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数电学习基础（逻辑门电路+）

article 2024/11/15 15:32:55

1.逻辑门电路

1.1逻辑门电路的简介

1.1.1各种逻辑门电路的简介

基本概念

（1）实现基本逻辑运算和常用逻辑运算的电路称为逻辑门电路，简称门电路。逻辑门电路是组成各种数字电路的基本单元电路。将构成门电路的元器件制作一块半导体芯片上再封装起来，便构成了集成门电路

（2）门电路的分类：由于制造逻辑门电路的三极管不同，分为MOS型、双极性和混合型。MOS型逻辑门有CMOS、NMOS和PMOS。双极性主要有TTL，混合型集成逻辑门有BiCMOS

开关电路

（1）在二值数字逻辑中，逻辑变量的取值不是0就是1.在数字电路中，与其对应的就是电子器件的开关和闭合的两种状态

（2）早期的开关器件由继电器构成，后来使用BJT或MOS管作为开关。BJT或MOS管相当于一个受控开关，当其工作在截止状态时，相当于开关断开，输出高电平，当其工作在饱和导通状态时相当于开关闭合输出低电平。

（3）互补开关：两个开关不可能同时处于导通状态和截止状态。此时一个开关的导通另一个开关必定断开。上下开关的导通和断开受到输入信号的影响。

1.2.基本CMOS逻辑门电路

1.2.1MOS管及其开关特性

基本概念

（1）S管是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的简称

（2）CMOS逻辑门电路是以MOS管作为开关器件的。按照导电载流子的不同，MOS管分为N沟道MOS（NMOS）管和P沟道MOS（PMOS）管。按照导电沟道形成机理的不同分为增强型和耗尽型MOS管

N沟道增强性MOS管的结构的工作原理

（1）N沟道实际上是P型衬底上，用扩散法制作两个高掺杂浓度的N区。然后在P型硅表面生长一层很薄的二氧化硅绝缘层，并在二氧化硅表面及两个N型区各安置一个电极，形成栅极g、源极s和漏极d。

（2）由于栅极被绝缘，其电阻高达10的12次方~10的15次方Ω。通常将衬底与源极相连，或接地电位，以防止有电流从衬底流入源极和导电沟道

（3）如果栅极和源极之间所加电压 $v_{Gs}$ =0，则源极、衬底和漏区形成两个PN结背靠背串联，d、s间不导通， $i_{d}$ =0。

（4）当源极之间加正向电压 $v_{Gs}$ ，且 $v_{Gs}$ $\geq$ $V_{T}$ （ $v_{T}$ 为阈值电压）时，栅极和衬底之间形成足够强的电场，吸引衬底中的少数载流子（电子）使其聚集在栅极下的衬底表面，形成N型反型层，该反型层就构成了d、s间的导电沟道。

（5）漏极和源极之间加电压 $v_{DS}$ ，将有漏极电流 $i_{D}$ 产生，这种在 $v_{Gs}$ =0时不存在导电沟道， $v_{Gs}$ 必须增强到足够大时才形成导电沟道的场效应管，称为增强型MOS管

N沟道增强型MOS管的输出特性和转移特性

（1）MOS管可以视作二端口网络，栅-源为输入端口，漏-源为输出端口，源极为公共端，故称共源极连接。（输入回路与输出回路共用源极，称为共源接法。）

（2） $v_{Gs}$ 决定允许通过的最大电流， $v_{Ds}$ 决定提供的最大电流

（3）当端口的电压不同时，回路电流也将发生变化，因此用I-V特性曲线反映电压与电流的关系。MOS管的I-V特性包含输出特性和转移特性

（4）输出特性曲线是指栅源电压 $v_{Gs}$ 一定的情况下，漏极电流 $i_{d}$ 与漏源电压之间的关系。输出特性曲线分为三个工作区：截止区、恒流区和可变电阻区

截止区：当 $v_{Gs}$ < $v_{T}$ 时，导电沟道尚未形成， $i_{D}$ =0，漏源间的电阻很大，可达10的9次方Ω以上，相当于断开，MOS管处于截止工作状态，输出特性曲线此时处于截止区

可变电阻区：当 $v_{Gs}$ $\geq$ $v_{T}$ 时，产生导电沟道，外加当 $v_{DS}$ 较小时， $i_{D}$ 随 $v_{DS}$ 呈线性增长，此时MOS管可以看作是一个受 $v_{GS}$ 控制的可变电阻 $r_{ds}$ 。当 $v_{GS}$ 越大，输出特性曲线的斜率就倾斜，等效电阻就越小。因此该区被称为可变电阻区。 $r_{ds}=\frac{dV_{DS}}{di_{D}}$ | $v_{Gs}$ =const= $\frac{1}{2K(V_{GS}-V_{T})}$ ，

式中的K称为电导常数

恒流区：当 $v_{DS}$ 继续增加到一定数值使 $v_{Ds}$ = $v_{Gs}$ - $v_{T}$ 时，沟道在靠近漏极处出现夹断。随着 $v_{Ds}$ 继续增加， $i_{D}$ 几乎不再增加，此时的区域称为恒流区。因此当 $v_{Ds}$ < $v_{Gs}$ - $v_{T}$ 时，MOS管工作在可变电阻区。当 $v_{Ds}$ $\geq$ $v_{Ds}$ - $v_{T}$ 时，MOS管工作在恒流区。

（5）转移特性曲线是指在漏极电压 $v_{DS}$ 一定的条件下，栅源电压 $v_{Gs}$ 对漏极电流 $i_{D}$ 的控制作用。当MOS管工作在恒流区时，由于 $v_{DS}$ 对 $i_{D}$ 的影响较小，所以不同的 $v_{DS}$ 对应的转移特性曲线基本重合，可以用一条曲线来表示，这条曲线与横坐标的交点即阈值电压 $v_{T}$

其他类型的MOS管

（1）P沟道增强型MOS管：与N沟道的MOS管相反，P沟道增强型MOS管是在N型衬底上制作两个浓度高浓度的P区，导电沟道为P型，载流子为空穴。

（2）通常将衬底与源极相连或接电源。为吸引空穴形成导电沟道，栅极接电源负极，与衬底相连的源极接电源，即 $v_{Gs}$ 为负值，因此阈值电压 $v_{T}$ 也为负值。而 $i_{D}$ 的实际方向为流出漏极，与通常的假定方向正好相反。

导通条件

（3）对于增强型PMOS管，当 $v_{Gs}$ > $V_{T}$ 时，PMOS管处于截止区。当 $v_{Gs}$ $\leq$ $V_{T}$ 、 $v_{DS}$ > $v_{Gs}$ - $V_{T}$ 时，PMOS管工作在可变电阻区； $v_{Gs}$ $\leq$ $V_{T}$ 、 $v_{DS}$ $\leq$ $v_{Gs}$ - $V_{T}$ 时，PMOS管工作在恒流区

MOS管的开关电路

（1）MOS管的作用对应于有触点开关S的断开和闭合，但其速度上又和可靠性方面比机械开关优越得多。MOS管相当于一个由 $V_{GS}$ 控制得无触点开关

（2） MOS管单开关电路当 $V_{I}$ < $V_{T}$ 时，此时MOS管处于截止状态，输出电压 $V_{o}$ = $V_{DD}$ ，此时器件不消耗功率。此时相当于输入为低电平，MOS管截止，其等效得电阻约为1MΩ以上，相当于开关得断开，输出为高电平。

（3）MOS管单开关电路当 $V_{I}$ > $V_{T}$ 时，并且足够大时，使得MOS管工作在可变电阻区。d、s之间得导通电阻 $R_{on}$ 可由 $r_{ds}=\frac{dV_{DS}}{di_{D}}$ | $v_{Gs}$ =const= $\frac{1}{2K(V_{GS}-V_{T})}$ 确定，此时得等效电阻在1KΩ以内。由于 $V_{Gs}$ 足够大，所以 $R_{on}$ 很小，使得 $R_{D}$ 远远大于 $R_{on}$ ，电路输出得电平为低电平。

MOS管开关电路的动态特性

（1）由于MOS管中栅极与衬底间电容 $C_{gb}$ （即输入电容C1），漏极与衬底间电容 $C_{db}$ ，栅极与漏极之间电容 $C_{gd}$ （米勒电容）以及导通电阻等存在，使其在导通和闭合两种状态之间转换时，不可避免受到电容充、放电过程的影响。输出电压 $V_{o}$ 的波形已经不是和输入一样的理想脉冲.。上升沿和下降沿的变化都变缓慢了，而且输出电压的变化滞后于输入电压， $t_{pHL}$ 为输出电压 $V_{o}$ 由高电平跳变为低电平的传输延迟时间， $t_{pLH}$ 为输出电压 $V_{O}$ 低电平跳变为高电平的平均的传输延迟时间

（2）在漏极上方接一个电阻为 $R_{d}$ 此时该电阻的作用是：当输入为高电平时，流过导通NMOS的电流很大， $R_{d}$ 起限流作用。

1.2.2CMOS反相器

结构和工作原理

（1）由N沟道和P沟道增强型MOS管组成的电路称为互补MOS管或CMOS电路。CMOS反相器是构成CMOS逻辑电路的基本单元之一

（2）由两只增强型MOS管组成，其中 $T_{N}$ 为NMOS管， $T_{P}$ 为PMOS管。两只MOS管的栅极连在一起作为输入端；它们的漏极连在一起作为输出端。

（3）NMOS和PMOS管的阈值电压分别用 $VT_{N}$ 和 $VT_{N}$ 表示。为了让电路正常工作，要求电源电压 $V_{DD}$ 大于两MOS管阈值电压的绝对值之和，即 $V_{DD}> (\left | V_{TN} \right |+\left | V_{TP} \right |)$ 。

（4）当输入电压处于逻辑0时，相应的电压近似于0V；而当输入电压处于逻辑1时，相应的电压处于 $V_{DD}$ 。

（5）当输入为高电平 $V_{I}$ = $V_{DD}$ 时，此时 $V_{GSN}$ = $V_{DD}$ > $V_{TN}$ （阈值电压），此时的 $T_{N}$ 处于导通状态，并且导通电阻很低，而 $V_{SGP}$ =0< $\left | V_{TP} \right |$ ， $T_{P}$ 处于截止状态，等效电阻很高。因此反相器输出为低电平，输出电压 $V_{o}$ $\approx$ 0（此时通过MOS管连接下面的地），而通过两管的电流接近于零

（6）当输入为低电平 $V_{I}$ =0，即 $V_{GSN}$ =0< $VT_{N}$ ， $T_{N}$ 管截止；而 $V_{SGP}$ = $V_{DD}$ >| $V_{TP}$ |， $T_{P}$ 管导通。反相器输出为高电平，输出电压 $V_{o}$ = $V_{OH}$ = $V_{DD}$

（7）当反相器处于稳态时，无论输入电压是高电平还是低电平， $T_{N}$ 和 $T_{P}$ 中总是一个处于导通另一个处于截止的状态

（8）MOS管的导通电阻很小，而截止电阻很高

（9）输入与输出之间为逻辑非的关系，因此称为非门或反相器

电流传输特性和电压传输特性

（1）CMOS的电压传输特性是指其输出电压 $V_{o}$ 随输入电压 $V_{I}$ 变化的关系曲线。电流传输特性是指漏极电流随输入电压 $V_{I}$ 变化的曲线。

（2）在传输特性曲线的AB段或EF段，根据反相器工作原理的两种情况分析可知，无论输出为高电平还是低电平，总有一个MOS管工作在截止区，因此流过两管的电流接近于零值。

（3）在BC或DE段， $T_{N}$ 和 $T_{P}$ 两管中，总有一个工作在恒流区，另外一个工作在可变电阻区，此时两管中的电流比较大，传输特性变化比较快，两管在 $V_{1}=\frac{V_{DD}}{2}$ 处转换状态，因此，将状态转换处的电压定义为CMOS反相器的阈值电压 $V_{TH}=\frac{V_{DD}}{2}$

（4）在CD段，由于 $T_{N}$ 和 $T_{P}$ 均工作在恒流区，此时 $V_{1}=\frac{V_{DD}}{2}$ ,电流 $i_{D}$ 工作达到最大值

（5）从B到E之间，此时 $T_{N}$ 和 $T_{P}$ 同时导通的过渡状态，传输特性变化剧增，产生一个较大的电流尖峰。因而有较大的功耗。使用时应避免使两管长时间工作在此区域，以防止功耗过大而损坏

工作速度

（1）CMOS电路用于驱动其他MOS器件时，其负载阻抗是电容性的。

（2）电容充电：当 $V_{I}$ =0时， $T_{N}$ 截止， $T_{P}$ 导通，由 $V_{DD}$ 通过 $T_{P}$ 向负载电容充电，此时| $V_{GSP}$ |= $V_{DD}$ ，当 $V_{GSP}$ 达到最大值使 $T_{P}$ 的导通电阻变小，导致充回路的时间常数较小

（3）电容放电：当 $V_{I}$ = $V_{DD}$ 时， $T_{N}$ 导通， $T_{P}$ 截止，电容处于放电状态。

（4）由于电路具有互补对称的性质， $T_{N}$ 与 $T_{P}$ 的导通电阻相等，因此延迟时间 $T_{PLH}$ 和 $T_{PHL}$ 是基本相等的

1.3.3CMOS与非门和或非门

与非门电路

（1）CMOS与非门电路，包括两个串联的增强型NMOS管和两个并联的增强型PMOS管。每个输入端连到一个N沟道和一个P沟道MOS管的栅极。

（2）当输入端A、B有一个为低电平时，就会使它相连的NMOS管截止，PMOS管导通，输出为高电平；仅当A、B全为高电平时，才会使两个串联的NMOS管都导通，使两个并联的PMOS截止，输出为低电平。

（3） n个输入端的与非门必须有n个NMOS管串联和n个PMOS管并联。

与非门的逻辑功能： $L=\bar{A\cdot B}$

（4）与非门的各类工作状态

或非门

（1）CMOS或非门电路包括两个并联的增强型NMOS管和两个串联的增强型PMOS管

（2）电路的输出与输入信号的逻辑关系及各个MOS管的工作状态。当输入端A、B只要有一个为高电平时，就会使得与它相连的NMOS管导通，而PMOS管截止，输出为低电平；仅当A、B全为低电平时，两个并联NMOS管都截止，两个串联的PMOS管都导通，输出为高电平

1.3.4CMOS的传输门

传输门的结构

（1）CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOS管并联而成。 $T_{P}$ 和 $T_{N}$ 是逻辑结构完全对称的，所以栅极的引出端画在符号横线的中间。它们漏极和源极可以互换，因而传输们的输入端和输出端可以互换使用，即为双向器件。设它们的阈值电压 $V_{TN}$ =| $V_{TP}$ |= $V_{T}$ ,C和 $\bar{C}$ 是一对互补的控制信号。

（2）衬底电极与普通MOS管不同，其连接原则是：NMOS管的衬底连接到电路中的最低电位点，而PMOS管的衬底连接到电路中的最高电位点，这是为了使衬底与源极之间形成的PN结反向偏置，防止电流从漏级直接流入衬底。因此将NMOS管的衬底连接到地电位，PMOS管的衬底连接到 $V_{DD}$ 电压

工作原理

（1）传输门的工作特性为：当C端接0V， $\bar{C}$ 接 $V_{DD}$ 时，输入信号 $V_I$ 的取值在0~ $V_{DD}$ 范围内， $T_P$ 和 $T_N$ 同时截止，输入和输出之间呈现处高阻态，传输门是断开的

（2）当C端接 $V_{DD}$ ， $\bar{C}$ 端接0V时， $V_I$ 在0V~( $V_{DD}$ - $V_T$ )的范围内， $T_N$ 导通。在 $v_I$ - $V_{DD}$ 的范围内， $T_P$ 将导通。由此可见，当 $V_I$ 在0V- $V_{DD}$ 之间变化时， $T_N$ 和 $T_P$ 至少有一个导通，使 $V_I$ 与 $V_O$ 之间的导通电阻很小，传输门导通

传输门的应用

（1）当A=0时，此时TG1为导通，TG2为截止此时B的数据经过TG1传输到Y，

（2）双向模拟开关

（3）数据选择器：由CMOS构成的2选1数据选择器，A、B为数据输入信号，C为选择控制信号。当C=0时，TG1导通，TG2截止，输入信号A被传输到输出端L=A，当C=1时，TG1截止，TG2导通，输入信号B被传输到输出端，L=B。

1.3CMOS逻辑门的其他输出结构及参数

1.3.1CMOS逻辑门的保护和缓冲电路

保护电路

（1）C1和C2为PMOS管和NMOS管的栅极等效电容，二极管D1和D2的正向导通压降为 $V_{DF}$ =0.5~0.7V之间。D2是分布式二极管结构，用虚线和两个二极管表示。这种分布式二极管可以通过较大的电流，使得输入引脚上的静电荷被释放，从而保护了MOS管的栅极绝缘层。二极管的反向击穿电压约为30V，小于栅极 $SiO_{2}$ 层的击穿电压

（2）输入电压在正常范围内（0 $\leq$ $V_{I}$ $\leq$ $V_{DD}$ ）保护电路不起作用。此时上下两个二级管均不导通

（3）当 $V_{I}$ >（ $V_{DD}$ + $V_{DF}$ ）或 $V_{I}$ <- $V_{DF}$ 时，二极管 $D_{1}$ 或 $D_{2}$ 首先导通，MOS管的栅极电位被限制在 $-V_{DF}$ 到 $(V_{DF}+V_{DD})$ 之间，使栅极的 $SiO_{2}$ 层不会被击穿。如果输入电平发生突变时的过冲电压很大或持续时间很长，可能使流过 $D_{1}$ 或 $D_{2}$ 的电流过大而损坏二极管，进而使MOS管的栅极被击穿

（3）电阻 $R_{s}$ 和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲延迟一段时间才作用到栅极上，而且幅值有所减少。为减少这种延迟对电路动态性能的影响， $R_{s}$ 值不宜过大，通常为 $R_{s}$ 为2KΩ左右

反相缓冲电路

（1）带缓冲级的CMOS与非门电路的逻辑符号。由于输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路与输入的逻辑关系也发生了变化。在门电路的每个输入端、输出端各增设一级反相器，称为缓冲器。

（2）或非门+缓冲器=与非门

（3）与非门+缓冲器=或非门

1.3.2CMOS漏极开路门和三态输出门电路

1.3.2.1CMOS漏极开路门

漏极开路门的结构和工作原理

（1）通常CMOS都有反相器作为缓冲电路。而在工程实践中。将两个门的输出端并联以实现与逻辑功能（称为线与）。如果将两个CMOS与非门 $G_{1}$ 和 $G_{2}$ 的输出端连接在一起，并设 $G_{1}$ 的输出处于高电平， $T_{N1}$ 截止、 $T_{P1}$ 导通；而 $G_{2}$ 的输出为高电平， $T_{N2}$ 导通， $T_{P2}$ 截止。这样，从 $G_{1}$ 的 $T_{P1}$ 到 $G_{2}$ 的 $T_{N2}$ 将形成一低阻通路，从而产生很大的电流，有可能导致器件的损坏，并且无法确定输出的是高电平还是低电平。因此普通门电路的输出端是禁止线与的。因此需要采取OD门来解决

（2）漏极开路是指CMOS门电路的输出电路只有NMOS管，并且它的漏极是开路的

（3）OD门的逻辑结构

（4） OD门的逻辑电平转换

（5）使用漏极门之间必须在漏极和电源 $V_{DD}$ 之间，外接一个上拉电阻 $R_{p}$ 。两个OD与非门实现线与。将两个门电路输出端接在一起，通过上拉电阻接电源。由图可见，当两个与非门的输出全为1时，输出为1；只要其中一个为0时，输出为0。所以该电路符合与逻辑功能。即L= $\bar{AB}\cdot \bar{CD}$

上拉电阻的计算

（1）当其他门作为OD门的负载时，OD门称为驱动门，其后的门称为负载门

（2）选择上拉电阻要考虑许多的因素，一方面如果负载具有电容性， $R_{p}$ 的值越小，电容的充电常数也越小，因而开关速度越快，但功耗也就越大。另一个方面，多个OD门的输出端线与在一起，输出为低电平，其他门均截止时，负载电流将全部流向导通的OD门，这是一个最不利的情况，此时上拉电阻 $R_{p}$ 具有限制电流的作用，其取值不应该太小

（3）当输出为低电平，并联的OD门只有一个导通。此时 $R_{p(min)}=\frac{V_{DD}-V_{OL{max}}}{I_{OL(max)}-I_{IL(total)}}$ ，此时 $V_{DD}$ 为直流电源电压； $V_{OL(max))}$ 为驱动门 $V_{OL}$ 的最大值， $I_{OL(max))}$ 为驱动门 $I_{OL}$ 最大值， $I_{IL(totol))}$ 为CMOS负载门低电平输入电流 $I_{IL}$ 总和， $I_{IL(totol))}$ =n $I_{L}$ ,n为并联的输入端数目

（4）当所有OD门输出均为高电平。 $R_{p(max)}=\frac{V_{DD}-V_{OH{min}}}{I_{OZ(total)}-I_{IH(total)}}$ ， $V_{OH(min))}$ 为驱动门 $V_{OH}$ 的最小值， $I_{IH(totol))}$ 为CMOS负载门高电平输入电流 $I_{IH}$ 总和， $I_{IH(totol))}$ =n $I_{H}$ ,n为并联的输入端数目， $I_{OZ(totol))}$ 为全部驱动门输出高电平时的漏电流总和

1.3.2.2三态输出门电路

基本结构和原理

（1）三态输出门电路的输出除了具有一般门电路的两种状态，即输出高、低电平外，还具有高输出阻抗的第三状态，称为高阻态，又称为禁止态。A是输入端，L为输出端，EN是使能端。

（2）当使能端EN=1时，如果A=0，则B=1，C=1，使得 $T_N$ 导通，同时 $T_P$ 截止，输出端L=0，输出端L=0；如果A=1，则B=0，C=0，使得 $T_N$ 截止， $T_N$ 导通，输出端L=1

（3）当使能端EN=0时，无论A取何值，都使得B=1，C=0，则 $T_N$ 何 $T_P$ 均截止，电路的输出端既不是低电平，又不是高电平，而是开路，这就是第三种高阻工作状态

（4）由此可知，当EN为有效的高电平时，电路处于正常逻辑工作状态，L=A。而当EN为低电平时，电路处于高祖状态。高电平使能（简称高使能）。

（5）真值表，x可以表示0或1

使能EN	输入A	输出L
1	0	0
1	1	1
0	x	高阻

（6）三态门可以用于总线传输，如计算机或微处理器系统。为了避免两个不同的信号在总线上引起的冲突，任何时刻只有一个门电路的使能端EN为1，该门电路的信号被传送到总线上，而其它三态门输出电路处于高阻态。这样就可以按一定的顺序将各个门电路的输出信号分时送到总线上

（7）接到总线上的三态输出电路，任何时刻只有一个使能端为有效信号，这就要求某个与总线进行数据传输的三态门必须关断之和，另一个三态门才允许与总线进行数据传输。即从高阻态到高电平（或低电平）输出的转换时间。略大于从高电平（或低电平）到高组态的转换时间。这样控制系统给出的使能信号，使前一个电路进入高阻态以后，后一个电路的输出信号才送到总线上，以避免两个不同信号在总线上引起冲突。

1.3.3CMOS逻辑门电路的主要参数

输入和输出高低电平

（1）当逻辑电路的输入电压在一定范围内变化时，输出电压并不会改变，因此逻辑1或0对应的电压范围，不同系列的集成电路，输入和输出为逻辑1或0所对应的电压范围也不同

（2）逻辑电平参数：输入低电平的上限值 $V_{IL(max)}$ 、输入高电平的下限值 $V_{IH(min)}$ 、输出低电平的上限值 $V_{OL(max)}$ 和输出高电平的下限值 $V_{OH(min)}$

噪声容限

（1）噪声容限反映了门电路的抗干扰能力。二值逻辑电路的优点是在于允许它的输入信号允许一定的容差。在数字系统中，各逻辑电路之间的连线可能会受到各种噪声的干扰，如信号传输的噪声，信号的高低电平转换引起的噪声，或者临近开关信号所引起的随机脉冲的噪声。这些噪声会叠加在工作信号上。只要高电平信号叠加噪声后不低于输入高电平的最小值或者低电平信号叠加噪声后不高于输入低电平最大值，则输出逻辑状态不会受到影响。通常将这个最大噪声幅度称为噪声容限。电路的噪声容限越大，其抗干扰能力越强

（2）前一级驱动门电路的输出，就是后一级负载吗，门电路的输入。则输入高电平的噪声容限为

$V_{NH}=V_{OH(min)}-V_{IN(min)}$ ， $V_{NH}$ 反映了驱动门输出高电平时，容许叠加在其上的负向噪声电压的最大值。类似的输入电压低电平的噪声容限值为 $V_{NL}=V_{IL(max)}-V_{OL(max)}$ 。 $V_{NL}$ 反映了驱动门输出低电平时，容许叠加在其上的正向噪声电压的最大值。

1.4TTL逻辑门电路

1.4.1BJT的开关特性

三极管的开关特性

（1）三级管的输入特性

（2）三极管的输出特性

（3）三极管的工作特性

BJT的开关作用

（1）当输入 $V_{I}$ = $V_{IL}$ =0V时，BJT的发射结零偏（ $V_{BE}$ =0），集电极为反向偏置（ $V_{BE}$ <0），只有很小的漏电流流过PN结，故 $i_B\approx 0$ 、 $i_C\approx 0$ 、 $v_o\approx V_{CE}\approx V_{CC}$ ，对应于图中的A点。这时集电极回路中的c、e极之间近似于开路，相当于开关断开一样，输出为高电平。BJT这种工作状态相当于截止

（2）当输入 $V_{I}$ = $V_{IL}$ = $V_{CC}$ 时，调节 $R_b$ ，使 $i_B=\frac{V_{CC}}{\beta R_c}$ ，则BJT工作在图中的B点。集电极回路中的c、e之间近似于短路，相当于开关闭合一样输出为低电平。

BJT的开关特性

（1）BJT的开关过程是在饱和与截止两种状态之间相互切换，也是内部电荷建立何消散的过程。因此需要一定的时间才能完成

（2）以BJT管开关电路为例，在输入端加入一个数字脉冲信号，输入信号的上升沿使BJT从截止到饱和变化，需要时间建立基区电荷以形成饱和电流。输入信号的下降沿使BJT从饱和到截止变化，需要时间消散基区存储的电荷。因此输出电压的变化滞后于输入电压的变化

1.4.2TTL反相器的基本电路

基本工作原理和结构

（1）TTL反相器由三部分组成，T1组成电路的输入级，用来提高工作速度。T3、T4和二级管D组成输出级，以提高开关速度和带负载能力。由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路，将T2的单端输入信号 $V_{12}$ 转换为互补的双端输出信号 $V_{13}$ 和 $V_{14}$ ，以驱动 $T_3$ 和 $T_4$

（2）当输入 $V_{I}=V_{IL}$ =0.2V时，T1的发射结导通，其基极电压为 $v_{B1}=V_{IL}+V_{BE1}$ =0.9V，该电压作用于T1的集电结和T2、T3的发射结之间，所以T2、T5管截止， $v_{14}$ 为高电平， $T_4$ 和D2导通，输出为高电平。当忽略 $R_{c2}$ 上的压降时，则 $v_o=V_{OH} \approx V_{CC}-V_{BE4}-V_D$ =3.6V

（3）当输入 $v_I=V_{IH}$ =3.6V， $V_{cc}$ 通过 $R_{b1}$ 和T1的集电结向T2、T3提供基极电流，使T2、T3饱和导通，此时 $v_{B1}=V_{BC1}+V_{BE2}+V_{BE3}$ =2.1V，使T1的发射结反向偏置，而集电结正向偏置。所以T1处于发射结和集电结倒置的状态。由于T2和T3管饱和，使 $v_{14}=V_{CES2}+V_{BE3}$ =0.9V。该电压作用于T4的发射结和二极管D两个PN结上，无法使其导通，T4和D截止，且T3饱和导通，使输出为低电平， $v_o=v_{C3}=V_{CES3}$ =3.6V

1.5逻辑门电路的实际使用

1.5.1差分信号传输

基本概念

（1）差分信号传输是一种抗干扰能力强的信号传输技术。

（2）传统的信号传输采用一根信号线和一根地线，信号线上传输高电平或低电平电压值。若叠加干扰信号后电压值发生变化，有可能导致逻辑电平发生变化.

（3）差分信号传输是在两根线上都传输信号，两个信号的大小相等、相位相反

工作原理

（1）原始数字信号在输入端经过缓冲器和反相器，分别输出两个大小相等，相位相反的信号到两根传输线上。在电路板上，两根传输线必须等长、等宽、紧密靠近且在同一层面。当干扰信号同时作用时，叠加在两根传输线上的干扰信号（共模信号）大小相等、相位也相同。当接收端用差分放大器来检测差分信号，两个输入端信号相减后，干扰信号被消除。因此干扰信号具有很强的抗干扰能力

（2）当X=0， $V_{OP}$ 为低电平， $V_{ON}$ 为高电平。经过传输线到接收端， $V_{IP}$ - $V_{IN}$ <0时，Y=0