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第三章 逻辑门电路

第三章 逻辑门电路. 主要内容 ⒈ 基本门电路 ⒉ TTL 集成门电路 ⒊ MOS 集成门电路. 体现开关作用→ 静态特性. 开关特性. 转换过程→ 动态特性. Z ＝ 0 → 短路、相当开关闭合. 理想开关特性. Z ＝∞ → 断路、相当开关断开. §1 逻辑门电路. 门：具有开关作用。 门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。. 一、器件的开关作用. +. D. R. －. 二、半导体二极管的开关特性. ⒈ 开关作用. D 正偏→导通→ U D 很小→电路导通 U D ≈0.7V, 硅管 U D ≈0.3V, 锗管.

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第三章 逻辑门电路

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  1. 第三章 逻辑门电路 主要内容 ⒈ 基本门电路 ⒉ TTL集成门电路 ⒊ MOS集成门电路

  2. 体现开关作用→静态特性 开关特性 转换过程→动态特性 Z＝0 →短路、相当开关闭合 理想开关特性 Z＝∞ →断路、相当开关断开 §1 逻辑门电路 门：具有开关作用。 门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。 一、器件的开关作用

  3. + D R － 二、半导体二极管的开关特性 ⒈开关作用 D正偏→导通→UD很小→电路导通 UD ≈0.7V,硅管 UD ≈0.3V,锗管 注:讲课如不特殊说明,均以硅管为例. D反偏→截止→UD很大→电路断开

  4. + D R t － t Is ⒉动态特性 反向恢复过程: D正偏时，PN结电阻较小。加上反压后，形成较大的I2；尔后，随着结电阻的增加，反向电流逐渐减小，直至漏电流Is。 反向恢复时间 tre 说明:⑴转换时间：截止→导通 较小 导通→截止较大 故D的开关时间以tre来衡量。 ⑵Vi的最高频率以10 tre来取值。

  5. Vcc=5V 1k Vo β =30 T 10K 三、半导体三极管的开关特性 ⒈开关作用 Vbe Vbc 截止 反偏反偏， ib＝ic＝0，开关断开。 放大 正偏反偏， ic ＝ βib， 线性放大。 正偏正偏， ib >Ibs ， 开关闭合。 饱和

  6. Vcc=5V 1k Y β =30 T 10K B越大，饱和越深； 反之饱和则浅 说明：因 所以，临界饱和电流是由外电路（Rc）决定的， Rc不同，临界饱和电流是不一样的。 ⒈开关作用（续） 临界饱和： 饱和系数： Vbc＝0 V时，T处于临界饱和

  7. Vcc ic↓ Rc Rb Vo T ib→ ie↓ Re 例1:计算图示电路的临界饱和电流。 β =30 Vces=0.7V

  8. t t 开启 延时 上升 关闭 存储 下降 ⒉动态特性 开关时间: T从： 截止→导通 ，建立电荷需要时间 →ton 导通→截止存储电荷消散需要时间 →toff 说明:⑴转换时间：截止→导通 时间ton较小 导通→截止时间toff较大 ⑵ toff中 ts占主要部分。

  9. Vcc（5V） R D1 F 5V A 0V B D2 VA VB VF D1 D2 0V 0V 0.7V 通 通 0V 5V 0.7V 通 止 5V 0V 0.7V 止 通 5V 5V 5 V 止 止 四、基本门电路 对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路 ⒈二极管与门（D与门） ⑴电路 ⑵原理 电位表： 要分析输入的各种状态

  10. 真值表: A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 VA VB VF D1 D2 0V 0V 0.7V 通 通 0V 5V 0.7V 通 止 5V 0V 0.7V 止 通 5V 5V 5 V 止 止 A B A B A B & F F F 国标 惯用 国外 ⒈二极管与门(续) 实现了与逻辑功能 实现了与逻辑功能 0→低电位 1→高电位 ⑶符号

  11. 真值表: A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 D1 F 5V A 0V B VA VB VF D1 D2 0V 0V 0V 止 止 0V 5V 4.3V 止 通 5V 0V 4.3V 通 止 5V 5V 4.3V 通 通 D2 R ⒉ 二极管或门（D或门） ⑴电路 ⑵原理 电位表： 实现了或逻辑功能 实现了或逻辑功能 0→低电位 1→高电位

  12. A B A B A B ≥1 F ＋ F F ⑶符号 国标 惯用 国外

  13. Vcc(5V) Rc F A T Rb 真值表: A F 0 1 1 0 VA VF T 0V 5V 止 5V 0.3V 通 F F F A A A 1 国标 惯用 国外 ⒊ 晶体管非门 (反相器) ⑴电路 ⑵原理 电位表： 实现了非逻辑功能 实现了非逻辑功能 ⑶符号

  14. A A 1 A Y Y 或非门 Y B B B A A A & Y Y Y 与非门 B B B A A A Y =1 Y Y B 异或门 B B A A A = Y Y 异或非门 Y B B B 国标 惯用 国外 ⒋ 复合门 把单级门电路级联起来,构成复合门,如:与非门、或非门等等。

  15. 五、逻辑约定 门电路的输入、输出电压定义为： 低电位→ 0 ⒈ 正逻辑 高电位→ 1 低电位→ 1 门电路的输入、输出电压定义为： ⒉负逻辑 高电位→ 0 说明： ⑴前面所述基本门电路均以正逻辑定义。 ⑵同一个逻辑门电路，在不同逻辑定义下， 实现的逻辑功能不同。 ⑶数字系统中，不是采用正逻辑就是采用 负逻辑，而不能混合使用。 本书中采用正逻辑系统。

  16. Vcc（5V） A B F 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 R D1 F 5V A 0V B D2 VA VB VF D1 D2 0V 0V 0.7V 通 通 0V 5V 0.7V 通 止 5V 0V 0.7V 止 通 5V 5V 5 V 止 止 A B F 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 等价 正负逻辑约定举例 电位表： 正逻辑 负逻辑 真值表 真值表 F＝A＋B F＝AB 正与逻辑 负或逻辑

  17. ⒊ 正负逻辑转换（只需了解） 一个门的输入和输出同时取反，则： 正逻辑←→负逻辑 ⑴依据: ⑵目的： 化简和转换电路。 从后往前的奇数级上，输入、输出都取反，且 与门→或门，或门→与门，即可化简电路。 ⑶方法：

  18. A B Y C E F D & & & & & & & & & & A B Y ≥1 C ≥1 E F D A & 1 B & Y 1 C & E F D 正负逻辑转换举例 1.奇数级，前后取反 2.相互抵消 3.与门→或门

  19. 二极管----晶体三极管逻辑门（DTL） 集 晶体三极管----晶体三极管逻辑门 （TTL） 成 双极型 射极耦合逻辑门 （ECL） 逻 集成注入逻辑门电路 （ ） 辑N沟道MOS门 (NMOS) 门 单极型(MOS型) P 沟道MOS门 (PMOS) 互补MOS门 (CMOS) §2 TTL集成门电路(与非门) 集成门电路按开关元件分类 集成：把晶体管、电阻、和导线等封装在一个芯片上。

  20. +5V   R1 输入级由多发射极晶体管T1和基极电组R1组成，它实现了输入变量A、B、C的与运算。 R2 R4 3k 中间级是放大级，由T2、R2和R3组成，T2的集电极C2和发射极E2可以分提供两个相位相反的电压信号 Vcc（5V）  b1 C2 T3 c1  R A T2 T4 T1 A D1 F B R5 C E2  F D2 B D4 C D3  T5 R3  一、电路 输出级：由T3、T4、T5和R4、R5组成，其中T3、T4构成复合管，与T5组成推拉式输出结构，具有较强的负载能力。 中间 倒相级 推挽 输出级 多发射极 输入级

  21. 二、工作原理 +5V R1   R2 R4 3k b1 T3 c1  V T2 T4 T1 V R5 V F  T5  三个PN结 R3 “0” 导通需2.1V 1. 输入有低电平（0.3V）时 Vb1=0.3+0.7=1V 不足以让 T2、T5导通 1V 3.6 3.6 0.3 T1深饱和 T2截止 T5截止 

  22. 1. 输入有低电平（0.3V）时(续) +5V R1 R2 R4 3k  b1 T3 c1 A T4 T1 B R5 C  F uo “0”   T1深饱和 T2截止 T5截止 T3微饱和 T4放大 1V uo=5-uR2-ube3-ube43.6V高电平！ 结论1:输入有低时,输出为高

  23. 2. 输入全为高电平（3.6V）时 +5V R1 R2 R4 3k 放大 b1 T3 c1  A T2 T4 T1 截止 B R5 C F  T5  全饱和导通 R3  T2,T5管饱和导通, Vce2=0.3V 所以:Vc2=1V→T3:放大 Vb4=0.3V → T4:截止 Vb1=2.1V Vc1=1.4V T1管:Ve1=3.6V Vb1=2.1V Vc1=1.4V T1管在倒置工作状态   全反偏 2.1V 1V 1.4V 0.3V 3.6V T1:倒置 T2:饱和 T5:饱和 T3:放大 T4:截止

  24. 2. 输入全为高电平（3.6V）时(续) +5V R1 R2 3k b1 c1 A T2 T1 B C F T5 饱和 饱和 R3 T1:倒置  T2:饱和 T5:饱和 T3:放大 T4:截止 T5饱和, Vce5=0.3V 3.6V  uF=0.3V 结论2:输入全高时,输出为低

  25. 工作原理小结: T1深饱和 T2截止 T3微饱和 T4放大 T5截止 • 输入有低电平（0.3V）时 • VF=3.6V T1:倒置 T2:饱和 T3:放大 T4:截止 T5:饱和 2. 输入全为高电平（3.6V）时 VF=0.3V 3. 逻辑功能

  26. 3. 输入多发射极的作用 TTL集成门在输入级采用晶体管多发射极， 其作用是: 1.参数一致性好; 2.缩小体积; 3.缩短T2从饱和向截止的转换时间→加速转换过程。 (即加速输入有全“1”→→输入有“0”的转换过程)

  27. R1 R2 R4 放大区 b1 T3 c1 3.6V T2 T4 T1 饱和 3.6V R5 Vc 3.6 T5 0.3 饱和 R3 饱和到截止，需要基区电荷消散时间 输入多发射极的作用（续） T2截止，Vc2电压升高，T3导通，做电压跟随→T4进入放大。 +5V 1V 集电极电流加大，T5迅速截止 VA= VB= 1.4V F 集电极电流 基区电荷迅速消散 由于输入级的存在，T1在转换瞬间进入放大状态，加速了T2的状态转换，从而加速了整个电路的工作速度。

  28. 4. 推挽输出电路的作用 输出级采用推挽电路不仅提供比较大的带负载能力，而且在接容性负载状态转换时，可以产生比较大的充放电电流，产生陡峭的上升或下降沿，也提高了整体电路的开关速度。

  29. +5V R2 R1 R4 截止 T3 “1” T2 T4 T1 “1” R5 F “1” Co RL T5 R3 饱和 ⑴输出为低电平时： T5深度饱和，集电极电流可以全部用于驱动负载。 输出电阻为T5的饱和c-e 电阻，阻值很小，带负载能力强。 容性负载时,放电较快, 形成陡峭的下降沿。

  30. +5V R2 R1 R4 T3 “0” T2 T4 T1 “1” R5 F “1” 截止 RL Co T5 R3 ⑵输出为高电平时： T4处在放大区，工作在射极输出状态，组成电压跟随器，跟随VCC，输出稳定，带负载能力强。 容性负载时,充电较快, 形成陡峭的上升沿。

  31. V0(V) VCC A B 3.6V C & Vo V Vi V D E 0 1 2 3 Vi(V) 0.6V 1.4V 三、电压传输特性 输出电压VO随输入电压Vi变化的关系曲线，即 VO = f(Vi)。 ⒈ 电压传输特性 传输特性曲线 测试电路

  32. V0(V) A B 3.6V C D E 0 1 2 3 Vi(V) 0.6V 1.4V 电压传输特性分析 AB段：截止区,当VI≤0.6V，Vb1≤1.3V时，T2、T5截止，输出高电平VOH = 3.6V BC段：线性区，当0.6V≤Vi≤1.3V， 0.7V≤V b2＜1.4V时，T2开始导通，T5仍截止，VC2随Vb2升高而下降，经T3、T4两级射随器使VO下降。 CD段：转折,Vi=1.4V,T2、T5饱和。 DE段：饱和区,Vi>1.4V VO＝0.3V

  33. 5V VSH 2.4V 0.4V VSL 0V ⒉几个参数 VOH输出高电平： 产品规范值:VOH≥2.4V 典 型 值: VOH＝3.5V 标准高电平: VOH=VSH=2.4V 与非门输入有低时，Vo＝ VOH VOL输出低电平： 产品规范值:VOL≤0.4V 典 型 值: VOL＝0.3V 标准高低平: VOL=VSL=0.4V 与非门输入全高时，Vo＝ VOL 1. VOH 和 VOL都是对具体门输出高、低电平电压值的 要求。 2.高电平表示一种状态，低电平表示另一种状态， 一种状态对应一定的电压范围，而不是一个固定值。 说明：

  34. 几个参数（续） 此时输入有低 VOFF关门电平： 与非门在保证输出为高电平时， 允许的最大输入低电平值。 VOFF＝0.8V 此时输入全高 VON开门电平： 与非门在保证输出为低电平时， 允许的最小输入高电平值。 VON＝2 V VT门坎电平：

  35. VSH 1 1 VNH VON VOFF VNL 0 0 VSL ⒊噪声容限 在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。 定义： 高电平噪声容限 VNH ＝VSH － VON ＝ 2.4－2＝0.4V 低电平噪声容限 VNL＝ VOFF － VSL ＝ 0.8－0.4V＝0.4V

  36. +5V R1 R2 3k T2 3.6V T1 IIS Vi 四、输入/输出特性 ⒈ 输入伏安特性：输入电压与输入电流之间的关系曲线，即ii = f（Vi） IIH=50μA IR1 Ii 1.4V -1.4mA 测试电路 特性曲线

  37. +5V R1 R2 3.6V 3k 1.4V IIS T2 T1 Vi 输入伏安特性(续1) ⑴输入短路电流IIS Vi = 0V时由输入端流出的电流。 设定正方向 IR1 -1.4mA Ii × Vi = 0～1.4V时, IC1变化很小, Ii的绝对值也只略有减少。 输入有低, T2截止。

  38. +5V IIH R1 R2 1.4V 3.6V 3k IIS T2 T1 Vi 输入伏安特性(续2) ⑵输入漏电流IIH（输入高电平电流） IIH=50μA Vi = 3.6V时,由输入端流入的电流。 假定正方向 IR1 -1.4mA Vi ≥1.4V时, T2始导通，IC1迅速增大→ Ii迅速减小。 Ii IC1 = 3.6V

  39. 输入伏安特性(续3) +5V  R1 +5V R2 3k b1 R1 c1 T2 T1 T1 T5  R3  ⑶灌电流 条件：前级输出为 低电平。 对前级而言，电流灌入，称灌电流，约1.4mA（＝IIS） 前级 后级

  40. 输入伏安特性(续4) +5V  +5V  R2 R4 R1 T3 反偏  T4 R5  T1  条件：前级输出为 高电平。 ⑷拉电流 3.6V 前级 后级 对前级而言，电流流出，称拉电流，约50μA （＝IIH）

  41. ⒉输入负载特性 +5V R1   R2 R4 3k b1 T3 c1  A T2 T4  T1 B R5 C F  T5 RI  R3 即输入端通过电阻R接地时的特性 输入端 “1”,“0”？ Vi 

  42. R较小时 +5V R1 3k R 0 A T1 B C RI Vi Vi<UT=1.4V时,相当输入低电平， 所以输出为高电平。 R增大时 RVi=UT 时，输入变高， 输出变低电平。此时Vi≡1.4V。 Vi=UT 时，T2、T5导通，Vb1＝2.1V,使Vi钳在1.4V。 1.4V R单位: KΩ

  43. 说明 • 悬空的输入端（RI＝∞）相当于接高电平。 2. 为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。

  44. 开门电阻 RON 在保证与非门输出为低时， 允许输入电阻R的最小值。 当RI≥ RON时， 相当输入高电平。 RON＝2 KΩ 在保证与非门输出为高时，允许输入电阻R的最大值。 关门电阻 ROFF 当RI≤ ROFF时， 相当输入低电平。 ROFF＝0.8 KΩ

  45. VCC RL T4 F VOL T5 IL 0 ⒊输出特性 ⑴输出低电平 说明: ⑴输出为低,灌电流负载。 ⑵ T5饱和,Rce5很小,故IL上升时,VOL上升很慢,基本呈线性关系。 ⑶当VOL＞ VSL＝0.4V后，低电平输出逻辑关系被破坏,故IL灌受限制。 IL 0.4V 20mA

  46. VO +5V R4 IL T3 0 T4 F R5 T5 ⑵输出高电平 3.6V 2.4V IR4 20mA 5mA 说明: ⑴输出为高,拉电流负载。 ⑵IL较小时,T3处在放大区，IL↑→IR4↑ → VR4↑→VCE3↓→VO基本不变。 IL ⑶当IL＞5mA后,T3进入饱和区， VCE3＝VCES3保持不变，VO随IL上升而下降。 RL ⑷当VOL＜VSH＝2.4V后,高电平输出逻辑关系被破坏,故IL拉 受限制。

  47. ⑶扇出系数 +5V R2 R4 T3 IiH1 T4 R5 IiH2 T1 T1 T1  IOH IiH3 前级 门电路输出驱动同类门的个数 前级输出为 高电平时—拉电流负载。     因IL拉受限制，故负载数量有限。

  48. +5V R1 IiL1 R2 3k b1 c1 T2 IOL IiL2 T1  T5 IiL3 R3 前级输出为 低电平时—灌电流负载。   前级  因IL灌受限制，故负载数量有限。

  49. 输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）： 输出高电平时，前级流出的电流（拉电流）： 由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数有限，一般 N灌＞N拉。 一般与非门的扇出系数为8。

  50. 五、主要性能和主要参数 ui uo 50% o o t t 50% 抗饱和电路 有源泄放 ⒈主要性能 ⑴工作速度 平均传输时间 主要取决于存储时间ts， 5管门电路 tpd＝40ns tpd1 tpd2 改进措施

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