第二章 逻辑门电路

截止
导通
数字电路与逻辑设计
故ECL门电路的基本单元是单变量分相器。 当输入VI为高电平VIH=－0.8v时：
VE=VIH-VBE1=-1.5v；RE上 的电流IE=(VEVEE)/RE=3.5mA；VC1=IER1=-0.8v；此时VT1管集电 结的反偏电压VCB1=VC1VIH=0v；故VT1工作在放大 状态，而不是饱和状态。
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故ECL门电路的基本单元是单变量分相器。 当输入VI为低电平VIL=－1.6v时：
VE=VREF-VBE2=-2v；RE上的 电流IE=(VE-VEE)/RE=3mA； VC2=-IER2=-0.8v；VC1=0v； 此时VT2管集电结的反偏电 压VCB2=VC2-VREF=0.5v；故 VT2工作在放大状态，而不 是饱和状态。
七、集电极开路的门电路(OC门) 推拉式输出电路结构具 有输出电阻很低的优点，但 有一定的局限性。首先不能 把它们的输出端并联使用。 其次，在采用推拉式输出级 的门电路中，电流一经确定， 输出的高电平就固定了，因 而无法满足对不同输出高低 电平的要求。此外，推拉式 电路结构也不能满足驱动较 大电流且高电压的负载的要 求。
门电路的种类：按是否集成分类有分立元件 逻辑门电路、集成逻辑门电路。而后者又分为 TTL门电路和MOS门电路等。
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2.2 分立元件门电路
2.2.1 二极管与门 最简单的与门可以用二极管和电阻组成。设 VCC=5v，A、B端输入的高低电平分别为 VIH=3v,VIL=0v，二极管VD1、VD2的正向导通压 降VDF=0.7v。
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根据以上分析，不难得到n个变量之(或)的 分相器。
其输出与输入变量的逻辑关系为： F A B C ... K 1 F2 A B C ... K
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3.输出级形式
TTL集成门电路输出有四种输出形式，即(a) 集电极开路输出，(b)三态门输出，(c)图腾柱输 出，(d)复合管和图腾柱输出。
Vi
Vo
t P HL
t P LH
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二、TTL与门电路
F=AB
输入级
中间级
输出级
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三、与或非门和或非门电路
输入级 中间级 输出级
F AB CD
由两个独立的 与门电路组成
为A+B典 型分相器
由典型的复合管和 图腾柱输出构成
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或非门电路构成： 在与或非门电路的基础上，去除输入 级发射极B和D，即输入级就是单发射极 三极管，或者在与或非门电路中，在B、 D加固定的高电平“1”，就构成了或非门 电路。 其输出与输入变量的逻辑关系为：
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TTL门电路的输入特性 输入短路电流（IIS）：当VI=0时的输入电流（-1.5mA） 输入漏电流（IIH）：当VI＞Vth时的输入电流(10uA) 输入负载特性： 当RI较小时，VI随RI增加而升高，此时VT5截止，忽略VT2基极电流的 影响，可近似认为：
VCC Vbe1 VI RI R1 RI
特点：要接 负载电阻RL 和驱动电压 VCC，实现 高压、大电 流驱动。
(a)
(b)
特点：具 有控制VT1、 VT2均截止 的电路，当 控制有效时， 输出端F呈 高阻态；当 控制无效时， 按逻辑门正 常功能输出 0，1两态。
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3.输出级形式 TTL集成门电路输出有四种输出形式，即(a) 集电极开路输出，(b)三态门输出，(c)图腾柱输 出，(d)复合管和图腾柱输出。
必有一个二极 管导通
A、B当中 有一个是低 电平0v
使F为0.7v
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2.2 分立元件门电路
2.2.1 二极管与门 最简单的与门可以用二极管和电阻组成。设 VCC=5v，A、B端输入的高低电平分别为 VIH=3v,VIL=0v，二极管VD1、VD2的正向导通压 降VDF=0.7v。
F为3.7v
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1.输入级形式
C=A
C=AB C=AB C=A+B
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2.中间级形式 对于功能不同的门，这部分电路不一样。例如 TTL与非门中间级就是分相器；或非门中间级就 是线与电路。 ⑴ 单变量分相器
分相器的逻辑表达式 为：
F1 A F2 A
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F=AB
1
1
0
1
0
1
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2.2.2 二极管或门 最简单的或门电路也是由二极管和电阻组成。
A、B同时为 低电平0v
F为0v
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2.2.2 二极管或门 最简单的或门电路也是由二极管和电阻组成。
A、B当中有一 个是高电平 F为高电 平2.3v
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则输入、输出逻辑电平列表为：
F A C
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四、TTL异或门电路 首先将异或公式变换一下：
F A B A B AB AB Aห้องสมุดไป่ตู้ A B
输入级
中间级
输出级
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五、集成TTL同或门电路 首先将同或公式变换一下：
F=A B A B A B A B A AB B AB
由多发射极三极管 VT1和电阻R1组成
为典型的单变量C 输入的分相器
为典型的复合管和 图腾柱输出形式
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附:TTL门的特性与参数
Vo (V)
4.0 3.5
A B
A(0V,3.6V) B(0.6V,3.6V)
&
3.0
Vo
VOH（ min） 2.5
2.0
2.4V
C
C(1.3V,2.48V) D(1.4V,0.3V) E(3.6V,0.3V)
当RI很小时VI很小，相当于输入低电平，输出高电平。为了保持电路稳 定地输出高电平，必须使VI≤VOFF，即 ：
RI
VCC
VOFF R1 Vbe1 VOFF
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扇出系数:
I 0 L max NO I IS
TTL与非门传输延迟时间tpd
导通延迟时间、截止延迟时间，通常，TTL门的tpd在 3~40ns之间。
74AS系列 ——为先进肖特基系列，是74S系列的后继产品。
74ALS系列——为先进低功耗肖特基系列，是74LS系列的后 继产品。
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2.3.1 TTL集成门电路的结构
TTL集成门电路的结构一般分为三级，即输 入级、中间级和输出级。
完成信号输入 放大作用
完成信号处理 及耦合作用
完成驱动放 大作用
导通
截止
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2.ECL门的实际电路
VT6组成一个简单的电 压跟随器，为VT5提供 一个参考电压
VT7、VT8组成电压跟 随器，起电平移动作用 和隔离作用
输入输出的逻辑关系 为：
A B C
D
F A B C D F A B C D
≥1
F
F
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F AB CD AB CD
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（2）实现电平转换或驱动
+5V +10V 270 Ω
& VO
&
电平转换
驱动
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八、ECL门电路 ECL门是一种非饱和型高速数字集成电路， 它的平均传输延迟时间可在2ns以下，是目前双 极型电路中速度最高的。 1.ECL门电路的基本单元 ECL门电路的基本单元是 一个差动放大器。根据差动 放大器的原理，VC2与VI同 极性，VC1与VI反极性。即：
特点：任何 时候作为输 出的两个三 极管，总有 一个处于截 止状态，而 另一个处于 饱和导通状 态，该电路 具有较强的 驱动能力。 特点：具 有图腾柱输 出和复合管 输出的特点， 有极强驱动 能力。
(c)
(d)
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2.3.2 TTL门电路 一、TTL与非门电路
输入级 中间级 输出级
F AB
3.ECL门电路的工作特点 优点：
①由于三极管导通时工作在非饱和状态，且逻辑 电平摆幅小，传输时间 tpd可缩短至2ns以下，工作速 度最高； ②输出有互补性，使用方便，灵活；
③输出阻抗低，带负载能力强；
④电源电流基本不变，电路内部开关噪声低。
Vi
V
V
1.5 1.0 0.5 V OL（ max）
0.4V
0.5 1.0
D
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
E
4.0
Vi (V)
VOFF VON
TTL门电路的电压传输特性
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TTL门电路的主要参数
（1）输出高电平电压VOH——VOH的理论值为3.6V。大于2.4V的输出电压 就可称为输出高电压VOH。 （2）输出低电平电压VOL——VOL的理论值为0.3V。小于0.4V的输出电压就 可称为输出低电压VOL。 （3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入 电压。图中VOFF为1.3V，一般产品要求大于0.8V。 （4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入 电压。图中VON为1.4V，一般产品要求小于2.0V。 （5）阈值电压Vth——决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低 电压的分界线。从电压传输特性曲线上看，Vth的值界于VOFF与VON之间 ，而VOFF与VON的实际值又差别不大，所以，近似为Vth≈VOFF≈VON。 （6）噪声容限：TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。 同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容 差。VON和VOFF越接近，噪声容限越大。