第2章 逻辑门电路

1、12-1 集体管开关特性2-2 基本逻辑门电路2-3 TTL逻辑门电路2-4 CMOS集成门电路2-5 CMOS与TTL接口电路本章小结思考题与习题22-1-1 二极管开关特性2-1-2 三机关的开关特性2-1-3 基本逻辑门电路31静态特性 在二极管开关电路中，二极管导通压降与外加电源电压相比及导通电阻与外电路电阻相比均可忽略时，则可近似地认为二极管具有理想开关的静态开关特性。在数字电路的分析与估算过程中，常把uDUT=0.5V，看成是硅二极管的截止条件。42动态特性动态特性分析二极管开关的转换过程 5分析三极管的开关工作状态 671三极管三种工作状态的特点三极管三种工作状态的特点（1）截止

2、状态）截止状态（2）放大状态）放大状态 （3）饱和状态饱和状态 81三极管三种工作状态的特点三极管三种工作状态的特点（1）截止状态）截止状态（2）放大状态）放大状态 （3）饱和状态）饱和状态 91三极管三种工作状态的特点三极管三种工作状态的特点三极管截止、放大、饱和的工作条件及特点三极管截止、放大、饱和的工作条件及特点102三极管的动态特性三极管的动态特性（d）集电极电流 111MOS管的开关作用管的开关作用2MOS管的开关时间管的开关时间取决于与电路有关的分布电容及下一级输入电容充放电所需的时间 121与门电路与门电路13二极管与门电路的电位关系表二极管与门电路的电位关系表 与真值表与真值表

3、 与门的函数表达式与门的函数表达式：Z=ABC 142或门电路或门电路15二极管或门逻辑真值表二极管或门逻辑真值表 输 入输出ABCZ00000011010101111001101111011111函数表达式为函数表达式为：Z=A+B+C 163非门电路非门电路17输 入输 出AZ0110函数表达式为：函数表达式为：Z=A 非门逻辑真值表非门逻辑真值表 184复合门电路复合门电路由二极管与门和三极管非门串联而成称为二极管三极管逻辑门电路简称DTL电路191. 具有与非逻辑关系的逻辑门的函数表达式为 Z=CBA2. 或非门的函数表达式为：Z= CBA20输 入输出输 入输出ABCZABCZ000

4、1000100110010010101000111011010011000101110101101110011101110与非门逻辑真值表与非门逻辑真值表 或非门逻辑真值表或非门逻辑真值表 212-3-1 TTL与非门的工作原理2-3-2 TTL与非门的参数2-3-3 TTL与非门的改进电路2-3-4 TTL的其他类型门电路2-3-5 其他双极型集成电路介绍221典型典型TTL与非门电路与非门电路232TTL与非门的工作原理与非门的工作原理（1）逻辑逻辑功能功能逻辑表达式为逻辑表达式为L= ABC24（2）电压传输特性）电压传输特性 电压传输特性分析电压传输特性分析AB段截止区 BC段线性区

5、CD段过渡区 CE段饱和区 25（2）电压传输特性）电压传输特性 a. 关门电平和开门电平 b. 阈值电压UT c. 噪声容限 (Noise Margin) 关门电平、开门电平、阈值电压及噪声容限关门电平、开门电平、阈值电压及噪声容限26（2）电压传输特性）电压传输特性 开门电阻、关门电阻开门电阻、关门电阻a. 关门电阻ROFF b. 开门电阻RON RRRuUu1be1cRUOFF RRRuUu1be1cRUON27（3）与非门输出、输入端等效电路）与非门输出、输入端等效电路 输出端等效电路输出端等效电路开态 关态 28（3）与非门输出、输入端等效电路）与非门输出、输入端等效电路输入低电平

6、输入高电平 输入端等效电路输入端等效电路291输入特性及有关参数输入特性及有关参数（1）输入伏安特性）输入伏安特性 输入短路电流IIS 输入漏电流IIH30（2）输入负载特性TTL门电路输入端接电阻时的等效电路门电路输入端接电阻时的等效电路 TTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 312输出特性及有关参数输出特性及有关参数（1）输出高电平时的输出特性）输出高电平时的输出特性322输出特性及有关参数输出特性及有关参数（2）输出低电平时的输出特性332输出特性及有关参数输出特性及有关参数（3）有关参数）有关参数 输出高电平输出高电平UOH 输出低电平输出低电平UOL 343瞬时特性及有关参

7、数瞬时特性及有关参数（1）瞬时特性波形）瞬时特性波形 35（2）平均传输延迟时间tpd3瞬时特性及有关参数瞬时特性及有关参数2plhphlpdttt364TTL与非门的扇出系数和电源电流与非门的扇出系数和电源电流（1）扇出系数N（2）电源电流ICCICCL是指门电路输出为低电平UOL时电源所提供的电流；ICCH是指门电路输出为高电平UOH时电源所提供的电流 ISLIIN 37参 数 名 称符 号单 位测 试 条 件指 标导通电源电流ICCLmA输入悬空，空载， UC=5V10截止电源电流ICCHmAui=0，空载， UC =5V5输出高电平UOHVui=0.8V，空载， UC =5V3.0输出

8、低电平UOLVui=0.8V，IL=12.8mA， UC =5V0.35输入短路电流IISmAui=0 UC =5V2.2输入漏电流IIHAui=5V，其他输入端接地， UC =5V70开门电平UONVUOL=0.35V，IL=12.8mA， UC =5V1.8关门电平UOFFVUOH=2.7V，空载 UC =5V0.8扇出系数Nui=1.8V，UOL0.35V， UC =5V8平均传输时间tpdNs信号频率f=2MHz，No=8 UC =5V30 TTL与非门的主要指标 381有源泄放有源泄放TTL电路电路（1）改善电压传输特性）改善电压传输特性 （2）缩短电路的平均传输延迟时间）缩短电路的

9、平均传输延迟时间392抗饱和抗饱和TTL电路（电路（STTL电路）电路）402抗饱和抗饱和TTL电路（电路（STTL电路）电路）（1）肖特基晶体管的特点）肖特基晶体管的特点（2）STTL电路电路41（3）低功耗肖特基电路（LS-TTL电路） 2抗饱和抗饱和TTL电路（电路（STTL电路）电路）421集电极开路与非门 432三态门三态门443异或门异或门454与或非门与或非门461高阈值逻辑门电路（高阈值逻辑门电路（HTL）2射极耦合逻辑门电路（射极耦合逻辑门电路（ECL）3集成注入逻辑门电路（集成注入逻辑门电路（I2L）472-4-1 CMOS反相器2-4-2 CMOS与非门2-4-3 CMO

10、S或非门2-4-4 COMS传输门2-4-5 COMS与TTL电路性能比较2-4-6 正负逻辑问题48在在CMOS反相器中，反相器中，无论电路处于哪一种工作状态，无论电路处于哪一种工作状态，总有一个管子截止，总有一个管子截止，另一个管子导通，另一个管子导通，因此静态电流近似为零，因此静态电流近似为零，电路的功耗很小。电路的功耗很小。 CMOS反相器的逻辑电路反相器的逻辑电路 49CMOS与非门的逻辑电路与非门的逻辑电路当输入端当输入端A、B中有一个为低电平时，输出为高电平；中有一个为低电平时，输出为高电平；只有当输入端只有当输入端A、B都是高电平时，输出为低电平。都是高电平时，输出为低电平。电

11、路具有与非的逻辑功能，其逻辑表达式为电路具有与非的逻辑功能，其逻辑表达式为F=BA50CMOS或非门或非门 电路图电路图该电路具有或非逻辑功能，该电路具有或非逻辑功能，其逻辑表达式为其逻辑表达式为F=BA 511电路结构电路结构522工作原理工作原理（1）导通状态）导通状态（2）截止状态）截止状态C只要只要C=1， =0，ui在在0VDD之间变化时，传输门中至少有一个管子导通，之间变化时，传输门中至少有一个管子导通，导通时电阻为几百欧姆，相当于开关闭合，输入信号由输入端传送到输出端。导通时电阻为几百欧姆，相当于开关闭合，输入信号由输入端传送到输出端。CMOS传输门可以传输数字信号，也可以传输模

12、拟信号。传输门可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。由于由于MOS管结构对称，漏极、源极可以互换，因此，管结构对称，漏极、源极可以互换，因此，CMOS传输门具有传输门具有双向性，也称双向开关。双向性，也称双向开关。53 在功耗和速度上有很大差别 CMOS电路需要的输入电流几乎可以忽略，而一个典型的TTL门电路，在输入信号为0态时，需要1.6mA左右的输入电流。 CMOS电路不能提供太大的输出电流；而一个TTL电路的输出端却可以吸收16mA的电流。 CMOS电路所用的电源电压范围很大（318V均可工作）541正逻辑和负逻辑的规定正逻辑和负逻辑的规定 在逻辑电路中，电平的高和低均可用逻辑在逻辑电路

13、中，电平的高和低均可用逻辑1或或逻辑逻辑0来表示。用来表示。用1表示高电平，而用表示高电平，而用0表示低表示低电平，则称之为正逻辑体制；与此相反，若用电平，则称之为正逻辑体制；与此相反，若用0表示高电平，而用表示高电平，而用1表示低电平，则称之为负表示低电平，则称之为负逻辑体制。逻辑体制。552负逻辑符号的表示负逻辑符号的表示56 由上图可总结出由正逻辑体制变换为负由上图可总结出由正逻辑体制变换为负逻辑体制的规则：逻辑体制的规则：（1）将与门符号变成或门符号或将或门符号变）将与门符号变成或门符号或将或门符号变为与门符号。为与门符号。（2）在门电路符号的输入端加小圆圈，表示反）在门电路符号的输入

14、端加小圆圈，表示反相。相。（3）在门电路符号的输出端加小圆圈，也表示）在门电路符号的输出端加小圆圈，也表示反相。反相。 57 通过上述分析可以得出：通过上述分析可以得出： 正逻辑正逻辑“与与”门同负逻辑门同负逻辑“或或”门等效；门等效； 正逻辑正逻辑“或或”门同负逻辑门同负逻辑“与与”门等效；门等效； 正逻辑与非门同负逻辑或非门等效；正逻辑与非门同负逻辑或非门等效； 正逻辑或非门同负逻辑与非门等效。正逻辑或非门同负逻辑与非门等效。582-5-1 TTL-CMOS接口电路2-5-2 CMOS-TTL接口电路2-5-3 门电路使用中应注意的事项59TTL-CMOS接口电路60CMOS驱动TTL采用

15、专用接口器件611多余端的处理多余端的处理 对于对于TTL与非门与非门 621多余端的处理多余端的处理 对于对于TTL或非门或非门 631多余端的处理多余端的处理 对于对于CMOS电路电路 对于CMOS电路，多余的输入端必须依据相应电路的逻辑功能决定是接在正电源VDD上（与门、与非门）或是与地相接（或门、或非门）。一般不宜与使用的输入端并联使用，因为输入端并联时将使前级的负载电容增加，工作速度下降，动态功耗增加。642使用使用CMOS电路要避免静态损坏电路要避免静态损坏（1）所有与）所有与MOS电路直接接触的工具、测试设备必须可靠电路直接接触的工具、测试设备必须可靠地接地。地接地。（2）操作人

16、员应尽量避免穿着容易产生静电的化纤织物。）操作人员应尽量避免穿着容易产生静电的化纤织物。否则，需要采取消除静电的措施，例如，使用消除静电的否则，需要采取消除静电的措施，例如，使用消除静电的喷雾器进行清洗等。喷雾器进行清洗等。（3）MOS器件应放在金属容器或其他导电的容器中存放和器件应放在金属容器或其他导电的容器中存放和搬运，绝不能存放在易产生静电的泡沫塑料、塑料袋或其搬运，绝不能存放在易产生静电的泡沫塑料、塑料袋或其他容器中。他容器中。（4）在调试）在调试CMOS电路板时，如果信号源和电路板是用两电路板时，如果信号源和电路板是用两组电源，则开机时应先接电路板电源，后开信号源电源。组电源，则开机

17、时应先接电路板电源，后开信号源电源。关机时，则应先关信号源电源，后断电路板电源。关机时，则应先关信号源电源，后断电路板电源。 65本章主要讨论了二、三极管的开关特性；TTL逻辑门电路的电路结构、工作原理以及与非门的外特性；CMOS集成电路。 半导体器件的开关特性是分析电路逻辑功能的基础，对三极管的截止条件、饱和条件以及饱和、截止时各极电压、电流的分配必须十分清楚。三极管工作在饱和状态时基区有存储电荷存在，当从饱和转换为截止时存储电荷的消散需要一定的存储时间ts，ts是影响开关速度的主要因素。 66TTL与非门的外特性是TTL与非门在外部所表现出来的电压和电流的关系。其中有表示输出电压和输入电压

18、之间关系的电压传输特性，表示输入电压和输入电流之间关系的输入特性和表示输出电压和输出电流之间关系的输出特性。只有掌握了这几个特性，才能正确地使用TTL与非门。 其他类型的TTL门电路，尽管它们的逻辑功能各异但输入、输出端电路结构与TTL与非门相同，因此与非门的输入、输出特性对这些门电路同样适用。 67本章中所讲到的TTL、HTL、CEL以及I2L，都属于双极型数字集成电路，因为这些电路中所用的三极管都是双极型的。而在MOS数字集成电路中，使用的是MOS管，因而把这一类数字集成电路称为MOS集成电路。 在MOS数字集成电路中。CMOS电路的最基本逻辑单元是反相器。由于采用了N沟道管与P沟道管互补

19、式电路，所以功耗小，而且现在生产的高速CMOS电路，其工作速度已可与TTL电路媲美。在整个数字集成电路中，CMOS电路占据主导地位的趋势日益明显。 681二极管为什么能起开关作用?把它作为理想电子开关的条件是什么?2试述三极管截止、放大、饱和三种工作状态的特点。三极管在什么条件下会出现饱和现象?在电路中怎样判别管子已处于饱和状态?693 判断如图2-44所示各电路中三极管工作在什么状态?图2-44 题2-3图70图2-45 题2-4图4如图2-45所示，已知R1=2k，R2=30k，RC=1.5k，VCC=6V，UB=-6V，三极管=20，试计算三极管开始饱和时的ui值（提示：三极管开始饱时I

20、B=IBS）5二极管电路如图2-46所示。（1）分析输出Z1、Z2和输入A、B、C之间的逻辑关系；（2）已知A、B、C的波形如图2-46（c）所示，画出Z1，Z2的波形（输入信号电压幅度满足逻辑要求）。图2-46 题2-5图 716试分析如图2-47所示电路中，一只二极管导通和三只二极管均导通时，流过限流电阻R的电流各为多少?（二极管导通压降和截止电流均可忽略）。 图2-47 题2-6图727对应于图2-48（a）各种情况及图2-48（b）所示输入波形，画出E、F、L、G、H的波形。 图2-48 题2-7图738为什么TTL与非门输入端：（a）接地；（b）接低于0.8V的电源；（c）接同类与非门的输出低电平0.3V，在逻辑上都属于输入为0?9为什么TTL与非门输入端：（a）悬空；（b）接高于2V的电源；（c）接同类与非门的输出高电平3.6V，在逻辑上都属于输入为1? 10在挑选TTL门电路时，人们都希望选用输入