数字电子技术教材5

阈值电压 Uth 转折区中点对应的输入电压， 中点对应的输入电压 转折区 中点 对应的输入电压， 又称门限电压。典型值为1.4V 又称门限电压。典型值为 近似分析时认为 时认为： 近似分析时认为： uI > Uth（高电平），则与非门开通，输出低电平 OL； 高电平），则与非门开通，输出低电平U ），则与非门开通 uI < Uth（低电平），则与非门关闭， 输出高电平 OH。 低电平），则与非门关闭， 输出高电平U ），则与非门关闭
逻辑门电路
下图中， [例] 下图中，已知 ROFF ≈ 800 Ω，RON ≈ 3 kΩ，试对应 Ω 输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。 与非门的输出波形。 输入波形定性画出 与非门的输出波形
A 3.6 V
逻辑0 逻辑 (a) )
逻辑1 逻辑
0.3 V O Ya t
b) (b)
解：图(a)中，RI = 300 Ω < ROFF ≈ 800 Ω ) 相应输入端相当于输入低电平， 相应输入端相当于输入低电平， O 也即相当于输入逻辑 0 。 Yb TTL 系列， RON、 ROFF 不同。 系列， 不同因此 Y 输出恒为高电平 不同。 、 UOH 。 a 图(b)中，RI = 5.1 kΩ > RON ≈ 3 kΩ ) Ω Ω 相应输入端相当于输入高电平， 相应输入端相当于输入高电平， 也即相当于输入逻辑 1 。 Yb = A ⋅ 1 = A 因此，可画出波形如图所示。 因此，可画出波形如图所示。
输入短路电流I 输入短路电流 IS
当VI = 0V时， IIS = −(VCC − v BE1 )/R 1 = −(5 − 0.7)/3 × 10 = − 1.4mA
3
当VI = V IH = 3.6V时，v ∴ 输入电流I IH 非常小 输入电流I IIH(max) ≈ 10μA
B1
= 2.1V,
OC门（TTL） 门 ） OD门（CMOS） 门 ）
EXIT
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2.1 TTL 集成门电路
集成与非门工作原理 二、TTL 集成与非门工作原理
1、电路组成 输出级 由T2和电阻 中间级由 1 输入级由 中间级 输入级 R2、R3组成，从T 组成。它实现了 。 1组成组成， 由T3、T4、T5、R42 、 的集电极和发射极 的逻辑关系。 与的逻辑关系。利 构成推拉式 推拉式的 和R 构成推拉式的 同时输出 输出两个相位 同时输出 用多发射极三极管 输出级。 两个相位 输出级。能有效地 相反的信号 的信号， 相反的信号，作为 有利于提高门电路 降低输出级的静态 的工作速度。 T3和T5输出级的驱 的工作速度。 功耗并提高了驱动 动信号； 动信号； 负载的能力。 负载的能力。 输入级 中间级 输出级 EXIT
逻辑门电路
门电路的常用类型
按逻辑功能不同分 指用以实现基本逻辑关系和 门电路 (Gate Circuit) 常用复合逻辑关系的电子电路。 常用复合逻辑关系的电子电路。 与门 或门 非门 异或门 与非门 或非门 与或非门 按电路结构不同分 是构成数字电路的基本单元之一 CMOS 集成门电路 用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。 管构成的逻辑门电路。
逻辑门电路
（2）当输入全为高电平时 ）
当输入由低电平开始上升时 →VB1↑，当VB1=2.1V时 ， 时 T2、T5饱和导通 T1：倒置状态 VC2≈0.7+0.1=0.8V T3和T4截止 使输出为低电平 VY=VCES5≈0.2V
输入 全高电平
T1 倒置
T2 饱和
T3 截止
T4 截止
T5 饱和
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2. 输入特性
结论：无论输入为高电平还是低电平，输入电流都不等于零。 结论：无论输入为高电平还是低电平，输入电流都不等于零。 而且空载下的电源电流也比较大。由于TTL电路的功耗比较大， 电路的功耗比较大， 而且空载下的电源电流也比较大。由于 电路的功耗比较大 所以难以做成大规模集成电路。 所以难以做成大规模集成电路。 使用时应注意输入 电压不能过大， 电压不能过大，否 则将损坏输入级发 射结。 射结。
EXIT
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与电压传输特性相关的参数： 电压传输特性相关的参数： 输入噪声容限 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值， 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会 影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限 噪声容限。 影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。噪声 容限越大，抗干扰能力越强。 容限越大，抗干扰能力越强。 输入低电平噪声容限 UNL 指输入低电平时， 指输入低电平时，允许的 最大正向噪声电压。 正向噪声电压 最大正向噪声电压。 UNL = UOFF – UIL 输入高电平噪声容限 UNH 指输入高电平时， 指输入高电平时，允许的 负向噪声电压 最大负向噪声电压。 最大负向噪声电压。 UNH = UIH – UON EXIT
EXIT
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与电压传输特性相关的参数： 电压传输特性相关的参数： 关门电平 UOFF
指在保证输出为额定高电平的 指在保证输出为额定高电平的 额定高电平的90%，门关闭的条件下，允许输入低电平 ，门关闭的条件下， 的最大值。 典型值为1.0V 的最大值。 典型值为
开门电平 UON
指输出端带额定负载， 在保证门开启 ， 指输出端带额定负载 ， 在保证门开启， 输出为额定 额定低电平时所允许输入高电平的 输出为 额定 低电平时所允许输入高电平的 最小值。 最小值。 典型值为1.5V 典型值为
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6.
静态功耗与功耗静态功耗与功耗-延迟积 功耗 静态功耗
ICCL＋ICCH P = VCC 0 2
性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的 性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的 功耗低 特点，然而这两者矛盾。 特点，然而这两者矛盾。 的乘积( 常用功耗 P 和平均传输延迟时间 tpd 的乘积(简称 延迟积) 综合评价门电路的性能， 功耗 – 延迟积)来综合评价门电路的性能，即 M = P0 tpd M 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。 EXIT
5
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2、工作原理
（1）当输入中有低电平时 T1 深度饱和 VCC − vB1 iB1 = ≈ 1.4 m A R1
I BS1 = 0 iB1 >> I BS1
T2 、 T5截止，T3 、T4导通 截止， 使输出为高电平 VY ≈ VCC-VBE3-VBE4 ≈3.6V 输入 有低电平 T1 饱和 T2 截止 T3 饱和 T4 导通 T5 截止 输出 高电平 EXIT
与非门处于开态时 的输出电阻约为 10~20Ω。 Ω
当负载电流增加时， 逐渐下降。 当负载电流增加时，VOH逐渐下降。 74系列门电路的运用条件规定 系列门电路的运用条件规定， 74系列门电路的运用条件规定，IOHmax=0.4mA。 =0.4mA。 当负载电流增加时，VOL逐渐升高。 当负载电流增加时， 逐渐升高。 74系列门电路的运用条件规定， 16mA mA。 74系列门电路的运用条件规定， IOLmax=16mA。 系列门电路的运用条件规定
扇出系数越大，负载能力越强。 扇出系数越大，负载能力越强。 EXIT
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5.
传输延迟时间 输入信号 0.5 UIm UIm
输出信号 0.5 UOm
UOm
tPHL tPLH 输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿 0.5 Uom 处间隔的时间称导通延迟时间 L 处间隔的时间称导通延迟时间 tPHL。 由于三极管存在开关时间，元 、 器件 由于三极管存在开关时间， 输入电压波形下降沿 0.5 UIm 处到输出电压上升沿 0.5 Uom 及连线存在一定的寄生电容， 及连线存在一定的寄生电容 处间隔的时间称截止延迟时间 ， 因此输入矩 处间隔的时间称截止延迟时间 tPLH。 形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。 形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。 平均传输延迟时间 tpd tpd 越小，则门电 越小， t +t 路开关速度越高， 路开关速度越高，工 tpd = PHL PLH 2 作频率越高。 作频率越高。 EXIT
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五、TTL 门电路 的其它类型
1、集电极开路门（OC门） 集电极开路门（OC门
（1）电路、逻辑符号和工作原理 ）电路、
推拉式输出结构 的门电路禁止输 出端并联使用。 出端并联使用。 工作原理
输入都为高电平时， 输入都为高电平时， T2 和 T5 饱和导通，输出 饱和导通， 为低电平 UOL VCC V 。 VC 可以等于 ≈ 0.3 输入有低电平时， 输入有低电平时， 也可不等于 VCC外接 T2 使用时需外接 使用时需 截止， 和 T5 截止，输出为高电平 上拉电阻 RL UOH ≈ VC 。 因此具有与非功能。 因此具有与非功能。 与非功能 OC门 门
处于“倒置”状态， 小于0 T1处于“倒置”状态，β 小于0.01
EXIT
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3. 输入负载特性
uI /V 1.4 1.1 UOFF N F
0
ROFF
Baidu Nhomakorabea
RON
R1/kΩ Ω
输入负载特性测试电路
输入负载特性曲线 输入负载特性曲线
ROFF 称关门电阻。RI < ROFF 时，相应输入端相 称关门电阻。 当于输入低电平。典型值R 当于输入低电平。典型值 OFF ≈ 700 Ω。 RON 称开门电阻。RI > RON 时，相应输入端相当 称开门电阻。 于输入高电平。典型值R 于输入高电平。典型值 ON ≈ 2kΩ。 Ω EXIT
EXIT
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注意： 需要驱动较大的负载电流时，要用输出低电平去驱动。 较大的负载电流时 低电平去驱动 注意： 需要驱动较大的负载电流时，要用输出低电平去驱动。
带灌电流负 载门的个数 称输出低电 平扇出系数 IOL (max) NOL= IIL
带拉电流负 载门的个数 称输出高电 平扇出系数 IOH (max) NOH= IIH
注意
门才能实现线与。 只有 OC 门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联 否则可能损坏器件。 不能并联， 门输出端不能并联，否则可能损坏器件。
EXIT
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② 实现电平转换 TTL 与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不 与非门有时需要驱动其他种类门电路， 同种类门电路的高低电平标准不一样。 同种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC 门就 可以适应负载门对电平的要求。 可以适应负载门对电平的要求。
TTL 集成门电路 输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。 三极管的逻辑门电路。
CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 即 Transistor-Transistor Logic 按功能特点不同分 普通门 输出 三态门 CMOS 推拉式输出) (推拉式输出) 开路门 传输门
EXIT
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（2）应用
① 实现线与 门的输出端直接相连， 两个或多个 OC 门的输出端直接相连， 相当于将这些输出信号相与，称为线与 线与。 相当于将这些输出信号相与，称为线与。
Y
Y = AB ⋅ CD = AB +。 相当于与门作用。 相当于与门作用 CD 因为 Y1、Y2 中有低电 平时， 为低电平； 平时，Y 为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，Y 均为高电平时， 才为高电平， 才为高电平，故 Y = Y1 · Y2。
输出 低电平 EXIT
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三 、TTL 与非门的外特性及参数
1. 电压传输特性 电压传输特性是指输入电压从零逐渐增加到高电平时， 电压传输特性是指输入电压从零逐渐增加到高电平时，输 出电压随之变化的特性，通常用电压传输特性曲线来表示。 出电压随之变化的特性，通常用电压传输特性曲线来表示。 AB段：截止区 段 BC段：线性区 段 CD段：转折区 段 DE段：饱和区 段
O
UOH
t
t
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4. 输出负载特性
注意： 注意：输出端不允许直接接地或直接接 +5V，否则将损坏输出级。 ，否则将损坏输出级。
（1）高电平输出特性（拉电流特性） 高电平输出特性（拉电流特性） 低电平输出特性（灌电流负载特性） （2）低电平输出特性（灌电流负载特性）
与非门处于关闭状 态时的输出电阻约 为100Ω左右。 Ω左右。