第三章 逻辑门电路

1、第三章 逻辑门电路本章学习重点v熟悉开关器件（二极管、三极管熟悉开关器件（二极管、三极管BJT）的开关）的开关特性特性 【BJT：Bipolar Junction Transistor】第3章v掌握由分立元件构成的基本逻辑门电路掌握由分立元件构成的基本逻辑门电路 二极管二极管与门与门电路电路 二极管二极管或门或门电路电路 非门非门BJT反相器反相器本章学习重点vTTL逻辑门电路逻辑门电路第3章一般了解一般了解 它们的内部结构它们的内部结构重点重点 掌握它们的逻辑功能和外特性掌握它们的逻辑功能和外特性逻辑门电路的主要技术参数逻辑门电路的主要技术参数TTL门电路中的门电路中的OC门和三态门门和三态

2、门一二极管的开关特性首先来看一下获得高、低电平的基本原理：首先来看一下获得高、低电平的基本原理： 当开关当开关S S断开时，输断开时，输 出电压出电压v vO O为高电平；为高电平； 当开关当开关S S接通后，输接通后，输出便为低电平。出便为低电平。 以下讨论的开关以下讨论的开关S S是用是用半导体二极管或三极管构成半导体二极管或三极管构成的。的。第3章返回二极管的开关特性表现在：二极管的开关特性表现在： 正向导通正向导通与与反向截止反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。这样两种不同状态之间的转换过程。第3章（一）半导体二极管相关知识（一）半导体二极管相关知识二极管的几种外形二极管的几种外形

3、 二极管的几种常见结构和符号二极管的几种常见结构和符号 第3章二极管的基本特性：单向导电性二极管的基本特性：单向导电性v 二极管的伏安特性二极管的伏安特性v正向偏置时正向偏置时二极管导通二极管导通反向偏置时反向偏置时二极管截止二极管截止) 1e (IiTVvSi i为流过二极管的电流；为流过二极管的电流；v v 为加到二极管两端的为加到二极管两端的电压；电压；v vT T 为温度的电压当量，为温度的电压当量，常温下等于常温下等于 26mV26mV第3章第3章（二）二极管的开关特性（二）二极管的开关特性 当当v vi i=0(=0(即输入为低电平即输入为低电平) )时：时： D D导通，输出导通

4、，输出v vo o0 0为低电为低电平；平；相当于开关闭合状态相当于开关闭合状态 当当v vi i=V=VCCCC( (即输入为高电平即输入为高电平) )时：时：D D截止，输出截止，输出v vo oV VCCCC为高电为高电平；平；相当于开关断开状态相当于开关断开状态 二三极管的开关特性（一）半导体三极管的结构（一）半导体三极管的结构 （1 1）三极管的几种外形）三极管的几种外形第3章返回（2）三极管的几种常见结构和符号）三极管的几种常见结构和符号第3章常用双极型三极管的两种类型：常用双极型三极管的两种类型：（b b）PNPPNP型型（a a）NPNNPN型型第3章（3）双极型三极管的特性曲

5、线）双极型三极管的特性曲线（a a） 输入特性曲线输入特性曲线 以基极以基极b b和发和发射极射极e e之间的发射之间的发射结作为输入回路结作为输入回路而得该曲线。而得该曲线。 它与半导体它与半导体二极管正向导通二极管正向导通时的时的V-IV-I特性曲线特性曲线相同。相同。第3章（b b）输出特性曲线）输出特性曲线 以集电极以集电极c c和发射极和发射极e e之间的回路作为输出回路，而得之间的回路作为输出回路，而得该输出曲线。该输出曲线。第3章半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性 第3章 当当v vi i=0(=0(即输入为即输入为低电平低电平) )时：时：T T截止，截止，输出输出v

6、 vo oV VCCCC为高电为高电平；平；相当于开关相当于开关断开状态断开状态 当当v vi i=V=VCCCC( (即输入即输入为高电平为高电平) )时：时：T T导通，导通，输出输出v vo o0 0为低电为低电平；平；相当于开关相当于开关闭合状态闭合状态&L=ABBAABD1YVCC（5V）D2RA、B输入，输入，Y输出输出设：设：VIH=3V， VIL=0V只要只要A、B中有一个为低电平（中有一个为低电平（0V），），二极管正向导通压降二极管正向导通压降 VD=0.7V。只有只有A、B同时为高电平（同时为高电平（3V），），以以A=0为例为例0V0.7V则相应的二极管导通，则

7、相应的二极管导通，Y就为低电平（就为低电平（0.7V），即：），即：只要只要AB=0，则，则Y=0。即：即：只有只有AB=1，才有，才有Y=1。3V3V3.7VY才为高电平（才为高电平（3.7V）。）。逻辑符号逻辑符号所以：所以：Y=AB三. 分立元件构成的门电路v二极管与门二极管与门这种与门电路虽然很简单，但存在着严重的缺点这种与门电路虽然很简单，但存在着严重的缺点 (1)输出电平都比输入电平高出输出电平都比输入电平高出0.7V电平偏离，如电平偏离，如果将三个这种门级联（前级的输出作为后级的输入），果将三个这种门级联（前级的输出作为后级的输入），VCC（5V）0V则最后一级的输出低电平偏离到

8、则最后一级的输出低电平偏离到2.1V，已接近规定的，已接近规定的输入的高电平，会造成逻辑混乱。输入的高电平，会造成逻辑混乱。0.7V1.4V2.1VD1D2RD1D2RD1D2RD1D2R+VCC（5V）RL=R3V3V3.7V2.5V(2)当输出端对地接上负载电阻（常称为下拉负载）时，当输出端对地接上负载电阻（常称为下拉负载）时，会使输出高电平降低，即带负载能力差，严重时会造成逻会使输出高电平降低，即带负载能力差，严重时会造成逻辑混乱。辑混乱。 2 二极管或门二极管或门1L=A+BABABD1YD2RA、B输入，输入，Y输出输出设：设：VIH=3V， VIL=0V只要只要A、B中有一个为高电

9、平（中有一个为高电平（3V），），二极管正向导通压降二极管正向导通压降 VDF=0.7V。只有只有A、B同时为低电平（同时为低电平（0V），两个二极管均截止。），两个二极管均截止。以以A=1为例为例0V0V则相应的二极管导通，则相应的二极管导通，Y就为高电平（就为高电平（2.3V），即：），即：只要只要A+B=1，则，则Y=1。3V2.3VY才为低电平（才为低电平（0V），即：），即：只有只有A+B=0，才有，才有Y=0逻辑符号逻辑符号所以：所以：Y=A+B0V设三极管的设三极管的=20；VCES=0.3V，VBE=0.7V，VIL=0.3V，VIH=3.2V （一）逻辑功能分析（一）逻辑功能

10、分析 1.当当uI=VIL=0.3V，即：，即：A=0时时TRCR1VCC=5VR24.7KVBB=-5VuouI10K56KEBCuO=VOH=5V，即，即 Y=1三极管截止，三极管截止，iC0iC0.3V5V3.三极管非门三极管非门2.当当uI=VIH=3.2V，即：，即：A=1时时三极管饱三极管饱he，VBES=0.7V，VCES=0.3V 实现了逻辑非：实现了逻辑非：AY TRCR1VCC=5VR24.7KVBB=-5VuouI10K56KEBCuO=VOL=VCES=0.3V，即，即 Y=0它是一个非门（也称反相器）它是一个非门（也称反相器）R1R2UBB=-5VuI10K56K0.

11、7V3.2V3.2Vi1i2iB逻辑符号逻辑符号四四. TTL. TTL集成门电路集成门电路 所谓集成电路（所谓集成电路（Integrated Circuit，简称，简称IC）是采用）是采用一定的生产工艺，将晶体管、电阻、电容等元件和连线制一定的生产工艺，将晶体管、电阻、电容等元件和连线制做在同一块半导体基片上、并封装于一个管壳内所构成的做在同一块半导体基片上、并封装于一个管壳内所构成的电路单元。集成门电路具有体积小、可靠性高、工作速度电路单元。集成门电路具有体积小、可靠性高、工作速度快等许多优点。快等许多优点。 按照所采用的基本电子器件的不同，集成门电路分为按照所采用的基本电子器件的不同，集

12、成门电路分为TTL和和MOS两大类型。两大类型。 TTLTTL数字集成器件内部由双极型晶体管组成，数字集成器件内部由双极型晶体管组成，TTLTTL是晶是晶体管一晶体管逻辑电路体管一晶体管逻辑电路(Transistor Transistor Logic)(Transistor Transistor Logic)的简称，由于其结构较简单，制造工艺成熟，因此性能稳的简称，由于其结构较简单，制造工艺成熟，因此性能稳定，可靠性高。定，可靠性高。 TTLTTL集成门电路有集成门电路有54(54(军用品军用品) )和和74(74(民用品民用品) )两大系列，两大系列，每一系列的品种很多，每一系列的品种很多，

13、7474系列中有系列中有7474( (标准型标准型) )、74S74S( (肖特基型肖特基型) )、74LS74LS( (低功耗肖特基型低功耗肖特基型) )等等 . . ( (一）一）TTLTTL反相器反相器第3章典型电路典型电路通常把它分成三部分：通常把它分成三部分：输入级（输入级（R R1 1、 D D1 1和和T T1 1）倒相级（倒相级（R R2 2、T T2 2和和R R3 3）输出级（输出级（R R4 4、 T T4 4 和和D D2 2 、T T5 5）返回TTLTTL反相器电路反相器电路第3章【分析工作原理（分析工作原理（1 1）】 当输入为高电平，假当输入为高电平，假设设V

14、Vcccc =5v ,V =5v ,VI I =V =VIHIH =3.4V =3.4V时：时：T T1 1发射结正偏处于导通状发射结正偏处于导通状态，而态，而T T2 2和和T T5 5的的发射结发射结必必然导通，然导通，T T4 4和和D D2 2 均截止，均截止，故此时输出为低电平。故此时输出为低电平。TTLTTL反相器电路反相器电路第3章【分析工作原理（分析工作原理（2 2）】 当输入为低电平，当输入为低电平，假设假设v vI I=V=VILIL=0.2V=0.2V时：时：T T1 1发射结导通，发射结导通，T T2 2和和T T5 5均截止，而均截止，而T T4 4和和D D4 4处

15、于处于饱和状态，故此时输饱和状态，故此时输出为高电平。出为高电平。YATTLTTL反相器电路反相器电路第3章【几点说明几点说明】v输出端属于推拉式输出端属于推拉式（图腾柱）输出级。其（图腾柱）输出级。其优点是：既能提高开关优点是：既能提高开关速度，又能提高带负载速度，又能提高带负载能力。能力。v二极管二极管D D1 1的作用：为的作用：为确保确保T T5 5饱和导通时饱和导通时T T4 4可可靠地截止而串的。靠地截止而串的。vTTLTTL集成门电路的某个集成门电路的某个输入端悬空，相当于输输入端悬空，相当于输入端接入端接1 1。TTL反相器的电压传输特性反相器的电压传输特性第3章就是就是 的关

16、系曲线，如下图所示。的关系曲线，如下图所示。)v(fvIOABAB段段截止区截止区BCBC段段线性区线性区CDCD段段转折区转折区DEDE段段饱和区饱和区V0V1 +5V +5V R 测试电路测试电路（二）（二） TTL TTL与非门电路与非门电路第3章 把把TTLTTL反相器的输反相器的输入端修改为多输入端入端修改为多输入端的形式，就变成了的形式，就变成了TTLTTL与非门电路。与非门电路。多输入端多输入端典型电路典型电路BAY其中其中T1是一个多发射极三极管，相当若干个发射极独立而基极是一个多发射极三极管，相当若干个发射极独立而基极和集电极分别并联在一起的三极管，其等效电路如下：和集电极分

17、别并联在一起的三极管，其等效电路如下：BAC+VRPCC（+5V）PPPNNNN+V13CCABCTbR1TTLTTL与非门的技术参数与非门的技术参数（1 1）传输特性【如前介绍】）传输特性【如前介绍】（2 2）输入和输出的高、低电压）输入和输出的高、低电压由前面由前面TTLTTL反相器的传输特性可以反相器的传输特性可以求得输入和输出的高、低电压的数值如下：求得输入和输出的高、低电压的数值如下：输出高电压输出高电压 V VOHOHVVO O(A)=3.6V(A)=3.6V输出低电压输出低电压 V VOLOL=V=VCESCES=0.2V=0.2V输入低电压输入低电压 V VILIL=V=VI

18、I(B)=0.4V(B)=0.4V输入高电压输入高电压 V VIHIH=V=VI I(D)=1.2V(D)=1.2V第3章V0V1 +5V +5V R 参数名称参数名称符号符号单位单位指标指标输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平开门电平开门电平关门电平关门电平输入短路电流输入短路电流输入高电平电输入高电平电流流扇出系数扇出系数传输延迟时间传输延迟时间功耗功耗VOHVOLVONVOFFIISIIHNtpdPVVVVmAA个个nsmW3.20.351.80.82.25084050TTL与非门主要参数与非门主要参数 （三）集电极开路门（三）集电极开路门（OCOC门：门：【Open Collect

19、or Open Collector 】）第3章定义定义 集电极开路集电极开路(Open Collector)(Open Collector)门简称为门简称为OCOC门门, ,它它是是TTL与非门电路的推拉式输出级中，与非门电路的推拉式输出级中，将输出级改为集电极将输出级改为集电极开路的晶体管结构。开路的晶体管结构。电路结构及逻辑符号电路结构及逻辑符号 OC门的特点门的特点vOCOC门最显著的特点就是：可以门最显著的特点就是：可以线与线与。v所谓所谓“线线与与”，就是，就是将多个将多个OCOC门门的输出端并的输出端并联（即各输联（即各输出端用一根出端用一根导线直接连导线直接连接起来）以接起来）以

20、实现与逻辑实现与逻辑的功能（如的功能（如右图所示）右图所示）CDABY（四）三态输出门（四）三态输出门（TSLTSL门：门：【Tristate LogicTristate Logic】） 第3章三态门的电路结构和代表符号三态门的电路结构和代表符号 三态门的输出具有三种状态：高电平、低电平和高阻三态门的输出具有三种状态：高电平、低电平和高阻态（又称为禁止态）。态（又称为禁止态）。 （a a）控制端高电平有效）控制端高电平有效 当当EN=1EN=1时，时， 当当EN=0EN=0时，时，Y Y为高阻态为高阻态 （b b）控制端低电平有效）控制端低电平有效 当当 时，时，Y Y为高阻态为高阻态 当当

21、时，时， ABY 1EN 0EN ABY 三态门的应用三态门的应用第3章（1 1）用三态输出门接成总线结构）用三态输出门接成总线结构让各门的控制端处于高电平，让各门的控制端处于高电平，即任意时刻只让一个即任意时刻只让一个TSLTSL门处门处于工作状态，而其余的于工作状态，而其余的TSLTSL门门均处于高阻状态，这样总线会均处于高阻状态，这样总线会轮流接受各轮流接受各TSLTSL门的输出。门的输出。（2）用三态输出门实现数据的双向传输）用三态输出门实现数据的双向传输第3章? 当当EN=1EN=1时：时：G G1 1工作而工作而G G2 2呈高阻态，呈高阻态，数据数据D D0 0经经G G1 1反

22、相后送反相后送到总线上去；到总线上去；? 当当EN=0EN=0时：时：G G2 2工作而工作而G G1 1呈高阻态，呈高阻态，来自总线的数据经来自总线的数据经G G2 2反相后由送出。反相后由送出。五五. . 使用集成电路时的注意事项使用集成电路时的注意事项 v对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。件。v数字集成电路种多余的输入端在不改变逻辑关数字集成电路种多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可以根据逻系的前提下可以并联起来使用，也可以根据逻辑关系的要求接地或接高电平。辑关系的要求接地或接高电平。TTLTTL电路多余的电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但输入端悬空表示输入为高电平；但CMOSCMOS电路，电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。常工作。 第3章五五. . 使用集成电路时的注意事项使用集成电路时的注意事项 vTTLTTL电路和电路和CMOSCMOS电路之间