第32讲 第十八章 集成逻辑门电路(一)(2010年新版).doc

1、联系 QQ1165557537第 18 章 集成逻辑门电路18.1 半导体器件的开关特性和开关电路18.1.1 开关特性和开关电路（1）半导体二极管的开关特性和开关电路单向导电性：正向导通P、N 间很小的压降，相当于开关闭合。反向截止P、N 间等效很大电阻，相当于开关断开。二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。当二极管两端的电压 时，二极管导通，开关等效电路如图所示，相当于开关闭合；当aUb二极管两端的电压 时，二极管截止，开关等效电路如图所示，相当于开关断开。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

2、着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。当然，在转换期间，二极管内部电荷有一个“消散”和“建立”过程，需要一定的时间，这个转换过程是二极管开关的动态特性，动态特性这里不作研究 二极管与门 二极管与门电路如图所示。由图可知，在输入 A、B 中只有一个（或一个以上）为低电平，则与输入端相连的二极管必然获得正偏电压而导通，使输出 F 为低电平，只有所有输入（A,B）同时为高电平，输出 F 才是高电平。可见，输入对输出呈现与逻辑关系，即 F=AB，其逻辑符号如图所示，其真值表如表。输入端的个数当然可以多于两个，有几个输入端就有几个二极管。A B F A B F0 0 0 1 0 00 1 0 1

3、 1 1（2）三极管开关等效电路（静态特性）理想情况下，三极管静态开关等效电路如图所示。当三极管的输入电压为高电平,即 时，IHIUV三极管饱和导通，开关等效电路如图，相当于开关闭合；当三极管的输入电压为低电平,即时，三极管截止，开关等效电路如图所示，相当于开关断开。ILIUV图三极管开关等效电路同二极管一样，给三极管加上脉冲信号，三极管将时而截止，时而饱和导通，在“开”态与“关”态之间转换。三极管在两种状态之间转换时，内部电荷也有一个“消散”和“建立”过程，也需要一定的时间，此时三极管的开关特性是动态特性。动态特性这里不作研究。（3） MOS 管开关等效电路MOS 管是金属氧化物半导体场效应

4、管（MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor）的简称，MOS 管分为 N 型 MOS 管（记为 NMOS 管或 TN 管）和 P 型 MOS 管（记为 PMOS 管或 TP 管）两大类，TN 管和 TP 管又各有增强型和耗尽型两种类型。以增强型 NMOS 管为例，当其栅源电压 2V 时，TN 管导通，因此，TN 管的开启电压 VTN2V。理想情况下，增强型 TN 管导通时GSU的静态开关等效电路如图所示，相当于开关闭合；当 TN 管栅源电压 2V 时，TN 管截止，截GSU止的静态开关等效电路如图所示，相当于开关断开。图 NMOS 管开关等效电路

5、以增强型 PMOS 管为例，当 TP 管的栅源电压 -2V 时，TP 管导通，因此，TP 管的开启电GSU压 VTP-2V。理想情况下，TP 管导通时的静态开关等效电路如图所示，相当于开关闭合；当 TP 管的栅源电压 -2V 时，TP 管截止，截止的静态开关等效电路如图所示，相当于开关断开。GSU18.1.2 集成逻辑门电路的性能要求（1）电压传输特性电压传输特性是指输出电压 uO随输入电压 uI变化的关系，即 uO=f（ uI） 。图为 TTL 与非门的电压传输特性。CMOS 的电压传输特性TTL 与非门的电压传输特性TTL 与非门电压传输特性曲线上反映出 TTL 与非门几个重要参数。（2）

6、输出高电平 UOH和输出低电平 UOL指门电路的传输特性曲线上门处于关态时的输出电压称为输出高电平。指门电路的传输特性曲线上门处于开态时的输出电压称为输出低电平。OA BCD E1 2 3 41234uO/VuI/V OVTN 截止102 4 6 82468uO/V10VTN 在饱和区VTP 可变电阻区VTN 和 VTP 均在饱和区VTP 在饱和区VTN 可变电阻区VTP 截止uI/VuOL=0uOH=VDD（3）输入的最高低电平 ULmax(关门电平 UOFF)和输入的最低高电平 UIHmin（开门电平 UON）将门电路在允许的输出最低高电压时对应的输入电压称为输入的最高低电平，也叫关门电平

7、。将门电路在允许的输出最高低电压时对应的输入电压称为输入的最低高电平，也叫开门电平。（4）噪声容限 UNH和 UNL噪声容限是描述逻辑门电路抗干扰能力的参数。在数字系统中，前级门的输出是后级门的输入，后级门的输入高电平有一个下限值 UIH(min)，输入低电平有一个上限 UIL(max)，只要前级门的输出能满足后级门的输入要求，就不会造成逻辑混乱。把高电平对应的电压范围 UOH(min) UIH(min)和低电平对应的电压范围 UOL(max) UIL(max)分别叫高电平噪声容限 UNH和低电平噪声容限 UNL。则UNH=UOH UIH(min)UNL=UIL(max) UOL对于 TTL

8、门电路（54/74 系列） UOH(min)=2.4V， UOL(max)=0.4V， UIH(min)=2.0V， UIL(max)=0.8V，则它的高电平和低电平噪声容限是 0.4V。（5）扇出系数 NO扇出系数是指输出端最多能带同类门的个数，它反映了与非门的最大带负载能力。 ISOmaxNIOmax为输出低电平时允许的最大灌入负载电流， IIS为 TTL 与非门的输入短路电流。（6）传输延迟特性由于开关元件转换需要时间，再加上各种寄生电容的影响，门电路的输出不仅比输入延迟，而UOH（min）UIH（ min）UIL（max）UOL（ max）UNHUNL前级门后级门且上升沿和下降沿也变得

9、缓慢。把输出高电平向低电平转换的延迟时间用 tPHL表示，称为导通延迟时间；输出由低电平向高电平转换的延迟时间用 tPLH表示，称为截止延迟时间；二者的平均值称为TTL 与非门的传输延迟时间 tPd。tPd是反映门电路开关速度的参数， tPd越小，开关速度越快。18.2 集成 TTL 门电路及其主要特性18.2.1 TTL 集成与非门电路的结构和工作原理电路组成图为 TTL 与非门典型电路，它由三部分组成。（1）输入级由 VT1及 R1构成，VT 1是一个多发射极晶体管，输入信号通过 VT1的发射结实现与逻辑；VD1、VD 2、VD 3用来限制在输入端出现的负脉冲干扰，又可以防止输入电压为负时

10、 VT1发射极电流过大，以保护 VT1，正常工作时，它们处于截止状态。（2）偶相级由 R2、VT 2、 R3构成，它有两路输出，一路从 VT2集电极输出，驱动 VT3，另一路从发射极输出,驱动 VT4。（3）输出级由 R4、VT 3、VD 4、VT 4构成，VT 3是 VT4的有源负载。2工作原理多发射极晶体管 VT1及静态等效电路如图所示。（1）输入 A、 B、 C 中至少有一个为低电平当输入端 A、 B、 C 中至少有一个为低电平 0.3V 时，VT 1管基极 VB1=0.3+0.7=1V，不能使 VT1的集电结、VT 2、VT 4的发射结三个 PN 结都导通。R1 R2 R4BCVD1

11、VD3VD2R3VT1 VT2VT3VT4VD4F4k 1.6k1301kVCC5VA因 IC2=IB10， ，因此 VT1管深饱和。1BCI而 VB2=UCE1+0.3=0.4V，故 VT2、VT 4截止。由于 VT2截止，流过 R2的电流很小，因而 VT3的基极电位接近于 VCC（5V） ，使 VT3、VD 4导通，则输出 uO=VCC iB3R2 uBE3 uD43.6V，输出为高电平。（2）输入 A、 B、 C 全为高电平首先 VB1=uI+uBE1=3.6+0.7=4.3V，使 VT1的集电结、VT 2、VT 4的发射结导通。然后 VB1被钳位在2.1V，VT 1的发射结处于反偏，VT 1处于倒置状态（发射结反偏、集电结正偏） ， iB1全部流入 VT2基极，使 VT2饱和导通， VC2=uCE2+uBE4=0.3+0.7=1V，使 VT3、VD 4截止，VT 2的发射极向 VT4提供足够大的基极电流，VT 4饱和导通，则输出 uO=uCE4=0.3V，输出为低电平。综上所述两种情况的分析,电路实现了与非逻辑功能。（a） （b）（a） 多发射极晶体管 （b） 等效电路AR1BCVT1VCCBE 结AR1BCVCCBC 结