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第 3 章 门电路

第 3 章 门电路. 3.1 概述 3.2 半导体二极管和 三极管的开关特性 3.3 分立元件门电路 3.4 TTL 门电路 3.5 CMOS 门电路. 分立元件门电路. 门电路. 双极型集成门（ DTL 、 TTL ）. 集成门电路. NMOS. MOS 集成门. PMOS. CMOS. 3.1 概述. 门电路 是用以实现逻辑关系的电子电路。. CMOS ： Complementary Metal_Oxide_Semiconductor 金属 - 氧化物 - 半导体互补对称逻辑电路

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第 3 章 门电路

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  1. 第3章 门电路 3.1 概述 3.2 半导体二极管和 三极管的开关特性 3.3 分立元件门电路 3.4 TTL门电路 3.5 CMOS门电路

  2. 分立元件门电路 门电路 双极型集成门（DTL、TTL） 集成门电路 NMOS MOS集成门 PMOS CMOS 3.1 概述 门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。 CMOS：Complementary Metal_Oxide_Semiconductor 金属-氧化物-半导体互补对称逻辑电路 ECL：Emitter-Coupled Logic射极耦合逻辑门电路 BiCMOS：Bipolar CMOS

  3. 一、正逻辑与负逻辑 正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0 负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0 在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。 今后除非特别说明，一律采用正逻辑。

  4. 1 高电平下限 低电平上限 0 二、逻辑电平 5V 2V 0.8V 0V 实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件 VI控制开关S的断、通情况。 S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。

  5. 逻辑电平 • 高电平UH： • 输入高电平UIH • 输出高电平UOH • 低电平UL： • 输入低电平UIL • 输出低电平UOL • 逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。

  6. 3.2 半导体二极管和三极管的开关特性 iD(mA) uD(V) 0.7V 3.2.1 半导体二极管的开关特性 一、二极管伏安特性 反向击穿电压 门坎电压Uth 二极管的单向导电性： ①外加正向电压（>Uth），二极管导通，导通压降约为0.7V； ②外加反向电压，二极管截止。

  7. 二、二极管开关特性 利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。 假定：UIH=VCC ，UIL=0 当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH－－－ 开关断开 当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL－－－ 开关闭合

  8. PNP型 NPN型 3.2.2 双极型三极管的开关特性 一、双极型三极管结构 因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。

  9. 二、双极型三极管输入特性 双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以b,e间的回路作为输入回路，c,e间的回路作为输出回路。 输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。

  10. 三、双极型三极管输出特性 放大区：发射结正偏，集电结反偏；ube>uT， ubc<0；起放大作用。 截止区：发射结、集电极均反偏，ubc<0V，ube<0V；一般地，ube<0.7V时， ib0V，ic0V；即认为三极管截止。 饱和区：发射结、集电极均正偏； ube>VT， ubc>VT；深度饱和状态下，饱和压降UCEs 约为0.2V。

  11. 四、双极型三极管开关特性 利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作状态。 假定：UIH=VCC ，UIL=0 当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL－ 开关闭合 当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH－ 开关断开

  12. PMOS管电路符号 NMOS管电路符号 3.2.3 MOS管的开关特性 一、MOS管结构 MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor） 由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。

  13. NMOS管的基本开关电路 二、MOS管开关特性 选择合适的电路参数，则可以保证 当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL－ 开关闭合 当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH－ 开关断开

  14. 3.3 分立元件门电路 一、二极管与门 Y=AB

  15. 二、二极管或门 Y=A+B

  16. 三、三极管非门 利用二极管的压降为0.7V，保证输入电压在1V以下时，开关电路可靠地截止。 输入为低，输出为高； 输入为高，输出为低。

  17. 3.4 TTL门电路 一、TTL系列门电路 性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗—延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗—延迟积越小，门电路的综合性能就越好。 ①74：标准系列； ②74H：高速系列； ③74S：肖特基系列； ④74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。 ⑤74AS：先进肖特基系列； ④74ALS：先进低功耗肖特基系列。

  18. +Vcc R R W R W 130 4 4k 1 2 W 1.6K T 4 D 2 T 2 Y A T 1 T 5 D R 1 3 W 1K 输出级 输入级 中间级 二、74系列门电路 1.非门 推拉式输出级作用：降低功耗，提高带负载能力 TTL非门典型电路

  19. vCC +5V R2 R1 R4 1.6k  ４k  N P N 130 b1 T4 c1 T2 T1 A D2 R5 (vI) Y D1 T5 三个PN结 R3 1k  导通需2.1V ①输入为低电平（0.2V）时 不足以让 T2、T5导通 0.9V 0.2V uo=5-uR2-uD2-ube43.4V高电平！

  20. vCC +5V R2 R1 R4 1.6k  ４k  130 b1 截止 T4 c1 “1” T2 T1 A D2 R5 (vI) Y D1 T5 全导通 R3 1k  ②输入高电平（3.4V）时 电位被嵌 在2.1V 1V uY=0.2V 低电平

  21. u0(V) u0(V) UOH “1” UOH (3.4V) 1 ui(V) 2 3 1 ui(V) 2 3 ①电压传输特性 输出高电平 输出低电平 UOL (0.2V) UOL (0.2V) 阈值UT=1.4V 传输特性曲线 理想的传输特性

  22. AB段： VI< 0.6V 截止区 所以 VB1< 1.3V，T2和T5截止 　　　　故输出为高电平VOH VOH=VCC -VR2 -VBE4 -VD2  3.4V BC段： 1.3V< VI< 0.7V 线性区 T2工作于放大区，T5截止 　　　　随着VI的升高，VC2和VO线性下降 CD段： VI  1.4V转折区 T2和T5同时导通，输出电位急剧下降为低电平；转折区中点对 　　　　应的输入电压称为阈值电压　用VI H 表示. DE段：　　　　　　　　　　饱和区 VI继续升高时VO不再变化表示.

  23. +5V +5V R2 R4 R1 T3 反偏 T4 R5 T1 ②电压输出特性 A.高电平输出特性 1 流出前级电流IOH（拉电流）≤0.4mA 前级 后级

  24. +5V R1 +5V R2 3k b1 R1 c1 T2 T1 T1 T5 R3 B.低电平输出特性 流入前级的电流IOL 约 1.4mA (灌电流) 0 前级 后级

  25. 2.与非门 区别：T1改为多发射极三极管。 TTL与非门典型电路

  26. 3.或非门 区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。 0.9V 0.2V 0.2V 2.1V 3.4V TTL或非门典型电路

  27. 4.与或非门

  28. B A Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 5.异或门 0.9V 4.8V 0.2V 3.4V 3.4V 0.9V 2.1V 0.9V

  29. B A Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 2.1V 3.4V 3.4V 0.2V 0.9V 2.1V 2.1V

  30. 抗饱和三极管 三、74S系列门电路 74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBD组合而成。SBD的正向压降约为0.3V，使晶体管不会进入深度饱和，其Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间，提高了开关速度。

  31. 四、74LS系列常用芯片

  32. Y=AB=AB Y=A+B=A+B 与门 或门 异或门

  33. 测试电路 电压传输特性 五、TTL门电路的重要参数 1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。 74LS系列门电路标准规定： 低电平输入电压UIL，max＝0.8V 高电平输入电压UIH，min＝2V 低电平输出电压UOL，max＝0.5V 高电平输出电压UOH，min＝2.7V

  34. 2.输入噪声容限  实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。 低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示： UNL = UIL,max－UIL 高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH表示： UNH = UIH－UIH,min

  35. uI uO 1输入 1输出 0输入 0输出 1 1 5V 5V UOH,min 2.7V UNH 2V UIH,min UIL,max 0.8V UNL 0.5V UOL,max 0V 0V 输入低电平噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max 输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min UNL=0.8V－0.5V=0.3V UNH=2.7V－2.0V=0.7V 74LS系列门电路前后级 联时的输入噪声容限为：

  36. 3.扇出系数 扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。 要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流IOH和IOL均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。 计算：①输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1； ②输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2； ③扇出系数＝min（N1，N2）。 74LS系列门电路标准规定： 低电平输入电流IIL，max＝-0.4mA 高电平输入电流IIH，max＝20µA 低电平输出电流IOL，max＝8mA 高电平输出电流IOH，max＝-0.4mA

  37. 关于电流的技术参数

  38. +5V R2 R4 T3 IiH1 T4 R5 IiH2 T1 T1 T1 IOH IiH3 前级 扇出系数: 门电路输出驱动同类门的个数 前级输出为 高电平时 后 级

  39. +5V R1 IiL1 R2 3k b1 c1 T2 IOL IiL2 T1 T5 IiL3 R3 前级输出为 低电平时 后 级 前级

  40. 输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）： 输出高电平时，流出前级的电流（拉电流）： 与非门的扇出系数一般是10。

  41. 例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。 解：① G1输出为低电平时，可以驱动N1个同类门； 应满足 IOL≥ N1 ·|IIL| N1≤IOL/ |IIL| ＝ 8mA/0.4mA ＝ 20 ② G1输出为高电平时，可以驱动N2个同类门； 应满足 |IOH|≥ N2 ·IIH N2≤ |IOH| / IIH＝ 0.4mA/20µA ＝ 20 ③ N＝min（N1,N2）＝ 20

  42. A & B & Y C & D A & B Y C & D 推拉式输出级并联 六、集电极开路的门电路（OC门） 1.“线与”的概念 “线与”

  43. 2.OC门的电路结构和逻辑符号 普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解决这个问题的方法就是把输出级改为集电极开路的三极管结构。 OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。

  44. UCC +5V R1 R2 3k RL b1 c1 A T2 T1 B C F T5 R3 OC应用时输出端要接一上拉负载电阻RL

  45. UCC UCC RL F F1 T5 & & & 输出级 T5 F2 T5 F3 3、OC门可以实现“线与”功能 RL F=F1F2F3

  46. UCC RL F=0 F1 F F2 任一导通 F3 F=F1F2F3?

  47. UCC RL F=1 F1 F F2 全部截止 F3 F=F1F2F3? 所以：F=F1F2F3!

  48. OC门的输出并联“线与”功能

  49. RL 4.外接上拉电阻RU(RL)的计算方法 ①当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的UOH，min值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：

  50. 　　当所有OC同时截止时，输出为高电平。为保证高电平不低于规定的VOH值，应满足：　　　　　当所有OC同时截止时，输出为高电平。为保证高电平不低于规定的VOH值，应满足：　　　 　　即：　　　 　　（　n为OC门的输出端个数，m为TTL与非门的输入端个数）

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