数电3章逻辑门电路

第三章逻辑门电路§3.2半导体器件的开关特性§3.5CMOS门电路§3.4TTL逻辑门§3.1概述§3.3半导体二极管门电路掌握基本门电路的逻辑功能、逻辑符号、真值表和逻辑表达式。理解三种逻辑运算的有关概念及工作原理了解TTL门电路、CMOS门电路的特点。通过本章学习要求掌握反相器、与非门、或非门、OC门（OD门）、三态门等几种基本门电路的应用。教学基本要求：

重点和难点重点掌握集成门电路的外部特性——多引脚功能及其应用。从集成电路内部逐个管子分析其状态及其转换过程是本章的难点，但不是我们的重点。本章对TTL与非门、OC门、三态门几个电路从内部进行了逻辑分析。但分析的目的是为了提高和培养同学集成电路的分析能力，其出发点是为了帮助同学更好地了解、掌握其外部特性。§3.1概述门电路：实现基本运算、复合运算的单元电路，如与门、与非门、或门······门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1/0

逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。

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。一、二极管的开关特性1、二极管的结构和外特性：PN§3.2半导体器件的开关特性小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管 结构：PN结+引线+封装构成硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V,锗0.2~0.3V。UI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。外特性：二极管开关应用电路：限幅、钳位半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2.二极管的开关特性—静态导通截止相当于开关断开相当于开关闭合K3V0VKRRDR

给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？ts为存储时间，tt称为渡越时间，tre＝ts十tt称为反向恢复时间。（存储电荷消失的过程-电容的放电时间）二极管的开关特性—动态开通时间很小，可忽略不计

反向恢复时间：tre＝ts十tt产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。

同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。1、半导体三极管结构管芯+三个引出电极+外壳二、三极管的开关特性BJT的结构简介

半导体三极管的结构示意图如下图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。两种类型的三极管发射结(Je)

集电结(Jc)

基极，用B或b表示（Base）

发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。

发射区集电区基区三极管符号箭头方向表示发射结正偏时发射极电流的方向结构特点：•发射区的掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。Uc>Ub>Ue放大状态Ube>Uce饱和状态Ub<Ue截止状态2、开关特性＋－RbRc+VCCbce＋－截止状态饱和状态iB≥IBSui=UIL<0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3V＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V饱和区截止区放大区三、场效应管的开关特性工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态ui<UTuo=+VDD导通状态ui>UTuo≈0一、二极管“与”门电路0V0V0V0V0V3V+U12VRDADCABYDBC3V3V3V0V0V3V§3.3半导体二极管门电路Y=ABC逻辑表达式：

逻辑符号：&ABYC二、二极管“或”门电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V3V3V-U12VRDADCABYDBCY=A+B+C逻辑表达式：逻辑符号：ABYC>1二极管构成的门电路的缺点电平有偏移带负载能力差只用于IC内部电路二极管与门和或门电路的缺点：（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。（2）负载能力差解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。三、DTL电路ABD1D2+12V3.9KR二极管与门1、与非门：A•BAB(Diode—TransistorLogic)-12V三极管非门D+12V+2.5V1.5K1K18KP=30F2、或非门：ABD1D2-12VR二极管或门A+BD+12V+3V1.5K1K18K-12VP=30三极管非门FA+B四、三极管非门①uA＝0V时，三极管截止，iB＝0，iC＝0，输出电压uY＝VCC＝5V②uA＝5V时，三极管导通。基极电流为：iB＞IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uY＝UCES＝0.3V。三极管临界饱和时的基极电流为：①当uA＝0V时，由于uGS＝uA＝0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uY＝VDD＝10V。②当uA＝10V时，由于uGS＝uA＝10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY≈0V。五、场效应管非门数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有具有速度快、可靠性高和微型化，而且价格便宜等优点。TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为:Transistor—TransistorLogic。§3.4TTL与非门一、TTL与非门电路结构和工作原理1、结构+5VR1c1T1b1ABCR2T2R3FR4R5T3T4T5“与”“非”复合管形式与非门输出级输入级由多发射极晶体管T1和基极电组R1组成，它实现了输入变量A、B、C的与运算中间级是放大级，由T2、R2和R3组成，T2的集电极C2和发射极E2可以分提供两个相位相反的电压信号，用以供给输出级使用。输出级：由T3、T4、T5和R4、R5组成其中T3、T4构成复合管，与T5组成推拉式输出结构。具有较强的负载能力T1与R1组成输入级：T1—多发射极晶体管：实现输入变量A、B、C的“与”运算。等效电路

b1=A•B•C

c1+5VR1T1b1ABCc1AB+5Vb1R1C2、TTL与非门工作原理输入端至少有一个接低电平0.3V3.6V3.6V1V3.6VT1管:A端发射结导通，Vb1=VA+Vbe1=1V，其它发射结均因反偏而截止.5-0.7-0.7=3.6VVb1=1V,所以T2、T5截止,VC2≈Vcc=5V,T3：微饱和状态。T4：放大状态。电路输出高电平为：5V输入端全为高电平3.6V3.6V2.1V0.3VT1:Vb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=0.7V×3=2.1V因此输出为逻辑低电平VOL=0.3V3.6V发射结反偏而集电极正偏.处于倒置放大状态T2：饱和状态T3：Vc2=Vces2+Vbe5≈1V，使T3导通，Ve3=Vc2-Vbe3=1-0.7≈0.3V，使T4截止。T5：深饱和状态，TTL与非门工作原理返回输入端全为高电平，输出为低电平输入至少有一个为低电平时，输出为高电平由此可见电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系T1：倒置放大状态T2：饱和状态T3：导通状态T4：截止状态T5：深饱和状态T2：截止状态T3：微饱和状态T4：放大状态T5：截止状态TTL与非门工作原理输入有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。有“0”出“1”全“1”出“0”“与非”逻辑关系00010011101111011011011101011110ABYC“与非”门逻辑状态表Y=ABC逻辑表达式：Y&ABC“与非”门二、TTL与非门的开关速度1．TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。

（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。2．TTL与非门传输延迟时间tpd导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值。即

一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。三、TTL“与非”门的外特性及主要参数1、电压传输特性TTL“与非”门输入电压VI与输出电压VO之间的关系曲线，即VO=f（VI）截止区当VI≤0.6V，Vb1≤1.3V时，T2、T5截止，输出高电平VOH=3.6V线性区当0.6V≤VI≤1.3V，0.7V≤Vb2＜1.4V时，T2导通，T5仍截止，VC2随Vb2升高而下降，经T3、T4两级射随器使VO下降转折区饱和区（1）输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。（2）输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。（3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。（4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。（5）阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：Vth≈VOFF≈VON即Vi＜Vth，与非门关门，输出高电平；Vi＞Vth，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V～1.４V。2．几个重要参数低电平噪声容限

VNL＝VOFF-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V高电平噪声容限

VNH＝VOH（min）-VON＝2.4V-2.0V＝0.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。3．抗干扰能力四、输入特性输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f（VI）假定输入电流II流入T1发射极时方向为正，反之为负1.输入短路电流ISD（也叫输入低电平电流IIL）当VIL=0V时由输入端流出的电流前级驱动门导通时，IIL将灌入前级门，称为灌电流负载2.输入漏电流IIH（输入高电平电流）指一个输入端接高电平，其余输入端接低电平，经该输入端流入的电流。约10μA左右IIL当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流IIL（mA）。五、扇入系数Ni和扇出系数NO1.扇入系数Ni是指合格的输入端的个数—一般不超过8个2.扇出系数NO是指在灌电流（输出低电平）状态下驱动同类门的个数。其中IOLmax为最大允许灌电流，IIL是一个负载门灌入本级的电流（≈1.4mA）。No越大，说明门的负载能力越强带负载能力与非门输出驱动同类门的个数：N8

。与非门的扇出系数一般是10。驱动器：扇出系数可以大于20。

（1）灌电流负载3．带负载能力当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，产品规定IOL=16mA。由此可得出:NOL称为输出低电平时的扇出系数。

（2）拉电流负载。

NOH称为输出高电平时的扇出系数。产品规定IOH=0.4mA。由此可得出：当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。

拉电流增大时，RC4上的压降增大，会使输出高电平降低。因此，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。一般NOL≠NOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。74LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。六、TTL与非门举例——7400七、TTL非门、或非门、与或非门、与门、或门及异或门①A=0时，T2、T5截止，T3、T4导通，Y=1。②A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。TTL非门①A、B中只要有一个为1，即高电平，如A＝1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y＝0。②A＝B＝0时，iB1、i'B1均分别流入T1、T'1发射极，使T2、T'2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y＝1。TTL或非门①A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T‘2导通）时，T5饱和导通、T4截止，输出Y=0。②A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T‘2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。TTL与或非门八、其它类型TTL门电路三态逻辑门（TSL）集电极开路TTL“与非”门（OC门）在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路——集电极开路门。1．集电极开路门（OC门）（1）实现线与。电路如右图所示，逻辑关系为:OC门主要有以下几方面的应用：（2）实现电平转换。如图示，可使输出高电平变为10V。（3）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。（1）当输出高电平时，

RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：得：得：（2）当输出低电平时，RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由RP（min）＜RP＜RP（max）①E＝0时，二极管D导通，T1基极和T3基极均被钳制在低电平，因而T2～T5均截止，输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。②E＝1时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号A的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般反相器相同，即：Y=A，A＝0时Y＝1，为高电平；A＝1时Y＝0，为低电平。2、三态逻辑门（TSL）使能端的两种控制方式低电平使能高电平使能三态门的逻辑符号ABFEFABE三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（a）组成单向总线，实现信号的分时单向传送.（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。三态门的应用总线&A1B1E1&A2B2E2&A3B3E3可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。对TTL与非门的要求：1）掌握其逻辑关系：有0则1，全1则0；2）掌握其典型参数，会使用；TTL或非门的多余输出端应接地或接低电平或与其中的一个输入端并接在一起TTL与非门的多余输出端悬空或接高电平或与其中的一个输入端并接在一起，CMOS与非门的多余输出端接高电平或与其中的一个输入端并接在一起，但注意不能悬空。CMOS或非门的多余输出端应接地或接低电平或与其中的一个输入端并接在一起3.4CMOS集成门电路1、CMOS非门（1）uA＝0V时，TN截止，TP导通。输出电压uY＝VDD＝10V。（2）uA＝10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY＝0V。§3-5MOS集成逻辑门2、CMOS与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门CMOS与非门①A、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。②只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。CMOS或非门①只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。②只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+BCMOS与或非门CMOS异或门3、CMOSOD门、TSL门及传输门CMOSOD门CMOSTSL门①E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。②E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。CMOS传输门①C＝0、，即C端为低电平（0V）、端为高电平（＋VDD）时，TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。②C＝1、，即C端为高电平（＋VDD）、端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uo＝ui。4、CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项（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