第9章 逻辑门电路

1、第一节 半导体二极管门电路1第一节 半导体二极管门电路2概述概述第一节 半导体二极管门电路3第一节 半导体二极管门电路4和和是两种状态，是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。 在电子电路中用在电子电路中用高、低电平高、低电平，分别表示二值逻，分别表示二值逻辑的辑的 1 和和 0 两种逻辑状态。两种逻辑状态。输输入入信信号号获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理输输出出信信号号R vOSvIVcc第一节 半导体二极管门电路54. 正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑10正逻辑正逻辑01负逻辑负逻辑今后除非特别说明，本书中一律采用今后除非特别

2、说明，本书中一律采用正逻辑正逻辑。第一节 半导体二极管门电路65. 门电路的发展门电路的发展 在最初的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若在最初的数字逻辑电路中，每个门电路都是用若干个分立的半导体器件和电阻、电容连接而成的。干个分立的半导体器件和电阻、电容连接而成的。 用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困用这种单元电路组成大规模的数字电路是非常困难的，这就严重地制约了数字电路的普遍应用。难的，这就严重地制约了数字电路的普遍应用。 随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺随着数字集成电路的问世和大规模集成电路工艺水平的不断提高，今天已经能把大量的门电路集成水平的不断提高，今天已经能把大量的

3、门电路集成在一块很小的半导体芯片上，构成功能复杂的在一块很小的半导体芯片上，构成功能复杂的“片片上系统上系统”。 从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路从制造工艺上可以将目前使用的数字集成电路分为分为双极型双极型、单极型单极型和和混合型混合型三种。三种。第一节 半导体二极管门电路71961年美国得克萨斯仪器公司（年美国得克萨斯仪器公司（TI）率先将数字）率先将数字电路的元、器件制作在同一硅片上，制成了数字集成电路的元、器件制作在同一硅片上，制成了数字集成电路（电路（Integrated Circuits，简称，简称 IC）。）。由于集成电路由于集成电路体积小体积小、重量轻重量轻、可靠性好可靠

4、性好，因而，因而在大多数领域里迅速取代了分立器件组成的数字电路。在大多数领域里迅速取代了分立器件组成的数字电路。直到直到20世纪世纪80年代初，采用双极型三极管组成的年代初，采用双极型三极管组成的TTL型集成电路一直是数字集成电路的主流产品。型集成电路一直是数字集成电路的主流产品。TTL电路存在着一个严重的缺点，这就是它的功电路存在着一个严重的缺点，这就是它的功耗比较大。因此，用耗比较大。因此，用TTL电路只能作成小规模集成电电路只能作成小规模集成电路路(简称简称SSI，其中仅包含，其中仅包含10个以内的门电路）和中规个以内的门电路）和中规模集成电路模集成电路(简称简称MSI，其中包含，其中包

5、含10100个门电路）。个门电路）。第一节 半导体二极管门电路8CMOS集成电路集成电路出现于出现于20世纪世纪60年代后期，它年代后期，它最突出的优点在于最突出的优点在于功耗极低功耗极低，所以非常适合制作大，所以非常适合制作大规模集成电路。规模集成电路。随着随着CMOS制作工艺的不断进步，无论是在工制作工艺的不断进步，无论是在工作速度还是在驱动能力上，作速度还是在驱动能力上， CMOS电路都已经不比电路都已经不比TTL电路逊色。电路逊色。因此，因此， CMOS电路便逐渐取代电路便逐渐取代TTL电路而成为电路而成为当前数字集成电路的主流产品。当前数字集成电路的主流产品。但在现有的一些设备中仍旧

6、在使用但在现有的一些设备中仍旧在使用TTL电路。电路。第一节 半导体二极管门电路99.1.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性R vOSvIVcc第一节 半导体二极管门电路10IIL0vV时，二极管时，二极管导通导通OOL0vVIIHCCvVV时，二极管时，二极管截止截止OOHCCvVV二极管开关电路二极管开关电路VCCRD+-+vOvI第一节 半导体二极管门电路11输输入入信信号号获得高，低电平的基本原理获得高，低电平的基本原理输输出出信信号号R vOSvIVcc第一节 半导体二极管门电路12ebc截止状态截止状态CE0VC0I 相当于开关断开。相当于开关断开。相当于开关闭。相当

7、于开关闭。开启电压开启电压饱和导通饱和导通压降压降饱和状态饱和状态ebcvONVce(sat)0.3 V ( (硅管硅管) )0.1 V ( (锗管锗管) )第一节 半导体二极管门电路13当当 = 并继续升高，并继续升高，D-S间相当于一个闭合的开关，间相当于一个闭合的开关， 。第一节 半导体二极管门电路14CIGDSCIGDSRON第一节 半导体二极管门电路15第一节 半导体二极管门电路169.2.1 二极管与门二极管与门二极管与门的逻辑电平二极管与门的逻辑电平A/V0033B/V0303Y/V0.70.70.73.7D1、D2导通导通D1导通导通 D2截止截止D1截止截止 D2导通导通D1

8、、 D2导通导通最简单的最简单的与门与门可以由二极管和电阻组成。可以由二极管和电阻组成。图中图中A、B为两个输入变量，为两个输入变量，Y为输出变量。为输出变量。设输入的设输入的高高、低低电平分别为电平分别为3V、0V，二极管的正向导通压降为二极管的正向导通压降为0.7V 。Y二极管与门二极管与门VCC（5V）RD1D2AB第一节 半导体二极管门电路17A0011B0101Y0001二极管与门的真值表二极管与门的真值表ABY 这种这种与门与门电路虽然简单，但电路虽然简单，但输出输出的的高、高、低电平低电平数值和数值和输入输入的的高、低电平高、低电平数值不相等数值不相等;负载电阻的改变有时会影响输

9、出高电平。负载电阻的改变有时会影响输出高电平。仅用作仅用作集成电路内部集成电路内部的逻辑单元。的逻辑单元。ABY二极管与门的逻辑电平二极管与门的逻辑电平A/V0033B/V0303Y/V0.70.70.73.7第一节 半导体二极管门电路189.2.2 9.2.2 二极管或门二极管或门 A/V0033B/V0303Y/V02.32.32.3二极管或门的逻辑电平二极管或门的逻辑电平D1、D2截止截止D1截止截止D2导通导通 D1导通导通D2截止截止D1、 D2导通导通图中图中A、B为两个输入变量，为两个输入变量，Y为输出变量。为输出变量。设输入的高、低电平分别为设输入的高、低电平分别为3V、0V，

10、二极管的正向导通压降为二极管的正向导通压降为0.7V 。D1 RD2ABY二极管或门二极管或门第一节 半导体二极管门电路19A0011B0101Y0111二极管或门的真值表二极管或门的真值表BAYABY第一节 半导体二极管门电路20第一节 半导体二极管门电路219.3.1 CMOSCMOS反相器DDV1T2TIvOvSSVDiCMOS反相器的电路图反相器的电路图当当vI = VIL= 0时，时，输出为输出为高高电平电平VOH VDD 。当当vI = VIH= VDD 时，时，输出为输出为低低电平电平VOL 0。 输入与输出之间为逻辑非的关系。输入与输出之间为逻辑非的关系。CMOS反相器的静态功

11、耗极小反相器的静态功耗极小CMOSCMOS反相器的-Complement Metal Oxide SemiconductorPMOS管管NMOS管管柵极相连柵极相连做输入端做输入端漏极相连漏极相连做输出端做输出端T T2 2截止截止T T1 1导通导通T T1 1截止截止T T2 2导通导通第一节 半导体二极管门电路22三、输入噪声容限三、输入噪声容限(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV在保证输出高低电平基本不变（或者变化大小不在保证输出高低电平基本不变（或者变化大小不超过允许的限度）的条件下，输入电平的允许波超过允许的限度）的条件下，输入电平的允许波动

12、范围称为输入动范围称为输入噪声容限噪声容限。第一节 半导体二极管门电路23CMOSCMOS反相器的动态特性tPHLtPLHOtOtvovIDDV1T2TIvOvLC一般情况下，一般情况下，tPHL、 tPLH主要是由于负载电容的充放主要是由于负载电容的充放电所产生的，所以为了缩短传输延迟时间，必须减电所产生的，所以为了缩短传输延迟时间，必须减小负载电容和小负载电容和MOS管的导通电阻。管的导通电阻。第一节 半导体二极管门电路24第一节 半导体二极管门电路253.3.5 其他类型的门电路在在门电路的系列产品中，门电路的系列产品中，除反相器外常用的还有：除反相器外常用的还有： 与非门、或非门、传输

13、门几种。与非门、或非门、传输门几种。第一节 半导体二极管门电路26第一节 半导体二极管门电路27用途：用途：输出输出电平电平的的变换变换； 满足满足大功率负载电流大功率负载电流的需要；的需要； 实现实现线与线与逻辑。逻辑。()YAB RLVDD2CC40107VDD1ABVSSABY第一节 半导体二极管门电路28线与连接方法线与连接方法RLVDDG1ABY2G2CDY1YABYABRLVDDY2Y1G1G2线与逻辑符号线与逻辑符号12YYY() ()()ABCDABCD线与现可将输出并联使用，实Y=Y1Y2第一节 半导体二极管门电路29（TG）CCDDV1T2T/IOvv/OIvvCC/IOv

14、v/OIvvTG时，传输门时，传输门导通导通。1,0CC0,1CC时，传输门时，传输门截止截止。栅极控制电压为互补信号，栅极控制电压为互补信号，如如C=0，C=VDD第一节 半导体二极管门电路30AYBTG1TG2AYBYABABTGY0001101101通、通、2止止01通、通、2止止11止、止、2通通011止、止、2通通第一节 半导体二极管门电路31LOILTGRvvRRC/IOvv/OIvvTGCSW/IOvv/OIvvCSWIvOvLRC=0时开关截止。时开关截止。C=1时开关接通。时开关接通。模拟开关的导通内阻为模拟开关的导通内阻为RTG。逻辑符号逻辑符号传输门传输门反相器的输入和输

15、出反相器的输入和输出提供传输门两个反相提供传输门两个反相控制信号控制信号RTG20第一节 半导体二极管门电路32为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：为防止静电电压造成的损坏，应注意以下几点：1）在存储和运输在存储和运输CMOS器件时，器件时，不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，不要使用易产生静电高压的化工材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。最好采用金属屏蔽层作包装材料。2）组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、组装、调试时，应使电烙铁和其他工具、仪表、工作台台面等良好接地。工作台台面等良好接地。操作人员的服装和手套等应选用无静电的原料制作。操作人员的服装和手

16、套等应选用无静电的原料制作。3 3）第一节 半导体二极管门电路33由于在由于在MOS管中存在着一些寄生电容，管中存在着一些寄生电容，因而降低了因而降低了MOS管的开关速度。管的开关速度。为了减小这些寄生电容，为了减小这些寄生电容，在高速在高速MOS电路中从工艺上作了改进。电路中从工艺上作了改进。首先尽量减小沟道的长度，缩小整个首先尽量减小沟道的长度，缩小整个MOS管的尺寸。管的尺寸。其次采用了硅栅自对准技术减小了栅极和漏极、其次采用了硅栅自对准技术减小了栅极和漏极、栅极和源极的重叠区，使栅极和源极的重叠区，使CGD和和CGS的数值减小。的数值减小。第一节 半导体二极管门电路34用短沟道、硅栅自

17、对准工艺生产的高速用短沟道、硅栅自对准工艺生产的高速CMOS门电路，门电路，其平均传输延迟时间小于其平均传输延迟时间小于10ns，高速高速CMOS门电路的通用系列为门电路的通用系列为54HC/74HC系列。系列。该系列产品使用该系列产品使用+5V电源，电源，输出的高、低电平与输出的高、低电平与TTL电路兼容。电路兼容。54HC/74HC 与与54LS/74LS ，只要最后只要最后 表示的数字相同，表示的数字相同，则两种器件的逻辑功能、外形尺寸、则两种器件的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列顺序也完全相同。引脚排列顺序也完全相同。但两种器件不能简单地互换使用。第一节 半导体二极管门电路35第一节 半导

18、体二极管门电路36 反相器是反相器是TTL电路中电路结构最简单的一种。电路中电路结构最简单的一种。 因电路因电路输入端输入端和和输出输出端端均为三极管结构均为三极管结构，所以称做，所以称做三三极管极管-三极管逻辑电路三极管逻辑电路，简称，简称TTL电路。电路。TTLTTL反相器的典型电路反相器的典型电路CCV1R2RYA4T5T2T1T2D1D4R3RI()vO()v4k1.6k1k130B1v2Cv2Ev输入级输入级倒相级倒相级输出级输出级9.4.1 TTL反相器反相器第一节 半导体二极管门电路37T2T4T5D1DR14KR21.6KR31KR4130D4VCC(VO)A.T1Y(Vi)三

19、个三个PN结结导通需导通需2.1V 输入为低电平（输入为低电平（ ）0.9V不足以让不足以让T2、T5导通导通0.2Vvo高电平！高电平！T4、D2导通导通第一节 半导体二极管门电路38全导通全导通T2T4T5D1DR14KR2R31KR4130D4VCCA.T1Y(Vi)2. 输入为高电平（输入为高电平（3.4V）时）时电位被嵌电位被嵌在在2.1V3.4V反偏反偏饱和饱和uO=0.3V截止截止 1V1.6KAY 第一节 半导体二极管门电路392. 电压传输特性电压传输特性THVOABCDE3.02.01.00.5 1.0 1.5vOvIVIVO第一节 半导体二极管门电路40第一节 半导体二极

20、管门电路41OH(min)OL(max)2.4V,0.4VVVNHNL0.4V,0.4VVVIH(min)IL(max)2.0V,0.8VVV第一节 半导体二极管门电路42若若RP较小，相当于输入一个低电平信号。较小，相当于输入一个低电平信号。若若RP较大，相当于输入一个高电平信号。较大，相当于输入一个高电平信号。输入端负载特性输入端负载特性TTLTTL反相器输入端负载特性反相器输入端负载特性I/VvP/kR2.01.01.02.003.0VCCR1be2be5vIT14kRPTTLTTL反相器输入端经电反相器输入端经电阻接地时的等效电路阻接地时的等效电路第一节 半导体二极管门电路43反相器的

21、动态特性反相器的动态特性第一节 半导体二极管门电路44输出由低电平突然转变为高电平的过渡过程中，输出由低电平突然转变为高电平的过渡过程中，出现短时间内出现短时间内T4和和T5同时导通的状态，同时导通的状态，有很大的瞬时电流流经有很大的瞬时电流流经T4和和T5 ，使电源电流出现使电源电流出现尖峰脉冲。尖峰脉冲。第一节 半导体二极管门电路45第一节 半导体二极管门电路46()YAB 多发射极三极管可看作两个多发射极三极管可看作两个发射极独立而基极和集电极发射极独立而基极和集电极分别并联在一起的三极管。分别并联在一起的三极管。YCCVAB1T2T4T5T1D2D3D1R2R3R4R4k1.6k130

22、1kTTLTTL与非门电路与非门电路第一节 半导体二极管门电路47()YAB YCCVAB1T2T4T5T1R3R4R2R1R1T2TTTLTTL或非门电路或非门电路第一节 半导体二极管门电路482. 集电极开路的门电路（集电极开路的门电路（OC门）门）第一节 半导体二极管门电路49CCVLR集电极开路与非门集电极开路与非门1R2T2R3RYBACCV5T1TYBA图形符号图形符号第一节 半导体二极管门电路5021YYY ()()ABCD()ABCD CCVLRY1R2T2R3R1YBACCV5T1T1R2T2R3R2YDCCCV5T1TDCBAY2G1GLRCCV第一节 半导体二极管门电路5

23、1()YAB CCV4TBAY1T2T5TDPENYABEN第一节 半导体二极管门电路52()YAB CCV4TBAY1T2T5TDP()EN YABEN第一节 半导体二极管门电路53时，输出呈现高阻态。时，输出呈现高阻态。1EN 0EN 时，反相器正常工作。时，反相器正常工作。ENAYEN1T2TADDVY三态控制端三态控制端低电平有效低电平有效逻辑符号逻辑符号10101010第一节 半导体二极管门电路541EN1A1G2EN2A2GnENnAnG总总线线ENIDOD/OIDD1G2G总总线线任何时任何时刻只能有刻只能有一个控制一个控制端有效，端有效，即只有一即只有一个门进行个门进行数据传输

24、，数据传输，其它门处其它门处于禁止状于禁止状态。态。轮流轮流等于等于1双向双向传输传输第一节 半导体二极管门电路55六、TTL电路的改进系列1. 74H系列系列74H系列又称高速系列。系列又称高速系列。为了提高电路的开关速度，为了提高电路的开关速度，减小传输延迟时间，减小传输延迟时间，电路采取了两项改进措施。电路采取了两项改进措施。一是在输出级采用了达林顿结构，一是在输出级采用了达林顿结构，二是将所有电阻的阻值普遍降低了一倍。二是将所有电阻的阻值普遍降低了一倍。减小电阻阻值带来的不利影响是增加了电路的静态功耗。减小电阻阻值带来的不利影响是增加了电路的静态功耗。CCVYAB1T2T4T5T1D2

25、D1R2R3R4RK8 . 27605847074H系列与非门(74H00)5R4k3T第一节 半导体二极管门电路562. 74S系列系列74S系列又称肖特基系列。系列又称肖特基系列。在在74S系列的门电路中，系列的门电路中，采用了抗饱和三极管（或称为肖特基三极管）。采用了抗饱和三极管（或称为肖特基三极管）。抗饱和三极管是由普通的双极型三极管和抗饱和三极管是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管组合而成的。肖特基势垒二极管组合而成的。肖特基二极管是由金属和半导体接触而形成的。肖特基二极管是由金属和半导体接触而形成的。bececb第一节 半导体二极管门电路57电路结构的另一个特点是电路结构的另一个特点是:为为T5管提供了一个有源泄放电路，管提供了一个有源泄放电路，减少了减少了T5的基极电流，也就减轻了的基极电流，也就减轻了T5的饱和程度，的饱和程度，有利于加快有利于加快T5从导通变为截止的过程。从导通变为截止的过程。有源泄放回路的存在缩短了门电路的传输延迟时间。有源泄放回路的存在缩短了门电路的传输延迟时间。还改善了门电路的电压传输特性。还改善了门电路的电压传输特性。电路的缺点：电路的缺点：电路的功耗加大了。电路的功耗加大了