逻辑门电路全解课件

1、第二章 集成逻辑门集成电路大致分为两种类型：CMOS和双极型。其中CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体）电路是目前运用最广的逻辑电路。并且逐步取代了原来的TTL电路。双极型电路是由双极型三极管构成的电路。有：TTL 和ECL电路等。在性能，功耗，容量等方面受到限制，故被CMOS逐渐取代。2.1MOS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管的结构和符号漏极源极栅极开启电压：VGS（th)以N

2、沟道增强型为例：当加+VDS时，VGS=0时，D-S间是两个背向PN结串联，iD=0加上+VGS，且足够大至VGS VGS (th), D-S间形成导电沟道（N型层）开启电压MOS管的基本开关电路等效电路OFF ，截止状态 ON，导通状态MOS管的四种类型增强型耗尽型大量正离子导电沟道MOS门的开关作用MOS门 D 、 S极之间的开关状态受 VGS 的控制增强型：N沟道P沟道VGS V GS（th) 0 (开启电压）VGS V GS（th)D S断开D S导通（几百欧）VGS VGS（th) VGS（th)D S导通（几百欧）D S断开MOS反相器（非门）0VVDD1) VA = 0V:工作原

3、理:2)VA = VDD :VGS VGS（th) ,T截止; VF = UDD , F=“1”。 NMOS增强型+VDDFARDSGTVDD0VVGS VGS（th) ,T导通; VF 0V , F=“0”。结构:0 11 0 真 值 表： 输入 输出 A F0VVDD NMOS增强型VDD0V+VDDFARDSG逻辑式：F=1AF逻辑符号:2. CMOS反相器CMOS电路Complementary -Symmetry MOS互补对称式MOST2T1 PMOS管NMOS管T1 : ONT2: OFFOFFON同一电平:+VDDSDADSGF1) 结构“0”(0V)VGS VGS（th) 0导

4、通+VDDSDAFDSGT2T1PMOSNMOSVGS0截止“1”(+VDD)2) 工作原理VA=0V“0”(0V)VGS VGS（th) VGS（th) 0导通“1”(+VDD)FVA= VDD 0VVDD真 值 表：A F T1 T2 F+VDDSDADSGT2T11 导通 截止0 0 截止 导通11AF逻辑式：F=VDD0V优点：静态功耗小速度较快电压、电流传输特性阈值电压输入噪声容限输入特性输出特性输出特性3. CMOS与非门&ABFF =+VDDAFT2T1BT3T4SSSSGG工作原理:结构:0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 F4. CMOS或

5、非门A B T1 T2 T3 T4 F1ABFF =+VDDFAT2T1BT3T4GGSSS工作原理:结构:0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 0 5.带缓冲极的CMOS门1、与非门5.带缓冲极的CMOS门解决方法6.漏极开路的门电路（OD门）实现输出电平变换、吸收大负载电流、线与 7.三态输出门三态输出的CMOS门三态输出的CMOS门三态门的用途主要作为TTL电路与总线（BUS)间的接口电路公用总线E1E2E3用公用总线分时传送不同数据译码器&A1B1E1&A2B2E2&A3B3E3 门工作 门工作 门工作三态门的用途7.CMOS传输门及双向模拟开关 传输门双向模拟开关双极型三极管的开

6、关特性（BJT, Bipolar Junction Transistor）2.2 TTL门电路2.2.1 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只要参数合理：VI=VIL时，T截止，VO=VOHVI=VIH时，T导通，VO=VOL工作状态分析：三极管的开关等效电路截止状态饱和导通状态三极管非门AF0.3V3.2V保证VA=0.3V时,三极管可靠截止1)当VA=0.3V时:+2.5VD+12V1.5K1K18K-12VP=30T工作情况:设:T截止要求: VBE0.5V当VA=0.3V时:设:IB=0A0.3V1.5K1K18K-12VP+12VF+2.5VD=30TIB=-1.8

7、VD导通,起箝位作用: VD=0.7V 箝位二极管 Vp IBs ,T饱和的假设成立。得:VF = 0.3VA3.2V1.5K1K18K-12VP+12VF+2.5VD=30TICIBI1I2I1 =I2 +IB0.3V0 11 0 真 值 表FAD+12V+2.5V1.5K1K18K-12VP=300.3V3.2V0.3V3.2V 输入 输出 A F“0”“1”“1”“0”0 11 0 真 值 表 输入 输出 A F功能：当A为高时,输出F为低；A为低时，F为高。F是A的非函数。逻辑式：F=逻辑求反运算“”:逻辑非运算逻辑符号：三极管非门波形图（时序图）A1AFF求反运算* DTL电路ABD

8、1D2+12V3.9KR二极管与门与非门：A BA B(Diode Transistor Logic)-12V三极管非门D+12V+2.5V1.5K1K18KP=30F与非门：任 0 则 1全 1 则 0口诀：&ABF逻辑式：逻辑符号：F =或非门：ABD1D2-12VR二极管或门A + BD+12V+3V1.5K1K18K-12VP=30三极管非门FA + B或非门：任 1则 0全 0 则 1口诀：ABF逻辑式：逻辑符号：F =1、体积大、工作不可靠。2、需要不同电源。3、各种门的输入、输出电平不匹配。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一、结构0.3V3.4V+5

9、VABCFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T51007503603K+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5输入级输出级中间级T1 与R1组成输入级：T1 多发射极晶体管：实现“与”运算。等效电路 b1=A B C c1+5VR1T1b1ABCc1AB+5Vb1R1C+5VR1c1T1b1ABCR2T2R3FR4R5T3T4T5“与”“非”复合管形式与非门输出级+5VR1c1T1b1ABCR2T2R3FR4R5T3T4T5“与”“非”复合管形式 TTL与非门输出级0.3V3.4V二、 工作原理1、任一输入为低电平（0.3V）时+5VFR4R2R1R5R3T3b1ABC“0

10、” 截止c1T1T5T2T41V0.3VVF=5 -VBE3-VBE4 -VR2 3.4V 高电平！+5V“0”FR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1VVFRLT2 ，T5 ： 截止逻辑关系:任0则12、输入全为高电平（3.4V）时4.1V3.4V“1”(3.4V)T5T4发射结全反偏R2+5VFR4R1T2R5R3T3T1b1c1ABC电位箝在2.1V0.7V1.4V2、输入全为高电平（3.4V）时 全导通(T2、 T5饱和)T5T4R2截止T1:倒置状态C、E作用颠倒+5VFR4R1T2R5R3T3T1b1c1ABC1V0.7V1.4V“1”(3.4V)发射结全反偏电位箝在2.

11、1VVF=0.3V饱和T1T2T5T2：截止逻辑关系：全1则0+5VFR2R13kR3b1c1ABC“1”(3.4V)电位箝在2.1V发射结全反偏TTL与非门&ABCF 输入任0：T2、T5 截止,T3、T4 导通； U0= U0H 。 输入全1： T4 截止,T2、T5饱和导通; U0= U0L 。逻辑关系：任0则1全1则0与非门2.2.3 TTL与非门外特性和参数测试电路一、电压传输特性： VO VI&+5VVIVOR简化的传输特性( VO VI )曲线 二值性曲线VOHVOLVIHVIL1.4VTH截止区(T5 ：关门)转折区(过渡区饱和区(T5：开门)阈值电压:VTH=1.4V 门槛电

12、压(Threshold)+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC1007503603K简化的传输特性( VO VI )曲线 二值性曲线VOHVOLVIHVIL1.4UT截止区(T5 ：关门)转折区(过渡区饱和区(T5：开门)阈值电压:VT=1.4V 门槛电压(Threshold)简化的传输特性( VO VI )曲线 二值性曲线VOHVOLVIHVIL1.4UT截止区(T5 ：关门)转折区(过渡区饱和区(T5：开门)阈值电压:VT=1.4V 门槛电压(Threshold) 通用：VOH2.4V ， VOL 0.4V 典型值 ： 输出高电平 VOH=3.4V 输出低电平

13、VOL =0.3V 阈值电压 VT =1.4V1. 输出端2. 输入端： 典型值 ： 输入高电平 VIH=3.4V 输入低电平 VIL =0.3V 通用：VIVT VI=“1”，与非门开门 VOL ； VIVT VI=“0”，与非门关门 VOH 。 典型参数：二、输入噪声容限三、输入负载特性 (VI RI ) VIVRIC+5VR4R2R13kb1100750FT2R5R3T3T4T1T5c1AB3603KVI=RIRI+R1(5-VBE1)=4.3RI3+RI例：RI=0.5K VI =0.6V VT VI 为低电平当RI较小时：设：T2、T5 截止 截止R4T2R3c1T1+5VR13kT

14、5b1RIVIR2R5T3T4F当RI较小时：VIVT , T2 、 T5 截止，T3、T4 导通：VF = VOH 。T1+5VR13kb1RIVIR2R4R5T3T4VFRLF当VI=VT 时，T5将饱和导通:VF = VOL;此时RI =?求出：RI =1.45K 临界电阻 即 : 1.45K ;1.4=RIRI+3(5-VBE1)1.4V当RI 1.45K时 箝位 VI =1.4V, VF = VOL 。1.45K 饱和VF = VOL +5 VRIFR2R13kT2R3T1T5b1c12.1V1.4V0.7V20RI(K)vI(V)12310.60.51.41.45多余输入端处理：接

15、+5V若悬空:UI=“1”输入端并联使用对应:vOH对应:vOLABCF UIVRI& RI VI 关系 :RI 1.45K时: 输入端（VI）相当于接 “1” (高电平);RI 1.45K时: 输入端（VI）相当于接 “0” (低电平);RI = (输入端悬空)时：相当于接 “1” (高电平) 。 四、输入特性 TTL反相器的输入端等效电路1. 与非门输出为 高电平时：（ VIL: T2 、T5 截止，T3、 T4导通。） 拉电流：IOH（几百)RL(等效)拉电流能力：维持VOH时，所允许的最大拉电流值。+5VR4R2R5T3T4VOH五、输出特性iL2. 与非门输出为 低电平时：iORL+

16、5V(等效)灌电流：IOL约十几mA灌电流能力：维持VOL时，所允许的最大灌电流值 。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1VOL扇出系数(fan out)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10。带负载能力驱动器：扇出系数可以大于20。2.2.4 动态特性tViotVoo50%50%tp1tp2导通传输时间截止传输时间波形边沿变坏延迟变化Vo 平均传输时间（Propagation delay)tpd=tp1 + tp22典型值：3 10 ns对TTL与非门的要求：1）掌握其逻辑关系：任0则1，全1则0；2）掌握其典型参数，会使用；3）了解其基本结构，能定性分析其工

17、作原理。2.3.1其它类型的TTL门电路 TTL或非门电路一、其他逻辑功能的TTL门电路TTL与或非门一、其他逻辑功能的TTL门电路2.3.1 其它类型的TTL门电路TTL异或门2.3.1 其它类型的TTL门电路一、其他逻辑功能的TTL门电路二、集电极开路的与非门（OC门）1 . 问题的提出标准TTL与非门进行与运算:&ABEF&CD&G1A B C D&ABEF&CDG 能否“线与”？（Open Collector)G=EF=A B C D E F E F2.3.1 其它类型的TTL门电路问题：TTL与非门的输出电阻很低。i功耗与非门截止： T4热击穿iVOL与非门导通：不允许&ABEF&C

18、DG与非门 截止与非门 导通+5VR4R2T3T4T51007503KR3VOH+5VR4R2T3T4T51007503KR3VOL2 . OC门结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC去掉T3,T4标准TTL与非门可以断开（Open Collector)F =ABC&符号集电极开路“与”“非”RL（外接）VCCFT5+5VR2R13kT2R3T1b1c1ABC特点：RL 和VCC 可以外接。3 .“线与”电路F=F1 F2 F3RL（外接）任 0 则 0全 1 则 1“线与”使用OC门的关键是选择外接RL:根据带负载情况确定。三 、三态输出与非门（TS门）(Three State)三种状态高电平低电平高阻状态（禁止状态）标准与非门输出状态2.3.1 其它类型的TTL门电路1 .