第二章 逻辑门电路

1、第二章第二章 集成逻辑门集成逻辑门集成电路大致分为两种类型：集成电路大致分为两种类型：CMOSCMOS和双极型。和双极型。其中其中CMOSCMOS（Complementary Metal-Oxide Complementary Metal-Oxide Semiconductor, Semiconductor, 互补金属氧化物半导体）电互补金属氧化物半导体）电路是目前运用最广的逻辑电路。并且逐步取路是目前运用最广的逻辑电路。并且逐步取代了原来的代了原来的TTLTTL电路。电路。双极型电路是由双极型三极管构成的电路。双极型电路是由双极型三极管构成的电路。有：有：TTL TTL 和和ECLECL电路

2、等。在性能，功耗，容量电路等。在性能，功耗，容量等方面受到限制，故被等方面受到限制，故被CMOSCMOS逐渐取代。逐渐取代。2.1MOS管的开关特性管的开关特性一、MOS管的结构S (Source)：源极G (Gate)：栅极D (Drain)：漏极B (Substrate):衬底金属层氧化物层半导体层PN结 MOS管的管的结构和符号结构和符号漏极源极栅极开启电压：开启电压：VGS（th)开启电压MOSMOS管的基本开关电路管的基本开关电路控制的开关。间相当于一个受管所以导通当截止当则：只要因为IOLOGSIHIDDOHOGSILIOFFDONONOFFVSDMOSVVTthVVVVVVTth

3、VVVRRRKRR0)()(,1,109等效电路等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态MOSMOS管的四种类型管的四种类型 增强型 耗尽型大量正离子导电沟道MOS门的门的开关作用开关作用MOS门门 D 、 S极极之间的之间的开关状态受开关状态受 VGS 的控制的控制增强型：增强型：N沟道沟道P沟道沟道VGS V GS（th) 0 (开启电压）开启电压）VGS V GS（th)D S断开断开D S导通导通（几百欧）（几百欧）VGS VGS（th) VGS（th)D S导通导通（几百欧）（几百欧）D S断开断开MOSMOS反相器（非门）反相器（非门）0VVDD1) VA = 0V:工作原理工作

4、原理:2)VA = VDD :VGS VGS（th) ,T截止截止; VF = UDD , F=“1”。 NMOS增强型增强型+VDDFARDSGTVDD0VVGS VGS（th) ,T导通导通; VF 0V , F=“0”。结构结构:0 11 0 真真 值值 表：表： 输入输入 输出输出 A F0VVDD NMOS增强型增强型VDD0V+VDDFARDSG逻辑式：逻辑式：F=A1AF逻辑符号逻辑符号:2. CMOS反相器反相器CMOS电路电路Complementary -Symmetry MOS互补对称式互补对称式MOST2T1 PMOS管管NMOS管管T1 : ONT2: OFFOFFON

5、同一电平同一电平:+VDDSDADSGF1) 结构结构“0”(0V)VGS VGS（th) 0导通导通+VDDSDAFDSGT2T1PMOSNMOSVGS0截止截止“1”(+VDD)2) 工作原理工作原理VA=0V“0”(0V)VGS VGS（th) VGS（th) 0导通导通“1”(+VDD)FVA= VDD 0VVDD真真 值值 表：表：A F T1 T2 F+VDDSDADSGT2T11 导通导通 截止截止0 0 截止截止 导通导通11AF逻辑式：逻辑式：F=AVDD0V优点：优点：静态功耗小静态功耗小速度较快速度较快电压、电流传输特性电压、电流传输特性DDODDIPTHGSDDINTH

6、GSOLOPTHGSDDIDDOHONTHGSIVVVVTTTTVVVVBCVVTTVVVCDVVVTTVVAB2121,02121)()(21)(12)(时，参数完全对称，若同时导通段：截止导通，段：截止导通，段：阈值电压阈值电压输入噪声容限输入噪声容限称为输入噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV输入特性输入特性输出特性输出特性OLGSOLOLOLVVIIfV下，同样的低电平输出特性)(. 1输出特性输出特性越少下，同样的高电平输出特性OHGSOHOHO

7、HVVIIfV)(. 23. CMOS3. CMOS与非门与非门&ABFBA F =+VDDAFT2T1BT3T4SSSSGG工作原理工作原理:结构结构:0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 F4. CMOS4. CMOS或非门或非门A B T1 T2 T3 T4 F 1ABFBA F =+VDDFAT2T1BT3T4GGSSS工作原理工作原理:结构结构: :0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 0 5.5.带缓冲极的带缓冲极的CMOSCMOS门门1 1、与非门、与非门也更高越高，输入端越多，端数目的影响输出的高低电平受输入则则则则受输入状态影响输

8、出电阻存在的缺点：OHOLONONOONONOONONONOONONONOOVVRRRBARRRBARRRRBARRRRBAR)2(0, 11, 021/0, 021, 1: ) 1 (3131425.5.带缓冲极的带缓冲极的CMOSCMOS门门解决方法解决方法与非门缓冲器或非门6.6.漏极开路的门电路（漏极开路的门电路（ODOD门）门）实现输出电平变换、吸收大负载电流、线与实现输出电平变换、吸收大负载电流、线与)(,.DDDDDDLVVVR可以不等于使用时允许外接器或用作电平转换、驱动现线与可将输出并联使用，实21 7. 7.三态输出门三态输出门)(高阻时，时，ZYNEAYNE10三态输出的

9、三态输出的CMOSCMOS门门三态输出的三态输出的CMOSCMOS门门三态门的用途三态门的用途主要作为主要作为TTL电路与电路与总线（总线（BUS)间的间的接口电路接口电路公用总线公用总线E1E2E3用公用总线用公用总线分时分时传送不同数据传送不同数据译码器译码器&A1B1E1&A2B2E2&A3B3E3 门工作门工作 门工作门工作 门工作门工作三态门的用途三态门的用途7.CMOS7.CMOS传输门及双向模拟开关传输门及双向模拟开关 传输门传输门接地为正，另一端经设LIRV双向模拟开关双向模拟开关双极型三极管的开关特性（BJT, Bipolar Junction Tra

10、nsistor）2.2 TTL门电路门电路2.2.1 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性ok双极型三极管的基本开关电路双极型三极管的基本开关电路只要参数合理：只要参数合理：VI=VILVI=VIL时，时，T T截止，截止，VO=VOHVO=VOHVI=VIHVI=VIH时，时，T T导通，导通，VO=VOLVO=VOL工作状态分析：工作状态分析：。近似为截止，则设001CBONBEILIiiTVVVV,)(IOVOCBICBCCCCCCCEOCBCBONIBBONIVVAViiVRiVRiVVVRiiRVViiVV三极管工作在放大区所以。于是得到流过并有对应的产生有后，上升至当,)(

11、2。态三极管工作在深饱和状。时，上压降接近于当继续下降。继续上升，继续上升，当003)()(satCEOLOOCCCOBIVVVVVRViV三极管的开关等效电路三极管的开关等效电路三极管非门三极管非门AF0.3V3.2V保证保证VA=0.3V时时,三极管可靠截止三极管可靠截止1)当当VA=0.3V时时:+2.5VD+12V1.5K 1K 18K -12VP =30T工作情况工作情况:设设:T截止截止要求要求: VBE 0.5V当当VA=0.3V时时:设设:IB=0A0.3V1.5K 1K 18K -12VP+12VF+2.5VD =30TIB=-1.8VD导通导通,起起箝位作用箝位作用: VD

12、=0.7V 箝位箝位二极管二极管 Vp IBs ,T饱和的假设成立。饱和的假设成立。得得:VF = 0.3VA3.2V1.5K 1K 18K -12VP+12VF+2.5VD =30TICIBI1I2I1 =I2 +IBKVKVVIPPAB18)12(5 . 10.3V0 11 0 真真 值值 表表FAD+12V +2.5V1.5K 1K 18K -12VP =300.3V3.2V0.3V3.2V 输入输入 输出输出 A F“0”“1”“1”“0”0 11 0 真真 值值 表表 输入输入 输出输出 A F功能：功能：当当A为为高高时时,输出输出F为为低低；A为为低低时，时，F为为高高。F是是A

13、的的非函数非函数。逻辑式：逻辑式：F=A逻辑逻辑求反求反运算运算“”:逻辑逻辑非非运算运算逻辑符号：逻辑符号：三极管非门三极管非门波形图（时序图）波形图（时序图）A1AFF求反运算求反运算* * DTL DTL电路电路ABD1D2+12V3.9KR二极管二极管与与门门与非门：与非门：A BA B(Diode Transistor Logic)-12V三极管三极管非非门门D+12V +2.5V1.5K 1K 18K P =30F与非门：与非门：任任 0 则则 1全全 1 则则 0口诀：口诀：&ABF逻辑式：逻辑式：逻辑符号：逻辑符号：BA F =或非门：或非门：ABD1D2-12VR二极

14、管二极管或或门门A + BD+12V +3V1.5K 1K 18K -12VP =30三极管三极管非非门门FA + B或非门：或非门：任任 1则则 0全全 0 则则 1口诀：口诀： ABF逻辑式：逻辑式：逻辑符号：逻辑符号：BA F =1、体积大、工作不可靠。、体积大、工作不可靠。2、需要不同电源。、需要不同电源。3、各种门的输入、输出电平不匹配。、各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点分立元件门电路的缺点2.2.2 TTL与非门电路结构和工作原理与非门电路结构和工作原理一、结构一、结构0.3V3.4V+5VABCFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5100 750 360

15、 3K +5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5输入级输入级输出级输出级中间级中间级T1 与与R1组成输入级：组成输入级：T1 多发射极晶体管：多发射极晶体管：实现实现“与与”运算。运算。等效电路等效电路 b1=A B C c1+5VR1T1b1ABCc1AB+5Vb1R1C+5VR1c1T1b1ABCR2T2R3FR4R5T3T4T5“与与”“非非”复合管形式复合管形式与非门与非门输出级输出级+5VR1c1T1b1ABCR2T2R3FR4R5T3T4T5“与与”“非非”复合管形式复合管形式 TTL与非门与非门输出级输出级0.3V3.4V二、二、 工作原理工作原理1 1、任一输入

16、为、任一输入为低电平（低电平（0.3V0.3V）时时+5VFR4R2R1R5R3T3b1ABC“0” 截止截止c1T1T5T2T41V0.3VVF=5 -VBE3-VBE4 -VR2 3.4V 高电平！高电平！+5V“0”FR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1VVFRLT2 ，T5 ： 截止截止逻辑关系逻辑关系:任任0则则12 2、输入全为高电平（、输入全为高电平（3.4V3.4V）时）时4.1V3.4V“1”(3.4V)T5T4发射结全反偏发射结全反偏R2+5VFR4R1T2R5R3T3T1b1c1ABC电位箝电位箝在在2.1V0.7V1.4V2 2、输入全为高电平（、输入全为高

17、电平（3.4V3.4V）时）时 全导通全导通(T2、 T5饱和饱和)T5T4R2截止截止T1:倒置状态倒置状态C、E作用颠倒作用颠倒+5VFR4R1T2R5R3T3T1b1c1ABC 1V0.7V1.4V“1”(3.4V)发射结全发射结全反偏反偏电位箝电位箝在在2.1VVF=0.3V饱和饱和T1T2T5T2：截止：截止逻辑关系：逻辑关系：全全1则则0+5VFR2R13kR3b1c1ABC“1”(3.4V)电位箝电位箝在在2.1V发射结全发射结全反偏反偏TTL与非门与非门ABCF &ABCF 输入任输入任0：T2、T5 截止截止,T3、T4 导通；导通； U0= U0H 。 输入全输入全

18、1： T4 截止截止,T2、T5饱和导通饱和导通; U0= U0L 。逻辑关系：逻辑关系：任任0则则1全全1则则0与非门与非门2.2.3 TTL2.2.3 TTL与非门外特性和参数与非门外特性和参数测测试试电电路路一、电压传输特性：一、电压传输特性： V VO O V VI I&+5VVIVOR简化的简化的传输特性传输特性( V( VO O V VI I ) )曲线曲线 二值性曲线二值性曲线VOHVOLVIHVIL1.4VTH截止区截止区(T5 ：关门：关门)转折区转折区(过过渡区渡区饱和区饱和区(T5：开门：开门)阈值电压阈值电压:VTH=1.4V 门槛电压门槛电压(Threshol

19、d)+5VFR4R2R13k T2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC100 750 360 3K 简化的简化的传输特性传输特性( V( VO O V VI I ) )曲线曲线 二值性曲线二值性曲线VOHVOLVIHVIL1.4UT截止区截止区(T5 ：关门：关门)转折区转折区(过过渡区渡区饱和区饱和区(T5：开门：开门)阈值电压阈值电压:VT=1.4V 门槛电压门槛电压(Threshold)OIIDBERCCOHBIVVTTTVVVBCVVVVVVTTTTVVVVAB导通，截止，导通且工作在放大区段：线性区导通截止，导通，段：截止区45224245211,3 . 17 . 04 . 3,3

20、 . 1,6 . 0简化的简化的传输特性传输特性( V( VO O V VI I ) )曲线曲线 二值性曲线二值性曲线VOHVOLVIHVIL1.4UT截止区截止区(T5 ：关门：关门)转折区转折区(过过渡区渡区饱和区饱和区(T5：开门：开门)阈值电压阈值电压:VT=1.4V 门槛电压门槛电压(Threshold)OLOOIOLOBTHIVVVVDEVVTTTVVVVVCD不变，而继续段：饱和区迅速所以截止，同时导通，所以段：转折区012414521,.,. 通用：通用：V VOHOH 2.4V2.4V ， V VOLOL 0.0.4V 4V 典型值典型值 ： 输出高电平输出高电平 V VOH

21、OH=3.4V=3.4V 输出低电平输出低电平 V VOLOL =0.=0.3V3V 阈值电压阈值电压 V VT T =1.4V=1.4V1. 1. 输出端输出端2. 2. 输入端：输入端： 典型值典型值 ： 输入高电平输入高电平 V VIHIH=3.4V=3.4V 输入低电平输入低电平 V VILIL =0.=0.3V3V 通用：通用：V VI I V VT T V VI I=“1”=“1”，与非门开门，与非门开门 V VOLOL ； V VI IVVT T V VI I=“0”=“0”，与非门关门，与非门关门 V VOHOH 。 典型参数：典型参数：二、输入噪声容限二、输入噪声容限称为输入

22、噪声容限，允许输入的变化范围在输出变化允许范围内基本不变；的一定范围内，和偏离在OILIHIVVVV(max)(max)(min)(min)OLILNLIHOHNHVVVVVV三、输入负载特性三、输入负载特性 (V(VI I R RI I ) ) VIVRIC+5VR4R2R13k b1100 750 FT2R5R3T3T4T1T5c1AB360 3K VI=RIRI+R1(5-VBE1)=4.3RI3+RI例：例：RI=0.5K VI =0.6V VT VI 为为低电平低电平当当RI较小时：较小时：设：设：T2、T5 截止截止 截止截止R4T2R3c1T1+5VR13kT5b1RIVIR2R

23、5T3T4F当当RI较小时：较小时： VIVT , T2 、 T5 截止，截止，T3、T4 导通：导通：VF = VOH 。T1+5VR13kb1RIVIR2R4R5T3T4VFRLF当当VI=VT 时时，T5将饱和导通将饱和导通:VF = VOL;此时此时RI =?求出：求出：RI =1.45K 临界电阻临界电阻 即即 : 1.45K ;1.4=RIRI+3(5-VBE1)1.4V当当RI 1.45K 时时 箝位箝位 VI =1.4V, VF = VOL 。1.45K 饱和饱和VF = VOL +5 VRIFR2R13kT2R3T1T5b1c12.1V1.4V0.7V20RI(K )vI(V

24、)12310.60.51.41.45多余输入端处理：多余输入端处理：接接+5V若悬空若悬空:UI=“1”输入端并联使用输入端并联使用对应对应:vOH对应对应:vOLABCF UIVRI& RI VI 关系关系 :RI 1.45K 时时: 输入端（输入端（VI）相当于接）相当于接 “1” (高电平高电平);RI 1.45K 时时: 输入端（输入端（VI）相当于接）相当于接 “0” (低电平低电平);RI = (输入端悬空输入端悬空)时：相当于接时：相当于接 “1” (高电平高电平) 。 四、输入特性四、输入特性 TTL反相器的输入端等效电路1. 1. 与非门输出为与非门输出为 高电平高电

25、平时：时：（ V VILIL: T: T2 2 、T T5 5 截止，截止，T T3 3、 T T4 4导通。）导通。） 拉电流：拉电流：IOH（几百几百)RL(等效等效)拉电流能力：拉电流能力：维持维持VOH时，时，所允许的最大拉电流值。所允许的最大拉电流值。+5VR4R2R5T3T4VOH五、输出特性五、输出特性iL2. 与非门输出为与非门输出为 低电平低电平时：时：iORL+5V(等效等效)灌电流：灌电流：IOL约约十几十几mA灌电流能力：灌电流能力：维持维持VOL时，时，所允许的最大所允许的最大灌电流值灌电流值 。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1VOL扇出系数扇出系数(fan

26、 out)与非门输出驱动同类门的个数：与非门输出驱动同类门的个数：N 8 。与非门的扇出系数一般是与非门的扇出系数一般是10。带负载能力带负载能力驱动器：扇出系数可以大于驱动器：扇出系数可以大于20。2.2.4 2.2.4 动态特性动态特性tViotVoo50%50%tp1tp2导通传输导通传输时间时间截止传输截止传输时间时间波形边沿变坏波形边沿变坏延迟变化延迟变化Vo 平均传输时间平均传输时间（Propagation delay)tpd=tp1 + tp22典型值：典型值：3 10 ns对对TTL与非门的要求：与非门的要求：1）掌握其逻辑关系：掌握其逻辑关系：任任0则则1，全，全1则则0；2

27、）掌握其典型参数，掌握其典型参数，会使用；会使用；3）了解其基本结构，了解其基本结构，能定性分析能定性分析其工作原理。其工作原理。2.3.12.3.1其它类型的其它类型的TTLTTL门电路门电路 TTL TTL或非门电路或非门电路一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的TTLTTL门电路门电路TTLTTL与或非门与或非门一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的TTLTTL门电路门电路2.3.1 2.3.1 其它类型的其它类型的TTLTTL门电路门电路TTLTTL异或门异或门2.3.1 2.3.1 其它类型的其它类型的TTLTTL门电路门电路一、其他逻辑功能的一、其他逻辑功能的TTLTTL门电路门电路二

28、、集电极开路的与非门（二、集电极开路的与非门（OCOC门）门）1 . 问题的提出问题的提出标准标准TTL与非门与非门进行进行与运算与运算:&ABEF&CD&G1A B C D&ABEF&CDG 能否能否“线与线与”？（Open Collector)G=E F= A B C D E F E F2.3.1 2.3.1 其它类型的其它类型的TTLTTL门电路门电路问题：问题：TTL与非门的与非门的输出电阻很低。输出电阻很低。i功耗功耗与非门截止：与非门截止： T4热击穿热击穿iVOL与非门导通：与非门导通：不允许不允许&ABEF&CDG与非门与

29、非门 截止截止与非门与非门 导通导通+5VR4R2T3T4T5100 750 3K R3VOH+5VR4R2T3T4T5100 750 3K R3VOL2 . OC门结构门结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC去掉去掉T3,T4标准标准TTL与非门与非门 可以断开可以断开（Open Collector)F = ABC&符号符号集电极集电极开路开路“与与”“非非”RL（外接）（外接）VCCFT5+5VR2R13kT2R3T1b1c1ABC特点：特点：RL 和和VCC 可以可以外接。外接。3 .“线与线与”电路电路F=F1 F2 F3RL（外接外接）任任 0 则则 0全全 1 则则 1“线与线与”使用使用OC门的门的关键关键是是选择外接选择外接RL:根据带负载情况确定。根据带负载情况确定。三三 、三态输出与非门（、三态输出与非门（TSTS门门）(Three State)三种状态三种状态高电平高电平低电平低电平高阻状态（禁止状态）高阻状态（禁止状态）标准与非门标准与非门输出输出状态状态2.3.1 2.3.1 其它类型