03第三章 门电路

教 案 授课内容概要 3.1 简单门电路（3.1、3.2），3.3.1~3.3.2 CMOS反相器的电路结构和工作原理，3.3.3 CMOS反相器的静态输入特性和输出特性， 3.3.3CMOS反相器的静态输入特性和输出特性， 3.3.5 其他类型的CMOS 门电路， 3.5.1 双极性三极管的开关特性， 3.5.2~3.5.3 TTL反相器的电路结构和工作原理、静态输入特性和输出特性、负载特性 3.5.5其他类型的TTL门电路 TTL门电路和CMOS门电路的基本概念及电路分析方法的讨论

目的要求

理解三极管（包括双极性和MOS型）的开关特性；熟练掌握TTL反相器的电路结构及工作原理，理解主要参数的含义和其他TTL门电路实现的功能；掌握CMOS反相器的电路结构和工作原理，理解其他 CMOS门电路的连接规律，学会分析电路结构。

重点 半导体二极管和三极管（包括双极型和MOS型）开关状态下的等效电路和外特性；TTL的外特性及其应用；CMOS电路的外特性及其应用。

难点 TTL和 CMOS门电路的内部结构和工作原理

作业布置

3.13.7，3.123.1，63.8，3.9，3.13（a,b.d）

本章（节）参考书

《数字电子技术基础（第五版）》

教学方法 演讲法、启发式 主要教具 多媒体课件

备注 授 课 过 程 及 内 容 备 注 第三章 门电路 ▲ 3.1 简单门电路（3.1、3.2） 一、 概述 二、 二极管、三极管开关特性 三、最简单门电路 1、二极管与门 2、二极管或门 3、三极管非门

一、 概述 1、门电路：是用以实现逻辑关系的单元电路，与基本逻辑关系相对应。 2、主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。 3、正负逻辑体制概念： 在电子电路中，用高低电平表示0和1两种逻辑状态。

S开------VO输出高电平, S合------VO输出低电平。

正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。 负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。

例：

正与门 负或门 混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。 在数字电路中，电压值具体值多少不重要，只要能判断高低电平即可。

二、二极管、三极管开关特性 1、二极管开关特性 一个PN结，具有单向导电性。 外加正向电压时导通，相当于开关闭合； 外加反向电压时截止，相当于开关断开。 正向导通压降：硅管0.7V，锗管0.3V。

A B F 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1

A B F 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0

VI VO VCC S 2、三极管开关特性 反向截止，开关断开

饱和导通，开关闭合 三、 最简单门电路 1、二极管与门（3V以上为高电平，0.7V以下为低电平） 设VCC＝5V，VIH＝3V，VIL＝0V 二极管导通压降0.7V。

Y=AB 2、二极管或门（2.3V以上为高电平） VIH＝3V，VIL＝0V，二极管导通压降0.7V。

Y=A+B 思考题：这些电路虽然结构简单，但不常用。原因是什么？ （发生了电平偏移、级数越多偏移越大，误差也越大，可靠性不高）

3.5 TTL门电路 3.5.1 双极性三极管的开关特性 三极管非门

分立元件门电路的缺点： （1）体积大、工作不可靠。 （2）需要不同电源。 （3）各种门的输入、输出电平不匹配。

A B Y 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1

A B Y 0 0 0 3 3 0 3 3 0.7 0.7 0.7 3.7

A B Y 0 0 0 0 3 2.3 3 0 2.3 3 3 2.3

A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

b c e b c

e RVCC

D1

D2

ABY

RD1

D2

ABY根据集成度分为：SSI(100以下)、MSI(几百个)、LSI(几千个)、VLSI(一万个以上)。 介绍一种用的最多的双极型数字集成电路TTL电路。 3.5.2 TTL反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构 二、原理（输出级特点、D1、D2作用） 三、电压传输特性曲线 四、相关参数

一、电路结构 VCC=5V, VIH=3.4V, VIL=0.2V 二极管压降0.7V

二、工作原理 1、VI=VIL=0.2V（A=0）时 T1发射结导通，VB1=0.9V T2、T5均截止 T4导通（饱和导通） VO= VCC－VR2－0.7－0.7 ＝3.4V（根据设计参数可得到） ∴A＝0，Y＝1 2、VI= VIH=3.4V（A=1）时 T1集电结导通，VB1=2.1V，发射结反向截止 T2、T5均饱和导通 VC2＝VCES2+0.7=0.3+0.7=1V ∴T4截止 ∴VO= VCES3=0.3V 即A＝1，Y＝0 从上面的原理可知：T4、 T5总是一个导通而另一个截止，故也称为推拉式电路。 D1的作用：钳位二极管，抑制输入端可能出现的负极性干扰脉冲，防止输入为负时T1发射结电流过大，起保护作用。 D2的作用：确保T5饱和导通时，T4可靠截止。

三、电压传输特性曲线 AB段（截止区）：VI<0.6V，门截止（T5的状态） T1发射结导通 T2、T5均截止 T4导通（饱和导通） VO= VOH

输入级 倒相级 输出级 BC段（线性区）：0.6V T1集电结导通，T2线性放大，T5仍截止 随着VI↑→VB1↑→VB2↑→VC2↓→VO↓ CD段：≈1.4V VI稍微增大到1.4V时，VB1=2.1V T2、T5迅速饱和导通 T4截止，VO= VOL

所以称1.4V 为转折电压或阈值电压，记为：VTH＝1.4V。

DE段（饱和区）： VI>1.4V,门导通 T2、T5饱和导通 T4截止，VO= VOL

四、输入端噪声容限

1）单独的门： 输入为高电平的噪声容限为：VNH＝VIH－VIH(min) 输入为低电平的噪声容限为：VNL＝VIL(max)－VIL

2）对于Ⅱ门： 输入为高电平的噪声容限为： VNH＝VOH(min)－VIH(min)

输入为低电平的噪声容限为：

VNL＝VIL(max)－VOL(max)

3.5.3 TTL反相器的静态输入、输出及输入端负载特性 一、输入特性曲线 二、输出特性曲线 三、输入端负载特性曲线 四、输入特性曲线

一、输入特性曲线 输入特性：输入电流随输入电压变化 的特性。 仅考虑输入信号是高电平和低电平，则 输人端的等效电路如图： 设流入发射结的电流为正方向， （1）当VI=VIL时：

1ILCC1ILR

V7.0VII

当VI=0时，IS1CCILIR7.0VI（输入短路电流） （2）当VI>VTH时，IIH≈0。74系列反相器在40μA以下。

1 1

Ⅰ Ⅱ Vo VI

VOH(min)

VOL(max)

VIH(min)

VIL(max)

VNH

VNL

I1 I1 故输入特性曲线如图： 一、 输出特性曲线 输出特性曲线：输出电压随负载电流变化的曲线。 （1）高电平输出特性曲线 VO＝ VOH时，输出端等效电路为：

∴高电平输出特性曲线为： （2）低电平输出特性曲线 VO＝ VOL时，输出端等效电路为：

注意一个概念，扇出系数：74系列反相器可驱动同类型反相器的最大数目。

1.4V 输入电压介于高低电平之间的情况比较复杂，不作分析。

IB4 VOH(min) ∣IOH(max)∣

由于功耗的限制，高电平输出时负载电流的最大值应该参照手册的参数值。 另外，从等效电路上看，负载电流实际是流出门电路，我们称之为拉电流，负载为带拉电流负载。

T5饱和导通，c－e间内阻很小(10Ω) ∴IL增加，VOL仅有稍微升高，且呈线性关系

∴低电平输出特性曲线为：

输入电压介于高低电平之间的情况比较复杂，不作分析。

另外，从等效电路上看，负载电流是流入门电路，我们称之为灌电流，负载为带灌电流负载。