数电第三章逻辑门电路

第三章逻辑门电路0概述二极管逻辑门电路TTL逻辑门电路CMOS逻辑门电路数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第1页!教学基本要求1、了解半导体器件的开关特性。2、掌握基本逻辑门、三态门、集电极开路门的逻辑功能。3、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第2页!0概述1.逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。

基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。

本章重点介绍逻辑运算的物理实现电路。2.逻辑0和逻辑1：0和1在逻辑代数中代表的两种不同的状态。在电子电路中用高、低电平来表示。正逻辑：1表示高电平，0表示低电平

负逻辑：0表示高电平，1表示低电平高/低电平都允许有一定的变化范围3.获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第3页!1.1二极管的开关特性1.二极管符号：2.二极管的伏安特性：※当电压ui>0.7V二极管导通后，uD=0.7ViD=（ui-0.7）/R※当电压ui<0.7V二极管截止，处于断开状态iD=0V正极负极＋

uD

iD

限流电阻数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第4页!1.2二极管与门大于3V为高电平逻辑1表示小于0.7V为低电平逻辑0表示思考：Y如何和A、B构成与逻辑关系？ABY0V0V?5V0.7V0.7V数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第5页!ABY0V0V0.7V5V0V0.7V0V5V0.7V5V5V?5V5V数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第6页!Y=A+B1.3二极管或门ABD1D2Y0V0V0V5V5V0V5V5V截止截止0V导通截止4.3V截止导通4.3V导通导通4.3V数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第7页!2TTL逻辑门电路2.1三极管的开关特性2.2三极管非门2.3TTL反相器、与非门、或非门2.4其他类型的TTL逻辑门（三态门、集电极开路门）2.5TTL电路常识2.6小结由三极管和若干电阻构成的逻辑门Transistor-TransistorLogic数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第8页!2.以NPN三极管为例，说明三极管的的工作原理及特性曲线βui

iB

e

Rbb+VCCiC

u

Rc

co发射结可以看成二极管＋－RbRc+VCCbce＋－①截止状态ui=UIL<0.7Vuo=+VCC截止区条件：ui小于0.7V时；发射结处于截止状态；iB=0；iC=0。集电极和发射极相当于断开，uo=UCE=VCCiB不同,输出特性曲线不同。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第9页!饱和区条件：ui大于0.7V发射结导通此时集电极和发射极可以看成短路ic=Ics=(VCC-UCES)/RCuo=UCES=0.2-0.3Vβui

iB

e

Rbb+VCCiC

u

Rc

co③饱和状态iBUi>0.7Vuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V如何判断工作在饱和区还是放大区？可以通过UCES计算出临界集电极饱和电流ICS=(VCC-UCES)/RC

则临界基极饱和电流IBS=(VCC-UCES)/βRC

当iB>IBS工作在饱和区，否则工作在放大区。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第10页!数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第11页!2.2三极管非门(反相器)①uA＝0V时，三极管截止，iB＝0，iC＝0，输出电压uY＝VCC＝5V②uA＝5V时，三极管饱和导通。输出电压uY＝UCES＝0.3V。真值表A

β=100+5V

Y电路图1逻辑符号AY1kΩ10kΩRBRCbecuA数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第12页!2.3TTL反相器、与非门、或非门2.3.1TTL反相器

Rb1

4kW

Rc2

1.6kW

Rc4

130W

T4

D

T2

T1

+

–

vI

T3

+

–

vO

负载

Re2

1KW

VCC(5V)

输入级

中间级

输出级

采用输入级以提高工作速度采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第13页!（2）当输入为高电平（I=3.6V）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)3.6V4.3V2.1V1.4V0.2V数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第14页!

14

13

12

11

10

9

874LS04

1

2

3

4

5

6

7VCC

4A

4Y

5A

5Y

6A

6Y

1A

1Y2A

2Y

3A

3Y

GND6反相器74LS04的引脚排列图4.常用TTL反相器芯片逻辑函数表达式：数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第15页!2.TTL与非门电路的工作原理

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

IT1T2T3T4O输入全为高电平(3.6V)放大状态饱和饱和截止低电平

(0.2V)输入有低电平(0.2V)深饱和截止截止放大高电平(3.6V)数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第16页!2.3.3TTL或非门R1A

R1

R1B

R4

VCC

T1A

T2A

T2B

B

D

T3

R3

T4

AT1BL数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第17页!若A、B两输入端都为高电平

R1A

R1

R1B

R4

VCC

A

T1A

T2A

T2B

T1B

B

D

L

T3

R3

T4

2.1v3.6v3.6v2.1v0.3V

问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出L=?

数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第18页!

vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

2.48V

0.2V

1

2

E

D

CB

A

0.4V

1.1V

1.2V

vI/V

各种类型的TTL门电路，其传输特性大同小异。VOH≈VO(A)＝3.6VVOL＝VCES＝0.2VVIL＝VI(B)＝0.4VVIH＝VI(D)＝1.2V1、TTL与非门传输特性2、输入、输出的高、低电压2.3.4TTL与非门的特征与参数典型参数实际参数见附录CP463数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第19页!4.扇入与扇出系数

扇入数:取决于门的输入端的个数扇出数:带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门0

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

当负载门的个数增加时，总的灌电流IIL将增加,引起输出低电压VOL的升高。灌电流负载：输出低电平时。IILIOL101&数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第20页!例查得基本的TTL与非门7410的参数如下：IOL＝16mA，IIL＝－1.6mA，IOH＝0.4mA，IIH＝0.04mA.试计算其带同类门时的扇出数。解：(1)低电平输出时的扇出数 (2)高电平输出时的扇出数若NOL≠NOH，则取较小的作为电路的扇出数。例题：扇出数计算举例数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第21页!6.功耗与延时功耗积1、功耗分为:静态功耗：动态功耗：对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。2、延时功耗积DP=tpdPD指的是当电路没有状态转换时的功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。是一综合性的指标，用DP表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第22页!2.问题的解决AB&

Y1OC门的逻辑符号去掉低阻通道，将集电极开路，称为集电极开路门出现问题：当输出为低电平时正常，但是如果输出应为高电平时，此时T3截止，无法输出高电平，因此在工作时，必须接入外接电阻和电源。

VCC(5V)

Rc4

130W

Rc2

1.6kW

Rb2

1.6kW

T4

T2

T3

T1

A

B

Re2

1kW

D

OC与非门的电路结构AB+VCCYR

T1

T2

T3

uB1数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第23页!L写出逻辑函数表达式：线与：实现与的逻辑功能数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第24页!Rp(min)例2.4.2设TTL与非门74LS01(OC)驱动八个74LS04(反相器)，试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设VCC＝5V。解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400A，VIH(min)=2V，IIH=20A。IIL(total)=400A×8=3.2mA得

VCC=5V，IIH(total)=20A×8=0.16mA。

Rp的值可在985至18.75k,之间选择,可选1k的电阻器为宜。所以数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第25页!

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1与非门A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R6

VCC

D当CS=0时0.2V0.5V低电平0.5V开路CS数据输入端输出端LAB10010111011100××高阻三态与非门真值表

AB

CS

&

L

高电平使能==高阻状态与非功能

ZL

ABLCS=0____CS=1数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第26页!①作多路开关：E=0时，门G1导通，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2导通，G1禁止，Y=B。②信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。③构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TS门处于工作状态，而其余TS门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TS门的输出。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第27页!2.6小结2.1三极管非门：

分析了最简单的三极管非门，并分析了其优缺点。2.2TTL反相器、与非门、或非门2.2.1TTL反相器：电路结构、传输特性及常用芯片74042.2.2TTL与非门：电路结构及常用芯片740074202.2.3TTL或非门：电路结构及常用芯片74022.2.4TTL逻辑门的参数及特性：传输特性；输入输出高低电压及噪声容限；输入输出高低电流及扇入扇出数；平均延迟时间；功耗2.3其他类型的TTL逻辑门2.3.1集电极开路门：线与的概念；外接电阻的计算

2.3.2三态门：三态门的功能分析；三态门的用途2.4TTL电路常识数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第28页!3CMOS逻辑门电路3.1场效应管的开关特性3.2CMOS反相器及其他逻辑门3.3CMOS逻辑门的特点数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第29页!ui=VILuo=VDDGDSRD+VDD截止状态等效电路ui=VIHuo=0GDSRD+VDD导通状态等效电路2.N沟道场效应管的开关特性uiuoGDSRD+VDDMOS管的D-S极可以看成是受ui控制的开关。VGS(th)通常+2V左右数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第30页!3.2CMOS反相器及其他逻辑门3.2.1CMOS反相器

VDD

TP

TN

vO

vI

当vI=0V时

VGSN=0＜

VTNTN管截止；|VGSP|=VDD＞VTP

TP管导通。VO

≈VDD数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第31页!CMOS反相器的特点

VDD

TP

+

vSGP

vO

vI

+

–

–

TN

iD

因而CMOS反相器的静态功耗极小（微瓦数量级）。

数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第32页!

TP2

B

A

TN2

TN1

VDD

L

1当A、B全为低电平时00输出为高电平3.2.3CMOS或非门数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第33页!TG

是一种传输信号的可控开关，截止电阻>107Ω，导通电阻<几百Ω，所以是一个理想的开关。结构对称，其漏极和源极可互换，它们的开启电压|VT|=2V。由互补的信号电压来控制，分别用C和C表示。

3.2.4CMOS传输门(TG)

数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第34页!3.3CMOS逻辑门的特点（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个μW，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第35页!本章小结0概述二极管逻辑门电路TTL逻辑门电路CMOS逻辑门电路数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第36页!1二极管逻辑门电路1.1二极管的开关特性1.2二极管与门1.3二极管或门1.4二极管门电路的优、缺点数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第37页!3.二极管的开关电路的等效电路ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝5-0.7=4.3V。当ui为低电平时D截止，uo为低电平当ui为高电平时D导通，uo为高电平数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第38页!ABY0V0V0.7V5V0V？5V0.7V0.7V0V5V？0.7V数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第39页!Y=AB大于3V为高电平逻辑1表示小于0.7V为低电平逻辑0表示根据真值表，可以判断该电路为与门数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第40页!1.4二极管门电路的缺点电平有偏移，带负载能力差因此，二极管门电路通常只用于集成电路内部电路数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第41页!它有两种类型:NPN型和PNP型。在半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成

N型半导体在半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体

NPN型和PNP型三极管e-b间的PN结称为发射结(Je)c-b间的PN结称为集电结(Jc)

中间部分称为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）；

一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）；

另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。1.三极管的结构2.1三极管的开关特性数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第42页!βui

iB

e

Rbb+VCCiC

u

Rc

co放大区条件：当ui大于0.7V发射结处于导通状态，iC与iB成β放大关系例如图中iB=40μA，iC=2mA；iB=80μA，iC=4mA；β=50此时集电极和发射极之间可以看成一个受控电流源大小等于βiB

uo=UCE=VCC-iCRC=Vcc-βiBRC＋②放大状态iBUi>0.7Vuo＋－RbRc+VCCbce－＋＋－－0.7VβiB数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第43页!①

ui=0.3V时，因为uBE<0.7V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：②

ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0<iB<IBS，三极管工作在放大状态。iC=βiB=100×0.03=3mA，输出电压：三极管临界饱和时的基极电流：uo=uCE=UCC-iCRc=5-3×1=2Vuo=VCC=5V③ui＝3V时，三极管导通，基极电流：而因为iB>IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uo＝UCES＝0.3V3.以典型电路为例来分析开关特性数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第44页!通常在数电中，三极管主要工作在截止或饱和两个区内。截止状态cbe饱和状态Vb=0.7v,Vc=0.3vebc数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第45页!性能分析

vccRcTCL输入输出T状态电容高电平(3.6v)低电平(0.2V)饱和导通少量电荷(0.2V)低电平(0.2v)高电平(5V)截止状态大量电荷(5V)电容充电电容放电数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第46页!2.电路功能分析（1）当输入为低电平（I=0.2V）0.5V0.2VO≈VCC－VBE4－VD

＝5－0.7－0.7=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）数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第47页!

2vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

.48V

0.2V

1

2

E

D

C

B

A

0.4V

1.1V

1.2V

vI/V

AB段：

I很低，T1深度饱和，T2、T3截止，同时T4和D导通。O=3.6V。

CD段：当I的值继续增加C点后，使T3饱和导通，O0.2VI(D)=BE3+BE2－CES1=(0.7+0.7－0.2)V=1.2VDE段：当I的值从D点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态，T2、T3饱和导通，保持O=0.2V

BC段：T1仍保持为饱和状态。在BC段内，T2处于放大状态，此时输出电压随输入电压的增加而减小，但处于线性关系。I(D)=BE2－CES1=(0.7－0.3)V=0.4V

3.电压的传输特性数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第48页!2.3.2TTL与非门1.TTL与非门电路多发射极BJT

A

B

&

BAL=

T1

A

B

B

A

b

b

c

c

只要A、B中有一个为低电平，则显示低电平的特性，若全部为高电平，则显示出高电平的特性；于是实现与的逻辑功能。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第49页!74LS00内含4个2输入与非门3.常用TTL与非门芯片74LS20内含2个4输入与非门数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第50页!

R1A

R1

R1B

R4

VCC

A

T1A

T2A

T2B

T1B

B

D

L

T3

R3

T4

TTL或非门的逻辑电路若二输入端为低电平

0.5v0.2v0.2v0.5v3.6V

数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第51页!

14

13

12

11

10

9

874LS02

1

2

3

4

5

6

7VCC

3Y

3B

3A

4Y

4B

4A

1Y

1B1A

2Y

2B

2A

GND74LS02的引脚排列图2.常用芯片74LS02内含4个2输入或非门逻辑表达式：数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第52页!3.TTL与非门噪声容限

噪声容限:高电平的噪声容限为

VNH=VOH(min)–VIH(min)

1

驱动门

vo

1

负载门

vI

噪声

1输出

1输入

0输入

0输出

vo

vI

+VDD

0

VNH

VOH(min)

VIH(min)

VNL

VOL(max)

VIL(max)

+VDD

0

低电平的噪声容限为

VNL=VIL(max)–VOL(max)

当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。

数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第53页!1&4.扇入与扇出系数

扇入数:取决于门的输入端的个数扇出数:带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门1

VCC(5V)

Rb1

4kW

T1

IIL

T4

T3

Rc4

130W

D

01拉电流负载：门输出高电平时当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。IIHIOH数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第54页!

电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。5.传输延迟时间

输入

同相

输出

反相

输出

50%

tPLH

50%

90%

10%

tr

tPHL

90%

50%

10%

tf

50%

tPHL

tPLH

90%

50%

10%

tf

90%

50%

10%

tr

VOL

VOH

VOL

VOH

0V

VCC

平均传输延迟时间tPd＝tPLH为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间;tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间。(tPLH＋tPHL)/2——表征门电路开关速度的参数数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第55页!2.4其他类型的TTL逻辑门2.4.1集电极开路门(OpenCollector，OC)？1.问题的提出工程中常常将两个门电路并联起来实现与的逻辑功能，称为线与。

ABY1+5VT1T2DT4T3R1R2R3R44k1.6k130W1kABY2+5VT1T2DT4T3R1R2R3R44k1.6k130W1k这两个逻辑门是否可以直接并联？数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第56页!OC门实现的线与T3T’3集电极开路后，并不影响原有的电路功能数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第57页!

集电极开路门上拉电阻Rp的计算

TTL

电路

TTL

电路

D

C

B

A

T1

T2

VCCL

RP

在极限情况，上拉电阻Rp具有限制电流的作用。以保证IOL不超过额定值IOL(max)，故必须合理选用Rp的值。

另一方面，Rp的大小影响OC门的开关速度，Rp的值愈大，因而开关速度愈慢，故在满足要求的前提下，Rp越小越好。Rp(min)

数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第58页!三态钳位电路

R1

R2

R4

VCC

T4L

T3

R3T1与非门A

B

CS

T5

T6

T7

R5

R6

VCC

D3.6V1.4V0.7V当CS=1时CS数据输入端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表

=AB2.4.2三态门（ThreestateOutputGate,TS）数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第59页!结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。

AB

CS

&

L

区别？CS数据输入端输出端LAB10010111011100××高阻CS数据输入端输出端LAB00010111011101××高阻高电平有效

AB

CS

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低电平有效数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第60页!2.5TTL电路常识①74：标准系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝10ns，平均功耗P＝10mW。②74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝6ns，平均功耗P＝22mW。③74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝3ns，平均功耗P＝19mW。④74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd＝9ns，平均功耗P＝2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。⑤74AS,74ALS（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）:性能进一步提高。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第61页!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MOS管的结构和制造工艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍MOS器件。与TTL逻辑电路比较，MOS管的优点是功耗低，可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的CMOS电路。数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第62页!3.1场效应管的开关特性1.概述场效应管是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道场效应管和空穴作为载流子的P沟道场效应管。N沟道场效应管P沟道场效应管栅极源极漏极数电第三章逻辑门电路共70页，您现在浏览的是第63页!3.P沟道场效应管的开关特性uiuoGSDRS+VDDui=VIHuo=VDDGSDRS+VDD截止状态等效电路ui=VILuo=0G