数字电子技术基础（二十八）——TTL门电路的静态功耗和动态功耗

1 静态功耗

门电路的工作需要直流电压源的支持，无论在模拟电路还是在数字电路中，只有在外加直流电源的作用下，半导体二极管具有单向导电性，晶体管的放大能力以及开关特性才能体现出来芯片的电源端正负级。芯片的电源端正负极如果接反都是源电压过高，都会导致电器中集成电路的损毁，而源电压值过低的时候，虽然不会损毁芯片，但是会导致芯片内部逻辑功能混乱，整个电子系统不能正常工作。

如下所示为与非门接直流电压源：

图1  与非门接直流电源

在直流电压给门电路根据情况产生相应的电流：

图2 直流电源给与非门产生相应的电流

 静态功耗时门电路输出电平时电源电流与门电路输出高电平的电源电流的算术平均值，与源电压的乘积。

在上图中，表示的是输出低电平的电源电流，而表示的是输出高电平的电源电流。静态功耗为：

                                                                        

由集成芯片时将多个同类型的门电路的门电路集成再一块芯片上，例如集成7400芯片，有4个与非门，因此上面公式计算功耗除以4。

2 平均延迟时间

在数字电子技术中，平均延迟时间是指信号通过逻辑门或电路时，从输入变化到输出稳定所需的平均时间，它是衡量数字电路速度的重要指标。

门电路在输入脉冲的作用下，在开态和关态之间变化的时候，需要一定的变化时间，因而输出电压要滞后于输入电压，以非门为例：

图3 与非门的逻辑图

为了便于测量，通常以电压波形的中点，做通常以电压波形的中点作为测量延迟时间的起止点，电路在输入脉冲波形的作用下，输出从关态变化到开态的时间定义为导通延迟时间，同理受输入信号的控制，电路从开态变化到关态，所需要的时间就是截止延迟时间，这两个延迟的平均延迟时间。

如下图所示：

图4 平均延迟时间示意图

平均延迟时间的计算方式为：，门电路允许输入脉冲信号的最高变化频率于平均延迟时间是密切相关的，因为输入信号频率过高，这就意味着输入信号变换的周期比较短。

（本文参考了哈尔滨工业大学《数字电子技术基础》课程内容）