1、第第二章二章 邏輯門電路邏輯門電路 內容概述內容概述 第一節第一節 標準標準TTL與非門與非門 第二節第二節 其它類型其它類型TTL門電路門電路 第三節第三節 ECL邏輯門電路邏輯門電路 第四節第四節 I2 L邏輯門電路邏輯門電路 第五節第五節 NMOS邏輯門電路邏輯門電路 第六節第六節 CMOS邏輯門電路邏輯門電路 第七節第七節 邏輯門的接口電路邏輯門的接口電路 小結小結內容概述內容概述雙極型集成邏輯門雙極型集成邏輯門MOS集成邏輯門集成邏輯門集集成成邏邏輯輯門門按器件類型分按器件類型分按集成度分按集成度分SSI：100個等效門個等效門MSI：103個等效門個等效門LSI ：104個等效門個

2、等效門VLSI：104個以上等效門個以上等效門本章內容：本章內容： 集成邏輯門的基本結構、工作原理；集成邏輯門的基本結構、工作原理； 集成邏輯門的外部特性、參數及其接口電路。集成邏輯門的外部特性、參數及其接口電路。TTL、ECLI2L、HTLPMOSNMOSCMOS第一節第一節 標準標準TTL與非門與非門 TTL與非門電路組成與非門電路組成 TTL與非門工作原理與非門工作原理 TTL與非門工作速度與非門工作速度 TTL與非門外特性及主要參數與非門外特性及主要參數 TTL標準與非門的改進型標準與非門的改進型 TTL集成電路產品集成電路產品TTL與非門電路組成與非門電路組成 輸出級由輸出級由D3、

3、T4、T5和電阻和電阻R4組成。組成。T4與與T5組成推拉式輸出組成推拉式輸出結構，具有較強的負載能力。結構，具有較強的負載能力。 輸入級由多發射輸入級由多發射極晶體管極晶體管T1、二極管二極管D1、D2和電阻和電阻R1組成組成。實現輸入變量。實現輸入變量A、B的與運算。的與運算。 中間級由中間級由T2、R2和和R3組成。組成。T2的集電極的集電極C2和發射極和發射極E2分別分別提供兩個相位相反的電壓信號。提供兩個相位相反的電壓信號。TTL與非門工作原理與非門工作原理 輸入端至少有一個輸入端至少有一個（設（設A端）接低電平：端）接低電平：0.3V3.6V1V3.6VT1管管:A端發射結導通，端

4、發射結導通，UB1 = UA + UBE1 = 1V，其它發射結反偏截止。其它發射結反偏截止。 （5-0.7-0.7）V = 3.6V因為因為UB1 =1V, 所以所以 T2、T5截止截止, UC2Ucc=5V。 T4：工作在放大狀態工作在放大狀態5V3D4be2RCCOH UUUUU電路輸出高電平：電路輸出高電平： 輸入端全接高電平：輸入端全接高電平：3.6V2.1V0.3VT1:UB1= UBC1+UBE2+UBE5 = 0.7V3 = 2.1V電路輸出低電平：電路輸出低電平：UOL = 0.3V3.6VT1：發射結反偏，集電發射結反偏，集電極正偏，工作在倒置放正偏，工作在倒置放大狀態且大

5、狀態且T2 、T5導通。導通。T2：工作在工作在飽和狀態飽和狀態T4：UC2 = UCES2 + UBE5 1V，T4截止。截止。T5：處于處于深飽和狀態深飽和狀態TTL與非門工作原理與非門工作原理 輸入端全接高電平，輸入端全接高電平，輸出為低電平。輸出為低電平。 輸入端至少有一個接輸入端至少有一個接低電平時，輸出為高低電平時，輸出為高電平。電平。 由由此可見，電路的此可見，電路的輸出與輸入之間滿足輸出與輸入之間滿足與非邏輯關系：與非邏輯關系：BAFTTL與非門工作原理與非門工作原理T1：倒置放大狀態倒置放大狀態T2：飽和狀態飽和狀態T4：截止狀態截止狀態T5：深度飽和狀態深度飽和狀態T1：深

6、度飽和狀態深度飽和狀態T2：截止狀態截止狀態T4：放大狀態放大狀態T5：截止狀態截止狀態TTLTTL與非門工作速度與非門工作速度存在的問題：存在的問題：一是與非門內部晶體管工作在飽和狀態對一是與非門內部晶體管工作在飽和狀態對電路開關速度產生影響，二是與非門輸出端接容性負載電路開關速度產生影響，二是與非門輸出端接容性負載時對工作速度產生影響。時對工作速度產生影響。 采取的措施：采取的措施：1. 采用多發射極晶體管采用多發射極晶體管T1，加速加速T2管脫離飽和狀態。管脫離飽和狀態。 2. T4和和T5同時導通，加速同時導通，加速T5管脫離飽和狀態。管脫離飽和狀態。 3. 降低與非門的輸出電阻，減小

7、對負載電容的充電時間。降低與非門的輸出電阻，減小對負載電容的充電時間。 TTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數 外特性：外特性：指的是電路在外部表現出來的各種特性。指的是電路在外部表現出來的各種特性。掌握器件的外特性及其主要參數是用戶正確使用、維護掌握器件的外特性及其主要參數是用戶正確使用、維護和設計電路的重要依據。和設計電路的重要依據。 介紹手冊中常見的特性曲線及其主要參數。介紹手冊中常見的特性曲線及其主要參數。 TTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數（一）（一）電壓傳輸特性電壓傳輸特性 TTL與非門輸入電壓與非門輸入電壓UI與輸出電壓與輸出電壓UO之間的關系

8、曲線，之間的關系曲線，即即 UO = f（UI）。）。截 止 區 ： 當截 止 區 ： 當 UI 0 . 6 V ，Ub11.3V時，時，T2、T5截止，截止，輸出高電平輸出高電平UOH = 3.6V。線性區：當線性區：當0.6VUI1.3V，0.7VU b21.4V時，時，T2導通，導通，T5仍截止，仍截止，UC2隨隨Ub2升高而下降，升高而下降，經經T4射隨器使射隨器使UO下降。下降。轉折區：轉折區：當當UI1.3V時，時，輸入電壓略微升高，輸出輸入電壓略微升高，輸出電壓急劇下降，因為電壓急劇下降，因為T2、T4、T5均處于放大狀態。均處于放大狀態。飽和區：飽和區：UI繼續升高，繼續升高，

9、T1進入進入倒置工作狀態倒置工作狀態Ub1=2.1V，此時此時T2、T5飽和，飽和，T4截止，輸出低電平截止，輸出低電平UOL = 0.3V ，且且UO不隨不隨UI的增的增大而變化。大而變化。 ABCDETTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數 根據電壓傳輸特性，可以求出根據電壓傳輸特性，可以求出TTL與非門幾個重要參數：與非門幾個重要參數：輸出高電平輸出高電平UOH和輸出低電平和輸出低電平UOL 、閾值電壓、閾值電壓UTH、開門電平、開門電平UON和關門電平和關門電平UOFF 、噪聲容限等。、噪聲容限等。1.輸出高電平輸出高電平UOH和輸出低電平和輸出低電平UOL ： AB段所

10、對應的輸出電壓為段所對應的輸出電壓為UOH 。DE段所段所對應的輸出電壓為對應的輸出電壓為UOL。一般要求一般要求UOH3V，UOL0.4V 。3. 開門電平開門電平UON：開門電平開門電平UON也稱輸入高電平電壓也稱輸入高電平電壓UIH，指指的是輸出電平的是輸出電平UO =0.3V時，允許輸入高電時，允許輸入高電平的最小值。平的最小值。UON典型值為典型值為1.4V，一般產一般產品要求品要求UON1.8V。4. 關門電平關門電平UOFF ：關門電平關門電平UOFF也稱輸入低電平電壓也稱輸入低電平電壓UIL，指的是在保證輸出電壓為額定高電平指的是在保證輸出電壓為額定高電平UOH的的90%時，允

11、許輸入低電平的最大值。一時，允許輸入低電平的最大值。一般產品要求般產品要求UOFF0.8V。2. 閾值電壓閾值電壓UTH：CD段中點所對應的輸入電壓稱為閾值電段中點所對應的輸入電壓稱為閾值電壓壓UTH，也稱門檻電壓。也稱門檻電壓。UTH=1.31.4V。低電平噪聲容限低電平噪聲容限U NL：高電平噪聲容限高電平噪聲容限U NH：5. 噪聲容限噪聲容限TTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數OLOFFNL UUUONOHNHUU U噪聲容限表示門電路抗干擾能力的參數。噪聲容限表示門電路抗干擾能力的參數。 （二）（二）輸入特性輸入特性輸入電流與輸入電壓之間的關系曲線，即輸入電流與輸入

12、電壓之間的關系曲線，即II = f（UI）。）。1. 1. 輸入短路電流輸入短路電流IIS（輸入低電平電流輸入低電平電流IIL）當當UIL = 0V時由輸入端流出的電流。時由輸入端流出的電流。2. 2. 輸入漏電流輸入漏電流IIH（輸入高電平電流）輸入高電平電流） 指一個輸入端接高電平，其余輸入端接低電平，流入指一個輸入端接高電平，其余輸入端接低電平，流入該輸入端的電流，約該輸入端的電流，約10AA左右。左右。TTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數mA11mA4000705 1BE1CCIS.RUUI假定輸入電流假定輸入電流II流入流入T1發射極發射極時方向為正，反之為負。時方

13、向為正，反之為負。前級驅動門導通時，前級驅動門導通時，IIS將灌入將灌入前級門，稱為灌電流負載。前級門，稱為灌電流負載。前級驅動門截止時，前級驅動門截止時， IIH從前級從前級門流出，稱為拉電流負載。門流出，稱為拉電流負載。 TTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數（三）（三）輸入負載特性輸入負載特性 UI在一定范圍內會隨著在一定范圍內會隨著Ri的增加而升高，形成的增加而升高，形成Ui = f（Ri）變化曲線，稱為輸入負載特性。變化曲線，稱為輸入負載特性。 若要使與非門穩定在若要使與非門穩定在截止狀態，輸出高電平，截止狀態，輸出高電平，應選擇應選擇RiROFF。 若要保證與非門可

14、靠若要保證與非門可靠導通，輸出低電平，應選導通，輸出低電平，應選擇擇RiRON。TTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數（四）功耗（四）功耗 功耗有靜態功耗和動態功耗之分。功耗有靜態功耗和動態功耗之分。 動態功耗指的是電路發生轉換時的功耗。動態功耗指的是電路發生轉換時的功耗。 靜態功耗指的是電路沒有發生轉換時的功耗。靜態功耗有靜態功耗指的是電路沒有發生轉換時的功耗。靜態功耗有空載導通功耗空載導通功耗PON和空載截止功耗和空載截止功耗POFF兩個參數。兩個參數。 1. 空載導通功耗空載導通功耗PON指的是輸出端開路、輸入端全部懸空指的是輸出端開路、輸入端全部懸空、與非門導通時的功耗

15、。標準、與非門導通時的功耗。標準TTL芯片芯片PON 50mW。 2. 空載截止功耗空載截止功耗POFF指的是輸出端開路、輸入端接地、與指的是輸出端開路、輸入端接地、與非門截止時的功耗。標準非門截止時的功耗。標準TTL芯片芯片POFF25mW。 1.扇入系數扇入系數NI是指合格輸入端的個數。是指合格輸入端的個數。 2.扇出系數扇出系數NO表示門電路帶負載能力的大小，表示門電路帶負載能力的大小，NO表示可表示可驅動同類門的個數。驅動同類門的個數。NO分為兩種情況，一是灌電流負載分為兩種情況，一是灌電流負載NOL，二是拉電流負載二是拉電流負載NOH。NO=min（NOL，NOH）。）。 IOLma

16、x為驅動門的最大允許灌電流，為驅動門的最大允許灌電流，IIL是一個負載門灌是一個負載門灌入本級的電流。入本級的電流。 IOHmax為驅動門的最大允許拉電流，為驅動門的最大允許拉電流，IIH是負是負載門高電平輸入電流。載門高電平輸入電流。 （五）（五）扇入系數扇入系數NI和扇出系數和扇出系數NOTTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數IHOHmaxOH/IINILOLmaxOL/IIN（六）（六）平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間平均傳輸延遲時間t tpdpd：2 PHLPLHpdtttTTL與非門的外特性及主要參數與非門的外特性及主要參數 平均傳輸延遲時間是表示門電

17、路開關速度的參數，它是指平均傳輸延遲時間是表示門電路開關速度的參數，它是指門電路在輸入脈沖波形的作用下，輸出波形相對于輸入波形延門電路在輸入脈沖波形的作用下，輸出波形相對于輸入波形延遲了多少時間。遲了多少時間。 導通延遲時間導通延遲時間t tPHLPHL ：輸輸入波形上升沿的入波形上升沿的50%50%幅值處幅值處到輸出波形下降沿到輸出波形下降沿50% 50% 幅值幅值處所需要的時間。處所需要的時間。 截止延遲時間截止延遲時間t tPLHPLH：從輸從輸入波形下降沿入波形下降沿50% 50% 幅值處到幅值處到輸出波形上升沿輸出波形上升沿50% 50% 幅值處幅值處所需要的時間。所需要的時間。 通

18、常通常t tPLHPLHt tPHLPHL，t tpdpd越越小，電路的開關速度越高。小，電路的開關速度越高。一般一般t tpdpd=10ns=10ns40ns40ns。TTL標準與非門的改進型標準與非門的改進型（一）高速系列（一）高速系列（74H系列）系列） 高速高速74H系列電路對標準系列電路對標準74系列電路進行了兩項改進：系列電路進行了兩項改進： 一是在輸出級采用了達林頓結構，將輸出級的一是在輸出級采用了達林頓結構，將輸出級的 T4用復合管用復合管T3和和T4代替，減小門電路輸出高電平時的輸出電阻，提高對容代替，減小門電路輸出高電平時的輸出電阻，提高對容性負載的充電速度。性負載的充電速

19、度。 二是降低電路中所有電二是降低電路中所有電阻的阻值，加速三極管的開阻的阻值，加速三極管的開關速度。關速度。 74H系列門電路的傳輸系列門電路的傳輸時間比時間比74系列減小了一半，系列減小了一半，但是由于電源電流的增大，但是由于電源電流的增大，電路的功耗變大。電路的功耗變大。TTL標準與非門的改進型標準與非門的改進型（二）肖特基系列（二）肖特基系列（74S系列）系列）肖特基肖特基7474S S系列與標準系列與標準74系列相比有兩點改進。系列相比有兩點改進。一是增加了有源泄放電路代替一是增加了有源泄放電路代替T2射極電阻射極電阻R3。 二是將標準門電路中所二是將標準門電路中所有可能工作在飽和區

20、的晶體有可能工作在飽和區的晶體管都用肖特基三極管代替。管都用肖特基三極管代替。 由由T6、R6和和R3構成的有源構成的有源泄放電路來代替原泄放電路來代替原T2射極電阻射極電阻R3。一是提高工作速度，二是一是提高工作速度，二是提高抗干擾能力。提高抗干擾能力。 工作速度和抗干擾能力提工作速度和抗干擾能力提高。一般高。一般7474S S系列電路的系列電路的t tpdpd小小于于1010nsns。 TTL標準與非門的改進型標準與非門的改進型（三）低功耗肖特基系列（三）低功耗肖特基系列（74LS系列）系列） 74LS系列與標準系列與標準74系列相比，電路有多項改進措施系列相比，電路有多項改進措施, ,以

21、達到以達到縮短傳輸延遲時間、降低功耗的目的。縮短傳輸延遲時間、降低功耗的目的。 74LS系列具有較小的延系列具有較小的延遲遲- -功耗積，具有較好的綜合性能。功耗積，具有較好的綜合性能。 為降低功耗，提高電路為降低功耗，提高電路各電阻的阻值各電阻的阻值,將電阻將電阻R5原接原接地端改接到輸出端，減小地端改接到輸出端，減小T3導通時電阻導通時電阻R5上的功耗。上的功耗。 為縮短傳輸延遲時間，為縮短傳輸延遲時間，用肖特基管和有源泄放電路用肖特基管和有源泄放電路；還將輸入級的多發射極管；還將輸入級的多發射極管改用改用SBD代替。代替。TTL集成電路產品集成電路產品系系 列列名名 稱稱特特 點點54/

22、74系列系列TTL通用標準系列通用標準系列TTL最早產品，中速器件，目前仍使用。最早產品，中速器件，目前仍使用。54H/74H系列系列TTL快速系列快速系列74系列改進型，速度較系列改進型，速度較74系列高，功耗大。系列高，功耗大。54S/74S系列系列TTL肖特基系列肖特基系列采用肖特基晶體管和有源泄放回路，速度高采用肖特基晶體管和有源泄放回路，速度高，品種較，品種較74LS系列少。系列少。54LS/74LS系列系列TTL低功耗肖特基低功耗肖特基系列系列目前主要應用的產品，品種齊全，價格低廉目前主要應用的產品，品種齊全，價格低廉。54AS/74AS系列系列TTL先進的肖特基先進的肖特基系列系

23、列74S系列的改進產品，速度和功耗得到改進。系列的改進產品，速度和功耗得到改進。54ALS/74ALS系列系列TTL先進的低功耗先進的低功耗肖特基系列肖特基系列74LS系列的改進產品，速度和功耗有較大改系列的改進產品，速度和功耗有較大改進，但品種少，價格略高。進，但品種少，價格略高。54F/74F系列系列TTL高速系列高速系列與與74ALS及及74AS產品相當，屬高速型產品，產品相當，屬高速型產品，品種較少。品種較少。第二節第二節 其它類型其它類型TTL門電路門電路 集電極開路門（集電極開路門（OC門）門） 三態輸出邏輯門（三態輸出邏輯門（TSL門）門） 或非門、與或非門和異或門或非門、與或非

24、門和異或門 集電極開路門（集電極開路門（OC門）門）10普通普通TTL門輸出端并聯出現的問題門輸出端并聯出現的問題 兩個兩個TTL與非門輸出端直與非門輸出端直接并聯，設門接并聯，設門1輸出高電平、門輸出高電平、門2輸出低電平，則產生一個大電流。輸出低電平，則產生一個大電流。 門門1輸出高電輸出高電平，平， T4導通、導通、T5截止。截止。 門門2輸出低輸出低電平，電平， T5導通。導通。1.抬高門抬高門2輸出低電平；輸出低電平；2.會因功耗過大損壞門電路。會因功耗過大損壞門電路。注：注：普通普通TTL輸出端不能直接輸出端不能直接并聯使用。并聯使用。 UCC門門1的的R5、T4門門2的的T5 產

25、生一個大電流。產生一個大電流。 （一）一）OC門的電路結構門的電路結構 當輸入端全為高當輸入端全為高電平時，電平時，T2、T5導通，導通，輸出輸出F為低電平；為低電平； 輸入端有一個為輸入端有一個為低電平時，低電平時，T2、T5截截止，輸出止，輸出F高電平接高電平接近電源電壓近電源電壓UC。 OC門實現與非邏門實現與非邏輯功能。輯功能。集電極開路門（集電極開路門（OC門）門）輸出低電平輸出低電平0.3V高電平為高電平為UC（530V）ABF 邏輯符號：邏輯符號：RLUC集電極開路與非門（集電極開路與非門（OC門）門）（二）二）OC 門實現線與邏輯門實現線與邏輯21 FFF_CDAB_CDAB負

26、載電阻負載電阻RL的選擇的選擇（自學，且為考（自學，且為考試內容。）試內容。）集電極開路門（集電極開路門（OC門）門）相當于與邏輯相當于與邏輯FRLUC等效邏輯符號等效邏輯符號（三）三）OC門應用門應用-電平轉換器電平轉換器 OC 門需外接電阻，所以電源門需外接電阻，所以電源UCC可以選可以選5V30V。OC 門作為門作為TTL電路可以和其它不同類型、不同電平的邏輯電路可以和其它不同類型、不同電平的邏輯電路進行連接。電路進行連接。集電極開路門（集電極開路門（OC門）門） 當當UDD= =UCC時時 ，如如CMOS電源電壓電源電壓UDD = 5V，一般，一般TTL門可以直接驅動門可以直接驅動CM

27、OS門。門。TTL電路驅動電路驅動CMOS電路圖電路圖 當當UD DUC C時時 ，如，如CMOS的的UDD = 5V18V，特特別是別是UDD UCC時，可以選用時，可以選用TTL的的OC門電路實現電平變門電路實現電平變換。換。（三）三）OC門應用門應用-驅動感性器件驅動感性器件 在數字設備中，常會碰到用門電路驅動大電流的情況，在數字設備中，常會碰到用門電路驅動大電流的情況，例如驅動感性器件，利用例如驅動感性器件，利用OC門可以實現大電流的驅動。合門可以實現大電流的驅動。合理選擇理選擇UC，使驅動電流小于使驅動電流小于OC門中門中T5所能承受的最大值。所能承受的最大值。 集電極開路門（集電極

28、開路門（OC門）門）驅動干簧繼電器驅動干簧繼電器的電路連接的電路連接驅動脈沖變壓器驅動脈沖變壓器的電路連接的電路連接三態輸出邏輯門（三態輸出邏輯門（TSL門）門）（一）三態門工作原理（一）三態門工作原理 當當 E=0時，時，T4截止，截止，C端輸出高電平端輸出高電平，D2截止，則右側截止，則右側電路執行正常與非功能電路執行正常與非功能F=AB。101V1V輸出輸出F端處于高阻狀態記為端處于高阻狀態記為Z。Z當當 E= 1時，時， TSL門輸出具有高、低電門輸出具有高、低電平狀態外，還有第三種輸出狀平狀態外，還有第三種輸出狀態態 高阻狀態高阻狀態，又稱又稱禁止態禁止態或失效態。或失效態。非門是三

29、態門的非門是三態門的狀態控制部分狀態控制部分六管六管TTL與非門與非門T6、T7、 T9、 T10均截止均截止增加部分增加部分E使能端使能端高高阻阻狀狀態態與與非非功功能能 Z 10_EE_F ABF高高阻阻狀狀態態與與非非功功能能 Z 01EE_FABF使使能能端端的的兩兩種種控控制制方方式式低電平使能低電平使能高電平使能高電平使能三態門的邏輯符號三態門的邏輯符號ABF EFAB E三態輸出邏輯門（三態輸出邏輯門（TSL門）門）1. 實現總線結構實現總線結構 任何時刻只能有一個控制端有效，即只有一個門處于數任何時刻只能有一個控制端有效，即只有一個門處于數據傳輸，其它門處于禁止狀態。據傳輸，其

30、它門處于禁止狀態。2. 實現雙向數據傳輸實現雙向數據傳輸 當當E=0時，門時，門1工作，門工作，門2禁止，禁止，數據從數據從A送到送到B； 當當E=1時，門時，門1禁止，門禁止，門2工作，數工作，數據從據從B送到送到A。三態輸出邏輯門（三態輸出邏輯門（TSL門）門）（二）三態門的應用（二）三態門的應用總線總線01A=1時，時，T2、T4導通，導通，T3截止，輸出截止，輸出F =0；B=1時，時，T12、T4導通，導通，T3截截止，輸出止，輸出F =0。或非門、與或非門、異或門或非門、與或非門、異或門（一）（一）TTL或非門或非門結構：結構：R1、T1、T2構成的電構成的電路和路和R11、T11

31、、T12構成的電構成的電路完全相同，路完全相同，T2和和T12 對應的對應的集電極和發射極集電極和發射極并聯。并聯。 只有當只有當A=B=0時，時，T2和和T12同時截止，才有同時截止，才有T4截止，截止，T3、D3導通，導通，輸出輸出F= 1。電路實現或非邏輯功能。電路實現或非邏輯功能。 BAF 由于三極管多發射極之間實現與邏輯運算，即由于三極管多發射極之間實現與邏輯運算，即A、B之間之間或或C、D之間實現與邏輯運算，整個電路實現與或非邏輯運算。之間實現與邏輯運算，整個電路實現與或非邏輯運算。或非門、與或非門、異或門或非門、與或非門、異或門（二）（二）TTL與或非門與或非門結構：將或非門電路

32、中的結構：將或非門電路中的每個輸入端改用多發射極每個輸入端改用多發射極三極管，三極管， 其余部分相同。其余部分相同。CBABF A=B=0：T2、T3導通，導通，T4、T5截止，截止，T7、T9導通，導通，T8、D3截止，因此截止，因此F =0。或非門、與或非門、異或門或非門、與或非門、異或門（三）（三）TTL異或門異或門 A=B=1：T1、T2、T3倒置，倒置，T6、T9導通，導通，T8、D3截止，因截止，因此此F = 0。 A=0，B=1或或A=1，B=0：T1導通，導通，T6截止；截止；T4、T5必有一必有一個導通，個導通，T7截止。由于截止。由于T6、T7同同時截止，因此時截止，因此T

33、9截止，截止，T8、D3導導通，故通，故F = 1。 輸出輸出F與輸入與輸入A、B之間實之間實現異或邏輯：現異或邏輯： BABABAF 00010 11 011第三節第三節 ECL邏輯門電路邏輯門電路 ECL門電路工作原理門電路工作原理 標準標準TTL門電路的晶體管工作在飽和區，工作速度受到限門電路的晶體管工作在飽和區，工作速度受到限制。如果將晶體管工作狀態由飽和改為非飽和，可以從根本上制。如果將晶體管工作狀態由飽和改為非飽和，可以從根本上提高電路的工作速度。發射極耦合邏輯電路（提高電路的工作速度。發射極耦合邏輯電路（ECL）是非飽和是非飽和型高速數字集成電路，平均傳輸延遲時間小于型高速數字集

34、成電路，平均傳輸延遲時間小于2ns，是目前唯一，是目前唯一能提供亞毫微秒開關時間的實用電路。主要應用于每秒運算百能提供亞毫微秒開關時間的實用電路。主要應用于每秒運算百萬次以上的大型高速計算機、數字通信系統等方面。萬次以上的大型高速計算機、數字通信系統等方面。 ECL門電路的主要特點門電路的主要特點 基準電壓基準電壓ECL門電路工作原理門電路工作原理差分輸入級差分輸入級輸出級輸出級 基準電壓基準電壓UBB由由T5、D1、D2和和電阻電阻R1、R2、R3組成的射極輸出組成的射極輸出電路提供，電路提供，T4管基極的基準電壓管基極的基準電壓UBB為為1.2V，為使電路具有相同為使電路具有相同的噪聲容限

35、，的噪聲容限，UBB選兩個輸入高低選兩個輸入高低電平的平均值。電平的平均值。 T5基極接入的基極接入的D1、D2用來用來對對T5的發射結進行溫度補償，的發射結進行溫度補償，補償由溫度引起補償由溫度引起UBE5的變化。的變化。 射極輸出器射極輸出器T6和和T7組成輸出級，組成輸出級，下拉電阻下拉電阻R01、R02與發射極之間是開與發射極之間是開路的。射極輸出器的作用：實現前路的。射極輸出器的作用：實現前后級隔離，增加驅動能力；實現電后級隔離，增加驅動能力；實現電平變換，將平變換，將D和和C4點的高、低電平點的高、低電平轉換成轉換成0.8V和和1.6V。 T1、T2、T3三個輸入三個輸入管組成三個

36、輸入端且并聯管組成三個輸入端且并聯連接，連接，T4加有固定偏壓加有固定偏壓UBB（1.2V）。）。 是典型是典型ECL或或/或非門電路，由于電路或非門電路，由于電路中中T4管的輸入信號通過發射極電阻管的輸入信號通過發射極電阻RE耦合，耦合，稱該電路為發射極耦合邏輯電路。稱該電路為發射極耦合邏輯電路。輸入高輸入高低電平分別為：低電平分別為：0.80.8V V和和1.61.6V V。 基準電壓基準電壓ECL門電路工作原理門電路工作原理差分輸入級差分輸入級輸出級輸出級結論：結論：C4與與A、B、C之間為或邏輯，之間為或邏輯，D與與A、B、C之間是或非邏輯關系。之間是或非邏輯關系。F、 與與A、B、C

37、之間之間是：是：邏輯符號：邏輯符號： FCBAFCBAF下拉電阻：驅動負載較輕時，可將輸下拉電阻：驅動負載較輕時，可將輸出端分別與出端分別與R01、R02相連，獲得規定相連，獲得規定的輸出電平。負載較重時，輸出端與的輸出電平。負載較重時，輸出端與R01、R02斷開連接。既可方便使用，斷開連接。既可方便使用，又能降低功耗。又能降低功耗。 輸入全為低電平輸入全為低電平1.6V：UBB電電平高于平高于1.6V，T4導通，射極電位導通，射極電位UE = 1.9V，各輸入管截止，各輸入管截止， 則則D點為點為高電平，高電平，C4點為低電平。點為低電平。 A為高電平：為高電平：T1基極電位基極電位0.8V

38、，高于基準電壓高于基準電壓UBB，T1導通且在放大區。發射極導通且在放大區。發射極E為為1.5V，T4發射結電壓為發射結電壓為0.3V，T4截止，截止，C4點為高電平，點為高電平，D點為低電平。由于點為低電平。由于T1、T2、T3三管輸入回路并聯，只要有一個輸入端為高電平，三管輸入回路并聯，只要有一個輸入端為高電平，C4點為高電平、點為高電平、D點則為低電平點則為低電平 。 ECL門電路的應用門電路的應用A+BC+D A+B+C+D 線或連接線或連接A+B+C+D 1. 開關速度高開關速度高 ECL電路中的三極管工作在放大區或截止區，消除了飽和電路中的三極管工作在放大區或截止區，消除了飽和帶來

39、的存儲時間。電阻取值小，高、低電平之差小，縮短了上帶來的存儲時間。電阻取值小，高、低電平之差小，縮短了上升時間和下降時間。輸出采用射極輸出，輸出電阻小，負載電升時間和下降時間。輸出采用射極輸出，輸出電阻小，負載電容充電的時間減小。目前容充電的時間減小。目前ECL傳輸延遲時間已做到傳輸延遲時間已做到0.1ns以內。以內。 2. 邏輯功能強邏輯功能強 ECL門電路具有或門電路具有或/或非互補輸出端，且采用射極開路形或非互補輸出端，且采用射極開路形式，允許多個輸出端并聯，實現輸出的線或邏輯。式，允許多個輸出端并聯，實現輸出的線或邏輯。 3. 負載能力強負載能力強 ECL電路采用射極輸出，輸出阻抗小，

40、輸出電流大；輸入電路采用射極輸出，輸出阻抗小，輸出電流大；輸入級有射極電阻級有射極電阻RE，負反饋作用強，輸入阻抗高，輸入電流小。負反饋作用強，輸入阻抗高，輸入電流小。電路的扇出系數大，實際應用時扇出一般不超過電路的扇出系數大，實際應用時扇出一般不超過10。 ECL門電路主要特點門電路主要特點 1. 功耗大功耗大 ECL電路的功耗為輸入級、基準電源和輸出級三部分之電路的功耗為輸入級、基準電源和輸出級三部分之和。由于電路中電阻值較小，且三極管又工作在非飽和區，和。由于電路中電阻值較小，且三極管又工作在非飽和區，所以所以ECL電路的功耗大，每門平均功耗達電路的功耗大，每門平均功耗達40mW。 2.

41、 抗干擾能力差抗干擾能力差 ECL電路的邏輯擺幅只有電路的邏輯擺幅只有0.8V左右，直流噪聲容限左右，直流噪聲容限UN約約300mV，抗干擾能力差。抗干擾能力差。 3. 輸出電平的穩定性差輸出電平的穩定性差 由于由于ECL電路中的三極管導通時工作在放大區，電路的電路中的三極管導通時工作在放大區，電路的輸出電平與輸出電平與T6、T7的發射結壓降有關，所以輸出電平的變化的發射結壓降有關，所以輸出電平的變化與溫度和電路參數的變化直接相關。與溫度和電路參數的變化直接相關。ECL門電路主要缺陷門電路主要缺陷第四節第四節 I2 L邏輯門電路邏輯門電路 I2 L基本單元電路基本單元電路 TTL和和ECL工作

42、速度較高，但是電路復雜，功耗較大，因工作速度較高，但是電路復雜，功耗較大，因此無法滿足高密度大規模集成電路的制造需要。此無法滿足高密度大規模集成電路的制造需要。2020世紀世紀70年代年代初研制成功的集成注入邏輯電路（初研制成功的集成注入邏輯電路（I2L）結構簡單、功耗低，特結構簡單、功耗低，特別適合于大規模集成電路的制造。別適合于大規模集成電路的制造。I2L發展速度快，在大規模和發展速度快，在大規模和超大規模集成電路中得到廣泛應用，例如單片機、電子表、電超大規模集成電路中得到廣泛應用，例如單片機、電子表、電子琴等。子琴等。 I2 L門電路的主要特點門電路的主要特點 I2 L門電路門電路I2

43、L基本單元電路基本單元電路I0 T2的驅動電流由的驅動電流由T1集電極注入，故有注入集電極注入，故有注入邏輯之稱。邏輯之稱。（二）工作原理（二）工作原理1.當當A端接低電平端接低電平 0.1V時，時，T2截止，截止，I0從輸入從輸入端端A流出，流出，C1、C2和和C3輸出高電平。輸出高電平。2.當當A端接高電平或開路時，端接高電平或開路時，I0流入流入T2基極，基極，T2飽和導通，飽和導通，C1、C2和和C3輸出低電平。輸出低電平。（一）（一）電路組成電路組成電路可簡化為：電路可簡化為： 多集電極晶體多集電極晶體管管T2，C1、C2和和C3之之間相互隔離。間相互隔離。 射極加正電壓射極加正電壓

44、UE，構成恒流源構成恒流源I0。 電路的任何一電路的任何一個輸出與輸入之間個輸出與輸入之間都是非邏輯關系。都是非邏輯關系。邏輯符號邏輯符號輸入：輸入：A輸出：輸出：C1、C2、C3I2 L基本單元電路基本單元電路（一）（一）或非門或非門線與連接線與連接等效邏輯圖等效邏輯圖B AFA BI2 L基本單元電路基本單元電路（二）（二）與門與門線與連接線與連接BA F等效邏輯圖等效邏輯圖I2 L基本單元電路基本單元電路（三）（三）與非門與非門 電源電源UE作作為輸入信號為輸入信號B使用使用 BAF等效邏輯圖等效邏輯圖 B為低電平時：為低電平時：T1截止，截止，無法向無法向T2的基極提供驅動電流，的基極

45、提供驅動電流，故故T2也截止。由于負載門的作也截止。由于負載門的作用，輸出用，輸出F為高電平。為高電平。 當當A、B均為高均為高電平時，電平時，T1、T2導通，輸出導通，輸出F為低電平。為低電平。 I2 L門電路門電路邏輯功能：邏輯功能：CDABCDABF（四）與或非門（四）與或非門等效邏輯圖等效邏輯圖BAFDCF線與連接線與連接 1.結構簡單，集成度高結構簡單，集成度高 I2L電路中只包含電路中只包含NPN和和PNP管，沒有電阻，各單元之間管，沒有電阻，各單元之間不需要隔離，工藝簡單，節省芯片面積。其基本邏輯單元面積不需要隔離，工藝簡單，節省芯片面積。其基本邏輯單元面積僅為僅為TTL的十分之

46、一。的十分之一。 2. 低電壓、微電流工作，功耗低低電壓、微電流工作，功耗低 I2L電路能在電路能在0.8V、1nA/單元的情況下工作，是目前功耗單元的情況下工作，是目前功耗最低的集成電路。最低的集成電路。 3. 品質因數最佳品質因數最佳 I2L是目前功耗與速度二者之積的品質因數最好的電路。是目前功耗與速度二者之積的品質因數最好的電路。 4. 生產工藝簡單生產工藝簡單 常規的常規的TTL要經過六次光刻四次擴散，要經過六次光刻四次擴散，I2L經過四次光刻兩經過四次光刻兩次擴散，工藝簡單。次擴散，工藝簡單。I2 L門電路主要特點門電路主要特點 1. 開關速度低開關速度低 I2L屬于飽和型電路，限制

47、了電路的開關速度，屬于飽和型電路，限制了電路的開關速度，I2L反相反相器的傳輸時間器的傳輸時間tpd一般在一般在20ns30ns之間。之間。 2. 抗干擾能力差抗干擾能力差 I2L的邏輯擺幅僅的邏輯擺幅僅700mV左右，噪聲容限左右，噪聲容限UN不大于不大于250mV，低于低于ECL電路，抗干擾能力較差。電路，抗干擾能力較差。 3. 多片連接性能差多片連接性能差 多片多片I2L芯片一起使用時，由于各管子輸入特性的離散性，芯片一起使用時，由于各管子輸入特性的離散性，基極電流分配不均，嚴重時電路無法正常工作。基極電流分配不均，嚴重時電路無法正常工作。 I2 L門電路主要缺陷門電路主要缺陷第五節第五

48、節 NMOS邏輯門電路邏輯門電路 NMOS反相器反相器 前面介紹的前面介紹的TTL、ECL和和I2L采用的都是雙極型晶體管，采用的都是雙極型晶體管，兩種載流子參與導電，稱為雙極型集成電路。兩種載流子參與導電，稱為雙極型集成電路。 本節介紹只有一種載流子參與導電的單極型邏輯門電路本節介紹只有一種載流子參與導電的單極型邏輯門電路- MOS集成電路。集成電路。 MOS集成電路主要包括集成電路主要包括NMOS、PMOS以及以及CMOS電路電路。電路具有以下特點：制造工藝簡單、成品率高、功耗低、集。電路具有以下特點：制造工藝簡單、成品率高、功耗低、集成度高、抗干擾能力強，適合大規模集成電路。成度高、抗干

49、擾能力強，適合大規模集成電路。 NMOS門電路門電路MOS管的開關特性管的開關特性 數字邏輯電路中的數字邏輯電路中的MOS管均是增強型管均是增強型MOS管，特點如下：管，特點如下： 當當|UGS|UT| 時，管子導通，導通電阻很小，時，管子導通，導通電阻很小，D、S之間之間相相當開關閉合當開關閉合。 當當|UGS|UT| 時，管子截止，時，管子截止， D、S之間之間相當于開關斷開相當于開關斷開。NMOSPMOSNMOS反相器反相器1. A輸入高電平輸入高電平UIH = 8V2. A輸入低電平輸入低電平U IL = 0.3V結論：結論：電路執行邏輯非功能。電路執行邏輯非功能。 T1、T2均導通，

50、輸出均導通，輸出低電平低電平UOL0.3V。 T1截止、截止、T2導通，輸導通，輸出高電平出高電平UOH =UDD- -UT2= 8V。驅動管驅動管負載管負載管 設電源電壓設電源電壓UDD = 10V，開啟電壓開啟電壓UT1 = UT2 = 2V。NMOS門電路門電路驅動管驅動管串聯串聯負載管負載管 T1和和T2都導通，輸出低電平。都導通，輸出低電平。2. 當輸入端有一個接低電平時，當輸入端有一個接低電平時， 與低電平相連的驅動管截止，輸出與低電平相連的驅動管截止，輸出高電平。高電平。 電路實現與非邏輯功能：電路實現與非邏輯功能：BAF 注意：注意：增加扇入，需增加串聯驅動增加扇入，需增加串聯

51、驅動管的個數。管的個數。扇入過多，則低電平升高，扇入過多，則低電平升高，因此因此扇入一般不超過扇入一般不超過3。1. 當兩個輸入端當兩個輸入端A和和B均接高電平時，均接高電平時，01通通通通110止通1（一）NMOS與非門與非門10止通0NMOS門電路門電路驅動管驅動管并聯并聯負載管負載管 T1和和T2都截止，輸出高電平。都截止，輸出高電平。2. 當輸入端有一個接高電平時，當輸入端有一個接高電平時， 與高電平相連的驅動管導通，與高電平相連的驅動管導通，輸出低電平。輸出低電平。電路實現或非邏輯功能：電路實現或非邏輯功能：BAF 增加扇入，增加并聯驅動管的增加扇入，增加并聯驅動管的個數。個數。扇入

52、越多，輸出低電平降低，扇入越多，輸出低電平降低，因此因此MOS電路中多采用或非門。電路中多采用或非門。1. 當輸入端當輸入端A和和B均接低電平時，均接低電平時，10止止止止0（二）NMOS或非門或非門NMOS門電路門電路負載管負載管電路實現與或非邏輯功能：電路實現與或非邏輯功能：（三）NMOS與或非門與或非門 驅動管驅動管T1與與T2串聯、串聯、T3與與T4串聯，然后再并聯連串聯，然后再并聯連接。接。 CDABF CMOS反相器反相器 為提高工作速度，降低輸出阻抗和功耗，目前廣泛采用由為提高工作速度，降低輸出阻抗和功耗，目前廣泛采用由PMOS和和NMOS兩管組成的互補型兩管組成的互補型MOS電

53、路，簡稱電路，簡稱CMOS電路。電路。 其它類型的其它類型的CMOS門電路門電路 CMOS門電路的改進型門電路的改進型 CMOS電路的特點電路的特點 CMOS門電路主要參數門電路主要參數 CMOS反相器反相器PMOSNMOS1. 輸入低電平輸入低電平UIL = 0V:UGS1UT1T1截止截止|UGS2|UT2 電路中電流近似為零，電路中電流近似為零，UDD主要降在主要降在T1，輸出高電平，輸出高電平UOHUDD。T2導通導通2. 輸入高電平輸入高電平UIH=UDD T1通、通、T2止，止，UDD主要降在主要降在T2，輸出低電平，輸出低電平UOL0V。實現邏輯非功能：實現邏輯非功能：AF 漏極

54、相連漏極相連作輸出端作輸出端（一）（一）CMOS反相器組成及原理反相器組成及原理 兩管特性對稱，兩管特性對稱，NMOS管的襯底接到電路的最低電管的襯底接到電路的最低電位，位，PMOS管的襯底接到電管的襯底接到電路的最高電位。襯底與漏源路的最高電位。襯底與漏源間的間的PN結始終處于反偏。結始終處于反偏。柵極相連柵極相連作輸入端作輸入端 電源電壓電源電壓UDDUT1+|UT2|，UDD適用范圍較大適用范圍較大(318V)。 UT1：NMOS的開啟電壓的開啟電壓; UT2：PMOS的開啟電壓。的開啟電壓。CMOS反相器反相器（二）（二）CMOS反相器傳輸特性反相器傳輸特性AB段：由于段：由于UI=U

55、GS1UT1，|UGS2| |UT2|，故故T1截止，截止，T2導導通。輸出高電平通。輸出高電平UOHUDD。CD段：段：UI=UGS1UT1，T1導通。導通。UIUDD|UT2|，則則|UGS2| |UT2|，T2截止。輸出低電平截止。輸出低電平UOL0V。 電源電壓電源電壓UDDUT1+|UT2|，T1和和T2的參數對稱，的參數對稱，UT1=|UT2|。 UT1：NMOS的開啟電壓的開啟電壓; UT2：PMOS的開啟電壓。的開啟電壓。BC段：由于段：由于UT1UIUDD|UT2|，所以所以UGS1 UT1，|UGS2| |UT2|，T1和和T2同時導通。同時導通。 DDTH21UU T1和

56、和T2參數完全對稱參數完全對稱的情況下，的情況下，CMOS反相器反相器的閾值電壓等于電源電壓的閾值電壓等于電源電壓的一半，獲得較大的噪聲的一半，獲得較大的噪聲容限。轉折區的變化率很容限。轉折區的變化率很大，大，CMOS反相器更接近反相器更接近于理想開關特性。于理想開關特性。CMOS反相器反相器（三）（三）CMOS反相器噪聲容限反相器噪聲容限 在每個固定的在每個固定的UDD情況下，情況下，UNL和和UNH始終相等。國產始終相等。國產4000系列系列CMOS電路的測試結果表電路的測試結果表明，明，UNL=UNH30%UDD。 隨著電源電壓隨著電源電壓UDD的的增加，噪聲容限也相應地增加，噪聲容限也

57、相應地變大。為了提高變大。為了提高CMOS反反相器的噪聲容限，可以適相器的噪聲容限，可以適當提高電源電壓當提高電源電壓UDD 。 CMOS反相器反相器（四）（四）CMOS反相器傳輸延遲時間反相器傳輸延遲時間 CMOS反相器的輸出電阻比反相器的輸出電阻比TTL電路的輸出電阻大，容性電路的輸出電阻大，容性負載對前者傳輸延遲時間會產生更大的影響。負載對前者傳輸延遲時間會產生更大的影響。 CMOS反相器的輸出電阻與反相器的輸出電阻與UIH （ UIHUDD ）有關，因此）有關，因此CMOS反相器的傳輸延遲時間與反相器的傳輸延遲時間與UDD有關。有關。 根據根據CMOS反相器的互補對稱性可知，當反相器接

58、容性負反相器的互補對稱性可知，當反相器接容性負載時，它的導通延遲時間載時，它的導通延遲時間tPHL和截止延遲時間和截止延遲時間tPLH是相等的。是相等的。CMOS反相器的平均傳輸延遲時間約為反相器的平均傳輸延遲時間約為10ns。uI/uOuI/uOCCTG工作原理：工作原理：1. C為低電平：為低電平：T1、T2截止，傳輸截止，傳輸門相當于開關斷開。門相當于開關斷開。CL上電壓保上電壓保持不變，傳輸門可以保存信息。持不變，傳輸門可以保存信息。2. C為高電平：為高電平：T1、T2中至少有一中至少有一只管子導通，使只管子導通，使UO=UI，相當于開相當于開關閉合，傳輸門傳輸信息。關閉合，傳輸門傳

59、輸信息。結論：傳輸門相當于一個理想的雙向開關。結論：傳輸門相當于一個理想的雙向開關。其它類型的其它類型的CMOS門電路門電路（一）CMOS傳輸門（傳輸門（TG） CMOS傳輸門與傳輸門與CMOS反相器一樣，也是構成各種反相器一樣，也是構成各種邏輯電路的一種基本單元電邏輯電路的一種基本單元電路。路。 組成：組成：T1是是NMOS管，管，T2是是PMOS管，開啟電壓分別為管，開啟電壓分別為UT1、UT2，設設UDD（UT1+|UT2|），），T1和和T2的參數對稱。有一對互補的的參數對稱。有一對互補的電壓控制信號，電壓控制信號，CL為負載電容。為負載電容。信號特點：信號特點：CMOS傳輸門的傳輸門

60、的輸出與輸入端可以互換。一輸出與輸入端可以互換。一般輸入電壓變化范圍為般輸入電壓變化范圍為0UDD，控制控制電壓為電壓為0或或UDD。 邏輯符號邏輯符號門控信號門控信號 傳輸門的導通電阻為傳輸門的導通電阻為幾 百 歐 ， 截 止 電 阻 達幾 百 歐 ， 截 止 電 阻 達50M以上，平均延遲時以上，平均延遲時間為幾十至一二百間為幾十至一二百ns。 電路結構：電路結構：邏輯符號：邏輯符號：其它類型的其它類型的CMOS門電路門電路（二）二）CMOS模擬開關模擬開關 控制模擬信號傳控制模擬信號傳輸的電子開關。開關輸的電子開關。開關通與斷由數字信號控通與斷由數字信號控制。制。工作原理：工作原理：傳輸