数字电子技术加英文注释
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第3页/共71页
2.1 概述
二、逻辑电平 Vcc
Logic Levels
The voltages used to represent a 1 and a 0 are called logic levels.
Vo
实际开关为晶体二极管、三极
VI
管以及场效应管等电子器件
S
VI控制开关S的断、通情况。 S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。
④74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。74LS系列 产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。
⑤74AS：先进肖特基系列；
④74ALS：先进低功耗肖特基系列。
第24页/共71页
2.4 TTL集成门电路
74LS系列常用芯片
VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y
Implement inverter with BJT
+VCC Rc iC
Rb b
c uo
ui
iB
利用二极管的压降为0.7Ve，保证
输入电压在1V以下时，开关电路
可三靠极地管截开止关。 电路
输入为低，输出为高； A
输入为高，输出为低。
0
1
A(V) Y(V) <0.8 5 >2 0.2
YA
Y
A
1
Y
1
0
②外加反向电压，二极管截止。
门坎电压Uth 硅 PN 结伏安特性
iD(mA)
0.7V
uD(V)
第8页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
二、二极管开关特性
D uI
Vcc R
uo
利用二极管的单向导电性，相当 于一个受外加电压极性控制的开关。
二极管开关电路
假定：UIH=VCC ，UIL=0 当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL
主要要求：
理解二极管、三极管的开关特性。 掌握二极管、三极管开关工作的条件。
第7页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.1 半导体二极管的开关特性
一、二极管伏安特性
反向击穿电压
iD(mA)
UBR
uD(V)
0 0.5 0.7
二极管的单向导电性：
①外加正向电压（>Uth），二极管导通，导 通压降约为0.7V；
第11页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
三、双极型三极管输出特性 c
iC
ic(mA) 饱和区
b
放大区
iB e
硅料 NPN 型三极管
0
uces 截止区
iB=0mA
A uce(V)
放大区：发射结正偏，集电结反偏；ube>uT， ubc<0；起放大作用。 截止区：发射结、集电极均反偏，ubc<0V，ube<0V；一般地，ube<0.7V时，
1
uO
uI 1
5V 1输出
UOH,min
5V 1输入
2.7V
UNH UIH,min
2V
0.5V 0输出 0V
UNL UOL,max
UIL,max
0输入
0.8V 0V
输入低电平噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max 输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min
74LS系列门电路前后级联时的输入噪 声容限为：
Semiconductor Field-Effect Transistor） 由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。
NMOS管电路符号
PMOS管电路符号
第14页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
二、MOS管开关特性
+VDD
RD D
G
ui
S
iD
uo
NMOS管的基本开关电路
选择合适的电路参数，则可以保证
第18页/共71页
2.4 TTL 集成逻辑门
(Transistor-Transistor-Logic)
主要要求：
了解 TTL 非门的组成和工作原理。 掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。 掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。 了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。
第19页/共71页
1234567
1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 6 反相器 74LS04 的引脚排列图
1Y 1B 1A 2Y 2B 2A GND 4 或非门 74LS04 的引脚排列图
第25页/共71页
2.4 TTL集成门电路
与A 门B
&
1
AB
Y=AB=AB
或门 A B
≥1
1
A+B
Y=A+B=A+B
A
异
－－－ 开关断开 －－－ 开关闭合
第9页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.2 双极型三极管的开关特性
一、双极型三极管结构
因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极 管。
NPN型
第10页/共71页
PNP型
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
二、双极型三极管输入特性
uY
VD1 VD2
0V 0V 0.7V 导通 导通
0V 5V 0.7V 导通 截止
5V 0V 0.7V 截止 导通
5V 5V 5V 截止 截止
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
Y=AB
A
&
B
Y
第16页/共71页
2.3 最简单的与、或、非门电路
二、二极管或门
Implement OR-gate with diodes
uY(V)
3.6 0.2 0.2 0.2
AB
Y
00
1
01
0
10
0
11
0
Y AB
2.4 TTL集成门电路
二、74S系列门电路
74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由 普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBD组合而成。SBD的正向压降约为 0.3V，使晶体管不会进入深度饱和，其Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间， 提高了开关速度。
74LS系列门电路标准规定： 低电平输入电压UIL，max＝0.8V 高电平输入电压UIH，min＝2V 低电平输出电压UOL，max＝0.5V 高电平输出电压UOH，min＝2.7V
截止区 线性区 转折区 饱和区
第27页/共71页
2.4 TTL集成门电路
2.输入噪声容限 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规
2.1 概述
门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。
分立元件门电路
门
电 路
双极型集成门（DTL、TTL） 集成门电路
NMOS
MOS集成门 PMOS
CMOS
第2页/共71页
2.1 概述
一、正逻辑与负逻辑 正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0 负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0
在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管 和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值， 则采用负逻辑比较方便。 今后除非特别说明，一律采用正逻辑。
三极管开关电路
假定：UIH=VCC ，UIL=0
当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=UCES=UOL － 开关闭合
当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH
－ 开关断开
第13页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.3 MOS管的开关特性
一、MOS管结构 MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-
A VD1
B VD2
Y R
uA uB
0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
uY
0V 4.3V 4.3V 4.3V
VD1 VD2 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
AB
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Y=A+B
A
≥1
Y B
第17页/共71页
2.3 最简单的与、或、非门电路
三、三极管非门
2.4 TTL集成门电路
b
一、74系列门电路
R1 4kW R2
1.6K W
A
T2
T1
D1
R3
1KW
输入级 中间级 TTL非门典型电路
TTL inverter Logic circuit
+Vcc R4 130W
T4
D2 Y
T5
e
c
T1 等效电路
A(V) Y(V) 0.2 3.6 3.4 0.2
推拉式输出级作A用：
当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL 当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH
－ 开关闭合 － 开关断开
第15页/共71页
2.3 最简单的与、或、非门电路
一、二极管与门
Implement AND-gate with diodes
VD1 A
VD2 B
+VCC(+5V) R
Y
uA uB
Y
降低功耗，提高带
负载能力 0
1
输出级
1
0
第20页/共71页
YA
2.4 TTL集成门电路
b
区别：T1改为多发射极三极管。
e1
c
e2
多发射极等效电路
uA(V) uB(V)
0.2 0.2 0.2 3.4 3.4 0.2 3.4 3.4
uY(V)
3.6 3.6 3.6 0.2
AB
Y
00
1
TTL与非门典型电路
UNL=0.8V－0.5V=0.3V UNH=2.7V－2.0V=0.7V
第29页/共71页
2.4 TTL集成门电路
3.扇出系数
fan-out
扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。
要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流IOH和IOL均大于或等 于N个后级门的输入电流的总和。
VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y
14 13 12 11 10 9 8 74LS00
1234567
14 13 12 11 10 9 8 74LS04
1234567
1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 4 与非门 74LS00 的引脚排列图
VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A
14 13 12 11 10 9 8 74LS02
SBD iD
i ib
(a)
(b)
抗饱和三极管
第23页/共71页
2.4 TTL集成门电路
三、TTL系列门电路
性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的 门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功 耗—延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗—延迟积越小， 门电路的综合性能就越好。
①74：标准系列； ②74H：高速系列； ③74S：肖特基系列；
ib0V，ic0V；即认为三极管截止。 饱和区：发射结、集电极均正偏； ube>VT， ubc>VT；深度饱和状态下，
饱和压降UCEs 约为0.2V。
第12页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
四、双极型三极管开关特性
+VCC R用三极管的饱和与截止两种状 态，合理选择电路参数，可产生类似 于开关的闭合和断开的效果，用于输 出高、低电平，即开关工作状态。
01
1
TTL NAND-gate
10
1
Y AB 第21页/共71页
11
0
2.4 TTL集成门电路
区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。
TTL或非门典型电路 TTL NOR-gate
第22页/共71页
uA(V) uB(V)
0.2 0.2 0.2 3.4 3.4 0.2 3.4 3.4
元
第5页/共71页
• This figure illustrates the general range of LOWs and HIGHs for a digital circuit.
Logic level for typical CMOS logic circuits
第6页/共71页
2.2二极管和三极管的开关特性
或B
门
&
≥1
Y
≥1
A B
&Y
A B
≥1
Y
A B
=1 Y
Y A B A B A B( A B) ( A B )( A B) AB AB A B
第26页/共71页
2.4 TTL集成门电路
四、TTL门电路的重要参数
1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。
测试电路
第4页/共71页
2.1 概述
TTL: HIGH 2-5V and LOW 0-0.8V.
逻辑电平
5V
• 高电平UH： • 输入高电平UIH
高电平下限
1
2V
• 输出高电平UOH
• 低电平UL：
• 输入低电平UIL
低电平上限 0.8V
• 输出低电平UOL
0
•
逻 件
辑“ 、器
0件”参和数逻精辑度“的1 ”要对求应及的其电电压源范的围稳宽定，度因的此要在求数比字模电拟路0电V中路，要对低电。子
双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制 c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以b,e间的回路作为 输入回路，c,e间的回路作为输出回路。
c
iB(μA)
iC
b
iB e
硅料 NPN 型三极管
0 0.5 0.7 uBE(V)
输入特性曲线
输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。
定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。
低电平噪声容限是指低电平（逻辑0）所对应的电压范围，用UNL表示：
UNL = UIL,max－UIL
高电平噪声容限是指高电平（逻辑1）所对应的电压范围，用UNH表示：
UNH = UIH－UIH,min
第28页/共71页
2.4 TTL集成门电路
2.1 概述
二、逻辑电平 Vcc
Logic Levels
The voltages used to represent a 1 and a 0 are called logic levels.
Vo
实际开关为晶体二极管、三极
VI
管以及场效应管等电子器件
S
VI控制开关S的断、通情况。 S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。
④74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。74LS系列 产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。
⑤74AS：先进肖特基系列；
④74ALS：先进低功耗肖特基系列。
第24页/共71页
2.4 TTL集成门电路
74LS系列常用芯片
VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y
Implement inverter with BJT
+VCC Rc iC
Rb b
c uo
ui
iB
利用二极管的压降为0.7Ve，保证
输入电压在1V以下时，开关电路
可三靠极地管截开止关。 电路
输入为低，输出为高； A
输入为高，输出为低。
0
1
A(V) Y(V) <0.8 5 >2 0.2
YA
Y
A
1
Y
1
0
②外加反向电压，二极管截止。
门坎电压Uth 硅 PN 结伏安特性
iD(mA)
0.7V
uD(V)
第8页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
二、二极管开关特性
D uI
Vcc R
uo
利用二极管的单向导电性，相当 于一个受外加电压极性控制的开关。
二极管开关电路
假定：UIH=VCC ，UIL=0 当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL
主要要求：
理解二极管、三极管的开关特性。 掌握二极管、三极管开关工作的条件。
第7页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.1 半导体二极管的开关特性
一、二极管伏安特性
反向击穿电压
iD(mA)
UBR
uD(V)
0 0.5 0.7
二极管的单向导电性：
①外加正向电压（>Uth），二极管导通，导 通压降约为0.7V；
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2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
三、双极型三极管输出特性 c
iC
ic(mA) 饱和区
b
放大区
iB e
硅料 NPN 型三极管
0
uces 截止区
iB=0mA
A uce(V)
放大区：发射结正偏，集电结反偏；ube>uT， ubc<0；起放大作用。 截止区：发射结、集电极均反偏，ubc<0V，ube<0V；一般地，ube<0.7V时，
1
uO
uI 1
5V 1输出
UOH,min
5V 1输入
2.7V
UNH UIH,min
2V
0.5V 0输出 0V
UNL UOL,max
UIL,max
0输入
0.8V 0V
输入低电平噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max 输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min
74LS系列门电路前后级联时的输入噪 声容限为：
Semiconductor Field-Effect Transistor） 由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。
NMOS管电路符号
PMOS管电路符号
第14页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
二、MOS管开关特性
+VDD
RD D
G
ui
S
iD
uo
NMOS管的基本开关电路
选择合适的电路参数，则可以保证
第18页/共71页
2.4 TTL 集成逻辑门
(Transistor-Transistor-Logic)
主要要求：
了解 TTL 非门的组成和工作原理。 掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。 掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。 了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。
第19页/共71页
1234567
1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 6 反相器 74LS04 的引脚排列图
1Y 1B 1A 2Y 2B 2A GND 4 或非门 74LS04 的引脚排列图
第25页/共71页
2.4 TTL集成门电路
与A 门B
&
1
AB
Y=AB=AB
或门 A B
≥1
1
A+B
Y=A+B=A+B
A
异
－－－ 开关断开 －－－ 开关闭合
第9页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.2 双极型三极管的开关特性
一、双极型三极管结构
因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极 管。
NPN型
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PNP型
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
二、双极型三极管输入特性
uY
VD1 VD2
0V 0V 0.7V 导通 导通
0V 5V 0.7V 导通 截止
5V 0V 0.7V 截止 导通
5V 5V 5V 截止 截止
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
Y=AB
A
&
B
Y
第16页/共71页
2.3 最简单的与、或、非门电路
二、二极管或门
Implement OR-gate with diodes
uY(V)
3.6 0.2 0.2 0.2
AB
Y
00
1
01
0
10
0
11
0
Y AB
2.4 TTL集成门电路
二、74S系列门电路
74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由 普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBD组合而成。SBD的正向压降约为 0.3V，使晶体管不会进入深度饱和，其Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间， 提高了开关速度。
74LS系列门电路标准规定： 低电平输入电压UIL，max＝0.8V 高电平输入电压UIH，min＝2V 低电平输出电压UOL，max＝0.5V 高电平输出电压UOH，min＝2.7V
截止区 线性区 转折区 饱和区
第27页/共71页
2.4 TTL集成门电路
2.输入噪声容限 实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规
2.1 概述
门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。
分立元件门电路
门
电 路
双极型集成门（DTL、TTL） 集成门电路
NMOS
MOS集成门 PMOS
CMOS
第2页/共71页
2.1 概述
一、正逻辑与负逻辑 正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0 负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0
在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管 和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值， 则采用负逻辑比较方便。 今后除非特别说明，一律采用正逻辑。
三极管开关电路
假定：UIH=VCC ，UIL=0
当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=UCES=UOL － 开关闭合
当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH
－ 开关断开
第13页/共71页
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.3 MOS管的开关特性
一、MOS管结构 MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-
A VD1
B VD2
Y R
uA uB
0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
uY
0V 4.3V 4.3V 4.3V
VD1 VD2 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
AB
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Y=A+B
A
≥1
Y B
第17页/共71页
2.3 最简单的与、或、非门电路
三、三极管非门
2.4 TTL集成门电路
b
一、74系列门电路
R1 4kW R2
1.6K W
A
T2
T1
D1
R3
1KW
输入级 中间级 TTL非门典型电路
TTL inverter Logic circuit
+Vcc R4 130W
T4
D2 Y
T5
e
c
T1 等效电路
A(V) Y(V) 0.2 3.6 3.4 0.2
推拉式输出级作A用：
当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL 当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH
－ 开关闭合 － 开关断开
第15页/共71页
2.3 最简单的与、或、非门电路
一、二极管与门
Implement AND-gate with diodes
VD1 A
VD2 B
+VCC(+5V) R
Y
uA uB
Y
降低功耗，提高带
负载能力 0
1
输出级
1
0
第20页/共71页
YA
2.4 TTL集成门电路
b
区别：T1改为多发射极三极管。
e1
c
e2
多发射极等效电路
uA(V) uB(V)
0.2 0.2 0.2 3.4 3.4 0.2 3.4 3.4
uY(V)
3.6 3.6 3.6 0.2
AB
Y
00
1
TTL与非门典型电路
UNL=0.8V－0.5V=0.3V UNH=2.7V－2.0V=0.7V
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2.4 TTL集成门电路
3.扇出系数
fan-out
扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。
要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流IOH和IOL均大于或等 于N个后级门的输入电流的总和。
VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y
14 13 12 11 10 9 8 74LS00
1234567
14 13 12 11 10 9 8 74LS04
1234567
1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 4 与非门 74LS00 的引脚排列图
VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A
14 13 12 11 10 9 8 74LS02
SBD iD
i ib
(a)
(b)
抗饱和三极管
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2.4 TTL集成门电路
三、TTL系列门电路
性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的 门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功 耗—延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗—延迟积越小， 门电路的综合性能就越好。
①74：标准系列； ②74H：高速系列； ③74S：肖特基系列；
ib0V，ic0V；即认为三极管截止。 饱和区：发射结、集电极均正偏； ube>VT， ubc>VT；深度饱和状态下，
饱和压降UCEs 约为0.2V。
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2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
四、双极型三极管开关特性
+VCC R用三极管的饱和与截止两种状 态，合理选择电路参数，可产生类似 于开关的闭合和断开的效果，用于输 出高、低电平，即开关工作状态。
01
1
TTL NAND-gate
10
1
Y AB 第21页/共71页
11
0
2.4 TTL集成门电路
区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。
TTL或非门典型电路 TTL NOR-gate
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uA(V) uB(V)
0.2 0.2 0.2 3.4 3.4 0.2 3.4 3.4
元
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• This figure illustrates the general range of LOWs and HIGHs for a digital circuit.
Logic level for typical CMOS logic circuits
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2.2二极管和三极管的开关特性
或B
门
&
≥1
Y
≥1
A B
&Y
A B
≥1
Y
A B
=1 Y
Y A B A B A B( A B) ( A B )( A B) AB AB A B
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2.4 TTL集成门电路
四、TTL门电路的重要参数
1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。
测试电路
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2.1 概述
TTL: HIGH 2-5V and LOW 0-0.8V.
逻辑电平
5V
• 高电平UH： • 输入高电平UIH
高电平下限
1
2V
• 输出高电平UOH
• 低电平UL：
• 输入低电平UIL
低电平上限 0.8V
• 输出低电平UOL
0
•
逻 件
辑“ 、器
0件”参和数逻精辑度“的1 ”要对求应及的其电电压源范的围稳宽定，度因的此要在求数比字模电拟路0电V中路，要对低电。子
双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制 c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以b,e间的回路作为 输入回路，c,e间的回路作为输出回路。
c
iB(μA)
iC
b
iB e
硅料 NPN 型三极管
0 0.5 0.7 uBE(V)
输入特性曲线
输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。
定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。
低电平噪声容限是指低电平（逻辑0）所对应的电压范围，用UNL表示：
UNL = UIL,max－UIL
高电平噪声容限是指高电平（逻辑1）所对应的电压范围，用UNH表示：
UNH = UIH－UIH,min
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2.4 TTL集成门电路