數字電子技術32023/12/27數字電子技術3

本章總的要求：

熟練掌握TTL和CMOS集成門電路輸出與輸入間的邏輯關系、外部電氣特性，包括電壓傳輸特性、輸入特性、輸出特性和動態特性等；掌握各類集成電子器件正確的使用方法。

重點：

TTL電路與CMOS電路的結構與特點.

數字電子技術33.1概述

門電路是用以實現邏輯運算的電子電路，與已經講過的邏輯運算相對應。常用的門電路在邏輯功能上有與門、或門、非門、與非門、或非門、與或非門、異或門等。正邏輯：高電平表示邏輯1、低電平表示邏輯0。負邏輯：高電平表示邏輯0、低電平表示邏輯1。獲得高、低電平的基本方法：利用半導體開關元件的

導通、截止（即開、關）兩種工作狀態。數字電子技術33.2半導體二極管門電路§3.2.1半導體二極管的開關特性Ui>0.5V時，二極管導通。Ui<0.5V時，二極管截止，iD=0。數字電子技術3ui＝0V時，二極管截止，如同開關斷開，uo＝0V。數字電子技術3ui＝5V時，二極管導通，如同0.7V的電壓源，uo＝4.3V。數字電子技術3當外加電壓突然由正向變為反向時，存儲電荷反向電場的作用下，形成較大的反向電流。經過ts后，存儲電荷顯著減少，反向電流迅速衰減并趨于穩態時的反向飽和電流。當外加電壓由反向突然變為正向時，要等到PN結內部建立起足夠的電荷梯度后才開始有擴散電流形成，因而正向電流的建立稍微滯后一點。反向恢復時間（幾納秒內）數字電子技術3反向恢復時間即存儲電荷消失所需要的時間，它遠大于正向導通所需要的時間。這就是說，二極管的開通時間是很短的，它對開關速度的影響很小，以致可以忽略不計。因此，影響二極管的開關時間主要是反向恢復時間，而不是開通時間。數字電子技術3§3.2.2二極管與門Y=A·BABY數字電子技術3§3.2.3二極管或門Y=A+B數字電子技術33.3CMOS門電路§3.3.1MOS管的開關特性在CMOS集成電路中，以金屬－氧化物－半導體場效應管（MOS管)作為開關器件。一、MOS管的結構和工作原理PNNGSD金屬鋁兩個N區SiO2絕緣層P型襯底導電溝道數字電子技術3GSDN溝道增強型源極柵極漏極數字電子技術3vGS=0時PNNGSDvGSvDSiD=0D、S間相當于兩個背靠背的PN結SDB不論D、S間有無電壓，均無法導通，不能導電。數字電子技術3PNNGSDVDSVGSvGS>0時vGS足夠大時（vGS>VGS(th)），形成電場G—B,把襯底中的電子吸引到上表面，除復合外，剩余的電子在上表面形成了N型層（反型層）為D、S間的導通提供了通道。VGS(th)稱為閾值電壓(開啟電壓）源極與襯底接在一起N溝道可以通過改變vGS的大小來控制iD的大小。數字電子技術3二、MOS管的輸入、輸出特性對于共源極接法的電路，柵極和襯底之間被二氧化硅絕緣層隔離，所以柵極電流為零。輸出特性曲線（漏極特性曲線）數字電子技術3夾斷區（截止區）

用途：做無觸點的、斷開狀態的電子開關。條件：整個溝道都夾斷

特點：數字電子技術3可變電阻區特點:(1)當vGS

為定值時,iD

是

vDS

的線性函數，管子的漏源間呈現為線性電阻，且其阻值受

vGS

控制。

（2）管壓降vDS

很小。用途：做壓控線性電阻和無觸點的、閉合狀態的電子開關。條件：源端與漏端溝道都不夾斷

數字電子技術3恒流區：(又稱飽和區或放大區）特點:(1)受控性：輸入電壓vGS控制輸出電流(2)恒流性：輸出電流iD

基本上不受輸出電壓vDS的影響。條件:(1)源端溝道未夾斷

(2)漏端溝道予夾斷用途:可做放大器和恒流源。數字電子技術3三、MOS管的基本開關電路當vI=vGS<VGS(th)時，MOS管工作在截止區。D-S間相當于斷開的開關，vO≈vDD.數字電子技術3當vI>VGS(th)且vI繼續升高時，MOS管工作在可變電阻區。MOS管導通內阻RON很小，D-S間相當于閉合的開關,vO≈0。數字電子技術3四、MOS管的四種基本類型GSDN溝道耗盡型GSDN溝道增強型數字電子技術3GSDP溝道增強型GSDP溝道耗盡型在數字電路中，多采用增強型。數字電子技術3§3.3.2CMOS反相器工作原理PMOS管NMOS管CMOS電路VDDT1T2vIvO一、電路結構當NMOS管和PMOS管成對出現在電路中，且二者在工作中互補，稱為CMOS管(意為互補)。數字電子技術3VDDTPTNvIvOvI=0截止vo=“１”導通數字電子技術3vI=1VDDT1T2vIvO導通vo=“０”截止

靜態下，無論vI是高電平還是低電平，T1、T2總有一個截止，因此CMOS反相器的靜態功耗極小。數字電子技術3二、電壓傳輸特性和電流傳輸特性電壓傳輸特性閾值電壓VTHT1導通T2截止T2導通T1截止T1T2同時導通數字電子技術3電流傳輸特性T2截止T1截止CMOS反相器在使用時應盡量避免長期工作在BC段。數字電子技術3輸入低電平時噪聲容限：

在保證輸出高、低電平基本不變的條件下,輸入電平的允許波動范圍稱為輸入端噪聲容限。輸入高電平時噪聲容限：三、輸入端噪聲容限數字電子技術3噪聲容限－－衡量門電路的抗干擾能力。噪聲容限越大，表明電路抗干擾能力越強。測試表明：CMOS電路噪聲容限VNH=VNL＝30％VDD，且隨VDD的增加而加大。數字電子技術3因為MOS管的柵極和襯底之間存在著以SiO2為介質的輸入電容，而絕緣介質非常薄，極易被擊穿，所以應采取保護措施。§3.3.3CMOS反相器的靜態輸入輸出特性一、輸入特性數字電子技術3iI(mA)-0.7

0VDD+

0.7

vI(V)在正常的輸入信號范圍內，即–0.7V<vI<(VDD+0.7)V時輸入電流iI

≈0。(因為CMOS門電路的GS間有一層絕緣的SiO2薄層。)在–0.7V～(VDD+0.7)V以外的區域，iI從零開始增大，并隨vI增加急劇上升，原因是保護電路中的二極管已進入導通狀態。注意：由于門電路輸入端的絕緣層使輸入的阻抗極高，若有靜電感應會在懸空的輸入端產生不定的電位，故CMOS門電路的輸入端不允許懸空。數字電子技術3二、輸出特性低電平輸出特性高電平輸出特性VOL≈0VOH≈VDD數字電子技術3§3.3.4CMOS反相器的動態特性一、傳輸延遲時間tviotvoo50%50%tpdHLtpdLH平均傳輸時間數字電子技術3二、交流噪聲容限噪聲電壓作用時間越短、電源電壓越高，交流噪聲容限越大。三、動態功耗反相器從一種穩定狀態突然變到另一種穩定狀態的過程中，將產生附加的功耗，即為動態功耗。動態功耗包括：負載電容充放電所消耗的功率PC和PMOS、NMOS同時導通所消耗的瞬時導通功耗PT。在工作頻率較高的情況下，CMOS反相器的動態功耗要比靜態功耗大得多，靜態功耗可忽略不計。數字電子技術3§3.3.5其他類型CMOS門電路1.與非門一、其他邏輯功能的CMOS門電路數字電子技術3任一輸入端為低，設vA=0vA=0斷開導通vO=1數字電子技術3輸入全為高電平vA=1vB=1導通斷開vO=0數字電子技術32.或非門數字電子技術3任一輸入端為高，設vA=1vA=1導通斷開vO=0數字電子技術3輸入端全為低vA=0vB=0斷開導通vO=1數字電子技術33.帶緩沖級的CMOS門電路數字電子技術3

帶緩沖級的門電路其輸出電阻、輸出高、低電平以及電壓傳輸特性將不受輸入端狀態的影響。電壓傳輸特性的轉折區也變得更陡。數字電子技術3二、漏極開路輸出門電路（OD門）為什么需要OD門？普通與非門輸出不能直接連在一起實現“線與”！ABYCD10產生一個很大的電流需將一個MOS管的漏極開路構成OD門。數字電子技術3需加一上拉電阻ABYOD輸出與非門的邏輯符號及函數式OD門輸出端可直接連接實現線與。ABYCDVDDRL數字電子技術3RL的選擇：IOHIIHn個m個VDDVILVILVILRLVOHn是并聯OD門的數目，m是負載門電路高電平輸入電流的數目。數字電子技術3VIHVILVILVDDRLVOLm′個IOLIIL例3.3.2m′是負載門電路低電平輸入電流的數目。在負載門為CMOS門電路的情況下，m和m′相等。數字電子技術3①C＝0、，即C端為低電平（0V）、端為高電平（＋VDD）時，T1和T2都不具備開啟條件而截止，輸入和輸出之間相當于開關斷開一樣，呈高阻態。三、CMOS傳輸門數字電子技術3②C＝1、，即C端為高電平（＋VDD）、端為低電平（0V）時，T1和T2至少有一個導通，輸入和輸出之間相當于開關接通一樣，呈低阻態，vo＝vi。數字電子技術3TG1TG2ABYA=1、B=0時，TG1截止，TG2導通，Y=B=1;′數字電子技術3TG1TG2ABYA=0、B=1時，TG2截止，TG1導通，Y=B=1;數字電子技術3TG1TG2ABYA=0、B=0時，TG2截止，TG1導通，Y=B=0;數字電子技術3TG1TG2ABYA=1、B=1時，TG1截止，TG2導通，Y=B=0;′數字電子技術3雙向模擬開關數字電子技術3,G4輸出高電平，G5輸出低電平，T1、T2同時截止，輸出呈高阻態；四、三態門AYEN′邏輯符號10110數字電子技術3AYEN′邏輯符號0101110若A=1，則G4、G5輸出均為高電平，T1截止、T2導通，Y=0；若A=0，則G4、G5輸出均為低電平，T1導通、T2截止，Y=1；0001數字電子技術3AYEN′AYEN低電平有效高電平有效三態門有三種狀態:高電平、低電平、高阻態。數字電子技術3§3.3.6CMOS電路的特點CMOS電路的優點1.靜態功耗小。2.允許電源電壓范圍寬(3

18V）。3.扇出系數大，噪聲容限大。數字電子技術3

1．輸入電路的靜電保護

CMOS電路的輸入端設置了保護電路，給使用者帶來很大方便。但是，這種保護還是有限的。由于CMOS電路的輸入阻抗高，極易產生感應較高的靜電電壓，從而擊穿MOS管柵極極薄的絕緣層，造成器件的永久損壞。為避免靜電損壞，應注意以下幾點：CMOS電路的正確使用數字電子技術3（1）所有與CMOS電路直接接觸的工具、儀表等必須可靠接地。（2）存儲和運輸CMOS電路，最好采用金屬屏蔽層做包裝材料。2．多余的輸入端不能懸空。輸入端懸空極易產生感應較高的靜電電壓，造成器件的永久損壞。對多余的輸入端，可以按功能要求接電源或接地，或者與其它輸入端并聯使用。3．輸入電路需過流保護數字電子技術33.5TTL門電路§3.5.1雙極型三極管的開關特性一、雙極型三極管的結構BECNNP基極發射極集電極BECNPN型三極管PNP集電極基極發射極BCEBECPNP型三極管數字電子技術3二、雙極型三極管的輸入特性和輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020

A40

A60

A80

A100

AIB(

A)UBE(V)204060800.40.8輸入特性曲線輸出特性曲線開啟電壓飽和區截止區放大區數字電子技術3三、雙極型三極管的基本開關電路在數字電路中，三極管作為開關元件，主要工作在飽和和截止兩種開關狀態，放大區只是極短暫的過渡狀態。數字電子技術3數字電子技術3三極管臨界飽和時的基極電流：①ui=1V時，三極管導通，基極電流：uo=uCE=VCC-iCRc=5-0.03×50×1=3.5V數字電子技術3②ui=0.3V時，因為uBE<0.5V，iB=0，三極管工作在截止狀態，ic=0。因為ic=0，所以輸出電壓：uo=VCC=5V截止狀態ui=UIL<0.5Vuo=+VCC+VCC＋－RbRcbce＋－數字電子技術3③ui＝3V時，三極管導通，基極電流：uo＝UCES＝0.3V三極管飽和飽和狀態iB≥IBSui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V數字電子技術3四、雙極型三極管的開關等效電路開關等效電路(1)截止狀態條件：發射結反偏特點：電流約為0數字電子技術3(2)飽和狀態條件：發射結正偏，集電結正偏特點：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅數字電子技術3三極管開關等效電路(a)截止時(b)飽和時數字電子技術3uituot+Vcc0.3V五、雙極型三極管的動態開關特性數字電子技術3BJT的開關時間：是指BJT管由截止到飽和導通或者由飽和導通到截止所需要的時間。延遲時間td—從+VB2加到集電極電流ic上升到0.1ICS所需要的時間；

上升時間tr—ic從0.1ICS到0.9ICS所需要的時間；

開通時間ton=td+tr就是建立基區電荷時間數字電子技術3存儲時間ts—從輸入信號降到-VB1到ic降到0.9ICS

所需要的時間；

下降時間tf—ic從0.9ICS降到0.1ICS所需要的時間。

關閉時間toff=ts+tf就是存儲電荷消散的時間數字電子技術3

加入－VEE的目的是確保即使輸入低電平信號稍大于零時，也能使三極管基極為負電位，從而使三極管可靠截止，輸出為高電平。六、三極管反相器AY數字電子技術3集成門電路雙極型TTL(Transistor-TransistorLogic

IntegratedCircuit,

TTL)ECLNMOSCMOSPMOSMOS型（Metal-Oxide-

Semiconductor，MOS）TTL—晶體管-晶體管邏輯集成電路MOS—金屬氧化物半導體場效應管集成電路§3.5.2TTL反相器數字電子技術3輸入級倒相級輸出級稱為推拉式電路或圖騰柱輸出電路一、TTL反相器的電路結構和工作原理數字電子技術31.輸入為低電平（0.2V）時三個PN結導通需2.1V0.9V不足以讓T2、T5導通T2、T5截止數字電子技術31.輸入為低電平（0.2V）時vovo=5－vR2－vbe4－vD2≈3.4V輸出高電平數字電子技術32.輸入為高電平（3.4V）時電位被嵌在2.1V全導通vB1=VIH+VON=4.1V發射結反偏

1V截止T2、T5飽和導通數字電子技術32.輸入為高電平（3.4V）時vo=VCE5≈0.3V輸出低電平數字電子技術3可見，無論輸入如何，T4和T5總是一管導通而另一管截止。這種推拉式工作方式，帶負載能力很強。數字電子技術3數字電子技術3AB段：vI<0.6V,vB1<1.3V,T2、T5截止，T4導通，輸出高電平3.4V。(截止區）二、電壓傳輸特性數字電子技術3BC段：vI>0.7V,vI<1.3V,T2導通，T5截止，T2工作在放大區。（線性區）二、電壓傳輸特性數字電子技術3CD段：vI≈1.4V,vB1≈2.1V,T2、T5同時導通，T4截止，輸出電位急劇下降為低電平。（轉折區）二、電壓傳輸特性數字電子技術3DE段：vI>1.4V,vI繼續升高,vo不再變化，保持低電平0.3V。（飽和區）二、電壓傳輸特性數字電子技術3輸出高電平VOH、輸出低電平VOL

VOH

2.4VVOL

0.4V便認為合格。典型值VOH=3.4VVOL

0.3V。閾值電壓VTH(門檻電壓)vI<VTH時，認為vI是低電平。vI>VTH時，認為vI是高電平。VTH=1.4V數字電子技術3輸入低電平時噪聲容限：輸入高電平時噪聲容限：三、輸入端噪聲容限數字電子技術3一.輸入特性:§3.5.3TTL反相器的靜態輸入特性和輸出特性輸入短路電流IIS(IIL)高電平輸入電流IIH數字電子技術3二.輸出特性TTL反相器高電平輸出特性由于受到功耗的限制手冊上給出的高電平輸出電流的最大值要比5mA小得多。74系列IOH(max)=0.4mA數字電子技術3二.輸出特性TTL反相器低電平輸出特性IOL(max)數字電子技術3前后級之間電流的聯系？數字電子技術3前級輸出為高電平時前級（驅動門）后級（負載門）前級流出電流IOH（拉電流）1發射結反偏,輸入電流IIH很小(幾十μA)數字電子技術3前級輸出為低電平時前級（驅動門）后級（負載門）0流入前級的電流IOL

(灌電流)輸入低電平時的輸入電流IIL，大約為－1mA。數字電子技術3扇出系數－－驅動同類門的個數。灌電流工作時：拉電流工作時：扇出系數NO取NOL、NOH中較小的一個。扇出系數－－衡量門電路的帶負載能力。IILIOLIIHIOH數字電子技術3例3.5.2解：VOL=0.2V時，驅動門輸出電流IOL=16mA,每個負載門的輸入電流為IIL=－1mA。VOH=3.2V時，驅動門輸出電流IOH=－7.5mA,但手冊規定|IOH|<0.4mA,故取|IOH|=0.4mA;每個負載門的輸入電流為IIH=40μA。扇出系數NO=10數字電子技術3輸入端“1”,“0”？三.輸入端負載特性數字電子技術3在一定范圍內，uI隨RP的增大而升高。但當輸入電壓uI達到1.4V以后，uB1=2.1V，RP增大，由于uB1不變，故uI

=1.4V也不變。這時T2和T5飽和導通，輸出為低電平。1.4開門電阻RON(2KΩ左右）數字電子技術3

(1)關門電阻ROFF

——在保證門電路輸出為額定高電平的條件下，所允許RP的最大值稱為關門電阻。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RP的最小值稱為開門電阻。典型的TTL門電路RON≈2kΩ。數字電路中要求輸入負載電阻RP≥RON或RP≤ROFF，否則輸入信號將不在高低電平范圍內。振蕩電路則令ROFF≤RP≤RON使電路處于轉折區。數字電子技術310KΩ例：判斷如圖TTL電路輸出為何狀態？Y0=010

Y1=1

Y01110ΩY1Y2=010VCCY210KΩ數字電子技術31.懸空的輸入端相當于接高電平。2.為了防止干擾，一般應將懸空的輸入端接高電平。說明數字電子技術3例3.5.3解：vO1=VOH、vI2≥VIH(min)時應滿足：VOH－IIHRP≥VIH(min)vO1=VOL、vI2≤VIL(max)時因此，RP不應大于690Ω.G1G2RPvO1vI2數字電子技術3§3.5.4TTL反相器的動態特性一、傳輸延遲時間tviotvoo50%50%tpdHLtpdLH平均傳輸時間平均傳輸延遲時間tpd表征了門電路的開關速度。數字電子技術3二.功耗：有靜態功耗和動態功耗。靜態功耗指的是當電路沒有狀態轉換時的功耗;動態功耗只發生在狀態轉換的瞬間。對于TTL電路靜態功耗是主要的，用PD表示。數字電子技術3§3.5.5其他類型的TTL門電路一.其他邏輯功能的門電路輸入端改成多發射極三極管1.與非門數字電子技術3TTL集成門電路的封裝：

雙列直插式如：TTL門電路芯片（四2輸入與非門，型號74LS00

)地GND外形管腳電源VCC（+5V）數字電子技術374LS00內含4個2輸入與非門，74LS20內含2個4輸入與非門。數字電子技術3例：如圖電路，已知74S00門電路GP參數為：IOH/IOL=-1.0mA/20mAIIH/IIL=50μA/-1.43mA試求門GP能驅動多少同類門？若將電路中的芯片改為74S20，其門電路參數同74S00，問此時GP能驅動多少同類門？GPG1Gn數字電子技術3門GP輸出低電平時，設可帶同類門數為NOL：解：門GP輸出的高電平時，設可帶同類門數為NOH：扇出系數=10由于與非門的輸入端為多發射極，當前一級門輸出低電平時，負載門只要一個輸入端為低電平，T2、T5就截止。數字電子技術374S20為4輸入與非門，所以門GP輸出低電平時，設可帶同類門數為NOL：門GP輸出高電平時，設可帶同類門數為NOH：扇出系數No=5數字電子技術3兩方框中電路相同A為高電平時，T2、T5同時導通，T4截止，輸出Y為低電平。B為高電平時，T2′、T5同時導通，T4截止，輸出Y為低電平。A、B都為低電平時，T2、T2′同時截止，T5截止，T4導通，輸出Y為高電平。2.或非門數字電子技術3或非門與或非門數字電子技術33.與或非門數字電子技術34.異或門若A、B同時為高電平，T6、T9導通，T8截止，輸出低電平；A、B同時為低電平，T4、T5同時截止，使T7、T9導通，T8截止，輸出也為低電平。A、B不同時，T1正向飽和導通，T6截止；T4、T5中必有一個導通，從而使T7截止。T6、T7同時截止，使得T8導通，T9截止，輸出為高電平。數字電子技術374LS86數字電子技術3二.集電極開路門（OC門）為什么需要OC門？普通與非門輸出不能直接連在一起實現“線與”！10產生一個很大的電流ABYCD數字電子技術3集電極懸空ABYOC門輸出端可直接連接實現線與。數字電子技術3VCCVILVILVILRLRL的選擇：IOHIIHn個m個VOH負載門輸入端個數數字電子技術3VIHVILVILVCCRLVOLm′個IOLIIL負載門個數由于與非門的輸入端為多發射極，當前一級門輸出低電平時，負載門只要一個輸入端為低電平，T2、T5就截止。若為或非門，m′是輸入端的個數，而不是負載門的數目。例3.5.5數字電子技術3

三.三態門（TS門)三態輸出門(Three-StateOutputGate)是在普通門電路的基礎上附加控制電路而構成的。ENAYBEN′AYB數字電子技術30截止數字電子技術31導通截止截止高阻態數字電子技術3§3.5.6TTL數字集成電路的各種系列74H系列：高速系列。其工作速度的提高是用增加功耗的代價換取的，效果不夠理想。從提高工作速度、降低功耗兩方面考慮進行改進。74S系列：肖特基系列。采用抗飽和三極管，提高了工作速度，但電路功耗加大，并且輸出的低電平升高。74LS系列：低功耗肖特基系列。兼顧功耗和速度兩個方面，得到更小的延遲－功耗積。數字電子技術374AS系列：電路結構與74LS系列相似，采用低阻值，提高了工作速度，但功耗較大。74ALS系