第 2章 集成门电路
授课计划
教学内容
教学小结
一、授课计划
1、教学目标
1,掌握半导体二极管, 三极管和 MOS管的开关特性；
2,掌握基本 TTL与非门电路的工作原理, 了解 TTL数字
集成电路的电路特性及其性能参数；
3,熟练掌握 CMOS集成门电路的工作原理及其性能参数；
4,熟悉几种常用的 TTL与非门电路, CMOS集成门电路
及其逻辑符号的表示方法 。
2、重点与难点
1、重点：集成门电路外部特性及应用。
2、难点,TTL,CMOS集成门电路芯片的分类与选用。
3、学时分配：共 6学时
? 第 1,2学时：半导体二极管、三极管和 MOS管
的开关特性
? 第 3,4学时,TTL集成门电路
? 第 5,6学时,CMOS集成门电路
二、教学内容
2.1,1 晶体二极管的开关特性
二极管(就是一个 PN结)具有单向导电性，理想二极
管如同一个开关。但实际二极管与理想的二极管还是有一
些区别的，特别是在高频电路中，必须加以注意。
(一)、二极管稳态开关特性
二极管的伏安特性曲线
2.1 半导体二极管、三极管和 MOS管的开关特性 (第 1,2学时)
(二)、瞬态开关特性
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从图中可知：反向恢复时间是影响二极管开关特性的主要
因素、正向恢复时间往往可以忽略。出现反向恢复时间的原因
是电荷存储效应(外加正向电压时，非平衡少子的积累)
2.1.2 晶体三极管开关特性
在数字电路中，三极管是作为开关使用的。 三极管
截止相当于开关断开；三极管饱和相当于开关闭合。
一、稳态开关特性
理想稳态开关特性：
关态：输入低电平, 三极管截止, C,E极间无电流 。
IC等于 0,输出为 VCC。
开态：输入高电平, 三极管导通, C,E极电压为零 。
IC等于 VCC / RC,输出为 0V。
实际稳态开关特性：
关态：基极接负电压, 集电结, 发射结均反偏, IC=ICBO
输出约等于 VCC。 C,E之间无导通电流 。
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开态,希望 ( 即输出电压 ) 接近于 0V,应工作 在
饱和区,C,E结电压最小 。
二、瞬态开关特性
当晶体三极管发生由截止到饱和，或由饱和到截止
的状态翻转时，其工作特性称为瞬态特性。
三、晶体三极管反相器
反相器的作用是将输入信号极性求反，高电
平变低电平，低电平变高电平。
1 工作原理
当输入电压 VI为低电平 VL时，输出 VO应为高电
平 VH； 此时三极管应可靠截止。 当输入电压为高电
平时，输出应为低电平，此时三极管应可靠饱和。
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2 反相器的带负载能力
负载能力是指当负载发生变化时，输出电路能
够保证其输出指标不变的能力。
灌电流：流入反相器的负载电流，叫灌电流 Ioi。
产生灌电流的负载叫灌流负载。
拉电流：流出反相器的负载电流，叫拉电流 Iop。
产生拉电流的负载叫拉流负载。
负载能力可用保证反相器正常工作条件下的最
大灌流 IOIM和最大拉流 IOPM表示。
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(1)带灌流负载的能力
三极管饱和时的灌流负载
Ic = IRC + IOI
灌电流加大,IC 加大，饱和
深度减小，过大则退出饱和。因此应满足：
IC = IRC + IOI ? ? IB 即
IOIM ? ? IB — VCC / RC
三极管饱和程度越深,IOI加大使 IC加大后，
退出饱和的可能性越小，负载能力越强。
还要满足,
IC = IRC + IOIM ? ICM
以免损坏三极管。 ICM为集电极最大额定电流 。
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(2)带拉流负载的能力
三极管饱和时拉流负载
IOP = IRC - IC, IRC不变,IOP越大,IC越小，有利于饱
和，负载能力强,IOPM ? VCC / RC
三极管截止时拉流负载
IRC = IDC1 + IOP, IRC一定,IOP越大,IDC1越小，应保证
钳位二极管的正向导通电流，使其起到钳位作用。 其中：
VCC - VC1 VCC - VC1
IRC = —————— 即, IOPM ? —————R
C RC
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2.2 分立元器件门电路
2,2,1 二极管与门和或门
一、二极管与门电路
二、二极管或门电路
二极管可实现“与门”、“或门”,但不利于
串联使用。与门串联使用高低电平升高，或门
串联使用高低电平降低。
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二,MOS三极管非门
TL是负载管，栅极接漏极，同为 VDD,该管恒
导通，且处于饱和区，因为：
VGS — VGS( th) 〈 VDS
当输入 VI 为低电平时，因小于开启电压,T0
不导通，则 V0 = VDD — VGS( th) 高
当输入 VI为高电平时,T0导通，输出低电平 。
2,2,2 三极管非门
一、晶体三极管非门
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2,3 TTL集成门电路 (第 3,4学时)
2,3,1 TTL与非门
TTL与非门电路图及逻辑符号 。 它是输入级,
中间级和输出级三部分组成的 。 如图,
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一, 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=3.6V时, T1基极电位升高, 使 T1的集电结和 T2、
T5的发射结导通, T5由 T2提供足够的基极电流而处于
饱和状态, 输出低电平, UO=UOL=UCE5≈0.3V
(2) 输入至少有一个为低电平。输出为高电平：
UO=UOH≈Ucc－ UBE3－ UBE4=5－ 0.7－ 0.7=3.6V
电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系,
二, TTL与非门的外特性与参数
1.电压传输特性
即,
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V0 随 Vi 变化的规律
AB段,截止区 Vi<0.6v T1饱和, T2,T5截止,T3、
T4导通。 V0=VH
BC段,线性区
VI =0.6~1.3V T5截止，其他导通,V0随 VI增加线
性下降。
CD段,转折区
VI>1.3v以后,T5开始导通,V0加速下降。
DE段,饱和区
VI增大,T5饱和, T4截止，输出低电平。
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(1) 输出逻辑高电平 VOH,截止区对应的输出电平。
输出逻辑低电平 VOL,饱和区对应的输出电平。
(2) 额定逻辑高电平 VSH=3v
额定逻辑低电平 VSL=0.35V
(3) 开门电平 Von, 在 保证输出为 VSL的条件下，允
许 输入高电平的最小值 。 一般 Von ? 1.8v
(4) 关门电平 Voff,在保证输出为 VSH的 90%的条件
下，允许 输入低电平的最大值 。 一般 Voff ? 0.8v
(5) 阈值电平 Vth 转折区中点对应的输入电压
(6) 噪音容限 UNL,UNH
低电平噪声容限 VNL= Voff – VIL,输出高电平可以
得到保障,
2, 主要参数
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(7)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,，,约为 10μA
(8)扇出系数 NO,是指一个输出端，在保证输出低电
平 VOL不大于 0.35v的条件下，能驱动同类门的最多
个数。 通常 NO ? 8
2.3.2 TTL集电极开路门和三态门
1,集电极开路门 (OC门 )
可直接将几个逻辑门的输出端相连，实现输出
“与“
功能的方式称为线与。
高电平噪声容限 VNH=VIH – Von,输出低电平可以得
到保障
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为使 TTL门能线与，直接将 T5的集电极引出即集电
极开路( OC),由外电路提供 RC电阻。如图
OC门电路可以实现线与，高电压、大电流的驱动
能力很强，但失去了推拉输出速度快的优点。
使用 OC门时，必须经外接电阻 RL接通电源才能
实现线与逻辑
不是所有的输出端都可以实现线与，如图
输出的门电路，如果输出线与，有可能因存在低阻
回路而损坏电路。
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2.三态门 (TSL门 )
三态：逻辑门的输出有高电平, 低电平和高阻状态 。
电路组成是在 TTL与非门的输入级多了一个控制器
件 D,如图
E为控制端或称使能端。当 E=1时，二极管 D截止，
TSL门与 TTL门功能一样；当 E=0时,T1处于正向
工作状态,T2,T5截止，二级管 D使 T3基极电位钳
制在 1V左右,T4,T5都截止，输出端呈现高阻状态。
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2.3,3 典型 TTL与非门芯片介绍
部分常用中小规
模 TTL门电路的型号
及功能如表 2.1。
实际应用中, 可根
据电路需要选用不同
的型号 。
表 2.1 74系列门电路的型号及功能
74LSXX系列是最常用的、延迟积较小的一种
TTL门电路，性能价格也比较高。
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型 号 逻 辑 功 能
74LS00 四 2输入与非门
74LS10 三 3输入与非门
74LS20 双 4输入与非门
74LS30 8输入与非门
2.4 CMOS数字集成电路 (第 5,6学时)
2.4.1 CMOS门电路
1,与非门
A,B两个输入端均为高电平时, T1,T2导通,
T3,T4截止, 输出为低电平 。
A,B两个输入端中只要有一个为低电平时，
T1,T2中必有一个截止,T3,T4中必有一个导通，
使输出为高电平。电路的逻辑关系为
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A,B两个输入端均为低电平时, T1,T2截止,
T3,T4导通, 输出 Y为高电平；
A,B两个输入中有一个为高电平时, T1,T2中
必有一个导通, T3,T4中必有一个截止, 输出为低
电平 。 电路的逻辑关系为
3.CMOS传输门
2．或非门
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A,B两个输入端均为低电平时, T1,T2截止,
T3,T4导通, 输出 Y为高电平；
A,B两个输入中有一个为高电平时, T1,T2中
必有一个导通, T3,T4中必有一个截止, 输出为低
电平 。 电路的逻辑关系为
3.CMOS传输门
2．或非门
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控制信号 C=1传输门相当于接通的开关
C=0传输门相当于断开的开关
MOS管的结构是对称的，源极和漏极可以互换使
用,CMOS传输门具有双向性，又称双向开关，用
TG表示。
4.CMOS三态门
5.CMOS漏极开路门
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使用 CMOS电路的注意事项：
1、包装、焊接和测试时要防静电，烙铁要接地，
触摸电路前，身体要放电。多余输入端不要悬空。
2、有大电流输入可能时，输入端串联限流电阻。
3、防止可控硅效应,提高电源质量，加去藕电
容，加钳位二极管。
4、多电源系统中,CMOS电路的电源先开后关。
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2.4.2 CMOS电路与 TTL电路的连接
1.TTL电路驱动 CMOS电路
2.CMOS电路驱动 TTL电路
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本章小结
1,半导体二极管, 三极管和 MOS管, 是数字电路中的基本开关元件 。
半导体二极管是不可控的；半导体三极管是用电流控制且具有放
大特性的开关元件； MOS管是用电压进行控制的, 也具有放大持
性 。
2.目前普遍使用的数字集成电路基本上有两大类：一类是双极型数字
集成电路, TTL,HTL,IL,ECT都属于此类电路；另一类是金
属 -氧化物 -半导体 (MOS)数字集成电路 。
3.在双极型数字集成电路中, TTL与非门电路在工业控制上应用广泛,
是本章介绍的重点内容之一 。
4.在 MOS数字集成电路中, CMOS电路是重点 。 由于 MOS管具有功
耗小, 输入阻抗高, 集成度高等优点, 在数字系统中逐渐被广泛
采用 。
课后作业
2.2 试判断图题 2.2所示 TTL电路能否按各图要求逻
辑关系正常工作？若电路的接法有错，则修改电路。
2.4 图题 2.4均为 TTL门电路。
(1)写出 Y1,Y2,Y3,Y4的逻辑表达式 。
(2)若已知 A,B,C的波形, 分别画出 Y1~Y4的波形 。
画出传输门 三态门 开路门_第2章_数字电子技术基础（ppt课件）_ppt_大学课件预览_高等教育资讯网...
