第2章

門電路【學習目標】

本章首先介紹半導體二極管、三極管、MOS管的開關特性及分離元件門電路；然后介紹TTL反相器和CMOS反相器的電路結構、工作原理、邏輯特性、電氣參數，以及與非門、或非門、三態門、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?！灸芰δ繕恕?/p>

掌握半導體二極管、三極管和MOS管的開關特性以及分離元件門電路。熟練掌握TTL反相器和CMOS反相器的電路結構、工作原理、邏輯特性、電氣參數以及與非門、或非門、三態門、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

是用以實現邏輯關系的電子電路，與基本邏輯關系相對應。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.正負邏輯

正邏輯：用高電平代表1、低點平代表0。在數字電路中，一般采用正邏輯系統。

負邏輯：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分開來的電壓范圍

高電平：數字電路中較高電平代數值的范圍。

低電平：數字電路中較低電平代數值的范圍。4.分立元件門電路和集成門電路分立元件門電路：用分立元件和導線連接起來構成的門電路集成門電路：把構成門電路的元器件和連線都制作在一塊半導體硅片上，在封裝起來?，F在使用最多的是TTL和MOS門電路。tvVHVLPositiveLogic10tvVHVLNegativeLogic102.2基本門電路2.2.1.半導體二極管的開關特性用來接通或斷開電路的開關器件應具有兩種工作狀態：一種是接通（要求其阻抗很小，相當于短路），另一種是斷開（要求其阻抗很大，相當于開路）。二極管具有單向導電性：正向導通，反向截止，相當于一個受電壓控制的電子開關。二極管加正向電壓時導通，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。二極管加反向電壓時截止，反向電流很?。╪A級），可以近似看作是一個斷開的開關。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，二極管開關由接通到斷開，或由斷開到接通所需要的轉換時間通常是可以忽略的。然而在數字電路中，二極管開關經常工作在高速通斷狀態。由于PN結中存儲電荷的存在，二極管開關狀態的轉換不能瞬間完成，需經歷一個過程。

tre=ts+tf

叫做反向恢復時間。該現象說明，二極管在輸入負跳變電壓作用下，開始仍然是導通的，只有經過一段反向恢復時間tre之后，才能進入截止狀態。由于tre的存在，限制了二極管的開關速度。2.2.2半導體二極管門電路1.二極管與門2.二極管或門ABY-VCC2.2.3半導體三極管的開關特性在數字電路中，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。1.三極管開關條件及特點2.三極管的開關時間（動態特性）開啟時間ton

上升時間tr延遲時間td關閉時間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（幾個參數中最長的；飽和越深越長）

tf

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

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，則IC2>7.25mA

所以VC2<VCC-IC2R2=-6.6V故T2不可能工作于放大狀態和截止狀態，只可能是飽和狀態。因VB4=VCES2+VBE5=1VT3截止。T4狀態取決于外電路，在輸出電流小于IOLmax時，輸出為低電平uO=0~0.3V。2.1V0.3V3.6V（1）電路結構和工作原理T3T4當輸入低電平時，uI=0.3V，T1發射結導通，

uB1=0.3V+0.7V=1VT2和T4均截止，T3和VD導通。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速度和負載能力

T3組成射極輸出器，優點是既能提高開關速度，又能提高負載能力。當輸入高電平時，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動負載。當輸入低電平時，T4截止，T3導通（為射極輸出器），其輸出電阻很小，帶負載能力很強?？梢姡瑹o論輸入如何，T3和T4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。（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截止區線性區轉折區飽和區T4截止，稱關門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值，稱為關門電平UOFF。UOFFUON

電壓傳輸特性曲線轉折區中點所對應的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。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：

(1)輸入短路電流IIS當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

當輸入為高電平時，T1的發射結反偏，集電結正偏，處于倒置工作狀態，倒置工作的三極管電流放大系數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

的變化而變化的關系曲線。輸入負載特性在一定范圍內，uI隨RI的增大而升高。但當輸入電壓uI達到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飽和導通，輸出為低電平。虛框內為TTL反相器的部分內部電路RI不大不小時，工作在線性區或轉折區。RI較小時，關門，輸出高電平；RI

較大時，開門，輸出低電平；ROFFRONRI→∞懸空時？

(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RI

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RI

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RI≥RON或RI≤ROFF

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

(a)輸出高電平時的輸出特性負載電流iL不可過大，否則輸出高電平會降低。拉電流負載(b)輸出低電平時的輸出特性負載電流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門電路的灌電流負載為12.8mA。灌電流負載

3.TTL反相器的動態特性

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每一個發射極能各自獨立形成正向偏置的發射結，并可使三極管進入放大或飽和區。 多發射極三極管

有0.2V箝位于0.9V全為3.6V集電結不導通（2）TTL或非門（3）集電極開路門（OC門）集電極開路例：用OC門實現電平轉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）三態門01截止Y＝AB

EN=0時，電路為正常的與非工作狀態，所以稱控制端低電平有效。10導通1.0V1.0V截止截止高阻當EN=1時，門電路輸出端處于高阻狀態?？刂贫烁唠娖接行У娜龖B門控制端低電平有效的三態門用“▽”表示輸出為三態。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；懸空時相當于接高電平。（2）與其它輸入端并聯使用。（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管作為開關元件構成的門電路。

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、功耗低、價格便宜等優點，得到了十分迅速的發展。

MOS管有NMOS管和PMOS管兩種。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)。MOS管有增強型和耗盡型兩種。在數字電路中，多采用增強型。2.4.1.MOS管的開關特性D接正電源截止導通

（1）NMOS管的開關特性

Vgs=0→Rds

106()→I10-6(A)0Vgs

Vgs(th)→Rds

10()<<RL→VRds0

（2）PMOS管的開關特性D接負電源截止導通2.4.2CMOS反相器PMOS管NMOS管AZ0110

工作特點：TP和TN總是一管導通而另一管截止，流過TP和TN的靜態電流極?。{安數量級），因而CMOS反相器的靜態功耗極小。這是CMOS電路最突出的優點之一。2.4.3.CMOS反相器的特性AB段：截止區iD為0BC段：轉折區閾值電壓UTH≈VDD/2轉折區中點：電流最大CMOS反相器在使用時應盡量避免長期工作在BC段。CD段：導通區電壓傳輸特性和電流傳輸特性1.靜態特性

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

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

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.動態特性

轉換時間:邏輯電路的輸出從一個狀態轉換到另一個狀態所需的時間。trtftrtfVIHminVILmax(a)idealcase(b)approximation(C)actualcase上升時間tr：輸出從低電平轉換到高電平所需的時間。下降時間tf：輸出從高電平轉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生相應變化所間隔的時間。tpHLtpLHCMOS反相器的傳輸延遲

tpHL:輸入變化導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

靜態功耗:邏輯電路輸出狀態不發生變化時的功耗。

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

邏輯電路輸出狀態發生變化時的功耗，其值比靜態功耗大得多。

PC:平均功耗；PT:瞬時導通功耗；PD:總的動態功耗。

CPD:功耗電容；

CL:負載電容。

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uI

=1時，TN導通；uI

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

C=0時，TG1導通、TG2截止，uO=uI1；

C=1時，TG1截止、TG2導通，uO=uI2。當EN=0時，TG導通，F=A；當EN=1時，TG截止，F為高阻輸出。②CMOS三態門漏極開路門上拉電阻

2.4.5CMOS電路的優點（1）微功耗。

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

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

FAM

nn前綴系列助記符功能數字