第三章门电路阎共58页
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工作时需要 RL,V 外 CC接 ;只要 RL,VCC取值合适，定可 A,B同为高T时 5饱，和 VOL0 A或B为0时， T5截止 VOVC（ C VCC可以不等 VCC ） 于
OC门实现的线与
Y1、Y2有 一 个 Y即低为 低 ， 只 有，两 Y才者为同高高 YY1Y2 ABCDABCD
器件系列和 品种代号
陶瓷封装直插
工作温度范围： 0~70度
生产厂商
3.3.6 TTL数字集成电路的各种系列
一、高速系列74H/54H 1. 电路的改进:(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro） 2. (2)减少各电阻值
标7系 准 4 列 tpd 1： n 0,P s1m 0 W
3. 2. 性能特点
3.3.4 TTL反相器的动态特性
一、传输延迟时间 1、现象： 导通延迟时间tPHL 截止延迟时间tPLH 传输延迟时间
tpdtPLH2tPHL
2、原 :结 因电D 容 和 T（ ）的,存 分在 布电容的
二、交流噪声容限
由于三极管的开关时间和分布电容 的充放电过程，输入信号状态变化时 必有足够的变化幅度和作用时间才能 使输出状态改变
输出端并联可实现“线 与”
三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）
输出有三个V状 OL,V态 OH，：高(Z阻 )
(1)EN0,P1,D截止，为“工作 Y状A态B” (2)EN1,P0,D导通，为“高阻 Y状Z态”
三态门的用途
74/54系列（标准系列）：如74 00 器件的命名请参照书后的附录 SN 74 XX 00 C D
Vi
1.4V
0
R
开门电阻 RON
在保证非门输出为低时， 允许输入电阻Ri的最小值。
当RI≥ RON时， 相当输入高电平。
RON＝2 .5KΩ
关门电阻 ROFF
在保证非门输出为高时，允许 输入电阻Ri的最大值。
当RI≤ ROFF时， 相当输入低电平。
ROFF＝0.7 KΩ
悬空的输入端（RI＝∞）相当于接 高电平。
截止状态 G
ui<UT
+VDD RD
导通状态
+VDD
RD
D uo=+VDD
G ui>UT
D uo≈0
S 开关时间
S
3.4.2 CMOS反相器的电路结构及工作原理
一.电路结构 +VDD
+10V
TP
uA
uY
+VDD
+10V RONP
uY 10V
S
+VDD
+10V
S
uY 0V
RONN
TN Y A
(a) 电路
VCCVC2 R2
3.4mA
VOVOH 时 ,T4没接负 ICC载 H VCC R1VB1
VCC0.91.1mA R1
2、动态尖峰电流（P126）
影响： 1.使电源的平均电流增加； 2.尖峰电流较大时，将通过电源线和地线及电源的内阻形成 一个系统内部的噪声源。应抑制在允许的限度内。
二极管符号：
正极
＋ uD －
负极
D
+
+
ui
RL uo
－
－
开关电路
D
+
ui=0V －
+ RL uo
－
ui=0V 时的等效电路
D
+ +－
+
ui=5V 0.7V RL uo
－
－
ui=5V 时的等效电路
ui＝0V时，二极管截止， 如同开关断开， uo＝0V。
ui＝5V时，二极管导通， 如同0.7V的电压源， uo＝4.3V。
(b) TN截止、TP导通 (c) TN导通、TP截止
工作原理:
（1）uA＝0V时，TN截止，TP导通。输出电压uY＝VDD＝10V。 （2）uA＝10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY＝0V。
二、电压、电流传输特性
电压传输特性
AB 段： VI VGS ( TH )N
T1导通， T2截止 VO VOH VDD
二、电压的传输特性
AB段：截止V区 I 0.6V, VB1 1.3V T2、T5截止， T4导通VOH VCCVR2 VBE4 VD2 3.4V BC段：线性0区 .7V VI 1.3V T2导通且工作在放T大 5截区止，， T4导通， VI VO
CD 段：转折 VI 区 VTH1.4V, VB1 2.1V T2,T5同时导T通 4截， 止 ， VO迅速 VOL0 DE 段：饱和 VI继 区续 ，而 VO不变 VO VOL
二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。
3.2.2 二极管与门
3V
D1
A
D2 0V B
+VCC(+10V) R 3kΩ
Y
uA uB uY
D1 D2
0V 0V 0.7V 导通 导通
0V 3V 0.7V 导通 截止
3V 0V 0.7V 截止 导通
3V 3V 3.7V 导通 导通
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
Y=AB
A&
Y
B
3.2.3、二极管或门
AB
Y
00
0
01
1
10
1
11
1
uA uB
0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
uY
0V 2.3V 2.3V 2.3V
D1 D2 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
Y=A+B
A ≥1
Y B
3.3 TTL集成门电路
集成门电路按开关元件分类
三、低功耗肖特基系列
74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky
TTL） 3.5 其他类型的双极型数字集成电路* DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用 HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰好，已被
3.3.5 其他类型的TTL门电路
一、其他逻辑功能的门电路
1. 与非门
AB由 多 发 射 极 三 极 管 实 现 当A和B有 一 个0为 .2V时 ，VB1 0.9V,
T5截 止 ， T4导 通 ， VO VOH 1
当A和B同 为 高 电 平V时B1 ， 2.1V,
T4截 止 ， T2和T5导 通 ， VO VOL 0
3.3.1、三极管的开关特性
NPN 型 三 极 管 截 止 、 放 大 、 饱 和 3 种 工 作 状 态 的 特 点
工作状态 条件
偏置情况
工
作 集电极电流
特
点
ce 间 电 压
ce 间 等 效 电 阻
截止 iB＝ 0
发射结反偏 集电结反偏 uBE<0， uBC<0
iC＝ 0
uCE＝ VCC
很大， 相当开关断开
• 需要说明的几个问题： ① T2的输 VC2和 出 Ve2变化方,故 向称 相倒 ;反相级
输出级在稳态下，T4和T5总
② 有一个导通、一个截止;既
能降低功耗又提高了带负载 能力，称推拉式
③ D1抑制负向干扰
D2保证T2导通时 T4可靠地截止
三、输入噪声容限
在 VI偏V 离 IH 和 VIL 的一定范 VO围 基内 本， 不变； 在输出变化， 允允 许许 范输 围入 内称 的为 变输 化入 范噪 围声
放大 0＜ iB＜ IBS 发射结正偏 集电结反偏
uBE>0， u BC< 0
iC＝ β iB uCE＝ VCC－
iCR c
可变
饱和 iB＞ IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0， uBC>0
iC＝ ICS uCE＝ UCES＝
0.3V 很小， 相当开关闭合
+5V
1kΩ
YHale Waihona Puke Baidu
4.3kΩ
A
β =40 A
4.
速度提高t pd（( ns )
1 2
）的同时功耗也增加P(（mw)2倍 ）
二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）
1. 电路改进 (1) 采用抗饱和三极管 (2) 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 (3) 减小电阻值
(4) 2. 性能特点:速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大
CD 段： VI VDD VGS ( TH )P
T2导通， T1截止 VO VOL 0
BC 段： VGS ( TH )N V I V DD VGS ( TH )P
T1 ,T2同时导通
若T1 ,T2参数完全对称，
1
Y
电路图
逻辑符号
三极管临界饱和时的基极电流为：
IBS5400.130.12mA
iB＞IBS，三极管工作 在饱和状态。输出电 压uY＝UCES＝0.3V。
①uA＝0V时，三极管截止，iB＝0，iC＝0， 输出电压uY＝VCC＝5V
②uA＝5V时，三极管导通。基极电流为：
iB
50.7mA1mA 4.3
V V V NH
OH(min) IH(min)
V V V NL
IL(max) OL(max)
3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性 一.输入特性
输入电压与输入电流之间的关系曲线，即ii = f（Vi）
输入短路电流IIS
IISVCR C 1Vb1e54 0 K .71.0 7m 5A
3.1 概述 逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电
子电路，简称门电路。
基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、 与非门、或非门、与或非门和异或门等。
逻辑1和0： 电子电路中用高、低电平来表示。
获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件 的导通、截止（即开、关）两种工作状态。
3.2 半导体二极管门电路 3.2.1、二极管的开关特性
（a）正脉冲噪声容限
当输入信号为窄脉冲，且接 近于tpd时，为使输出状态改 变所需的脉冲幅度。交流噪声 容限远大于直流噪声容限。
（b）负脉冲噪声容限
三、电源的动态尖峰电流
VO VOL
VO VOH
1、两种静态下 载的 电电 流源 ：负
VOVO时 L ， T2,5导通 T4截 ，止 ICC LVCC R1VB1
IOL IiL2
IiL3
前级
因IL灌受限制，故负载数量有限。
三.输入负载特性:
输入端 “1”,“0”？
RI
Vi
即输入端通过电阻R接地时的特性
Ri较小时 Ri较大时
Vi=UT 时，T2、 T4导通，Vb1＝ 2.1V,使Vi钳在 1.4V。
RI Vi
Ri<0.7 KΩ, 使Vi＝VIL, T2、T5截止，T4、D导 通，VO=VOH, 反向器处于截止状态。 Ri >2.5KΩ, 使Vi >1.4V, T2、T5导通，T4、D截 止，VO=VOL, 反向器处于导通状态。
CMOS替代 ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统 I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路
3.4 CMOS门电路
+VDD RD
D uo G
3.4.1、场效应管的开关特性
iD(mA)
iD(mA)
uGS=10V 8V 6V
ui
S
4V
2V
工作原理电路
0
UT
uGS(V) 0
uDS(V)
转移特性曲线 输出特性曲线
二.输出特性
高 电
平
输
出
等
效
电
路
高 电 平 输 出 特 性
低 电 平 输 出 等 效 电 路
低电平输出特性
扇出系数 门电路输出驱动同类门的个数
因IL拉受限制，故负载数量有限。
IiH1
IiH2
IOH IiH3
前级输出为 高电平时—拉电流负载。
前级输出为 低电平时—灌电流负载。 IiL1
4. 异或门
二、集电极开路的门电路
1、推拉式输出电路结构的局限性 ① 输出电平不可调 ② 带载能力不强，尤其是高电平
输出 ③ 输出端不能并联使用
OC门
2、OC门的结构特点
输 出 端 OC 为 三 极T管 5，T5可 承 受 较 大 电 压 、 电 流 如 ， SN740:740m A/ 30V
二极管----晶体三极管逻辑门（DTL）
集
晶体三极管----晶体三极管逻辑门 （TTL）
成 双极型 射极耦合逻辑门 （ECL）
逻
集成注入逻辑门电路 （ I 2 L ）
辑
N沟道MOS门 (NMOS)
门 单极型(MOS型) P 沟道MOS门 (PMOS)
互补MOS门 (CMOS)
集成：把晶体管、电阻、和导线等封装在一个芯片上。
输入电流计算：
II
：
L
并
联
后
与
仅
一
个 相接 同地
II
：
H
每
个
值
相
同
，
并 加联 倍后
2. 或非门
3.与或非
两 个 完 全 一 样路 的 输 入 电 T2和T2的 输 出 并 联 A、B任 何 一1个 均为 使 T5导 通T， 4截 止 VO VOL
只 有 A、B同 为 0， 才T有 5截 止T， 4导 通 VO VOH 输 入 电 流 计I算 IH和时 IIL均，加 倍
A
Y
0
1
1
0
YA
•3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
一、电路结构
VCC 5V VIH 3.4V VIL 0.2V PN结 导 通 压 降VON 0.7V
VI VIL0.2V(A0) VO VOH(Y1)
VI VIH3.4V(A1) VO VOL(Y0)
OC门实现的线与
Y1、Y2有 一 个 Y即低为 低 ， 只 有，两 Y才者为同高高 YY1Y2 ABCDABCD
器件系列和 品种代号
陶瓷封装直插
工作温度范围： 0~70度
生产厂商
3.3.6 TTL数字集成电路的各种系列
一、高速系列74H/54H 1. 电路的改进:(1)输出级采用复合管（减小输出电阻Ro） 2. (2)减少各电阻值
标7系 准 4 列 tpd 1： n 0,P s1m 0 W
3. 2. 性能特点
3.3.4 TTL反相器的动态特性
一、传输延迟时间 1、现象： 导通延迟时间tPHL 截止延迟时间tPLH 传输延迟时间
tpdtPLH2tPHL
2、原 :结 因电D 容 和 T（ ）的,存 分在 布电容的
二、交流噪声容限
由于三极管的开关时间和分布电容 的充放电过程，输入信号状态变化时 必有足够的变化幅度和作用时间才能 使输出状态改变
输出端并联可实现“线 与”
三、三态输出门（Three state Output Gate ,TS）
输出有三个V状 OL,V态 OH，：高(Z阻 )
(1)EN0,P1,D截止，为“工作 Y状A态B” (2)EN1,P0,D导通，为“高阻 Y状Z态”
三态门的用途
74/54系列（标准系列）：如74 00 器件的命名请参照书后的附录 SN 74 XX 00 C D
Vi
1.4V
0
R
开门电阻 RON
在保证非门输出为低时， 允许输入电阻Ri的最小值。
当RI≥ RON时， 相当输入高电平。
RON＝2 .5KΩ
关门电阻 ROFF
在保证非门输出为高时，允许 输入电阻Ri的最大值。
当RI≤ ROFF时， 相当输入低电平。
ROFF＝0.7 KΩ
悬空的输入端（RI＝∞）相当于接 高电平。
截止状态 G
ui<UT
+VDD RD
导通状态
+VDD
RD
D uo=+VDD
G ui>UT
D uo≈0
S 开关时间
S
3.4.2 CMOS反相器的电路结构及工作原理
一.电路结构 +VDD
+10V
TP
uA
uY
+VDD
+10V RONP
uY 10V
S
+VDD
+10V
S
uY 0V
RONN
TN Y A
(a) 电路
VCCVC2 R2
3.4mA
VOVOH 时 ,T4没接负 ICC载 H VCC R1VB1
VCC0.91.1mA R1
2、动态尖峰电流（P126）
影响： 1.使电源的平均电流增加； 2.尖峰电流较大时，将通过电源线和地线及电源的内阻形成 一个系统内部的噪声源。应抑制在允许的限度内。
二极管符号：
正极
＋ uD －
负极
D
+
+
ui
RL uo
－
－
开关电路
D
+
ui=0V －
+ RL uo
－
ui=0V 时的等效电路
D
+ +－
+
ui=5V 0.7V RL uo
－
－
ui=5V 时的等效电路
ui＝0V时，二极管截止， 如同开关断开， uo＝0V。
ui＝5V时，二极管导通， 如同0.7V的电压源， uo＝4.3V。
(b) TN截止、TP导通 (c) TN导通、TP截止
工作原理:
（1）uA＝0V时，TN截止，TP导通。输出电压uY＝VDD＝10V。 （2）uA＝10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY＝0V。
二、电压、电流传输特性
电压传输特性
AB 段： VI VGS ( TH )N
T1导通， T2截止 VO VOH VDD
二、电压的传输特性
AB段：截止V区 I 0.6V, VB1 1.3V T2、T5截止， T4导通VOH VCCVR2 VBE4 VD2 3.4V BC段：线性0区 .7V VI 1.3V T2导通且工作在放T大 5截区止，， T4导通， VI VO
CD 段：转折 VI 区 VTH1.4V, VB1 2.1V T2,T5同时导T通 4截， 止 ， VO迅速 VOL0 DE 段：饱和 VI继 区续 ，而 VO不变 VO VOL
二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。
3.2.2 二极管与门
3V
D1
A
D2 0V B
+VCC(+10V) R 3kΩ
Y
uA uB uY
D1 D2
0V 0V 0.7V 导通 导通
0V 3V 0.7V 导通 截止
3V 0V 0.7V 截止 导通
3V 3V 3.7V 导通 导通
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
Y=AB
A&
Y
B
3.2.3、二极管或门
AB
Y
00
0
01
1
10
1
11
1
uA uB
0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V
uY
0V 2.3V 2.3V 2.3V
D1 D2 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
Y=A+B
A ≥1
Y B
3.3 TTL集成门电路
集成门电路按开关元件分类
三、低功耗肖特基系列
74LS/54LS （Low-Power Schottky TTL） 四、74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky
TTL） 3.5 其他类型的双极型数字集成电路* DTL：输入为二极管门电路，速度低，已经不用 HTL：电源电压高，Vth高，抗干扰好，已被
3.3.5 其他类型的TTL门电路
一、其他逻辑功能的门电路
1. 与非门
AB由 多 发 射 极 三 极 管 实 现 当A和B有 一 个0为 .2V时 ，VB1 0.9V,
T5截 止 ， T4导 通 ， VO VOH 1
当A和B同 为 高 电 平V时B1 ， 2.1V,
T4截 止 ， T2和T5导 通 ， VO VOL 0
3.3.1、三极管的开关特性
NPN 型 三 极 管 截 止 、 放 大 、 饱 和 3 种 工 作 状 态 的 特 点
工作状态 条件
偏置情况
工
作 集电极电流
特
点
ce 间 电 压
ce 间 等 效 电 阻
截止 iB＝ 0
发射结反偏 集电结反偏 uBE<0， uBC<0
iC＝ 0
uCE＝ VCC
很大， 相当开关断开
• 需要说明的几个问题： ① T2的输 VC2和 出 Ve2变化方,故 向称 相倒 ;反相级
输出级在稳态下，T4和T5总
② 有一个导通、一个截止;既
能降低功耗又提高了带负载 能力，称推拉式
③ D1抑制负向干扰
D2保证T2导通时 T4可靠地截止
三、输入噪声容限
在 VI偏V 离 IH 和 VIL 的一定范 VO围 基内 本， 不变； 在输出变化， 允允 许许 范输 围入 内称 的为 变输 化入 范噪 围声
放大 0＜ iB＜ IBS 发射结正偏 集电结反偏
uBE>0， u BC< 0
iC＝ β iB uCE＝ VCC－
iCR c
可变
饱和 iB＞ IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0， uBC>0
iC＝ ICS uCE＝ UCES＝
0.3V 很小， 相当开关闭合
+5V
1kΩ
YHale Waihona Puke Baidu
4.3kΩ
A
β =40 A
4.
速度提高t pd（( ns )
1 2
）的同时功耗也增加P(（mw)2倍 ）
二、肖特基系列74S/54S（Schottky TTL）
1. 电路改进 (1) 采用抗饱和三极管 (2) 用有源泄放电路代替74H系列中的R3 (3) 减小电阻值
(4) 2. 性能特点:速度进一步提高，电压传输特性没有线性区，功耗增大
CD 段： VI VDD VGS ( TH )P
T2导通， T1截止 VO VOL 0
BC 段： VGS ( TH )N V I V DD VGS ( TH )P
T1 ,T2同时导通
若T1 ,T2参数完全对称，
1
Y
电路图
逻辑符号
三极管临界饱和时的基极电流为：
IBS5400.130.12mA
iB＞IBS，三极管工作 在饱和状态。输出电 压uY＝UCES＝0.3V。
①uA＝0V时，三极管截止，iB＝0，iC＝0， 输出电压uY＝VCC＝5V
②uA＝5V时，三极管导通。基极电流为：
iB
50.7mA1mA 4.3
V V V NH
OH(min) IH(min)
V V V NL
IL(max) OL(max)
3.3.3 TTL反相器的静态输入特性和输出特性 一.输入特性
输入电压与输入电流之间的关系曲线，即ii = f（Vi）
输入短路电流IIS
IISVCR C 1Vb1e54 0 K .71.0 7m 5A
3.1 概述 逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电
子电路，简称门电路。
基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、 与非门、或非门、与或非门和异或门等。
逻辑1和0： 电子电路中用高、低电平来表示。
获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件 的导通、截止（即开、关）两种工作状态。
3.2 半导体二极管门电路 3.2.1、二极管的开关特性
（a）正脉冲噪声容限
当输入信号为窄脉冲，且接 近于tpd时，为使输出状态改 变所需的脉冲幅度。交流噪声 容限远大于直流噪声容限。
（b）负脉冲噪声容限
三、电源的动态尖峰电流
VO VOL
VO VOH
1、两种静态下 载的 电电 流源 ：负
VOVO时 L ， T2,5导通 T4截 ，止 ICC LVCC R1VB1
IOL IiL2
IiL3
前级
因IL灌受限制，故负载数量有限。
三.输入负载特性:
输入端 “1”,“0”？
RI
Vi
即输入端通过电阻R接地时的特性
Ri较小时 Ri较大时
Vi=UT 时，T2、 T4导通，Vb1＝ 2.1V,使Vi钳在 1.4V。
RI Vi
Ri<0.7 KΩ, 使Vi＝VIL, T2、T5截止，T4、D导 通，VO=VOH, 反向器处于截止状态。 Ri >2.5KΩ, 使Vi >1.4V, T2、T5导通，T4、D截 止，VO=VOL, 反向器处于导通状态。
CMOS替代 ECL：非饱和逻辑，速度快，用于高速系统 I2L：属饱和逻辑，电路简单，用于LSI内部电路
3.4 CMOS门电路
+VDD RD
D uo G
3.4.1、场效应管的开关特性
iD(mA)
iD(mA)
uGS=10V 8V 6V
ui
S
4V
2V
工作原理电路
0
UT
uGS(V) 0
uDS(V)
转移特性曲线 输出特性曲线
二.输出特性
高 电
平
输
出
等
效
电
路
高 电 平 输 出 特 性
低 电 平 输 出 等 效 电 路
低电平输出特性
扇出系数 门电路输出驱动同类门的个数
因IL拉受限制，故负载数量有限。
IiH1
IiH2
IOH IiH3
前级输出为 高电平时—拉电流负载。
前级输出为 低电平时—灌电流负载。 IiL1
4. 异或门
二、集电极开路的门电路
1、推拉式输出电路结构的局限性 ① 输出电平不可调 ② 带载能力不强，尤其是高电平
输出 ③ 输出端不能并联使用
OC门
2、OC门的结构特点
输 出 端 OC 为 三 极T管 5，T5可 承 受 较 大 电 压 、 电 流 如 ， SN740:740m A/ 30V
二极管----晶体三极管逻辑门（DTL）
集
晶体三极管----晶体三极管逻辑门 （TTL）
成 双极型 射极耦合逻辑门 （ECL）
逻
集成注入逻辑门电路 （ I 2 L ）
辑
N沟道MOS门 (NMOS)
门 单极型(MOS型) P 沟道MOS门 (PMOS)
互补MOS门 (CMOS)
集成：把晶体管、电阻、和导线等封装在一个芯片上。
输入电流计算：
II
：
L
并
联
后
与
仅
一
个 相接 同地
II
：
H
每
个
值
相
同
，
并 加联 倍后
2. 或非门
3.与或非
两 个 完 全 一 样路 的 输 入 电 T2和T2的 输 出 并 联 A、B任 何 一1个 均为 使 T5导 通T， 4截 止 VO VOL
只 有 A、B同 为 0， 才T有 5截 止T， 4导 通 VO VOH 输 入 电 流 计I算 IH和时 IIL均，加 倍
A
Y
0
1
1
0
YA
•3.3.2 TTL反相器的电路结构和工作原理
一、电路结构
VCC 5V VIH 3.4V VIL 0.2V PN结 导 通 压 降VON 0.7V
VI VIL0.2V(A0) VO VOH(Y1)
VI VIH3.4V(A1) VO VOL(Y0)