第3章：逻辑门电路

1、 数字逻辑电路 2 数字逻辑电路 使用教材 数字电子技术基础 清华大学出版社出版 伍时和、吴友宇等编写 主讲：伍时和 数字逻辑电路 3 数字电子技术基础 第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路 3.1 分立元件门电路分立元件门电路 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门 3.3 发射极耦合逻辑门（发射极耦合逻辑门（ECL） 3.4 MOS逻辑门逻辑门 3.5 74系列和系列和4000系列逻辑门电路的使用系列逻辑门电路的使用 主要内容主要内容 逻辑门电路是实现逻辑函数运算的硬件电路结构，并利用电逻辑门电路是实现逻辑函数运算的硬件电路结构，并利用电 路的输入和输出电平关系确定电路可以实现何种逻辑运算，通常路

2、的输入和输出电平关系确定电路可以实现何种逻辑运算，通常 采用正逻辑赋值，将电路的高电平赋值采用正逻辑赋值，将电路的高电平赋值1，低电平赋值，低电平赋值0，并用输，并用输 入信号表示逻辑运算的自变量，用电路的输出信号表示逻辑函数入信号表示逻辑运算的自变量，用电路的输出信号表示逻辑函数 运算的因变量。运算的因变量。 门电路的基本的电路元件是二极管、三极管（单极或双极型）门电路的基本的电路元件是二极管、三极管（单极或双极型） 及电阻等。及电阻等。 二极管与门、或门电路，三极管非门电路的工作原理。二极管与门、或门电路，三极管非门电路的工作原理。TTL 门电路、门电路、CMOS门电路的电路结构和原理，以

3、及使用中的注意事门电路的电路结构和原理，以及使用中的注意事 项等。项等。 集电极开路门、传输门、三态输出门等。了解电路的输入特性集电极开路门、传输门、三态输出门等。了解电路的输入特性 和输出特性。和输出特性。 数字逻辑电路 5 3.1 分立元件门电路分立元件门电路 3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性 二极管的二极管的V安特性可以用下述指数表达式近似的表示。安特性可以用下述指数表达式近似的表示。 ID=IDS(eVd/VT-1) 其中其中Vd 为二极管（为二极管（PN结）的外加电压；结）的外加电压； VT=KT/q=1.3810-23/1.60210-19 ，在，在T=300 时，时， V

4、T=25.8mV=26mV,K波尔兹曼常数波尔兹曼常数=1.3810-23 库库V， q电子电荷量电子电荷量=1.60210-19 库，库， T绝对温度绝对温度=2730C+ t0C。 数字逻辑电路 6 由二极管的由二极管的V安特性可以看出，若二极管外加正向电压，且安特性可以看出，若二极管外加正向电压，且 超过二极管的正向开启电压超过二极管的正向开启电压Vth，二极管正向导通，流经二极管的，二极管正向导通，流经二极管的 电流较大，其正向电压降维持在电流较大，其正向电压降维持在0.50.7V之间，若将二极管作为之间，若将二极管作为 一个开关元件，相当于开关闭合。若二极管外加反向电压，且不一个开关

5、元件，相当于开关闭合。若二极管外加反向电压，且不 超过超过VBR，或小于，或小于Vth的正向电压，流过二极管的电流很小，外加的正向电压，流过二极管的电流很小，外加 电压基本上等于二极管两端的电压值，此时相当于开关断开。电压基本上等于二极管两端的电压值，此时相当于开关断开。 如果将如果将E改为电路的输入信号电压改为电路的输入信号电压Vi，而且为高电平，而且为高电平VH（比（比 Vth大几倍以上）和低电平大几倍以上）和低电平VL（小于（小于Vth）的脉冲电压信号，二极）的脉冲电压信号，二极 管可以当成理想的开关元件，管可以当成理想的开关元件，Vi为高电平为高电平VH时，二极管导通，时，二极管导通，

6、Vi 为低电平为低电平VL时，二极管处于完全截止状态。时，二极管处于完全截止状态。 二极管从反向截止到正向导通，或者从正向导通到反向截止，二极管从反向截止到正向导通，或者从正向导通到反向截止， 其时间是很短的，若工作电压的频率不高，这种转换过程所需要其时间是很短的，若工作电压的频率不高，这种转换过程所需要 的时间完全可以忽略不计。如果输入信号的频率很高时，脉冲周的时间完全可以忽略不计。如果输入信号的频率很高时，脉冲周 期到达期到达s，ns级，就得考虑其影响了。级，就得考虑其影响了。 3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性 数字逻辑电路 7 2二极管的开关特性二极管的开关特性 1)二极管的正向

7、导通二极管的正向导通 二极管从反向截止转为正向导通过程所需要的时间称为正二极管从反向截止转为正向导通过程所需要的时间称为正 向开通时间。这个时间与反向的恢复时间相比较是很小的。在向开通时间。这个时间与反向的恢复时间相比较是很小的。在 反向电压的作用下，势垒区变厚，存在一定的电荷积累，这部反向电压的作用下，势垒区变厚，存在一定的电荷积累，这部 分积累的电荷为分积累的电荷为PN结两边的掺杂离子的复合电荷，与正向导结两边的掺杂离子的复合电荷，与正向导 通的电荷积累相比要小得多。外加反向电压转为正向电压时，通的电荷积累相比要小得多。外加反向电压转为正向电压时， 这部分电荷很快被外加的正向电源拉走，使这

8、部分电荷很快被外加的正向电源拉走，使PN结变窄（薄）。结变窄（薄）。 正向导通时，正向导通时，PN结的正向电压很小，正向电阻很小，且为多结的正向电压很小，正向电阻很小，且为多 数载流子形成电流，故此电流上升很快，所以正向开通时间很数载流子形成电流，故此电流上升很快，所以正向开通时间很 短，与反向恢复时间相比可以忽略不计。短，与反向恢复时间相比可以忽略不计。 3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性 数字逻辑电路 8 2)二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程。 当输入信号电压为高电平当输入信号电压为高电平VH时，二极管正向导通，时，二极管正向导通，P区

9、接输入信号区接输入信号 的高电位端，的高电位端，N区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散 电流。由于电流。由于VHVDON(二极管正向导通电压降二极管正向导通电压降)，所以流过二极管，所以流过二极管 的正向电流的正向电流IP为：为： R VV I DONH P R VH 。 3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性 数字逻辑电路 9 2)二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程。 当输入信号电压为高电平当输入信号电压为高电平VH突变为低电平突变为低电平VL（其值为负（其值为负VH） 时，二极管由正向导通突

10、然加上反向电压，理想的情况下时，二极管由正向导通突然加上反向电压，理想的情况下ID0，但，但 实际上存在一个恢复过程，开始，反向电流实际上存在一个恢复过程，开始，反向电流IR为：为： R VV I DL R R VL 式中式中VD为外加电压突变瞬间为外加电压突变瞬间 二极管二极管PN结的电压降，约为结的电压降，约为 0.7V。 3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性 数字逻辑电路 10 维持维持IR=VL/R这一过程所用的时间这一过程所用的时间ts称为存储时间，然后才逐称为存储时间，然后才逐 步下降到步下降到0.1IR 。规定此时才进入反向截止状态。反向电流从。规定此时才进入反向截止状态。反

11、向电流从 IR=VL/R下降到下降到0.1IR 所用的时间称为反向度越时间所用的时间称为反向度越时间tr 。tf=ts+tr称称 为反向恢复时间。反向恢复时间一般在几个纳秒以下，长短与二为反向恢复时间。反向恢复时间一般在几个纳秒以下，长短与二 极管的扩散电容及电阻极管的扩散电容及电阻R的大小有关。的大小有关。 3产生反向恢复过程的产生反向恢复过程的 原因原因-电荷存储效应电荷存储效应 3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性 数字逻辑电路 11 3.1 分立元件门电路分立元件门电路 当输入信号电压为高电平当输入信号电压为高电平VH，P区接输入信号的高电位端，区接输入信号的高电位端，N 区接输入

12、信号的低电位端，形成多数载流子的扩散电流二极管正区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散电流二极管正 向导通。扩散到向导通。扩散到P区的自由电子和扩散到区的自由电子和扩散到N区的空穴这些多数载流区的空穴这些多数载流 子在这两个区域并不是均匀分布的，而是形成靠近子在这两个区域并不是均匀分布的，而是形成靠近PN结附近浓度结附近浓度 大，靠外接电极处浓度小的梯度分布。而且势垒区变窄，大，靠外接电极处浓度小的梯度分布。而且势垒区变窄，PN结存结存 在一定的载流子存储。这是因为载流子跨越在一定的载流子存储。这是因为载流子跨越PN结到达相应电极时结到达相应电极时 需要一定的运动时间。二极管正向导通时，

13、需要一定的运动时间。二极管正向导通时，P区和区和N区的非平衡载区的非平衡载 流子的积累现象称为电荷存储效应流子的积累现象称为电荷存储效应 。 当输入信号电压由高电平当输入信号电压由高电平VH突变为低电平突变为低电平VL，P区接输入信号的低电位端，区接输入信号的低电位端， N区接输入信号的高电位端，在突变的瞬间，正向时扩散到区接输入信号的高电位端，在突变的瞬间，正向时扩散到P区的自由电子和扩区的自由电子和扩 散到散到N区的空穴这些多数载流子形成，多数载流子由于电荷存储效应尚有一部区的空穴这些多数载流子形成，多数载流子由于电荷存储效应尚有一部 分未达到外部连接电极。电荷存储效应积累非平衡载流子将形

14、成反向漂移电流，分未达到外部连接电极。电荷存储效应积累非平衡载流子将形成反向漂移电流， 即即N区积累的空穴向区积累的空穴向P区漂移，区漂移，P区积累的自由电子向区积累的自由电子向N区漂移，在这部分积累区漂移，在这部分积累 的电荷消失之前，的电荷消失之前，PN结也来不及变厚；这样结也来不及变厚；这样PN结基本保留正向导通时基本相结基本保留正向导通时基本相 同数量级的反向电压降，所以二极管维持反向电流同数量级的反向电压降，所以二极管维持反向电流IR=VL/R，直到，直到PN结两边积结两边积 累非平衡载流子基本消失，这一过程才开始结束；此后信号源向累非平衡载流子基本消失，这一过程才开始结束；此后信号

15、源向PN结补充空穴结补充空穴 （N区一侧）和电子（区一侧）和电子（P区一侧），电流也逐步下降，直到最终二极管截止，整区一侧），电流也逐步下降，直到最终二极管截止，整 个过程结束。个过程结束。 数字逻辑电路 12 3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 1. 双极型三极管（双极型三极管（Bipolar junction Transistor，BJT）的结构）的结构 双极型三极管的基本结构以平面扩散型为主，即在一块单双极型三极管的基本结构以平面扩散型为主，即在一块单 晶半导体上通过扩散掺杂晶半导体上通过扩散掺杂外延外延扩散掺杂扩散掺杂外延外延再扩散掺再扩散掺 杂等工艺先后生产杂等

16、工艺先后生产3层层NPN型半导体或型半导体或PNP型半导体，每层引出型半导体，每层引出 相应的连接电极，然后封装，就构成一个三极管。三层半导体相应的连接电极，然后封装，就构成一个三极管。三层半导体 按按N、P、N型先后排布的，称为型先后排布的，称为NPN型三极管；型三极管； 三层半导体按三层半导体按 P、N、P型先后排布的，称为型先后排布的，称为PNP型三极管。掺杂的浓度和每型三极管。掺杂的浓度和每 层的厚薄、层间的交界面都不相同，这些均由生产过程中进行层的厚薄、层间的交界面都不相同，这些均由生产过程中进行 严格控制严格控制 。 数字逻辑电路 13 2. 双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏

17、安特性 3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 输入特性：输入特性：是指基是指基 极电流和基极、发极电流和基极、发 射极之间电压的大射极之间电压的大 小关系；小关系；输出特性：输出特性： 是指集电极电流和是指集电极电流和 集电极、发射极之集电极、发射极之 间的电压大小关系。间的电压大小关系。 输入特性：输入特性：形状与二极管的正向特性基本相同。当基极与发射极之间外加形状与二极管的正向特性基本相同。当基极与发射极之间外加 电压电压VBE低于其正向开启电压低于其正向开启电压Vth时，基极电流很小，可以认为接近于时，基极电流很小，可以认为接近于0，这种情，这种情 况下，三极管处于截

18、止工作状态；而当基极与发射极之间外加电压高于其正向况下，三极管处于截止工作状态；而当基极与发射极之间外加电压高于其正向 开启电压开启电压Vth时，三极管的基极电流随时，三极管的基极电流随VBE的上升而快速上升。而且基极与发射的上升而快速上升。而且基极与发射 极之间的电压一般不超过极之间的电压一般不超过0.7V（硅材料管），处于开关工作状态的三极管，这（硅材料管），处于开关工作状态的三极管，这 一电压称为导通电压，并用一电压称为导通电压，并用VON表示。若表示。若VBE在在VthVON之间变化，基极电流的之间变化，基极电流的 变化量与变化量与VBE的变化量具有接近于线性变化的关系，这一范围内，三

19、极管可以的变化量具有接近于线性变化的关系，这一范围内，三极管可以 工作于放大状态或饱和状态。工作于放大状态或饱和状态。 数字逻辑电路 14 2. 双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏安特性输出特性输出特性 3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 图中直流负载线是指在直流电源电压的作用下，图中直流负载线是指在直流电源电压的作用下，IC与与VCE之间之间 的变化关系。从图中可以看出，输出特性可以分成的变化关系。从图中可以看出，输出特性可以分成3个工作区。个工作区。 数字逻辑电路 15 3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 2. 双极型三极管的伏安特性双极型三

20、极管的伏安特性输出特性输出特性 （1）截止工作区：）截止工作区：IB为为0以下的工作区，这一区域，以下的工作区，这一区域，IC很很 小，且等于小，且等于ICEO，大小在，大小在1A以下，以下，VCE接近于电源电压接近于电源电压VCC。根。根 据三极管的输入特性，此时据三极管的输入特性，此时VBE应低于其正向开启电压应低于其正向开启电压Vth，即，即 就是双极型三极管的发射结外加反向电压（称为反偏）或外加就是双极型三极管的发射结外加反向电压（称为反偏）或外加 正向电压但小于正向电压但小于Vth的状态。而此时由于的状态。而此时由于VCE接近于电源电压接近于电源电压VCC， 集电极电位高于基极电位（

21、集电极电位高于基极电位（NPN型管），所以型管），所以“集电结集电结”外加外加 反向电压（称为反偏）状态。反向电压（称为反偏）状态。 （2）放大工作区：）放大工作区：IC随随IB正比增加的工作区域。在这一正比增加的工作区域。在这一 工作区，工作区，VBE在大于在大于Vth和接近和接近VON之间变化，之间变化，ICIB，VCE对对IC影影 响很小。三极管的发射结外加电压处于正向（正偏）状态。而响很小。三极管的发射结外加电压处于正向（正偏）状态。而 此时由于此时由于VCE小于电源电压小于电源电压VCC，但集电极电位还是高于基极电，但集电极电位还是高于基极电 位（位（NPN型管），所以型管），所以“

22、集电结集电结”外加反向电压（反偏）状态。外加反向电压（反偏）状态。 数字逻辑电路 16 3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 2. 双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏安特性输出特性输出特性 （3）饱和工作区：）饱和工作区：IC不随不随IB正比增加的工作区域。在这正比增加的工作区域。在这 一工作区，一工作区，VBE在大于或等于在大于或等于VON之间的范围变化，之间的范围变化，ICIB，而，而 是等于集电极的饱和电流是等于集电极的饱和电流ICS，ICS(VCCVCES)/RC，VCE较小，较小， 并称其为饱和电压降并称其为饱和电压降VCES，且对，且对IC影响较大。此时，三

23、极管的发影响较大。此时，三极管的发 射结外加电压处于正向（正偏）状态射结外加电压处于正向（正偏）状态VBE=0.7V。而此时由于。而此时由于VCE 很小，在很小，在0.3V以下（硅管），使集电极电位还是低于基极电位以下（硅管），使集电极电位还是低于基极电位 （NPN型管），所以型管），所以“集电结集电结”外加正向电压（正偏）状态。外加正向电压（正偏）状态。 处于开关工作状态的双极型三极管，稳定时，将工作于截处于开关工作状态的双极型三极管，稳定时，将工作于截 止状态，或者饱和状态；只是在从饱和状态突变到截止状态的止状态，或者饱和状态；只是在从饱和状态突变到截止状态的 过程中，或从截止状态突变到饱

24、和状态的过程中，中间一定会过程中，或从截止状态突变到饱和状态的过程中，中间一定会 经历一段放大工作状态变化过程经历一段放大工作状态变化过程 。 数字逻辑电路 17 3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 2. 双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏安特性输出特性输出特性 双极型三极管的三种工作状态及其特点。双极型三极管的三种工作状态及其特点。 数字逻辑电路 18 3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 必定使必定使VBEVT时，形成感应导电沟道时，形成感应导电沟道, ,iD0 P P型衬底引线型衬底引线 V VGS GS 漏极、源极之间加一正向漏极、源极之间

25、加一正向 电压电压VGS（注意衬底与源极也（注意衬底与源极也 短接在一起）且短接在一起）且VGS0时，时， 漏极、源极之间的通道将形漏极、源极之间的通道将形 成感应导电沟道，即连接漏成感应导电沟道，即连接漏 极、源极之间的极、源极之间的P型衬底区型衬底区 产生感应导电粒子产生感应导电粒子自由自由 电子，这样，漏极、源极与电子，这样，漏极、源极与 P型衬底区之间的连接形成型衬底区之间的连接形成 由自由电子构成的导电通道由自由电子构成的导电通道 连接，连接，VDS为正，且不断增加为正，且不断增加 变化时，源极与变化时，源极与P型衬底区型衬底区 之间的形成的之间的形成的PN结，处于正结，处于正 向偏

26、置状态；向偏置状态； (2)VGSVT 的工作状态的工作状态 1. MOS管的结构及工作原理管的结构及工作原理 漏极与漏极与P型衬底区之间的形成的型衬底区之间的形成的PN 结，处于反向偏置状态，这样将把结，处于反向偏置状态，这样将把 导电沟道的自由电子拉入漏极区而导电沟道的自由电子拉入漏极区而 形成漏极电流，源极区将不断地向形成漏极电流，源极区将不断地向 沟道补充被拉走的自由电子而形成沟道补充被拉走的自由电子而形成 源极电流，从而形成源极电流，从而形成Ids。 数字逻辑电路 29 3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 IDS VDS N型感生导电沟道型感生导电沟道 s g d 栅极栅极

27、漏极漏极 源极源极 P型衬底型衬底 PN耗尽层耗尽层 N+N+N+N+ （c c）N沟道沟道MOSFETMOSFET管基本工作原理示以图管基本工作原理示以图 VDS较小时，形成感应导电沟道较小时，形成感应导电沟道,iD很快增加很快增加 P型衬底引线型衬底引线 VGS 若若VGS保持一定不变，保持一定不变， 导电沟道的宽度或载流子导电沟道的宽度或载流子 浓度也将保持一定，这样浓度也将保持一定，这样 VDS从较小向较大变化时，从较小向较大变化时， IDS将随将随VDS的上升而接近的上升而接近 于线性的增加，导电沟道于线性的增加，导电沟道 的形状也将从方形向锲形的形状也将从方形向锲形 变化。变化。

28、(4)VDS足够大足够大 的工作状态的工作状态 1. MOS管的结构及工作原理管的结构及工作原理 IDS VDS N型感生导电沟道型感生导电沟道 s g d d 栅极栅极 漏极漏极 源极源极 P型衬底型衬底 PN耗尽层耗尽层 N+N+N+N+ (d)(d)N沟道沟道MOSFETMOSFET管基本工作原理示以图管基本工作原理示以图 VDS增大时，感应导电沟道顶夹断增大时，感应导电沟道顶夹断,iD达到饱和达到饱和 P P型衬底引线型衬底引线 VGS 若若VDS足够大，最后形足够大，最后形 成顶部夹断状态，成顶部夹断状态，Ids也达也达 到饱和状态。到饱和状态。 (3)VDS较小较小 的工作状态的工

29、作状态 数字逻辑电路 30 3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 若若VGS增大，导电沟道的宽度或载流子浓度也将随之增宽增大，导电沟道的宽度或载流子浓度也将随之增宽 和加大，和加大，IDS达到饱和状态的值也将随之而增大，这体现达到饱和状态的值也将随之而增大，这体现VGS对对 Ids的控制作用。的控制作用。 规定漏极、源极之间施加不大的规定漏极、源极之间施加不大的VDS，若，若VGS从零开始增加，从零开始增加， 刚刚产生较小的刚刚产生较小的IDS时，漏极、源极之间加的电压称为开启电压，时，漏极、源极之间加的电压称为开启电压， 用用VT表示。表示。MOS管出现顶部夹断的时候：管出现顶部夹断的

30、时候： VGD=VGSVDS=VT。 对于对于P型沟道增强型型沟道增强型MOS管，除了栅极、源极之间外加电管，除了栅极、源极之间外加电 压压VGS ，漏极、源极之间外加，漏极、源极之间外加VDS应为负值外，其他与应为负值外，其他与N沟道增沟道增 强型相似。强型相似。 数字逻辑电路 31 3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 2. 特性曲线特性曲线 1 0 4 3 VGS (V) IDS(mA) 增强型增强型N型沟道型沟道 MOSFET管的转移特性管的转移特性 VT 3 3 2 2 1 1 4 4 VDS=10V 10V10V 顶夹断顶夹断点点 区区 区区 4 8 20 24 12 16

31、区区 4 4 1 1 iDS(mA)(mA) VDS(V)(V) vGS=5V5V vGS=3V=3V vGS=2V=2V 2 2 增强型增强型N N型沟道型沟道MOSFETMOSFET管的输出特性管的输出特性 2 1)( T GS DOds V v II I区为截止工作区，在这一工作区，区为截止工作区，在这一工作区，VGS小于开启电压小于开启电压VT，IGS很很 小接近于小接近于0 II区为恒流区，类似于双极型三极管的放大区，区为恒流区，类似于双极型三极管的放大区，VGS大于开启电压大于开启电压 VT ，IGS的动态变化量与的动态变化量与VGS的动态变化量接近于正比关系，而且的动态变化量接近

32、于正比关系，而且 受受VDS影响很小。影响很小。 数字逻辑电路 32 3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 III区为可变电阻工作区，类似于双极型三极管的饱和工作区，区为可变电阻工作区，类似于双极型三极管的饱和工作区， VGS大于开启电压大于开启电压VT，且较高，且较高，IGS的动态变化量与的动态变化量与VGS的动态变的动态变 化量不成正比关系，而且随化量不成正比关系，而且随VDS的增加而快速增加。在这一工作的增加而快速增加。在这一工作 区，漏极、源极之间的导通电阻区，漏极、源极之间的导通电阻RON受受VGS大小的影响，随大小的影响，随VGS的的 增加而降低增加而降低 。 VGD=VGS

33、VDS=VT 增强型增强型P型沟道型沟道 MOSFET管的转移特性管的转移特性 IDS (mA) -1 0 -4 -3 VGS (V) VT -3-3 -2-2 -1-1-4-4 VDS=10V 增强型增强型P P型沟道型沟道MOSFETMOSFET 管的输出特性管的输出特性 -10V-10V 顶夹断顶夹断点点 区区 区区 -4 -8 -20 -24 -12 -16 区区 iDS(mA)(mA) VDS(V)(V) vGS=-5V5V vGS=-3V=-3V vGS=-2V=-2V -4-4 -1-1 -5-5 -2-2 -4-4 0 0 增强型增强型P沟道沟道MOS管的特性曲线如下。管的特性

34、曲线如下。 数字逻辑电路 33 3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 3. MOS管的脉冲开关工作电路管的脉冲开关工作电路 单管反相电路单管反相电路 VO d s g Vi +VDD T RD 用增强型用增强型MOS管组成的两种脉冲信号工作电路形式如图所管组成的两种脉冲信号工作电路形式如图所 示。当输入信号示。当输入信号ViViH时，时，MOS管导通，电路的输出电压为管导通，电路的输出电压为 MOS管导通电阻管导通电阻RON和漏极端外接电阻和漏极端外接电阻RD的分压比。导通电阻的分压比。导通电阻 RON一般小于一般小于1K，漏极端外接电阻，漏极端外接电阻RD一般在一般在10 K以上，所以

35、以上，所以 输出电压在输出电压在0.1VDD以下，定义为输出低电平电压以下，定义为输出低电平电压VOL。此时。此时MOS 管的漏极、源极之间连接，相当于具有较小接触电阻开关的管的漏极、源极之间连接，相当于具有较小接触电阻开关的“闭闭 合合” 。 单管反相电路的工作原理单管反相电路的工作原理 当输入信号当输入信号ViViL时，这一电压一时，这一电压一 般都要求低于般都要求低于MOS管的开启电压管的开启电压Vth， MOS管截止，管截止， MOS管漏极电流管漏极电流Ids0， 外接电阻外接电阻RD的电压降接近于的电压降接近于0。所以输出。所以输出 电压接小于且近似于电压接小于且近似于VDD，定义为

36、输出高，定义为输出高 电平电压电平电压VOH。此时。此时MOS管的漏极、源极管的漏极、源极 之间连接，相当于开关的断开。之间连接，相当于开关的断开。 数字逻辑电路 34 3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 当输入信号当输入信号ViViH时，时，T1管导通，管导通，T2管截止，电路的输出电管截止，电路的输出电 压为压为T1管导通电阻管导通电阻RON1，与，与T2管截止电阻管截止电阻ROF2的分压比。由于导的分压比。由于导 通电阻比截止电阻小得多，故输出为低电平通电阻比截止电阻小得多，故输出为低电平VOL。但此时由于。但此时由于T2 管处于截止状态管处于截止状态Ids20，而，而T1管和管

37、和T2管的漏极、源极之间为串联管的漏极、源极之间为串联 连接，故连接，故Ids10。 Vi 互补对称电路互补对称电路 VO d1 s1 g1 +VDD d2 s2 g2 T1 T2 当输入信号当输入信号ViViL时，这一电压一时，这一电压一 般都要求低于般都要求低于T1管的开启电压管的开启电压Vth，T1管截管截 止，止，T2管的管的VGS= (VDDViL)低于其开启电低于其开启电 压，压，T2管导通，电路的输出电压为管导通，电路的输出电压为T2管导通管导通 电阻电阻RON2，与，与T1管截止电阻管截止电阻ROF1的分压比。的分压比。 由于导通电阻比截止电阻小得多，故输出为由于导通电阻比截止

38、电阻小得多，故输出为 高电平高电平VOH。但此时由于。但此时由于T1管处于截止状态管处于截止状态 Ids10，而，而T1管和管和T2管的漏极、源极之间为管的漏极、源极之间为 串联连接，故串联连接，故Ids20。 互补对称电路的工作原理互补对称电路的工作原理 空载损耗是很小的，是这种电路结构的特点之一空载损耗是很小的，是这种电路结构的特点之一 。 数字逻辑电路 35 3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 4. MOS管的脉冲开关工作的等效电路管的脉冲开关工作的等效电路 VO d g Vi 输入低电平等效电路输入低电平等效电路 s Ci +VDD RD Vi VO d s g Ci +VDD

39、 RD RON 输入高电平等效电路输入高电平等效电路 图中输入电容图中输入电容Ci代表栅极的输入电容，代表栅极的输入电容， 其值为几个微微法，其大小会影响其值为几个微微法，其大小会影响 MOS管的脉冲工作速度。管的脉冲工作速度。RON代表增代表增 强型强型MOS管的导电沟的导通电阻管的导电沟的导通电阻 （工作在可变电阻区），一般较小，（工作在可变电阻区），一般较小， 在在1K以下，以下，VGS绝对值越大，绝对值越大，RON 越小。当输入低电平时，越小。当输入低电平时，MOS管截管截 止，止，d（漏极）与（漏极）与s（源极）之间具有（源极）之间具有 较大的截止电阻较大的截止电阻ROF，相当于开关

40、的，相当于开关的 断开。断开。 当输入高电平时，当输入高电平时，MOS管导通，管导通， d（漏极）与（漏极）与s（源极）之间具有较小（源极）之间具有较小 的导通电阻的导通电阻RON。 单管反相电路的等效工作电路单管反相电路的等效工作电路 数字逻辑电路 36 3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 互补对称反相电路的等效工作电路互补对称反相电路的等效工作电路 Vi 输入高电平等效电路输入高电平等效电路 VO d1 s1 g1 Ci +VDD d2 s2 g2 RON1 Vi VO d1 s1 g1 Ci +VDD d2 s2 g2 输入低电平等效电路输入低电平等效电路 RON2 图中图中Ci

41、为增强型为增强型N沟道沟道MOS管的栅极管的栅极 输入电容，输入电容，C2为增强型为增强型P沟道沟道MOS管的管的 栅极输入电容，在对称的情况下，两者栅极输入电容，在对称的情况下，两者 大小基本相同。大小基本相同。RON1为增强型为增强型N沟道沟道 MOS管的栅极输入电容，管的栅极输入电容，RON2为增强型为增强型 P沟道沟道MOS管的栅极输入电容，在对称管的栅极输入电容，在对称 的情况下，两者大小基本相同。的情况下，两者大小基本相同。 当输入低电平时，当输入低电平时，N沟道沟道MOS管截管截 止，止，P沟道沟道MOS管导通。管导通。 当输入高电平时，当输入高电平时，N沟道沟道MOS管导通，管

42、导通， P沟道沟道MOS管截止。管截止。 数字逻辑电路 37 3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路 1. 二极管与门电路（二极管与门电路（Diode logic AND gate） 用二极管、双极型三极管、用二极管、双极型三极管、MOS管组成逻辑运算电路时，管组成逻辑运算电路时， 电路的输入和输出信号均以脉冲电压信号形式表示。根据脉冲电电路的输入和输出信号均以脉冲电压信号形式表示。根据脉冲电 压信号的高低变化，电压上升达到某一数值时，如压信号的高低变化，电压上升达到某一数值时，如+VH，定义为，定义为 脉冲信号的高电平（脉冲信号的高电平（high level）；电压下降达到某一数值

43、时，如）；电压下降达到某一数值时，如 +VL，定义为信号的低电平，定义为信号的低电平(low level)， L C B A 当当RL的值为的值为5k时，时，VOH=3.125V。 所以，当所以，当RL的值为的值为1k时，输出电压等级不时，输出电压等级不 能够满足电路输出电压为高电平的要求能够满足电路输出电压为高电平的要求 。 数字逻辑电路 45 3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路 当输入高电平时当输入高电平时5V，电路输出应为低电平，且小于，电路输出应为低电平，且小于0.8V。 mA215. 0 20 7 . 05 R VV I B ONCC B mA15. 210215. 0

44、IB 基极电流：基极电流： LC CEset CC Cset RR VV I LC LCC CC RR RV V 集电极临界饱和电流：集电极临界饱和电流：等效电压等效电压 V CC V25. 1 13 15 K75. 0 13 13 RR LC mAImAI CsetB 511 8751 301253 152. . . . 当当RL1K时：时： mA27. 1 75. 0 3 . 025. 1 ICset 从上述的计算可知，要求电路能够满足非门的逻辑关系，从上述的计算可知，要求电路能够满足非门的逻辑关系，RL 的最小值取决于低电平输入时，满足高电平输出，而最大值则的最小值取决于低电平输入时，满

45、足高电平输出，而最大值则 取决于高电平输入时，能否满足集电极电流达到饱和。取决于高电平输入时，能否满足集电极电流达到饱和。 V CC V125. 3 53 55 K875. 1 53 53 RR LC mA51. 1 875. 1 3 . 0125. 3 ICset 当当RL5K时：时： 能够满足能够满足 mAImAI CsetB 271 750 30251 152. . . . 能够满足能够满足 数字逻辑电路 46 3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路 VVR RR V V oHL CL CC OH 22. min 要求满足非门逻辑关系的情况下，要求满足非门逻辑关系的情况下，RL

46、所允许的最小值为：所允许的最小值为： 当输入低电平时，晶体管截止当输入低电平时，晶体管截止 VVRRVR oHCLCCL 22.)( min 整理后为：整理后为： k VV RV OHCC COH 36. 2 2 . 25 32 . 2 min min RLmin= A Rb L Vcc RC 例例3.1.1电路图电路图 RL 数字逻辑电路 47 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门 集成电路集成电路(integrated circuit；IC) 将电路元件及其连接集合生产在一块单晶硅片上，形成具有将电路元件及其连接集合生产在一块单晶硅片上，形成具有 一定功能的电路模块（器件）。一定功能的电路模

47、块（器件）。 根据一块硅片集成的元件数的多少，集成电路可以分成根据一块硅片集成的元件数的多少，集成电路可以分成小规小规 模模集成电路（集成电路（Small Scale Integration，SSI）、）、中规模中规模集成电路集成电路 (Medium Scale Integration，MSI)、大规模大规模集成电路集成电路(Large Scale Integration，LSI)和和超大规模超大规模集成电路集成电路(Very Large Scale Integration，VLSI)，目前已经发展到能够在一块硅片上生产上亿，目前已经发展到能够在一块硅片上生产上亿 个元件的个元件的特大规模特大

48、规模集成电路，如集成电路，如CPU模块。模块。 TTL集成逻辑门集成逻辑门 是是Transistor Transistor Logic gate的缩写，即双极型三极管构成的缩写，即双极型三极管构成 的逻辑门电路。的逻辑门电路。TTL集成逻辑门电路已经形成各种形式的系列产集成逻辑门电路已经形成各种形式的系列产 品。具体形式有品。具体形式有TTL非门非门，与非门，或非门，集电极开路门，发，与非门，或非门，集电极开路门，发 射极耦合与非门，射极耦合与非门，三态输出逻辑门三态输出逻辑门等。等。 数字逻辑电路 48 3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门 3.2.1 双极型三极管非逻辑门电路双极型三极管非逻

49、辑门电路 双极型三极管非逻辑门电路（双极型三极管非逻辑门电路（Bipolar junction Transistor Transistor inverter logic gate）的电路结构如图所示，它也是）的电路结构如图所示，它也是 TTL74xx00（54xx00）系列产品之一）系列产品之一 。xxLS、HC、H、S等等 1.电路的结构电路的结构 电路由三部分组成电路由三部分组成 1)输入级输入级 2）中间反相级）中间反相级 3）输出级）输出级 图图3.2.1 TTL74系列反相器电路图系列反相器电路图 负载RL 4K Rb1 A RC4RC2 T1 T2 T3 T4 +VCC Re2 1

50、.6K 1K 130 D2 Vi D1 L (Vo) 中间级中间级 输出级输出级 输入级输入级 数字逻辑电路 49 3.2.1 双极型三极管非逻辑门电路双极型三极管非逻辑门电路 1)输入级输入级 由由T1，Rb1，D1构成。同相输入输出关系构成。同相输入输出关系。 输入信号由输入信号由T1的发射极输入，由集电极输出。从信号放大来讲，的发射极输入，由集电极输出。从信号放大来讲， 输入级为输入级为共基极组态共基极组态，所以输入输出具有同向的变化关系，即，所以输入输出具有同向的变化关系，即 当输入为高电平时，输出也为高电平，当输入为低电平时，输当输入为高电平时，输出也为高电平，当输入为低电平时，输

51、出也为低电平。出也为低电平。 D1的作用有两个方面：一是抑制可能出现的负干扰脉冲电压，的作用有两个方面：一是抑制可能出现的负干扰脉冲电压， 使加到输入端的负脉冲输入干扰脉冲电压值使加到输入端的负脉冲输入干扰脉冲电压值“钳位钳位”在在0.7V以以 下；二是若输入电压为负值，只要超过下；二是若输入电压为负值，只要超过D1开启电压，开启电压，D1导通，导通， 同样也使加到同样也使加到T1发射极输入端的电压值（绝对值），限制在发射极输入端的电压值（绝对值），限制在 0.7V以下，从而限制发射极电流，起到保护作用以下，从而限制发射极电流，起到保护作用 。 数字逻辑电路 50 3.2.1 双极型三极管非逻

52、辑门电路双极型三极管非逻辑门电路 2)中间反相级中间反相级 由由T2，RC2，Re2构成。构成。 输入信号从输入信号从T2基极输入，基极输入，T2输出两路信号，一路从发射极输出，输出两路信号，一路从发射极输出， 该路输出具有与输入信号同相的变化关系，一路从集电极输出，该路输出具有与输入信号同相的变化关系，一路从集电极输出， 该路输出具有与输入信号反相的关系，故中间级也称反相级。该路输出具有与输入信号反相的关系，故中间级也称反相级。 3)输出级输出级 由由T3，T4，RC4，D2构成。构成。 经过中间级的反相作用，使输出级的两个三极管输入信号总是具经过中间级的反相作用，使输出级的两个三极管输入信

53、号总是具 有反向的变化关系。只要电路参数安排合理，有反向的变化关系。只要电路参数安排合理，T3、T4的开关工作的开关工作 状态也将是相反的。故称输出级为互补电路。状态也将是相反的。故称输出级为互补电路。 电路中的电源电压在电路中的电源电压在4.755.25V之间，负载电阻为与之连接的负之间，负载电阻为与之连接的负 载门电路的输入电阻（也可以是电容）。载门电路的输入电阻（也可以是电容）。 D2保证输出低电平时，保证输出低电平时，T4处于可靠截止工作状态。处于可靠截止工作状态。T2导通时，输导通时，输 出低电平，出低电平，T2的集电极电位为的集电极电位为1V左右，若无左右，若无D2，仍然可使，仍然

54、可使T4导通。导通。 数字逻辑电路 51 3.2.1 双极型三极管非逻辑门电路双极型三极管非逻辑门电路 2. TTL 反相器的工作原理反相器的工作原理 1)当输入为高电平时当输入为高电平时 4K Rb1 RC4 RC2 T1 T2 T3 T4 +VCC 1.6K 130 D2 Vi L (Vo) 假定假定A端的输入高电平端的输入高电平ViH为为3.4V，电源电压为，电源电压为5V，经，经Rb1和晶和晶 体管体管T1的基极、发射极到输入端，晶体管的基极、发射极到输入端，晶体管T1的基极电位最高可的基极电位最高可 以达到以达到ViH+VBE1=3.4+0.74.1V，但，但T2、T3发射结的正向电

55、压降发射结的正向电压降 之和为之和为20.7=1.4V，即，即T1的集电极电位最高只为的集电极电位最高只为1.4V，使，使T1的的 “集电结集电结”也只能处于正向偏置状态，也只能处于正向偏置状态，T1的基极电位将被的基极电位将被“钳钳 位位”在在30.7=2.1V。这样，使。这样，使T1管工作于倒置工作状态管工作于倒置工作状态 （VCE1=1.43.42V0），即集电极与发射极互换。其电流），即集电极与发射极互换。其电流 放大系数很小，小于放大系数很小，小于0.01V，使高电平输入时的输入电流，使高电平输入时的输入电流(Ie1)很很 小，但电源经过小，但电源经过T1的基极，集电极向的基极，集电

56、极向T2提供足够的基极电流。提供足够的基极电流。 mA R V I b CC B 7250 4 12512 1 1 . . 数字逻辑电路 52 3.2.1 双极型三极管非逻辑门电路双极型三极管非逻辑门电路 4K Rb1 RC4 RC2 T1 T2 T3 T4 +VCC 1.6K 130 D2 Vi L (Vo) 而而VB4和和VC2的电位的电位=VCEset2+VBE3=0.2+0.7=0.9V。则不能达到使。则不能达到使T4导导 通的电压为（通的电压为（2Vth+VCEset3）1.2V，故，故T4处于截止。输出电压为处于截止。输出电压为 VCEset3=0.2V。 2)当输入为低电平时当输

57、入为低电平时 A端的输入低电平端的输入低电平ViL为为0.2V，T1 的基极电位为的基极电位为0.2+0.7=0.9V，此，此 电压作用于电压作用于T1的集电结、的集电结、T2、T3 的发射结上，不能使的发射结上，不能使T2、T3导通，导通， 只能处于截止状态。只能处于截止状态。 由于由于T2、T3处于截止状态，处于截止状态，VB4和和VC2的电位近似等于的电位近似等于5V， 这是由于这是由于RC2不大，而不大，而T4的基极电流也不是很大，的基极电流也不是很大，RC2压降可以压降可以 忽略不计；故忽略不计；故T4导通，输出电压的大小为：导通，输出电压的大小为： VO=VCC-VBE4-VD-V

58、RC2=50.70.7VRC2=2.43.6V （忽略（忽略IB4在在RC2上的电压降，实际的输出电压只有在输出空载上的电压降，实际的输出电压只有在输出空载 时等于时等于3.6V，一般比，一般比3.6V小，有载时规定最低不小于小，有载时规定最低不小于2.4V）。）。 数字逻辑电路 53 3.2.1 双极型三极管非逻辑门电路双极型三极管非逻辑门电路 2)当输入为低电平时当输入为低电平时 电路的输入电流等于电路的输入电流等于T1的基极电流为的基极电流为：(VCC-0.9)/Rb1=4.1/41mA。 由于此时由于此时T1集电极电流等于集电极电流等于ICBO2，其值很小，所以，其值很小，所以T1处于

59、深度饱处于深度饱 和状态。和状态。VB2低于低于0.4V（等于（等于ViL+VCEset1=0.2+0.2=0.4V）。）。 结论：结论： 电路的逻辑功能为：输入高电平，输出低电平（电路的逻辑功能为：输入高电平，输出低电平（0.2V）；）； 输入低电平，输出高电平（输入低电平，输出高电平（2.43.6V）。实现非运算关系，称）。实现非运算关系，称 之为非门电路。之为非门电路。 3.电路的工作特点电路的工作特点 1)增加输入级提高电路的开关速度。增加输入级提高电路的开关速度。 2)采用互补输出级提高开关速度和带负载的能力。采用互补输出级提高开关速度和带负载的能力。 数字逻辑电路 54 3.2.2

60、 TTL反相器的特性反相器的特性 1电压传输特性电压传输特性 电压传输特性是指输出电压与输入电压的关系特性，若用函数表电压传输特性是指输出电压与输入电压的关系特性，若用函数表 示可写为示可写为V0=f(Vi)。 图图3.2.2用线段近似地描述用线段近似地描述TTL 反相器的传输特性，可以将其分为反相器的传输特性，可以将其分为 AB、BC、CD、DE 4段段 1）AB段段 Vi的输入电压的输入电压0.6V 以下，以下，T2管、管、T3管管 截止，输出高电平截止，输出高电平 ， 约为约为3.6V。 数字逻辑电路 55 3.2.2 TTL反相器的特性反相器的特性 2）BC段段 T2管对管对Vi输入电