第 2章 逻辑门电路逻辑门：完成一些基本逻辑功能的电子电路。现使用的主要为 集成逻辑门 。
集成电路分类：
小规模集成电路 (SSI):
1~10门 /片 或 1~100个元件 /片；
1,按规模分类中规模集成电路 (MSI),
10~100门 /片 或 100~1000个元件 /片；
大规模集成电路 (LSI),
100~10000门 /片 或 1000~100000个元件 /片；
超大规模集成电路 (VLSI),
10000门 /片以上或 100000个元件 /片以上,
MOS型
(单极型 )
NMOS
(N-Channel Metal-Oxide-Semiconductor)
CMOS
(Complement Metal-Oxide-Semiconductor)
2,按器件类型分类双极型
DTL (Diode Transistor logic)
TTL (Transistor— Transistor Logic)
ECL (Emitter Coupled Logic)
2.1 晶体管的开关特性在数字电路中,常将半导体二极管,三极管和场效应管作 为开关元件使用。
理想开关,接通时阻抗为 零 ;断开时阻抗为 无穷大 ;
两状态之间的转换时间为 零 。
实际半导体开关,导通时具有一定的 内阻 ;截止时有一定的 反向电流 ;两状态之间的转换需要 时间 。
2.1.1 半导体二极管的开关特性下面以硅二极管为例 D
(1) 导通条件及导通时的特点
ID(mA)
VD
VO
0.5
0
硅二极管伏安特性
D
+
-
Vi >0.7 R 电路图
+
-
Vi >0.7 R
VD
近似等效电路
+
-
Vi >0.7 R
K
简化等效电路
(2) 截止条件及截止时的特点
D
+
-
Vi<0.5 R 电路图
+
-
Vi <0.5 R
K
简化等效电路
(3) 开关时间
① 开启时间,由反向截止转换为正向导通所需要的时间,
二极管的开启时间很小,可忽略不计。
② 关断时间,由正向导通转换为反向截止所需要的时间。
二极管的关断时间大约 几纳秒 。
RCIC
Rb
IB
Vi
Vo
Vcc
三极管开关电路
(1) 饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件,
IB≥IBS= ICSβ ≈ VCCβR
C
饱和导通时的特点,
VBE≈0.7V VCE=VCES=0.1~0.3V
发射极和集电极之间如同闭合的开关
2.1.2 半导体三极管的开关特性
(2) 截止条件及截止时的特点截止条件,VBE<0.5V (硅三极管发射结导通电压 )
截止时的特点,发射结和集电结均为反向偏置,IB≈IC≈0,
发射极和集电极之间如同断开的开关。
+
_
+
_0.7V 0.1~0.3V
b c
e
饱和时
e
c
b
截止时三极管开关的近似直流等效电路
(3) 开关时间开启时间 ton,三极管由截止到饱和所需要的时间,
纳秒 (ns)级。
关断时间 toff,三极管饱和由到截止所需要的时间,
纳秒 (ns)级,toff > ton 。
toff的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关,饱和程度越深,toff 越长,反之则越短。
2.1.3 MOS管的开关特性
G
S
D
RD
VCC
MOS管的三个工作区：
截止区；非饱和区；饱和区。
MOS管作开关使用时，通常工作在 截止 区和 非饱和 区。
数字集成电路中常用的 MOS管为 P沟道增强型和 N沟道增强型。
NMOS
管开关电路
(1) 导通条件及导通时的特点 (以 NMOS管为例 )
导通条件,VGS > VTN (VTN为 NMOS管的开启电压 )
导通时的特点,在开关电路中,MOS管导通时一般工作在非饱和区,这时要求 VGS > VTN +VDS,导通电阻 RDS为 几百 欧姆。
(2) 截止条件及截止时的特点截止条件,VGS <VTN
截止时的特点,漏 — 源之间没有形成导电沟道,呈高阻状态,阻值一般为 109~1010Ω,MOS管截止。
NMOS管开关近似直流等效电路
VDD
RD
RDS
D
G
S
(几百 Ω)
导通状态
VDD
RD
D
G
S
截止状态(3) 开关时间
MOS管本身的开关时间很小,组成开关电路时,由于管子间的 寄生电容 和 布线电容 的存在,加上 MOS管的输入、
输出阻抗较大,使输入、输出电路的 充放电时间常数 增加,
影响了开关时间。
2.2 分立元件门电路
2.2.1 二极管门电路
1,二极管与门
&A
B
C
F
逻辑符号
DA
DB
DC
RO
VCC(5V)
A
B
C
F
原理图假设,二极管为理想开关；
输入信号 VIL=0V,VIH=3V.
综上所述,电路为二极管 与门
DA
DB
DC
RO
VCC(5V)
A
B
C
F
分两种情况分析：
1) A,B,C三端输入均为 3V
二极管 DA,DB,DC均导通
F=3V
3V
3V
3V
3V
2) A,B,C三端输入有 0V信号输入时，如 A,B为 0V,C
端输入 3V
二极管 DA,DB导通,DC截止
F=0V
0V
0V 0V
2,二极管或门
≥1A
B
C
F
逻辑符号
3V
3V 3V
0V
0V
0V 0V
DA
DB
DC
RO
VCC(-5V)
A
B
C
F
原理图假设,二极管为理想开关；
输入信号 VIL=0V,VIH=3V。
分两种情况分析：
1) A,B,C三端输入 均为 0V,二极管 DA,DB,DC均导通 F=0V
2) A,B,C三端输入有 3V信号输入时，如 A,B为 3V,
C端输入 0V,二极管 DA,DB导通,DC 截止
F=3V
2.2.2 三极管门电路
1,非门工作原理 (设三极管电流放大倍数 β=30)
① Vi=0V,则三极管基极电位 VB<0V,满足截止条件
VBE<0.5V,三极管截止,IC=0,VO=Vcc=3V,为 高电平 。
RC
R1
Vi
Vo
Vcc(3V)
三极管非门电路
1.5kΩ
R2
VBB(-5V)
10kΩ
1kΩ
VB
而三极管饱和时所需要的最小基极电流
IBS=ICS/β=(Vcc－ VCE)/(RC· β)
=(3 － 0.3)/(1× 30)=0.09mA
② Vi=3V,三极管饱和。因为饱和时 VB=0.7V,基极电流
IB=(Vi－ VB)/R1－ (VB － VBB)/R2
=(3 － 0.7)/1.5 － (0.7 － (－ 5))/10
=0.96mA
RC
R1
Vi
Vo
Vcc(3V)
三极管非门电路
1.5kΩ
R2
VBB(-5V)
10kΩ
1kΩ
VB
结论,由于 IB>IBS所以,三 极管饱和,输出为 低电平,
VO=0.1~0.3V
TTL电路分类,
中速 TTL,高速 TTL(HTTL),肖特基 TTL(STTL),低功耗 TTL(LTTL),低功耗肖特基 TTL(LSTTL),先进低功耗肖特基 TTL(ALSTTL)等。
2.3 TTL门电路三极管 — 三极管逻辑门电路 (TTL),是指 输入端 和 输出端 都用三极管的电路,简称 TTL电路,是 双极型 数字集成电路。
2.3.1 TTL与非门 典型电路及其工作原理
(1) 电路组成电路分三个部分,输入级,中间级,输出级 。
① 输入级,R1,T1,D1,D2
T1为多发射极晶体管
A
B
b
ce
b
cA Be1 e2
R4R
1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T4
T5
输入极 中间极 输出极
D3
D1,D2 为钳位二极管，起保护 T1管的作用。
② 中间级,R2,T2,R3
分相、放大作用
③ 输出级,R4,T4,T5,D3
输出级特点：
静态功耗低，开关速度快，这种电路结构称为推拉式电路。
(2) 工作原理
R4R
1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T4
T5
输入极 中间极 输出极
D3
设输入信号高低电平分别为 ViH=3.4V; ViL=0.2V
PN结正向导通电压为 0.7V;
三极管电流放大倍数 β=20。
(一 ) 输入中有 低电平
T1管发射结导通,T1管饱和。
R4R
1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T4
T5
D30.2V
0.9V
1mA
0mA
0.3V
5V
3.6V由于 T2基极电压仅为 0.3V,
故 T2,T5均截止。
T4,D3导通，输出约为 3.6V(5-
0.7-0.7=3.6),输出 高电平 1。
(二 ) 输入均为 高电平
T1管处于 倒置 工作状态
(be结反偏,bc结正偏,);
R4R
1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T4
T5
D3
3.4V 2.1V
0.7mA
0.78mA
1.4V
1V
0.1V3.4V
(40μA)
(40μA)
2.5mA
0.7mA
0.7V
2.6mA
T2管处于 饱和 工作状态 ;
T4管处于 截止 工作状态 ;
T5管处于 饱和 工作状态 ;
F输出为,0” 。
综合上面两种情况,该电路实现 与非 功能。 F=AB
2.3.2 TTL与非门的 电压传输特性电压传输特性是指 输出电压 VO随 输入电压 VI的变化规律。
VO=f(VI)
1,特性曲线分析
V0(V)
VI(V)
3
2
1
0 0.5 1 1.5
截止区,T5管截止,
线性区,T5管截止,T4管处于放大区
(射极跟随输出 ).
转折区,T2,T5由放大进入饱和,T4进入截止,
饱和区,T5管饱和,
VOH
VOL
VTH
2,主要参数
(1)输出高电平 VOH,
低电平 VOL。
(2)阈值电压 VTH:转折区中间点对应的输入电压,约为
1.4V。
(3) 输入端噪声容限 VNH,VNL
1输出
0输出
1输入
1输入
VOHmin
VIHmin
VNH
VILman
VOLman
VNL
VO VI
1 1
VO VI
2.3.3 TTL与非门的静态输入与输出特性
1,输入特性
1)输入伏安特性 ( II=f(Vi) )
定义：电流 流入 T1的发射极方向为 正 方向。
0.5 1.0 1.5 V
I(V)
II(mA)
-0.5
-1.0
-1.5
高电平输入低电平输入
0
40μA
2)反映出的主要参数
(1) IIL (输入低电平电流 )
mA1R VVVI
1
IL1BECC
IL
(2) IIH (输入高电平电流 )
IIH约在 40μA以下。 (作为前级门的拉电流负载,)
(作为前级门的拉电流负载,)
2.输入端负载特性在门输入端和地之间接电阻 Ri,当电阻从 0Ω逐步增加时，由于电阻内部有电流流过,会使电阻两端电压 Vi逐步增加。
R1
4kΩ
Vi
T1
Ri
VCC
当 T1管饱和导通时,
)VV(RR RV 1BECC
i1
i
i
Roff≈0.9kΩ,Ron≈3kΩ。
Vi(V)
Ri(kΩ)
1
2
0
1 2
当 Ri小于 R0ff时,输入为低电平 ;当 Ri高于 Ron时,输入为高电平。
3.输出特性
1
拉电流拉电流负载
0
灌电流灌电流
Vo(V)
1.0
2.0
3.0
0 5 10 15-5-10-15 I0(mA)
拉电流情况灌电流 情况& &
1
A
B
驱动门 负载门
Vo
1) 灌电流工作情况驱动门 输出为低电平（ T5管饱和,T4管截止）,负载门 电流流入驱动门，流入 驱动门 的电流值 IL取决于和 驱动门 相连接的 负载门 个数,即 IL=NIIL(IIL为 负载门 低电平输入电流,约为 1mA左右 ) Vo(V)
1.0
2.0
3.0
0 5 10 15-5-10-15 I0(mA)
拉电流情况灌电流 情况由曲线可见,对所分析的电路,
当灌电流不超过 16mA时,VO不超过 VOLmax=0.4V。称带灌电流负载能力 IOLmax=16mA
一个门在低电平时能驱动同类门的最大个数为,
NOL=IOLmax/IIS=16/1.1≈14 (这里的 IIS为输入短路电流 )
2) 拉电流工作情况驱动门 输出为高电平
（ T5管截止）,负载门 输入电流由驱动门提供,流出 驱动门 的电流值 IH取决于和 驱动门 相连接的负载门 的 管脚 的个数,即
Vo(V)
1.0
2.0
3.0
0 5 10 15-5-10-15 I0(mA)
拉电流情况灌电流 情况从曲线上看，当 IO大于 5mA时,VO才开始出现下降趋势，
但决定 IOHmax值的并不是 VOHmax,而是器件的功耗。在上面讨论的电路中,IOHmax约为 400mA。
NOH=IOHmax/IIH=400/40=10
IH=NIIH (IIH为 负载门 高电平输入电流,约为 40μA左右 )
取 min(NOL,NOH)=N 定义为 扇出系数则 min(14,10)=10
2.3.4 TTL与非门的动态特性
1,传输延迟时间 tpd
传输延迟时间指门电路的输出信号相对于输入信号的延迟时间。
定义,tpd= 12 (tPHL+tPLH)
0
50%
50%
VI
VO
0
tPHL
tPLH
延迟时间导通 截止一般 tPLH>tPHL
2,电源的动态尖峰电流
TTL门电路的功耗等于电源电压 VCC和电源电流 ICC的乘积,由于 VCC=5V为定值,所以 ICC的大小就能反映功耗的大小,对于上述电路,稳态时,输出为高电平时的电流
ICCH≈1.1mA,输出为低电平时的电流 ICCL≈3.4mA。
在动态情况下,特别是当输出电平由 低 突然变为 高 的过渡过程中,在某个 瞬间,会使门电路中的所有管子均导通,使电源电流出现 尖峰脉冲,尖峰电流 有时可达 40mA。
电源的动态尖峰电流引起的后果,
1) 使电源的平均电流加大,而且,工作频率越高,平均电流增加越多 ;
2)电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻,形成系统内部的噪声源。
2.3.5 改进型 TTL门电路主要改进 1）传输延迟时间； 2）功耗； 3）转换特性。
TTL集成电路系列型号及性能表系 列标准系列低功耗肖特基系列肖特基系列先进低功耗肖特基系列高速系列先进肖特基系列快速系列低功耗系列型号举例
7400
74LS00
74S00
74ALS00
74F00
74AS00
74H00
74l00
功耗 /门
P(mW)
10
2
19
1
4
10
22
1
传输时延
tpd(ns)
10
10
3
4
3
1.5
6
35
时延功耗积
P tpd(PJ)
100
20
57
4
12
15
132
35
电源电压 VCC=5V 逻辑摆幅 3.5V
2.3.6 其它类型的 TTL门电路除与非门外,TTL电路产品中还有各种功能的门,如或非门、异或门等。
这里介绍两种具有不同输入输出结构的 TTL门,较为 重要 。
1.集电极开路门 (OC门 )
(以与非门为例说明 )
R1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T5
输入极 中间极 输出极
&
A
B
F
逻辑符号
OC门的特点,
1) 实现线与功能
&
&
VCC
R
A
B
C
D
F=AB CD
=AB+CD
说明,
① 普通的 TTL电路不能将输出端连在一起,输出端连在一起,
可能使电路形成低阻通道,使电路因电流过大而 烧毁 ;
② 由于 OC门的集电极是开路的,
要实现正常的逻辑功能,需外加上拉电阻 。
上拉电阻上拉电阻 R的选取：
IHOH
m inOHCC
m a xL mInI
VV
R
ILm a xOL
m a xOLCC
m inL PII
VV
R
n,OC门输出端并接的个数
m,负载门的输入端总数
P,负载门的总数
2) 作电平转换器改变和上拉电阻相连的电源值，可改变输出高电平的值。 &A
B
F
10V
高电平输出电压为 10V
RL
3) 作驱动器
OC门能输出较大的电压和电流，可直接作为驱动器驱动发光二极管、脉冲变压器等。
OC门的缺点,工作速度慢。
原因,推拉式输出结构被破坏，使输出端负载电容的充电要经过 RL。
2,三态输出门 (TSL门 )
三态门 (TSL门 )的输出有三个状态,即,0,1和 高阻,在使用中,由控制端 (称使能控制端 )来控制电路的输出状态。
R4R
1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D
A
B
T1
T2
T4
T5
D3
1 1
PEN
A
B
EN
F
EN
&
1) 当 EN=1时,P=1,二极管截止,电路等效为普通与非门。
2) 当 EN=0时,P=0,T4
和 T5均截止,输出高阻态。
三态门的基本用途为实现用一根导线轮流传输几个不同的数据或控制信号,通常将接受多个门的输出信号的线称为 总线 。
A1
EN1
F
EN
1 A2
EN2
F
EN
1 A3
EN3
F
EN
1
总线单向总线结构
D1
EN EN
EN
1
1
总线
D2
双向总线结构注意：
在总线结构中，任一时刻仅允许一个门工作。
2.4 ECL门电路 (Emitter Coupled Logic)
ECL门电路是一种新型高速逻辑电路,内部采用高速 电流开关型 电路,内部放大器工作在 放大区 或 截止区,从根本上克服了因 饱和 而产生的存储电荷对速度的影响。
ECL门电路是目前各类集成电路中速度最快的电路,
2.4.1 ECL门电路的工作原理
1,ECL门的核心电路
-VEE(-5V)
Re
500Ω
Rc2
135Ω
Rc1
120Ω
Vi VR
-1.2V
VO1 VO2
T1 T2ECL门的核心电路是 电流开关电路,电流开关电路 实际上是一个 差分放大器。
设,VR=－ 1.2V;ViL=－ 1.6V;
ViH=－ 0.8V;α=0.95
-VEE(-5V)
Re
500Ω
Rc2
135Ω
Rc1
120Ω
Vi VR
-1.2V
VO1 VO2
T1 T2
-1.6V
-0.8V
-0.8V
0V
-0.8V
0V
1) 当 Vi=ViL时,
由于,VR=－ 1.2V
所以 T2导通,T1截止,
Ve=VR－ 0.7=－ 1.9V
流过 Re的电流为
Ie= [－ 1.9 － (－ 5)]/0.5=6.2mA
该电流全部流过 T2管的集电极,VO2为
VO2=－ αIeRC2≈ － 0.8V
显然,T2工作在放大区,由于 T1截止,所以
VO1=0V
2) 当 Vi=ViH时,
由于 VR=－ 1.2V,所以 T1
导通,T2截止,
Ve= － 0.8－ 0.7=－ 1.5V -V
EE(-5V)
Re
500Ω
Rc2
135Ω
Rc1
120Ω
Vi VR
-1.2V
VO1 VO2
T1 T2
-1.6V
-0.8V
-0.8V
0V
-
0.8V
0V
-VEE(-5V)
Re
500Ω
Rc2
135Ω
Rc1
120Ω
Vi VR
-1.2V
VO1 VO2
T1 T2
-1.6V
-0.8V
-0.8V
0V
-
0.8V
0V流过 R
e的电流为
Ie= [－ 1.9 － (－ 5)]/0.5=7mA
该电流全部流过 T1管的集电极,VO1为 VO1=－ αIeRC1≈ － 0.8V
显然,T1工作在放大区,由于 T2截止,所以
VO2=0V
2.实用的 ECL门电路
-VEE
Re
Rc2Rc1
B T1 T2 T3
T4
A
R3
R1
R2
VR T5
R1.2R1.1
T’1 F
2F1
≥1
F1
F2A
B
F1=A+B
F2=A+B
1) 电路由电流开关、基准电压、射极跟随器组成；
2) T4,T5两管（构成射极跟随器）使输入电压和输出电压一致，同时使输出负载能力提高；
3) 互补输出，同时实现 或 和 或非 功能。
2.4.2 ECL门电路的主要特点
1,速度快
1) 开关管导通时工作在非饱和状态,消除了存储电荷效应 ;
2) 逻辑摆幅小,缩短了寄生电容的充放电时间。
2.带负载能力强输入阻抗高输出阻抗低。
3.逻辑功能强互补输出。
4.功耗大功耗包括电流开关、射极跟随器、参考电源。
5,抗干扰能力差
2.5 MOS门电路
MOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、
体积小、成品率高等优点。
特别适用于中、大规模集成电路的制造，是目前集成电路中的主打产品。
2.5.1 NMOS门电路
1,NMOS反相器
1)T2管为负载管,始终导通,导通阻抗为 T1管导通阻抗的 10~100倍。
2)T1管为驱动管,A为 1时导通,输出低电平,A为 0时截止,输出高电平。
VDD
T2
T1
F=A
A
2,其它逻辑功能的 NMOS门电路
NMOS非门的等效电路为,
A
F
VDD
R
1) 与非门
A
F
VDD
R
B
VDD
T3
T1
F=AB
A
T2B
特点,驱动管串联
2) 或非门 VDD
T3
T1
F=AB
A
T2
BA
F
VDD
R
B
特点,驱动管并联。
2) 与或非门
A
F
VDD
R
C
B D
*在 MNOS门电路中,驱动管串联的个数不能太多,否则将影响输出逻辑的低电平值。
2.5.2 CMOS门电路 (Complementary Symmetry MOS)
1,CMOS反相器和 NMOS反相器一样,CMOS反相器是 CMOS逻辑电路中最基本的单元电路。
图中驱动管 T1为 NMOS管,负载管 T2
为 PMOS管,为保证电路正常工作,电源电压 VDD大于两管的开启电压的绝对值之和。
VDD
T2
T1
F=A
A
S
S
G
G
D
D
1) 当 A=0时,T1管截止,T2管导通,F=1;
2) 当 A=1(VDD)时,T1管导通,T2管截止,F=0。
工作原理,
2.其它逻辑功能的 CMOS门电路
1) CMOS与非门
VDD
T3
T2
F=AB
A
T4
T1B
2)CMOS或非门
VDD
T4
T3
F=A+B
A
T2T1
B
3) CMOS三态非门
VDD
T2
T1
F
A
T’1
T’2
EN 1
EN=0 F=A;
EN=1 F对外呈高阻。
CMOS三态门可方便地用于构成总线结构。
4) CMOS传输门 (TG门 )
TG
C
C
Vi VoVDDVi Vo
C
C
T1
T2
工作原理：设两管开启电压的绝对值为 2V,VDD=5V.输入信号在 0~5V内连续变化。
(1) C=0V,C=5V时，传输门 截止,(T1和 T2均截止）
(2) C=5V,C=0V时，传输门 导通,(T1和 T2总有一只导通）
关于 CMOS传输门：
(1)由于 MOS为对称的,源极和漏极可以互换,输入和输出端也可互换,即 CMOS传输门为双向的。
(2) 传输门和非门结合,可组成模拟开关。
Vi Vo
C
SWTGVi V
o
C 1
3,CMOS集成电路的主要特点和注意事项特点,1) 功耗低
2) 工作电源电压范围宽
3) 抗干扰能力强
4) 带负载能力强
5) 输出幅度大使用注意事项,
1) 多余的输入端不能悬空
2) 注意输入电路的过流保护
3) 电源电压极性不能反接,防止输出短路。
2.6 TTL与 CMOS电路的接口
1,由 TTL到 CMOS的接口电路驱动门为 TTL电路,负载门为 CMOS电路,主要考虑的是 电平匹配,连接方法有多种：
① 若 CMOS门的电源为 5V（和 TTL门相同）
11
TTL CMOS
5V
R
② 若 CMOS门的电源不为 5V（和 TTL门不同）,则 TTL
电路可采用 OC门。
11
TTL CMOS
5V
R
VDD
③ 采用专用集成电路。
2,由 CMOS 到 TTL的接口电路由 CMOS到 TTL的接口电路,除考虑电压匹配外,还得考虑驱动电流 (CMOS电路允许的 最大灌电流 为 0.4mA,
而 TTL门的 输入短路电流 大于 1mA),常用方法有,
① 采用 CMOS缓冲转换器
11
TTLCMOS
VDD(3~18V)
1
VCC(5V)
缓冲 /转换器
② 将同一封装内的 CMOS电路并接使用,以增大输出灌电流。
③ 采用射极跟随器,增大输出灌电流。
集成电路分类：
小规模集成电路 (SSI):
1~10门 /片 或 1~100个元件 /片；
1,按规模分类中规模集成电路 (MSI),
10~100门 /片 或 100~1000个元件 /片；
大规模集成电路 (LSI),
100~10000门 /片 或 1000~100000个元件 /片；
超大规模集成电路 (VLSI),
10000门 /片以上或 100000个元件 /片以上,
MOS型
(单极型 )
NMOS
(N-Channel Metal-Oxide-Semiconductor)
CMOS
(Complement Metal-Oxide-Semiconductor)
2,按器件类型分类双极型
DTL (Diode Transistor logic)
TTL (Transistor— Transistor Logic)
ECL (Emitter Coupled Logic)
2.1 晶体管的开关特性在数字电路中,常将半导体二极管,三极管和场效应管作 为开关元件使用。
理想开关,接通时阻抗为 零 ;断开时阻抗为 无穷大 ;
两状态之间的转换时间为 零 。
实际半导体开关,导通时具有一定的 内阻 ;截止时有一定的 反向电流 ;两状态之间的转换需要 时间 。
2.1.1 半导体二极管的开关特性下面以硅二极管为例 D
(1) 导通条件及导通时的特点
ID(mA)
VD
VO
0.5
0
硅二极管伏安特性
D
+
-
Vi >0.7 R 电路图
+
-
Vi >0.7 R
VD
近似等效电路
+
-
Vi >0.7 R
K
简化等效电路
(2) 截止条件及截止时的特点
D
+
-
Vi<0.5 R 电路图
+
-
Vi <0.5 R
K
简化等效电路
(3) 开关时间
① 开启时间,由反向截止转换为正向导通所需要的时间,
二极管的开启时间很小,可忽略不计。
② 关断时间,由正向导通转换为反向截止所需要的时间。
二极管的关断时间大约 几纳秒 。
RCIC
Rb
IB
Vi
Vo
Vcc
三极管开关电路
(1) 饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件,
IB≥IBS= ICSβ ≈ VCCβR
C
饱和导通时的特点,
VBE≈0.7V VCE=VCES=0.1~0.3V
发射极和集电极之间如同闭合的开关
2.1.2 半导体三极管的开关特性
(2) 截止条件及截止时的特点截止条件,VBE<0.5V (硅三极管发射结导通电压 )
截止时的特点,发射结和集电结均为反向偏置,IB≈IC≈0,
发射极和集电极之间如同断开的开关。
+
_
+
_0.7V 0.1~0.3V
b c
e
饱和时
e
c
b
截止时三极管开关的近似直流等效电路
(3) 开关时间开启时间 ton,三极管由截止到饱和所需要的时间,
纳秒 (ns)级。
关断时间 toff,三极管饱和由到截止所需要的时间,
纳秒 (ns)级,toff > ton 。
toff的大小与工作时三极管饱和导通的深度有关,饱和程度越深,toff 越长,反之则越短。
2.1.3 MOS管的开关特性
G
S
D
RD
VCC
MOS管的三个工作区：
截止区；非饱和区；饱和区。
MOS管作开关使用时，通常工作在 截止 区和 非饱和 区。
数字集成电路中常用的 MOS管为 P沟道增强型和 N沟道增强型。
NMOS
管开关电路
(1) 导通条件及导通时的特点 (以 NMOS管为例 )
导通条件,VGS > VTN (VTN为 NMOS管的开启电压 )
导通时的特点,在开关电路中,MOS管导通时一般工作在非饱和区,这时要求 VGS > VTN +VDS,导通电阻 RDS为 几百 欧姆。
(2) 截止条件及截止时的特点截止条件,VGS <VTN
截止时的特点,漏 — 源之间没有形成导电沟道,呈高阻状态,阻值一般为 109~1010Ω,MOS管截止。
NMOS管开关近似直流等效电路
VDD
RD
RDS
D
G
S
(几百 Ω)
导通状态
VDD
RD
D
G
S
截止状态(3) 开关时间
MOS管本身的开关时间很小,组成开关电路时,由于管子间的 寄生电容 和 布线电容 的存在,加上 MOS管的输入、
输出阻抗较大,使输入、输出电路的 充放电时间常数 增加,
影响了开关时间。
2.2 分立元件门电路
2.2.1 二极管门电路
1,二极管与门
&A
B
C
F
逻辑符号
DA
DB
DC
RO
VCC(5V)
A
B
C
F
原理图假设,二极管为理想开关；
输入信号 VIL=0V,VIH=3V.
综上所述,电路为二极管 与门
DA
DB
DC
RO
VCC(5V)
A
B
C
F
分两种情况分析：
1) A,B,C三端输入均为 3V
二极管 DA,DB,DC均导通
F=3V
3V
3V
3V
3V
2) A,B,C三端输入有 0V信号输入时，如 A,B为 0V,C
端输入 3V
二极管 DA,DB导通,DC截止
F=0V
0V
0V 0V
2,二极管或门
≥1A
B
C
F
逻辑符号
3V
3V 3V
0V
0V
0V 0V
DA
DB
DC
RO
VCC(-5V)
A
B
C
F
原理图假设,二极管为理想开关；
输入信号 VIL=0V,VIH=3V。
分两种情况分析：
1) A,B,C三端输入 均为 0V,二极管 DA,DB,DC均导通 F=0V
2) A,B,C三端输入有 3V信号输入时，如 A,B为 3V,
C端输入 0V,二极管 DA,DB导通,DC 截止
F=3V
2.2.2 三极管门电路
1,非门工作原理 (设三极管电流放大倍数 β=30)
① Vi=0V,则三极管基极电位 VB<0V,满足截止条件
VBE<0.5V,三极管截止,IC=0,VO=Vcc=3V,为 高电平 。
RC
R1
Vi
Vo
Vcc(3V)
三极管非门电路
1.5kΩ
R2
VBB(-5V)
10kΩ
1kΩ
VB
而三极管饱和时所需要的最小基极电流
IBS=ICS/β=(Vcc－ VCE)/(RC· β)
=(3 － 0.3)/(1× 30)=0.09mA
② Vi=3V,三极管饱和。因为饱和时 VB=0.7V,基极电流
IB=(Vi－ VB)/R1－ (VB － VBB)/R2
=(3 － 0.7)/1.5 － (0.7 － (－ 5))/10
=0.96mA
RC
R1
Vi
Vo
Vcc(3V)
三极管非门电路
1.5kΩ
R2
VBB(-5V)
10kΩ
1kΩ
VB
结论,由于 IB>IBS所以,三 极管饱和,输出为 低电平,
VO=0.1~0.3V
TTL电路分类,
中速 TTL,高速 TTL(HTTL),肖特基 TTL(STTL),低功耗 TTL(LTTL),低功耗肖特基 TTL(LSTTL),先进低功耗肖特基 TTL(ALSTTL)等。
2.3 TTL门电路三极管 — 三极管逻辑门电路 (TTL),是指 输入端 和 输出端 都用三极管的电路,简称 TTL电路,是 双极型 数字集成电路。
2.3.1 TTL与非门 典型电路及其工作原理
(1) 电路组成电路分三个部分,输入级,中间级,输出级 。
① 输入级,R1,T1,D1,D2
T1为多发射极晶体管
A
B
b
ce
b
cA Be1 e2
R4R
1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T4
T5
输入极 中间极 输出极
D3
D1,D2 为钳位二极管，起保护 T1管的作用。
② 中间级,R2,T2,R3
分相、放大作用
③ 输出级,R4,T4,T5,D3
输出级特点：
静态功耗低，开关速度快，这种电路结构称为推拉式电路。
(2) 工作原理
R4R
1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T4
T5
输入极 中间极 输出极
D3
设输入信号高低电平分别为 ViH=3.4V; ViL=0.2V
PN结正向导通电压为 0.7V;
三极管电流放大倍数 β=20。
(一 ) 输入中有 低电平
T1管发射结导通,T1管饱和。
R4R
1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T4
T5
D30.2V
0.9V
1mA
0mA
0.3V
5V
3.6V由于 T2基极电压仅为 0.3V,
故 T2,T5均截止。
T4,D3导通，输出约为 3.6V(5-
0.7-0.7=3.6),输出 高电平 1。
(二 ) 输入均为 高电平
T1管处于 倒置 工作状态
(be结反偏,bc结正偏,);
R4R
1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T4
T5
D3
3.4V 2.1V
0.7mA
0.78mA
1.4V
1V
0.1V3.4V
(40μA)
(40μA)
2.5mA
0.7mA
0.7V
2.6mA
T2管处于 饱和 工作状态 ;
T4管处于 截止 工作状态 ;
T5管处于 饱和 工作状态 ;
F输出为,0” 。
综合上面两种情况,该电路实现 与非 功能。 F=AB
2.3.2 TTL与非门的 电压传输特性电压传输特性是指 输出电压 VO随 输入电压 VI的变化规律。
VO=f(VI)
1,特性曲线分析
V0(V)
VI(V)
3
2
1
0 0.5 1 1.5
截止区,T5管截止,
线性区,T5管截止,T4管处于放大区
(射极跟随输出 ).
转折区,T2,T5由放大进入饱和,T4进入截止,
饱和区,T5管饱和,
VOH
VOL
VTH
2,主要参数
(1)输出高电平 VOH,
低电平 VOL。
(2)阈值电压 VTH:转折区中间点对应的输入电压,约为
1.4V。
(3) 输入端噪声容限 VNH,VNL
1输出
0输出
1输入
1输入
VOHmin
VIHmin
VNH
VILman
VOLman
VNL
VO VI
1 1
VO VI
2.3.3 TTL与非门的静态输入与输出特性
1,输入特性
1)输入伏安特性 ( II=f(Vi) )
定义：电流 流入 T1的发射极方向为 正 方向。
0.5 1.0 1.5 V
I(V)
II(mA)
-0.5
-1.0
-1.5
高电平输入低电平输入
0
40μA
2)反映出的主要参数
(1) IIL (输入低电平电流 )
mA1R VVVI
1
IL1BECC
IL
(2) IIH (输入高电平电流 )
IIH约在 40μA以下。 (作为前级门的拉电流负载,)
(作为前级门的拉电流负载,)
2.输入端负载特性在门输入端和地之间接电阻 Ri,当电阻从 0Ω逐步增加时，由于电阻内部有电流流过,会使电阻两端电压 Vi逐步增加。
R1
4kΩ
Vi
T1
Ri
VCC
当 T1管饱和导通时,
)VV(RR RV 1BECC
i1
i
i
Roff≈0.9kΩ,Ron≈3kΩ。
Vi(V)
Ri(kΩ)
1
2
0
1 2
当 Ri小于 R0ff时,输入为低电平 ;当 Ri高于 Ron时,输入为高电平。
3.输出特性
1
拉电流拉电流负载
0
灌电流灌电流
Vo(V)
1.0
2.0
3.0
0 5 10 15-5-10-15 I0(mA)
拉电流情况灌电流 情况& &
1
A
B
驱动门 负载门
Vo
1) 灌电流工作情况驱动门 输出为低电平（ T5管饱和,T4管截止）,负载门 电流流入驱动门，流入 驱动门 的电流值 IL取决于和 驱动门 相连接的 负载门 个数,即 IL=NIIL(IIL为 负载门 低电平输入电流,约为 1mA左右 ) Vo(V)
1.0
2.0
3.0
0 5 10 15-5-10-15 I0(mA)
拉电流情况灌电流 情况由曲线可见,对所分析的电路,
当灌电流不超过 16mA时,VO不超过 VOLmax=0.4V。称带灌电流负载能力 IOLmax=16mA
一个门在低电平时能驱动同类门的最大个数为,
NOL=IOLmax/IIS=16/1.1≈14 (这里的 IIS为输入短路电流 )
2) 拉电流工作情况驱动门 输出为高电平
（ T5管截止）,负载门 输入电流由驱动门提供,流出 驱动门 的电流值 IH取决于和 驱动门 相连接的负载门 的 管脚 的个数,即
Vo(V)
1.0
2.0
3.0
0 5 10 15-5-10-15 I0(mA)
拉电流情况灌电流 情况从曲线上看，当 IO大于 5mA时,VO才开始出现下降趋势，
但决定 IOHmax值的并不是 VOHmax,而是器件的功耗。在上面讨论的电路中,IOHmax约为 400mA。
NOH=IOHmax/IIH=400/40=10
IH=NIIH (IIH为 负载门 高电平输入电流,约为 40μA左右 )
取 min(NOL,NOH)=N 定义为 扇出系数则 min(14,10)=10
2.3.4 TTL与非门的动态特性
1,传输延迟时间 tpd
传输延迟时间指门电路的输出信号相对于输入信号的延迟时间。
定义,tpd= 12 (tPHL+tPLH)
0
50%
50%
VI
VO
0
tPHL
tPLH
延迟时间导通 截止一般 tPLH>tPHL
2,电源的动态尖峰电流
TTL门电路的功耗等于电源电压 VCC和电源电流 ICC的乘积,由于 VCC=5V为定值,所以 ICC的大小就能反映功耗的大小,对于上述电路,稳态时,输出为高电平时的电流
ICCH≈1.1mA,输出为低电平时的电流 ICCL≈3.4mA。
在动态情况下,特别是当输出电平由 低 突然变为 高 的过渡过程中,在某个 瞬间,会使门电路中的所有管子均导通,使电源电流出现 尖峰脉冲,尖峰电流 有时可达 40mA。
电源的动态尖峰电流引起的后果,
1) 使电源的平均电流加大,而且,工作频率越高,平均电流增加越多 ;
2)电源的动态尖峰电流通过电源和地线的内阻,形成系统内部的噪声源。
2.3.5 改进型 TTL门电路主要改进 1）传输延迟时间； 2）功耗； 3）转换特性。
TTL集成电路系列型号及性能表系 列标准系列低功耗肖特基系列肖特基系列先进低功耗肖特基系列高速系列先进肖特基系列快速系列低功耗系列型号举例
7400
74LS00
74S00
74ALS00
74F00
74AS00
74H00
74l00
功耗 /门
P(mW)
10
2
19
1
4
10
22
1
传输时延
tpd(ns)
10
10
3
4
3
1.5
6
35
时延功耗积
P tpd(PJ)
100
20
57
4
12
15
132
35
电源电压 VCC=5V 逻辑摆幅 3.5V
2.3.6 其它类型的 TTL门电路除与非门外,TTL电路产品中还有各种功能的门,如或非门、异或门等。
这里介绍两种具有不同输入输出结构的 TTL门,较为 重要 。
1.集电极开路门 (OC门 )
(以与非门为例说明 )
R1
D1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ
R3
1kΩ
D2
A
B
T1 T2
T5
输入极 中间极 输出极
&
A
B
F
逻辑符号
OC门的特点,
1) 实现线与功能
&
&
VCC
R
A
B
C
D
F=AB CD
=AB+CD
说明,
① 普通的 TTL电路不能将输出端连在一起,输出端连在一起,
可能使电路形成低阻通道,使电路因电流过大而 烧毁 ;
② 由于 OC门的集电极是开路的,
要实现正常的逻辑功能,需外加上拉电阻 。
上拉电阻上拉电阻 R的选取：
IHOH
m inOHCC
m a xL mInI
VV
R
ILm a xOL
m a xOLCC
m inL PII
VV
R
n,OC门输出端并接的个数
m,负载门的输入端总数
P,负载门的总数
2) 作电平转换器改变和上拉电阻相连的电源值，可改变输出高电平的值。 &A
B
F
10V
高电平输出电压为 10V
RL
3) 作驱动器
OC门能输出较大的电压和电流，可直接作为驱动器驱动发光二极管、脉冲变压器等。
OC门的缺点,工作速度慢。
原因,推拉式输出结构被破坏，使输出端负载电容的充电要经过 RL。
2,三态输出门 (TSL门 )
三态门 (TSL门 )的输出有三个状态,即,0,1和 高阻,在使用中,由控制端 (称使能控制端 )来控制电路的输出状态。
R4R
1
F
Vcc(5V)
1.6kΩ
R2
4kΩ 130Ω
R3
1kΩ
D
A
B
T1
T2
T4
T5
D3
1 1
PEN
A
B
EN
F
EN
&
1) 当 EN=1时,P=1,二极管截止,电路等效为普通与非门。
2) 当 EN=0时,P=0,T4
和 T5均截止,输出高阻态。
三态门的基本用途为实现用一根导线轮流传输几个不同的数据或控制信号,通常将接受多个门的输出信号的线称为 总线 。
A1
EN1
F
EN
1 A2
EN2
F
EN
1 A3
EN3
F
EN
1
总线单向总线结构
D1
EN EN
EN
1
1
总线
D2
双向总线结构注意：
在总线结构中，任一时刻仅允许一个门工作。
2.4 ECL门电路 (Emitter Coupled Logic)
ECL门电路是一种新型高速逻辑电路,内部采用高速 电流开关型 电路,内部放大器工作在 放大区 或 截止区,从根本上克服了因 饱和 而产生的存储电荷对速度的影响。
ECL门电路是目前各类集成电路中速度最快的电路,
2.4.1 ECL门电路的工作原理
1,ECL门的核心电路
-VEE(-5V)
Re
500Ω
Rc2
135Ω
Rc1
120Ω
Vi VR
-1.2V
VO1 VO2
T1 T2ECL门的核心电路是 电流开关电路,电流开关电路 实际上是一个 差分放大器。
设,VR=－ 1.2V;ViL=－ 1.6V;
ViH=－ 0.8V;α=0.95
-VEE(-5V)
Re
500Ω
Rc2
135Ω
Rc1
120Ω
Vi VR
-1.2V
VO1 VO2
T1 T2
-1.6V
-0.8V
-0.8V
0V
-0.8V
0V
1) 当 Vi=ViL时,
由于,VR=－ 1.2V
所以 T2导通,T1截止,
Ve=VR－ 0.7=－ 1.9V
流过 Re的电流为
Ie= [－ 1.9 － (－ 5)]/0.5=6.2mA
该电流全部流过 T2管的集电极,VO2为
VO2=－ αIeRC2≈ － 0.8V
显然,T2工作在放大区,由于 T1截止,所以
VO1=0V
2) 当 Vi=ViH时,
由于 VR=－ 1.2V,所以 T1
导通,T2截止,
Ve= － 0.8－ 0.7=－ 1.5V -V
EE(-5V)
Re
500Ω
Rc2
135Ω
Rc1
120Ω
Vi VR
-1.2V
VO1 VO2
T1 T2
-1.6V
-0.8V
-0.8V
0V
-
0.8V
0V
-VEE(-5V)
Re
500Ω
Rc2
135Ω
Rc1
120Ω
Vi VR
-1.2V
VO1 VO2
T1 T2
-1.6V
-0.8V
-0.8V
0V
-
0.8V
0V流过 R
e的电流为
Ie= [－ 1.9 － (－ 5)]/0.5=7mA
该电流全部流过 T1管的集电极,VO1为 VO1=－ αIeRC1≈ － 0.8V
显然,T1工作在放大区,由于 T2截止,所以
VO2=0V
2.实用的 ECL门电路
-VEE
Re
Rc2Rc1
B T1 T2 T3
T4
A
R3
R1
R2
VR T5
R1.2R1.1
T’1 F
2F1
≥1
F1
F2A
B
F1=A+B
F2=A+B
1) 电路由电流开关、基准电压、射极跟随器组成；
2) T4,T5两管（构成射极跟随器）使输入电压和输出电压一致，同时使输出负载能力提高；
3) 互补输出，同时实现 或 和 或非 功能。
2.4.2 ECL门电路的主要特点
1,速度快
1) 开关管导通时工作在非饱和状态,消除了存储电荷效应 ;
2) 逻辑摆幅小,缩短了寄生电容的充放电时间。
2.带负载能力强输入阻抗高输出阻抗低。
3.逻辑功能强互补输出。
4.功耗大功耗包括电流开关、射极跟随器、参考电源。
5,抗干扰能力差
2.5 MOS门电路
MOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、
体积小、成品率高等优点。
特别适用于中、大规模集成电路的制造，是目前集成电路中的主打产品。
2.5.1 NMOS门电路
1,NMOS反相器
1)T2管为负载管,始终导通,导通阻抗为 T1管导通阻抗的 10~100倍。
2)T1管为驱动管,A为 1时导通,输出低电平,A为 0时截止,输出高电平。
VDD
T2
T1
F=A
A
2,其它逻辑功能的 NMOS门电路
NMOS非门的等效电路为,
A
F
VDD
R
1) 与非门
A
F
VDD
R
B
VDD
T3
T1
F=AB
A
T2B
特点,驱动管串联
2) 或非门 VDD
T3
T1
F=AB
A
T2
BA
F
VDD
R
B
特点,驱动管并联。
2) 与或非门
A
F
VDD
R
C
B D
*在 MNOS门电路中,驱动管串联的个数不能太多,否则将影响输出逻辑的低电平值。
2.5.2 CMOS门电路 (Complementary Symmetry MOS)
1,CMOS反相器和 NMOS反相器一样,CMOS反相器是 CMOS逻辑电路中最基本的单元电路。
图中驱动管 T1为 NMOS管,负载管 T2
为 PMOS管,为保证电路正常工作,电源电压 VDD大于两管的开启电压的绝对值之和。
VDD
T2
T1
F=A
A
S
S
G
G
D
D
1) 当 A=0时,T1管截止,T2管导通,F=1;
2) 当 A=1(VDD)时,T1管导通,T2管截止,F=0。
工作原理,
2.其它逻辑功能的 CMOS门电路
1) CMOS与非门
VDD
T3
T2
F=AB
A
T4
T1B
2)CMOS或非门
VDD
T4
T3
F=A+B
A
T2T1
B
3) CMOS三态非门
VDD
T2
T1
F
A
T’1
T’2
EN 1
EN=0 F=A;
EN=1 F对外呈高阻。
CMOS三态门可方便地用于构成总线结构。
4) CMOS传输门 (TG门 )
TG
C
C
Vi VoVDDVi Vo
C
C
T1
T2
工作原理：设两管开启电压的绝对值为 2V,VDD=5V.输入信号在 0~5V内连续变化。
(1) C=0V,C=5V时，传输门 截止,(T1和 T2均截止）
(2) C=5V,C=0V时，传输门 导通,(T1和 T2总有一只导通）
关于 CMOS传输门：
(1)由于 MOS为对称的,源极和漏极可以互换,输入和输出端也可互换,即 CMOS传输门为双向的。
(2) 传输门和非门结合,可组成模拟开关。
Vi Vo
C
SWTGVi V
o
C 1
3,CMOS集成电路的主要特点和注意事项特点,1) 功耗低
2) 工作电源电压范围宽
3) 抗干扰能力强
4) 带负载能力强
5) 输出幅度大使用注意事项,
1) 多余的输入端不能悬空
2) 注意输入电路的过流保护
3) 电源电压极性不能反接,防止输出短路。
2.6 TTL与 CMOS电路的接口
1,由 TTL到 CMOS的接口电路驱动门为 TTL电路,负载门为 CMOS电路,主要考虑的是 电平匹配,连接方法有多种：
① 若 CMOS门的电源为 5V（和 TTL门相同）
11
TTL CMOS
5V
R
② 若 CMOS门的电源不为 5V（和 TTL门不同）,则 TTL
电路可采用 OC门。
11
TTL CMOS
5V
R
VDD
③ 采用专用集成电路。
2,由 CMOS 到 TTL的接口电路由 CMOS到 TTL的接口电路,除考虑电压匹配外,还得考虑驱动电流 (CMOS电路允许的 最大灌电流 为 0.4mA,
而 TTL门的 输入短路电流 大于 1mA),常用方法有,
① 采用 CMOS缓冲转换器
11
TTLCMOS
VDD(3~18V)
1
VCC(5V)
缓冲 /转换器
② 将同一封装内的 CMOS电路并接使用,以增大输出灌电流。
③ 采用射极跟随器,增大输出灌电流。
