第2章逻辑门电路

1、第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路3.5 BiCMOS3.5 BiCMOS门电路门电路3.2 3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路3.3 TTL3.3 TTL集成门电路集成门电路3.4 CMOS3.4 CMOS门电路逻门电路门电路逻门电路3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性3.6 3.6 几个问题说明几个问题说明3.1 3.1 晶体管的开关特性及参数晶体管的开关特性及参数作用于开作用于开关器件关器件1 1 接通接通2 2 截止截止阻抗小阻抗小阻抗大阻抗大短路短路开路开路脉冲脉冲信号信号(MHz)(MHz)晶体管的开关特性即：晶体管的开关特性即：1 1与与2 2及其转化特点及其转化特点

2、脉冲脉冲f 很高，要求开关状态变化很快，很高，要求开关状态变化很快，t:sns半导体器件如晶体二极管、三极管和MOS管都有导通和截止的开关作用，器件特性分为静态特性和动态特性，前者指器件在导通与截止两种状态下的特性，后者指器件在状态转换过程中的特性。 一、二极管的开关特性一、二极管的开关特性（1）单向导电性）单向导电性正向导通与反向截止正向导通与反向截止1、特性、特性:iRLDvI（2）说明：）说明：（1）必须限制正向电流；（2）二极管导通时，都有一定的管压降，这相当于接通时有一定的电阻；（3）二极管的反向电阻并非无穷大； 2、过渡过程：、过渡过程：正通正通反止，存在反止，存在反向恢复时间反向

3、恢复时间tre，ns级级反止反止正通，正通，开通时间开通时间，比，比tre很短很短特点：二极管从反向截止到正向导通的时间比从正向导通到反向截止的时间短得多，即过渡过程主要考虑反向恢复过程。 一、二极管的开关特性一、二极管的开关特性2、过渡过程：、过渡过程：tttstrevitVF-VRIFit0.1IR-IRt1iRLDvI反向过程为反向过程为: :0t，二极管导通，则，二极管导通，则LFLDFFRVRVVIt时，时，vI I突变，实际情况中，突变，实际情况中，二极管并不立即截止，而是二极管并不立即截止，而是电流由正向的电流由正向的I IF F变为一大的变为一大的反向电流反向电流I IR R=

4、V=VR R/R/RL L，维持时，维持时间间t ts s后，经过后，经过t tt t，下降到，下降到0.1I0.1IR R，此时二极管才进入反，此时二极管才进入反向截止状态。向截止状态。Key words:Key words:存储时间存储时间t ts s，渡越时间，渡越时间t tt t，反向恢复时间，反向恢复时间t trere(ns)(ns)！由于！由于t trere的存在，二极管的开关速度受到限制。的存在，二极管的开关速度受到限制。二、二、BJT的开关特性的开关特性 1 1、BJTBJT的开关作用：的开关作用：VCCiCvCEiB=0IB0IBS=IB4IB3IB2IB1ACOVCESVC

5、C /RCIB1ICSRbRc cVccTiB BvI I+ +ic c- -Vo（1 1）截止状态）截止状态相当于开关的断开状态相当于开关的断开状态e e结和结和c c结均反偏结均反偏，iC0，iB0 VCEVCC VBE0.6v 时，T2开始导通，但T2的C结电阻较大，取电流很小 IIIB1在VI1.3v，T5开始导通，VB1被箝在2.1v左右，只要VI再增加一点，则T1进入倒置工作状态，II急剧减小，并改变方向。由于VI继续升高，ce间的等效电阻总不可能做到无穷大，所以II还会有极微小的增加。在VIVT时II为负；在VI UT导通导通有源有源负载负载(非线性电阻非线性电阻)实际结构实际结

6、构UCCuiuo一、一、MOSMOS反相器反相器工作设想T1导通时，T2截止，从而ID=0，使输出低电平更低。T1截止时，T2导通，从而RON2较小，CL充电更快。 二、二、CMOSCMOS反相器反相器NMOS管管PMOS管管CMOS电路电路工作原理：工作原理：ui=0时：时： ugs2= UCC ， T2导通、导通、T1截止，截止，uo=“”；ui=1时：时： T1导通、导通、T2截截止，止，uo=“0”。UCCST2DT1uiuoDSComplementary -Symmetry MOS互补对称式互补对称式MOST1 : ONT2: OFF同一电平同一电平:OFFON二、二、CMOSCMO

7、S反相器反相器电路特点电路特点（1）电路利用率高。）电路利用率高。VOL0v，VOH VCC，输出电压几乎等于外加电源值，输出电压几乎等于外加电源值，可以充分利用电源电压。可以充分利用电源电压。（2）静态功耗小。电路处于稳态时，）静态功耗小。电路处于稳态时，TN，TP总是一个导通，另一个截止，总是一个导通，另一个截止，静态电流近似为零，所以静态功耗小。静态电流近似为零，所以静态功耗小。（3）开关速度高。无论输出高电平，）开关速度高。无论输出高电平，还是低电平，负载都是通过导通管与还是低电平，负载都是通过导通管与VCC或地相连，负载电容充放电较快，或地相连，负载电容充放电较快，提高了开关速度。提

8、高了开关速度。当当VI由低变高时，由低变高时，T1为导通状态，为为导通状态，为CL放电提供了一个低阻通道。放电提供了一个低阻通道。当当VI由高变低时，由高变低时，T2为导通状态，为为导通状态，为CL充电提供了一个低阻通道。充电提供了一个低阻通道。 VCCST2DT1uiuoDS三、三、CMOSCMOS与非门与非门&ABF工作原理工作原理:+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构结构0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 FBAF A B T1 T2 T3 T4 F ABF工作原理工作原理:+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构结构0 0 10 1 0

9、 1 0 0 1 1 0 四、四、CMOSCMOS或非门或非门BAF 工作原理工作原理:1+UDDLET2T1AT3T4结构结构五、五、CMOSCMOS三态门三态门EAL11001d10高阻结构结构:六、六、CMOSCMOS传输门传输门+5V CVICVO-5VTGCC符号符号:工作原理工作原理:设被传输的模拟信号的变化范围为5v+5v。设控制信号：高电平VCH=+5v，低电平VCL=5v，两管的VT均为2v。 （1）当C端接低电平时，TN的栅压为5v，VI在5v+5v时，TN截止，同时TP亦截止开关断开。（2）当C端接高电平时： 若5vVI3v VGSN8vVTN TN导通 VGSP2vVT

10、P TP截止 3vVI+3v VGSN2vVTN TN导通 VGSP2vVTP TP导通 +3vVI+5v VGSN2vVTN TN截止 VGSP8vVTP TP导通 即：在5vVI+5v的范围内，或者TN、TP单独导通，或者它们同时导通，传输门被打开，VI顺利通过传输门开关闭合。 2.5 BiCMOS门电路门电路双极型双极型CMOS一、一、BiCMOSBiCMOS反相器反相器特点：双极型器件的快速度，特点：双极型器件的快速度，MOSFET的低功耗的低功耗两方两方面的优势。面的优势。V VDDDDM MP PT T1 1M M1 1M MN NvIM M2 2vOT T2 21、电路组成、电路

11、组成vI 为高，为高， MN、M1导通，导通， MP 、M2截止，截止， T1 止，止，T2通。通。vI 为低，为低， MN 、 M1截止，截止， MP 、 M2 、导通，、导通， T2 止，止， T1通。通。 T1 ， T2 基极可经由基极可经由M1 、 M2放电放电 ，从而加速脱离饱和。，从而加速脱离饱和。 T1 与与VDD ，T2 与地，分别与负与地，分别与负载构成对负载的充放电回路，从载构成对负载的充放电回路，从而减小容性负载的滞后影响而减小容性负载的滞后影响输入级输入级推拉式推拉式输出级输出级2、工作原理、工作原理BiCMOSBiCMOS二输入端或非门二输入端或非门V VDDDDM

12、MPAPAT T1 1M M1A1AM MNANAvIAM M2 2vO=A+BT T2 2M MNBNBM MPBPBM M1B1BvIB同理可构成与非门电路。同理可构成与非门电路。( (课本课本P86P86图图2.6.1)2.6.1)二、二、BiCMOSBiCMOS门电路门电路ABL0001101110002.6 正负逻辑问题正负逻辑问题一、正负逻辑的规定一、正负逻辑的规定如果令如果令H=1,L=0-H=1,L=0-正逻辑体制正逻辑体制如果令如果令H=0,L=1-H=0,L=1-负逻辑体制负逻辑体制例如与非门，在这两种逻辑体制下的真值表为例如与非门，在这两种逻辑体制下的真值表为A B LA

13、 B LL L HL L HL H HL H HH L HH L HH H LH H LA B LA B L0 0 10 0 10 1 10 1 11 0 11 0 11 1 01 1 0A B LA B L1 1 01 1 01 0 01 0 00 1 00 1 00 0 10 0 1电平表示电平表示正正( (逻辑逻辑) )与非门与非门负负( (逻辑逻辑) )或非门或非门本书采用正逻辑本书采用正逻辑二、正负逻辑的等效变换二、正负逻辑的等效变换1 1、基本概念基本概念设设 Z=ABZ=AB 两边同时取非两边同时取非2、变换原则、变换原则（1）将门电路符号的输入端加小圆圈，表示输入取非。）将门电

14、路符号的输入端加小圆圈，表示输入取非。（2）将门电路符号的输出端加小圆圈，表示输出取非。若）将门电路符号的输出端加小圆圈，表示输出取非。若该处原来已有小圆圈，则根据非该处原来已有小圆圈，则根据非非相消的原则，可把原非相消的原则，可把原有的小圆圈删掉。有的小圆圈删掉。（3 3）将与门符号变为或门符号或反之。）将与门符号变为或门符号或反之。 结论：一个门的输出和所有输入端同时取非，则正逻辑变结论：一个门的输出和所有输入端同时取非，则正逻辑变为负逻辑，这个门电路对正逻辑来说实现的是为负逻辑，这个门电路对正逻辑来说实现的是“与与”逻辑，逻辑，对负逻辑来说实现的是对负逻辑来说实现的是“或或”逻辑，即正与

15、门同负或门等逻辑，即正与门同负或门等效。效。电路是一样的，只是描述的逻辑体制不同电路是一样的，只是描述的逻辑体制不同BAABZ第二章第二章 结束结束3.93.9逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题3.9.1、各种门电路之间的接口问题、各种门电路之间的接口问题由于每种器件的由于每种器件的电压电压、电流电流参数参数不同不同，故需要接口电路。，故需要接口电路。一般需要考虑：一般需要考虑：(1)(1)驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值；驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值；(2)(2)驱动器件必须能对负载器件提供足够大拉电流；驱动器件必须能对负载器件提供足够大拉电流；

16、(3)(3)驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围内，包括高、低电压值。压范围内，包括高、低电压值。-电压兼容性问题。电压兼容性问题。扇出数扇出数问题问题(4)(4)其它，如：噪声容限、输入输出电容、开关速度等。其它，如：噪声容限、输入输出电容、开关速度等。1 1、CMOSCMOS门驱动门驱动TTLTTL门门只要电压参数兼容，不需要另加接口，仅按电流大小计算扇只要电压参数兼容，不需要另加接口，仅按电流大小计算扇出数即可。出数即可。例例3.9.13.9.1：74HC0074HC00与非门用来驱动一个基本的与非门用来驱动一个基本的TT

17、LTTL反相器和六反相器和六个个74LS74LS门电路。验算此时门电路。验算此时CMOSCMOS门是否过载？门是否过载？解：解：(1)(1)查技术参数手册得查技术参数手册得基本基本TTLTTL门电路：门电路：IIL=1.6mA六个六个74LS74LS门的输入电流：门的输入电流：IIL=60.4mA=2.4mA总的输入电流：总的输入电流：IIL(Total)=1.6mA+2.4mA=4mA(2)74HC00(2)74HC00门的门的IOH= IOL=4mA，所以未过载。，所以未过载。V VDDDDT1vI IT2R1 1iDPiDNR2 2R3 3T3 3T4 4V VCCCCCMOSCMOS门

18、驱动门驱动TTLTTL门门R1 1R2 2R3 3T1 1T2 2V VCCCCV VDDDDT4T5T3 3RP P TTL TTL门驱动门驱动CMOSCMOS门门2 2、TTLTTL门驱动门驱动CMOSCMOS门门由技术参数手册知：由技术参数手册知：TTLTTL输入为低电平时，它的输出电压参输入为低电平时，它的输出电压参数与数与CMOS HCCMOS HC的输入电压参数是不兼容的。如的输入电压参数是不兼容的。如LSTTLLSTTL的的V VOH(min)OH(min)为为2.7V2.7V，而，而HC CMOSHC CMOS的的V VIH(min)IH(min)为为3.5V3.5V。通常用上

19、拉电阻。通常用上拉电阻R RP P接接到到V VDDDD，可将，可将TTLTTL的输出高电平升到的输出高电平升到5V5V，上拉电阻的取值由负，上拉电阻的取值由负载器件的数目及载器件的数目及TTLTTL、CMOSCMOS的电流参数决定。此时的电流参数决定。此时R RP P的具体的具体值采用扇出数计算公式来确定。值采用扇出数计算公式来确定。由技术参数手册，由技术参数手册，TTLTTL门驱动门驱动CMOS HCTCMOS HCT时，由于电压参数兼时，由于电压参数兼容，不需要另加接口电路。容，不需要另加接口电路。常用常用CMOS HCTCMOS HCT当作接口器件，以当作接口器件，以免除上拉电阻。免除

20、上拉电阻。3.9.2、门电路带负载时的接口问题、门电路带负载时的接口问题1 1、用门电路直接驱动显示器件、用门电路直接驱动显示器件显示器件显示器件-发光二极管。电路如图：发光二极管。电路如图：1 11/6 74HC04LEDR输入输入信号信号1 1LEDR输入输入信号信号VCCCMOSCMOS反相器反相器74HC04 74HC04 驱动驱动LEDLED的电路的电路电路中电路中串接串接限流电阻限流电阻R R以保护以保护LEDLED(a)(a)(b)(b)图图a a中，中，R=(VR=(VOHOH-V-VF F)/I)/ID D图图b b，R=(VR=(VCCCC-V-VF F- V- VOLOL

21、)/I)/ID DV VF F为为LEDLED正向压降正向压降I ID D为为LEDLED的电流的电流求限流电阻求限流电阻-例例3.9.23.9.2：P75P752 2、门电路之机电性负载借口、门电路之机电性负载借口数字电路的机电控制对象：电机的位置和转速、继电器通数字电路的机电控制对象：电机的位置和转速、继电器通断、阀门开闭、机械手的多参数控制，等等。断、阀门开闭、机械手的多参数控制，等等。如对继电器控制电路为：如对继电器控制电路为：1 11/6 74HC0450输入输入信号信号1 11/6 74HC0450继电器继电器继电器驱动电路继电器驱动电路继电器本身有额定电压、电流继电器本身有额定电

22、压、电流参数，一般情况须用运放以提参数，一般情况须用运放以提升到必须的数升到必须的数- -模电压和电流模电压和电流值。（也可用光电开关耦合）值。（也可用光电开关耦合）对小型继电器可将两个反相器对小型继电器可将两个反相器并联作为驱动电路，如左图。并联作为驱动电路，如左图。3.9.3、门电路使用中的抗干扰措施、门电路使用中的抗干扰措施1、多余输入端处理、多余输入端处理原则：处理措施不可改变电路状态，要稳定可靠原则：处理措施不可改变电路状态，要稳定可靠做法：对做法：对TTLTTL与非门，多余输入端通过上拉电阻与非门，多余输入端通过上拉电阻(1(13K)3K)接电源正端；也可用输入接地反相器的输出高电位接电源正端；也可用输入接地反相器的输出高电位接到接到TTLTTL与非门多余输入端。与非门多余输入端。对对CMOSCMOS门，多余输入端可根据需要接地（或非门），门，多余输入端可根据需要接地（或非门），或直接接或直接接V VDDDD(