMOS1.CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理 VDD TP TN vO vI 3.5.1 CMOS3.5.1 CMOS反相器反相器7/15/2024631.CMOS反相器的工作原理 VDD TP TN vO VDD TP TN vO vI 当当vI I=0 V=0 V时时 VDD 1.CMOS1.CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理VGSN=0 VTNTN管截止；管截止；|VGSP|=VDDVTP 电电路路中中电电流流近近似似为为零零（忽忽略略TN的的截截止止漏漏电电流流）,VDD主主要要降降落落在在TN上，输出为高电平上，输出为高电平VOHTP管导通。管导通。VDD7/15/202464 VDD TP TN vO vI 当vI=0 V时 VDVDD TP TN vO vI 当当vI=VOH=VDD时时 1.CMOS1.CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理VGSN=VDD VTNTN管导通；管导通；|VGSP|=0 107，导通电阻，导通电阻+3V3V+3V一管导通程度愈深，另一管导通一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。愈浅，导通电阻近似为一常数。7/15/2024732、CMOS传输门电路的工作原理 设TP和TN的开启电压|V3.CMOS传输门传输门(双向模拟开关双向模拟开关)逻辑符号逻辑符号 CMOS传输门电路传输门电路电路电路逻辑符号逻辑符号I/Oo/IC等效电路等效电路7/15/2024743.CMOS传输门(双向模拟开关)逻辑符号 CMOS传输门4.CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数系列参数基本的CMOS(4000/4000B系列)高速CMOS(74HC系列)与TTL兼容的高速MOS(74HCT系列)与TTL兼容的高速BiCMOS(74BCT)系列tpd/ns(CL=15pF)7510132.9PD/mw0.0021.551.0020.00037.5DP/pJ0.1515.513.0260.0008722CMOS门电路的性能比较门电路的性能比较7/15/2024754.CMOS逻辑门电路的技术参数系列基本的CMOS高速C3.5.5 NMOS3.5.5 NMOS逻辑门电路逻辑门电路1、NMOS反相器反相器-饱和型负载管反相器饱和型负载管反相器ViVoT2T1+VDD即：即：Vi为高电平时，为高电平时，Vo为低电平为低电平 Vi为低电平时，为低电平时，Vo为高电平为高电平当输入电压为高电平时，当输入电压为高电平时，T1导通导通当输入电压为低电平时，当输入电压为低电平时，T1截止截止T2还是导通还是导通所以，是反相器所以，是反相器T1为工作管，为工作管，T2为负载管为负载管 1VVo VDDVT3-10K100-200K（低电平低电平）7/15/2024763.5.5 NMOS逻辑门电路1、NMOS反相器-饱和3.5.5 NMOS3.5.5 NMOS逻辑门电路逻辑门电路2、NMOS与非门与非门当当A、B中有一个或两个均为低电平时，中有一个或两个均为低电平时，T1、T2有一个或两个都截止，输出为有一个或两个都截止，输出为高电平高电平 只有只有A、B全为高电平时，全为高电平时，T1、T2均均导通，输出为低电平导通，输出为低电平 T1、T2为工作管，为工作管，T3为负载管为负载管BLT3T2+VDDAT1L=AB7/15/2024773.5.5 NMOS逻辑门电路2、NMOS与非门当A、B中3.5.5 NMOS3.5.5 NMOS逻辑门电路逻辑门电路3、NMOS或非门或非门 当当A、B中有一个为高电平时，中有一个为高电平时，T1、T2 有一个导通，输出有一个导通，输出0 A、B都为低电平时，都为低电平时，T1、T2均截均截止，止，输出为输出为1 即即 L=A+B T1、T2为工作管，为工作管，T3为负载管为负载管 因为因为T1、T2是并联的，要想增加输是并联的，要想增加输入端的个数时不会引起输出低电平的入端的个数时不会引起输出低电平的变化。这给制造多输入端的或非门带变化。这给制造多输入端的或非门带来方便。来方便。L+VDDBT3T2AT17/15/2024783.5.5 NMOS逻辑门电路3、NMOS或非门 当A、3.5.6 3.5.6 正负逻辑问题正负逻辑问题1、正负逻辑规定、正负逻辑规定在逻辑电路中，输入和输出一般都用电平来表示。若用在逻辑电路中，输入和输出一般都用电平来表示。若用H和和L分别表示高、低电平，则门电路的功能可用表分别表示高、低电平，则门电路的功能可用表2.8.1所示的所示的电平表来描述。电平表来描述。A BLL LHL HHH LHH HLA BL0 010 111 111 10A BL1 101 000 100 01正逻辑正逻辑与非门与非门负逻辑负逻辑或非门或非门二、正、负逻辑的等效变换二、正、负逻辑的等效变换与非与非或非或非，或，或，非非非非与与7/15/2024793.5.6 正负逻辑问题1、正负逻辑规定在逻辑电路中，输入3.6 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题 3.6.1 3.6.1 各种各种 门电路之间的接口问题门电路之间的接口问题 3.6.2 3.6.2 门电路带负载时的接口问题门电路带负载时的接口问题7/15/2024803.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题8/14/202381)1)驱动器件的驱动器件的输出电压输出电压必须处在负载器件所要求的必须处在负载器件所要求的输入电压输入电压2)2)范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。在数字电路或系统的设计中，往往将在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和和CMOS两种器件混两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：足驱动器件和负载器件以下两个条件：2)2)驱动器件必须对负载器件提供足够大的驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和拉电流和灌电流灌电流3)3)（属于门电路的扇出数问题）；（属于门电路的扇出数问题）；3.6.1 各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题7/15/202481 驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压在数字电vOvI驱动门驱动门 负载门负载门1 1 VOH(min)vO VOL(max)vI VIH(min)VIL(max)负载器件所要求的输入电压负载器件所要求的输入电压VOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)7/15/202482vOvI驱动门 负载门1 1 VOH(min)vO VO灌电灌电流流IILIOLIIL拉电拉电流流IIHIOHIIH101111n个个011101n个个对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流IOL(max)IIL(total)IOH(max)IIH(total)7/15/202483灌电流IILIOLIIL拉电流IIHIOHIIH10111驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流 驱动电路驱动电路 负载电路负载电路1、）、）VOH(min)VIH(min)2、）、）VOL(max)VIL(max)4、）、）IOL(max)IIL(total)驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平 IOH(max)IIH(total)3、）、）7/15/202484驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流 驱动电路1 1、CMOSCMOS门驱动门驱动TTLTTL门门VOH（min)=4.9V VOL(max)=0.1VTTL门（门（74系列）系列）：VIH(min)=2V VIL(max)=0.8VIOH（max)=-0.51mAIIH（max)=20 AVOH(min)VIH(min)VOL(max)VIL(max)带拉电流负载带拉电流负载输出、输入电压输出、输入电压带灌电流负载带灌电流负载?CMOS门门(4000系列）：系列）：IOL（max)=0.51mAIIL（max)=-0.4mA，IOH(max)IIH(total)4.9VvO 0.1V0.1VvI2V0.8V 驱动门驱动门 负载门负载门7/15/2024851、CMOS门驱动TTL门VOH（min)=4.9V 例例 用一个用一个74HC0074HC00与非门电路驱动一个与非门电路驱动一个74