第二章集成逻辑门

1、n本章重点与难点：n重点：本章介绍的是常用集成门电路，重点有两个：一是逻辑功能，二是电气特性。n难点：常用门电路的电气特性，尤其是输入、输出特性。1 1 、逻辑门逻辑门: :实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。单元电路。2 2、 逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTLTTL门电路门电路MOSMOS门电路门电路PMOSPMOS门门CMOSCMOS门门逻辑门逻辑门电路电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOSNMOS门门 二极管正向导通时：导通电阻二极管正向导通时：导通电阻很小，两端相很小，两端相当于短

2、路；当于短路； 二极管反向截止时：二极管反向截止时：等效电阻很大，两端相等效电阻很大，两端相当于开路。当于开路。 当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的开关转度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的开关转换速度要在微秒甚至纳秒内完成。换速度要在微秒甚至纳秒内完成。 二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止二极管的开关特性表现在正向导通和反向截止状态之间的转换过程（即动态特性）：状态之间的转换过程（即动态特性）： 二、二极管的动态特性二、二极管的动态特性在在0t1期间，期间，vi VF时，时，D导通，电路中有电流流过：

3、导通，电路中有电流流过：RLviiD1.1.二极管从正向导通到反向截止的过程二极管从正向导通到反向截止的过程vitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit二、二极管的动态特性二、二极管的动态特性RLviiD1.1.二极管从正向导通到反向截止的过程二极管从正向导通到反向截止的过程：通常将二极管从导通转为截止所通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为反向恢复时间需的时间称为反向恢复时间: tre= ts+ttvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存储时间存储时间渡越时间渡越时间在在t1 时，突然时，突然 I VR时，时，电路中电流电路中电流 i = ? P区区 N区区 势势垒垒

4、区区 + - P区区的的电电子子浓浓度度分分布布 N区区的的空空穴穴浓浓度度分分布布 反向恢复时间一般在纳秒数量反向恢复时间一般在纳秒数量级。级。1.1.二极管从正向导通到反二极管从正向导通到反向截止的过程向截止的过程二、二极管的动态特性二、二极管的动态特性正向（饱和）电流愈大，电正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。需的时间也愈长。产生反向恢复的过程的原因：产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间存储电荷消散需要时间1.1.二极管从反向截止到正向导通的过程二极管从反向截止到正向导通的过程二

5、、二极管的动态特性二、二极管的动态特性结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间。复时间。二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。时间。原因是：原因是：PN结加正偏电压时，其正向压降很小，结加正偏电压时，其正向压降很小，比比VF小得多，故电路中的正向电流小得多，故电路中的正向电流IF VF / RL 。主要由外电路参数决定。主要由外电路参数决定。1. BJT的开关作用的开关作用 IB5 iC IBS=I

6、B4 IB3 IB2 IB1 A vCE VCC iB=0 VCES O ICS VCC /Rc C CIBS=VCC/ Rc ICS= VCC/Rc CEVCES0.2V VCC RC iC T Rb ib + v1 -VB1 VCC RC iC T Rb ib + v1 +VB1截止状态截止状态cbe饱和状态饱和状态Vb=0.7v, Vc=0.3vebc1. BJT的开关作用的开关作用ICS CSIiCICSVRCCc工作状态工作状态截截 止止放放 大大饱饱 和和条件条件iB0 0 iB 工工作作特特点点偏置情况偏置情况 发射结和集发射结和集电结均为反偏电结均为反偏 发射结正偏，发射结正偏

7、，集电结反偏集电结反偏 发射结和集电发射结和集电结均为正偏结均为正偏集电极电集电极电流流iC 0ic iB 且不随且不随iB增加而增加而增加增加管压降管压降VCEO VCCVCEVCCiCRcVCES 0.20.3 V c、e间等间等效内阻效内阻 很大，约为很大，约为数百千欧，相数百千欧，相当于开关断开当于开关断开可变可变很小，约为数百很小，约为数百欧，相当于开关欧，相当于开关闭合闭合2. NPN 型型 BJT 截止、放大、饱和三种工作状态的特点截止、放大、饱和三种工作状态的特点 v1 +VB2 VB2 O t iC ICS 0.9ICS 0.1ICS O tr ts t tf td 3. B

8、JT的开关时间的开关时间开通时间开通时间 ton= td+trtd 延迟时间延迟时间 tr 上升时间上升时间关闭时间关闭时间 toFF= ts+ tfts存储时间存储时间 tf-下降时间下降时间 开关时间随管子类型开关时间随管子类型的不同而不同，一般为几的不同而不同，一般为几十几百纳秒。开关时间十几百纳秒。开关时间越短，开关速度越高。一越短，开关速度越高。一般可用改进管子内部构造般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三和外电路的方法来提高三极管的开关速度。极管的开关速度。2.3.1 二极管与门电路二极管与门电路2.3.2 二极管或门电路二极管或门电路2.3.3 非门电路非门电路 三极管反相

9、器三极管反相器2.3.1 2.3.1 二极管与门电路二极管与门电路 B & L=ABC A C 二极管与门电路二极管与门电路与逻辑符号与逻辑符号 VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C VCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 0 v若输入端中有任意一个若输入端中有任意一个为为0V,另两个为另两个为+5V输入与输出电压关系输入与输出电压关系0V5V5V 输 入输 出VAVBVCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V 输 入输 出VAVB

10、VCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V 输 入输 出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V) R 3kW L D1 D2 D3 A B C 5 vA、B、C三个都输入高三个都输入高电平电平+5V5V5V5V 输 入输 出ABCL00000010010001101000101011001111 真真 值值 表表 R 3kW D1 D2 D3 A B C L 二极管或门电路二极管或门电路或逻辑符号或逻辑符号 B ? L=ABC A C

11、 11输入端输入端A、B、C都为都为0V R 3kW D1 D2 D3 A B C L 0 V或逻辑或逻辑真值表真值表输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111输 入输 出ABCL000000110101011110011011110111110V0V0V输入端中有任意一个为输入端中有任意一个为+5V R 3kW D1 D2 D3 A B C L 5 V或逻辑或逻辑真值表真值表输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111输 入输 出ABCL000000110101011110011011110111110V5V0

12、V VC C Rc L T Rb A 三极管反相电路三极管反相电路 A 1 L=A 非逻辑符号非逻辑符号 vO O V1 V2 vI 逻逻辑辑 1 逻逻辑辑 0 饱饱和和 截止 放放大大 反相器传输特性反相器传输特性 Rc VCC VCC vCE iC 2.3.3 非门电路非门电路 三极管反相器三极管反相器当输入为当输入为逻辑逻辑0 0时时: : VC C Rc L T Rb A 0 vcc1 非逻辑真值表输入A输出L非逻辑非逻辑真值表真值表 2.3.3 非门电路非门电路 三极管反相器三极管反相器01当输入为逻辑当输入为逻辑1 1时时: : VC C Rc L T Rb A 1 0.3v0输入

13、A输出L非逻辑真值表非逻辑真值表 2.3.3 非门电路非门电路 三极管反相器三极管反相器01102.4 TTL门电路门电路2.4.7 改进型改进型TTL门电路门电路 抗饱和抗饱和TTL电路电路2.4.1 基本的基本的BJT反相器的动态性能反相器的动态性能2.4.2 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路2.4.3 TTL反相器的传输特性反相器的传输特性2.4.4 TTL与非门电路与非门电路2.4.5 TTL与非门的技术参数与非门的技术参数2.4.6 TTL或非门、集电极开路门和或非门、集电极开路门和三态门电路三态门电路1. TTL反相器的基本电路反相器的基本电路2. TTL反相器的工作原理反相

14、器的工作原理3. 采用输入级以提高工作速度采用输入级以提高工作速度 4. 采用推拉式输出级以提高开关速度采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力和带负载能力2.4.2 TTL反相器反相器C CL L的充、放电过程均需经历的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输一定的时间，必然会增加输出电压出电压 O O波形的上升时间和波形的上升时间和下降时间，导致基本的下降时间，导致基本的BJTBJT反相器的开关速度不高。反相器的开关速度不高。基本基本BJTBJT反相器的动态性能反相器的动态性能若带电容负载若带电容负载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTLTTL门电路。门电

15、路。 1. TTL反相器的基本电路反相器的基本电路 Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1K W VCC(5V) 输入级输入级 中间级中间级 输出级输出级 输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电结和发射的集电结和发射极同时输出两个相极同时输出两个相位相反的信号，作位相反的信号，作为为T T3 3和和T T4 4输出级的输出级的驱动信号；驱动信号；

16、输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提组成。用于提高电路的开关速度高电路的开关速度 Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1KW VCC(5V) VB1 2. TTL反相器的工作原理 （1）当输入为低电平）当输入为低电平（ I = 0.2 V） 0.9V 0.2V OVCCVBE4VD 50.70.7 =3.6V I低电平(0.2V)T1深饱和T2截止T3截止T4放大O高电平（3.6V） Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1KW

17、 VCC(5V) VB1 2. TTL反相器的工作原理 当输入为高电平（当输入为高电平（ I = 3.6 V） 3.6V 4.3V 2.1V 1.4V 0.2V I全为高电平(3.6V)T1倒置放大T2饱和T3饱和T4截止O低电平0.2V） Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1KW VCC(5V) VB1 3. 采用输入级以提高工作速度 （1）当）当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间 0.9V1.4V T1管的变化先于管的变化先于T2、 T3管的变化；管的变化；T1管管Je正偏、正偏、Jc

18、反偏，反偏， T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流管射极电流 1 iB1很很快地从快地从T2的基区抽走多的基区抽走多余的存储电荷余的存储电荷,从而加从而加速了状态转换。速了状态转换。 4. 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力n 当输出为低电平时，T3处于深度饱和状态，T4截止， T3的集电极电流可以全部用来驱动负载。 输出为高电平时，输出为高电平时，T3截止，截止，T4组成的电压跟随器的输出电阻组成的电压跟随器的输出电阻很小，所以输出高电平稳定，很小，所以输出高电平稳定，带负载能力也较强。带负载能力也较强。 Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D

19、T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1KW VCC(5V) VB1 3.6V 2.1V 1.4V 0.2V Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1KW VCC(5V) VB1 0.9V 0.2V 3.6V波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后，波形上升沿陡直。而当输出电压由高变低后， CL很快放很快放电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。 输出端接有负载电容输出端接有负载电容CL时，在时，在 输出由低到高跳变的瞬间，输出由低到高跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小，

20、使输出充电，其时间常数很小，使输出1.电路组成如图所示，它由输入级、中间级和输出级三部分组成。2.4.4 TTL与非门与非门R13 kWR2750 WR5100 WR3360 WR43 kWT2T3T4T5Y UCCABC&ABCY(a)(b)T1中 间 级输 入 级输 出 级 TTL集成与非门电路图及逻辑符号 (1) 输入级。 输入级由多发射极管T1和电阻R1组成。其作用是对输入变量A、B、C实现逻辑与，从逻辑功能上看，图（a）所示的多发射极三极管可以等效为图（b）所示的形式。T1ABCB1C1ABCB1(a)(b)(2) 中间级。 中间级由T2、 R2和R3组成。T2的集电极和发射极输出两

21、个相位相反的信号，作为T3和T5的驱动信号。 (3) 输出级。 输出级由T3、T4、T5和R4、R5组成，这种电路形式称为推拉式电路。2. 工作原理工作原理 (1) 输入全部为高电平。当输入A、 B、 C均为高电平，即UIH = 3.6 V时，T1的基极电位足以使T1的集电结和T2、T5的发射结导通。而T2的集电极压降可以使T3导通， 但它不能使T4导通。T5由T2提供足够的基极电流而处于饱和状态。因此输出为低电平: UO=UOL=UCE50.3 VA=B=C=1时TTL与非门各点电压 (2) 输入至少有一个为低电平。当输入至少有一（A端）为低电平，即UIL = 0.3V时，T1与A端连接的发

22、射结正向导通，从图中可知，T1集电极电位UC1使T2、T5均截止，而T2的集电极电压足以使T3，T4导通。因此输出为高电平： UO=UOHUCC-UBE3-UBE4=5-0.7-0.7=3.6 V A=0时TTL与非门各点电压 TTLTTL或非门或非门 若若A、B中有一个为高电平中有一个为高电平:若若A、B均为低电平均为低电平:T2A和和T2B均将截止，均将截止，T3截止。截止。 T4和和D饱和，饱和，输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和，将饱和，T3饱和，饱和，T4截止，截止，输出为低电平。输出为低电平。BAL 逻辑表达式逻辑表达式vOHvOL输出为低输出为低电平的逻电平的逻辑

23、门输出辑门输出级的损坏级的损坏1.1.集电极开路门电路集电极开路门电路 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 a） 集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路b） 使用时的外电路连接使用时的外电路连接C） 逻辑功能逻辑功能L = A BOC门输出端连接实现线与门输出端连接实现线与VCC T1 Re2 Rc2 Rc4 Rb1 T2 T3 T4 D A B L VCC T1 Re2 Rc2 Rb1 T2

24、T3 A B L VCCC D RP VDD L A B & & A B C D & )()(CDABL 集电极开路门上拉电阻Rp 的计算 TTL 电路 TTL 电路 D C B A T 1 T 2 VCCL R P 在极限情况，上拉电阻在极限情况，上拉电阻Rp具有限具有限制电流的作用。以保证制电流的作用。以保证IOL不超过额不超过额定值定值IOL(max)，故必须合理选用，故必须合理选用Rp的值。的值。 另一方面，另一方面，Rp的大小影响的大小影响OC门门的开关速度，的开关速度，Rp的值愈大，因而的值愈大，因而开关速度愈慢开关速度愈慢 Rp(min)OL(max)OL(max)IL(tota

25、l)CCVVII CCIH(min)p(max)IH(total)VVRI集电极开路门上拉电阻Rp 的计算举例 例例2.4.2 设设TTL与非门与非门74LS01(OC)驱动八个驱动八个74LS04(反相器反相器)， 试确定一合适大小的上拉电阻试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设，设VCC5V。解：从器件手册查出得：解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL= 400 A，VIH(min) =2V，IIH=20 A。 IIL(total)=400 A8=3.2mA得得 p(min)5V0.4V9588mA3.2mARW VCC=5V，IIH(

26、total) =20 A8= 0.16mA。 p(min)5V2V18.75k0.16mARW Rp的值可在的值可在985W W至至18.75kW W,之间选择之间选择,可选可选1kW W的电阻器为宜。的电阻器为宜。所以所以 集电极开路门的缺点： 由于由于OC门输出不是推拉式门输出不是推拉式(Totem)结构，电路结构，电路的上升延迟很大，这是因为：的上升延迟很大，这是因为： T3退出饱和状态很慢；退出饱和状态很慢； 对输出负载电容的充电电流只能通过外接的对输出负载电容的充电电流只能通过外接的RL来提供。因此，输出波形的上升沿时间很来提供。因此，输出波形的上升沿时间很大。大。 3. 三态与非门

27、三态与非门(TSL ) 三态钳位电路三态钳位电路 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R66 VCC D3.6V1.4V0.7V当当CS= 1时时CS数据输入端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态与非门真值表 =AB R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R66 VCC D当当CS= 0时时0.2V0.9V低电平低电平0.9V开路开路CS数据输入端数据输入端输出端输出端LAB10010111011100高阻 3. 三态与非门三态与非门(TSL ) 三态与非门真值

28、表三态与非门真值表 AB CS & L 高电平使能高电平使能高阻状态高阻状态与非功能与非功能 ZL ABLCS = 0_CS =1另一种形式的三态与非门：另一种形式的三态与非门：CS数据输入端数据输入端输出端输出端LAB00010111011101高阻 3. 三态与非门三态与非门(TSL ) 三态与非门真值表三态与非门真值表 低电平使能低电平使能高阻状态高阻状态与非功能与非功能 ZL ABLCS = 1_CS =0 AB CS & L 三态与非门的应用：三态与非门的应用：两个三态门和总线相连两个三态门和总线相连电路电路1、2只能有一个处于正常态只能有一个处于正常态 若要求若要求D1向向BUS传

29、送，则应有：传送，则应有： 若要求若要求D2D2向向BUSBUS传送，则应有：传送，则应有： 1, 021GG0, 121GG1BUS21G1D2D2GCMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 40004000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电

30、压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALSTTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路2.6 CMOS逻辑门电路 2.6.1 CMOS反相器 2.6.2 CMOS门电路 2.6.4 CMOS传输门 2.6.5 CMOS逻辑门电路的技术参数 2.6.0 复习MOS管的有关知识2.6.0 复习MOS管的有关知识 大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而TTL系列不可能做得很小，但系列不可能做得很小，但MOS管的

31、结构和制造管的结构和制造工艺对高密度制作较之工艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍相对容易，下面我们介绍MOS器件。器件。 与双极性电路比较，与双极性电路比较，MOS管的优点是功管的优点是功耗低，可达耗低，可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的在大规模的集成电路中，主要采用的CMOS电路。电路。2.6.0 复习复习MOS管的有关知识管的有关知识1. N沟道沟道MOS管的结构管的结构P型衬底型衬底沟道区域沟道区域绝缘层绝缘层金属铝金属铝VGS=0时，则时，则D、S之间之间相当于两个相当于两个PN结背向的结背向的串联，串联， D、S之

32、间不通，之间不通，iD0。2.6.0 复习复习MOS管的有关知识管的有关知识2. 工作原理反型层反型层（导电沟道）（导电沟道） 当当G G、S S间加上正电压，间加上正电压，且且V VGSGS V VT T时，栅极与衬底时，栅极与衬底之间形成电场，吸引衬之间形成电场，吸引衬底中的电子到栅极下面底中的电子到栅极下面的衬底表面，形成一个的衬底表面，形成一个N N型的反型层构成型的反型层构成D D、S S之间的导电沟道之间的导电沟道。V VT T被称为被称为MOSMOS管的开启电压。管的开启电压。由于由于VGS 0时，无导电沟道，在增强时，无导电沟道，在增强VGS 电压后形成导电沟电压后形成导电沟道

33、，所以称这类道，所以称这类MOS管为增强型管为增强型MOS管管。P型衬底型衬底2.6.0 复习复习MOS管的有关知识管的有关知识2. 工作原理反型层反型层（导电沟道）（导电沟道）P型衬底型衬底 N沟道增强型沟道增强型MOS管管具有以下特点：具有以下特点：当当VGSVT 时，管子导时，管子导通，导通电阻很小，相通，导通电阻很小，相当于开关闭合当于开关闭合 。当当VGSVT 时，管子截时，管子截止，相当于开关断开；止，相当于开关断开； 同样，对同样，对P沟道增强型沟道增强型MOS管来说：管来说：当当|VGS| |VT|时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。时，管子导通，导通电阻很小，相当于开

34、关闭合。2.6.1 CMOS反相器反相器1. CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理2. CMOS反相器的特点反相器的特点1. CMOS反相器的工作原理 VDD TP TN vO vI VVVDDTNTP() VDD TP TN vO vI 当当vI I = 0 V = 0 V时时 VDD OFFOFFONDDHORRRVV 1. CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理VGSN =0 VTNTN管截止；管截止；|VGSP|=VDDVTP 电路中电流近似为零（忽略电路中电流近似为零（忽略TN的的截止漏电流）截止漏电流）,VDD主要降落在主要降落在TN上，输出为高电平上，输出为高电平VOHTP管导通。管导通。VDDVDD TP TN vO vI 当当vI =VOH= VDD时时 ONOFFONDDLORRRVV AL 1. CMOS反相器的工作原理反