第2章

門電路【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

本章首先介紹半導(dǎo)體二極管、三極管、MOS管的開關(guān)特性及分離元件門電路；然后介紹TTL反相器和CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、邏輯特性、電氣參數(shù)，以及與非門、或非門、三態(tài)門、OC門、OD門和傳輸門的特性。最后介紹TTL門電路和CMOS門電路使用中需注意的事項以及TTL門電路和CMOS門電路的接口問題。【能力目標(biāo)】

掌握半導(dǎo)體二極管、三極管和MOS管的開關(guān)特性以及分離元件門電路。熟練掌握TTL反相器和CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、邏輯特性、電氣參數(shù)以及與非門、或非門、三態(tài)門、OC門、OD門和傳輸門的工作原理和特點。了解TTL門電路和CMOS門電路使用中需注意的事項以及TTL門電路和CMOS門電路的接口問題。

1.門電路

是用以實現(xiàn)邏輯關(guān)系的電子電路，與基本邏輯關(guān)系相對應(yīng)。門電路主要有：與門、或門、與非門、或非門、異或門等。2.1概述3.正負(fù)邏輯

正邏輯：用高電平代表1、低點平代表0。在數(shù)字電路中，一般采用正邏輯系統(tǒng)。

負(fù)邏輯：用高電平代表0、低點平代表1。2.高低電平：兩個不同的可以截然區(qū)分開來的電壓范圍

高電平：數(shù)字電路中較高電平代數(shù)值的范圍。

低電平：數(shù)字電路中較低電平代數(shù)值的范圍。4.分立元件門電路和集成門電路分立元件門電路：用分立元件和導(dǎo)線連接起來構(gòu)成的門電路集成門電路：把構(gòu)成門電路的元器件和連線都制作在一塊半導(dǎo)體硅片上，在封裝起來。現(xiàn)在使用最多的是TTL和MOS門電路。tvVHVLPositiveLogic10tvVHVLNegativeLogic102.2基本門電路2.2.1.半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性用來接通或斷開電路的開關(guān)器件應(yīng)具有兩種工作狀態(tài)：一種是接通（要求其阻抗很小，相當(dāng)于短路），另一種是斷開（要求其阻抗很大，相當(dāng)于開路）。二極管具有單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)ǎ聪蚪刂梗喈?dāng)于一個受電壓控制的電子開關(guān)。二極管加正向電壓時導(dǎo)通，伏安特性很陡、壓降很小（硅管為0.7V，鍺管為0.3V），可以近似看作是一個閉合的開關(guān)。二極管加反向電壓時截止，反向電流很小（nA級），可以近似看作是一個斷開的開關(guān)。把uD<UT=0.5V看成是硅二極管的截止條件。在低速脈沖電路中，二極管開關(guān)由接通到斷開，或由斷開到接通所需要的轉(zhuǎn)換時間通常是可以忽略的。然而在數(shù)字電路中，二極管開關(guān)經(jīng)常工作在高速通斷狀態(tài)。由于PN結(jié)中存儲電荷的存在，二極管開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不能瞬間完成，需經(jīng)歷一個過程。

tre=ts+tf

叫做反向恢復(fù)時間。該現(xiàn)象說明，二極管在輸入負(fù)跳變電壓作用下，開始仍然是導(dǎo)通的，只有經(jīng)過一段反向恢復(fù)時間tre之后，才能進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)。由于tre的存在，限制了二極管的開關(guān)速度。2.2.2半導(dǎo)體二極管門電路1.二極管與門2.二極管或門ABY-VCC2.2.3半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性在數(shù)字電路中，三極管作為開關(guān)元件，主要工作在飽和和截止兩種開關(guān)狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。1.三極管開關(guān)條件及特點2.三極管的開關(guān)時間（動態(tài)特性）開啟時間ton

上升時間tr延遲時間td關(guān)閉時間toff下降時間tf存儲時間ts(1)開啟時間ton

：三極管從截止到飽和所需的時間。

ton=td+tr

td：延遲時間

tr

：上升時間(2)關(guān)閉時間toff

：三極管從飽和到截止所需的時間。

toff=ts+tf

ts

：存儲時間（幾個參數(shù)中最長的；飽和越深越長）

tf

：下降時間toff>ton。開關(guān)時間一般在納秒數(shù)量級。高頻應(yīng)用時需考慮。2.2.4三極管非門實現(xiàn)非邏輯功能的電路是非門電路，也稱反相器。利用三極管的開關(guān)特性，可以實現(xiàn)非邏輯運算。2.3.1TTL反相器（Transistor-TransistorLogic）2.3TTL門電路當(dāng)輸入高電平時，uI=3.6V，T1處于倒置工作狀態(tài)，集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏，

uB1=0.7V×3=2.1VIB2=(5-2.1)/4=0.725mA

假定2>10，若T2工作于放大狀態(tài)，則IC2>7.25mA

所以VC2<VCC-IC2R2=-6.6V故T2不可能工作于放大狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)，只可能是飽和狀態(tài)。因VB4=VCES2+VBE5=1VT3截止。T4狀態(tài)取決于外電路，在輸出電流小于IOLmax時，輸出為低電平uO=0~0.3V。2.1V0.3V3.6V（1）電路結(jié)構(gòu)和工作原理T3T4當(dāng)輸入低電平時，uI=0.3V，T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，

uB1=0.3V+0.7V=1VT2和T4均截止，T3和VD導(dǎo)通。輸出高電平

uO=VCC-UBE3-UD-IB3R2≈5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3VT3T4采用推拉式輸出級利于提高開關(guān)速度和負(fù)載能力

T3組成射極輸出器，優(yōu)點是既能提高開關(guān)速度，又能提高負(fù)載能力。當(dāng)輸入高電平時，T4飽和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，T3和VD2截止，T4的集電極電流可以全部用來驅(qū)動負(fù)載。當(dāng)輸入低電平時，T4截止，T3導(dǎo)通（為射極輸出器），其輸出電阻很小，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。可見，無論輸入如何，T3和T4總是一管導(dǎo)通而另一管截止。這種推拉式工作方式，帶負(fù)載能力很強(qiáng)。（2）常用型號

常用的集成的TTL反相器有7404和74LS04，每個芯片中封裝了六個獨立的反相器。74LS04引腳圖2.3.2TTL反相器的特性1.TTL反相器的電壓傳輸特性及參數(shù)截止區(qū)線性區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)飽和區(qū)T4截止，稱關(guān)門T4飽和，稱開門輸出高電平UOH典型值為3V。輸出低電平UOL

典型值為0.3V。返回開門電平UON一般要求UON≤1.8V

關(guān)門電平UOFF一般要求UOFF≥0.8V在保證輸出為額定低電平的條件下，允許的最小輸入高電平的數(shù)值，稱為開門電平UON。在保證輸出為額定高電平的條件下，允許的最大輸入低電平的數(shù)值，稱為關(guān)門電平UOFF。UOFFUON

電壓傳輸特性曲線轉(zhuǎn)折區(qū)中點所對應(yīng)的uI值稱為閾值電壓UTH（又稱門檻電平）。通常UTH≈1.4V。噪聲容限（UNL和UNH

）噪聲容限也稱抗干擾能力，它反映門電路在多大的干擾電壓下仍能正常工作。UNL和UNH越大，電路的抗干擾能力越強(qiáng)。2.TTL反相器的輸入特性和輸出特性輸入伏安特性

兩個重要參數(shù)：

(1)輸入短路電流IIS當(dāng)uI

=0V時，iI從輸入端流出。

iI

=－(VCC－UBE1)/R1

=－(5－0.7)/4≈－1.1mA(2)高電平輸入電流IIH

當(dāng)輸入為高電平時，T1的發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)正偏，處于倒置工作狀態(tài)，倒置工作的三極管電流放大系數(shù)β反很小(約在0.01以下)，所以

iI=IIH=β反

iB2

IIH很小，約為10μA左右。T3T4

TTL反相器的輸入端對地接上電阻RI時，uI隨RI

的變化而變化的關(guān)系曲線。輸入負(fù)載特性在一定范圍內(nèi)，uI隨RI的增大而升高。但當(dāng)輸入電壓uI達(dá)到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不變，故uI

=1.4V也不變。這時T2和T4飽和導(dǎo)通，輸出為低電平。虛框內(nèi)為TTL反相器的部分內(nèi)部電路RI不大不小時，工作在線性區(qū)或轉(zhuǎn)折區(qū)。RI較小時，關(guān)門，輸出高電平；RI

較大時，開門，輸出低電平；ROFFRONRI→∞懸空時？

(1)關(guān)門電阻ROFF——在保證門電路輸出為額定高電平的條件下，所允許RI

的最大值稱為關(guān)門電阻。典型的TTL門電路ROFF≈0.7kΩ。

(2)開門電阻RON——在保證門電路輸出為額定低電平的條件下，所允許RI

的最小值稱為開門電阻。典型的TTL門電路RON≈2kΩ。

數(shù)字電路中要求輸入負(fù)載電阻RI≥RON或RI≤ROFF

，否則輸入信號將不在高低電平范圍內(nèi)。振蕩電路則令ROFF≤RI≤RON使電路處于轉(zhuǎn)折區(qū)。輸出特性

(a)輸出高電平時的輸出特性負(fù)載電流iL不可過大，否則輸出高電平會降低。拉電流負(fù)載(b)輸出低電平時的輸出特性負(fù)載電流iL不可過大，否則輸出低電平會升高。一般灌電流在20mA以下時，電路可以正常工作。典型TTL門電路的灌電流負(fù)載為12.8mA。灌電流負(fù)載

3.TTL反相器的動態(tài)特性

傳輸延遲時間tpd

平均傳輸延遲時間tpd表征了門電路的開關(guān)速度。tpd=（tpLH+tpHL）/2（1）TTL與非門2.3.3其他類型的TTL門電路全1輸出0有0輸出11V2.1V每一個發(fā)射極能各自獨立形成正向偏置的發(fā)射結(jié)，并可使三極管進(jìn)入放大或飽和區(qū)。 多發(fā)射極三極管

有0.2V箝位于0.9V全為3.6V集電結(jié)不導(dǎo)通（2）TTL或非門（3）集電極開路門（OC門）集電極開路例：用OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換如圖所示為兩個集電極開路與非門線與連接起來的邏輯圖，其輸出為只要上拉電阻選擇的合適，就不會因電流過大而燒壞芯片，因此，實際應(yīng)用中，必須要合理選取上拉電阻的阻值。

上拉電阻的估算

①的計算①的計算（4）三態(tài)門01截止Y＝AB

EN=0時，電路為正常的與非工作狀態(tài)，所以稱控制端低電平有效。10導(dǎo)通1.0V1.0V截止截止高阻當(dāng)EN=1時，門電路輸出端處于高阻狀態(tài)。控制端高電平有效的三態(tài)門控制端低電平有效的三態(tài)門用“▽”表示輸出為三態(tài)。高電平有效低電平有效肖特基三極管（SchottkyTransistors）R2+VIN-+VCE=0.2V-VBE=0.6V+-VBC=0.4VbaseemittercollectorR2R1VINVOUTQ1VCC+VIN-+VCE=0.35V-VBE=0.6V+-VBC=0.25V+0.25V-（5）改進(jìn)的TTL門電路-------肖特基系列TTL門電路返回（6）TTL系列74

FAM

nn前綴系列助記符功能數(shù)字

74S(SchottkyTTL):肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，但功耗大。74LS(Low-powerSchottkyTTL):低功耗肖特基TTL系列，比普通74系列速度高，功耗只有其1/5。74AS(AdvancedSchottkyTTL):改進(jìn)型肖特基TTL系列，比普通肖特基系列速度高一倍，功耗相同。返回

74ALS(AdvancedLow-powerSchottkyTTL):改進(jìn)型低功耗肖特基TTL系列，比74LS系列的功耗低、速度快。

74F(FastTTL):高速肖特基TTL系列，功耗、速度介于74AS和74ALS之間。

TTL集成電路多余或暫時不用的輸入端的處理（1）多余或暫時不用的輸入端的一般不懸空，但可以懸空；懸空時相當(dāng)于接高電平。（2）與其它輸入端并聯(lián)使用。（3）將不用的輸入端按照電路功能要求接電源或接地。一般，接電源時需接上拉電阻；接地時需接下拉電阻。典型值1-10k。2.4CMOS門電路

MOS門電路：以MOS管作為開關(guān)元件構(gòu)成的門電路。

MOS門電路，尤其是CMOS門電路具有制造工藝簡單、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、價格便宜等優(yōu)點，得到了十分迅速的發(fā)展。

MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。當(dāng)NMOS管和PMOS管成對出現(xiàn)在電路中，且二者在工作中互補(bǔ)，稱為CMOS管(意為互補(bǔ))。MOS管有增強(qiáng)型和耗盡型兩種。在數(shù)字電路中，多采用增強(qiáng)型。2.4.1.MOS管的開關(guān)特性D接正電源截止導(dǎo)通

（1）NMOS管的開關(guān)特性

Vgs=0→Rds

106()→I10-6(A)0Vgs

Vgs(th)→Rds

10()<<RL→VRds0

（2）PMOS管的開關(guān)特性D接負(fù)電源截止導(dǎo)通2.4.2CMOS反相器PMOS管NMOS管AZ0110

工作特點：TP和TN總是一管導(dǎo)通而另一管截止，流過TP和TN的靜態(tài)電流極小（納安數(shù)量級），因而CMOS反相器的靜態(tài)功耗極小。這是CMOS電路最突出的優(yōu)點之一。2.4.3.CMOS反相器的特性AB段：截止區(qū)iD為0BC段：轉(zhuǎn)折區(qū)閾值電壓UTH≈VDD/2轉(zhuǎn)折區(qū)中點：電流最大CMOS反相器在使用時應(yīng)盡量避免長期工作在BC段。CD段：導(dǎo)通區(qū)電壓傳輸特性和電流傳輸特性1.靜態(tài)特性

CMOS邏輯電平和噪聲容限

VOLmax=0.1V0.7VDD0.3VDD0VDDABNORMALHIGHLOWVOHminVIHminVILmaxVOLmaxHigh-stateDCnoisemarginLow-stateDCnoisemargin

VOHmin=VDD–0.1VVIHmin=0.7VDD

VILmax=0.3VDDVNH

=VOHmin-VIHmin

VNL=

VILmax-VOLmax

扇出系數(shù)

總的扇出系數(shù)是高、低電平狀態(tài)下扇出系數(shù)中較小的一個。邏輯門所能夠驅(qū)動同類門（輸入端）的個數(shù)。

IOLmax:保證輸出不高于VOLmax的低電平最大灌電流。

IOHmax:保證輸出不低于VOHmin的高電平最大拉電流。2.動態(tài)特性

轉(zhuǎn)換時間:邏輯電路的輸出從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)所需的時間。trtftrtfVIHminVILmax(a)idealcase(b)approximation(C)actualcase上升時間tr：輸出從低電平轉(zhuǎn)換到高電平所需的時間。下降時間tf：輸出從高電平轉(zhuǎn)換到低電平所需的時間。

傳輸延遲:邏輯電路的輸入變化到其輸出發(fā)生相應(yīng)變化所間隔的時間。tpHLtpLHCMOS反相器的傳輸延遲

tpHL:輸入變化導(dǎo)致輸出從高電平到低電平變化所間隔的時間。

tpLH:輸入變化導(dǎo)致輸出從低電平到高電平變化所間隔的時間。tpHLtpLH50%VIH50%VOH

功耗

靜態(tài)功耗:邏輯電路輸出狀態(tài)不發(fā)生變化時的功耗。

大多數(shù)CMOS電路具有很低的靜態(tài)功耗，所以在很多低功耗的場合采用CMOS集成電路。動態(tài)功耗:

邏輯電路輸出狀態(tài)發(fā)生變化時的功耗，其值比靜態(tài)功耗大得多。

PC:平均功耗；PT:瞬時導(dǎo)通功耗；PD:總的動態(tài)功耗。

CPD:功耗電容；

CL:負(fù)載電容。

VDD:電源電壓。

f:信號頻率。與非門2.4.4其它類型的CMOS門電路ABY001101011110ABY或非門ABY001101011000ABY傳輸門若C=1（接VDD)、C’=0（接地），當(dāng)uI

=1時，TN導(dǎo)通；uI

=0時，TP導(dǎo)通；所以TP和TN至少有一管導(dǎo)通，使傳輸門TG導(dǎo)通。由于TP和TN在結(jié)構(gòu)上對稱，所以圖中的輸入和輸出端可以互換，又稱雙向開關(guān)。若C=0（接VDD)、C’=1（接地），TP和TN都截止，使傳輸門TG截止。應(yīng)用舉例①CMOS模擬開關(guān)：實現(xiàn)單刀雙擲開關(guān)的功能。

C=0時，TG1導(dǎo)通、TG2截止，uO=uI1；

C=1時，TG1截止、TG2導(dǎo)通，uO=uI2。當(dāng)EN=0時，TG導(dǎo)通，F(xiàn)=A；當(dāng)EN=1時，TG截止，F(xiàn)為高阻輸出。②CMOS三態(tài)門漏極開路門上拉電阻

2.4.5CMOS電路的優(yōu)點（1）微功耗。

CMOS電路靜態(tài)電流很小，約為納安數(shù)量級。（2）抗干擾能力很強(qiáng)。輸入噪聲容限可達(dá)到VDD/2。（3）電源電壓范圍寬。多數(shù)CMOS電路可在3～18V的電源電壓范圍內(nèi)正常工作。（4）輸入阻抗高。（5）負(fù)載能力強(qiáng)。

CMOS電路可以帶50個同類門以上。（6）邏輯擺幅大。（低電平0V，高電平VDD）2.4.6CMOS系列及命名方法74

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nn前綴系列助記符功能數(shù)字