计算机电路课程教学

"计算机电路基础（1）" 学习辅导（三）
第四章 门电路
一、教学内容
（一）分立元件三极管非门(反相器)的工作原理
三极管反相器电路如教材图 4.2.2（a ）所示,当u I 为0.3V 时,三极管截止, u o=Ucc-icRc ≈Ucc=5V;当u I 为3.6V 时,经分析计算可知, 三极管基极电流i B 大于三极管临界饱和基极电流I BS ，三极管饱和,uo ≤U CES =0.3V.
（二）TTL 与非门的工作原理和主要参数
1．电路结构
TTL 与非门电路见图4.1所示。

它由三部分组成：输入级、中间级和输出级。

输入级包括电阻R 1和多发射级三极管T 1，把这一部分电路可等效画成图4. 2的形式，可以看出，它实现了逻辑“与”的功能。

中间级包括电阻R 2、R 3和三极管T 2，可以看出，它是一个共射接法的电路，从三极管T 2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，并分别送到三极管T 3和T 4的基极。

输出级包括电阻R 4、三极管T 3、T 4和二极管D 。

可以看出，从中间级三极管T 2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号送到了输出级三极管T 3和T 4的基极，使T 3和T 4始终处于一个导通、一个截止的状态，把输出级这样的结构形式称之为推拉式电路或图腾柱输出电路
中间级和输出级实现反相的功能，整个电路实现与非的逻辑功能因为这个电路的输入和输出
图4.1
A B
U CC
1
基图4.2
都是三极管，故称TTL电路。

2．工作原理
下面我们定性讲解TTL与非门的工作原理。

（1）当输入全为高电位u I=U IH=3.6V时，看教材图4.2.7电路：
因为电源电压为5V，故T1管的发射极导通，基极电位（U B1=3.6+0.7）=4.3V，使T1集电极、T2、T4的发射极均导通，T1的基极电位U B1被嵌位在2.1V，T1三极管的实际电流方向如教材图4.2.7中箭头所示。

因为T1的发射极和集电极互换使用，我们称之为T1管工作在反向放大工作状态。

根据计算有关电流的数值可以知道T2管工作在饱和状态，U CES=0.3V，继而可以得到U C2（U B3）=1V，这个电压不足以使T3和二极管D同时导通，它们均处于截止状态。

由于T3截止，电源电压通过导通的T2管全部加入T4管的基极，使T4管迅速饱和导通，输出低电位U OL
（2）当输入有一或全部为低电位U I=U IL=0.3V时，看教材图4.2 . 8电路：
因为电源电压为5V，故T1管的发射极导通，通过计算可以知道，它工作在饱和状态，基极电位（U B1=0.3+0.7）=1.0V，使T1集电极、T2、T4的发射极均截止，电源电压同时通过R2和R4使T3和二极管D导通，输出高电位U OH
表4.1示出了TTL与非门当输入分别为高电位和低电位时，各管子工作状态和输出电位的情况。

表4.1
3．主要参数
TTL门电路的主要参数涉及电路的工作速度、功耗、抗干扰能力和驱动能力等。

这些参数对我们合理、安全地应用器件是很重要的。

（1）传输特性
传输特性是描述电路输入电压u I从0V电位逐渐上升到高电位时，对应的输出电压u O的变化情况。

从图4.3的电压传输特性上可以看出：当输入电压u I为低电位时输出u O为高电位，当输入电压u I为高电位时输出u O为低电位。

从电压传输特性上还可以知道输出高电位的额定值U OH（本电路为3.6V）、输出低电位的额定值U OL（本电路为0.4V）。

把输出电位发生急剧跳变所对应的
输入电位称为阈值电压，用U TH 表示，本电路的阈值电压值为1.4V 。

图4.3
在实际的电路中，往往是多个门电路相互连接组成系统，前一级门的输出就是后一级门的输入。

我们用这样一个图来描述TTL 与非门的噪声容限，见图4.4。

如果我们定义（规定） 输出高电位的最小值用U OH （min ）表示， 输入低电位的最大值用U IL （max ）
表示，输出低电位的最大值用U OL （max ）表示，输入高电位的最小值用U IH （min ）表示。

从图中看出： 输入为低电位时，允许的正向干扰信号的范围为： U NL =U IL （max ）－U OL （max ） 我们称之为输入为低电位时的噪声容限 ； 输入为高电位时，允许的负向干扰信号的范围为： U NH = U OH （min ）－U IH （min ） 我们称之为输入为高电位时的噪声容限。

U NL 和U NH 的值越大，则电路抗干扰信号的能力就越强。

（2）传输延时
传输延时t pd 是指与非门输出波形相对于输入波形的延时，见图4.5。

图4.5
可以看出：对应输入，输出波形不仅反了一个相，而且还发生了延时。

图4.4
我们把输入波形上升沿的50%起至输出波形反相至下降沿的50%止的这段时间叫导通延时，用t pHL表示；
把输入波形下降沿的50%起至输出波形反相至上升沿的50%止的这段时间叫关闭延时，用t pLH表示。

导通延时和关闭延时的平均值叫做平均传输延时，简称传输延时，用t pd表示
t pd =（t pHL+t pLH）/2
影响传输延时的主要因素是晶体管的开关特性、电路结构和电路中各电阻的阻值，t pd的大小反映了电路的工作速度。

（3）扇出系数
扇出系数是指门电路驱动同类门的个数（反映电路带负载的能力）。

分两种情况来讨论。

①当与非门输出为高电位时[见图4.6（a）]：
当与非门1输出为高电位U OH时，有电流I OH从与非门1流出至负载门，对于负载门来说，有输入电流I IH，可见，与非门输出高电位时可驱动负载门的个数为
N OH=I OH / I IH
图4.6
②当与非门输出为低电位U OL时[见图4.6（b）] ：
当与非门1输出为低电位U OL时，负载门的电流就要流入与非门1。

如果负载门的输入短路电流为I IL，而与非门1的输入电流为I OL，则与非门输出低电位时可驱动负载门的个数为N OL=I OL / I IL
一般取N OL、N OH中数值较小的为门电路扇出系数N O
（三）可以线或的TTL门
1．集电极开路门
集电极开路门又称OC门，电路图见图4.7。

与典型的TTL与非门相比，输出级中T4管的集电极开路。

图4.7 图4.8
当输入为低电位时：TI导通，T2、T4截止，通过外接电源使输出为高电位；当输入为高电位时：，T2、T4导通，输出为低电位。

把两个集电极开路门连在一起（见图4.8），其输出：
F=AB · CD =AB+CD，实现了与或非的功能。

值得注意的是，为了保证实现逻辑功能的可靠性，R L阻值的选择要合适。

2．三态TTL门
一般TTL门的输出只有两种状态：逻辑高电位或逻辑低电位。

三态TTL门除了输出有逻辑高电位和逻辑低电位以外，还有第三态输出—高阻态。

图4.9是三态TTL门的电路图。

其中A为输入、G为阻塞信号输入端（也把该信号称为使
能信号）。

图4.9
A
B
C
D
2
当G为低电平时：T6、T7截止，该电路的功能与普通TTL门一样，F=⎺A ；
当G为高电平时：T6、T7饱和，T7集电极为低电位，这个低电位接至多发射极三极管T1的一个发射极，使T2、T4截止，与此同时，T7集电极的低电位虽经二极管D1电平偏移，仍使T3基极的电位为低电位而使T3截止。

因此，当G为高电平时无论输入信号为高或为低，输出管T3、T4均截止，输出处于第三态——高阻态。

二、教学要求
∙掌握常用TTL集成门（例如与非门、三态门）的主要特性参数与使用方法；
∙了解三极管非门的电路结构与工作原理；
∙了解与非门和三态门的基本工作原理；
∙了解CMOS电路系列主要特性参数。

三、例题解析（答案供参考）
例4．1 在图P4·1电路中，假设开关A、B、C闭合用“1”表示，断开用“0”表示，图(c)中按图示表示“1”或“0”，电灯F亮用“1”表示，不亮用“0”表示，试写出F与A、B、C的关系式。

F1 F2
( a ) ( b )
1 1
~
F3
（c）
图P4·1
解：F1=A（B+C）；F2=A+BC ；F3=⎺AB+A⎺B
例4．2 分别写出当X=0和X=1时图P4·2各电路输出F的表达式
（a）（b）
图P4·2
解：F1= A（X=0）、B（X=1）；F2= A·B （X=0）、= A·C（X=1）
例4.3 写出图P4·3各电路输出F的表达式，说明功能。

（a）（b）
（c）（d）
图P4·3
解：F1= A·B，为与非门；F2= A+B ，为或非门；F3 = A（C=1）、高阻态（C=0），为三态门；F4 = AB+C ，为与或非门。

例4．4已知两输入端的TTL与非门的∣I IL∣=1.5mA，I IH=10μA，I OL=15 mA，∣I OH∣=400μA，试计算该与非门带同类门的个数是多少？
解：当与非门输出为低电平时：负载门的电流就要流入与非门。

已知负载门的输出电流为1.5mA，与非门的输入电流为15 mA，则与非门输出低电位时可驱动负载门的个数为
=N OL=I OL / I IL=10
当与非门输出为高电位U OH时，有电流从与非门流出至负载门，已知与非门的输出电流为400μA，负载门的输入电流为10μA，则与非门输出高电位时可驱动负载门的个数为N OH=I OH /2⨯ I IH=20
两数值中取较小的为门电路扇出系数，N O =10。