1、数字电路逻辑设计第三章 集成逻辑门 本章主要介绍以下内容：晶体管的开关特性 TTL集成逻辑门 CMOS电路 对发射极耦合逻辑（ECL）和MOS逻辑门电路作一般性介绍。第一节第一节 晶体管开关特性晶体管开关特性 数字电路的基本细胞是晶体管，数字电路是数字电路的基本细胞是晶体管，数字电路是由千千万万个晶体管组成的。数字电路的工作由千千万万个晶体管组成的。数字电路的工作特性实际上取决于晶体管的特性。特性实际上取决于晶体管的特性。在数字电路中晶体管工作在开关状态，本章在数字电路中晶体管工作在开关状态，本章将简要介绍晶体管的开关特性，并介绍二极管限将简要介绍晶体管的开关特性，并介绍二极管限幅器、钳位器，
2、三极管反相器。幅器、钳位器，三极管反相器。一、一、PN 结特性结特性（一）、（一）、PN结的构成结的构成 半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空半导体材料经不同掺杂过程，可使其内部的电子和空穴的浓度各不相同。穴的浓度各不相同。浓度大的称为多数载流子，浓度小浓度大的称为多数载流子，浓度小的称为少数载流子。的称为少数载流子。多子为电子的是多子为电子的是N型材料；多子为空穴的是型材料；多子为空穴的是P型材料。型材料。晶体二极管和三极管由晶体二极管和三极管由P型和型和N型半导体材料复合而型半导体材料复合而成，成，P型和型和N型半导体材料贴在一起，其接合部称为结。型半导体材料贴在一起，其接合部称
3、为结。二极管有一个结，三极管有两个结。二极管有一个结，三极管有两个结。（二）、扩散电流和漂移电流（二）、扩散电流和漂移电流扩散电流：扩散电流：由于由于PN结两边载流子的结两边载流子的浓度差别浓度差别，载流子，载流子会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，它产生扩散电流。它产生扩散电流。漂移电流：漂移电流：由于由于电位差的存在电位差的存在，载流子在电场的作用下，载流子在电场的作用下产生的运动，称为漂移运动，它产生漂移电流。产生的运动，称为漂移运动，它产生漂移电流。电位差来自电位差来自外加电压外加电压和电荷积累构成的和电荷积累构成的内电场
4、内电场。流过流过PN结的结的总电流总电流=扩散电流扩散电流+漂移电流漂移电流（三）、外加电压对（三）、外加电压对PN结的影响结的影响 PN结的通断，流过结的通断，流过PN结的电流大小，与结的电流大小，与PN 结处的少结处的少子浓度有关，而少子浓度直接受子浓度有关，而少子浓度直接受PN结外加电压的影响，结外加电压的影响，因此我们分析一下外加电压的几种情况：因此我们分析一下外加电压的几种情况：无外加电压无外加电压：浓度造成的扩散和内电场造成的漂移浓度造成的扩散和内电场造成的漂移达到动态平衡，达到动态平衡，PN结面的净电荷为零，结面的净电荷为零，PN结没有电流流结没有电流流过。过。外加正向电压外加正
5、向电压：外加电场克服内电场，其形成的少子：外加电场克服内电场，其形成的少子运动与扩散运动一致，运动与扩散运动一致，PN结处少子浓度加大，有较大电结处少子浓度加大，有较大电流流过流流过PN结。结。外加反向电压外加反向电压：加强了内电场，抑制了扩散运动，：加强了内电场，抑制了扩散运动，PN结处少子浓度很低，只有很小的反向电流。结处少子浓度很低，只有很小的反向电流。三种情况下的少子浓度分布图见书。三种情况下的少子浓度分布图见书。这可用中俄边贸的情况作个比喻。这可用中俄边贸的情况作个比喻。（四）、（四）、PN结的电容效应结的电容效应 PN 复合结构可细复合结构可细分为两部分分为两部分，接合部附近称为结
6、，接合部附近称为结，也叫也叫空间电荷区空间电荷区。结两边的区域称为结两边的区域称为扩散区扩散区。在上述两区域内，离子电荷、载流子浓度随外加电在上述两区域内，离子电荷、载流子浓度随外加电压的变化而变化，是影响压的变化而变化，是影响PN结电流电压特性的根本原因。结电流电压特性的根本原因。这两个区域的变化过程类似于电容的充放电过程。这两个区域的变化过程类似于电容的充放电过程。空间空间电荷区等效为位垒电容，扩散区等效为扩散电容。电荷区等效为位垒电容，扩散区等效为扩散电容。了解了解PN结内部的变化过程，对理解二极管的开关特结内部的变化过程，对理解二极管的开关特性具有重要意义。性具有重要意义。二、二、晶体
7、二极管的开关特性晶体二极管的开关特性 二极管（就是一个二极管（就是一个PN结）具有单向导电性，理想二结）具有单向导电性，理想二极管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有极管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有一些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。一些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。（一）、二极管稳态开关特性（一）、二极管稳态开关特性 i=Is(e q v/(k T)-1)v=0时时 I=0；v为负时，为负时，I=-Isv为正时，为正时，I=Is e q v/(k T)理想/实际二极管：导通：端电压=0/VD截止：I=0/-IS（二）、瞬态开关特性（二）、瞬态
8、开关特性二极管瞬态开关特性的细节二极管瞬态开关特性的细节，同学们自己同学们自己再看一看，主要问题是：再看一看，主要问题是：反向恢复时间反向恢复时间是是影响二极管开关特性的影响二极管开关特性的主要因素主要因素、正向、正向恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的原因是原因是电电荷存储效应（外加正向电压时，非平衡荷存储效应（外加正向电压时，非平衡少子的积累少子的积累）。）。反向恢复时间与哪些因素有关？反向恢复时间与哪些因素有关？t r t s t f 的定义？的定义？（三（三）、晶体二极管开关参数）、晶体二极管开关参数 自己看书，应知道有哪些主要参数，它们的物
9、理意义自己看书，应知道有哪些主要参数，它们的物理意义取值的大致范围。比如：取值的大致范围。比如：最大正向电流最大正向电流、最大反向电压最大反向电压、反向电流反向电流和和反向恢复时间反向恢复时间等。等。三、三、晶体二极管限幅器及钳位器晶体二极管限幅器及钳位器（一）、二极管限幅器（一）、二极管限幅器 （掐头去尾）（掐头去尾）利用二极管的单向导通特性，限制某些信号的通过利用二极管的单向导通特性，限制某些信号的通过。1、串联限幅电路、串联限幅电路 串联限幅电路是指二极管处于与输入、输出首尾相连。串联限幅电路是指二极管处于与输入、输出首尾相连。可以上限幅、下限幅和双限幅。可以上限幅、下限幅和双限幅。串联
10、下限幅电路串联下限幅电路可调整限幅电平的下限幅电路可调整限幅电平的下限幅电路串联双限幅电路串联双限幅电路 V2 V1 理想二极管2、并联限幅电路、并联限幅电路 二极管处于与输出、输入相并的状态。二极管处于与输出、输入相并的状态。并联下限幅电路并联下限幅电路限幅电平可调的并联下限幅电路限幅电平可调的并联下限幅电路 双限幅的另一个例子是输入保护二极管限幅。双限幅的另一个例子是输入保护二极管限幅。并联双限幅电路并联双限幅电路 上述限幅器都假定二极管为理想二极管，限幅电路上述限幅器都假定二极管为理想二极管，限幅电路的的实际输出波形会差一些实际输出波形会差一些。比如：。比如：二极管正向二极管正向导通电阻
11、不为导通电阻不为0，输出电压，输出电压幅度幅度会由于分压而会由于分压而减小减小。二极管反向二极管反向截止电流不为截止电流不为 0，且，且有结电容有结电容输出电压会有输出电压会有残留波形残留波形。输出端容性负载或分布电容，对输出波形的影响：输出端容性负载或分布电容，对输出波形的影响：充电电阻小，放电电阻大充电电阻小，放电电阻大 对后沿影响较大。对后沿影响较大。（二）、二极管钳位器（二）、二极管钳位器 （挪上搬下）（挪上搬下）钳位器的作用是将输入波形的顶部或底部搬移到某钳位器的作用是将输入波形的顶部或底部搬移到某一电平处，不剪裁波形。一电平处，不剪裁波形。四、四、晶体三极管开关特性晶体三极管开关特
12、性 在数字电路中，三极管是作为开关使用的。在数字电路中，三极管是作为开关使用的。三极管三极管截止相当于开关断开；三极管饱和相当于开关闭合；因此截止相当于开关断开；三极管饱和相当于开关闭合；因此我们最关心三极管截止和饱和时的情况。我们最关心三极管截止和饱和时的情况。（一）、稳态开关特性一）、稳态开关特性 理想稳态开关特性：理想稳态开关特性：关态：关态：输入低电平，三极管截止，输入低电平，三极管截止，C、E极间无电流。极间无电流。IC等于等于0，输出为，输出为VCC。开态：开态：输入高电平，三极管导通，输入高电平，三极管导通，C、E极电压为零。极电压为零。IC等于等于 VCC/RC，输出为，输出为
13、0V。实际稳态开关特性：实际稳态开关特性：关态：关态：基极接负电压，集电结、发射结均反偏，基极接负电压，集电结、发射结均反偏，IC=ICBO 输出约等于输出约等于 VCC。C、E之间无导通电流。之间无导通电流。晶体三极管工作于截止区的说明见下图晶体三极管工作于截止区的说明见下图 发射极开路发射极开路 IE=0 基极开路基极开路 基极加反压基极加反压-VBO 开关理想断开开关理想断开 C、E之间有穿透之间有穿透 可使可使 IE=0，临界截止临界截止 但不实用，此时但不实用，此时 电流电流 ICEO 不可靠，使负压负于不可靠，使负压负于 IB=-ICBO 发射结正偏发射结正偏 VBO -VBO 才
14、可靠才可靠实际稳态开关特性：实际稳态开关特性：开态：开态：希望希望VC（即输出电压（即输出电压VO）接近于）接近于0V，应工作，应工作 在饱和区，在饱和区，C、E结电压最小。结电压最小。在放大区时，在放大区时，IB增加，增加，IC成成 倍增加，但随着倍增加，但随着IC的增加的增加VC逐渐逐渐下降，当达到下降，当达到VC =VB(硅管硅管约约0.7v）时，时，CE结零偏结零偏，称为，称为临界饱和临界饱和此时此时IB叫临界饱和基极电流叫临界饱和基极电流IBS，此时此时IC叫临界饱和集电极电流叫临界饱和集电极电流ICS。达到临界饱和之后，达到临界饱和之后，IB再增加再增加IC也增加不多了，进入饱和区
15、，随也增加不多了，进入饱和区，随着着IB增加，饱和深度增加，增加，饱和深度增加，VC有所有所降低，最低约降低，最低约0.3v(硅管硅管)。总之，晶体三极管的稳态开关特性要求总之，晶体三极管的稳态开关特性要求：1、关态应可靠截止关态应可靠截止，条件是：，条件是：发射结和集电结发射结和集电结均反偏均反偏 VB VE，VB VC 通常在基极接负电压。通常在基极接负电压。2、开态应可靠饱和开态应可靠饱和，条件是：，条件是：发射结和集电结发射结和集电结均正偏均正偏 VB VE，VB VC VCC VCE（SAT临临）ICS 使使IB I BS=RC 上述公式是今后我们判断饱和与放大的依据。上述公式是今后
16、我们判断饱和与放大的依据。判断工作状态的例题见书，自学！判断工作状态的例题见书，自学！（二）、瞬态开关特性（二）、瞬态开关特性 当晶体三极管发生由截止到饱和，或由饱和到截止当晶体三极管发生由截止到饱和，或由饱和到截止的状态翻转时，其工作特性称为瞬态特性。的状态翻转时，其工作特性称为瞬态特性。瞬态开关特性也分理想特性和实际特性，由于三极瞬态开关特性也分理想特性和实际特性，由于三极管也是管也是 PN 结结构，存在电荷的积累和消散的过程，仍可结结构，存在电荷的积累和消散的过程，仍可等效为位垒电容和扩散电容，所以状态转换不可能瞬间等效为位垒电容和扩散电容，所以状态转换不可能瞬间完完 成，要有一个过渡过
17、程。成，要有一个过渡过程。如下图所示，在状态转换过程中，存在着如下图所示，在状态转换过程中，存在着位垒电容位垒电容充电充电、扩散电容充电扩散电容充电、扩散电容放电扩散电容放电和位垒电容放电和位垒电容放电几几种过程。也定义了开通时间（延迟种过程。也定义了开通时间（延迟+上升）、上升）、关断时间关断时间（存储（存储+下降）几个参数，请看：下降）几个参数，请看：由上图可知：与理想瞬态开关特性相比，实际电路的由上图可知：与理想瞬态开关特性相比，实际电路的输出波形会发生畸变，边沿变差。作为定量分析，将波形输出波形会发生畸变，边沿变差。作为定量分析，将波形的畸变细分为：的畸变细分为：对上升沿对上升沿：三极
18、管从截止到导通，称为开通时间TON它包括：TON=TD+TR 延迟时间TD，主要对应位垒电容的充电过程。上升时间TR，主要对应扩散电容的充电过程。对下降沿对下降沿：三极管从导通到截止，称为关断时间TOFF它包括：TOFF=TS+TF 存储时间TS，主要对应扩散电容的放电过程。下降时间TF，主要对应位垒电容的放电过程。由于不同三极管的开通时间和关断时间不尽相同，为由于不同三极管的开通时间和关断时间不尽相同，为便于综合性的对比，常用便于综合性的对比，常用平均延迟时间平均延迟时间Tpd 来表示：来表示：影响瞬态特性的内部和外部因素有哪些？影响瞬态特性的内部和外部因素有哪些？（三）、晶体三极管的开关参
19、数（三）、晶体三极管的开关参数 由书第118页的参数表可见，开关参数分为稳态参数和瞬态参数：稳态开关参数：（饱和结压降、反向漏电流）ICBO、ICEO、VCE（SAT）和 VBE（SAT）瞬态开关参数：（延迟时间）ton 和 toff五、五、晶体三极管反相器晶体三极管反相器 顾名思义，反相器的作用是将输入信号顾名思义，反相器的作用是将输入信号极性求反极性求反，高高电平电平变低变低电平，电平，低低电平电平变高变高电平。电平。（一）、工作原理（一）、工作原理 根据反相的要求：根据反相的要求：当输入电压当输入电压VI为低电平为低电平VL时，输出时，输出VO应为高电平应为高电平VH；此时三极管应可靠截
20、止。此时三极管应可靠截止。当输入电压为高电平时，当输入电压为高电平时，输出应为低电平，此时三极管输出应为低电平，此时三极管应可靠饱和。应可靠饱和。如何才能如何才能“可靠可靠”呢？要呢？要合理地选择元件参数。合理地选择元件参数。1、可靠截止、可靠截止 使使B、E之间相当于开路。之间相当于开路。由等效电路，基极电压由等效电路，基极电压VBE为为 R1VBE=VL （VL+VBB）R1+R2为可靠截止，为可靠截止，VBE应小于等于应小于等于0，故应满足关系式：故应满足关系式：R1VL （VL+VBB）0 R1+R2可见可见VBB、R1加大，加大，R2减小对减小对截止有利。截止有利。2、可靠饱和、可靠
21、饱和 使使C、E间为饱和压降间为饱和压降 由等效图由等效图 IB=I1-I2 VH VBE（SAT）I1=R1 VBE（SAT）VBB I2=R2 VCC VCE（SAT）IBS=RC应使应使 IB IBS，我们定义饱和，我们定义饱和 IB系数系数 S=S大，饱和深大，饱和深 减小减小 R1，增大，增大 R2，IB IBS 对饱和有利。对饱和有利。将上述表达式代入将上述表达式代入 IB=S IBS 但对截止不利，两者矛盾。但对截止不利，两者矛盾。由反相器可靠截止、饱和的关系式，我们就可以设计由反相器可靠截止、饱和的关系式，我们就可以设计反相器基本电路了。反相器基本电路了。由于可靠饱和、可靠截止
22、对由于可靠饱和、可靠截止对R1、R2的要求相反，所的要求相反，所以选择以选择R1、R2时应兼顾两方面的要求。时应兼顾两方面的要求。书中举例说明选定元件的方法，自己看一看。书中举例说明选定元件的方法，自己看一看。计算元件参数的题目，无外是给定一部分参数，利计算元件参数的题目，无外是给定一部分参数，利用上述关系式计算其他参数，应理解了公式的推导过程，用上述关系式计算其他参数，应理解了公式的推导过程，不要死记硬背。不要死记硬背。在保证电路稳态参数（可靠截止、饱和）的同时，在保证电路稳态参数（可靠截止、饱和）的同时，应注意到：深度的饱和和截止，会对反相器的瞬态开关应注意到：深度的饱和和截止，会对反相器
23、的瞬态开关特性产生不利的影响，使开通时间和关断时间加长，设特性产生不利的影响，使开通时间和关断时间加长，设计时应全面考虑。计时应全面考虑。（二）、提高开关速度的两种方法（二）、提高开关速度的两种方法 由于晶体三极管有位垒电容和扩散电容，在加上外部电由于晶体三极管有位垒电容和扩散电容，在加上外部电的分布电容、负载电容，所以输出波形失真，时间延的分布电容、负载电容，所以输出波形失真，时间延迟，为提高反相器的开关速度，可采用以下两种方法：迟，为提高反相器的开关速度，可采用以下两种方法：1、基极加速电容法、基极加速电容法 对对 输入信号输入信号进行处理，进行处理，加大瞬间电压幅度，缩短时间。加大瞬间电
24、压幅度，缩短时间。2、钳位二极管法、钳位二极管法 对对输出信号输出信号加以处理，利用电容充电的起始部分比加以处理，利用电容充电的起始部分比较陡峭的特点，改善输出信号的上升沿较陡峭的特点，改善输出信号的上升沿。输出波形上升时间的对比输出波形上升时间的对比 由图可知：Vc1应为所需要的幅值不采用钳位二极管时，最终电压为任何值，上升时间都是相同的。Tr=o.23RcC0采用钳位二极管时，需用高低两组电源，高拉低走，能够达到改善输出波形的目的。VccTr=RcC0 ln-Vcc-Vc1（三）、反相器的带负载能力（三）、反相器的带负载能力 负载能力是指当负载发生变化时，输出电路能够保证其输出指标不变的能
25、力。先说明几个概念：灌电流：流入反相器的负载电流，叫灌电流 Ioi。产生灌电流的负载叫灌流负载。拉电流：流出反相器的负载电流，叫拉电流 Iop。产生拉电流的负载叫拉流负载。负载能力可用保证反相器正常工作条件下的最大灌流IoI M和最大拉流IopM表示。1、带灌流负载的能力、带灌流负载的能力 (1)三极管饱和时的灌流负载三极管饱和时的灌流负载 Ic=IRC+IOI 灌电流加大，IC 加大，饱和 深度减小，过大则退出饱和。因此应满足：IC =IRC+IOI IB 即 IOIM IB VCC/RC 进一步推论：三极管饱和程度越深，IOI 加大使IC加大后，退出饱和 的可能性越小，负载能力越 强。另外
26、，还要满足另外，还要满足 IC=IRC+IOIM ICM 以免损坏三极管。以免损坏三极管。ICM为集电极最大额定电流为集电极最大额定电流。（2）三极管截止时的灌流负载）三极管截止时的灌流负载 灌电流全部流入钳位二极管，只要不超过二极管的灌电流全部流入钳位二极管，只要不超过二极管的允许的最大值即可，通常负载能力很强。允许的最大值即可，通常负载能力很强。2、带拉流负载的能力、带拉流负载的能力 （1）三极管饱和时拉流负载）三极管饱和时拉流负载 IOP=IRC-IC IRC不变，不变，IOP越大，越大，IC越小，越小，有利于饱和，负载能力强。有利于饱和，负载能力强。IOPM VCC/RC （2）三极管
27、截止时拉流负载）三极管截止时拉流负载 IRC=IDC1 +IOP IRC一定，IOP越大，IDC1越 小，应保证钳位二极管的 正向导通电流，使其起到 钳位作用。其中：VCC-VC1 IRC=RC 总之 VCC-VC1 IOPM RC 第二节第二节 逻辑门电路逻辑门电路 基本的逻辑关系是与或非，一个复杂的逻辑函数是基本的逻辑关系是与或非，一个复杂的逻辑函数是由这些基本关系组合而成的。由这些基本关系组合而成的。基本的逻辑门是与或非门，一个复杂的逻辑电路是基本的逻辑门是与或非门，一个复杂的逻辑电路是由这些基本逻辑门连接成的。由这些基本逻辑门连接成的。门电路是逻辑关系的基本硬件单元。按制作工艺的门电路
28、是逻辑关系的基本硬件单元。按制作工艺的不同，可分为双极型逻辑门和不同，可分为双极型逻辑门和MOS型逻辑门。型逻辑门。本章主要介绍两种工艺的代表类型：本章主要介绍两种工艺的代表类型：TTL集成逻辑集成逻辑门和门和CMOS逻辑门。逻辑门。一、一、分立元件门电路分立元件门电路 （一）、二极管门电路（一）、二极管门电路 首先看由二极管构成的“与门”和“或门”：这种门电路串联使用时，高低电平会逐步提高。是一大缺点。下图是二极管或门，它的缺点是串联使用时，高低电下图是二极管或门，它的缺点是串联使用时，高低电平将逐步降低。平将逐步降低。从逻辑功能上，二极管实现从逻辑功能上，二极管实现“与门与门”、“或门或门
29、”是没是没有问题的。但都有一个问题，不利于串联使用。有问题的。但都有一个问题，不利于串联使用。书中讲了一下书中讲了一下正负逻辑问题正负逻辑问题，其，其结论结论是：是：如果我们对同一逻辑问题，采用完全相反的两种定义如果我们对同一逻辑问题，采用完全相反的两种定义方式，一种叫正逻辑，另一种叫负逻辑，方式，一种叫正逻辑，另一种叫负逻辑，则正逻辑的与则正逻辑的与等于负逻辑的或，正逻辑的或等于负逻辑的与。等于负逻辑的或，正逻辑的或等于负逻辑的与。例如例如：通常我们将：通常我们将高高电平定义为电平定义为1，低低电平定义为电平定义为0，此为此为正逻辑正逻辑。如果将。如果将高高电平定义为电平定义为0，低低电平定
30、义为电平定义为1，则称为则称为负逻辑负逻辑。有一实际逻辑电路，其特点是输入有低电平时，输出有一实际逻辑电路，其特点是输入有低电平时，输出为低电平。可描述为：为低电平。可描述为：对对正逻辑正逻辑来说，输入来说，输入有有低低0，则则输出为低输出为低0。（。（与关系与关系）对对负逻辑负逻辑来说，输入来说，输入有有低低1，则则输出为低输出为低1。（。（或关系或关系）（二）、三极管门电路（二）、三极管门电路 下图就是前面讲过的具有基极加速电容和钳位二极管下图就是前面讲过的具有基极加速电容和钳位二极管的三极管反相器电路，它就是一个的三极管反相器电路，它就是一个“非门非门”。三极管反相器电路常常作为门电路的
31、输出级。下图是三极管反相器电路常常作为门电路的输出级。下图是将二极管与门和三极管反相器串联，构成将二极管与门和三极管反相器串联，构成“与非门与非门”，由，由于是二极管（于是二极管（Diode）串联三极管（）串联三极管（Transistor）的结构，）的结构，称为称为DTL 电路。电路。L=(Logic)功能表、真值表见书功能表、真值表见书P140DTL 或非门或非门 二、二、TTL集成逻辑门集成逻辑门 DTL电路的缺点是速度较慢，早已被晶体管电路的缺点是速度较慢，早已被晶体管晶体晶体管逻辑管逻辑TTL（Transistor-Transistor-Logic）电路所取代。）电路所取代。目前，我们
32、使用的目前，我们使用的TTL门电路和中、小规模集成电路门电路和中、小规模集成电路以以74/54系列为主，包括做实验时所使用的芯片，都是这系列为主，包括做实验时所使用的芯片，都是这一系列产品。一系列产品。74/54 系列又根据功耗的大小，速度的快慢等分为几系列又根据功耗的大小，速度的快慢等分为几个子系列，如个子系列，如74SXX、74LSXX、74ALSXX、74HXX和和74FXX等等。等等。（一）、（一）、TTL门电路门电路 我们以我们以TTL与非门电路为例，分析一下与非门电路为例，分析一下TTL电路的特电路的特点，特别是输出级的结构，因为大多数点，特别是输出级的结构，因为大多数TTL门电路
33、的输门电路的输出级都是这种结构。出级都是这种结构。5vABC任一任一 1v 2.1v 1v为为0.3v 0.4v 1.4v 3.6v 0.7v 0.3v 0v ABC均均 3.6v1、与非门内部电路和原理、与非门内部电路和原理2、推拉输出电路和多发射极输入、推拉输出电路和多发射极输入 推拉输出电路推拉输出电路：推拉输出因推拉输出因T3和和T4你通我止，你止我通而得名。它你通我止，你止我通而得名。它也叫图腾柱（也叫图腾柱（Totem pole）输出，有源上拉电路（）输出，有源上拉电路（Active pull-up）。）。本推拉输出电路由本推拉输出电路由T4、T3、D4及及R4组成，它的特点组成，
34、它的特点是无论输出电平是高是低，输出阻抗始终较低，是无论输出电平是高是低，输出阻抗始终较低，负载能负载能力强。力强。同时，电路同时，电路转换速度快。转换速度快。此电路相当于反相器电路有一个此电路相当于反相器电路有一个阻值可变阻值可变的集电极电的集电极电阻阻RC，三极管，三极管饱和时变大饱和时变大，有利于加大饱和程度，降低，有利于加大饱和程度，降低输出电压；三极管输出电压；三极管截止时变小截止时变小，有利于三极管退出饱和，有利于三极管退出饱和，降低高电平输出阻抗。降低高电平输出阻抗。多发射极三极管多发射极三极管 多发射极三极管多发射极三极管作为作为“与与”输入代替二极管与门。输入代替二极管与门。
35、有利于提高开关速度有利于提高开关速度：输入端全为高电平时，输入端全为高电平时，T1处于倒置放大状态，处于倒置放大状态，T2、T4饱和。当输入端有低电平出现时，饱和。当输入端有低电平出现时，T1变为正常放大状变为正常放大状态，会产生较大的集电极电流态，会产生较大的集电极电流 IC1，该电流就是，该电流就是T2的基极的基极反向电流，使反向电流，使T2迅速退出饱和而截止。进而使迅速退出饱和而截止。进而使T3导通，导通，相当于相当于T4的负载电阻减小，的负载电阻减小，IC4瞬间加大，加速瞬间加大，加速T4退出饱退出饱和。和。全过程：全过程：IC1 IB2 T2截止截止 VC2=VB3 T3导通导通 I
36、C4 T4截止截止 提高与非门的速度，主要是提高输出管提高与非门的速度，主要是提高输出管 T4、T2从饱从饱和到截止的转换速度。和到截止的转换速度。（二）、（二）、TTL与非门的主要外部特性与非门的主要外部特性 1、电压传输特性、电压传输特性 V0 随随 Vi 变化的规律变化的规律 ab段：截止区 Vi1.3v以后，T4 开始导通，V0加速下降。de段：饱和区 VI增大，T4饱和。TTL与非门的几个主要参数与非门的几个主要参数 (1)输出逻辑高电平输出逻辑高电平VOH：截止区对应的输出电平。截止区对应的输出电平。输出逻辑低电平输出逻辑低电平VOL：饱和区对应的输出电平。饱和区对应的输出电平。(
37、2)额定逻辑高电平额定逻辑高电平VSH=3v 额定逻辑低电平额定逻辑低电平VSL=0.35V (3)开门电平开门电平Von 在保证输出为在保证输出为VSL的条件下，允许的条件下，允许的的输入高电平的最小值输入高电平的最小值。一般一般Von 1.8v 关门电平关门电平Voff 在保证输出为在保证输出为VSH的的90%的条件下，的条件下，允许的允许的输入低电平的最大值输入低电平的最大值。一般一般Voff 0.8v 阈值电平阈值电平Vth 转折区中点对应的输入电压转折区中点对应的输入电压 (3)噪声容限噪声容限 当输入低电平处于标准输入低电平当输入低电平处于标准输入低电平VIL和和Voff之间时，之
38、间时，输出高电平可以得到保障，此区间称为输出高电平可以得到保障，此区间称为低电平噪声容限低电平噪声容限:VNL=Voff-VIL 当输入高电平处于当输入高电平处于Von和标准输入高电平和标准输入高电平VIH之间时，之间时，输出低电平可以得到保障，此区间称为输出低电平可以得到保障，此区间称为高电平噪声容限高电平噪声容限。VNH=VIH-Von 由表达式可见，由表达式可见，Voff越大，越大，Von越小（或两者越接近）越小（或两者越接近）噪声容限越大，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。2、TTL与非门输入特性与非门输入特性 输入电压与输入电流的关系输入电压与输入电流的关系 VI=0 时
39、，I i=I IS,称为输入短路电流。与 非门的I IS 是前级的负载灌电流，约1.6mA AB段：T4截止，T1饱和，T2先截止后导 通，I i 较大，略有减小。BC段：T4开始导通，T1 倒置放大态，电流反向 且减小。输入输入端直接端直接接地接地，是输入恒为低电平的情况。得到，是输入恒为低电平的情况。得到输入短路电流输入短路电流。有时将输入端下拉一个电阻有时将输入端下拉一个电阻RI接地，一般作为缺省接地，一般作为缺省低电平。要注意低电平。要注意RI的取值，只有的取值，只有RI在小于某一阻值时，在小于某一阻值时，才能保证输入低电平小于才能保证输入低电平小于Voff。如果如果RI值大于某一数值
40、，即使接地，也不能保证输值大于某一数值，即使接地，也不能保证输出高电平的幅度。出高电平的幅度。输入下拉电阻取值分析电路图如下，推导自己看看。输入下拉电阻取值分析电路图如下，推导自己看看。RI越大，P点向右方移动 Ii 减小，VI加大，不能大于关 门电平。來自來自 中国最大的资料库下载中国最大的资料库下载RI 对对 T4 饱和的影响饱和的影响 IB1一定，Ii大，则IB2小 2.1v V00 1.4v Ii=1.4v/Ri Ri不能太小 多余输入端的接法：为避免串入干扰，不用的输多余输入端的接法：为避免串入干扰，不用的输入不应悬空。入不应悬空。接为无效电平或并联使用。接为无效电平或并联使用。3、
41、TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 灌电流越大，饱和灌电流越大，饱和 拉电流越大，饱拉电流越大，饱 程度越轻，输出程度越轻，输出V0 和加深，和加深，V0下降下降 加大。加大。4、平均延迟时间、平均延迟时间tpd 第三章已讲过了，是一个综合速度参数。第三章已讲过了，是一个综合速度参数。5、空载功耗、空载功耗 P=VCC IE 与非门不接负载时，电源电压与电源总电流的乘积与非门不接负载时，电源电压与电源总电流的乘积称为空载功耗。称为空载功耗。分两种情况：分两种情况：空载导通功耗空载导通功耗PL：输出低电平，：输出低电平，T4饱和（饱和（T1倒置，倒置，T2导通，导通，T3、D4截止），计算见
42、书截止），计算见书P155，约为约为16mw。空载截止功耗空载截止功耗PH：输出高电平，：输出高电平，T4截止（截止（T1饱和，饱和，T2截止，截止，T3、D4导通），计算见书导通），计算见书P155，约为约为5mw。平均功耗平均功耗 P=（PL+PH）/2 约为约为10mw。TTL与非门稳定在开态或关态时，截止时总电流较小与非门稳定在开态或关态时，截止时总电流较小而饱和时总电流较大，因为截止时而饱和时总电流较大，因为截止时T2、T4无电流。无电流。值得注意的是，在开关状态转换的瞬间，由于所值得注意的是，在开关状态转换的瞬间，由于所有管子都处于导通状态，瞬间总电流很大，约有管子都处于导通状态，
43、瞬间总电流很大，约32mA。因此：因此：考虑极限电流时，不能只计算稳态电流。考虑极限电流时，不能只计算稳态电流。工作频率高，转换次数多，瞬时功耗大，散热问题工作频率高，转换次数多，瞬时功耗大，散热问题。6、其他参数、其他参数 （1）输入漏电流）输入漏电流（高电平输入电流）（高电平输入电流）IIH （a）所有输入端均接高）所有输入端均接高 T1倒置放大倒置放大，IIH=i IB1 其中其中 i 为倒置放大为倒置放大倍数，很小，约倍数，很小，约0.05，所以所以IIH很小。（很小。（IIH指流过接高输指流过接高输入端的电流）入端的电流）(b)输入端有高有低输入端有高有低 因有高电平输入，仍可与基极
44、，集电极构成倒置放因有高电平输入，仍可与基极，集电极构成倒置放大，所以倒置放大电流仍存在大，所以倒置放大电流仍存在 i IB1。另外，高电平输入端（作为集电极）、基极和低电平另外，高电平输入端（作为集电极）、基极和低电平输入端（作为发射极）构成寄生晶体管，放大倍数为输入端（作为发射极）构成寄生晶体管，放大倍数为 j,j值也很小。值也很小。总之，总之，IIH=（I+j）IB1 约约50输入漏电流示意图输入漏电流示意图 总之，输入漏电流是前级门电路的拉流负载，漏电总之，输入漏电流是前级门电路的拉流负载，漏电流太大，会使前级输出高电平幅度下降。流太大，会使前级输出高电平幅度下降。(2)扇入、扇出系数
45、扇入、扇出系数 扇入指输入端的个数。扇入指输入端的个数。扇出是指一个输出端，在保证输出低电平扇出是指一个输出端，在保证输出低电平VOL不大于不大于0.35v的条件下，能驱动同类门的最多个数。用的条件下，能驱动同类门的最多个数。用N0表示。表示。IOMAX IOMAX为为VOL 0.35V的最大灌流的最大灌流 N0=IIS IIS为输入短路电流为输入短路电流 通常通常 NO 8 （三）、（三）、TTL或非门、异或门、或非门、异或门、OC门和三态门门和三态门 1、TTL或非门或非门2、TTL异或门异或门 P X W Y=W W=P+X P=AB Y=AB +AB X=AB 3、集电极开路的、集电极
46、开路的TTL与非门（与非门（OC门）门）线与：如果电路的两个输出端可以直接连在一起使线与：如果电路的两个输出端可以直接连在一起使用完成逻辑与的功能，叫线与。例如：用完成逻辑与的功能，叫线与。例如：注意：并不是所有的输出端都可以实现线与注意：并不是所有的输出端都可以实现线与 如图腾输出的门电路，如果输出线与，有可如图腾输出的门电路，如果输出线与，有可 能因存在低阻回路而损坏电路。能因存在低阻回路而损坏电路。为使为使TTL门也能线与，门也能线与，直接将直接将T4的集电极引出，的集电极引出，即集电极开路（即集电极开路（OC），），去掉去掉T3、D4，由外电路提供，由外电路提供RC电阻。电阻。OC门电
47、路可以实现线与，高电压、大电流的驱动能力门电路可以实现线与，高电压、大电流的驱动能力很强，但失去了推拉输出速度快的优点。很强，但失去了推拉输出速度快的优点。OC门的并联（线与）使用举例门的并联（线与）使用举例 RC的取值要考虑输出高电平的取值要考虑输出高电平时，内阻不要太大，还要考虑输时，内阻不要太大，还要考虑输出低电平能否足够低（饱和深度）出低电平能否足够低（饱和深度）使用使用OC门时，门时，别忘了外加拉别忘了外加拉 高电阻高电阻RC。那是你要做的事！那是你要做的事！4、三态输出门、三态输出门 三态三态：电路输出端可以处于三种状态：电路输出端可以处于三种状态：高电平、低电高电平、低电平平和和
48、悬空态悬空态。推拉输出的特点是推拉输出的特点是T3、T4轮流导通，如果我们使轮流导通，如果我们使T3、T4全都截止全都截止，则输出端处于，则输出端处于悬空态悬空态，也称，也称高阻态高阻态。EN为高，一切如常，为高，一切如常，EN为低，为低，T3，T4全断全断 Y如风筝断线。如风筝断线。（四）、其他系列（四）、其他系列TTL门电路门电路 除前面分析的除前面分析的74XX标准系列外，标准系列外，TTL门电路还有其他门电路还有其他几个系列，主要区别在于功耗的大小，速度的快慢。几个系列，主要区别在于功耗的大小，速度的快慢。功耗和速度指标是相互制约的，功耗和速度指标是相互制约的，通常用功耗通常用功耗-延
49、迟积延迟积（pd积，越小越好）来综合评价门电路的性能。积，越小越好）来综合评价门电路的性能。为提高速度，常用的改善方法是：为提高速度，常用的改善方法是：减小电阻值，以减小时间常数减小电阻值，以减小时间常数 采用达林顿管代替采用达林顿管代替T3、D4，降低输出电阻，加大电流。，降低输出电阻，加大电流。输出管的基极采用有源泄放回路。输出管的基极采用有源泄放回路。采用抗饱和二极管、三极管降低饱和程度。采用抗饱和二极管、三极管降低饱和程度。其他方法其他方法 74LSXX系列是最常用的、系列是最常用的、pd积较小的一种积较小的一种TTL门电门电路，性能价格也比较高。路，性能价格也比较高。74 H XX系
50、列与非门电路系列与非门电路74 S XX系列与非门电路系列与非门电路74LSXX系列与非门电路系列与非门电路 三、三、发射极耦合逻辑（发射极耦合逻辑（ECL）门）门 了解基本原理了解基本原理 主要特点：主要特点：ECL 门的优点是速度快，因为它不用饱和态。另一优点是工作电流平稳，没有动态尖峰。ECL 门的缺点是高、低电平太接近（约0.8V）抗干扰能力差。另一个缺点是功耗较大。附：集成注入逻辑（I2L）也叫合并型晶体管逻辑（MTL），其优点是以恒流源供电的非门为基本单元，电路结构简单，集成度高、功耗较低，延迟小，速度快。缺点是高低电平摆幅较小，约0.6V，抗干扰能力差。四、四、MOS逻辑门逻辑门
