第二章 门电路

于饱和。使输出 UO 为低电平。所以把 CD 段称转折区或过渡区。
（4）DE 段。当 UI≥1.4V 时, T2、T5 饱和，T4 截止，输出为低电平。与非 门处于饱和状态。 所以把 DE 段称饱和区。
2. 主要参数
（1）输出高电平 UOH 和输出低电平 UOL。电压传输特性曲线截止区的输出电
压为 UOH，饱和区的输出电压为 UOL。一般产品规定 UOH≥2.4V，UOL＜0.4 V。
T1 倒置工作时的反向漏电流。其值很小，约为 10μA。 (7) 扇出系数 N。扇出系数是以同一型号的与非门作为负载时，一个与非门
能够驱动同类与非门的最大数目，通常 N≥8。
（8）平均延迟时间 tpd。平均延迟时间指输出信号滞后于输入信号的时间， 它是表示开关速度的参数， 如图 2.6 所示。从输入波形上升沿的中点到输出波
典型TTL
10 ns / 10 mW
H系列TTL
6 ns / 22 mW
S系列TTL
3 ns / 20 mW
AS系列TTL
1.5 ns / 22 mW
L系列TTL
33 ns / 1 mW
LS系列TTL
5 ns / 2 mW
ALS系列TTL
4 ns / 1 mW
图 2.8 各种系列的 TTL 门电路
LS 系列 TTL 门 tpd＜5ns，而功耗 2mW，因而得到广泛应用。 我国 TTL 集成电路目前有 CT54/74（普通）、CT54/74H（高速）、 CT54/74S
2.2 TTL 集成门电路
TTL集成与非门电路在实际中应用非常广泛。如一个由与非门构成的多数 表决器。电路输入输出间逻辑关系如表2·1所示
表2·1 多路表决器真值表
A
&
B
& C
&
& Y
图 2·1 多路表决器逻辑图
2.2.1 TTL与非门的工作原理 1． 电路组成
A
B
C
Y
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
(5) 输入短路电流 IIS。当 UI=0 时，流经这个输入端的电流称为输入短路电
流 IIS。在如图 2.5 所示电路中，
IIS=
− UCC −UBE1 = − 5 − 0.7
R1
3
≈-1.4 mA
输入短路电流的典型值约为-1.5mA 。
图 2.5 IIS 的计算
图 2.6 延迟时间
(6) 输入漏电流 IIH。当 UI＞Uth时, 流经输入端的电流称为输入漏电流 IIH，即
（肖特基）和 CT54/74LS(低功耗）等四个系列国家标准的集成门电路。它们的 主要性能指标如表 2.4 所示。在 TTL 门电路中，无论是哪一种系列，只要器件品 名相同, 那么器件功能就相同，只是性能不同。
表2.4 TTL各系列集成门电路主要性能指标
电路型号
参数名称
CT74系列
电源电压/V
UOH(min)/V UOL(max)/V 逻辑摆幅/V 每门功耗/mW 每门传输延时/ns 最高工作频率 扇出系数 抗干扰能力
噪声容限是指在保证输出为高电平的前提下，允许叠加在输入低电平 UIL 上的最
大正向干扰（或噪声）电压。用 UNL 表示:
UNL = UOFF – UIL
高电平噪声容限是指在保证输出为低电平的前提下，允许叠加在输入高电
平 UIH 上的最大负向干扰（或噪声）电压。 用 UNH 表示：
UNH = UIH - UON
到 Y2，到导通门的 T5 管，如图 2.10 所示。这个电流不 仅会使导通门的输出电平抬高而破坏电路的逻辑关系， 还会因功耗过大而损坏该门电路。
A
& Y1
B
Y
C
&
D
Y2
＋UCC
R5
T3
T4
Y1
T5 UCC
R5
T2
T4
Y2
T5
UOL
图2.9 与非门的线与连接图
图2.10 TTL与非门直接线与的情况
为了能使 TTL 门直接相连，实现线与功能，制成集电极开路的 TTL 与非门，
2.1 概 述
问题引入 (introduction)
• 逻辑代数如何在实际应用中体现？
1．门电路：逻辑门电路是指能够实现各种基本逻辑关系的电路， 简称“门 电路”或逻辑元件。最基本的门电路是与门、或门和非门。
2．在逻辑电路中, 逻辑事件的是与否用电路电平的高、低来表示。 若用1 代表低电平、0代表高电平，则称为正逻辑。相反为负逻辑。
(b) 等效形式
中间级由 T2、 R2 和 R3 组成。T2 的集电极和发射极输出两个相位相反的信
号，作为 T3 和 T5 的驱动信号。 (3) 输出级。
输出级由 T3、T4、T5 和 R4、R5 组成，这种电路形式称为推拉式电路。
2. 工作原理 (1) 输入全部为高电平。当输入 A、 B、 C 均为高电平，即 UIH = 3.6 V 时，
( 2）阈值电压 Uth。电压传输特性曲线转折区中点所对应的输入电压为 Uth，
也称门槛电压。一般 TTL 与非门的 Uth≈ 1.4V。
（3）关门电平 UOFF 和开门电平 UON。保证输出电平为额定高电平（2.7V 左
右）时，允许输入低电平的最大值， 称为关门电平 UOFF。通常 UOFF≈1V , 一
T1 的基极电位足以使 T1 的集电结和 T2、T5 的发射结导通。而 T2 的集电极压降 可以使 T3 导通， 但它不能使 T4 导通。T5 由 T2 提供足够的基极电流而处于饱和 状态。因此输出为低电平:
UO=UOL=UCE5≈0.3 V (2) 输入至少有一个为低电平。当输入至少有一个（A 端）为低电平，即 UIL = 0.3V 时，T1 与 A 端连接的发射结正向导通，从图 2.3(b)中可知，T1 集电极电 位 UC1 使 T2、T5 均截止，而 T2 的集电极电压足以使 T3，T4 导通。因此输出为高 电平：
通，T5 仍未导通，T3、T4 处于射极输出状态。随 UI 的增加，UB2 增加， UC2 下
降，并通过 T3、 T4 使 UO 也下降。因为 UO 基本上随 UI 的增加而线性减小， 故 把 BC 段称线性区。
（3）CD 段。输入电压 1.3V＜UI＜1.4V 时，T5 开始导通，并随 UI 的增加趋
（1）AB 段。 输入电压 UI≤0.6 V 时，T1 工作在深度饱和状态，UCES1＜0.1V,
UB2＜0.7V，故 T2、T5 截止，T3、T4 导通，UO≈3.6 V 为高电平。与非门处于截 止状态，所以把 AB 段称截止区。
（2）BC 段。输入电压 0.6V＜UI＜1.3 V 时，0.7V≤UB2＜1.4V ，T2 开始导
器件品名：三—3 输入与非门 器件系列：高速
温度范围：0—+70℃ 中国制造：TTL 器件
2.2.4 TTL 与非门的改进电路 在生产实践过程中，对集成门电路提高工作速度、降低功耗、加强抗干扰能 力以及提高集成度等方面提出更高、更新的要求。改进型 TTL 与非门, 如图 2.8 所示。
T000
SN 美国TEXAS 74 公司
-55～+125℃
H
S
LS
AS
0～+70℃
ALS
FAS
标准
阿
高速
拉
肖特基
伯
低功能肖特基 数
先进肖特基
字
先进低功能肖
特基
快捷肖特基
器 W 陶瓷扁平 件 B 封装扁平 功 F 全密封扁平 能 D 陶瓷双列直播
P 塑料双列直播 J 黑陶瓷双列直播
例如
CT 74 H 10 F 封装形式：全密封扁平封装
Y=A•B•C
2.2.2 TTL 与非门的外特性与参数 1. 电压传输特性 TTL 与非门电压传输特性是表示输出电压 UO 随输入电压 UI 变化的一条曲 线， 电压传输特性曲线大致分为四段：如图 2.4 所示。
图 2.4 TTL 与非门电压传输特性
（a） 测试电路示意图;
（b） 曲线
TTL 门，这些参数有什么意义？
2.2.3 TTL 与非门产品介绍部分常用中小规模 TTL 门电路的型号及功能如表 2.2
所示。
型表号2.2 常用 TTL 门电路逻型辑号 功 能
74LS00 74LS10 74LS20 74LS30
四-2输入与非门 三-3输入与非门 二-4输入与非门 8输入与非门
图 2. 7 所示是 74LS00 及 74LS20 管脚排列示意图。 图 2.7 74LS00、 74LS20
UO=UOH≈UCC-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6 V 总结：当输入全为高电平
时，输出为低电平，这时 T5 饱和，电路处于开门状态；当输入端至少有一个为 低电平时，输出为高电平，这时 T5 截止，电路处于关门状态。即输入全为 1 时， 输出为 0；输入有 0 时，输出为 1。由此可见，电路的输出与输入之间满足与非 逻辑关系，即
在实际使用中，可直接将几个逻辑门的输出端相连，这种输出直接相连，实 现输出与功能的方式称为线与。图 2.9 所示为实现线与功能的电路。即
Y=Y1·Y2
但是普通 TTL 与非门的输出端是不允许直接相连的， 因为当一个门的输出
为高电平（Y1），另一个为低电平（Y2）时， 将有一个很大的电流从 UCC 经 Y1
简称 OC(Open Collector)门， 其电路及符号如图 2.11 所示。与普通 TTL 与非门
VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y 14 13 12 11 10 9 8
VCC 2D 3C 2B NC 2A 2Y 14 13 12 11 10 9 8
&
&
74LS00
&
&
&
74LS20 &
1234567 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND
1234567 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND
5 2.4 0.4 3.3 10 10 35 10 一般
CT74H系列
5 2.4 0.4 3.3 22 6 50 10 一般
CT74S 系 CT74LS系列
列
5
5
2.5
2.5
0.5
0.5
3.4
3.4
19
2
3
9.5
125
45
10
20
好
好
2.2.5 TTL 门电路的其他类型 TTL 门电路除与非门之外， 还有许多种门电路。 1. 集电极开路门（OC 门）
形下降沿中点之间的时间称为导通延迟时间 tPHL；从输入波形下降沿的中点到输
出波形上升沿的中点之间的时间称为截止延迟时间 tPLH, 所以 TTL 与非门平均延
迟时间为
tpd=
1 2
(tPHL+tPLH)
一般, TTL 与非门 tpd 为 3～40ns。
思考题：TTL 门有哪些主要参数？这些参数的大小与什么因素有关？对于使用
(1) 输入级。 输入级由多发射极管T1和电阻R1组成。其作用是对输入变量A、B、C实现 逻辑与，它相当于一个与门。从逻辑功能上看，图2.3（a）所示的多发射极三
极管可以等效为图2.3（b）所示的形式。
B1
A
B
T1
C
(a)
(2) 中间级。
B1
A
C1
B
C
(b)
图 2.3 多发射极晶体管及其等效形式
(a) 多发射极晶体管；
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
1
Fra Baidu bibliotek
1
1
1
0
1
1
1
1
1
R1 3 kΩ
A
B
T1
C
R2 750 Ω
T2
R3 360 Ω
R5 100 Ω
T3 T4
T5 R4 3 kΩ
＋UCC
Y
A
&
B
Y
C
输入级
中间级 输出级
(a)
(b)
如图 2.2 所示由输入级、中间级和输出级三部分组成的。
图
2.2
TTL集成与非门电路图及逻辑符号
(a) 电路； (b) 符号
般产品要求 UOFF≥0.8 V。 保证输出电平达到额定低电平（0.3V）时，允许输入高电平的最小值，称为
开门电平 UON。通常 UON≈1.4V，一般产品要求 UON≤1.8 V。
（4） 噪声容限 UNL、UNH。在实际应用中，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。它是用来说明门电路抗干扰能力的参数。 低电平
(a)
(b)
管脚图 TTL 器件型号由五部分组成， 其符号和意义如表 2.3 所示。
表 2.3 TTL器件型号组成的符号及意义
第1 部 分
第2部分
第3部分
第4部 分
第5部分
型号前级
工作温度符号范 围
器件系列
器件品 种
封装形式
符
意义
号
符
意义
号
符
意义
号
符 意 符 意义 号 义号
CT 中国制造的 54 TTL类
3．集成门按内部有源器件的不同可分为两大类：一类为双极型晶体管集成 电路，主要有晶体管TTL逻辑、射极耦合逻辑ECL和集成注入逻辑I2L等几种类型； 另一类为单极型MOS集成电路，包括NMOS、 PMOS和CMOS等几种类型。常用 的是TTL和CMOS集成电路。
4．集成门电路按其集成度又可分为：小规模集成电路(SSI)、中规模集成电 路（MSI）、大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）。