1、逻辑门电路唐治德主编2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性1二极管的开关作用二极管的开关作用当当 ，二极管截止，等效为开关断开，二极管截止，等效为开关断开0iVvVthBR时，当当 ，二极管导通，二极管导通，等效为开关闭合等效为开关闭合0iVvth时，2 二极管的开关时间二极管的开关时间 由于二极管的由于二极管的PN结具有等结具有等效电容，二极管的通断就伴随着效电容，二极管的通断就伴随着电容的充放电，所以，二极管的电容的充放电，所以，二极管的通断转换需要一定时间。二极管通断转换需要一定时间。二极管通断转换的时间既是二极管的开通断转换的时间既是二极管的开关时间。关时间。1 1）开通时间）开
2、通时间t tonon：二极管从截止转：二极管从截止转为导通所需的时间。为导通所需的时间。2 2）反向恢复时间）反向恢复时间t trere：二极管从导：二极管从导通转为截止所需的时间，它由通转为截止所需的时间，它由2 2段段时间组成，即存储时间时间组成，即存储时间t ts s和渡越时和渡越时间间t tt t，t trere=t=ts s+t+tt t。+v -i RL+Iv-图图 2.1.2 二极管的开关二极管的开关时间时间（a）二极管开关电路二极管开关电路 (b)二极管的电流波形二极管的电流波形 O O Iv VF-VR IF-IR t t i IS ts tt ton 3PN结的存储电荷结的
3、存储电荷 PNPN结的结的正向导通正向导通过程：正向过程：正向电压削弱电压削弱PNPN结的势垒电场，结的势垒电场，N N区区的电子向的电子向P P区扩散并建立电子浓区扩散并建立电子浓度分布，度分布，P P区的空穴向区的空穴向N N区扩散并区扩散并建立空穴浓度分布。建立空穴浓度分布。由于浓度不由于浓度不同，穿越同，穿越PN结的电荷继续扩散，结的电荷继续扩散，形 成 连 续 的 正 向 电 流。形 成 连 续 的 正 向 电 流。从截止形成稳定的正向电流从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间的过程就是二极管的导通时间ton。存储电荷：存储电荷：距距PN结越远，电荷浓度越低；结越远，电荷
4、浓度越低；正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。图图2.1.3 PN结的存储电荷结的存储电荷 +-IF P区区 N区区 n-存储电荷浓度存储电荷浓度 nN电子浓度电子浓度 nP空穴浓度空穴浓度 x距离距离 o LN LP +-iR P区区 N区区 图图2.1.4 PN存储电荷的驱散存储电荷的驱散 PN结截止过程：结截止过程：在反向电压的作用下，在反向电压的作用下，N区的空穴存储电荷被电场赶回到区的空穴存储电荷被电场赶回到P区，区，P区的电子存储电荷被电场赶回到区的电子存储电荷被电场赶回到N区，形成反向电流，区，形成反向电流，驱散存储电荷
5、。驱散存储电荷的时间就是存储时间驱散存储电荷。驱散存储电荷的时间就是存储时间ts。在存储电荷驱散后，在存储电荷驱散后，PN结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到PN结通过反向饱和电流结通过反向饱和电流IS，这段时间就是渡越时间，这段时间就是渡越时间tt。通常，开通时间通常，开通时间ton和反向恢复时间和反向恢复时间tre为纳秒级，为纳秒级，tre=ts+ttton,tstt。所以，二极管的开关时间主要取决于。所以，二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间存储电荷的驱散时间ts。2.1.2三极管的开关作用特性三极管的开关作用特性 1.三极管的开关作用三极管的开关作用
6、电路电路输入特性输入特性输出特性输出特性(a)(b)(c)Vth BEv Bi O VCES CEv Ci O VCC cCCRV 0=Bi IB4 IB3=IBS IB2 IB1 A B Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 当输入电压为低电平，使当输入电压为低电平，使 三极管处于截止状态，三极管处于截止状态，ce之间等效为开关断开。之间等效为开关断开。时，thBEVv当输入电压为高电平，使当输入电压为高电平，使 ，使三极管工作在输出，使三极管工作在输出特性的特性的B点，处于临界饱和状态。点，处于临界饱和状态。ce之间等效为开关闭合。之间等效为开关闭合。时BSBIi=在数字
7、电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态，称为开关状态。截止或饱和状态，称为开关状态。CSBSBBIIii=饱和条件：截止条件：0cCCcCESCCCSRVRVVI=Iv CEv Ci Bi CCV BEv Rb RcC 表表2.2.1 NPN三极管的工作状态及特点三极管的工作状态及特点工作状态工作状态 截截 止止 放放 大大 饱饱 和和 条条 件件 0 Bi CSBSBIIi=0 CSBSBIIi=PNPN 结偏置结偏置 发射结反偏发射结反偏 集电结反偏集电结反偏 发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏 发射结正偏发射结正偏 集电结
8、正偏集电结正偏 集电极电流集电极电流 0 Ci BCii CSBSBIIi=集射电压集射电压 图图 2.12.1.5 5(a)(a)CCCEVv cCCCCERiVv=VVvCESCE3.02.0=特特 点点 集射等效电阻集射等效电阻 约为数百千欧约为数百千欧 等效为开关断开等效为开关断开 可变可变 约为数百欧姆约为数百欧姆 等效为开关闭合等效为开关闭合 2 三极管的开关时间三极管的开关时间 三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互
9、转换需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间。三极管的开关时间。设输入电压的高电平设输入电压的高电平VIH和低电平和低电平VIL满足下述条件：满足下述条件：截止饱和thILBEbBSIHVVVRIVIv CEvCi Bi CCV BEv Rb RcO Iv VIH VIL ICS 0.9ICS t t ts tf td O tr 0.1ICS Ci 设输入电压的高电平设输入电压的高电平VIH和低电平和低电平VIL满足下述条件：满足下述条件：截止饱和thILBEbBSIHVVVRIV O Iv VIH VIL I
10、CS 0.9ICS t t ts tf td O r 0.1ICS Ci 根据集电极电流波形，三极管的开关根据集电极电流波形，三极管的开关时间用下述参数描述：时间用下述参数描述：1)1)延迟时间延迟时间t td d：从正跳变开始到从：从正跳变开始到从0 0上升至上升至0.1I0.1ICSCS所需的时间；所需的时间；2)2)上升时间上升时间t tr r：从：从0.1I0.1ICSCS上升至上升至0.9I0.9ICSCS所需的时间；所需的时间；3)3)存储时间存储时间t ts s：从负跳变开始到从：从负跳变开始到从I ICSCS下降至下降至0.9I0.9ICSCS所需的时间；所需的时间；三极管的开
11、关时间一般为三极管的开关时间一般为ns数量级，并且数量级，并且toffton、tstf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。4）下降时间）下降时间t tf f：从：从0.9I0.9ICSCS下降至下降至0.1I0.1ICSCS所需的时间；所需的时间；5）开通时间）开通时间t tonon：从截止转换到饱和所需的时间，：从截止转换到饱和所需的时间，t tonon=t=td d+t+tr r；6）关闭时间）关闭时间toff：从饱和转换为截止所需的时间，：从饱和转换为截止所需的时间，toff=ts+tf。t 三极管的开关时间一般为三极管的开关时间一般
12、为ns数量级，并且数量级，并且toffton、tstf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷。时快速泄放存储电荷。1 TTL非门的工作原理5 CMOS 传输门/三态门/异或门饱和区de段：vI 1.TP1和TN1组成CMOS反相器，TN2和TN3与反相器配合驱动三极管TB1和TB2组成的推拉式输出电路，使TB1和TB2的基极信号相位相反。当 时，NMOS管截止，电容充电，充电时间常数大于放电时间常数，达100nS左右,故输出的
13、上升沿比下降沿慢。2三极管的开关作用特性输入高电平（VIH=3.三极管的开关时间一般为ns数量级，并且toffton、tstf。此时负载门的输入电流近似为输入短路电流-IIS,3 CMOS反相器的特性为了使P型衬底和源区及漏区间的PN结截止，P型衬底必须接电位最低的节点（通常是NMOS管的源极）。(2)输出低电平转换为高电平的传输延迟时间tPLH：从输入下降沿幅值的50%对应的时刻起，到输出上升沿幅值的50%对应的时刻止所需的时间。当C=1时，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合。74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、当输入电压为高电平，
14、使 ，使三极管工作在输出特性的B点，处于临界饱和状态。由于浓度不同，穿越PN结的电荷继续扩散，形成连续的正向电流。而74和54系列的区别仅是工作温度和电源电压的变化范围不同，其他相同。CMOS逻辑同样可以实现各种逻辑功能的门(与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门、同或门、漏极开路门等)VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）传输门的导通电阻小于1k。2.2 TTL门电路2.2.1 TTL非门的工作原理2.2.2 TTL非门的特性2.2.3 TTL与非门/或非门/与或非门2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门*2.2.5 TTL 门电路的产品系列
15、TTL-Transistor Transistor LogicTTLTTL有与、或、非、与非、或非、异或、同或、有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或非等逻辑门，它们的工作原理相似。与或非等逻辑门，它们的工作原理相似。2.2.1 TTL非门的工作原理非门的工作原理 图图 2.2.1 TTL 非门非门 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1.电路组成电路组成TTL门一般由3级组成：输入级、中间级和输出级输入级输入级：信号缓冲输入中间级：输出两个相位相反的倒相信号 中间级输出级输
16、出级：推拉式输出电路，无论输出高电平或低电平，输出级的输出电阻都很低，带负载能力强。2.2.1 TTL非门的工作原理非门的工作原理 图图 2.2.1 TTL 非门非门 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 1 1）输入低电平（）输入低电平（V VILIL=0.3 V=0.3 V）输入低电平时，输出为高电平。输入低电平时，输出为高电平。2.工作原理工作原理=0110YAYAAYVIL=0.3 V1 V0.4V5 V4.3 3.6VT T1 1深饱和深饱和T T2 2、T T5 5截止
17、截止T T3 3 临界饱和，临界饱和，T T4 4放大，形成射放大，形成射极输出器，输出电阻小。极输出器，输出电阻小。T T1 1深饱和深饱和T T2 2、T T5 5截止截止T T3 3 临界饱和，临界饱和，T T4 4放大，形成射放大，形成射极输出器，输出电阻小。极输出器，输出电阻小。图图 2.2.1 TTL 非门非门 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 输入高电平（输入高电平（VIH=3.6 V）mARVVIBCC131.25111=输入高电平，输出为低电平。输入高电平，输
18、出为低电平。VIH=3.6 V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.3T T2 2、T T5 5饱和饱和T T1 1处于倒置状态处于倒置状态T T3 3放大状态，放大状态，T T4 4截止截止综上所述，输入低电平综上所述，输入低电平时，输出为高电平；输时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低入高电平时，输出为低电平。实现了逻辑非电平。实现了逻辑非AY=无论输出低电平或是高电平，无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强。而且均很小，带负载能力强。而且T4和和T5总是一个导通、另一个就截总是一个导通、另一个就截止。止。图图 2.2.1
19、TTL 非门非门 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 3工作速度的提高工作速度的提高输入输入T1T2、T5T3T4输出低电平低电平深饱和深饱和截止截止临界饱和临界饱和放大(射极)高电平高电平倒置放大饱和放大截止低电平VIH=3.6 V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.31）vI:VIHVIL，T1放大 T1吸取T2管饱和时的超量存储电荷，使T2管快速脱离饱和，转换到截止状态。2）TTL门具有推拉输出级，其输出电阻很小，与分布电容形成的时间常数小，故输出状态转换快。2.2.2
20、 TTL非门的特性非门的特性1.电压传输特性电压传输特性截止区截止区ab段：段：vI0.5 V。T1饱和，饱和，VC1=+VCES10.6V,T2、T5截止，截止，T3和和T4组成复合管射极输出器，组成复合管射极输出器，vo=3.6V。线性区线性区bc段段:0.5 V vI 1.1 V。T1饱和，饱和，0.6VVC1=+VCES11.2V,T2处于放处于放大状态，大状态，T5仍然截止，仍然截止，T3和和T4仍然是射极输出器，仍然是射极输出器，vo随随vI线性减少，斜率为线性减少，斜率为T2级的放大倍数：级的放大倍数：1.232=RRdvdvIO 图图2.2.1 TTL非门非门 A VVCC5=
21、R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 转转折区折区cdcd段：段：1.2 V1.2 VvI1.3 V1.3 V。T T1 1饱和，饱和，1.3VV1.3VVC1C1=vI+V+VCES1CES11.4V,T1.4V,T5 5由截止进入放大状态由截止进入放大状态,T,T2 2、T T3 3和和T T4 4的状态同的状态同前。由于前。由于T T5 5集电极的等效电阻减小快，集电极的等效电阻减小快，vo急剧减少。转折急剧减少。转折区中点输入电压定义为门坎电压区中点输入电压定义为门坎电压V Vthth，约
22、为，约为1.3V1.3V。图图2.2.1 TTL非门非门 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 饱和区饱和区dede段：段：vI 1.4 V1.4 V。T T1 1处于倒置状态，处于倒置状态，T T2 2、T T5 5饱和，饱和，T T3 3放大状态，放大状态，T T4 4截止。截止。vo=0.3V=0.3V。设设 输出高电平值域：输出高电平值域：VVOHminOHmin，3.6V3.6V，V VOHminOHmin2V2V 输出低电平值域：输出低电平值域：0.1V0.1V，V V
23、OLmaxOLmax，V VOLmaxOLmax 0.5V 0.5V则由传输特性确定输入高、低电平的值域为则由传输特性确定输入高、低电平的值域为 输入低电平值域：输入低电平值域：0.0V,V0.0V,VILmaxILmax 输入高电平值域：输入高电平值域：VVIHminIHmin,5.0V,5.0VVILmax是对应于输出电平为是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）截止）VIHmin是对应于输出电平为是对应于输出电平为VOLmax的输入电平，亦称为开门电平（的输入电平，亦称为开门电平（T5饱和）饱和）2.输入噪声容限输入噪声容限定义定义
24、:对于对于TTLTTL反相器，反相器，在保证输出高电平在其值域内的条件下，输入低电在保证输出高电平在其值域内的条件下，输入低电平允许的干扰脉冲最大幅度称为低电平噪声容限平允许的干扰脉冲最大幅度称为低电平噪声容限VNL。同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为记为VNH。G G2 2门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为：门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为：VNL =VILmax-VOLmax G G2 2门输入高电平允许的干扰脉冲幅度为：门输入高电平允
25、许的干扰脉冲幅度为：VNH =VOHmin-VIHmin 适当选择适当选择VOLmax、VILmax、VIHmin 和和VOHmin，获得最佳的噪声容限，获得最佳的噪声容限一个门的输出常常是另一个门的输入，如图2.2.3所示。3.输入特性输入特性 输入特性有输入伏安特性和输入负载特性。输入特性有输入伏安特性和输入负载特性。1)输入伏安特性输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线输入电流与输入电压之间的关系曲线 图图2.2.1 TTL非门非门 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi O
26、v 当当 （即（即vI=VIL）时，）时，T1发射结导通，发射结导通，T2、T5截止，截止，max0ILIVv ISILccIImARVVi=6.13051I IISIS称为输入短路电流。称为输入短路电流。VvVIIH5min当当 （即（即vI=VIH）时，）时，T T1 1发射结截止，发射结截止，T T2 2、T T5 5饱和，其反向饱和，其反向电流即为高电平输入电流电流即为高电平输入电流I IIH IH,约为约为40A40A。当当 随随v vI I增加，即从增加，即从-1.6mA-1.6mA增加至增加至40A40A。IIHIILiVvV时，minmax 1 Ii 2 Iv(V)4 IIH=
27、40 A-IIS 0 VIL max Iv Ii-10mA -20mA 图2.2.4非门的输入伏安特性非门的输入伏安特性 VIH m in 称为关门（T5截止）电阻Roff。2）反向恢复时间tre：二极管从导通转为截止所需的时间，它由2段时间组成，即存储时间ts和渡越时间tt，tre=ts+tt。同时包含NMOS管和PMOS管的门电路称为互补对称MOS门电路，即CMOS门电路。饱和区de段：vI 1.6V,T2、T5截止，T3和T4组成复合管射极输出器，vo=3.3 CMOS反相器的特性1 MOS管的开关特性1 MOS管的开关特性1)延迟时间td：从正跳变开始到从0上升至0.5 TTL 门电路
28、的产品系列6V，VOHmin2V实际中希望并联。普通TTL门输出端不能并联！1)输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷。所以，R4的作用是限制输出电流。距PN结越远，电荷浓度越低；6V，VOHmin2V它的输出除了常规的高电平、低电平外，还有高阻抗状态。传输门和门电路组合可实现复杂的逻辑电路，例如，触发器、数据选择器等。2)输入负载特性输入负载特性 TTL门的输入端与参考电位之间接电阻门的输入端与参考电位之间接电阻R，输入电压与电阻之间的关系，输入电压与电阻之间的关系曲线称为输入负载特性。曲线称为输入负载特性。当电阻当
29、电阻R很小，使很小，使 时，时，maxILIVv A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RT1发射结导通，发射结导通，T2、T5截止。截止。kRRRRRVVvBECCI33.4)(11=对应于对应于vI=VIL=0.8V的电阻的电阻称为关门（称为关门（T5截止）电阻截止）电阻Roff。即当即当 时，时，RRoff Ron=2.0k时时T5饱和导通，故称饱和导通，故称Ron为开门电阻。为开门电阻。综上所述，当综上所述，当RRon时（包括时（包括R，即输入端悬，即输入端悬空），非门输出
30、低电平，即等效输入为高电平（逻辑空），非门输出低电平，即等效输入为高电平（逻辑1）A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov RI1 R R()Iv(V)0 Roff Ron 1.4 VILmax 当当RRon=2.0k时，由上式，时，由上式，VvI7.1T1集电结导通，集电结导通，T2、T5饱和，限制饱和，限制VvI4.14.输出特性：带上负载后，负载电流与输出电压的关系曲线输出特性：带上负载后，负载电流与输出电压的关系曲线。有低电平输出特性和高电平输出特性有低电平输出特性和高电平输出
31、特性 1）低电平输出特性）低电平输出特性 图图2.2.1 TTL 非门非门 A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 当输入为高电平（即当输入为高电平（即vI=VIH）时，输出为低电平。）时，输出为低电平。此时，此时，T4截止，截止，T2、T5饱和导通，等效电路如图饱和导通，等效电路如图2.2.6。T5可以吸入可以吸入负载电流，称为灌电流。负载电流，称为灌电流。CCV R3 T5 RL Li VOL 非门非门 图图 2.2.2.2.6 6 TTL TTL 门低电平输出等效电路门低电平输
32、出等效电路 T5饱和时，其集射极之间的等效电阻小（大约饱和时，其集射极之间的等效电阻小（大约20），），且基本不变，故输出电压随负载电流线性增加且基本不变，故输出电压随负载电流线性增加,低电平输出低电平输出特性如图特性如图2.2.7所示。所示。CCV R3 T5 RL Li VOL 非门非门 图图 2.2.2.2.6 6 TTL TTL门低电平输出电路门低电平输出电路 图图 2.2.2.2.7 TTL7 TTL门低电平输出特性门低电平输出特性 VOL(V)Li(mA)0 20 10 0.2 0.6 ILLmax VOLmax 2）高电平输出特性）高电平输出特性 图图2.2.1 TTL非门非门
33、A VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 N N P Iv Ii Oi Ov 输入低电平（即输入低电平（即vI=VIL）时，输出高电平。）时，输出高电平。此时，此时，T2、T5截止，截止，T3、T4组成射极输出器组成射极输出器,等效电路如图等效电路如图2.2.8。T4向负载输出电流，称为拉电流。向负载输出电流，称为拉电流。图图 2.2.8 TTL2.2.8 TTL 门高电平输出等效电路门高电平输出等效电路 CCV RL Li VOH 非门非门 T3 T4 R4 100 当负载电流较小（负载电阻大）时，由于射极输出器输当负
34、载电流较小（负载电阻大）时，由于射极输出器输出电阻小，输出电压基本不变。出电阻小，输出电压基本不变。当负载电流较大（负载电阻小）时，当负载电流较大（负载电阻小）时，R4上的电压较大，上的电压较大，使使T3、T4饱和，故输出电压基本上随负载电流线性下降。所饱和，故输出电压基本上随负载电流线性下降。所以，以，R4的作用是限制输出电流。的作用是限制输出电流。图图2.2.2.2.9 9 TTL TTL门高电平输出特性门高电平输出特性 VOH(V)Li(mA)0-1-2 2 4 图图 2.2.8 TTL2.2.8 TTL门高电平输出等效电路门高电平输出等效电路 CCV RL Li VOH 非门非门 T3
35、 T4 R4 100 5.扇出系数扇出系数驱动相同系列的驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数门的个数称为扇出系数,记为记为N。图图2.2.10 非门的扇出系数非门的扇出系数 1 1 1.G1 Ii 当驱动门当驱动门G G1 1输出低电平时，负载门的输入电流近似等于输出低电平时，负载门的输入电流近似等于输入短路电流输入短路电流I IISIS。如果如果G G1 1吸入的最大低电平电流为吸入的最大低电平电流为I ILLmaxLLmax，则驱动负载门，则驱动负载门的最大个数为：的最大个数为：1 Ii 2 Iv(V)4 IIH=40 A-IIS 0 VILmax Iv Ii-10mA -20mA 图
36、图 2.2.4 非门的输入伏安特性非门的输入伏安特性 VIHmin 图图 2.2.2.2.7 TTL7 TTL 门低电平输出特性门低电平输出特性 VOL(V)Li(mA)0 20 10 0.2 0.6 ILLmax VOLmax ISLLLIINmax=5.扇出系数扇出系数:驱动相同系列的驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数门的个数称为扇出系数,记为记为N。图图2.2.10 非门的扇出系数非门的扇出系数 1 1 1.G1 Ii 1 Ii 2 Iv(V)4 IIH=40 A-IIS 0 VILmax Iv Ii-10mA -20mA 图图 2.2.4 非门的输入伏安特性非门的输入伏安特性 V
37、IHmin 图图 2.2.2.2.7 TTL7 TTL 门低电平输出特性门低电平输出特性 VOL(V)Li(mA)0 20 10 0.2 0.6 ILLmax VOLmax 当驱动门当驱动门G1输出高电平时，负载门的输入电流近似等于高电输出高电平时，负载门的输入电流近似等于高电平输入电流平输入电流IIH。如果。如果G1输出的最大高电平电流为输出的最大高电平电流为ILHmax，则驱，则驱动负载门的最大个数为：动负载门的最大个数为：IHLHHIINmax=扇出系数为：扇出系数为：例如，例如，74H系列门电路的参数：系列门电路的参数：IIS=1.6mA,IIH=0.04mA,ILLmax=16mA,
38、ILHmax=0.4mA,则则=ISLLIHLHLHIIIINNNmaxmax,min,min106.116,04.04.0min,minmaxmax=ISLLIHLHIIIIN6.传输延迟时间传输延迟时间1 A Y A Y tPHL tPLH 50%50%(1)输出高电平转换为低电平的传输延迟时间输出高电平转换为低电平的传输延迟时间tPHL：从输入上：从输入上升沿幅值的升沿幅值的50%对应的时刻起，到输出下降沿幅值的对应的时刻起，到输出下降沿幅值的50%对应的时刻止所需的时间。在对应的时刻止所需的时间。在tPHL期间，期间，T5管由截止转换到管由截止转换到饱和，主要对应于饱和，主要对应于T5
39、管的开通时间。管的开通时间。2PLHPHLpdttt=(2)输出低电平转换为高电平的传输输出低电平转换为高电平的传输延迟时间延迟时间tPLH：从输入下降沿幅值的：从输入下降沿幅值的50%对应的时刻起，到输出上升沿对应的时刻起，到输出上升沿幅值的幅值的50%对应的时刻止所需的时对应的时刻止所需的时间。在间。在tPLH期间，期间，T5管由饱和转换到管由饱和转换到截止，主要对应于截止，主要对应于T5管的关断时间。管的关断时间。所 以，所 以，tP L H大 于大 于 tP H L。(3)平均传输延迟时间平均传输延迟时间tpd：2.2.3 TTL与非门与非门/或非门或非门/与或非门与或非门1TTL与非
40、门与非门 图图 2.2.12 TTL 与非门与非门 (a)电路电路 (b)多发射极三极管等效电路多发射极三极管等效电路（c）输入级等效电路）输入级等效电路 A B VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 b1 T2 T3 T4 T5 c1 A B T1 b1 c1 c1 b1 (a)(b)（c）A B c1 VVCC5=R1 3k X X 当当A A、B B都是高电平时，都是高电平时，T T1 1的个发射结都截止，的个发射结都截止，T T2 2、T T5 5饱饱和，输出低电平；和，输出低电平；当当A A、B B中任何一个为低电平时，中任何一个为低
41、电平时，T T1 1中与低电平相连的发射中与低电平相连的发射结导通，结导通，T T2 2、T T5 5截止，输出高电平；电路实现与非逻辑。截止，输出高电平；电路实现与非逻辑。ABY=X=AB 2TTL或非门或非门 图图2.2.13 TTL 或非或非门门 A R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 B T2 R1 3k VVCC5=(3)当当A为高电平时，为高电平时，T1的发的发射结截止，射结截止，T2、T5饱和，输饱和，输出低电平；出低电平；(1)当当A、B都是低电平时，都是低电平时，T1和和T1的发射结都导通，的发射结都导通，
42、T2、T2和和T5截止，输出高电平；截止，输出高电平；(2)当当B为高电平时，为高电平时，T1的发射结截止，的发射结截止，T2、T5饱和，输出低饱和，输出低电平；电平；(4)当当A和和B都为高电平时，都为高电平时，T1和和T1的发射结都截止，的发射结都截止，T2、T2、T5饱和，输出低饱和，输出低电平。电平。电路实现或非逻辑电路实现或非逻辑BAY=3TTL与或非门与或非门 图图 2.2.13 TTL 或非或非门门 A R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 B T2 R1 3k VVCC5=图图 2.2.14 TTL 与与或非门
43、或非门 A B R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 T1 C D T2 R1 3k VVCC5=X Z BAY=或非门电路比较可知，或非门电路比较可知，T1和和T1改为多发射极改为多发射极三极管，分别实现三极管，分别实现X=AB、Z=CD。所以。所以:CDABZXY=2.2.4 TTL 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门 图图 2.2.15 TTL 与非门并联与非门并联 -电路烧坏！电路烧坏！A B VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 C D VVC
44、C5=R1 3k R4 100 X R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 G1 G2 AB=0CD=1普通TTL门输出端不能并联！实际中希望并联。因为通过并联可以扩展或增强的路的功能。TTL 集电极开路门和三态门的输出端可以并联。集电极开路门和三态门的输出端可以并联。设输入电压的高电平VIH和低电平VIL满足下述条件：TP1和TN1组成CMOS反相器，TN2和TN3与反相器配合驱动三极管TB1和TB2组成的推拉式输出电路，使TB1和TB2的基极信号相位相反。2）反向恢复时间tre：二极管从导通转为截止所需的时间，它由2段时间组成，即存储时间ts和渡越时间tt，t
45、re=ts+tt。所以，R4的作用是限制输出电流。所以，R4的作用是限制输出电流。输入高电平，输出为低电平。当C=1时，NMOS和PMOS管总有一个导通，可以传递双向电流，等效为开关闭合。同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为VNH。5 TTL 门电路的产品系列输入高电平，输出为低电平。T4截止，T2、T5饱和导通，等效电路如图2.当EN=0(低电平)时，T7截止，T8饱和，导致T3、T4、T2和T5截止，输出电阻大，即为高阻态，记为X。5 TTL 门电路的产品系列N型衬底必须接电位最高的节点（通常是PMOS管的源极）。将两者组合则可
46、充分发挥各自的优势，组成性能优秀的BiCMOS门电路。因此，MOS管栅极电位被限制在-VF，VDD+VF提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷。T3 临界饱和，T4放大，形成射极输出器，输出电阻小。饱和区de段：vI 1.二极管通断转换的时间既是二极管的开关时间。符号符号“”表示集电极开路表示集电极开路,OC门正常使用时，必须外接电门正常使用时，必须外接电阻阻R，与，与T5形成反相器。整个电路实现与非逻辑功能形成反相器。整个电路实现与非逻辑功能ABY=OC OC与非门输出端可以并联，如图（与非门输出端可以并联，如图（b b）。只有）。只有Y Y1 1和和Y Y2
47、2同时为同时为高电平时，高电平时，Y Y才为高电平，即才为高电平，即Y=YY=Y1 1Y Y2 2，OCOC门的并联线实现逻辑门的并联线实现逻辑与，简称为线与。所以与，简称为线与。所以CDABCDABYYY=211.集电极开路门（集电极开路门（OC门门&CCV A B C D 1Oi R 图图2.2.18 OC与非门外接电阻的计算与非门外接电阻的计算 G1.1 1.Gn G1 Gm Oni 1Ii Imi Ri Ov)(IoCCRCCOminiRVRiVv=(1)当OC门输出高电平时，OC 门的输出电流为IOH（等于T5管的穿透电流）,负载门输入电流为IIH,min)()(OHIHOHCCIo
48、CCOVmInIRVminiRVv=minmaxmaxRmIIVVRISOLOLCC=maxminRmInIVVRIHOHOHCC=(2)当OC门输出低电平时，以及灌入一个OC 门的电流不超过其最大允许值IOLmax。此时负载门的输入电流近似为输入短路电流-IIS,maxmax)()(OLISOLCCIoCCOVmIIRVminiRVv=上拉电阻R的计算maxminRRR2.三态三态TTL门门 图图 2.2.19 TTL TSL 与非门与非门 A B VVCC5=R1 3k R4 100 Y R2 750 R3 360 R5 3k T1 T2 T3 T4 T5 EN R6 3k R7 T6 T
49、7 T8 TSL钳位电路钳位电路&EN&EN(a)(b)(c)三态门三态门,简称为简称为TSL门（门（Tristate Logic）。它的输出除了常）。它的输出除了常规的高电平、低电平外，还有高阻抗状态。规的高电平、低电平外，还有高阻抗状态。当当使能输入端使能输入端 EN=1(EN=1(高电平高电平)时，时，T T7 7饱和，饱和，T T8 8截止：截止：ABABENABY=1 当当EN=0(低电平低电平)时，时，T7截止，截止，T8饱和，导致饱和，导致T3、T4、T2和和T5截止，输出电阻大，即为高阻态，记为截止，输出电阻大，即为高阻态，记为X。“”表示表示3态输出态输出TSL门的应用门的应
50、用 X1XnijXXjji=EN=0，G1工作，输入EN=1，G2工作，输出*2.2.5 TTL 门电路的产品系列1。TTL门的产品系列号为：74/54、74H/54H、74S/54S、74LS/54LS、74AS/54AS和74ALS/54ALS。2。在系列号后的数字则是品种代号，品种代号相同的门功能相同。例如，7400和74H00都是2输入与非门，仅是系列不同。3。而74和54系列的区别仅是工作温度和电源电压的变化范围不同，其他相同。74系列的工作环境温度规定为070 oC 电源电压的工作范围是5V5%54系列的工作环境温度规定为-55-+125 oC 电源电压的工作范围是5V10%说明5
