逻辑门电路2015.pptx

第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路集成逻辑门电路，是把门电路的所有元器集成逻辑门电路，是把门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上件及连接导线制作在同一块半导体基片上构成的。构成的。它属于小规模集成电路它属于小规模集成电路(SSI)，它是组成一，它是组成一个较大数字系统的基本单元。个较大数字系统的基本单元。第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路小规模小规模(Small Scale Integrated Circuit,SSI)是由十几个门电路构成的。是由十几个门电路构成的。中规模中规模(Medium Scale Integrated Circuit,MSI)是由上百个门电路构成的。是由上百个门电路构成的。大规模大规模(Large Scale Integrated Circuit,LSI)是由几百个至几千个门电路构成的。是由几百个至几千个门电路构成的。超大规模超大规模(Very Large Scale Integrated Circuit,VLSI)是由一万个以上门电路构成是由一万个以上门电路构成的。的。第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路目前，广泛使用的逻辑门有目前，广泛使用的逻辑门有TTL(Transistor-Transistor Logic)和和CMOS两个两个系列。系列。TTL门电路属双极型数字集成电路，其输入门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是三极管结构，故称级和输出级都是三极管结构，故称TTL。CMOS门电路是由门电路是由NMOS管和管和PMOS管组成管组成的互补的互补MOS集成电路，属单极性数字集成集成电路，属单极性数字集成电路。电路。第第2章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路我国我国TTL系列数字集成电路型号与国际型系列数字集成电路型号与国际型号对应列入表号对应列入表2-1中中 标准标准(通用系列通用系列)高速系列高速系列肖特基系列肖特基系列低功耗肖特基系列低功耗肖特基系列 54/7454/74H54/74S54/74LSCT1000CT2000CT3000CT4000TTL系列系列分类名称分类名称国际型号国际型号国产型号国产型号系列系列获得高低电平的基本原理获得高低电平的基本原理电子电路中用高、低电平分别表示二电子电路中用高、低电平分别表示二值逻辑的值逻辑的1和和0两种逻辑状态。两种逻辑状态。二极管的开关特性二极管的开关特性二极管导通条件：二极管导通条件：正向电压正向电压VF0.7V(0.2V)。二极管截止条件：二极管截止条件：VF0.5V(锗管锗管0.1V)。二极管反向恢复时间二极管反向恢复时间treVF-VRt1vI0t(b)输入电压波形输入电压波形二极管的开关特性二极管的开关特性二极管反向恢复时间二极管反向恢复时间tre产生反向恢复时间产生反向恢复时间tre的原的原因因反向恢复时间反向恢复时间tre为为纳秒数量级，纳秒数量级，tre值愈值愈小，开关速度愈快，小，开关速度愈快，允许信号频率愈高。允许信号频率愈高。三极管的开关特性三极管的开关特性截止、饱和的条件截止、饱和的条件截止：截止：VBE 0V(0.5V)饱和：饱和：IBIBS临界饱和：临界饱和：VCE=VBE此时：此时：一般一般VCES=0.10.3V三极管的开关特性三极管的开关特性三极管的开关时间三极管的开关时间0.9ICS0.1ICS延迟时间延迟时间td上升时间上升时间tr开启时间开启时间ton=td+tr存储时间存储时间ts下降时间下降时间tf关闭时间关闭时间toff=ts+tf一般地一般地toffton，ts tf并且开关时间为纳秒数量极并且开关时间为纳秒数量极2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。VA=VB=3V。由由 于于 R接接 到到电电源源+12V上上，故故DA、DB均导通均导通VF=3+0.7V=3.7V3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。VA=3V，VB=0V由于由于DB导通，导通，VF=0.7V，因而因而DA截止截止通常将通常将DB导通，使导通，使VF=0+0.7V=0.7V0V称称为箝位。为箝位。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。VA=0V，VB=3V由于由于DA导通导通VF=0+0.7V=0.7V0V，DB截止。截止。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。VA=VB=0VVF=0.7V，此时，此时DA、DB均导通。均导通。VF=0+0.7V=0.7V0V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。结论：结论：(1)VA=VB=0V，VF0V(2)VA=0V,VB=3V，VF0V(3)VA=3V,VB=0V，VF0V(4)VA=VB=3V VF3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。0003 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输入输入 VF(V)VF(V)电位关系电位关系2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。A B0 00 11 01 1F0001真值表真值表2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。VA=VB=3V，由由于于R接接到到电电源源-VEE（-12V）上上，故故DA、DB均均导导通通。VF因因此为此为VA-VD=2.3V 3V。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。VA=0V，VB=3V，此，此时时DB导通，将导通，将VF钳位在钳位在2.3V，DA加反向电压截止。加反向电压截止。因此因此VF=VB-VD=2.3V3V。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。VA=3V，VB=0V，此，此时时DA导通，导通，DB截止，截止，VF=VA-VD=2.3V 3V。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。VA=VB=0V，DA、DB均导通，均导通，VF=0-VD=-0.7V 0V。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。结论结论(1)VA=VB=0V:VF0V(2)VA=0V,VB=3V:VF3V(3)VA=3V,VB=0V:VF3V(4)VA=VB=3V:VF3V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。0333 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输输 入入 VA(V)VB(V)电位关系电位关系2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。A B0 00 11 01 1F0111真值表真值表2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门数字电路中，二极数字电路中，二极管，三极管均工作在管，三极管均工作在开关状态。三极管工开关状态。三极管工作在饱和状态和截止作在饱和状态和截止状态。状态。12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门饱和时，其集电极输出饱和时，其集电极输出为低电平（为低电平（VO=Vces）；）；截止时，其集电极输出截止时，其集电极输出高电平（无箝位时，高电平（无箝位时，VO=VCC，有箝位电路时，有箝位电路时，VO高电平将使高电平将使DQ导通，导通，由于由于VQ=2.5V，故，故VO=2.5V+0.7V=3.2V）。）。-12V12V2.5V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门VI=0.3V时时，一一般般硅硅管管死死区区电电压压为为0.5V，故故T可可能截止，只考虑到能截止，只考虑到VEE时时只考虑到只考虑到VI时时-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门总总的的VB=-0.646V，T截截止止，VO为为高高电电平平。由由于于此此时时钳钳位位二二极极管管DQ导导通通，故故VO=VQ+VDQ=3.2V 3V。-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门或：或：-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门当当VI=3.2V时，时，输入高电平，输入高电平，T应应饱和，即饱和，即-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门在本例中在本例中-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门实际上实际上-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门IBIBS，三极管饱和。，三极管饱和。输出为低电平输出为低电平VO=Vces=0.3V0V采用正逻辑，可列采用正逻辑，可列出非门的真值表。出非门的真值表。-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器)实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门3003VF(V)VI(V)电位关系电位关系1001FA真值表真值表-12V12V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路4.与非门电路与非门电路2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路5.或非门电路或非门电路2.2 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路 TTL与与非非门门的的工工作原理作原理 TTL与与非非门门的的典典型电路型电路TTL与非门的典型与非门的典型电路如图电路如图2-6所示，所示，它分成输入级、中它分成输入级、中间级和输出级三个间级和输出级三个部分。部分。输入级输入级中间级中间级输出级输出级 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输入级输入级由多发射极由多发射极晶体管晶体管T1和电阻和电阻R1组成，通过组成，通过T1的各的各个发射极实现与逻个发射极实现与逻辑功能。辑功能。多发射极晶体管多发射极晶体管 T1 的等效电路的等效电路 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路中中间间级级由由T2、R2、R3组成。组成。其其主主要要作作用用是是从从T2管管的的集集电电极极c2和和发发射射极极e2同同时时输输出出两两个个相相位位相相反反的的信信号号，分分别别驱驱动动T3和和T5管管，来来保保证证T4和和T5管管有有一一个个导导通通时时，另另一一个就截止。个就截止。TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输出级输出级由由R4、R5、T3、T4、T5组成，组成，T5是反相是反相器，器，T3、T4组成复合管组成复合管构成一个射随器，作为构成一个射随器，作为T5管的有源负载，并与管的有源负载，并与T5组成推拉式电路，使组成推拉式电路，使输出无论是高电平或是输出无论是高电平或是低电平，输出电阻都很低电平，输出电阻都很小，提高了带负载能力。小，提高了带负载能力。工作原理工作原理则则VB1=VIL+VBE1 =0.3+0.7=1VVB2=VC1=VCES1+VIL =0.1+0.3=0.4V0.3V3.6V3.6VDA导通导通！设设A=0 B=1 C=1(VIL=0.3V)，1V0.4V所以：所以：T2、T5 截止截止T3 、T4 导通导通VF =5UBE3UBE4 50.70.7=3.6V拉电流拉电流F=1工作原理工作原理设设A=B=C=1，即即VA=VB=VC=VIH=3.6V，3.6V3.6V3.6V2.1VT1管的基极电位升管的基极电位升高，使高，使T1管的集电结、管的集电结、T2和和T5的发射结正向的发射结正向偏置而导通，偏置而导通，T1管的管的基极电位基极电位VB1被箝位被箝位在在2.1V。1.4V故故T1管处于倒置工管处于倒置工作状态：发射结和作状态：发射结和集电结反向运用状集电结反向运用状态，发射结反向偏态，发射结反向偏置、集电结正向偏置、集电结正向偏置。置。T3 导通导通，T4 截止截止 VF=0.3V ，F=0VF=0.3V灌电流灌电流结论：结论：电路只要输入有一个为低电平时，输出就电路只要输入有一个为低电平时，输出就为高电平；只有输入全为高电平时，输出为高电平；只有输入全为高电平时，输出才为低电平。该门为与非门。即才为低电平。该门为与非门。即1.输入不全为输入不全为1时，输出为时，输出为12.输入全为输入全为1时，输出为时，输出为0真值表为：真值表为：111111100 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 FA B C 真值表真值表2.TTL与非门的电压传输特性及与非门的电压传输特性及 抗干扰能力抗干扰能力电压传输特性电压传输特性电压传输特性是描述输出电压电压传输特性是描述输出电压vO与输入与输入电压电压vI之间对应关系的曲线，如图之间对应关系的曲线，如图2-7所所示。示。TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性AB段（截止区）：段（截止区）：vI0.6V，输出电压，输出电压vO不随输入电压不随输入电压vI变化，变化，保持在高电平保持在高电平VH。VC10.7V，T2和和T5管截管截止，止，T3、T4管导通，输管导通，输出高电平，出高电平，VOH=3.6V。由于由于T2和和T5管截止，故管截止，故称截止区。称截止区。TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性BC段段(线性区线性区)：0.6VvI1.3V，0.7VVC11.4V。这时这时T2管开始导通并管开始导通并处于放大状态，处于放大状态，T2管管的集电极电压的集电极电压VC2和输和输出电压出电压vO随输入电压随输入电压vI的增大而线性降低，的增大而线性降低，故该段称为线性区。故该段称为线性区。由于由于T5管的基极电位还低于管的基极电位还低于0.7V，故，故T5管仍截止。管仍截止。T3、T4管还是处于导通状态。管还是处于导通状态。TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段段(过渡区过渡区)：1.3VvI1.4V，T5管管开始导通，开始导通，T2、T3、T4管也都处于导通状态，管也都处于导通状态，T4、T5管有一小段时管有一小段时间同时导通，故有很间同时导通，故有很大电流流过大电流流过R4电阻，电阻，T2管提供管提供T5管很大的基管很大的基极电流极电流;T2、T5管趋于饱和导通，管趋于饱和导通，T4管趋于截止，输出电管趋于截止，输出电压压vO急剧下降到低电平急剧下降到低电平vO=0.3V。由于由于vI的微小变化而引起输出电压的微小变化而引起输出电压vO的急剧下降，的急剧下降，故此段称为过渡区或转折区。故此段称为过渡区或转折区。TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段段(过渡区过渡区)：CD段中点对应的输入段中点对应的输入电压，既是电压，既是T5管截止管截止和导通的分界线，又和导通的分界线，又是输出高、低电平的是输出高、低电平的分界线，故此电压称分界线，故此电压称阈值电压阈值电压VT（门槛电（门槛电压），压），VT=1.4V。VT是决定与非门状态的重要参数。当是决定与非门状态的重要参数。当vIVT时，时，与非门截止，输出高电平。与非门截止，输出高电平。当当vIVT时，与非门饱和导通，输出低电平。时，与非门饱和导通，输出低电平。VT TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性DE段（饱和区）：段（饱和区）：vI1.4V以后，以后，T1管处管处于倒置工作状态，于倒置工作状态，VB1被箝位在被箝位在2.1V，T2、T5管进入饱和导通状态，管进入饱和导通状态，T3管微导通，管微导通，T4管截管截止。止。由于由于T2、T5管饱和导管饱和导通，故称该段为饱和通，故称该段为饱和区。区。抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限输入噪声容限)关门电平关门电平VOFF：输出为：输出为标准高电平标准高电平VSH时所允时所允许的最大输入低电平值。许的最大输入低电平值。通常通常VOFF=0.8V。开门电平开门电平VON：输出为：输出为标准低电平标准低电平VSL时所允时所允许的最小输入高电平值。许的最小输入高电平值。通常通常VON=1.8V。VNL抗干扰能力（输入噪声容限）：不破坏与抗干扰能力（输入噪声容限）：不破坏与非门输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。非门输出逻辑状态所允许的最大干扰电压。VNHVOFFVON输入低电输入低电平的抗干平的抗干扰能力扰能力 输入高电平输入高电平的抗干扰能的抗干扰能力力 抗干扰能力抗干扰能力(输入噪声容限输入噪声容限)VNL=VILmax-VOLmaxVNH=VOHmin-VIHminTTL与非门的输入特性、输出与非门的输入特性、输出特性和带负载能力特性和带负载能力 了解输入输出特性，可正确处理了解输入输出特性，可正确处理TTL与非与非门之间和其它电路之间的连接问题。只要门之间和其它电路之间的连接问题。只要输入端、输出端的电路结构形式和参数与输入端、输出端的电路结构形式和参数与TTL与非门相同，输入、输出特性对其它与非门相同，输入、输出特性对其它TTL电路也适用。电路也适用。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系输入特性是描述输入电流与输入电压之间的关系曲线，如图曲线，如图2-8所示的特性曲线。规定输入电流流所示的特性曲线。规定输入电流流入输入端为正，而从输入端流出为负。入输入端为正，而从输入端流出为负。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI小于小于0.6V时时T2是截止的，是截止的，T1基极电流均经其发基极电流均经其发射极流出（因集电极的负载电阻很大，射极流出（因集电极的负载电阻很大，IC1可以忽可以忽略不计），这时电流大小可以近似计算为略不计），这时电流大小可以近似计算为iI=-(VCC-VBE1-vI)/R1。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI=0时，相当于输入端接地，故将此时的输入时，相当于输入端接地，故将此时的输入电流称为输入短路电流电流称为输入短路电流IIS，IIS=(VCC-VBE1)/R1=(5-0.7)/31.4mA。输入短路电流输入短路电流IIS=1.4mATTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI等于等于0.6V时时T2管开始导通，管开始导通，T2管导通以后管导通以后IB1一部分就要流入一部分就要流入T2管的基极，管的基极，iI的绝对值随之略有的绝对值随之略有减小；减小；vI继续增加，继续增加，IB2要继续增大，而要继续增大，而iI的绝对值的绝对值继续减小。继续减小。0.6VTTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当当vI增加到增加到1.3V以后，以后，T5管开始导通，管开始导通，VB1被箝位被箝位在在2.1V左右；此后，左右；此后，iI的绝对值随的绝对值随vI的增大而迅速的增大而迅速减小。减小。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 IB1绝大部分经绝大部分经T1集电结流入集电结流入T2的基极。当的基极。当vI大于大于1.4V以后，以后，T1就进入倒置工作状态，就进入倒置工作状态，iI的方向由负的方向由负变为正，就是说变为正，就是说iI由由e1端流入输入端，此时的输入端流入输入端，此时的输入电流称为输入漏电流电流称为输入漏电流IIH，其值约为，其值约为10A。IIHTTL与非门的输入特性与非门的输入特性 输入短路电流输入短路电流IIS1.4mA。输入漏（高电平）电流输入漏（高电平）电流IIH10A。IIHIISTTL与非门的输入特性与非门的输入特性 在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接在实际应用中，有时与非门的输入端需要经外接电阻电阻RI接地。如图接地。如图2-9(a)图所示。图所示。此时就有电流此时就有电流II流过流过RI，并在其上产生电压降，并在其上产生电压降vI。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 当输入端所接电阻当输入端所接电阻RI=0时，即输入端接地时，输时，即输入端接地时，输出为高电平；出为高电平；而而RI=时，输入电流没有通路，与输入端加高电时，输入电流没有通路，与输入端加高电平等效，此时输出为低电平。平等效，此时输出为低电平。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 即即RI比较小时，与非门截止，输出高电平；比较小时，与非门截止，输出高电平；RI较较大时，与非门饱和，输出为低电平；大时，与非门饱和，输出为低电平；RI不大不小不大不小时，与非门工作在线性区或转折区。时，与非门工作在线性区或转折区。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 TTL门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。门输入端所接电阻的大小会影响输出状态。vI和和RI之间的关系曲线叫做输入端负载特性。之间的关系曲线叫做输入端负载特性。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 发射结导通时发射结导通时 TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 在在RIR1条件下，条件下，vI几乎和几乎和RI成正比，成正比，vI随随RI增增加而增加。如图加而增加。如图2-9(b)所示。所示。RI，vI=1.4V，T5管导通，管导通，VB1被箝位在被箝位在2.1V。RI，vI=1.4V。则公式不再适用。则公式不再适用。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 关门电阻关门电阻ROFF：保证：保证TTL与非门关闭，输出为标与非门关闭，输出为标准高电平时，所允许的准高电平时，所允许的RI最大值。一般最大值。一般ROFF=0.8k。RIROFF时，与非门输出高电平。时，与非门输出高电平。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 开门电阻开门电阻RON：保证：保证TTL与非门导通，输出为标准与非门导通，输出为标准低电平时，所允许的低电平时，所允许的RI最小值。一般最小值。一般RON=2k。RIRON时，与非门输出低电平。时，与非门输出低电平。输入负载特性是输入负载特性是TTL与非门特有的，与非门特有的，不能用于不能用于CMOS门。门。TTL与非门的输入特性与非门的输入特性 与与非非门门多多余余端端的的处处理理：输输入入信信号号数数目目少少于于与非门输入端个数，出现多余端。与非门输入端个数，出现多余端。与非门输入端悬空相当于接高电平与非门输入端悬空相当于接高电平实实际际使使用用时时，不不采采用用悬悬空空的的方方法法，防防止止干干扰扰信信号引入号引入多余输入端多余输入端接电源的正端或固定高电平接电源的正端或固定高电平并联使用并联使用TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 TTL与与非非门门实实际际工工作作时时，输输出出端端总总要要接接负负载载，产产生生负负载载电电流流，此此电电流流也也在在影影响响输输出出电压的大小。电压的大小。输输出出电电压压与与负负载载电电流流之之间间的的关关系系曲曲线线，称称为为输输出出特特性性。输输出出电电压压有有高高电电平平、低低电电平平两种状态，所以有两种输出特性。两种状态，所以有两种输出特性。TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 与与非非门门输输入入全全为为高高电电平平时时，输输出为低电平。出为低电平。T1管倒置工作，管倒置工作，T2、T5管饱和导通，管饱和导通，T3管微导通，管微导通，T4管截止。管截止。这这时时输输出出级级等等效效电电路路如如图图2-10(a)所所示示，其其基基极极电电流流很很大大，是灌电流负载。是灌电流负载。输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为低电平时的输出特性输出为低电平时的输出特性 是三极管在基极电流为某一值时是三极管在基极电流为某一值时共射极接法的输出特性曲线如图共射极接法的输出特性曲线如图2-10(b)所示。所示。T5饱和，其导通电阻饱和，其导通电阻rce很小很小（十几欧姆），所以（十几欧姆），所以iL增加时增加时vO仅稍有增加，输出低电平仅稍有增加，输出低电平VOL。当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，T5管退管退出饱和进入放大，出饱和进入放大，vO迅速上升，迅速上升，破坏了输出为低电平的逻辑关系，破坏了输出为低电平的逻辑关系，因此对灌电流值要有限制。因此对灌电流值要有限制。IOLmaxVOLmaxTTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 当与非门输入端其中有当与非门输入端其中有一端为低电平时，输出为一端为低电平时，输出为高电平。高电平。T1管处于饱和状态，管处于饱和状态，T2、T5管截止，管截止，T3、T4管导通。管导通。这时输出级等效电路如这时输出级等效电路如图图2-11(a)所示，负载是拉所示，负载是拉电流负载。电流负载。TTL与非门的输出特性与非门的输出特性 输出为高电平时的输出特性输出为高电平时的输出特性 在在iL较小时，较小时，T3处于饱和边处于饱和边缘，缘，T4管放大，管放大，T3、T4组成组成的复合管有一定的放大作用，的复合管有一定的放大作用，输出特性曲线如图输出特性曲线如图2-11(b)所所示。示。输出电阻很小，输出电阻很小，TTL与非门与非门的输出电压的输出电压vO 随随iL变化不大，变化不大，故输出高电平故输出高电平VOH。当当iL增加到大于某值后，增加到大于某值后，R4上压降增大，上压降增大，VC3下降，使下降，使T3进入深饱和，进入深饱和，复合管跟随器处于饱和状态，复合管跟随器处于饱和状态，失去跟随作用，失去跟随作用，输出电压输出电压vO随负载电流的增随负载电流的增加而迅速下降，加而迅速下降，vOVCC-VCES3-VBE4-iLR4。为了保证为了保证vO为标准高电平。为标准高电平。对拉电流值要有限制。对拉电流值要有限制。IOHmaxVOHmin带负载能力带负载能力TTL与与非非门门的的输输出出端端接接上上负负载载后后，负负载载有有灌灌电电流流负负载载和和拉拉电电流流负负载载。图图2-12分分别别表表示示灌灌电电流流负负载载和拉电流负载。和拉电流负载。拉电流负载增加会使与非门拉电流负载增加会使与非门的输出高电平下降；的输出高电平下降；灌电流负载增加会使与非门的灌电流负载增加会使与非门的输出低电平上升。输出低电平上升。IL=NOIISIL=NOIIH带负载能力带负载能力电电路路输输出出高高、低低电电平平时时有有输输出出电电阻阻，所所以以输输出出的的高高、低低电电平平随随负负载载电电流流改改变变，变变化化小小，说明门的带负载能力强。说明门的带负载能力强。用用输输出出电电平平变变化化不不超超过过某某一一规规定定值值（高高电电平平不不低低于于高高电电平平下下限限值值VOHmin，低低电电平平不不高高于于低低电电平平的的上上限限值值VOLmax）时时的的最最大大负负载载电电流流，来定量描述门电路的带负载能力大小。来定量描述门电路的带负载能力大小。带负载能力带负载能力负负载载电电流流大大，带带负负载载能能力力强强；反反之之，带带负负载载能力弱。能力弱。一一个个门门的的输输出出电电平平有有高高电电平平、低低电电平平之之分分，因因此此，说说这这个个门门的的带带负负载载能能力力，必必须须综综合合考考虑虑输输出出高高电电平平时时的的带带负负载载能能力力和和输输出出低低电电平平时的带负载能力。时的带负载能力。带负载能力带负载能力扇出系数：门电路驱动同类门的最大数目。扇出系数：门电路驱动同类门的最大数目。输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数 输出低电平时的扇出系数输出低电平时的扇出系数 一个门的扇出系数只能是一个。若一个门的扇出系数只能是一个。若NOH和和NOL不同时，应取不同时，应取NOH和和NOL中小的一个。中小的一个。TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极二极管、三极管存在开关时间，由二极管和三极管构成的管构成的TTL电路的状态转换需要一定的时间，即电路的状态转换需要一定的时间，即输出不能立即响应输入信号的变化，而有一定的延输出不能立即响应输入信号的变化，而有一定的延迟。如图迟。如图2-13所示。所示。而电阻、二极管、三极管等元器件寄生电容的存而电阻、二极管、三极管等元器件寄生电容的存在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得不在，还会使输出电压波形的上升沿和下降沿变得不那么陡。那么陡。导通传输导通传输延迟时间延迟时间 截止传输截止传输延迟时间延迟时间 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 传输延迟时间小，传输延迟时间小，表明门的工作速度表明门的工作速度可以高，反之，门可以高，反之，门的工作速度必须降的工作速度必须降低。低。TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 动态尖峰电流动态尖峰电流 静态时静态时TTL与非门电路的电源电流比较小，在与非门电路的电源电流比较小，在10mA左右。在动态情况下，由于左右。在动态情况下，由于T5工作在深饱工作在深饱和状态，和状态，T4必定在必定在T5截止之前就导通了。这样就截止之前就导通了。这样就出现了瞬间出现了瞬间T4和和T5都导通的状态。这一瞬间电源都导通的状态。这一瞬间电源电流比静态时的电源电流大，但持续时间较短，电流比静态时的电源电流大，但持续时间较短，故称之为尖峰电流或浪涌电流。输出由高电平变故称之为尖峰电流或浪涌电流。输出由高电平变为低电平时，也会出现为低电平时，也会出现T4、T5都导通，导致都导通，导致ICC出现尖峰。出现尖峰。TTL与非门的动态特性与非门的动态特性 动态尖峰电流动态尖峰电流 如图如图2-14所示。所示。在工作频率较高在工作频率较高时，尖峰电流对电时，尖峰电流对电源平均电流影响不源平均电流影响不可忽略。它使电源可忽略。它使电源的平均电流增大，的平均电流增大，这就要求加大电源这就要求加大电源的容量。的容量。电源的尖峰电流电源的尖峰电流在电路内部流通时，在电路内部流通时，会在电源线和地线会在电源线和地线上产生电压降，形上产生电压降，形成一个干扰源，为成一个干扰源，为此，要采取合理的此，要采取合理的接地和去耦措施，接地和去耦措施，使之在允许范围内。使之在允许范围内。2.3 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 TTL门电路除了与非门外，还有其它逻辑功门电路除了与非门外，还有其它逻辑功能的门电路，如与门、或门、或非门、与或能的门电路，如与门、或门、或非门、与或非门、异或门、同或门、集电极开路门和三非门、异或门、同或门、集电极开路门和三态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩展器等。展器等。主要介绍集电极开路门和三态门。主要介绍集电极开路门和三态门。集电极开路门集电极开路门(OC门门)线与线与：把几个逻辑门把几个逻辑门的输出端直接连在一的输出端直接连在一起实现逻辑与。起实现逻辑与。TTL与非门直接线与与非门直接线与出现的问题：出现的问题：F1=1，F2=0就会在电就会在电源和地之间形成一个低源和地之间形成一个低阻通路，破坏了逻辑关阻通路，破坏了逻辑关系，而且还会把截止门系，而且还会把截止门中的导通管中的导通管T4烧坏。烧坏。集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极开路门集电极开路门(OC门门)电路结构：把电路结构：把TTL与非门电路的推拉输出级改与非门电路的推拉输出级改为三极管集电极开路输出为三极管集电极开路输出,称为集电极开路称为集电极开路(Open Collector)门电路。门电路。RL上上拉拉电电阻阻集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极开路门集电极开路门(OC门门)逻辑符号如图逻辑符号如图(b)所示。所示。逻辑功能：逻辑功能：几个几个OC门的门的输出端直接并输出端直接并联后可共用一联后可共用一个集电极负载个集电极负载电阻电阻RL和电源和电源VCC。只要恰当地选只要恰当地选择电源电压和择电源电压和负载电阻，就负载电阻，就可以保证输出可以保证输出电平的高、低电平的高、低要求，而又有要求，而又有效地防止输出效地防止输出管电流过大。管电流过大。集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极负载电阻集电极负载电阻RL的选择的选择利用利用OC门可以实现线与功能。门可以实现线与功能。当有当有m个个OC门直接并联，并带有门直接并联，并带有n个与非门个与非门作负载时，只要公共外接负载电阻作负载时，只要公共外接负载电阻RL选择选择适当，就可以保证输出高电平不低于规定适当，就可以保证输出高电平不低于规定的的VOHmin值；又可以保证输出低电平不高于值；又可以保证输出低电平不高于规定的规定的VOLmax。而且也不会在电源和地之间。而且也不会在电源和地之间形成低阻通路。形成低阻通路。集电极开路门集电极开路门(OC门门)集电极负载电阻集电极负载电阻RL的选择的选择若若m个个OC与非门的输出都为高电平直接并联，则与非门的输出都为高电平直接并联，则线与结果为高电平，如图线与结果为高电平，如图2-17所示。所示。为保证并联输出高电为保证并联输出高电平不低于规定的平不低于规定的VOHmin值，则要求值，则要求RL取值不取值不能太大，才能保证能太大，才能保证VCC-IRLRLVOHmin。OC门门个数个数 TTL与非门输入与非门输入端的个数端的个数 OC门输出管截门输出管截止时的漏电流止时的漏电流 负载门每个输入端负载门每个输入端为高电平时的输入为高电平时的输入漏电流漏电流 IRL=mIOH+pIIH VCC-(mIOH+pIIH)RLVOHmin RL最大值最大值RLmax为：为：VCC-IRLRLVOHmin集电极开路门集电极开路门(OC门门)当当OC门线与输出为低电平时，从最不利情门线与输出为低电平时，从最不利情况考虑，设只有一个况考虑，设只有一个OC门处于导通状态，门处于导通状态，而其它的而其它的OC门均截止，如图门均截止，如图2-18所示。所示。RL不能太小，应保证不能太小，应保证在所有的负载电流全部在所有的负载电流全部流入唯一导通的流入唯一导通的OC门时，门时，线与输出低电平仍能低线与输出低电平仍能低于规定的于规定的VOLmax值，即值，即VCC-IRLRLVOLmax。OC门导通时的门导通时的最大负载电流最大负载电流 TTL与非门输与非门输入短路电流入短路电流 注注：无论一个门有：无论一个门有几个输入端接在几个输入端接在VOL上，上，IIS都是同样大。都是同样大。IRL=IOL-nIIS VCC-IRLRLVOLmaxVCC-(IOL-nIIS)RLVOLmaxRL最小值最小值RLmin为：为：RLminRLRLmax 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：门的应用：实现与或非逻辑实现与或非逻辑(线与线与)将几个将几个OC门的输出直接并联在一起，然后通过门的输出直接并联在一起，然后通过一个公共上拉电阻一个公共上拉电阻RL接到电源接到电源VCC上，如图上，如图2-19所示。所示。，实现了与或实现了与或非的功能非的功能 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：门的应用：实现电平转移实现电平转移 在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）需要有电平转换的时候，常用需要有电平转换的时候，常用OC门实现，如图门实现，如图2-20所示电路