第二章 逻辑门电路 2.1 二极管的开关特性及二极管门电路 2.2 三极管的开关特性及反相器门电路 2.3 TTL逻辑门电路

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1 第二章 逻辑门电路 2.1 二极管的开关特性及二极管门电路 2.2 三极管的开关特性及反相器门电路 2.3 TTL逻辑门电路
2.4 CMOS门电路 本章小结

2 第二章 逻辑门电路 实现各种基本逻辑关系的电子电路称为门电路 门电路是构成数字电路的基本单元 门电路中的二极管和三极管都工作在开关状态
在数字电路中，只要能明确区分高电平和低电平两个状态就可以了，所以，高电平和低电平都允许有一定的范围。因此，数字电路对元器件参数精度的要求比模拟电路要低一些。

3 2.1 二极管的开关特性及二极管门电路 理想开关特性的静态特性： 闭合时电阻为0 断开时电阻为∞ 开关动作在瞬间完成
实际上开关闭合时总是有一个很小的电阻，断开时电阻不可能为∞，转换过程总要花一定的时间 先看一个简单的单向阀的开关特性

4 单向阀的开关特性 压力 t 压力为正时 压力=0时 压力为突变为负时 反向 球体 流量 球体 正向 流量 单向阀的工作并不理想
反向 球体 球体在喇叭以上 流量 球体 球体在喇叭以上 喇叭口 正向 球体在喇叭口处 有泄漏 球体在喇叭口处 流量 单向阀的工作并不理想 开关动作不能瞬间完成 理想特性 关闭时还有一定的泄露 t 只有正向压力足以顶起球体时才开启（图中没有画出）

5 一、二极管的开关特性 （一）静态特性 导通时的等效电路 + - 伏安特性 iD 截止时的等效电路 - + uD
二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡，压降很小（硅管：0.7V，锗管0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关 二极管加反向电压时截止，截止后的伏安特性具有饱和特性（反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）且反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断打开的开关 二极管具有单向导电性

6 上升时间、恢复时间都很小，基本上由二极管的制作工艺决定
（二）动态特性 uD VD R t uD iD 上升时间 iD 当uD 为一矩形电压时 反向恢复时间 二极管VD的电流的变化过程 电流波形的不够陡峭（不理想） 波形和“单向阀”的特性是相似的 漏电流 存储时间 这就限制了二极管的最高工作频率 上升时间、恢复时间都很小，基本上由二极管的制作工艺决定 存储时间与正向电流，反向电压有关。 常用的开关二极管是：IN4148。

7 二、正负逻辑问题 关于高电平和低电平 高电平和低电平是相对的，不是一个定值
数字电路的输入和输出信号只有高电平（UIH和 U0H ）和低电平（ UIL和 U0L ）两种状态。 用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑 用0 表示高电平，用1 表示低电平，称为负逻辑 通常采用正逻辑，除非殊声明

8 三、二极管与门 UCC（5V） A、B——输入，Y——输出 R 设：UIH=3V， UIL=0V VD1 Y A
二极管正向导通压降 UDF=0.7V。 3V 0V 3.7V 0.7V VD2 B 以A=0为例 3V 只要A、B中有一个为低电平（0V）， 则相应的二极管导通， Y就为低电平（0.7V），即：只要AB=0，则Y=0。 只有A、B同时为高电平（3V）， Y才为高电平（3.7V）。 即：只有AB=1，才有Y=1。 所以：Y=AB 逻辑符号

9 A/V B/V Y/V A B Y 正逻辑 真值表 逻辑电平关系 UCC（5V） R 0 0 0.7 0 0 0 VD1 0 3 0.7
VD1 A Y VD2 B 只要A、B中有一个为低电平（0V），Y就为低电平（0.7V），即：只要AB=0，则Y=0。 只有A、B同时为高电平（3V），Y才为高电平（3.7V）。即：只有AB=1，才有Y=1。

10 这种与门电路虽然很简单，但存在着严重的缺点
1、输出电平都比输入电平高出0.7V——电平偏离，如果将三个这种门级联（前级的输出作为后级的输入）， 则最后一级的输出低电平偏离到2.1V，已接近规定的输入的高电平，会造成逻辑混乱。 UCC（5V） VD1 VD2 R 0V 0.7V 1.4V 2.1V

11 这种与门电路虽然很简单，但存在着严重的缺点
2、当输出端对地接上负载电阻（常称为下拉负载）时， 会使输出高电平降低，即带负载能力差，严重时会造成逻辑混乱。 VD1 VD2 R UCC（5V） 3.7V 2.5V 3V RL=R 3V

12 VD1 四、二极管或门 Y A 3V 0V A、B——输入，Y——输出 2.7V 0V VD2 B 以A=1为例 设：UIH=3V， UIL=0V 0V 二极管正向导通压降 UDF=0.7V。 R 只要A、B中有一个为高电平（3V）， 则相应的二极管导通， Y就为低电平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。 只有A、B同时为低电平（0V），两个二极管均截止。 Y才为低电平（0V）,即：只有A+B=0，才有Y=0 所以：Y=A+B 逻辑符号

13 A/V B/V Y/V A B Y 正逻辑 真值表 逻辑电平关系 A B VD1 Y VD2 R 0 0 0 0 0 0 0 3 2.3
只有A、B同时为低电平（0V），Y才为低电平（0V）。即：只有A+B=0，才有Y=0。 只要A、B中有一个为高电平（3V），Y就为高电平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。 这种或门电路同样存在“电平偏离”和带载能力差的问题

14 2.2 三极管的开关特性及反相器 下面以NPN硅管为例进行分析 三极管是电流控制的电流源，在模拟电路中，工作在放大区。
在数字电路中工作在饱和区或截止区——开关状态。 T Rc RB UCC uCE iC 负载线 iC IBS ICS 放大区 uO 截止区 uCE 饱和区 iB ui IB=0 UCC 三极管CE之间相当于一个开关：在饱和区“闭合”，截止区“断开”

15 当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V<0.5V）
一、三极管开关特性 B C E 输入特性 uBE/V iB 0.5 0.7 1.三极管的截止条件和等效电路 当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V<0.5V） uO=UOH=UCC 三极管截止， iB=0， iC ≈ 0， 等效电路 可靠截止条件为:UBE<0V 截止时，iB、iC都很小，三个极均可看作开路 饱和区 截止区 ICS IBS IB=0 UCC uCE iC T Rc RB UCC iC uO uCE iB ui=0.3V 输出特性

16 在模拟电路中，为了不产生失真，通常规定饱和时UCES=1V。
2.三极管的饱和条件和等效电路 在模拟电路中，为了不产生失真，通常规定饱和时UCES=1V。 在数字电路中，为了更接近理想开关，规定饱和时UCES=0.3V。 由于三极管的输入特性很陡，通常认为饱和时的UBES和导通时的UBE相等（硅管：0.7V，锗管0.3V） 饱和区 截止区 ICS IBS IB=0 UCC uCE iC uBE/V iB/μA UBES 输入特性 UCES 输出特性

17 将三极管刚刚从放大进入饱和时的状态称为：临界饱和状态。
当输入信号uI=UIH=3.2V时 T Rc RB UCC iC 将三极管刚刚从放大进入饱和时的状态称为：临界饱和状态。 uO uCE iB ui=3.2V 临界饱和集电极电流： IB=0 UCC uCE iC UCES B C E UBES IBS ICS 临界饱和基极电流： 可靠饱和条件为：iB≥IBS UCES 定义饱和深度： 等效电路 输出特性

18 截止到饱和所需的时间称为开启时间ton，它基本上由三极管自身决定。 UCES
UIL 3.三极管三极管的动态开关特性 当基极施加一矩形电压uI时 UIL uI iC、uO波形不够陡峭， iC、uO滞后于uI，即三极管在截止与饱和状态转换需要一定的时间。这是由三极管的结电容引起的，内部载流子的运动过程比较复杂。 ICS iC toff ton Ucc T Rc RB UCC uO 截止到饱和所需的时间称为开启时间ton，它基本上由三极管自身决定。 iC UCES uO 饱和到截止所需的时间称为关闭时间toff，它与饱和深度S有直接关系，S越大toff越长。 uCE iB uI

19 设三极管的β=20；UCES=0.3V，UBES=0.7V，UIL=0.3V，UIH=3.2V iC
二、反相器（非门） T RC R1 UCC=5V R2 4.7K UBB=-5V uo uI 10K 56K E B C 设三极管的β=20；UCES=0.3V，UBES=0.7V，UIL=0.3V，UIH=3.2V iC 5V （一）逻辑功能分析 1.当uI=UIL=0.3V，即：A=0时 0.3V 假设三极管截止 UBE<0.5V，三极管截止，假设成立，iC≈0 uO=UOH=5V，即 Y=1 象这样的电路（UBB是负电源），当uI=UIL=0.3V时 三极管一定能可靠截止，就不必分析了。

20 假设三极管饱，UBES=0.7V，UCES=0.3V
T RC R1 UCC=5V R2 4.7K UBB=-5V uo uI 10K 56K E B C 2.当uI=UIH=3.2V，即：A=1时 假设三极管饱，UBES=0.7V，UCES=0.3V 3.2V 可见：iB>iBS ，即假设成立 R1 R2 UBB=-5V uI 10K 56K iB 3.2V uO=UOL=UCES=0.3V，即 Y=0 0.7V i1 i2 实现了逻辑非： 它是一个非门（也称反相器）

21 当UIL上升到一定程度UILmax时， UBE=0.5V，三极管将退出截止转入放大，输出电压将会下降。
(二）电压传输特性 uO/V uI/V 5 UILmax 电压传输特性就是uI和uI关系曲线。 当UIL上升到一定程度UILmax时， UBE=0.5V，三极管将退出截止转入放大，输出电压将会下降。 UIHmin R1 R2 UBB=-5V 10K 56K B iB=0 当UIH降低到一定程度UIHmin时，iB=iBS ，三极管将退出饱和转入放大，输出电压将会上升。 UILmax 0.5V 代入有关的参数， UILmax ≈1.5V 当1.5V<uI<2.2V，三极管工作在放大区，输出电压随输入电压的增大而线性减小。 R1 R2 UBB=-5V 10K 56K B iB=0 0.7V UIHmin 代入有关的参数， UIHmin≈2.2V

22 “容限”可理解：作为一个实用电路必须容许有干扰，但不能太大，是有限制的。
uO/V uI/V 5 (三)抗干扰能力 通常用抗干扰容限来表示抗干扰能力。 “容限”可理解：作为一个实用电路必须容许有干扰，但不能太大，是有限制的。 关门 3.2 UILmax UOFF 1.关门电平UOFF 反相器输出高电平（不是空载时的5V，要比5V低一些，如3.2V）时，称为关门或截止状态 保证反相器关门（输出为高电平）的输入低电平的最大值叫关门电平UOFF ，它比UILmax略大一点。

23 反相器输出低电平时，称为开门或饱和状态。
uO/V uI/V 5 2.开门电平UON 反相器输出低电平时，称为开门或饱和状态。 UIHmin UON UOFF 关门 保证反相器开门（输出为低电平）的输入高电平的最小值叫开门电平UON，它基本上就是UIHmin。 UIL UIH UILN UIHN 3.输入低电平时的抗干扰容限UILN UILN=UOFF-UIL 4.输入高电平时的扰干扰容限UIHN UIHN = UIH- UON 由此可见，电压传输特性越陡电路的抗干扰能力就越强。

24 不难看出，随着iO的增大（RL减小） uO降低。
(四)反相器的带负载能力（输出特性） 按负载电流的实际方向分为两种： 实际电流流向负载叫拉电流负载 iO 2.88V 实际电流流向反相器称为灌电流负载 RC UCC=5V 4.7K uo 1.输出高电平时的带拉电流负载能力IOH 反相器输出高电平时的等效电路 不难看出，随着iO的增大（RL减小） uO降低。 T R1 R2 UBB=-5V uI 10K 56K RL 通常认为：IOH 就是uO降到0.9UOH=0.9×3.2=2.88（V）时的iO uO/V iO/mA 1 5 IOH RC越大特性越软，带负载能力越差 输出特性曲线

25 2.3 TTL门电路 TTL（Transistor-Transistor-Logic）——输入输出都是由三极管来完成的逻辑电路。
电路集成门电路的发展方向：高速、低功耗、高抗干扰能力、带负载能力强。 UCC R1 R2 R4 T3 D2 T4 R3 D1 T1 T2 uo uI Y A 所有的TTL电路工作电压都是5V。 一、TTL非门的工作原理 T1是输入级， T2是倒相级， T3 、 T4 是输出级。 D1起保护作用， D2起电平移位

26 由于T3工作在射极输出器状态，所以带拉电流负载能力较强。
UCC R1 R2 R4 T3 D2 T4 R3 D1 T1 T2 uo uI Y A 设UIL=0.3V，UIH=3.2V uI=UIL时 T1的集电极电流是T2 的极小的反向基极电流（可以理解为T2 的的集电极电阻很大），所以T1饱和、 T2、 T4截止， T3 、 D2 导通。 0.3V 3.6V 可以认为T4截止时有一个很小的漏电流，作为T3的下拉负载，但负载很轻， T3的基极电流就更小了，空载（没有外部负载）时，uO =5 –UBE3 –UD2=3.6V。 uO=UOH 由于T3工作在射极输出器状态，所以带拉电流负载能力较强。

27 uC2=UBES4+UBES2≈0.7+0.3=1V，迫使T3 、 T2截止，由于T4饱和。
uI=UIH时 uE1=3.2V，而T1的集电极被T2、 T4的发射结限幅，uC1=1.4V，此时T1集电结正向导通而发射结反偏（常称为倒置工作状态），可以简单的认为发射结截止，可使T2、 T4饱和。 1V UCC R1 R2 R4 T3 D2 T4 R3 D1 T1 T2 uo uI Y A 3.2V 1.4V uC2=UBES4+UBES2≈ =1V，迫使T3 、 T2截止，由于T4饱和。 空载输出时约为0.3V 0.7V 0.3V uO=UOL 可见输出和输入之间是反相关系，即 :

28 二、TTL非门的特性曲线 （一）电压传输特性 T2在电路状态转换过程中具有很大的放大倍数，其电压传输特性要陡，因而提高了抗干扰能力。
UCC R1 R2 R4 T3 D2 T4 R3 D1 T1 T2 uo uI Y A uO/V uI/V 5 输入高电平时，输出低电平 越陡，抗干扰能力就越强 输入低电平时，输出高电平 电压传输特性

29 （二）输入特性 R1 T4 R3 D1 T1 T2 IIL 1.输入低电平时 2.1V 0.3V 3.2V
UCC R1 T4 R3 D1 T1 uI T2 iI IIL 1.输入低电平时 2.1V 0.3V 3.2V uI=0时的输入电流叫做输入短路电流IIS 1.4V 显然IIS的数值比IIL稍大一点。 0.7V 2.输入高电平时 输入端的等效电路 UB1=2.1V（被T1的集电结、 T2、T4的发射结限幅）， T1的发射结反偏，所以高电平输入电流IIH也很小。 uI iI IIH 74LS系列门电路的每个输入端的IIH 在40μA以下。 1.4V IIS 输入特性曲线

30 输入电压介于高、低电平之间的情况要复杂一些，但考虑到这种情况只发生在输入信号电平转换的短暂过程中，就不做详细分析了 。
UCC R1 T4 R3 D1 T1 uI T2 iI 当输入端开路时，T1也没有发射极电流，即:输入端开路也相当于输入高电平。 若TTL门电路作为前级的负载，由输入特性曲线可以看出： 输入端的等效电路 uI iI 当前级输出高电平时，它是一个很轻的拉电流负载。 IIH 当前级输出低电平时，它是一个较重的灌电流负载。 IIS 输入特性曲线

31 （三）输出特性 1.高电平输出特性 输出高电平输出时，T2 、 T4 ，截止 R1 R2 R4 T3 D2 T4 R3 D1 T1 T2 Y
UCC R1 R2 R4 T3 D2 T4 R3 D1 T1 T2 uo uI Y A UCC R2 R4 T3 D2 uo RL T3工作在射极输出器状态，输出电阻较小，带拉电流负载能力较强，故拉电流IOH对输出高电平影响不大。 等效 IOH 但考虑到门电路（主要是T3 工作在放大状态）的功耗限制，74LS系列规定IOH=0.4mA。 输出高电平时 的等效电路

32 T4工作在饱和状态，输出电阻很小（一般只有10Ω左右），故灌电流IOL对输出低电平影响也很小。
2.低电平输出特性 输出低电平时，T42、T3 ，截止， T4饱和 T4工作在饱和状态，输出电阻很小（一般只有10Ω左右），故灌电流IOL对输出低电平影响也很小。 UCC R1 R2 R4 T3 D2 T4 R3 D1 T1 T2 uo uI Y A RL UCC T4 uo 考虑到门电路的功耗（主要是T3）限制，74LS系列的IOL=8mA。 等效 IOL 当我们发现门电路的输出电平不正常时，应从三个方面来考虑：1.输入电平是否满足要求；2.负载是否太重；3.门电路本身损坏 输出低电平时的 等效电路

33 常用的其它功能的TTL门电路有：与门、与非门、或门、或非门、与或非门、异或门。
在使用这些门电路时，会遇到多余输入端的问题，处理方法是 & A B Y UCC B A ≥1 Y 与门、与非门的处理办法是一样的，并联使用或接电源 或门、或非门的处理办法是一样的，并联使用或接地

34 以集电极开路的反相器为例，就是原反相器去掉T3 、D2， T4的集电极内部开路。
(二)其它输出结构的TTL门电路 A UCC R1 T4 R3 D1 T1 T2 Y R2 R4 T3 D2 1.集电极开路（OC）门 UCC2 RL 以集电极开路的反相器为例，就是原反相器去掉T3 、D2， T4的集电极内部开路。 实际上这种电路必须接上拉负载才能工作，负载的电源UCC2一般可工作在12～24V。 1 A Y 这样就可以带一些小型的继电器。 OC反相器符号

35 输出低电平为0.3V （ T4饱和），输出的高电平接近UCC2（ T4截止） 。
OC门的应用 A UCC R1 T4 R3 D1 T1 T2 Y R2 输出低电平为0.3V （ T4饱和），输出的高电平接近UCC2（ T4截止） 。 UCC2 RL 输入、输出的电平不一致，这种功能叫电平转换 。 特别说明：OC门不是功能的分类，只是电路的输出结构不同，输出还可以并联。 UCC2 RL OC与非门输出并联后，所实现的逻辑功能是： A ＆ B C ＆ Y 这种功能叫线与 。 D 线与

36 三态门是指输出除了高、低电平，还有一个状态：高阻。
2.三态（TS）门 UCC Y R4 T3 D2 A R1 T4 R3 T1 T2 R2 三态门是指输出除了高、低电平，还有一个状态：高阻。 D2 D1 1 EN 现以一个三态反相器为例介绍 当 时 D1、 D2截止，实际上普通的反相器，实现正常的反相功能。 当 时 D1、 D2 导通，迫使T2、T3、T4都截止，输出端就呈现高阻状态 A 1 EN Y 叫做使能端，低电平有效 三态反相器符号 使能端也有高电平使能的

37 在一些复杂的数字系统中（如计算机）为了减少各单元电路之间的连线，使用了“总线”
三态门的典型应用 总线 1 EN 分时控制电路 D0 D1 D7 G0 G1 G7 在一些复杂的数字系统中（如计算机）为了减少各单元电路之间的连线，使用了“总线” 分时控制电路依次使三态门G1、 G2 …… G7使能（且任意时刻使能一个） ，就将D1、 D2 …… D7（以反码的形式）分时送到总线上

38 X X 双向传输数据线 当 时 G1 G2 AB/BA B A G2使能，G1高阻 数据从A到B 当 时 1 1 G1使能，G2高阻
EN G1 G2 AB/BA B A X G2使能，G1高阻 数据从A到B X 当 时 1 1 G1使能，G2高阻 数据从B到A

39 四、TTL的改进系列 在工艺上同时满足上述要求是有一定的困难的、甚至是不可能的，所以不同的子系列有着自己的特点。 在工艺上同时满足上述要求是有一定的困难的、甚至是不可能的，所以不同的子系列有着自己的特点。 常用的有(说明只要×××的数字相同逻辑功能就相同）： 74LS×××：低功耗中速TTL。功耗是74系列的1/5，速度与74系列相当。 74HC×××：电平与兼容的TTL的CMOS逻辑电路 74系列的工作温度是0～70℃。和74系列功能一一对应而工作温度为-55～125℃的产品是54系列，它主要用于军工产品、汽车电子产品。

40 2.1 CMOS门电路 一、MOS管的开关特性 （一）MOS管的基本开关电路 以增强型NMOS管基本开关电路为例
uI uO UDD RD D G S 一、MOS管的开关特性 （一）MOS管的基本开关电路 T 以增强型NMOS管基本开关电路为例 当uI<UGS（TH）时，MOS管工作在截止区， UGS ID 输出即为高电平，uO=UOH≈UDD 当uI> UGS（TH） 时，沟道电阻变得很小， UGS(TH) 输出为低电平，uO=UOL≈0V UDS ID UGS>UGS(TH) 我们可以将MOS管看作是一个电压控制的电子开关 UGS<UGS(TH)

41 截止时漏源间的内阻ROFF很大，可视为开路
（二）MOS管的开关等效电路 D G S C 截止时漏源间的内阻ROFF很大，可视为开路 C表示栅极的输入电容。数值约为几个皮法 截止时 导通时漏源间的内阻RON约在1KΩ以内，且与UGS有关（ UGS ↑→RON↓ ） D G S C RON 因此这个电阻一般情况不能忽略不计 导通时 UDS ID UGS2 S D G ID UDS UGS RON2 UGS2>UGS1 开关电路的输出端不可避免地会带有一定的负载电容，所以在动态工作时，漏极电流ID和输出电压UO=UDS的变化会滞后于输入电压的变化，这一点和双极型三极管是相似的。 UGS1 RON1 UGS<UGS(TH) ROFF 特性曲线越陡，表示RON越小 RON2<RON1

42 只有当uI>UDD时，D1导通；uI< 0V时D2导通。对电路进行保护
二、CMOS反相器的工作原理 UDD T1为增强型PMOS， T2为增强型NMOS D1 D1、 D2 是保护二极管 T1 uo uI=0V时，T1导通，T2截止， uO≈ UDD uI uI=UDD时，T1截止，T2导通， uO≈0 T2 D2 输出与输入之间为逻辑非的关系 只有当uI>UDD时，D1导通；uI< 0V时D2导通。对电路进行保护 静态时T1、T2总是有一个导通而另一个截止——谓互补状态，所以把这种电路结构形式称为互补MOS（Complementary-Symmetery MOS，简称CMOS）。 工作在互补状态，流过T1、T2 的静态电流极小，静态功耗极小,这是CMOS电路最突出的一大优点

43 在正常情况下，保护电路不动作，其输入电流不大于1μA 。
T1 T2 UDD uI uo D1 D2 串入保护电阻 三、CMOS反相器的特性曲线 （一）电压传输特性及噪声容限 传输特性特性很陡，阈值电压， 从而获得了更大的输入噪声容限， ui uo 且随着电源电压（5-15V）提高而增大。 UDD增大时的特性曲线 （二）输入特性 阈值电压 UDD 在正常情况下，保护电路不动作，其输入电流不大于1μA 。 UDD/2 由于保护电路的二极管电流的容量有限，一般为1mA，所以有可能出现大电流的场合，如：输入端接有低内阻的信号源、长线时（存在分布电感和分布电容），应在输入端串入保护电阻， 确保流经保护二极管的电流不超过1mA。

44 （三）输出特性 在UDD>5V时，且输出电流不超出允许范围时，UOH≥0.95UDD；UOL≤0.05V 。 四、其它类型的CMOS门电路 （一）其他逻辑功能的CMOS门电路 在CMOS门电路的系列产品中，除了反相器外常用的还有与门、或门、与非门、或非门、与或非门、异或门等 （二）漏极开路的门电路（OD门） 如同TTL电路中的OC门那样，CMOS门的输出电路结构也可做成漏极开路（OD）的形式。其使用方法与TTL的OC门类似

45 T1的底衬接UDD、 T2的底衬接地，这时源极、漏极是可以互换的，输入、输出也可以互换，即是双向传输的。
（三）CMOS传输门和双向模拟开关 T1 T2 UDD C uo/ui ui/uo C和 是一对互补的控制信号。 T1的底衬接UDD、 T2的底衬接地，这时源极、漏极是可以互换的，输入、输出也可以互换，即是双向传输的。 若C=0（0V）， （UDD）时， TG uo/ui ui/uo C T1、 T2均截止，输入与输出之间呈高阻态（ROFF>109Ω），传输门截止。 若C=1（UDD）， （0V）时， 输入在0～ UDD 之间T1、 T2 总有一个导通，输入与输出之间呈低阻态（RON<1KΩ），传输门导通。

46 传输门的另一个重要用途是做模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。 TG
利用传输门可以组合成各种复杂的逻辑电路 C 传输门的另一个重要用途是做模拟开关，用来传输连续变化的模拟电压信号。 TG uo/ui ui/uo 1 C 这一点是无法用一般的逻辑门实现的，模拟开关的基本电路是由传输门和反相器组成的。 模拟开关广泛用于多路模拟信号的切换，如电视机的多路音频、视频切换。 常用的模拟开关有CC4066四路双向模拟开关，在UDD=15V时的导通电阻RON<240Ω，且基本不受输入电压的影响。 目前精密的CMOS双向模拟开关的RON<10Ω（如MAX312、313、314）。

47 (四)三态输出的CMOS门电路 三态输出CMOS门电路和TTL三态门电路功能和应用没有什么区别，只是在电路结构上CMOS的三态输出门电路要简单得多。 五、TTL电路与CMOS电路的接口 驱动门 负载门 UOH(min)≥UIH(min) UOL(max)≤UIL(max) IOH(max)≥nIIH(max) IOL(max)≥mIIL(max0 在目前TTL与CMOS两种电路并存的情况下，经常会遇到互相对接的问题。 驱动门必须能为负载门提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流，也就是必须同时满足下列各式： 其中n和m分别为负载电流中IIH和IIL的个数，当所有负载门的输入端没有并联（指多余输入端）的情况下，n=m

48 TTL和CMOS两种电路输入电压、电流和输出电压、电流的参数对照比较表
系列 参数 /单位 TTL CMOS 74系列 74LS系列 4000系列* 74HC系列 74HCT系列 UOH(min)/V 2.4 2.7 4.6 4.4 UOL(max)/V 0.4 0.5 0.05 0.1 UIH(min)/V 2.0 3.5 2 UIL(max)/V 0.8 1.5 1.0 IOH(max)/mA -0.4 -0.51 -4.00 IOL(max)/mA 16 8 0.51 4.00 IIH(max)/μA 40 20 IIL(max)/mA -1.6 -0.1×10-3 *——4000系列电路在UDD=5V时的参数

49 1.用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路
(一)用TTL电路驱动CMOS电路 1.用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路 根据TTL和CMOS两种电路的参数对照比较表可知，无论是74系列还是74LS系列作驱动门，只有输出的高电平不满足要求。 输出高电平不满足要求 参数/单位 74系列 74LS系列 4000系列* 74HC系列 74HCT系列 UOH(min)/V 2.4 2.7 4.6 4.4 UOL(max)/V 0.4 0.5 0.05 0.1 UIH(min)/V 2.0 3.5 2 UIL(max)/V 0.8 1.5 1.0 IOH(max)/mA -0.4 -0.51 -4.00 IOL(max)/mA 16 8 0.51 4.00 IIH(max)/μA 40 20 IIL(max)/mA -1.6 -0.1×10-3 输出低电平满足要求 输出拉电流满足要求 输出灌电流满足要求

50 1.用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路
最简单的方法是在TTL的输出端与电源之间接一电阻（通常称为上拉电阻）RU。 R4 T3 D2 UCC T4 RU UCC=UDD=5V IO IO+nIIH 1 & …. RU 当TTL的输出为高电平（输出级T4 截止）时 IO TTL RU强迫输出级的T3截止 TTL的输出级 IIH IO为TTL输出级截止时的漏电流 n个CMOS UOH=UDD-RU（IO+nIIH） 由于IO和IIH都很小，所以只要RU值不是特别大，输出高电平将被提到UOH≈UDD。

51 1.用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路
在CMOS的电源电压较高（4000系列）时，可采用OC门进行电平转换。 另一种解决的方法是采用专用的电平转换电路，如CC40109,它有两个电源UCC和UDD，当UCC=5V，UDD=10V时 UIH(min)=3.5V，UIL(max)=1.5V UOH(min)=9V， UOL(max)=1V 可见，足以满足后级CMOS电路对输入高、低电平的要求。 2.用TTL电路驱动74HCT列CMOS电路 74HCT系列是为了和TTL系列的兼容而设计的，可以直接驱动 。

52 扩大CMOS门电路输出低电平时带灌电流负载的能力 （2）利用专用的CMOS驱动器
以与非门为例 （二）用CMOS电路驱动TTL电路 & 1.用4000系列CMOS电路驱动74系列TTL电路 （1）将同一封装内的门电路并联使用。 扩大CMOS门电路输出低电平时带灌电流负载的能力 （2）利用专用的CMOS驱动器 输入端也必须分别对应的并联 如CC4010（双电源供电的六同相缓冲器/转换器），当UDD=UCC=5V时，IOL≥3.2mA，足以同时驱动两个74系列的TTL门电路 CC4010 TTL 1 & CMOS系列

53 2.用4000系列CMOS电路驱动74LS系列TTL电路
3.用74HC/74HCT系列CMOS电路驱动TTL电路 查表可知，无论负载门是74系列还是74LS系列的TTL电路，都可以用74HC/74HCT系列CMOS电路直接驱动一个74LS系列TTL电路。可驱动负载门的个数不难从表中的数据求出。

54 本章小结 1.在数字电路中，半导体器件一般都工作在开关状态。 2.在数字电路中，不论输入还是输出，只要能明确区分高电平和低电平两个状态就可以了，所以，高电平和低电平都允许有一定的范围。 3.数字电路对元器件的精度要求不太高、抗干扰能力强、功耗小、集成度高。 4.本章重点介绍了TTL和CMOS门电路的外特性。门电路的外特性包含两个内容，一个是输出和输入之间的逻辑关系，即逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性，进而分析了门电路的抗干扰能力和带负载能力。 5.本章还比较详细的介绍集电极开路门电路、三态门、传输门及其应用。 6.本章最后介绍TTL和CMOS门电路的接口电路。 7.为了便于比较，将常用系列门电路的主要参数列于下表，仅供参考。

55 常用系列门电路的主要参数 系列 参数/单位 74 74LS 74AS 74ALS 4000* 74HC UCC/V 5 UIH(min)/V
TTL CMOS 74 74LS 74AS 74ALS 4000* 74HC UCC/V 5 UIH(min)/V 2.0 3.5 UIL(max)/V 0.8 1.5 1.0 UOH(min)/V 2.4 2.7 4.6 4.4 UOL(max)/V 0.4 0.5 0.05 0.1 IIH(max)/μA 40 20 200 IIL(max)/mA -1.6 -0.4 -2.0 -0.2 -0.1×10-3 IOH(max)/mA -0.51 -4.00 IOL(max)/mA 16 8 0.51 4.00 tpd/ns 10 4 45 P(功耗/门)/mW 2 1 5×10-3 1×10-3