第三章门电路
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第三章门电路
二、 三极管(BJT)的开关特性 1、晶体管特性
第三章门电路
三极管饱和时：
VCES VBES
<0.3V 硅管 0.1V 锗管 0.7~0.8V 硅管
0.3V
锗管
两个PN结都是正偏的
0.8V 0.3V
0.3V 0.1V
第三章门电路
饱和晶体管的等效电路
C B
VBES
VCES
C B
E E
缺点：因为饱和管的消散时间长，门的传输时延大，可达25ns
第三章门电路
三、电阻－晶体管逻辑门（RTL）
或非门 无源上拉电阻输出：
非门
无源上拉 电阻输出
输出低电平时为低内阻，输出高电平时为高内阻 因此，这类门在输出高电平时负载能力差，能带动同类门的
数目少
第三章门电路
3-3 晶体管－晶体管逻辑门（TTL）
第三章门电路
反向器的传输时延 t pd
不论是晶体管或是场效应管的开关电路，当计及分布电容及 管子的开关惰性后，电路的输入、输出波形都不可能跃变， 而且输出总是滞后于输入。
反向器的平均时延为：
tpd
tpHLtpL 2
H
第三章门电路
第二节 早期门电路
一、二极管门电路
第三章门电路
二极管门电路的缺点： 1、与门的输出低电平要上浮0.7V,
一、二极管开关特性 1、二极管特点
正向阈值 对硅管约为0.7~0.8V 对锗管约为0.3V
第三章门电路
二极管的近似特性曲线 导通区Ⅰ： 导通内阻，约数十欧 截止区Ⅱ： 反向内阻，约数百欧 反向击穿区Ⅲ： 击穿内阻，约数欧
第三章门电路
(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极
管相当于一个闭合的开关。
二、TTL门电路的外部特性及参数 1、电压转换特性、噪声容限及传输时延
电压转换特性又称为电压传输特性，它就是门的输出电压
随输入电压变化的曲线 v0 f (vI)
74系列不同类型的TTL与非门的转换特性
第三章门电路
VIL max
VIH min
转换区
输入信号的关门（截止）电平 VOFF 开门（导通）电平 VON
（2）、用达林顿对管T3-T4代 替T4-D3管，使输出高 电平时内阻进一步减小， 增加了输出拉电流
第三章门电路
Leabharlann Baidu
L-TTL （1）省去了保护二极管
D1、D2 （2）增加了电阻值，使：
R1 40k
R2 20k R3 500
R4 12k 门的功耗降到1mW,但传输时延却延长到30ns 以上
第三章门电路
忽略饱和压降
第三章门电路
三极管截止时等效电路：
C
C
ICBO
B
B
忽略ICBO E
E
第三章门电路
三、场效应管（FET）开关 结型场效应管（J-FET）：用于分立的脉冲电路及 模拟集成电路 金属－氧化物－半导体 场效应管（MOS-FET）：用于数字集成电路
第三章门电路
第三章门电路
常用的N沟道增强型MOS管构成的反向器
早期门电路：由分立的晶体管和电阻、二极管等构成，体积 较大，性能不够理想
混合集成电路：可以部分集成，体积有所缩小，性能得到 改进
集成逻辑门：所有元器件，连同相应布线，都可集成在一 小片硅芯片上，形成真正的集成逻辑门，即 集成块（IC）
1、标准型TTL门电路
第三章门电路
TTL与非门的基本结构
以2输入与非门
3、肖特基型TTL门电路（S-TTL) 利用肖特基管（SBD)作为抗饱和措施，推出了速度更快 的肖特基型TTL电路
第三章门电路
4、低功耗型肖特基门电路（LS-TTL）
增加电阻值， 以降低功耗
添入D5、D6，
将多发射极管T1改成 由肖特基二极管D1、
D6:可加速T5的通导过程 D5:缩短T3的截止过程
0.5V
第三章门电路
0.5V
高电平噪声容限 低电平噪声容限
（1/4 7400)为代表
R b1
4kΩ
1
31
A
B
T1
输入级
Rc2
1.6kΩ
Vc2
1
+VCC（+5V） R c4 130Ω
3
T2 4
3
2T2
Ve2
1
R e2 1kΩ
D
Vo
3
2T 3
中间级
输出级
2、快速型和低功耗型TTL门电路（H-TTL及L-TTL）
H-TTL
改进方法：
（1）、降低电阻值改善
管子的开关速度
第三章 门电路
现代数字集成电路，就是在半导体硅一类材料的芯片上， 用特殊工艺制造出大量晶体管，同时布上适当的连线， 再经测试和封装而成。 数字集成电路中晶体管工作在开关状态 模拟电路中晶体管工作在线性状态
第三章门电路
3-1 晶体管的开关特性及反相器
二极管
第三章门电路
三极管
第三章门电路
第三章门电路
D
K
V
F
IF
V
RL
F
IF
RL
(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。
二极管相当于一个断开的开关。
D
K
V
R
IS
RL
V
R
RL
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。 当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的 变化在“开”态与“关”态之间转换。
2、肖特基二极管 肖特基二极管是一种专门 设计的、开关时间极短的 二极管，开关时间trr仅为 100ps。 另外，肖特基二极管的正向阈值电压Vth约为0.3V，也比 硅管的低
第三章门电路
转换区 门的输入阈值电平Vth: 曲线转折的中点所对应的输入电压 对LS型约为1.0V 对S型约为1.3V 对F型约为1.5V 对标准型约为1.4V
第三章门电路
各类74系列TTL电路输入、输出电平的极限值
VOFF
VON
电流参数：流入为正，流出为负
第三章门电路
TTL的门与门之间的级联，必须满足： 前级输出逻辑电平，一定要落在后级输入逻辑电平允许范围 之内，如LS-TTL
D2L组S成-T的TL与门逻的辑功电耗为2mW，传输时延只有10ns 路，近以来提又高度出与现操了作先速进的肖特基型（AS-TTL）和
先进的低功耗肖特基型（ALS-TTL） 第三章门电路
5、高速型TTL门电路（F-TTL)
新措施的目的是：保持高速，降低输入端的电流， 提高了驱动能力 速度同最快的S-TTL第,功三章耗门仅电路为S-TTL的五分之一
而或门的输出高电平要下移0.7V 不利于实行多级逻辑运算 2、输出缺乏驱动能力，负载的接入将 进一步影响输出电平 改善的方法是 后面接一反向缓冲器
第三章门电路
二、二极管－晶体管逻辑门（DTL）
与门
无源上拉电 阻输出
非门
当输出F为高电平时，后接的同类DTL负载门不会对输出F
高电平造成负担，因为这时负载门的输入二极管是截止的
二、 三极管(BJT)的开关特性 1、晶体管特性
第三章门电路
三极管饱和时：
VCES VBES
<0.3V 硅管 0.1V 锗管 0.7~0.8V 硅管
0.3V
锗管
两个PN结都是正偏的
0.8V 0.3V
0.3V 0.1V
第三章门电路
饱和晶体管的等效电路
C B
VBES
VCES
C B
E E
缺点：因为饱和管的消散时间长，门的传输时延大，可达25ns
第三章门电路
三、电阻－晶体管逻辑门（RTL）
或非门 无源上拉电阻输出：
非门
无源上拉 电阻输出
输出低电平时为低内阻，输出高电平时为高内阻 因此，这类门在输出高电平时负载能力差，能带动同类门的
数目少
第三章门电路
3-3 晶体管－晶体管逻辑门（TTL）
第三章门电路
反向器的传输时延 t pd
不论是晶体管或是场效应管的开关电路，当计及分布电容及 管子的开关惰性后，电路的输入、输出波形都不可能跃变， 而且输出总是滞后于输入。
反向器的平均时延为：
tpd
tpHLtpL 2
H
第三章门电路
第二节 早期门电路
一、二极管门电路
第三章门电路
二极管门电路的缺点： 1、与门的输出低电平要上浮0.7V,
一、二极管开关特性 1、二极管特点
正向阈值 对硅管约为0.7~0.8V 对锗管约为0.3V
第三章门电路
二极管的近似特性曲线 导通区Ⅰ： 导通内阻，约数十欧 截止区Ⅱ： 反向内阻，约数百欧 反向击穿区Ⅲ： 击穿内阻，约数欧
第三章门电路
(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极
管相当于一个闭合的开关。
二、TTL门电路的外部特性及参数 1、电压转换特性、噪声容限及传输时延
电压转换特性又称为电压传输特性，它就是门的输出电压
随输入电压变化的曲线 v0 f (vI)
74系列不同类型的TTL与非门的转换特性
第三章门电路
VIL max
VIH min
转换区
输入信号的关门（截止）电平 VOFF 开门（导通）电平 VON
（2）、用达林顿对管T3-T4代 替T4-D3管，使输出高 电平时内阻进一步减小， 增加了输出拉电流
第三章门电路
Leabharlann Baidu
L-TTL （1）省去了保护二极管
D1、D2 （2）增加了电阻值，使：
R1 40k
R2 20k R3 500
R4 12k 门的功耗降到1mW,但传输时延却延长到30ns 以上
第三章门电路
忽略饱和压降
第三章门电路
三极管截止时等效电路：
C
C
ICBO
B
B
忽略ICBO E
E
第三章门电路
三、场效应管（FET）开关 结型场效应管（J-FET）：用于分立的脉冲电路及 模拟集成电路 金属－氧化物－半导体 场效应管（MOS-FET）：用于数字集成电路
第三章门电路
第三章门电路
常用的N沟道增强型MOS管构成的反向器
早期门电路：由分立的晶体管和电阻、二极管等构成，体积 较大，性能不够理想
混合集成电路：可以部分集成，体积有所缩小，性能得到 改进
集成逻辑门：所有元器件，连同相应布线，都可集成在一 小片硅芯片上，形成真正的集成逻辑门，即 集成块（IC）
1、标准型TTL门电路
第三章门电路
TTL与非门的基本结构
以2输入与非门
3、肖特基型TTL门电路（S-TTL) 利用肖特基管（SBD)作为抗饱和措施，推出了速度更快 的肖特基型TTL电路
第三章门电路
4、低功耗型肖特基门电路（LS-TTL）
增加电阻值， 以降低功耗
添入D5、D6，
将多发射极管T1改成 由肖特基二极管D1、
D6:可加速T5的通导过程 D5:缩短T3的截止过程
0.5V
第三章门电路
0.5V
高电平噪声容限 低电平噪声容限
（1/4 7400)为代表
R b1
4kΩ
1
31
A
B
T1
输入级
Rc2
1.6kΩ
Vc2
1
+VCC（+5V） R c4 130Ω
3
T2 4
3
2T2
Ve2
1
R e2 1kΩ
D
Vo
3
2T 3
中间级
输出级
2、快速型和低功耗型TTL门电路（H-TTL及L-TTL）
H-TTL
改进方法：
（1）、降低电阻值改善
管子的开关速度
第三章 门电路
现代数字集成电路，就是在半导体硅一类材料的芯片上， 用特殊工艺制造出大量晶体管，同时布上适当的连线， 再经测试和封装而成。 数字集成电路中晶体管工作在开关状态 模拟电路中晶体管工作在线性状态
第三章门电路
3-1 晶体管的开关特性及反相器
二极管
第三章门电路
三极管
第三章门电路
第三章门电路
D
K
V
F
IF
V
RL
F
IF
RL
(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。
二极管相当于一个断开的开关。
D
K
V
R
IS
RL
V
R
RL
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。 当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的 变化在“开”态与“关”态之间转换。
2、肖特基二极管 肖特基二极管是一种专门 设计的、开关时间极短的 二极管，开关时间trr仅为 100ps。 另外，肖特基二极管的正向阈值电压Vth约为0.3V，也比 硅管的低
第三章门电路
转换区 门的输入阈值电平Vth: 曲线转折的中点所对应的输入电压 对LS型约为1.0V 对S型约为1.3V 对F型约为1.5V 对标准型约为1.4V
第三章门电路
各类74系列TTL电路输入、输出电平的极限值
VOFF
VON
电流参数：流入为正，流出为负
第三章门电路
TTL的门与门之间的级联，必须满足： 前级输出逻辑电平，一定要落在后级输入逻辑电平允许范围 之内，如LS-TTL
D2L组S成-T的TL与门逻的辑功电耗为2mW，传输时延只有10ns 路，近以来提又高度出与现操了作先速进的肖特基型（AS-TTL）和
先进的低功耗肖特基型（ALS-TTL） 第三章门电路
5、高速型TTL门电路（F-TTL)
新措施的目的是：保持高速，降低输入端的电流， 提高了驱动能力 速度同最快的S-TTL第,功三章耗门仅电路为S-TTL的五分之一
而或门的输出高电平要下移0.7V 不利于实行多级逻辑运算 2、输出缺乏驱动能力，负载的接入将 进一步影响输出电平 改善的方法是 后面接一反向缓冲器
第三章门电路
二、二极管－晶体管逻辑门（DTL）
与门
无源上拉电 阻输出
非门
当输出F为高电平时，后接的同类DTL负载门不会对输出F
高电平造成负担，因为这时负载门的输入二极管是截止的