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你可能喜欢第三章 门电路内容提要：本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元－－门电 路，有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极 管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它们 的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等， 为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点 讨论TTL门电路和CMOS门电路。本章主要内容3.1 概述 3.2 半导体二极管门电路3.3 CMOS门电路3.4* 其他类型的MOS集成门电路3.5 TTL门电路3.6* 其他类型的
双极型集成门电路3.7* Bi－CMOS电路3.8* TTL门电路与CMOS门电路的接口3.1 概述1. 门电路： 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门 电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或 门、与或非门等 2. 正负逻辑系统 (1) 正逻辑： 在二值逻辑中，如果 用高电平表示逻辑“1” ， 低电平表示逻辑“0” ，在 这种规定下的逻辑关系称 为正逻辑，如图3.1.1所示图3.1.1 正负逻辑示意图3.1 概述(2) 负逻辑：在二值逻辑中，如果 用高电平表示逻辑“0” ， 低电平表示逻辑“1” ，在 这种规定下的逻辑关系称 为负逻辑，如图3.1.1所示。图3.1.1 正负逻辑示意图同一逻辑电路采用不同的逻辑关系，其逻 辑功能是完全不同的，如表3.1.1正负逻辑对应 的逻辑电路中英文日报导航站
3.1 概述由表中可以看出正负逻辑式互为对偶式， 即若给出一个正逻辑的逻辑 式，则对偶式即为负逻辑的 逻辑式，如正逻辑为或门， 即Y=A+B，对偶式为YD＝ AB。正负逻辑的使用依个人 的习惯，但同一系统中采用 一种逻辑关系，本书采用表3.1.1 正负逻辑对应的门电路 正逻辑 与门 或门 与非门 或非门 异或门 同或门 负逻辑 或门 与门 或非门 与非门 同或门 异或门正逻辑中英文日报导航站
3.1 概述3. 高低电平的实现 在数字电路中，输入输出 都是二值逻辑，其高低电平用 “0”和“1”表示。其高低电平 的获得是通过开关电路来实现， 如二极管或三极管电路组成。 如图3.1.2所示。 图3.1.2 高低电平实现原理电路 其原理为： 当开关S断开时，输出电压vo＝Vcc，为高电平“1”； 当开关闭合时，输出电压vo＝0，为低电平“0”；若开 关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状 态，就相当开关S的断开和闭合。 中英文日报导航站3.1 概述单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路 （如CMOS门电路），即用一个管子代替图3.1.2中的电 阻，如图3.1.3所示Vcc S1输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号S2图3.1.3 互补开关电路图3.1.2高低电平实现原理电路 中英文日报导航站3.1 概述Vcc互补开关电路的原理为 开关S1和S2受同一输入 信号vI的控制，而且导通和 断开的状态相反。当S1闭合 时，S2断开，输出为高电平 “1”；相反当S1断开时，S2 闭合，输出为高电平“0”。S1输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号S2图3.1.3 互补开关电路互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的， 流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字 电路中得到广泛的应用3.1 概述4. 数字电路的概述 （1）优点： 在数字电路中由于采 用高低电平，并且高低电 平都有一个允许的范围， 如图3.1.1所示，故对元器 件的精度和电源的稳定性 的要求都比模拟电路要低， 抗干扰能力也强。图3.1.1 正负逻辑示意图中英文日报导航站
3.1 概述(2) 分类： 可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路： 分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接 而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工 艺集成在很小的半导体芯片上。 数字集成电路根据规模可分为?小规模（SSI－Small Scale Integration） ? ?中规模（MSI - Medium Scale Integration) ? 按规模分（每片IC所含元器件数）大规模（LSI －Large Scale Integration) ? ?超大规模（VLSI －Very Large Scale ? 3~ 105 /片 10 ? Integration） ?中英文日报导航站 105 以上/片 ≤100/片（100～1000）/片3.1 概述按导电类型可分为?单极型（FET ） ? 按导电类型?双极型（BJT ） ?兼容型（FET ＋BJT ） ?数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因 此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、 工作原理中英文日报导航站
3.2 半导体二极管门电路3.2.1半导体二极管的开关特性 1. 稳态开关特性 将图3.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图 3.2.1所示的半导体二极管开关电路图3.1.2高低电平实现原理电路图3.2.1 二极管的开关电路3.2.1半导体二极管的开关特性 对于图3.2.1所示二极管开关 电路，由于二极管具有单向导电性， 故它可相当受外加电压控制的开关。 将电路处于相对稳定状态下， 晶体二极管所呈现的开关特性称为 稳态开关特性 图3.2.1 二极管的开关电路 设vi的高电平为VIH＝VCC， vi的低电平为VIL＝0，且D 为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷大， 则稳态时当vI＝VIH＝VCC时，D截止，输出电压vD＝ VOH＝ VCC中英文日报导航站
3.2.1半导体二极管的开关特性当vI＝VIL＝0时，D导通， 输出电压vo＝ VOL ＝0即可以用输入电压vi的高低电 平控制二极管的开关状态，并在 输出端得到相应的高低电平 2.二极管动态特性：图3.2.1 二极管的开关电路当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反 向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关 特性（简称动态特性）3.2.1半导体二极管的开关特性二极管的动态电流波形如图3.2.3所示 这是由于在输入电压转 换状态的瞬间，二极管由反 向截止到正向导通时，内电 场的建立需要一定的时间， 所以二极管电流的上升是缓 慢的；当二极管由正向导通 到反向截止时，二极管的电 流迅速衰减并趋向饱和电流 也需要一定的时间。由于时 间很短，在示波器是无法看 到的 图3.2.3 二极管动态电流波形 中英文日报导航站3.2.1半导体二极管的开关特性 在输入信号频率较低时， 二极管的导通和截止的转换时 间可以认为是瞬间完成的。但 在输入信号频率较高时，此时 间就不能忽略了。 将二极管由截止转向导 ton 通所需的时间称为正向恢复 时间（开通时间）ton；二极 管由导通转向截止所需的时 间称为反向恢复时间（关断 时间）tre，两者统称为二极 图3.2.3 二极管动态电流波形 管的开关时间，一般ton&& tretre3.2.2 二极管与门 简单的二极管与 门电路如图3.2.4所示 设VCC＝5V，输 入端A、B的高低电平 为VIH＝3V， VIL ＝0V，二极管的正向 导通压降为 VDF＝ 0.7V，则：图3.2.4 二极管与门电路当A、B中有一个是低电平0V时，至少有一个二极管导 通，使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；只有A、B 中都加高电平3V时，两个二极管同时导通，使得输出Y 为3.7V，为高电平。 中英文日报导航站3.2.2 二极管与门 其输入输出及真值表如表 3.2.1和3.2.2所示 其输出Y和输入A、B是与的关系， 即Y ? A? B表3.2.1 A B 0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V表3.2.2 Y 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V规定3V以上为“1”0.7V以下为“0”A 0 0 1 1B 0 1 0 1Y 0 0 0 13.2.3 二极管或门二极管或门电路如图 3.2.5所示 设输入端A、B的高 低电平为VIH＝3V， VIL＝0V，二极管的正 向导通压降为VDF＝ 0.7V，则：图3.2.5 二极管或门电路当A、B中有一个是低电平0V时，至少有一个二极管导 通，使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；只有A、B 中都加高电平3V时，两个二极管同时导通，使得输出Y 为3.7V，为高电平。中英文日报导航站
3.2.2 二极管或门其输入输出及真值表 如表3.2.3和3.2.4所示 其输出Y和输入A、B是与 的关系，即Y ? A? B表3.2.3 A B 0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V图3.2.5 二极管或门电路 表3.2.4 A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1Y 0V 2.3V 2.3V2.3V规定2.3V以上为1 0V以下为0中英文日报导航站
3.2.2 二极管或门二极管构成的门电路的缺点:1.电平有偏移:输出的高低电平数值与输入的高低电平 数值相差一个二极管的压降，后级的二极管门电路电 平偏移，甚至使得高电平下降到门限值以下 2.带负载能力差：由于这种二极管门电路的输出电阻 比较低，故带负载能力差，输出电平会随负载的变化 而变化。 ?只用于IC内部电路中英文日报导航站
3.3 CMOS门电路CMOS逻辑门电路是在TTL器件之后，出现的应 用比较广泛的数字逻辑器件，在功耗、抗干扰、带负 载能力上优于TTl逻辑门，所以超大规模器件几乎都 采用CMOS门电路，如存储器ROM、可编程逻辑器件 PLD等 国产的CMOS器件有CC4000(国际 CD4000/MC4000)、高速54HC/74HC系列（国际 MC54HC/74HC),此外还有兼容型的74HCT和74BCT 系列（BiCMOS） 先介绍74系列的反相器和逻辑门，再简单介绍其 它系列的逻辑门中英文日报导航站
3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性一、MOS管的类型和符号 a. 增强型NMOS符号如图3.3.1所示GD B S GDS(b)简化符号(a)标准符号图3.3.1 增强型NMOS管的符号中英文日报导航站
3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性NMOS共源极接法电路如图3.3.2（a）所示，输出特 性如(b)所示图3.3.2 NMOS管共源极接法电路及其输出特性 中英文日报导航站3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性增强型NMOS共源极接法电路如图3.3.3（a）所示，转 移特性如(b)所示开启电压(a) (b) 图3.3.3 NMOS管共源极接法电路 当vGS&VGS(th)，管子截止， iD = 0, ROFF & 109Ω 中英文日报导航站3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性(a) (b) 图3.3.3 NMOS管共源极接法电路VGS &VGS (th) 时,管子导通，iD∝ V 2GS， RON&1kΩ 中英文日报导航站3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性b. 增强型PMOS 符号如图3.3.4所示D G S(a)标准符号D B G S(b)简化符号图3.3.4 增强型PMOS管的符号中英文日报导航站
3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性增强型PMOS共源极接法电路如图3.3.5（a）所示， 转移特性如(b)所示+vGS(th)iD0vGSv+ GS -vDS-(b)转移特性 (a)共源极接法 图3.3.5 增强型PMOS管共源极接法和转移特性当vGS&VGS(th)，管子截止， iD = 0 中英文日报导航站3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性vGS &VGS (th) 时,管子导通，iD∝ V 2GS+vGS(th)iD0vGSv+ GS -vDS-(b)转移特性 (a)共源极接法 图3.3.5 增强型PMOS管共源极接法和转移特性中英文日报导航站
3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性c. 耗尽型NMOS 符号如图3.3.6所示D B G S GDS(b)简化符号(a)标准符号图3.3.6 耗尽型NMOS管的符号中英文日报导航站
3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性耗尽型NMOS共源极接法电路如图3.3.7（a）所示，转 移特性如(b)所示+iDv+ GS -vDS-vGS(off) 0vGS(b)转移特性 (a)共源极接法 图3.3.7 耗尽型NMOS管共源极接法和转移特性当vGS& VGS(off)(负值），管子截止， iD = 0； 中英文日报导航站 & VGS(off) 时,管子导通 vGS3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性d. 耗尽型PMOS 符号如图3.3.8所示D B G S GDS(b)简化符号(a)标准符号图3.3.8 耗尽型PMOS管的符号中英文日报导航站
3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性耗尽型PMOS共源极接法电路如图3.3.9（a）所示，转 移特性如(b)所示+iD0vGS(off) vGSv+ GS -vDS-(b)转移特性 (a)共源极接法 图3.3.9 耗尽型PMOS管共源极接法和转移特性当vGS& VGS(off)(正值），管子截止， iD = 0； 中英文日报导航站 vGS & VGS(off) 时,管子导通
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理一、CMOS反相器的电路结构 及工作原理1.结构： 图3.3.10为CMOS反相器 的电路 其中T1为P沟道增强型MOS管， T2为N沟道增强型MOS管.它们 构成互补对称电路中英文日报导航站 图3.3.10 CMOS反相器电路3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理2.工作原理 它们的开启电压分别为 VGS（th）P、VGS（th）N，且 VGS 并设 （th）P＝VGS（th）N ， VDD&|VGS（th)P|+VGS(th)N， 当vI＝VIL＝0为低电平时， T2截止， T1管导通，输出电压 为高电平，即vOH ? Roff Roff ? Ron ? VDD ? VDD( Ron ?? Roff )图3.3.10 CMOS反相器电路中英文日报导航站
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理当vI＝VIH＝VDD为高电平时， T2导通， T1管截止，输出电 压为低电平，即vOLRon ? ? VDD ? 0 Roff ? Ron( Ron ?? Roff )图3.3.10 CMOS反相器电路中英文日报导航站
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理特点 1. 无论 vI 是高电平还是低电平，T1和T2管总 是一个导通一个截止的工作状态，称为互补， 这种电路结构CMOS电路； 2. 由于无论输入为低电平还是高电平， T1和T2 总是有一个截止的，其截止电阻很高，故流过 T1和T2的静态电流很小，故其静态功耗很小。中英文日报导航站
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理二、电压传输特性和电流传输特性 1. 电压传输特性 反相器电压传输 特性是输出电压vo和 输入vI之间的关系曲线， 如图3.3.11所示。并设VGS( th ) P ? VGS( th ) N VDD ? VGS( th ) P ? VGS( th ) N中英文日报导航站 图3.3.11 CMOS反相器的电压传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理AB段：输入低电平VI ? VGS ( th ) NT1管导通，T2截止，输 出电压为高电平，即VO ? VOH ? VDDCD段：输入高电平VI ? VDD ? VGS (TH ) P图3.3.11 CMOS反相器的电 压传输特性T1管截止，T2导通，输 VO 出电压为低电平，即 中英文日报导航站 ? VOL ? 03.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理BC段：VGS (TH ) N ? VI ? VDD ? VGS (TH ) PT1、T2同时导通，若T1、 T2参数完全相同，则1 1 当VI ? VDD时，VO ? VDD 2 2图3.3.11 CMOS反相器的电 压传输特性 中英文日报导航站3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理2.电流传输特性电流传输特性是反相 器的漏极电流随输入电 压变化曲线，如图3.3.12 所示。也分成三段：AB段：输入低电平VI ? VGS ( th ) NT1管导通，T2截止，输 出漏极电流近似为零图3.3.12 CMOS反相器的电 中英文日报导航站 流传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理CD段：输入高电平VI ? VDD ? VGS (TH ) PT1管截止，T2导通，输 出漏极电流近似为零中英文日报导航站 图3.3.12 CMOS反相器的电 流传输特性3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理BC段：VGS (TH ) N ? VI ? VDD ? VGS (TH ) PT1、T2同时导通，有电 流iD同时通过，且在 vI＝VDD / 2附近处，漏极 电流最大，故在使用输 入电压不应长时间工作 在这段，以防由于功耗 过大而损坏。 图3.3.12 CMOS反相器的电 中英文日报导航站 流传输特性
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理三、输入端噪声容限 1.定义： 由图3.3.11 CMOS反相 器的电压传输特性可知，在 输入电压vI偏离正常低电平 或高电平时，输出电压vo并 不随之马上改变，允许输入 电压有一定的变化范围。 输入端噪声容限：是指在 保证输出高、低电平基本 不变（不超过规定范围） 图3.3.11 CMOS反相器的电 时，允许输入信号高、低 压传输特性 中英文日报导航站 电平的波动范围
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理2.计算方法 输入噪声容限 分为输入高电平噪 声容限VNH和输入 低电平噪声容限 VNL。图3.3.13给出 计算输入噪声容限 的方法。 由图中可知， 如果是多个门电路 相连时，前一级门 电路的输出即为后 一级门电路的输入图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 容限示意图 中英文日报导航站3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理其中：VOH（min）－输出 高电平最小值 VOL（max）－输出 低电平最大值 VIH（min）－输入高 电平最小值 VIL（max）－输入低 电平最大值 图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 中英文日报导航站 容限示意图
3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理则输入噪声容限为V NH ? VOH (min) ? V IH (min) V NL ? VIL(max) ? VOL (max)图3.3.13 CMOS反相器输入噪声 中英文日报导航站
容限示意图3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理输入噪声容限和电源电压VDD有关，当VDD增加时，电 压传输特性右移，如图3.3.14所示 结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限VDD ?? VNH (VNL ) ?中英文日报导航站 图3.3.14 VDD对电压传输特性的影响
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性CMOS 反相器的静态（不考率输入输出延迟）输 入和输出特性为输入端和输出端的伏安特性一、输入特性 输入特性是从CMOS反相器输入端看其输入电压 与电流的关系。 由于MOS管的栅极和衬底之间存在SiO2为介质的输 入电容，而绝缘介质又很薄，非常容易被击穿，所以对 由MOS管所组成的CMOS电路，必须采取保护措施。中英文日报导航站
3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性图3.3.15为CMOS反相器的两种常用保护电路图3.3.15 CMOS反相器的两种常用保护电路 其中D1和D2，正向导通压降为VDF＝0.5V～0.7V，反 向击穿电压约为30V， D2为分布式二极管，可以通过 较大的电流，RS的值一般在1.5~2.5KΩ之间。 C1和C2 中英文日报导航站
为T1和T2的栅极等效电容3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性图3.3.15 CMOS反相器的两种常用保护电路 在输入信号正常工作范围内，即0≤vI ≤VDD，输入端保护电 路不起作用。当vI & VDD+VF时，D1导通，将栅极电位vG钳 位在VDD+VF，而当vI & -VF时， D2导通，将栅极电位vG钳 中英文日报导航站 位在－VF，这样使得C1、 C2不会超过允许值。3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性其输入特性如图3.3.16所示 D1或D2 导通D1、D2 截止 图3.3.16 CMOS反相器的输入特性 中英文日报导航站3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性二、输出特性 输出特性为从反相器输出端看输出电压喝输出电 流的关系，包括输出为低电平输出特性和输出为高电 平输出特性 1.低电平输出特性 在输入为高电平，即 vI ＝VIH＝VDD时，此时T1截止， T2导通，如图3.3.17所示，电 流从负载注入T2，输出电压 VOL随电流增加而提高。中英文日报导航站 图3.3.17 输出为低电平时的电路3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性其特性曲线如图3.3.18所示图3.3.18 输出为低电平时的输出特性实际上是T2管漏极电流iD和漏源电压vDS之间的关系 中英文日报导航站3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性2.高电平输出特性 在输入为低电平，即 vI＝VIL＝0时，此时T1导通， T2截止，如图3.3.18所示，电流从T1管流出到负载，输 出电压VOH＝VDD－IOHRON1随电流增加而下降。电流的实际方向与所 设方向相反中英文日报导航站 图3.3.18 输出为高电平时的电路3.3.3 CMOS 反相器的静态输入和输出特性其特性曲线如图3.3.19所示 高电平输出特性也和管 子的输出特性有关，而 且vGS越负，电压下降 的越多图3.3.19 输出为高电平时的输出特性 中英文日报导航站3.3.4 CMOS反相器的动态特性前面的输入输出特性为静态特性，没有考虑电路 转换状态时的延迟，动态特性要考虑传输延迟时间。一、传输延迟时间tPHL和tPLH 由于MOS管的寄生电容和负载电容的存在，使得 输出电压的变化滞后输入电压的变化，将输出电压变 化迟后输入电压变化的时间成为传输延迟时间。 tPHL－输出由高电平跳变为低电平时的传输延迟时间 tPLH－输出由低电平跳变为高电平时的传输延迟时间 tpd－平均传输延迟时间，tpd＝（ tPHL＋ tPLH）/ 2中英文日报导航站 CMOS电路 ＝ tPLH3.3.4 CMOS反相器的动态特性图3.3.20为CMOS非门的输出输入波形。图3.3.20 CMOS反相器的输入输出波形 tPHL－输入电压前沿上升到幅值的50％与输出后沿下 降到幅值的50％之间的差值 tPLH－输入电压后沿下降到幅值的50％与输出前沿上升 中英文日报导航站
到幅值的50％之间的差值3.3.4 CMOS反相器的动态特性由于电路中存在着开关时间和分布电容的充放电过程， 二、交流噪声容限 因而门电路输出状态的改变，直接与输入脉冲信号的 交流噪声容限是 幅度和宽度有关，当输入脉冲信号的宽度接近于门电 在窄脉冲作用下，输 路传输延迟时间的情况下，则需要较大的输入脉冲幅 入电压允许变化的范 度才能使电路的输出发生变化。也就是说门电路对窄 围，图3.3.20是输入为 脉冲的噪声容限要高于直流噪声容限。 不同宽度窄脉冲时 CMOS反相器的交流 噪声容限曲线。即 VNA=f（tw）它反映CMOS反相器 图3.3.20 交流噪声容限在不同VDD时交 的动态抗干扰能力。 流噪声容限与噪声电压作用时间的关系 其中tw 是脉冲宽度。 中英文日报导航站3.3.4 CMOS反相器的动态特性三、动态功耗 当CMOS反相器从一种稳定工作状态突然转变到 另一种稳定状态过程中，将产生附加的功耗，称为动 态功耗。它包括对负载电容充放电的功耗PC和在VGS (TH ) N ? VI ? VDD ? VGS (TH ) P两个管子同时导通时的功耗PT。电容充放电的功耗为PC ? CL f V DD2其中：CL－负载电容f－输入信号的频率 VDD－漏极电源电压中英文日报导航站
3.3.4 CMOS反相器的动态特性两个管子同时导通时的功耗PT为2 PT ? VDD I TAV ? CPD f V DD其中：CPD－功耗 电容，厂家给出中英文日报导航站
3.3.4 CMOS反相器的动态特性总的动态功耗为PD ? PT ? PCCMOS反相器的总功耗静态功耗和动态功耗之和，即PTOT ? PD ? Ps其中：PS－静态功耗，由于稳定时无论输入是高电平 还是低电平，总有一个管子是截止的，故静态功耗很 小，故在计算总功耗时，一般只计算动态功耗。中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门一、其他逻辑功能的CMOS门电路1.CMOS与非门 如图3.3.21所示， T1、 T3为两个串联的 PMOS， T2、 T4为两 个并联的NMOS *A、B有一个为“0” 时，T2、 T4至少有一 个截止， T1、 T3至少 有一个导通，故输出 为高电平，Y＝1中英文日报导航站 图3.3.21 CMOS与非门3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门**A、B同时为“1”时， T2、 T4同时导通， T1、 T3同时截止，故输出为 高电平，Y＝1 故：Y ? ( AB)?图3.3.21 CMOS与非门中英文日报导航站
3.3.5其他类型的CMOS逻辑门2. 或非门： 如图2.6.3所示，T1、 T3为 两个并联的PMOS， T2、 T4 为两个串联的NMOS A、B有一个为“1”时，T2、 T4至少有一个导通， T1、 T3 至少有一个截止，故输出为 低电平，Y＝0 A、B同时为“0”时，T2、 T4同时截止， T1、 T3同时导 通故输出为高电平，Y＝1 图3.3.22 CMOS或非门 故： Y ? ( A ? B)?中英文日报导航站
3.3.5其他类型的CMOS逻辑门3.带缓冲级的CMOS门电路 上面电路存在的问题： （以与非门为例） ①输出电阻RO受输入状态 的影响；A ? 1, B ? 1则RO ? RON 2 ? RON 4 ? 2 RON A ? 0, B ? 0则RO ? RON 1 // RON 3 A ? 0, B ? 1则RO ? RON 1 ? RON A ? 1, B ? 0则RO ? RON 3 中英文日报导航站 ? RON1 ? RON 23.3.5其他类型的CMOS逻辑门②输出的高低电平受输入端 数目的影响 输入端数目愈多，输 出为低电平时串联的导通电 阻越多，低电平VOL越高； 输出为高电平时，并联电阻 也多，输出高电平VOH也提 高③ 输入状态不同对电压传输特性有影响，使T2、T4达 到开启电压时，输入电压vI不同中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门改进电路均采用带缓冲级的结构，如图3.3.23为带 缓冲级的CMOS与非门电路图3.3.23 带缓冲级的与非门或非门 ? 缓冲器 ? 与非门中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门图3.3.23 带缓冲级的与非门 输出为F ? (( A? ? B?)?)? ? ( AB)?带缓冲级的CMOS门电路其输出电阻、输出高低电平 均不受输入端状态的影响，电压传输特性更陡。 中英文日报导航站3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门二、漏极开路输出的门电路（OD门） 为了满足输出电平的变换，输出大负载电流，以及 实现“线与”功能，将CMOS门电路的输出级做成漏 极开路的形式，称为漏极开路输出的门电路，简称OD （Open－Drain Output）门1.结构和符号 图3.3.24为OD OD门 输出与非门74HC03 电路结构图，其与 非门和非门都是 CMOS逻辑门，输 出管为漏极开路的 中英文日报导航站 NMOS门 图3.3.24 OD输出与非门74HC03电路结构图3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门图3.3.25所示为OD门的逻辑符号 2.工作原理 在使用OD门时，一定要将 输出端通过电阻（叫做上拉电阻） 接到电源上，如图3.3.26所示 图3.3.2５ OD门的逻辑符号VDD1OD门RL A B Y中英文日报导航站 图3.3.26 OD门工作电路3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门VDD2 RL A B Y图3.3.26 OD门工作电路当A、B有一个为低电平，则TN 截止，输出vo＝VDD2， 为高电平；当A、B同时为高电平，则TN 导通，输出vo ＝0，为低电平。故输出输入的逻辑关系为F ? ( AB)?中英文日报导航站 由此可见，输出高电平可以改变，故可作电平转换
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门3.“线与”的实现 普通的CMOS逻辑门输出端不能并联使用，但OD 门可以将输出端直接相接，即实现线与逻辑，其电路 如图3.3.27所示图3.3.27 线与逻辑电路的接法中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门图3.3.27 线与逻辑电路的接法 其工作原理为： 当Y1、 Y2有一个为低电平时，则为低电平；只有Y1、 Y2同时为高电平，两个输出管同时截止，输出为高电 中英文日报导航站
平，Y和Y1、 Y2为与的关系3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门输出端逻辑式为Y ? Y1 ? Y2 ? (AB)?(CD )? ? (AB ? CD )?故OD门的线与实现了与或 非的逻辑功能。 4.上拉电阻RL的计算在使用OD门做线与时，一定外接上拉电阻RL。但 RL的大小会影响驱动门输出电平的大小。 RL上的压降不 能太大，否则高电平会低于标准值；RL上的压降不能太 大，否则高电平会低于标准值；RL上的压降不能太小， 否则低电平会高于标准值。故R L的 取值要合适。 中英文日报导航站3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门4.上拉电阻RL的计算 设有n 个OD门 的输出端并联使用， 负载为CMOS与非门 的输入端，电路如图 3.3.28所示? VDDRL ＆IOHI RL IIH＆① OD门输出为高 电平 当所有的OD门 输出管截止输出为 高电平时，其电流 的方向如图3.3.28所 示＆ nIOHIIH＆m＆IOHIIH＆中英文日报导航站 图3.3.28 OD输出为高电平带负载的情况3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门若OD门输出管输 出管截止时的漏电流 为IOH，负载门高输入 为电平时的输入电流 为IIH，n为并联OD门 （驱动门）的个数，m 为负载门输入高电平 电流的个数，则有? VDD ? RL (nIOH ? mI IH ) ? VOH＆? VDDRL ＆IOHI RL IIH＆＆ nIOHmIIH＆IOHIIH＆RL (max)VDD ? VOH ? nIOH ? mI IHOD门输出高电 图3.3.28 OD输出为高电平带负载的情况 平最小值 中英文日报导航站3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门② OD门输出为低电平 当只有一个OD门 输出管导通时，其电 流的实际流向如图 3.3.29所示。其中IIL是 每个负载门低电平输 入电流的绝对值； IOLmax是OD门最大允 许的负载电流。，则? (VDD ? VOL ) ? m? I IL ? I OL max RLRL ＆? VDDILI IL＆I OL (max)＆ nI IL＆m?I IL＆ ＆RL (min)? VDD ? VOL ? I OL max ? m? I ILOD门输出低电 平最大值 中英文日报导航站图2.3.29 OD低电平输出时用带负载的情况3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门VDD2 5.OD门的特点： ①通过改变VDD2的值，来改变输出 RL 高电平VOH的大小； A ②OD门的输出管设计尺寸较大， Y B 可以承受很大的电流和电压，故可 图3.3.26 OD门工作电路 以直接驱动小型继电器。 6.OD门的应用 ①实现与或非逻辑Y ? Y1 ? Y2 ? ( AB)? ? (CD)? ? ( AB ? CD)?中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门②电平转换 由于OD门的高电平可以通过外加电源改变，故它 可作为电平转换电路。一般CMOS与非门的电平0 ~12V，而TTL门为0 ~ 3.6V。若需要将逻辑电平为的 逻辑电平，只要将负载电阻接到5V电源即可，其电路 如图3.3.30所示VDD＋5V TTLCMOSRLA B＆中英文日报导航站 图2.3.30 OD门在电平转换的应用?＆1Y3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门③实现数据采集如图3.3.31所示,可实现母线（总线）的数据的接 收和传送可利用选通信号 SA～ SC来实现对不同 通道数据的采集，并 输送到母线上。接收 时，利用选通信号 SD～ SG来实现数据从 不同通道输出。SA～SG为选 通信号 ＆ A SA B SB C SC SG中英文日报导航站 总 线＆ ＆SD SED E F G＆ ＆＆SF＆图2.3.31 OD门在数据采集的应用3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门例3.3.1试为图3.3.32电路中的 外接电阻RL选定合适的阻值。 已知G1、G2为OD与非门 74HC03，输出管截止时的漏 电流为IOHmax＝5μA，输出管 导通时允许的最大负载电流 为IOLmax＝5.2mA。G3、G4和 G5均为74HC00系列与非门， 它们的低电平输入电流和高 电平输入电流为1μA。，要求 OD门的高电平VOH≥4.4V，低 电平VOL≤0.33V.VDD5V ＆ Y G3RLA B ＆ G1C D＆ G2＆ G4＆ G5 图2.3.32 例3.3.1的电路中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门解：驱动管输出为高电平时VDD－VOHmin R L（max ） ＝ nIOH＋mI IH 5 ? 4.4 ＝ 2 ? 5 ?10 ?6 ? 9 ?1?10 ?6 ＝31.6K?RLA B ＆ G1 YVDD5V ＆ G3C D驱动管输出为高电平时VDD－VOL R L（min ） ＝ I OL(max) －m? I IL(max) 5 ? 0.33 ＝ 5.2 ? 10 ?3 ? 9 ? 10 ?6 ＝0.9K?＆ G2＆ G4＆ G5 图2.3.32 例3.3.1的电路中英文日报导航站 则可取RL＝10kΩ3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门三、 CMOS传输门 1.电路结构及逻辑符号 图3.3.33为CMOS传输门的电路图及逻辑符号。 ? ?图3.3.33 CMOS传输门 其中T1为NMOS管， T2为PMOS管，C和C?为一对互补 控制信号 中英文日报导航站3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门2.工作原理 若CMOS传输门的一端接输入电压vI，另一端接负 载电阻RL，如图3.3.34所示。 设RL&& RON， VIH＝ VDD， VIL＝0。C的高低电平为VDD 和0，则（1）C＝0， C?＝1 只要vI在0～ VDD之间 变化， T1和T2同时截止， 输入和输出为高阻态，传输 门截止，输出vo＝0图3.3.34 传输门的工作电路中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门（2）C＝1， C?＝0 在vI 在0～ VDD时，若 0& vI & VDD-VGS(th)N，T1管导 通，T2管截止，如图3.3.35所示，输出为vo＝vI；若 |VGS(th)P|& vI & VDD，T1管截止，T2管导通，输出为vo＝vI|VGS(th)P| & vI & VDD0& vI & VDD-VGS(th)N图3.3.35 CMOS的工作状态中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门3.特点 a.由于T1和T2管的结构对称， 即漏源可以互换，故CMOS传 输门输入双向器件，其输出端 和输入端也可以互换使用； ?b. 利用CMOS传输门和 CMOS反相器可以组成各种复 *CMOS双向模拟开关 杂的逻辑电路，如一些组合 逻辑电路，象数据选择器、 寄存器、计数器等。 c. 利用CMOS传输门可以组成双向模拟开关，用来传 输连续变化的模拟电压信号，这一点是其它一般逻辑 门无法实现的。 中英文日报导航站3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门CMOS双向模拟开关电路是由CMOS传输门和反相 器组成，如图3.3.36所示。和CMOS传输门一样，它也 是属于双向器件。图3.3.36 CMOS双向模拟开关的电路及符号 其工作原理为：当C＝1,开关闭合，vo＝ vI ；当C＝0 , 开关断开，输出高阻态。中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门在图3.3.37所示电路中，CMOS双向模拟开关接在输出 端的电阻为RL，双向模拟开关的导通电阻为RTG 当C＝0时，开关截止，则Cvo ? 0当C＝1时，开关接通，输 出电压为vISWvoRLRL vo ? vI RTG ? RL ? KTG vI图3.3.37 CMOS双向模拟开关接负载 电阻的情况中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门RL vo ? vI ? KTG vI RTG ? RL其中KTG为输出电压和输入 电压的比值，称为电压传输 系数，即KTGCvISWvoRL注：RL ? RL ? RTG图3.3.37 CMOS双向模拟开关接负载 电阻的情况a. 为了得到尽量大且稳定的电压传输系数，应使 RL&&RTG. b. 由于MOS管的导通内阻是栅源电压vGS的函数，而vGS 又和输入电压有关，故RTG和输入电压有关。为了减小 中英文日报导航站 RTG的变化，通常在电路上做了改进，尽量降低RTG。
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门四、三态输出的CMOS门电路 其电路如图3.3.38所示，这是三态反相器，也称为 输出缓冲器，输出的状态不仅有高电平、低电平，还有 第三态－高阻态中英文日报导航站 图3.3.38 CMOS三态门的电路及符号
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门其工作原理为EN ? ? 0时， Y ? A? EN ? ? 1时， Y ? Z (高阻 )低电平有效其中EN ?为使能端， 且低电平有效，即 EN ?＝0，Y＝A ? CMOS三态门形式有多种，它也可以在CMOS反相器 基础上加控制电路构成，中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门图3.3.39为另一种CMOS三态 非门，使能端（控制端）也 是低电平有效 当EN?＝0时，T1、T4导通， 输出为Y ＝ A? 当EN?＝1时，T1、T4截止， 输出为Y ＝ Z（高阻态）A VDDT1T2YT3EN中英文日报导航站 1T4图3.3.39 CMOS三态门3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门图3.3.40所示电路也是一种CMOS三态非门VDD ＆T1Y 1 A ENENAT2ENYT2?图3.3.40 与非门控制的CMOS三态非门当EN＝1时，T?2导通，Y ＝ A；当EN＝0时， T?2、T1 截止，输出为Y ＝ Z（高阻态）。这种三态门使能端 中英文日报导航站 是高电平有效。
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门例3.3.2 CMOS门电路如图3.3.41所示，试分析电路的逻 辑功能 传输门解：当C＝0时， C ?＝1，传输门为高 阻态，故输出Y＝Z 当C＝1时，C ?＝0， 传输门为开启，输出 Y＝（A＋B）? 故这是由CMOS或非 门和CMOS传输门构 成的三态或非门VDD A Y B( A ? B )?VDDC?C 图3.3.41 例3.3.2电路中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门例3.3.3 由CMOS传输门构成的电路如图3.3.42（a）、 （b）、（c）所示，试写出各电路的输出函数的表达 式。解：（a） Y＝AVDD TG 1 A 图3.3.42(a)中英文日报导航站 Y1100 K?3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门VDD TG1 1 A B TG2 1 Y2100 K?图3.3.42(b)(b)输出、输入真值表为输出逻辑式为A B中英文日报导航站 0 0 00 1 01 0 01 1 1Y ? ABY23.3.5 其他类型的CMOS逻辑门(C)其输出输入真值表为VDDA B0 00 1 01 0 01 1 0A TG 1RL Y3Y3 1其输出逻辑式为Y ? ( A ? B)?注：为了避免传输门关闭时 出现高阻态，可以在输出端 B 通过大电阻接地；也可以输 出端通过电阻接电源。这样 中英文日报导航站
输出端均会有确定的值。TG 1 图3.3.42(c）3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门例3.3.4 电路如图3.3.43所示。试分析其逻辑功能VDDT1AT21TGY1ENA EN ?YEN ?图3.3.43 例3.3.4的电路解：当EN?＝1时，传输门截止，输出为Y＝Z（高阻态） 当EN?＝0时，传输门开启，CMOS反相器的输出通过 传输门到达输出，使得Y＝A?，故为三态输出的反相器。中英文日报导航站
3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门三态门的应用a. 总线结构 它可以实现线与的功能，即 输出端可以并联。如图3.3.44 所示 这样只要分时控制各三态门 的E（E?）端，就能把各个门 的数据输入信号按要求依次 送到总线，进行数据传输。 但注意使能端不能同时为“1”中英文日报导航站 A1 B1 E1 A2 B2 E2＆ G1 总 ＆ G2线 An Bn En ＆ Gn图2.3.44 三态门的总线结构3.3.5 其他类型的CMOS逻辑门b. 数据的双向传输 电路如图2.3.45所示，则 当EN＝1时，三态门G1输 出为D?o， G2输出为高阻 态；当EN＝0时，三态门 G1输出为高阻态， G2输 出为D?1 ＝DoEN Do G1 ＆D? / D1 O总? D1G2 ＆D1线图3.3.45 利用三态门进行 数据的双向传输3.3.6 CMOS电路的正确使用（自学）3.4 *其他类型的MOS集成电路（自学）中英文日报导航站
3.5 TTL门电路3.5.1 双极型三极管的开关特性一、 双极型三极管的结构（自学） 二、 双极型三极管的输入特性和输出特性（自学） 三、 双极型三极管的基本开关电路 三极管开关电路如图3.5.1所示 三极管替代 开关图3.5.1 晶体三极管开关电路3.5.1 双极型三极管的开关特性稳态时若合理选择电路的参 数，即 当vI=VIL&VON(死区电压），为 低电平时，使得三极管处于截 止状态，输出vo＝ VOH≈VCC,为 高电平T当vI=VIH，为高电平时，使得 iB&IBS=VCC /βRC，三极管处于 图3.5.1 晶体三极管开关电路 硅管为0.3V, 饱和导通状态，输出vo＝ VOL 锗管为0.1V ＝Vces≈0,为低电平； 其中： I BS ?VCC ? ? ( RC ? RCE ( sat ) ) ? RC中英文日报导航站 VCC ? VCE ( sat )很小，为 几十欧姆3.5.1 双极型三极管的开关特性例3.5.1 电路如图3.5.2所示，已知 VIH=5V，VIL=0V， β=20，VCE(sat) = 0.1V，试计算参数设计是否合理 解：基极对地电路如 图3.5.3所示1KΩ 5V3.3KΩ 10KΩ图3.5.3-8V 中英文日报导航站 例3.5.1的电路 图3.5.2
3.5.1 双极型三极管的开关特性利用戴维南定理等效成电压源的形式如图3.5.4所示图3.5.3 其中：图3.5.4RB ? R1 // R2 ? 2.5K? VI ? VEE VI ? 8 vB ? VI ? R1 ? VI ? ? 3.3 R1 ? R2 13.3 中英文日报导航站3.5.1 双极型三极管的开关特性等效电路如图3.5.5所示，则当VIH=5V时：5?8 VB ? 5 ? 3.3 ? 1.8V 13.3故三极管T导通，其基极电 流为 VB ? VBE iB ? RB1. 8 ? 0 . 7 ? ? 0.44 mA 3 2.5 ? 10VCCRCRBbTvovBiB管子的临界饱和时的基极电 流为I BS I CSe图3.5.5VCC ? VCE ( sat) 5 ? 0.1 ? ? ? ? 0.25mA 中英文日报导航站20 ? 1? 10 3 ? ? RC3.5.1 双极型三极管的开关特性由于 iB ? 0.44 mA ? iBS ? 0.25mA故管子处于饱和状态，其输 出为 VO ? VCE ( sat) ? 0V当VIH=0V时，其VCCRCRBVI ? 8 VB ? VI ? ? 3.3 13.3 8 ? 0? 3.3 ? ?2.0V 13.3三极管T处于截止状态，则bTvovBiBe图3.5.5iC ? 0VO ? VOH ? VCC ? 5.0V 中英文日报导航站因此参数设计合理3.5.1 双极型三极管的开关特性四、双极型三极管的开关等效电路三极管开关状态下的等效电路如图3.5.6所示阻值很小，忽略截止图3.5.6饱和(c)饱和时的等效电路当三极管截止时，发射结反偏，iC≈0 ，相当开关断开；当 三极管饱和时，发射结正偏，vCE＝VCE（sat）≈0 ，相当开 中英文日报导航站 关闭合。
3.5.1 双极型三极管的开关特性五、双极型三极管的动态开关特性 在动态情况 下，三极管在截 止和饱和导通两 种状态迅速转换 时，三极管内部 电荷的建立与消 失都需要一定的 时间，故集电极 电流的变化要滞 后于输入电压的 图3.5.7 变化。 即在开关电路中，输出电压的变化滞后于输入电压的变化， 如图3.5.7所示。3.5.1 双极型三极管的开关特性六 、三极管反相器 三极管反相器就是三极管的开关电路，如图3.5.8所示图3.5.8 三极管反相器只要参数选择合理，即当vI=VIL时，T截止，输出 vO=VOH为高电平；当vI=VIH时，T饱和导通，输出 vO=VOL为低电平，则Y＝A?3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理TTL―Transistor-Transistor Logic(三极管－三极管 逻辑），TTL逻辑门就是由双极型晶体三极管构成的 逻辑门电路。 TTL逻辑器件分成54系列和74系列两大类，其电路 结构、逻辑功能和电气参数完全相同。不同的是54系 列工作环境温度、电源工作范围比74系列的宽。74系 列工作环境温度为00C～ 700C,电源电压工作范围为 5V±5%；而54系列工作环境温度为－550C～ +1250C, 电源电压工作范围为5V±10%. 54系列和74系列按工作速度和功耗可分成下面4个系 列： (a)标准通用系列： 国产型号为CT54/74系列，与国际上SN54/74系列 相当，部标型号为T1000系列3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理(b)高速系列： 国产型号为CT54H/74H系列，与国际上 SN54H/74H系列相当，部标型号为T2000系列 (c)肖特基系列： 国产型号为CT54S/74S系列，与国际上SN54S/74S系 列相当，部标型号为T3000系列 (d) 低功耗肖特基系列： 国产型号为CT54LS/74LS系列，与国际上 SN54LS/74LS系列相当，部标型号为T4000系列 不同系列的同一种逻辑门，结构上略有差异，目 的是为了提高逻辑门的工作速度，降低功耗，如为了 改进74系列的工作速度，则采用达林顿管（74H系 列）、肖特基管（74S系列）；为了降低功耗，采用小 电阻。但这些差异不影响电路功能的分析。3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理一、电路结构 其电路如图3.5.9 所示，它是由T1、 R1和D1组成输入级、 由 T2、R2和R3组成 倒相级、由T4、T5、 R4、D2组成推拉式输 出级构成的。 设：VCC＝5V， VIH＝3.4V VIH＝3.4V， PN结的导通压降为 VON＝0.7V中英文日报导航站 图3.5.9 TTL反相器的电路3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理①当vI＝VIL＝0.2V时 T1导通 T2截止 T4导通 D2导通 T5截止vo＝VOH ≈VCC －IC2R2－2VON ≈3.4V 输出为高电平0.9V 0.2V 3.4V图3.5.9 TTL反相器的电路中英文日报导航站
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理①当vI＝VIH＝3.4V时 T1截止 T2导通 T4截止 D2截止 T5导通 vo＝VOL≈VCE（sat） ≈0.2V 输出为低电平 则输出和输入的逻辑 关系为2.1V3.4V 0.2VY ? A?图3.5.9 TTL反相器的电路中英文日报导航站
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理特点： ①T1处于“倒置”状 态，其电流放大系数 远远小于1 ②.推拉式输出结构 由T4和T5构成TTL 反相器推拉式输出， 在输出为高电平时， T4导通，T5截止； 在输出为低电平时， T4截止，T5导通。由于T4和T5总有一个导通，一个截止，这样就降低输出 中英文日报导航站
级的功耗，提高带负载能力。3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理当输出为高电 平时，其输出阻抗 低，具有很强的带 负载能力，可提供 5mA的输出电流 当输出为低电 平时。其输出阻抗 小于100Ω,可灌入电 流14mA，也有较强 的驱动能力。③二极管D1是输入级的钳位二极管，作用：a.抑制负 脉冲干扰；b.保护T1发射极，防止输入为负电压时， 中英文日报导航站
电流过大，它可允许最大电流为20mA。3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理二、电压传输特性TTL反相器输出电压随输入电压变化的曲线，称为电 压传输特性，如图3.5.10所示图3.5.10 TTL反相器的电 中英文日报导航站 压传输特性
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理图3.5.10 TTL反相器的电 压传输特性a. AB段：截止区:VI ? 0.6V , ?VB1 ? 1.3V中英文日报导航站 T1导通，T2 , T5截止，T4导通 ? VOH ? VCC ? VR 2 ? VBE 4 ? VD 2 ? 3.4V
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理图3.5.10 TTL反相器的电 压传输特性b. BC段：线性区: 0.7V ? VI ? 1.3V中英文日报导航站 T2导通且工作在放大区, T5截止，T4导通，VI ?? VO ?
3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理图3.5.10 TTL反相器的电 压传输特性c. CD段：转折区:VI ? VTH ? 1.4V , 所以VB1 ? 2.1V T2 , T5同时导通，T4 截止，所以VO 迅速 ?? VOL ? 0 中英文日报导航站3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理图3.5.10 TTL反相器的电 压传输特性d. DE段：饱和区:VI 继续 ? ，而VO不变,VO ? VOL 中英文日报导航站3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理三、输入噪声容限 从电压传输特性看， 当输入电压vI偏离正常低电 平（0.2V）升高，在一定范 围内，输出高电平并不立刻 改变。同样当输入电压偏离 正常高电平（3.4V）降低， 在一定范围内，输出低电平 并不立刻改变图3.5.10 TTL反相器的电 压传输特性在保证输出高、低电平基本不变（或者说变化大小不超 出允许范围）的条件下，输入电平的允许波动的范围称 为输入端抗干扰容限（噪声容限）。分为输入为高电平 噪声容限VNH和输入为低电平噪声容限VNL。 中英文日报导航站3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理计算方法与CMOS 电路一样，如图3.5.11 所示，其输入高电平噪 声容限VNH和输入低电 平噪声容限VNL的计算 方法为 V NH ? VOH (min) ? V IH (min)V NL ? VIL(max) ? VOL (max)74系列典型值为： VOH（min)=2.4V, 图3.5.11 TTL反相器噪声容限的计算 VOL（max)=0.4V, VIH（min)=2.0V, VIL（max)=0.8V, VNH=0.4V, VNL=0.4V, 中英文日报导航站3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性一、输入特性 对于TTL反相器，输入电流随输入电压的变化关系， 称为输入特性，其输入端的等效电路如图3.5.12所示。VCC R14kΩvI iIT1 D1be2 be5中英文日报导航站 图3.5.12 TTL反相器输入端 的等效电路3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性a.当输入为低电平时，即vI＝0.2V，若VCC＝5V，则 TTL反相器的输入电流为VCC ? vBE 1 ? vI 5 ? 0.7 ? 0.2 I IL ? ? ?? R1 4 ?10 3 ? ?1mAvIR1 VCC4kΩiIT1 D1当vI＝0时VCC ? vBE 1 ? vI 5 ? 0.7 ? 0 I IS ? ? ?? 3 R1 4 ?10 ? ?1.075 mAbe2 be5图3.5.12 TTL反相器输入端 的等效电路此电流IIS称为输入短路电流，在TTL门电路手册中给出， 中英文日报导航站 由于和输入电流值相近，故分析和计算时代替IIL。
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性b.当输入为高电平时，即vI＝3.4V，T1发射结截止，处 于倒置状态，只有很小的反向饱和电流IIH，对于74系 列的TTL门电路， IIH在40μA以下 TTL反相器的静态输入特性如图3.5.13所示 输入高电平VCC R14kΩvI iIT1 D1D1导通be2 be5IIS 输入低电平图3.5.12 TTL反相器输入端 的等效电路中英文日报导航站 图3.5.13 TTL反相器的静态输入特性3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性二、输出特性 对于TTL反相器，输出电压与输出电流的关系，称 为输入特性，其输入端的等效电路如图3.5.12所示。分 为高电平输出特性和低电平输出特性。 1.高电平输出特性图3.5.14 输出高电平等效电路当输出为vO＝VOH时，T4、D2导通， T5截止，等效 中英文日报导航站
电路如图3.5.14所示3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性其高电平输出特性曲线如图3.5.15所示实际方向 图3.5.14 输出高电平等效电路图3.5.15输出高电平特性曲线 在? iL? &5mA时，由于T4为射极输出，故输出电阻低，输出 电压vo几乎不随负载电流变化。 ? iL? & 5mA时，T4进入饱和状态， 输出电压vo随负载电流变化几乎线性下降。由于功耗限制，手册 上的高电平输出电流要远小于5mA，74系列最大为 IOH（max）＝ 中英文日报导航站
－0.4mA3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性2.低电平输出特性图3.5.16输出高电平等效电路当输出为vO＝VOL时，T4、D2截止， T5导通，等效 电路如图3.5.16所示 中英文日报导航站3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性其低电平输出特性曲线如图3.5.17所示图3.5.17 输出低电平特性曲线图3.5.16输出高电平等效电路由于T5饱和导通，其导通电阻很小，输出电压为vo ? iL Rces , 故VOL 随输出电流iL略有增加，基本呈线性关系。 中英文日报导航站3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性3.扇出系数（Fan-out）的计算 扇出系数就是一个门电路驱动同类型门电路的个 数。也就是表示门电路的带负载能力。 对于图3.5.18 所示电路， G1门为驱动门， G2、 G3? 为负载门，N为扇出系数。 当输出为低电平时，设可 带N1个非门，则有N1 I IL ? I OL (max)I OL (max) I IL中英文日报导航站 IIL 实际方向 IOLN1 ?图3.5.18 扇出系数的计算3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性当输出为低电平时，设可带N2个非门，则有 N 2 I IH ? I OH (max) IN2 ? I OH (max) I IHIOHIH则取N＝min｛ N1， N2}由于门电路无论是输出高电平还 是低电平时，均有一定的输出电阻， 故输出电压都要随负载电流的改变而 发生变化。这种变化越小，说明门电 路带负载的能力越强。有时用输出电 图3.5.18 扇出系数的计算 平的变化不超过某一规定值时允许的 最大负载电流来表示门电路的带负载 中英文日报导航站
能力。3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性例3.5.2 如图3.5.18所示电路中， 已知74系列的反相器输出高低电 平为VOH≥3.2V, VOL≤0.2V，输出 低电平电流为IOL（max）＝16mA， 输出高电平电流为IOH（max）＝ 4mA，输入低电平电流IIL＝－ 1mA，输入高电平电流IIH＝ 40μA，试计算门G1可带同类门 的个数 解：当G1输出为低电平时，有 图3.5.18 扇出系数的计算N1 I IL ? I OL (max)N1 ? I OL (max) I IL 16 ? ? 16 1中英文日报导航站
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性 当G1输出为高电平时，有N 2 I IH ? I OH (max)N2 ? I OH (max) I IH 0.4 ? ? 10 ?3 40 ? 10故取N＝10，即门G1可带同类门 的个数为10个图3.5.18 扇出系数的计算中英文日报导航站
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性四、 输入端的负载特性 在实际使用时，有时需要在输入端和地之间或输入 端和信号源低电平之间接入电阻RP。如图3.5.21所示 由图可知，RP上的压降即为反 VCC 相器的输入电压vI，即RP vI ? (VCC ? vBE1 ) R1 ? RPR14kΩvI iIT1在RP&&R1（较小）的条件下， be2 RP vI随RP几乎线性上升。但当vI上 be5 升到1.4V以后，T2和T5的发射结 同时导通，将vB1钳位在2.1V左右， 图3.5.21 TTL反相器输入端 此时vI不再随RP的增加而上升。经电阻接地时的等效电路中英文日报导航站
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性TTL反相器输入端负载特性曲线如图2.3.22所示。 故一般对于TTL门 电路，若输入端通过电 阻接地，一般当 RP≤0.7KΩ时，构成低电 平输入方式；当 RP≥1.5KΩ时，构成高电 平输入方式。vI / V2.01.001.02.0图3.3.22 TTL反相器输入端负载特性RP / K?中英文日报导航站
3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性例3.5.3 电路如图3.4.22所示，试写出各个电路输出端的 表达式。A B TTL ＆ Y1 A B TTL ＆ Y2 A B100 K?TTL ＆ ?1 Y3100?(a)100 K?(b) 图3.5.22 例3.5.3的电路(c)解： Y1 ? ( AB ? 0)? ? 1Y2 ? ( AB ?1)? ? ( AB)?中英文日报导航站 Y3 ? (0 ? A ? B ?1)? ? B?3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性例3.5.4 在图3.5.23所示电路中，为保证门G1输出的高低 电平能正确地传送倒门G2地输入端，要求当vo1= VOH时， vI2≥ VIH（min）；当vo1= VOL时， vI2≤ VIL（max）。试计算 RP最大允许值。已知G1、 G2均为74系的TTL反相器， VCC＝5V， VOH＝3.4V, VOL＝0.2V, VIH（min）＝2.0V， VIL（max）＝0.8V， IIH＝40μA， IIL＝40μA 解： vo1= VOH时，若使 vI2≥ VIH（min） ，则vo1G1 RPvI 2G2VOH ? I IH RP ? VIH (min)RP ? VOH ? VIH (min) I IH图3.5.23 例 3.5.4电路3.4 ? 2.0 ? ? 35 K? ?6 40 中英文日报导航站 ?103.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性当vo1= VOL时， G2门的输入 管T1导通，如图3.5.24所示， 若使 vI2≤ VIL（max），则VOL ? VCC ? vBE 1 ? VIL (max) R1 RP ? VIL (max)vI 2 iIT1 RPvo1G1 RPvI 2G2VCC R1图3.5.23 例 3.5.4电路4kΩRP ?VIL(max) ? VOL VCC ? vBE1 ? VIL(max)R10 .8 ? 0 .2 ? ? 4 ? 0.69 K? 5 ? 0 .7 ? 0 .8故取RP＝0.69kΩ中英文日报导航站 vO1be2 be5图3.5.24 例3.5.4G2输入低 电平时的等效电路3.5.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性练习：电路如图3.5.25所示，试写出各输出端的逻辑式A B TTL ＆ Y1 A B TTL ＆ Y2 A B CMOS ＆ Y3100?(a) CMOS ＆100 K?(b) TTL ＆ ?1 Y551?(c) A CMOS ?1 Y6A BY4A B100 K?(d)100 K?(e)100 K?(f)图3.5.25 练习的电路中英文日报导航站
3.5.4 TTL反相器的动态特性（自学）一、传输延迟时间 信号通过一级门电路的延迟时间称为平均传输延 迟时间，它是表示门电路工作速度的重要指标。如图 3.5.26所示 tPHL－输出信号下降到 Vm / 2 相对于输入信号 上升到 Vm / 2 之间的延 迟时间 tPLH－输出信号上升到 Vm / 2 相对于输入信号 下降到 Vm / 2 之间的延 迟时间图3.5.26 TTL反相器的动态波形 原因：结电容和寄生电容 中英文日报导航站
的存在。 TTL门的平均传输延时为3 ~ 40ns3.5.4 TTL反相器的动态特性（自学）二、交流噪声 当输入信号为窄脉冲，且接近于tpd时，输出变化 跟不上，变化很小，因此交流噪声容限远大于直流噪 声容限。（a）正脉冲噪声容限 将输出为高电平 由额定值降到2.0V时输 入正脉冲的幅度称为 正脉冲噪声容限，如 图3.5.27所示中英文日报导航站 图3.5.27 正脉冲噪声容限3.5.4 TTL反相器的动态特性（自学）（b）负脉冲噪声容限 将输出为低电平 由额定值上升到0.8V时 输入负脉冲的幅度称 为负脉冲噪声容限， 如图3.5.28所示图3.5.28 负脉冲噪声容限中英文日报导航站
3.5.4 TTL反相器的动态特性（自学）三、电源的动态尖峰电流VO ? VOLVO ? VOH1.两种状态下电源负载电流不等（空载情况下)? VO ? VOL时，T2,5导通，T4 截止.I CCL ? VO ? VOH 时, 仅T1导通I CCH ? VCC ? VBE 1 VCC ? VC 2 ? ? ? 3.4mA R1 R2VCC ? VBE 1 ? 中英文日报导航站 1.1mA(输出无负载） R1
3.5.4 TTL反相器的动态特性（自学）2、动态尖峰电流原因：VI ? 和 ? 过程中，瞬时T4、T5同时导通。 影响： f ?? I CC ? ；通过电源线和地线形成干扰源。中英文日报导航站
3.5.5 其他类型的TTL与非门一、其他逻辑功能的门电路 1. 与非门电路如图3.5.29所示A BVcc R14 K?T1输入级倒相级Vcc4 K?R1输出级中英文日报导航站 图3.5.29 TTL与非门电路 Dbe1 A Dbe2 BDbc1 B23.5.5 其他类型的TTL与非门工作原理：当A和B有一个为0.2V时， VB1 ? 0.9V , T5截止，T4导通， VO ? VOH ? 1 当A和B同为高电平时， VB1 ? 2.1V , T4 截止， T2和T5导通，VO ? VOL ? 0输出级输入级 倒相级故： Y ? ( AB)? 注意：图3.5.29 TTL与非门电路1.由于与非门电路结构和电路参数与反相器相同，故反 中英文日报导航站 相器的输出特性也适用于与非门；
3.5.5 其他类型的TTL与非门2.在计算与非门每个输入端的输入电流时，应根据输 入端的不同工作状态分别对待。当把两个输入端并联 使用时，如图3.5.30a所示。等效电路如（b） 若输入端接低电平时， 输入电流的计算和反相 器相同 ，即I IL VCC ? vBE1 ? vIL ? R1VccIIA （a） AII（b）图3.5.30 TTL与非门输入端并联的等效电路若输入端接高电平，T1的两个发射结反偏，故输入 电流为单个输入端高电平输入电流的2倍。中英文日报导航站
3.5.5 其他类型的TTL与非门例3.5.5 如图2.3.15所示电路，已知TTL与非门的参数 为IOH＝0.5mA，IOL＝8mA，IIL＝－0.4mA，IIH＝ 40μA，问可以驱动多少个同类逻辑门？ 解：设输出为高电平时，可以 带N1个同类逻辑门，则 2N1IIH≤IOHI OH 0.5 ?10 ?3 N1 ? ? ? 12.5 ?6 2 I IH 2 ? 40 ?10＆ ＆＆ 图3.5.31 例3.5.5的电路设输出为低电平时，可以带 N2个逻辑门，则 N2IIL≤IOLI OL 8 ? 10 ?3 N2 ? ? ? 20 ?3 I IL 0.4 ? 10故取N＝123.5.5 其他类型的TTL与非门2.或非门 如图3.5.32为TTL或 非门的电路，其输出 为 ?F ? ( A ? B)TTL或非门输入电路是 完全一样的，由于T2和T2 的输出并联，所以A、B 任何一个为 均可使T5导通， 1 T4 截止 ? VO ? VOL； ?图3.5.32 TTL或非门的电路只有A、B同为0，才有T5截止，T4导通 ? VO ? VOH中英文日报导航站 ? 输入电流计算时， IH 和I IL 均加倍3.5.5 其他类型的TTL与非门3.与或非门 与或非门电路如图 3.5.33所示， 与或门相比，输入管 T1和T?1都是多发射极的 三极管，构成与门电路， 其输出为Y ? ( AB ? CD)?图3.5.33 与或非门电路中英文日报导航站
3.5.5 其他类型的TTL与非门4.异或门 异或门电 路如图3.5.34所 示，则Y ? ( AB ? ( A ? B )?)? ? ( A? ? B?)( A ? B ) ? A?B ? AB? ? A? BAB （A＋B）′注：与门和或门 是在与非门和或 非门的基础上加 了一级反相器构 成。中英文日报导航站 图3.5.34 异或门电路3.5.5 其他类型的TTL与非门二 集电极开路与非门（OC门－ Open Collector Gate） 与OD门一样，为了实现线与构， TTL与非门也可以采用集电极开路的 形式 1.推拉式输出电路结构的局限性： 如图3.3.35所示将推拉式TTL与非 门的输出端并联，则当某一门的输出 端为低电平，如Y2=0,则当Y1=1时，会 有G1门的电流通过G2门的T5管，这个 电流远远超过正常工作电路，有可能 使T5管损坏图3.3.353.5.5 其他类型的TTL与非门推拉式输出电路结构的局限性 ① 输出电平不可调 ② 负载能力不强，尤其是高电平输出 ③ 输出端不能并联使用为了使TTL与非门能实现线与功 能，把输出级的去掉T3 、T4管，使T5 管的集电极开路，就构成集电极开路门， 即OC门。图3.3.353.5.5 其他类型的TTL与非门2. OC门的结构特点如图3.3.36所示为OC门的电路和结构和符号，输 出管的集电极开路图3.3.36? 输出端为 OC三极管 T5，T5可承受较大电压、电流 ， 如SN 7407 : 40 mA / 30V3.5.5 其他类型的TTL与非门工作时需外接负载和电 源，如图3.5.37所示只要RL , VCC 2取值合适，可使 A, B同为高电平时，T5饱和 ，VOL ? 0；当A和B只要有一 个为0时，T5截止，VO ? VCC 2 （VCC 2可以不等于VCC） ? 输出端并联可实现“线与”A B VCC2 RL Y图3.5.37 OC门的工作电路3. 线与的实现 若利用OC门实现线与功能，则 将几个OC门的输出并联起来用一个 中英文日报导航站 上拉电阻即可，如图3.3.38所示 图3.3.383.5.5 其他类型的TTL与非门工作原理： 对于图 3.5.39所示电 路，只有Y1、 Y2有一个为 低电平，Y 即为低电平； 只有Y1、Y2 同时为高电 平，Y才为 高电平；即图3.5.39Y ? Y1 ? Y2 ? ( AB)? ? (CD)? ? ( AB ? CD)?3.5.5 其他类型的TTL与非门4、外接负载电阻RL的计算 外接电阻RL的取 值合适与否，决定驱 动门输出电平是否在 允许值之内 a. 驱动管输出为高电平 时 当输出为高电平时， 所有的驱动管都截止。 RL取值不能太大，否则 VOH会降低，小于VOH （min），如图3.5.40所示IOHVOH I IH图3.5.40 输出为高电平的情况中英文日报导航站
3.5.5 其他类型的TTL与非门则? VCC ? RL (max) ( nIOH ? mI IH ) ? VOH (min)IOH VOH I IHRL (max) ?? VCC ? VOH (min) (nIOH ? mI IH )其中n－驱动管的个数 m－负载管输入端的个数 IOH－每个OC门T5管截止 时的漏电流；IIH－负载门 每个输入端的高电平输入 电流图3.5.40 输出为高电平的情况3.5.5 其他类型的TTL与非门b. 驱动管输出为低电平时 当驱动管输出为低 电平时，若只有一个 驱动门的T5管导通，则 RL取值不能太小，否 则VOL会提高，大于 VOL（max），如图3.5.41 所示则：? VCC ? RL (min) ( I OL ? m?I IL ) ? VOL (max)IOLVOL IILRL (min)? VCC ? VOL (max) ? I OL ? m?I IL其中：m?－负载管短路电 流的个数；IOL－OC门T5管 导通时的电流；IIL－负载 图3.5.41 输出为高电平的情况 门每个输入端的短路输入 中英文日报导航站 电流
3.5.5 其他类型的TTL与非门4.OC门的应用a.实现与或非逻辑－线与 如图3.5.38的线与电路，其输出为Y ? Y1 ? Y2 ? ( AB)? ? (CD)? ? ( AB ? CD)?实现电路比较简单 b.电平转换 与OD门一样，由于 OC门的高电平可以通过外 加电源改变，故它可作为 电平转换电路。TTL RL A B图3.5.38? VCC＋12V CMOS 1 F＆图3.5.42 OC门在电平转换的应用?＆3.5.5 其他类型的TTL与非门一般TTL与非门的电平为0 ~ 3.6V,若需要逻辑电 平为0 ~12V的逻辑电平，只要将负载电阻接到12V电 源即可，其电路如图3.5.42所示? VCCTTL RL ＋12V CMOS 1 F A BSA～SG为选 通信号 ＆ A SA B SB C SC ＆ ＆总 线 SD＆ ＆D E F G＆图3.5.42 OC门在电平转换的应用c.实现数据采集 如图3.5. 43,可实现母 线（总线）的数据的接收 和传送?＆SE＆SF＆SG图3.5.43 OC门在数据采集的应用例3.5.6 试为图2.3.35电路中的外接电阻RL选定合适的 阻值。已知G1、G2为OC门，输出管截止时的漏电流为 IOH＝200μA，输出管导通时允许的最大负载电流为 IOLmax＝16mA。G3、G4和G5均为74系列与非门，它们 的低电平输入电流为IIL＝1mA，高电平输入电流为IIH ＝40μA。，要求OC门的高电平VOH≥3.0V，低电平 VOL≤0.4V. ? VCC 解：当输出为高电平时? VCC－VOHmin R L（max ） ＝ nIOH＋mkI IH 5 ? 3 .0 ＝ ＝2.63K? 2 ? 0.2 ? 3 ? 3 ? 0.04RLA B ＆ G1 Y 5V ＆ G3C D＆ G2＆ G4图3.5.44 例3.5.6 的电路＆ G53.5.5 其他类型的TTL与非门当输出为高电平时R L（min ） ＝ ? VCC－VOL(max) I OLM－mI IL 5 ? 0.4 ＝ 16 ? 3 ?1RLA B ＆ G1 Y? VCC5V ＆ G3＝0.35K?C则可取R L＝ K? 1D＆ G2＆ G4图3.5.44 例3.5.6 的电路＆ G5中英文日报导航站
3.5.5 其他类型的TTL与非门例2.3.4 如图2.3.36所示电路，各门均为TTL电路，输 出高电平为VOH＝3.6V，VOL＝0.3V。电压表满量程 为50V，内阻为20KΩ/V，试问对应给定输入信号A、 B、C的取值（如表一)，开关S断开和闭合时V1和V2 的值。Vcc G1 AB表一 AG3 S ＆RB 0 0 1 0 1C 0 1 0 1 0S 断开 断开 闭合 闭合 闭合＆0 01CV1V20 1G2图3.5.45 例3.5.7的电路13.5.5 其他类型的TTL与非门解：对于门G2的输入端可以用图2.3.37所示电路来等效Vcc G1 ABR SR1 4 K?G3 ＆Vcc＆S T1 V1 Dbe2 Dbe51CV1V2图2.3.37 TTL与非门 输入端等效电路G2图3.5.45 例3.5.7的电路则当S断开时，相当此端加高电平，T2、T5导通，将T1 的基极电位钳位在2.1V，故V1＝2.1-0.7=1.4V；当S闭 合时，若此端输入为低电平，则相应的be结导通，将 T1的基极电位钳位在0.3+0.7=1V，故V1＝1-0.7=0.3V； 此端输入为高电平则与S断开相同3.5.5 其他类型的TTL与非门故对应的输入输出如表二Vcc G1 AB表一A 0 0B 0 0 1 0 1C 0 1 0 1 0S 断开 断开 闭合 闭合 闭合R S＆G3 ＆0 1V21CV11表二G2图3.5.45 例3.5.7的电路A 0 0 0 1 1B 0 0 1 0 1C 0 1 0 1 0S 断开 断开 闭合 闭合 闭合V1 / V1.4 1.4 1.4 0.3 0.3V2 / V0.3 0.3 0.3 3.6 3.63.5.5 其他类型的TTL与非门三、三态TTL与非门（TSL－Three State Logic Gate） 三态TTL与非门又叫三态门，它是在普通与非门 电路的基础上附加控制电路构成的。其特点是除了输 出高、低电平两个状态外，还有第三种状态，即高阻 状态。 1.电路结构 其典型电路如图 3.5.46所示 它与普通与非门 电路的主要差别是输 入级多了一个使能端 EN?和一个二极管D。 图3.5.463.5.5 其他类型的TTL与非门其逻辑符号及逻辑功能如图3.5.47 所示，控制端为低电平有效 2.工作原理（1）当EN?＝0时，P ＝1，D截止，与非门 为正常工作状态，即图3.5.47Y ? ( AB)?（2）当EN?＝1时，P＝ 0，D导通， T4截止；而 P＝0使得T1导通， T2、 T5截止，与非门为高阻 图3.5.46 态，即Y＝Z 中英文日报导航站3.5.5 其他类型的TTL与非门图3.5.48所示是控制端为高电平有效的三态门， 其符号如图3.5.49所示（1）当EN＝1时， P＝1，D截止，与非 门为正常工作状态， 即Y＝（AB）? （2）当EN＝0时，P＝0，D导通， T4截止；而P＝0使 得T1导通， T2、T5截止，与非门为高阻态，即Y＝Z 中英文日报导航站3.5.5 其他类型的TTL与非门3.三态门的用途 TTL三态门除了电平转 换，也可以构成数据的双向 传输和总线结构，如图 3.5.50和图3.5.51所示图3.5.50 数据的双向传输中英文日报导航站 图3.5.51 总线结构3.5.5 其他类型的TTL与非门练习：电路如图3.5.52所示，试用表格方式列出各门电路的 名称、输出逻辑式及当ABCD＝1001时各输出逻辑函 数的取值。5V R Y1 ＆ Y2 Y3 ＝1 Y4 ＝1 ＆ A B C D 图3.5.52 练习的电路 Y5 Y6 ＆ ＆ ＆ Y7 E ＆ E?1?13.5.5 其他类型的TTL与非门5V R Y1 ＆ Y2 Y3 ＝1 Y4 ＝1 ＆ A B C D 图3.5.52 练习的电路 Y5 Y6 ＆ ＆ ＆ Y7 E ＆ E?1?1答案：Y1 名称 输出函数式 输出取值 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 TC门 与非门 或非门 同或门 异或门 与或非门 OC门AC1B ? D A⊙ C B ? D0 0 1AD＋BC AD＋AC BAD＋BA0003.5.6 TTL电路的改进系列(自学）为了满足用户的要求，即提高工作速度和降低功 耗两个方面，在74系列逻辑门电路的基础上，出现了 74H系列、74S系列、74LS系列、74AS系列和74ALS系 列。下面简单介绍它们的电路结构和电气特性。 门电路的综合性能指标－dp积： 将传输延迟时间tpd和功耗P的乘积称为dp积，即dp ? t pd (ns) ? P(mw)对于门电路，dp值越小越好，说明门电路速度快，功 耗低。 中英文日报导航站3.5.6 TTL电路的改进系列(自学）一、高速系列74H/54H （High-Speed TTL）1.电路结构的改进： 电路如图3.5.52所示 标准74 系列 a. 是输出级采用达 林顿结构（减小输 出电阻Ro）图3.5.52RO ?? RS ? rbe?b. 所有的电阻阻值降低了将近一倍中英文日报导航站
3.5.6 TTL电路的改进系列2. 性能特点 与74系列相比采用达林顿管，其β提高，输出高电 平时输出电阻减小，缩短对负载电容的充电速度；电 阻的减小使得电平的转换加快，故其平均传输延迟时 间比74系列门电路缩短一半，通常为10ns以内。但电 阻减小又使得功耗增大标准74系列： t pd ? 10 ns , P ? 10 mW1 74 H系列 : t pd (ns) ? ? P(mw) ? 2倍 2中英文日报导航站
3.5.6 TTL电路的改进系列二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）电路如图3.5.54所示 1.电路结构的改进 a. 在74S系列的门电 路中采用抗饱和三极 管（或称为肖特基三 极管）。是由普通的 双极型三极管和势垒 二极管（SBD－ Schottky Barrier Diode)组合而成。图3.5.54中英文日报导航站
3.5.6 TTL电路的改进系列由于势垒二极管－SBD的开启 电压很低，只有0.3V～0.4V，故三 极管的集电结（b－c结）正向偏置 后，SBD先导通，并把b－c结电压 钳位在0.3V～0.4V。而且从基极流 过来的过驱动电流也从SBD分流， 从而有效地制止三极管进入过饱和 状态。从而提高管子的开关速度， 降低传输延迟时间中英文日报导航站
3.5.6 TTL电路的改进系列b. 用有源泄放电路代 图3.5.54 替74H系列中的R3，加 快输出管T5的导通和 截止，从而缩短了电 路的传输延迟时间；c.引进有源泄放电路可 以改善门电路的电压 传输特性，没有线性 区,如图3.5.55 所示。 d. 减小电阻值 ，功耗增加； 由于T5为浅饱和，故低电 平升高。中英文日报导航站 图3.5.553.5.6 TTL电路的改进系列三、低功耗肖特基系列74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 1.电路结构的改进： 电路如图3.5.42所示(P137)。 a. 仍然采用抗饱和三极管和有源泄放电路； b. 用肖特基二极管SBD代替多发射极三极管； c. 为了加快管子的开关速度，增加了D3和D4两个SBD 管子。 d. 大幅度提高电路中各个电阻的阻值，另将R5接地改 为接到输出端。 2. 74LS系列的优点中英文日报导航站 传输延迟时间短,功耗降低
3.5.6 TTL电路的改进系列四 、74AS和74ALS系列1. 74AS系列（Advanced Schottky TTL）： 电路和74LS系列相似，但采用低阻值电阻，故传 输延迟时间较短，工作速度提高。但功耗要74LS系列 的大些。 2. 74ALS系列（Advanced Low-Power Schottky TTL） 为了降低延迟－功率积（dp积），采用较高阻值 电阻，缩小器件的尺寸，在电路也做了局部的改进。 其dp积是74系列门电路中最小的一种。注：在不同系列的TTL器件中，只要器件型号的后几 位数码相同，则其逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就 完全相同。 中英文日报导航站3.6 其他类型的双极型数字集成电路*（自学）DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用 HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰性好，已被 CMOS替代 ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统 I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI（大规模集成 电路）的内部电路 ?? ?3.7 Bi－CMOS电路*（自学）中英文日报导航站
3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*由于现在大规模集成电路中，存在着TTL和 CMOS两种逻辑电路，故经常会遇到两种电路连接问 题，即TTL和CMOS 电路的接口问题。 对于图3.8.1所示电路，无论何种门作为驱动门，都 必须为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱 动电流。即要满足下列各式：驱动门 负载门VOH (min) ? VIH (min)VOL (max) ? VIL (max)I OH (max) ? nI IH (max) I OL (max) ? mI IL (max)驱动门 负载门中英文日报导航站 图3.8.1驱动门和负载门的连接其中n和m分别为负载电
流中IIH、和IIL的个数。3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*一 用TTL电路驱动CMOS电路 1.用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路 表3.8.1所示为部分TTL电路系列和CMOS电路系 列的参数 表3.8.1电路种类 参数名称TTL (74系列) 2.4 0.4 -0.4TTL (74LS系列) 2.7 0.5 -0.4CMOS (74HC系列) 4.4 0.1 -4CMOS (74HCT系列) 4.4 0.1 -4VOH(min) / V VOL(max) / V IOH(max) / mAIOL(max) / mAVIH(min) / V VIL(max) / V IIH(max) / μA IIL(max) / mA162 0.8 40 -1.682 0.8 20中英文日报导航站 -0.4 43.5 1 0.1 -0.1×10－342 0.8 0.1 -0.1×10－33.8 TTL电路与CMOS电路的接口*表3.8.1电路种类 参数名称TTL (74系列)TTL (74LS系列)CMOS (74HC系列)CMOS (74HCT系列)VOH(min) / VVOL(max) / V IOH(max) / mA IOL(max) / mA VIH(min) / V VIL(max) / V2.40.4 -0.4 16 2 0.82.70.5 -0.4 8 2 0.84.40.1 -4 4 3.5 14.40.1 -4 4 2 0.8IIH(max) / μAIIL(max) / mA40-1.620-0.40.1-0.1×10－30.1-0.1×10－3?VOL (max) ? VIL (max) 由表中可 ? 以看出 满足?I OH (max) ? nI IH (max)? 中英文日报导航站 mI IL (max) ? I OL (max) ? 但不满足VOH (min) ? VIH (min)3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*解决的方法：在TTL电路的输出端与电源之间接入上 拉电阻 a. 在CMOS电路电源电压较低时，其电路可采取图 3.8.2所示电路,则VOH ? VDD ? RU ( I o ? nI IH )其中IO为TTL电路输出级 T5管截止时的漏电流 由于IO和IIH都很小，只 要RU不是足够大，可以做 到RUVDD=5VVOHTTL n?I IHI IHCMOSVOH ? VDD图3.8.2 用上拉电阻提高TTL电路 输出的高电平 中英文日报导航站3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*b.在CMOS电路的电源电压较高时 此时CMOS电路要求的VIH（min）比较高，超过 TTL电路输出端能承受的电压，故应采取TTL的集电 极开路（OC门），其上拉电阻RU的计算与OC门的相 同。 2.用TTL电路驱动74HCT和74AHCT系列的CMOS门 电路 74HCT系列为高速CMOS电路，通过工艺和设计 的改进，使得输入高电平的值VIH（max）降至2V，故满 足上述驱动要求，不许外加任何元器件。中英文日报导航站
3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*二 用CMOS电路驱动TTL电路 1.用74HC/74HCT系列CMOS电路驱动74系列TTL电路 表3.8.1电路种类 参数名称TTL (74系列) 2.4 0.4TTL (74LS系列) 2.7 0.5CMOS (74HC系列) 4.4 0.1CMOS (74HCT系列) 4.4 0.1VOH(min) / V VOL(max) / VIOH(max) / mA IOL(max) / mAVIH(min) / V VIL(max) / V IIH(max) / μA IIL(max) / mA-0.4 162 0.8 40 -1.6-0.4 82 0.8 20 -0.4-4 43.5 1 0.1 -0.1×10－3-4 42 0.8 0.1 -0.1×10－3由表3.8.1可知，用74HC/74HCT系列CMOS电路驱动 中英文日报导航站 74系列TTL电路能满足3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*三、当驱动门的电流不能满足负载要求时： 如用4000系列的CMOS门驱动TTL门时，其输出 低电平最大电流（0.51mA）小于TTL门的最大输入低 电平电流（－1.6mA），即I OL (max) ? mI IL(max)可采取的措施为 a. 将同一封装内的门电路并联使用，如图3.8.3所示vIvo v IvovIvo图3.8.3 几种CMOS门电路并联起来以提高带负载能力的方式图3.2.5 二极管或门电路 中英文日报导航站3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*b.在CMOS电路的输出端增加一级CMOS驱动器 如图3.8.4所示，在 4000系列的CMOS与非 门后面接一个同相输出 的CC4010，其输出低电 平电流为IOL≥3.2mA， 可驱动2个74系列的 TTL门电路；驱动门也 可选择漏极开路门，如 CC40107，其输出低电 平电流为IOL≥16mA，可 驱动10个74系列的TTL 门电路CMOSCMOS 驱动器TTL 图3.8.4 利用CMOS驱动器驱动TTL电路中英文日报导航站
3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*c.使用分立元件实现电流扩展 电路如图3.8.5所示。只要参数选择 合适，可以使iB ? I OHVcc RCiBCMOSvo同时满足RBI OLTTLI OL ? nIIL电流放大器图3.8.5 通过电流放大器驱动TTL电路且要使三极管放大器输出的高、低电平也符合要求。中英文日报导航站
3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*例3.8.1试分析图3.8.6（a）、（b）所示电路的逻辑功 能，写出Y1、Y2的逻辑表达式。图中均为CMOS门电路， 并说明可否用于TTL门电路。解：对于图2.8.5(a）所示电 路本电路是CMOS与非门扩 展输入端的一种方式。 其Y1的逻辑表达式为A B C D E F 图3.8.6(a) R Y1Y1 ? ( ABC )? ? ( DEF )? ? ( ABCDEF )?中英文日报导航站
3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*对于图3.8.6(b）所示电路是 CMOS或非门扩展输入端的 一种方式 其Y2的逻辑表达式为A B C Y2 VDD＝10V RY2 ? ( A ? B ? C )? ? ( D ? E ? F )? D ? ( A ? B ? C ? D ? E ? F )? E F 图3.2.5 二极管或门电路 图3.8.6(b）**CMOS门电路的输出电压范围比较宽，即可以驱动 图3.2.5 二极管或门电路 CMOS门电路，也可以通过电平移动驱动TTL门电路。但 若改成TTL门电路进行扩展，则由于输出高电平为3.6V左 中英文日报导航站 右，采用这种方式扩展不能满足驱动TTL电路的要求。
3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*3.8.6图（c）也是两种输入端扩展方式，其输出和前 面相同VDD=10VA B C D E100kΩE D C B AY2图3.2.5 二极管或门电路Y1 图3.8.6 (c)中英文日报导航站 100kΩ3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*例3.8.2 电路如图3.8.7所示，由电阻Rb、Rc和三极管T 构成了CMOS与非门驱动TTL门电路的接口电路。要 求三极管输出高电平vo≥3.5V，输出低电平vo≤0.3V。已 知CMOS门输出高电平VOH＝4.7V,高电平输出电流 IOH≤0.15mA；输出高电平VOL＝0.7V，低电平输出电流 IOL&0. 5mA。TTL输入高电平电流IIH＝40μA，输入高 电平电流IIL＝－1.4mA TTL Vcc 求：（1）Rb的 5V 最小值；（2） Rc 若Rb＝40kΩ， ib CMOS vo 求Rc的取值范围。Rb ? ? 50中英文日报导航站 图3.8.7 通过电流放大器驱动TTL电路
3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*解：（1）当 CMOS门输出为 高电平时，应使 三极管处于饱和 导通状态，即VBE ＝0.7V，则有Vcc RcCMOS 5V TTLVOHibvoRb ? ? 50图3.8.7 通过电流放大器驱动TTL电路Rb (min)VOH ? VBE 4.7 ? 0.7 ? ? I OH 0.15中英文日报导航站 ? 26 .7kΩ3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*(2)若Rb＝40kΩ,则驱动门输出高电平时，基极电流为VOH ? VBE IB ? RB 4 .7 ? 0 .7 ? 40 ? 10 3 ? 0.1mACMOSVcc Rc5VTTLib3IIL ICvoVOH1 Rb ? ? 50若使T处于饱和状态， 则集电极电流为图3.8.7 通过电流放大器驱动TTL电路VCC ? VOL IC ? ? 3I IL ? ?I B RCVCC ? VOL 5 ? 0.3 RC ? ? ? 5.9kΩ ?3 ?I B ? 3I IL (50中英文日报导航站 1.4) ?10 ? 0.1 ? 3 ?3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*当CMOS输出为低电平时，使三极管T处于截止状态， 则集电极电流为VCC ? VOH IC ? ? 6 I IH RC则有Vcc RcCMOS VOL1 5VTTLibvo6IIHRb ? ? 50VCC ? VOH RC ? 6 I IH 5 ? 3.5 ? 6 ? 0.04 ?10 ?3 ? 6.25kΩ图3.8.7 通过电流放大器驱动TTL电路故Rc的取值范围为5.9kΩ ? RC ? 6.25kΩ中英文日报导航站
3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*四、集成逻辑门使用中的几个问题 1.多余输入端的处理 a. 将多余端和使用的输入端并联使用 注：这种方法对ECL门使带负载能力下降，对于 CMOS门可降低工作速度，增加功耗。 b. 将多余端悬空或剪掉 注：对于TTL门电路，由于输入阻抗小，影响不大； 对于CMOS门、ECL门，会使电路不能稳定工作 c. 依照逻辑门的功能将多余端接固定的电平，如对于 与门和与非门，多余端可接高电平；而或门和或非门 可接低电平，3.8 TTL电路与CMOS电路的接口*2.逻辑电平的匹配 对于一个数字系统，为了使性价比最佳，常常会采 用不同类型的器件，比如TTL和CMOS，这样在这些器 件之间存在着逻辑电平的配合问题 方法是接上拉电阻或利用OC门来进行电平转换，现在 有现成的各类电平转换电路供用户选择 3.负载能力的匹配 采用不同类型器件的数字电路也要考虑各种各种类型门 电路的驱动能力匹配问题。在满足电平匹配的情况下， TTL门电路的驱动电流大，可以直接驱动CMOS门。而 CMOS门的驱动电流很小，不能直接驱动TTL门。 采用的方法是使用专门的接口电路。注意：同一类型 不同系列的逻辑门也要注意器件使用配合的问题作题3.7（d） 题3.8业题3.10 题 3.11题3.14 题3.23题3.15 题3.16 题3.26 题3.28题3.17
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