数字电路第三章
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3-15
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
常见的TTL门电路系列有： ❖标准通用系列 CT54/74××系列 ❖高速系列 CT54H/74H××系列 ❖肖特基系列 CT54S/74S××系列 ❖低耗肖特基系 CT54LS/74LS××系列
54系列(军用)：电源电压 (5±0.5)V，使用环 境温度范围－55℃～＋125 ℃
晶体二极管在导通和截止间转换时， 呈现的瞬态开关特性，其内在机理在于 二极管的等效势垒电容和结电容的充、 放电过程，即电荷的积累和消散过程需 要一定时间。常用正向恢复时间和反向 恢复时间来表征二极管的开关速度
3-8
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的开关应用
限幅电路和 钳位电路（自学）
二极管门电路
V V CC
CE ( Sat )
RC
V V V CC
CE ( Sat )
CC
i = ≈ C
R R C
C
vO= vCE(Sat) ≈0.3V
正偏
正偏
很小
3-11
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的瞬态开关特性
晶体三极管在饱和状态与截止状态之 间转换时呈现的开关特性称为瞬态开关 特性
晶体三极管从截止状态转向饱和状态 所需时间称为开通时间ton (包括延迟时 间td和上升时间tr)；从饱和状态转向截 止状态所需时间称为关断时间toff (包括 存储时间ts和下降时间tf）
第 3章 集成逻辑门
3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL集成逻辑门 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路
3-1
用以实现基本逻辑关系的电子电路称为 逻辑门电路
常用的逻辑门有与门、或门、非门等 本章是全课程的器件基础，介绍基本 开关元件的开关特性和最常用的TTL集 成逻辑门及CMOS集成逻辑门的工作原 理和主要外部特性
iD
－
R
VZ IS 0 Vth
vD
当晶体二极管反偏截止时，iD＝－IS≠0；正 偏导通时，vD=Vth≈0.7V≠0；在截止和导通之间 转换时决不可能在瞬间完成； 而且iD和vD都 还会随温度等环境条件的变化而变化，显然
晶体二极管不是理想开关
3-6
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管稳态开关特性近似分析
+12V
D1 A
B D2
C D3
F＝ABC
与门
D1 A
D2 B
C D3
－12V
F＝A＋B＋C
或门
3-9
3.1.2 晶体三极管开关特性
晶体三极管作为开关元件时，其优点 在于具有增益，可以用基极微小信号控 制集电极和发射极间的通、断，并具有 一定的带负载能力
晶体三极管作为开关元件时，电路大 多连接成共发射极组态，总是工作在饱 和状态和截止状态，而放大状态仅仅是 一种过渡状态
3-18
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
A、B、C中至少有一个为低电平时
74系列(民用)：电源电压 (5±0.25)V， 使用 环境温度范围 0℃～＋70 ℃
TTL门电路的标称逻辑高电平是3.6V 逻辑低电平是0.3V
3-16
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL与非门CT5410/7410典型电路 VCC
多发射极
R1 4kW
晶体管
R2 1.6kW
(+5V) R4
iD 硅二极管 iD
VD＝0.7V
锗二极管
VD＝0.3V
0
vD
0
vD
iD
0
vD
rD VD
模拟电子电路 中晶体二极管 的等效电路
VD
数字电路中晶 体二极管的等 效电路
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
完全理想化晶 体二极管的等 效电路
3-7
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的瞬态开关特性
电路处于瞬变状态下，二极管呈现的 特性称为瞬态开关特性
3-3
3.1.1 晶体二极管开关特性
具有接通或断开电路功能的元件称为 开关，它所具有的伏安特性就是开关特 性
晶体二极管是一种开关元件，在一定 条件下可以近似当成一个理想开关来分 析。但是在严格的电路分析时或高速开 关电路中则不能当成理想开关
3-4
3.1.1 晶体二极管开关特性
理想开关特性
i
＋
S
Vi
R
－
0
v
❖开关断开时，通过开关的电流 i＝0，开关两
端点间呈现的的电阻为无穷大
❖ 开关闭合时，开关两端的电压为 v= 0，开
关两端点间呈现的的电阻为零
❖ 开关的接通或断开动作瞬间完成
❖ 上述开关特性不受其它因素(如温度等)影响
3-5
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的稳态开关特性
iD D
＋
v
3-10
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的稳态开关特性
工作状态
条
偏置
件 基极电流
集电极电流 特
C－E 间压降
B－C 结状态 点 B－E 结状态
C－E 间电阻
截止 vBE≤ 0.5V,vB＜ vC
iB≈0
iC≈0
vO= vCE ≈ VCC
反偏 反偏 很大
饱和
vBE≥ 0.7V,vB＞ vC
iB ≥ IBS=
3-2
3.1 晶体管的开关特性
晶体管是电子电路中最常见的半导体 器件。在逻辑门电路中，晶体二极管、 三极管及MOS管都工作在开关状态，利 用它们的接通状态和断开状态或输出低 电平和高电平分别表示二值逻辑的0和1。 在电路中，晶体管处于接通、断开状态 时，以及在两种状态之间转换时所呈现 的特性称为晶体管的开关特性
130W
T3
推拉式 输出级
A
T1
T2
D4
Y
B
T4
保护 C
R3
二极管
1kW
输入级 D1 D2 D3
中间级
输出级
3-17
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL与非门CT5410/7410的特点
多发射极晶体管的作用是 +5V
实现与运算
+5V
R1
R1
A
B1
C1
A
B
B
T1
C
C
推拉式输出级有助于提高开关速度和 增强电路带负载能力
3-12
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的开关应用
晶体三极管反相器（非门）
+VCC
vO
Cj
vI
R1
RC vO VCC
放 大
截
饱
止
和
R2
-VBB
0.3V 0 电压传输特性
vI
3-13
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的开关应用
晶体三极管反相器正常工作条件
设输入高、低电平分别是VH和VL则
截止条件是： 饱和条件是：
iB
vBE i1
V≤L0
VL R1
VBB R2
R1
i2≥
I BS
VCC 0.7 RC
i1
VH
0.7 R1
i2
0.7 VBB R2
3-14
3.2 TTL集成逻辑门 TTL(Transistor-Transistor
Logic)
即晶体管－晶体管逻辑电路，数字电 路中一类最常见的双极型集成逻辑门。
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
常见的TTL门电路系列有： ❖标准通用系列 CT54/74××系列 ❖高速系列 CT54H/74H××系列 ❖肖特基系列 CT54S/74S××系列 ❖低耗肖特基系 CT54LS/74LS××系列
54系列(军用)：电源电压 (5±0.5)V，使用环 境温度范围－55℃～＋125 ℃
晶体二极管在导通和截止间转换时， 呈现的瞬态开关特性，其内在机理在于 二极管的等效势垒电容和结电容的充、 放电过程，即电荷的积累和消散过程需 要一定时间。常用正向恢复时间和反向 恢复时间来表征二极管的开关速度
3-8
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的开关应用
限幅电路和 钳位电路（自学）
二极管门电路
V V CC
CE ( Sat )
RC
V V V CC
CE ( Sat )
CC
i = ≈ C
R R C
C
vO= vCE(Sat) ≈0.3V
正偏
正偏
很小
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3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的瞬态开关特性
晶体三极管在饱和状态与截止状态之 间转换时呈现的开关特性称为瞬态开关 特性
晶体三极管从截止状态转向饱和状态 所需时间称为开通时间ton (包括延迟时 间td和上升时间tr)；从饱和状态转向截 止状态所需时间称为关断时间toff (包括 存储时间ts和下降时间tf）
第 3章 集成逻辑门
3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL集成逻辑门 3.4 MOS逻辑门 3.5 CMOS电路
3-1
用以实现基本逻辑关系的电子电路称为 逻辑门电路
常用的逻辑门有与门、或门、非门等 本章是全课程的器件基础，介绍基本 开关元件的开关特性和最常用的TTL集 成逻辑门及CMOS集成逻辑门的工作原 理和主要外部特性
iD
－
R
VZ IS 0 Vth
vD
当晶体二极管反偏截止时，iD＝－IS≠0；正 偏导通时，vD=Vth≈0.7V≠0；在截止和导通之间 转换时决不可能在瞬间完成； 而且iD和vD都 还会随温度等环境条件的变化而变化，显然
晶体二极管不是理想开关
3-6
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管稳态开关特性近似分析
+12V
D1 A
B D2
C D3
F＝ABC
与门
D1 A
D2 B
C D3
－12V
F＝A＋B＋C
或门
3-9
3.1.2 晶体三极管开关特性
晶体三极管作为开关元件时，其优点 在于具有增益，可以用基极微小信号控 制集电极和发射极间的通、断，并具有 一定的带负载能力
晶体三极管作为开关元件时，电路大 多连接成共发射极组态，总是工作在饱 和状态和截止状态，而放大状态仅仅是 一种过渡状态
3-18
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
A、B、C中至少有一个为低电平时
74系列(民用)：电源电压 (5±0.25)V， 使用 环境温度范围 0℃～＋70 ℃
TTL门电路的标称逻辑高电平是3.6V 逻辑低电平是0.3V
3-16
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL与非门CT5410/7410典型电路 VCC
多发射极
R1 4kW
晶体管
R2 1.6kW
(+5V) R4
iD 硅二极管 iD
VD＝0.7V
锗二极管
VD＝0.3V
0
vD
0
vD
iD
0
vD
rD VD
模拟电子电路 中晶体二极管 的等效电路
VD
数字电路中晶 体二极管的等 效电路
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
完全理想化晶 体二极管的等 效电路
3-7
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的瞬态开关特性
电路处于瞬变状态下，二极管呈现的 特性称为瞬态开关特性
3-3
3.1.1 晶体二极管开关特性
具有接通或断开电路功能的元件称为 开关，它所具有的伏安特性就是开关特 性
晶体二极管是一种开关元件，在一定 条件下可以近似当成一个理想开关来分 析。但是在严格的电路分析时或高速开 关电路中则不能当成理想开关
3-4
3.1.1 晶体二极管开关特性
理想开关特性
i
＋
S
Vi
R
－
0
v
❖开关断开时，通过开关的电流 i＝0，开关两
端点间呈现的的电阻为无穷大
❖ 开关闭合时，开关两端的电压为 v= 0，开
关两端点间呈现的的电阻为零
❖ 开关的接通或断开动作瞬间完成
❖ 上述开关特性不受其它因素(如温度等)影响
3-5
3.1.1 晶体二极管开关特性
晶体二极管的稳态开关特性
iD D
＋
v
3-10
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的稳态开关特性
工作状态
条
偏置
件 基极电流
集电极电流 特
C－E 间压降
B－C 结状态 点 B－E 结状态
C－E 间电阻
截止 vBE≤ 0.5V,vB＜ vC
iB≈0
iC≈0
vO= vCE ≈ VCC
反偏 反偏 很大
饱和
vBE≥ 0.7V,vB＞ vC
iB ≥ IBS=
3-2
3.1 晶体管的开关特性
晶体管是电子电路中最常见的半导体 器件。在逻辑门电路中，晶体二极管、 三极管及MOS管都工作在开关状态，利 用它们的接通状态和断开状态或输出低 电平和高电平分别表示二值逻辑的0和1。 在电路中，晶体管处于接通、断开状态 时，以及在两种状态之间转换时所呈现 的特性称为晶体管的开关特性
130W
T3
推拉式 输出级
A
T1
T2
D4
Y
B
T4
保护 C
R3
二极管
1kW
输入级 D1 D2 D3
中间级
输出级
3-17
3.2.1 晶体管－晶体管逻辑门电路
TTL与非门CT5410/7410的特点
多发射极晶体管的作用是 +5V
实现与运算
+5V
R1
R1
A
B1
C1
A
B
B
T1
C
C
推拉式输出级有助于提高开关速度和 增强电路带负载能力
3-12
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的开关应用
晶体三极管反相器（非门）
+VCC
vO
Cj
vI
R1
RC vO VCC
放 大
截
饱
止
和
R2
-VBB
0.3V 0 电压传输特性
vI
3-13
3.1.1 晶体三极管开关特性
晶体三极管的开关应用
晶体三极管反相器正常工作条件
设输入高、低电平分别是VH和VL则
截止条件是： 饱和条件是：
iB
vBE i1
V≤L0
VL R1
VBB R2
R1
i2≥
I BS
VCC 0.7 RC
i1
VH
0.7 R1
i2
0.7 VBB R2
3-14
3.2 TTL集成逻辑门 TTL(Transistor-Transistor
Logic)
即晶体管－晶体管逻辑电路，数字电 路中一类最常见的双极型集成逻辑门。