教案.第六讲_常用CMOS逻辑门电路与74LS系列TTL逻辑门电路

TTL和CMOS门电路摘要：门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，TTL和CMOS门电路作为目前应用最广的两种门电路，掌握TTL和CMOS 门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。

本文对于TTL和CMOS门电路的初学者有一定的参考作用。

关键词：TTL门电路；CMOS门电路1.引言随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平的不断提高，为数字电路的应用开拓了无限广阔的天地。

从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为双极型、单极型和混合型三种。

在数字集成电路发展的历史过程中，首先得到推广应用的是双极型的TTL 电路。

由于其体积小、重量轻、可靠性好，至今仍是最流行的集成电路系列之一。

CMOS集成电路出现于20世纪60年代后期，随着其制造工艺的不断进步，CMOS电路逐渐成为当前集成电路的主流产品。

本文将简要总结TTL和CMOS这两种目前使用最多的数字集成电路。

2.TTL门电路TTL门电路是以双极型三极管作为开关器件的集成电路。

在TTL 门电路的定型产品中有反相器（非门）、与门、或门、与非门、或非门、与或非门和异或门几种常见的类型。

尽管它们逻辑功能各异，但输入端、输出端的电路结构形式基本相同。

2.1 反相器2.1.1 反相器的电路结构与逻辑关系反相器是TTL集成门电路中电路结构最简单的一种。

图1给出了74系列TTL反相器的典型电路。

图1 TTL反相器典型电路图1所示电路由三部分组成：T1、R1和D1组成的输入级，T2、R2和R3组成的倒向级，T4、T5和R4组成的输出级。

反向器输入和输出之间是反向关系，即Y=A'。

2.1.2 反相器的外部特性及参数为了正确地解决门电路与门电路、门电路与其他电路的连接问题，必须了解门电路的输入特性、输出特性、负载特性、传输特性和噪声容限等问题。

2.1.2.1 电压传输特性如果把图1所示反相器电路输出电压随输入电压的变化用曲线描绘出来，就得到了图2所示的电压传输特性。

CMOS逻辑门电路CMOS是互补对称MOS电路的简称（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor），其电路结构都采用增强型PMOS管和增强型NMOS管按互补对称形式连接而成，由于CMOS 集成电路具有功耗低、工作电流电压范围宽、抗干扰能力强、输入阻抗高、扇出系数大、集成度高，成本低等一系列优点，其应用领域十分广泛，尤其在大规模集成电路中更显示出它的优越性，是目前得到广泛应用的器件。

一、CMOS反相器CMOS反相器是CMOS集成电路最基本的逻辑元件之一，其电路如图11-36所示，它是由一个增强型NMOS管T N和一个PMOS管T P按互补对称形式连接而成。

两管的栅极相连作为反相器的输入端，漏极相连作为输出端，T P管的衬底和源极相连接电源U DD，T N管的衬底与源极相连后接地，一般地U DD>(U TN+|U TP|)，(U TN和|U TP|是T N和T P的开启电压)。

当输入电压u i=“0”（低电平）时，NMOS管T N截止，而PMOS管T P导通，这时T N 管的阻抗比T P管的阻抗高的多，（两阻抗比值可高达106以上），电源电压主要降在T N上，输出电压为“1”（约为U DD）。

当输入电压u i=“1”（高电平）时，T N导通，T P截止，电源电压主要降在T P上，输出u o=“0”，可见此电路实现了逻辑“非”功能。

通过CMOS反相器电路原理分析，可发现CMOS门电路相比NMOS、PMOS门电路具有如下优点：①无论输入是高电平还是低电平，T N和T P两管中总是一个管子截止，另一个导通，流过电源的电流仅是截止管的沟道泄漏电流，因此，静态功耗很小。

②两管总是一个管子充分导通，这使得输出端的等效电容C L能通过低阻抗充放电，改善了输出波形，同时提高了工作速度。

③由于输出低电平约为0V，输出高电平为U DD，因此，输出的逻辑幅度大。

CMOS反相器的电压传输特性如图11-37所示。

TTL和CMOS系列数字集成电路简介
一、教学目标：
TTL电路的定义及分类、CMOS电路的定义及分类、CMOS集成电路的性能及
二、教学重点、难点：
重点掌握TTL电路分类和CMOS电路分类
三、教学过程设计：
1TTL电路的定义：
TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以又称双极型集成电路。

双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。

2TTL电路的分类：
1）74-系列
2）74H-系列
3）74S-系列
4）74LS-系列
5）74ALS-系列
6）74AS-系列
3CMOS电路的分类：
1)标准的4000B/4500B系列
2)74HC-系列
3)74AC-系列
讲完之后问个问题：TTL系列和CMOS系列数字集成电路的区别？TTL系列：是电流控制器件，速度快、功耗大，双极型数字集成电路，噪声容限窄。

CMOS系列：是电压控制器件，速度慢、功耗低，单极型数字集成电路，噪声容限宽
四、课后作业：
1填空
1.1TTL电路又称数字集成电路，CMOS电路又
称数字集成电路〔双极型、单极型〕
1.2数字集成电路是国际上通用的标准电路。

〔74
系列〕
五、本节小结：对本节内容进行小结。

数字电路cmos型和ttl型门电路介绍及使用一、CMOS门电路CMOS 门电路一般是由MOS管构成，由于MOS管的栅极和其它各极间有绝缘层相隔，在直流状态下，栅极无电流，所以静态时栅极不取电流，输入电平与外接电阻无关。

由于MOS管在电路中是一压控元件，基于这一特点，输入端信号易受外界干扰，所以在使用CMOS门电路时输入端特别注意不能悬空。

在使用时应采用以下方法：1、与门和与非门电路：由于与门电路的逻辑功能是输入信号只要有低电平，输出信号就为低电平，只有全部为高电平时，输出端才为高电平。

而与非门电路的逻辑功能是输入信号只要有低电平，输出信号就是高电平，只有当输入信号全部为高电平时，输出信号才是低电平。

所以某输入端输入电平为高电平时，对电路的逻辑功能并无影响，即其它使用的输入端与输出端之间仍具有与或者与非逻辑功能。

这样对于CMOS与门、与非门电路的多余输入端就应采用高电平，即可通过限流电阻（500Ω）接电源。

2、或门、或非门电路：或门电路的逻辑功能是输入信号只要有高电平输出信号就为高电平，只有输入信号全部为低电平时，输出信号才为低电平。

而或非门电路的逻辑功能是输入信号只要有高电平，输出信号就是低电平，只有当输入信号全部是低电平时输出信号才是高电平。

这样当或门或者或非门电路某输入端的输入信号为低电平时并不影响门电路的逻辑功能。

所以或门和或非门电路多余输入端的处理方法应是将多余输入端接低电平，即通过限流电阻（500Ω）接地。

二、TTL门电路TTL门电路一般由晶体三极管电路构成。

根据TTL电路的输入伏安特性可知，当输入电压小于阐值电压UTH，即输入低电平时输入电流比较大，一般在几百微安左右。

当输入电压大于阈值电压UTH时，输入高电平时输入电流比较小，一般在几十微安左右。

由于输入电流的存在，如果TT L门电路输入端串接有电阻，则会影响输入电压。

其输入阻抗特性为：当输入电阻较低时，输入电压很小，随外接电阻的增加，输入电平增大，当输入电阻大于IKΩ时，输入电平就变为阈值电压UTH即为高电平，这样即使输入端不接高电平，输入电压也为高电平，影响了低电平的输入。

上一讲内容回顾：CMOS 反相器结构和工作原理+V DDB 1G 1D 1S 1u Au YT NT PB 2D 2S 2G 2VSS+-uGSNu +-GSPAY 0V+V DD u Au GSN|u GSP |T NT Pu Y 0V<U th(N)>|U th(P)|截止导通V DD V DD >U th(N)<|U th(P)|导通截止0V设U th(N)=2V ，U th(P)=-2V ，V DD =5V 。

T R ONPu Y +V DD V DD SN T P T R ONNu Y +V DD 0V SN T PAY导通导通截止截止u A =0V 时u A =V DD 时电压传输特性和电流传输特性i D ++V DDB 1G 1D 1S 1u I-u OT NT PB 2D 2S 2G 2V SSA BCDE FU th(N)V DDU THU th(P)U NLU NHu O / Vu I / VD A BC E Fi D /mAu I / VU TH电压传输特性电流传输特性1. 常用逻辑功能的CMOS 门电路 （一）CMOS 逻辑与非和或非门电路 ①与非门A B T N1T P1T N2T P2Y 0 00 11 01 1截通截通通通通截截通截截截截通通1110与非门u A+V DD +10VVSST P1T N1T P2T N2A B Y u Bu Y0101AB Y =AB Y②或非门或非门B A Y +=u A+V DD +10V V SS T P1T N1T N2T P2ABYu B u YA B T N1T P1T N2T P2Y 0 00 11 01 1截通截通通通通截截通截截截截通通1000ABY （二）CMOS 漏极开路输出门电路（OD 门） 为什么需要OD 门能否将普通2个及以上的CMOS 门电路的输出直接连在一起，进而实现“线与”！ 21Y Y Y =A B YC DY 1Y 2是否可以如此连接与应用10产生一个很大的电流 漏极开路输出CMOS 门电路（OD 门）AB Y AB Y =V R L V DD2DD1A BV SS用途：输出缓冲/驱动器；输出电平的变换；满足大功率负载电流的需要；实现线与逻辑。

TTL逻辑门电路以双极型半导体管为基本元件，集成在一块硅片上，并具有一定的逻辑功能的电路称为双极型逻辑集成电路，简称TTL逻辑门电路。

称Transistor-Transistor Logic,即BJT-BJT逻辑门电路，是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路，应用较早，技术已比较成熟。

TTL主要有BJT （Bipolar Junction Transistor 即双极结型晶体管，晶体三极管）和电阻构成，具有速度快的特点。

最早的TTL门电路是74系列，后来出现了74H系列，74L系列，74LS,74AS,74ALS等系列。

但是由于TTL功耗大等缺点，正逐渐被CMOS电路取代。

12．1 CMOS逻辑门电路CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后，所开发出的第二种广泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件。

CMOS电路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。

此外，几乎所有的超大规模存储器件，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。

早期生产的CMOS门电路为4000系列，随后发展为4000B系列。

当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。

下面首先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMO逻辑门电路。

MOS管结构图MOS管主要参数：1.开启电压V T·开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅极电压；·标准的N沟道MOS管，V T约为3～6V；·通过工艺上的改进，可以使MOS管的V T值降到2～3V。

2. 直流输入电阻R GS·即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比·这一特性有时以流过栅极的栅流表示·MOS管的R GS可以很容易地超过1010Ω。

3. 漏源击穿电压BV DS·在V GS=0（增强型）的条件下，在增加漏源电压过程中使I D开始剧增时的V DS称为漏源击穿电压BV DS·I D剧增的原因有下列两个方面：（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿（2）漏源极间的穿通击穿·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加V DS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层电场的吸引，到达漏区，产生大的I D4. 栅源击穿电压BV GS·在增加栅源电压过程中，使栅极电流I G由零开始剧增时的V GS，称为栅源击穿电压BV GS。

TTL和CMOS集成门电路的逻辑功能分析方法TTL集成门电路的逻辑功能分析方法：TTL电路常见的集成门电路有与门（AND）、或门（OR）、非门（NOT）、异或门（XOR）等。

逻辑功能分析的目的是确定输入和输出之间的关系，并确定电路的真值表。

以下是TTL集成门电路的逻辑功能分析步骤：1.确定电路的输入和输出端口：根据电路图或芯片手册，确定电路的输入和输出端口。

2.绘制真值表：根据电路的输入和输出端口，绘制真值表。

真值表列出了所有可能的输入组合以及对应的输出结果。

3.逐个输入组合进行分析：对每个输入组合，根据电路图和逻辑门的真值表，分析输出的结果。

可以使用布尔代数或卡诺图等方法进行分析。

4.验证和检查：通过验证输出结果是否与真值表中的结果一致来检查逻辑分析的正确性。

CMOS集成门电路的逻辑功能分析方法：CMOS电路由nMOS和pMOS晶体管组成，具有低功耗、高噪声免疫度和高集成度等优点。

类似于TTL电路，CMOS电路也可以实现与门、或门、非门和异或门等逻辑功能。

逻辑功能分析的步骤如下：1.确定电路的输入和输出端口：根据电路图或芯片手册，确定电路的输入和输出端口。

2.绘制真值表：根据电路的输入和输出端口，绘制真值表。

真值表列出了所有可能的输入组合以及对应的输出结果。

3.根据CMOS电路特性进行逻辑分析：CMOS电路具有与非门和与非门的组合，通过nMOS和pMOS晶体管的开关状态来实现逻辑运算。

根据这些特性，分析电路的逻辑功能。

4.验证和检查：通过验证输出结果是否与真值表中的结果一致来检查逻辑分析的正确性。

需要注意的是，在实际分析中，可以使用计算机辅助设计（CAD）工具来进行逻辑功能分析。

这些工具可以自动绘制真值表、生成逻辑图、模拟电路和验证结果。

总结：TTL和CMOS集成门电路的逻辑功能分析方法包括确定电路的输入和输出端口，绘制真值表，逻辑分析和验证结果。

逻辑功能分析是设计和实现数字逻辑电路的重要步骤，可以帮助工程师理解电路的逻辑关系，并确保设计的正确性。