1、1 第第 三三 章章集集 成成 门门 电电 路路 与与 触触 发发 器器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基础。物质基础。随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元随着微电子技术的发展，人们把实现各种逻辑功能的元器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封器件及其连线都集中制造在同一块半导体材料小片上，并封装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的装在一个壳体中，通过引线与外界联系，即构成所谓的集成集成电路块，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。采用集成电路进行数字系统设计的采用集成电
2、路进行数字系统设计的优点：优点：可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大可靠性高、可维性好、功耗低、成本低等优点，可以大大简化设计和调试过程。大简化设计和调试过程。3 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。4 3.1 数字集成电路的分数字集成电路的分类类 数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据数字集成电路通常按照所用半导体器件的不同或者根据集成规模的大小进行分类。集成规模的大小进行分类。
3、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 Transis
4、ter)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。5 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 Mete
5、l Oxide Semiconductor)；NMOS(N-channel Metel Oxide Semiconductor)；CMOS(Complement Metal OxideSemiconductor)。CMOS电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路电路应用较普遍，因为它不但适用于通用逻电路的设计，而且综合性能最好的设计，而且综合性能最好。6 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常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件通常根据一片集成电路芯片上包含的逻辑门个数或元件个数，分为个数，分为 SSI、MSI、LSI、VLSI。1.SSI(Small
6、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
7、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)。7 3.2 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性数字电路中的晶体二极管、三极管和数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管等器件一般是管等器件一般是以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的以开关方式运用的，其工作状态相当于相当于开关的“接通接通”与与“断开断开”。由于数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电由于数子系统中的半导体器件运用在开关频率十分高的电路中（通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至路中（通常开关状态变化的速度可高达每秒百万次数量级甚至千万次数量级），因此，研究这些
8、器件的开关特性时，不仅要千万次数量级），因此，研究这些器件的开关特性时，不仅要研究它们在导通与截止两种状态下的研究它们在导通与截止两种状态下的静止特性，静止特性，而且还要分析而且还要分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。8 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。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：门槛电压
9、门槛电压(UTH)：使二极管开始导通的正向电压，有时又称为使二极管开始导通的正向电压，有时又称为导通电压导通电压(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
10、 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。9 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：正向导通时可能因电流过大而导致二极管烧坏。组成正向导通时可能因电流
11、过大而导致二极管烧坏。组成实际电路时通常要串接一只电阻实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；反向电压超过某个极限值时，将使反向电流反向电压超过某个极限值时，将使反向电流IR突然猛突然猛增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为增，致使二极管被击穿（通常将该反向电压极限值称为反向击反向击穿电压穿电压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。10 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
12、状态下的等效电路如图(c)所所示，图中忽略了二极管的正向压降。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。11 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
13、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？12 实际过程如右图所示。实际过程如右图所示。图中：图中：0t1时刻：时
14、刻：输入输入正向导通电压正向导通电压 UF，二，二极管导通，电阻很小，极管导通，电阻很小，电路中的正向电流电路中的正向电流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时刻：时刻：输入电压由正向电压输入电压由正向电压UF 转为反向电压转为反向电压 UR，首先正，首先正向电流向电流IF 变到一个很大的反向电流变到一个很大的反向电流IR UR/R，该电流维持一段，该电流维持一段时间时间ts后开始逐渐下降，经过一段时间后开始逐渐下降，经过一段时间tt后下降到一个很小的数后下降到一个很小的数值值0.1IR
15、(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。13 产生反向恢复时间产生反向恢复时间tre 的原因？的原因？二极管外加正向电压二极管外加正向电压 UF 时，时，PN结两边的多数载流子不结两边的多数载流子不断向对方区域扩散，一方面使空间电荷区变窄，另一方面使相断向对方区域扩散，一方面使空间电荷区变窄，另一方面使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。当输入电压突然由正向电压当输入电压突然由正向电压UF变为反向电压变为反向电压UR时，时，PN结两边存储的载流子在反向电压作用下朝各自原来的方向运动，结两边存储的载流子在反向电压
16、作用下朝各自原来的方向运动，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。开始时空间电荷区依然很窄，二极管电阻很小，反向电流开始时空间电荷区依然很窄，二极管电阻很小，反向电流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。14 2.开通时间开通时间开通时间：
17、开通时间：二极管从反向截止到正向导通的时间称为开二极管从反向截止到正向导通的时间称为开通时间。通时间。由于由于PN结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正结在正向电压作用下空间电荷区迅速变窄，正向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都向电阻很小，因而它在导通过程中及导通以后，正向压降都很小，故电路中的正向电流很小，故电路中的正向电流IF UF/R。而且加入输入电压而且加入输入电压UF后，回路电流几乎是立即达到后，回路电流几乎是立即达到IF的最大值。的最大值。即：二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相即：二极管的开通时间很短，对开关速度影响很小，相对反向恢复时间而言几乎可以忽略
18、不计。对反向恢复时间而言几乎可以忽略不计。15 3.2.2 晶体三极管的开关特性晶体三极管的开关特性晶体三极管由集电结和发射结两个晶体三极管由集电结和发射结两个PN结构成。根据两结构成。根据两个个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种工作状种工作状态。态。一个用一个用NPN型共发射极晶体三极管组成的简单电路及其型共发射极晶体三极管组成的简单电路及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16 3.饱和状态饱和状态 uB 0，两个，两个PN结均为正偏，结均为正偏，iB IBS(基极临界饱和电流基极临界饱和电流)UCC/Rc
19、,此时此时iC=ICS(集电极饱和电流集电极饱和电流)UCC/Rc。三极管呈。三极管呈现低阻抗，类似于开关接通。现低阻抗，类似于开关接通。1.截止状态截止状态 uB0，两个，两个PN结均为反偏，结均为反偏，iB0,iC 0,uCE UCC。三极管。三极管呈现高阻抗，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 电 路 工 作该 电 路 工 作特点可归纳如下：特点可归纳如下：17 晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极晶体三极管在截止与饱和这两种稳态下的特性称为三极管的静态开关特性。管的静态开关
20、特性。在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的在数字逻辑电路中，三极管相当于一个由基极信号控制的无触点开关，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”。上述共发射极晶体三极管电路在三极管上述共发射极晶体三极管电路在三极管截止截止与与饱和饱和状态下状态下的等效电路如下图所示。的等效电路如下图所示。18 晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称为三极管的动态特性。称为三极管的动态特性。三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也存在着电荷三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也存在着电荷的
21、建立与消失过程。因此，两种状态的转换也需要一定的时间的建立与消失过程。因此，两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。才能完成。二动态特性二动态特性在图（在图（a）的输入端输入一个理想的矩）的输入端输入一个理想的矩形波电压，在理想情况下形波电压，在理想情况下 iC 和和uCE 的波形的波形应该如波形图中应该如波形图中(a)所示。但实际转换过程所示。但实际转换过程中中IC 和和UCE 的波形如波形图中（的波形如波形图中（b）所示，）所示，无论从截止转向导通还是从导通转向截止无论从截止转向导通还是从导通转向截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
22、性如下所示。所示电路的动态特性如下所示。19 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。经过延迟时间经过延迟时间td后，后，iC不断增大。不断增大。iC上升到最大值的上升到最大值的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
23、需要的时间。三极管从饱和状态到截止状态所需要的时间。当输入电压当输入电压ui由由+U2跳变到跳变到-U1时，集电极电流从时，集电极电流从ICS到开始到开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。20 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
24、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。21 工作特性如下：工作特性如下：当当uGS开启电压开启电压UT时：时：MOS管工作在截止区，漏源电流管工作在截止区，漏源电流IDS基本为基本为0，输出电压，输出电压uDS UDD，MOS管处于管处于“断开断开”状态，状态，其等效电路如图其等效电路如图(b)所示。所示。当当uGS开启电压开启电压UT时：时：MOS管工作在导通区，漏源电流管工作在导通区，漏源电流iD
25、S=UDD/(RD+rDS)。其中，。其中，rDS为为 MOS 管导通时的漏源电阻。管导通时的漏源电阻。输出电压输出电压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。22 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.当电压当电压ui由高变低，由高变低，MOS管由导通转换为截止时，电源管由导通
26、转换为截止时，电源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.当电压当电压ui由低变高，由低变高，MOS管由截止转换为导通时，杂散管由截止转换为导通时，杂散电容电容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。因为因为rDS比比RD小得多，因此，由截止到导通的转换时间比小得多，因此，由截止到导通的转换时间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。23 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比晶体三极管的饱和电阻电阻rCES要大得多，漏极外接电
27、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管的开管的开关速度比晶体三极管的开关速度低。关速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电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电电路中，由于充电电路和放电电路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使路，因此，其充、放电过程都比较快，从而使CMOS电路有电路有较高的开关速度。较高的开关速度。24 3.3逻逻 辑辑 门门 电电 路路实现基本逻辑运算和常用
28、复合逻辑运算的逻辑器件统称实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的逻辑器件统称为逻辑门电路，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。从实际应用的角度出发，下面主要介绍从实际应用的角度出发，下面主要介绍TTL集成逻辑门集成逻辑门和和CMOS集成逻辑门。集成逻辑门。学习时应重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，学习时应重点掌握集成逻辑门电路的功能和外部特性，以及器件的使用方法。对其内部结构和工作原理只要求作一以及器件的使用方法。对其内部结构和工作原理只要求作一般了解。般了解。25 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=0
29、V，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：A/VB/VY/V000.7030.7300.7333.7ABY000010100111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 26 二极管或门二极管或门分析可得：分析可得：A/VB/VY/V000032.3302.3332.3ABY000011101111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：
30、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 27 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“非非门门”。晶体三极管反相。晶体三极管反相器的电路图和逻辑符号器的电路图和逻辑符号如图如图(a)和图和图(b)所示所示。图中，负电源图中，负电源UB的作用是保证输入的作用是保证输入ui为低电平时晶体管为低电平时晶体管T能可靠截止。二极管能可靠截止。二极管DQ和电源和电源UQ组成钳位电路，使输出高电组成钳位电路，使输
31、出高电平稳定在规定的标准值平稳定在规定的标准值(3.2V)。电路中给定的参数可以保证当输入电路中给定的参数可以保证当输入ui为高电平为高电平3.2V时晶体管时晶体管T可靠饱和可靠饱和导通，输出电压导通，输出电压 uO=UCES 0.3V，为低电平；而当，为低电平；而当ui为低电平为低电平0.3V时，时，T可可靠截止，输出电压靠截止，输出电压uO等于钳位电源等于钳位电源UQ与钳位二极管与钳位二极管DQ的导通压降之和，即的导通压降之和，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
32、能。28 1.灌电流负载灌电流负载一个带有两个带灌一个带有两个带灌电流负载的晶体管反相电流负载的晶体管反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
33、相器流入负载。29 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
34、，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。30 2.拉电流负载拉电流负载一个带拉电流负载的晶体管反相器电路如下图所示。一个带拉电流负载的晶体管反相器电路如下图所示。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。31 三极管截止时，三极管截止时，Ic0，IRc=IL+IQ
35、，假设输出假设输出uo=3.2V不变，则不变，则 IRc=(UCC-3.2V)/Rc是一个定值。是一个定值。随着负载电流随着负载电流IL的增加，的增加，IQ必然减必然减小，当小，当IL IRc时，时，IQ 0，此时钳位二极，此时钳位二极管失去作用。若管失去作用。若IL 继续增大，则继续增大，则IRc 将不将不再是定值而是随之增大，从而使再是定值而是随之增大，从而使Rc上压上压降增大，致使输出电压降增大，致使输出电压uo降低。降低。因此，因此，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，
36、电流反相器输出为高，电流IL从反相器中从反相器中流出来，形成拉电流负载。流出来，形成拉电流负载。三极管三极管T饱和导通：饱和导通：输出低电平输出低电平uo 0.3V，IQ=0，IRc=IL+Ic，IL增大，增大，Ic变小，这有利于饱和。但要求变小，这有利于饱和。但要求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。32 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，使其集成度受到一电
37、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。定的限制，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。33 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
38、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。34(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：输入端全部接高电平输入端全部接高电
39、平(3.6V)：电源电源Ucc通过通过R1和和T1的集的集电结向电结向T2提供足够的基极电流，使提供足够的基极电流，使T2饱和导通。饱和导通。T2的发射极电的发射极电流在流在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)。实现了实现了“输入全高输入全高，输出为低，输出为低”的逻辑关的逻辑关系系35 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
40、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中至少有一个为低电平时，中至少有一个为低电平时，输出为高电平输出为高电平(3.6V)。输出与输入之间为输出与输入之间为“与非与非”逻辑，逻辑，即即F=A F=A B 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
41、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。36 2.主要外部特性参数主要外部特性参数TTL与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门与非门的主要外部特性参数有输出逻辑电平、开门电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空电平、关门电平、扇入系数、扇出系数、平均传输时延和空载功耗等。载功耗等。(2)输出低电平输出低电平VOL：输出低电平输出低电平VoL是指输入全为高电平是指输入全为高电平时的输出电平。时的输出电平。VOL的典型值是的典型值是0.3V，产品规范值为，产品规范值为VOL0.4V，标准低电平标准低电平VSL=0.4V
42、。(1)输出高电平输出高电平VOH：输出高电平输出高电平VOH是指至少有一个输入是指至少有一个输入端接低电平时的输出电平。端接低电平时的输出电平。VOH的典型值是的典型值是3.6V。产品规范值。产品规范值为为VOH2.4V，标准低电平，标准低电平VSH=2.4V。37(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
43、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。38(5)扇
44、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)输入短路电流输入短路电流IiS：输入短路电流输入短路电流IIs是指当与非门的某是指当与非门的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。在实际电路中，在实际电路中，IiS是流入前级与非门的灌电流，它的大小将直是流入前级与非门的
45、灌电流，它的大小将直接影响前级与非门的工作情况。输入短路电流的产品规范值接影响前级与非门的工作情况。输入短路电流的产品规范值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。39(8)高电平输入电流高电平输入电流IiH：高电平输入电流高电平输入电流IiH是指某一输入是指某一输入端接高电平，而其他输入端接地时，流入高电平输入端的电流，端接高电平，而其他输入端接
46、地时，流入高电平输入端的电流，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
47、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。40(10)空载功耗空载功耗P：空载功耗是当与非门空载时电源总电空载功耗是当与非门空载时电源总电流流ICC和电源电压和电源电压UCC的乘积。的乘积。输出为低电平时的功耗称为输出为低电平时的功耗称为空载导通功耗空载导通功耗PON，输出为，输出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)/
48、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。41 3.TTL与非门集成电路芯片与非门集成电路芯片TTL与非门集成电路芯片种类很多，常用的与非门集成电路芯片种类很多，常用的TTL与非与非门集成电路芯片有门集成电路芯片有7400和和7420等。等。7400的引脚分配图如图的引脚分配图如图(a)所示；所示；7420的引脚分配图如的引脚分配图如图图(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。42 43 44 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
49、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。45 46 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。47 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)集电极开路门（集电极开路门（Open Collector Gate）是一种输出端可）是一种输出端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门电路将一般门电路将一般TTL与非门电路的推拉式输出级改为与非门电路的推拉式输出级改为三极管集电极开路输出。下图给出了一个
50、集电极开路与非门三极管集电极开路输出。下图给出了一个集电极开路与非门的电路结构图和逻辑符号。的电路结构图和逻辑符号。48 注意！注意！集电极开路与非门只有在外接负载电阻集电极开路与非门只有在外接负载电阻RL和电和电源源UCC后才能正常工作。后才能正常工作。集电极开路与非门在计算机中应用很广泛，可以用它集电极开路与非门在计算机中应用很广泛，可以用它实现实现线与线与逻辑、电平转换以及直接驱动发光二极管、干逻辑、电平转换以及直接驱动发光二极管、干簧继电器等。簧继电器等。49 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
