逻辑门电路演示文稿

逻辑门电路演示文稿第一页，共五十四页。优选逻辑门电路第二页，共五十四页。2.1.1二极管的开关特性1．二极管的开关作用当，二极管截止，等效为开关断开当，二极管导通，等效为开关闭合第三页，共五十四页。2．二极管的开关时间

由于二极管的PN结具有等效电容，二极管的通断就伴随着电容的充放电，所以，二极管的通断转换需要一定时间。二极管通断转换的时间既是二极管的开关时间。1）开通时间ton：二极管从截止转为导通所需的时间。2）反向恢复时间tre：二极管从导通转为截止所需的时间，它由2段时间组成，即存储时间ts和渡越时间tt，tre=ts+tt。第四页，共五十四页。3．PN结的存储电荷

PN结的正向导通过程：正向电压削弱PN结的势垒电场，N区的电子向P区扩散并建立电子浓度分布，P区的空穴向N区扩散并建立空穴浓度分布。由于浓度不同，穿越PN结的电荷继续扩散，形成连续的正向电流。从截止形成稳定的正向电流的过程就是二极管的导通时间ton

。存储电荷：距PN结越远，电荷浓度越低；正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。

PN结的存储电荷

+

-

IF

P区N区

n--存储电荷浓度

nN—电子浓度

nP—空穴浓度

x—距离

o

LN

LP

第五页，共五十四页。

+

-

iR

P区N区

PN结存储电荷的驱散

PN结截止过程：在反向电压的作用下，N区的空穴存储电荷被电场赶回到P区，P区的电子存储电荷被电场赶回到N区，形成反向电流，驱散存储电荷。驱散存储电荷的时间就是存储时间ts

。在存储电荷驱散后，PN结的空间电荷区变宽，逐渐恢复到PN结通过反向饱和电流IS，这段时间就是渡越时间tt。

通常，开通时间ton和反向恢复时间tre为纳秒级，tre=ts+tt>>ton

,ts>tt。二极管的开关时间主要取决于PN存储电荷的驱散时间ts。end第六页，共五十四页。2.1.2三极管的开关作用特性1.三极管的开关作用电路输入特性输出特性(a)

(b)

(c)Vth

BEv

Bi

O

VCES

CEv

Ci

O

VCC

cCCRV

0=Bi

IB4

IB3=IBS

IB2

IB1

A

B

Iv

CEv

Ci

Bi

CCV

BEv

Rb

RcC

当输入电压为低电平，使三极管处于截止状态，ce之间等效为开关断开。

当输入电压为高电平，使，使三极管工作在输出特性的B点，处于临界饱和状态。ce之间等效为开关闭合。第七页，共五十四页。

在数字电路中，逻辑输入信号通常使三极管工作在截止或饱和状态，称为开关状态。

Iv

CEv

Ci

Bi

CCV

BEv

Rb

RcC

第八页，共五十四页。第九页，共五十四页。2．三极管的开关时间

三极管的开关过程与二极管相似，也要经历一个电荷的建立与驱散过程，表现为三极管的饱和与截止两种状态相互转换需要一定的时间。三极管饱和与截止两种状态转换的时间既是三极管的开关时间。Iv

CEvCi

Bi

CCV

BEv

Rb

RcO

Iv

VIH

VIL

ICS

0.9ICS

t

t

ts

tf

td

O

tr

0.1ICS

Ci

设输入电压的高电平VIH和低电平VIL满足下述条件：第十页，共五十四页。O

Iv

VIH

VIL

ICS

0.9ICS

t

t

ts

tf

td

O

r

0.1ICS

Ci

根据集电极电流波形，三极管的开关时间用下述参数描述：1)延迟时间td：从正跳变开始到从

0上升至0.1ICS所需的时间；2)上升时间tr：从0.1ICS上升至

0.9ICS所需的时间；3)存储时间ts：从负跳变开始到从

ICS下降至0.9ICS所需的时间；

三极管的开关时间一般为ns数量级，并且toff＞ton、ts＞tf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。）下降时间tf：从0.9ICS下降至0.1ICS所需的时间；）开通时间ton：从截止转换到饱和所需的时间，ton=td+tr；6）关闭时间toff：从饱和转换为截止所需的时间，toff=ts+tf。t第十一页，共五十四页。

三极管的开关时间一般为ns数量级，并且toff＞ton、ts＞tf。基区存储电荷是影响三极管开关速度的主要因素。

提高开关速度的方法是：开通时加大基极驱动电流，关断时快速泄放存储电荷。end第十二页，共五十四页。2.2TTL门电路2.2.1TTL非门的工作原理2.2.2TTL非门的特性2.2.3TTL与非门/或非门/与或非门2.2.4TTL集电极开路门和三态门TTL----TransistorTransistorLogicTTL有与、或、非、与非、或非、异或、同或、与或非等逻辑门，它们的工作原理相似。第十三页，共五十四页。2.2.1TTL非门的工作原理

TTL非门

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

1.电路组成

TTL门一般由3级组成：输入级输入级：信号缓冲输入中间级：输出两个相位相反的倒相信号中间级输出级输出级：推拉式输出电路，无论输出高电平或低电平，输出级的输出电阻都很低，带负载能力强。第十四页，共五十四页。2.2.1TTL非门的工作原理

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

1）输入低电平（VIL=0.3V）输入低电平时，输出为高电平。2.工作原理VIL=0.3V1V0.4V5V4.3

3.6VT1深饱和，T2、T5截止T3

临界饱和，T4放大，形成射极输出器，输出电阻小。第十五页，共五十四页。A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

②输入高电平（VIH=3.6V）输入高电平，输出为低电平。VIH=3.6V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.3T2、T5饱和，T1处于倒置状态T3放大状态，T4截止

综上所述，输入低电平时，输出为高电平；输入高电平时，输出为低电平。实现了逻辑非

无论输出低电平或是高电平，TTL非门的推拉输出级输出电阻均很小，带负载能力强。而且T4和T5总是一个导通、另一个就截止。第十六页，共五十四页。

A

VVCC5=R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

3．工作速度的提高输入T1T2、T5T3T4输出低电平深饱和截止临界饱和放大(射极)高电平高电平倒置放大饱和放大截止低电平VIH=3.6V2.1V1.4V0.7V0.3V1V0.31）

vI:VIH→VIL，T1放大T1吸取T2管饱和时的超量存储电荷，使T2管快速脱离饱和，转换到截止状态。

2）TTL门具有推拉输出级，其输出电阻很小，与分布电容形成的时间常数小，故输出状态转换快。

end第十七页，共五十四页。2.2.2TTL非门的特性1.电压传输特性截止区ab段：vI＜0.5V。T1饱和，VC1=+VCES1<0.6V,T2、T5截止，T3和T4组成复合管射极输出器，vo=3.6V。A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

YR2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

OiOv第十八页，共五十四页。线性区bc段:0.5V＜vI

＜1.1V。T1饱和，0.6V<VC1=+VCES1<1.2V,T2处于放大状态，T5仍然截止，T3和T4仍然是射极输出器，vo随vI线性减少，斜率为T2级的放大倍数：

A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

YR2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

OiOv第十九页，共五十四页。转折区cd段：1.2V＜vI＜1.3V。T1饱和，1.3V<VC1=vI

+VCES1<1.4V,T5由截止进入放大状态,T2、T3和T4的状态同前。由于T5集电极的等效电阻减小快，vo急剧减少。转折区中点输入电压定义为门坎电压Vth，约为1.3V。饱和区de段：vI

＞1.4V。T1处于倒置状态，T2、T5饱和，T3放大状态，T4截止。vo=0.3V。A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

YR2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

OiOv第二十页，共五十四页。设输出高电平值域：[VOHmin，3.6V]，VOHmin〉2V

输出低电平值域：[0.1V，VOLmax]，VOLmax<0.4V

则由传输特性确定输入高、低电平的值域为：输入低电平值域：[0,VILmax]

输入高电平值域：【VIHmin,5V】VILmax是对应于输出电平为VOHmin的输入电平，亦称为关门电平（T5截止）。

VIHmin是对应于输出电平为VOLmax的输入电平，亦称为开门电平（T5饱和）。第二十一页，共五十四页。2.输入噪声容限定义:对于TTL反相器，在保证输出高电平在其值域内的条件下，输入低电平允许的干扰脉冲最大幅度称为低电平噪声容限VNL

。

同样，在保证输出低电平在其值域内的条件下，输入高电平允许的干扰脉冲最大幅度称为高电平噪声容限，记为VNH。G2门输入低电平允许的干扰脉冲幅度为：VNL=VILmax-VOLmax

G2门输入高电平允许的干扰脉冲幅度为：VNH=VOHmin-VIHmin

第二十二页，共五十四页。

根据传输特性，选择适当的VOLmax、VILmax、VIHmin

、VOHmin，获得最佳的噪声容限。

以74H系列的TTL门为例，标准参数为：

VOLmax=0.4V VILmax=0.8V VIHmin=2.0V VOHmin=2.4V

则

VNL=VILmax-VOLmax=0.8-0.4=0.4V VNH=VOHmin-VIHmin=2.4-2.0=0.4V

虽然噪声容限是以非门为例说明的，但相同系列的TTL门的噪声容限是一致的。第二十三页，共五十四页。3.输入特性

输入特性有输入伏安特性和输入负载特性。1)输入伏安特性:输入电流与输入电压之间的关系曲线。当（即vI=VIL）时，T1发射结导通，T2、T5截止，

输入短路电流Ii1

Ii

2

Iv(V)

4

IIH=40μA

-IIS

0

VILmax

Iv

-1.0mA-2.0mA

VIHmin

A

VVCC5=R13k

R4

100Ω

YR2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

OiOv第二十四页，共五十四页。当（即vI=VIH）时，

T1发射结截止，T2、T5饱和，其反向电流即为高电平输入电流IIH,约为40μA。当随vI增加，即从-1.6mA增加至40μA。Ii1

Ii

2

Iv(V)

4

IIH=40μA

-IIS

0

VILmax

Iv

-1.0mA-2.0mA

VIHmin

A

VVCC5=R13k

R4

100Ω

YR2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

OiOv第二十五页，共五十四页。2)输入负载特性TTL门的输入端与参考电位之间接电阻R，输入电压与电阻之间的关系曲线称为输入负载特性。当电阻R很小，使时，A

VVCC5=R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

RT1发射结导通，T2、T5截止。1

R

R(Ω)

Iv(V)

0

Roff

Ron

1.4

VILmax

对应于vI=VIL=0.8V的电阻称为关门（T5截止）电阻Roff。

当R<Roff时，vI随R近似线性增加。第二十六页，共五十四页。由于R>Ron=2.0k时T5饱和导通(0)，故称Ron为开门电阻。

综上所述，当R<Roff时，等效输入为低电平0；当R>Ron时（包括R→∞，即输入端悬空），等效输入为高电平1。A

VVCC5=R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

RI1

R

R(Ω)

Iv(V)

0

Roff

Ron

1.4

VILmax

当R>Ron=2.0k时，T1集电结导通，T2、T5饱和，限制第二十七页，共五十四页。4.输出特性：带上负载后，负载电流与输出电压的关系曲线。

有低电平输出特性和高电平输出特性。1）低电平输出特性A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

当输入为高电平（即vI=VIH）时，输出为低电平。此时，T4截止，T2、T5饱和导通，T5可以吸入负载电流，称为灌电流。CCV

R3

T5

RL

Li

VOL

非门

T5饱和时，其集射极之间的等效电阻小（大约20Ω），且基本不变，故输出电压随负载电流线性增加。第二十八页，共五十四页。2）高电平输出特性A

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

N

N

P

Iv

Ii

Oi

Ov

输入低电平（即vI=VIL）时，输出高电平。此时，T2、T5截止，T3、T4组成射极输出器。T4向负载输出电流，称为拉电流。CCV

RL

Li

VOH

非门

T3

T4

R4

100Ω

当负载电流较小（负载电阻大）时，由于射极输出器输出电阻小，输出电压基本不变。当负载电流较大（负载电阻小）时，R4上的电压较大，使T3、T4饱和，故输出电压基本上随负载电流线性下降。R4是限流电阻。第二十九页，共五十四页。5.扇出系数

驱动相同系列的TTL门的个数称为扇出系数,记为N。

当驱动门G1输出低电平时，负载门的输入电流近似等于输入短路电流IIS。1

Ii

2

Iv(V)

4

IIH=40μA

-IIS

0

VILmax

Iv

Ii

-1.0mA

-2.0mA

非门的输入伏安特性VIHmin

低电平输出特性VOL(V)

Li(mA)

0

20

10

0.2

0.6

ILLmax

VOLmax

如果G1吸入的最大低电平电流为ILLmax，则驱动负载门的最大个数为：第三十页，共五十四页。

当驱动门G1输出高电平时，负载门的输入电流近似等于高电平输入电流IIH。如果G1输出的最大高电平电流为ILHmax，则驱动负载门的最大个数为：1

Ii

2

Iv(V)

4

IIH=40μA

-IIS

0

VILmax

Iv

Ii

-1.0mA

-2.0mA

非门的输入伏安特性VIHmin

G1输出的最大高电平电流为ILHmax，由输出特性和允许的最大高电平功耗确定。第三十一页，共五十四页。扇出系数为：

例如，74H系列门电路的参数：IIS=1.6mA,IIH=0.04mA,ILLmax=16mA,ILHmax=0.4mA,则第三十二页，共五十四页。6.传输延迟时间1

A

Y

A

Y

tPHL

tPLH

50%

50%

(1)输出高电平转换为低电平的传输延迟时间tPHL：从输入上升沿幅值的50%对应的时刻起，到输出下降沿幅值的50%对应的时刻止所需的时间。在tPHL期间，T5管由截止转换到饱和，主要对应于T5管的开通时间。(2)输出低电平转换为高电平的传输延迟时间tPLH：从输入下降沿幅值的50%对应的时刻起，到输出上升沿幅值的50%对应的时刻止所需的时间。在tPLH期间，T5管由饱和转换到截止，主要对应于T5管的关断时间。所以，tPLH大于tPHL。(3)平均传输延迟时间tpd：end第三十三页，共五十四页。2.2.3TTL与非门/或非门/与或非门1．TTL与非门AB

T1b1

c1

c1

b1

A

B

VVCC5=R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1b1

T2

T3

T4

T5

c1

X

A

B

c1

VVCC5=

R13k

X

当A、B都是高电平时，T1的２个发射结都截止，T2、T5饱和，输出低电平；当A、B中任何一个为低电平时，T1中与低电平相连的发射结导通，T2、T5截止，输出高电平；电路实现与非逻辑。X=AB第三十四页，共五十四页。2．TTL或非门A

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

T’1

B

T’2

R’13k

VVCC5=

(3)当A为高电平时，T1的发射结截止，T2、T5饱和，输出低电平；(1)当A、B都是低电平时，T1和T1’的发射结都导通，T2

、T2’和T5截止，输出高电平；(2)当B为高电平时，T1’的发射结截止，T2’、T5饱和，输出低电平；(4)当A和B都为高电平时，T1和T1’的发射结都截止，T2、T2’、T5饱和，输出低电平。电路实现或非逻辑第三十五页，共五十四页。3．TTL与或非门TTL或非门

A

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

T’1

B

T’2

R’13k

VVCC5=

TTL与或非门

A

B

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

T’1

C

D

T’2

R’13k

VVCC5=

X

Z

T1’和T1改为多发射极三极管，分别实现X=AB、Z=CD。end第三十六页，共五十四页。2.2.4TTL集电极开路门和三态门

TTL与非门并联

----

电路烧坏！

A

B

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

C

D

VVCC5=

R1

3k

R4

100Ω

X

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

G1

G2

AB=0CD=1普通TTL门输出端不能并联！

实际中希望并联。因为通过并联可以扩展或增强的路的功能。TTL集电极开路门和三态门的输出端可以并联。第三十七页，共五十四页。

符号“

”表示集电极开路,OC门正常使用时，必须外接电阻R，与T5形成反相器。

只有Y1和Y2同时为高电平时，Y才为高电平，即Y=Y1Y2，OC门的并联线实现逻辑与，简称为线与。1.集电极开路门（OC门）第三十八页，共五十四页。(1)当输出高电平时，OC门的输出电流为IOH（等于T5管的穿透电流）,负载门输入电流为IIH,

上拉电阻R的计算&

&

CCV

A

B

C

D

1Oi

R

G1

.

.

.

1

1

.

.

.

Gn

G1

Gm

Oni

1Ii

Imi

Ri

Ov

(2)当输出低电平时，灌入一个OC门的电流不超过其最大允许值IOLmax。此时负载门的输入电流近似为输入短路电流-IIS,第三十九页，共五十四页。2.三态TTL门&

▽

EN

&

▽

EN

A

B

VVCC5=

R13k

R4

100Ω

Y

R2750Ω

R3360Ω

R53k

T1

T2

T3

T4

T5

EN

R63k

R7

T6

T7

T8

TSL钳位电路

三态门,简称为TSL门（TristateLogic）。它的输出除了常规的高电平、低电平外，还有高阻抗状态。当使能输入端

EN=1(高电平)时，T7饱和，T8截止：

当EN=0(低电平)时，T7截止，T8饱和，导致T3、T4、T2和T5截止，输出电阻大，即为高阻态，记为X。“▽”表示3态输出第四十页，共五十四页。TSL门的应用X1XnEN=0，G1工作，输入EN=1，G2工作，输出end第四十一页，共五十四页。2.3CMOS门电路2.3.1MOS管的开关特性2.3.2CMOS反相器的工作原理2.3.3CMOS反相器的特性2.3.4CMOS与非门/或非门2.3.5CMOS传输门/三态门/异或门

同时包含NMOS管和PMOS管的门电路称为互补对称MOS门电路，即CMOS门电路。第四十二页，共五十四页。2.3.1MOS管的开关特性1．NMOS管的开关特性

为了使P型衬底和源区及漏区间的PN结截止，P型衬底必须接电位最低的节点（通常是NMOS管的源极）。在很多情况下，P型衬底直接接电位最低的节点，而不与源极相连，这时漏极与源极可以互换使用。N+

P型衬底

S

G

D

-GSv+

N+

-

DSv+

Di

B

SiO2

D

G

S

B

Di

D

G

S

Di

标准符号

简化符号

VTN

GSv

Di(mA)

O

DSv

Di(mA)

O

TNV3

TNV5.2

TNV2

TNV

1

4

IDN

截止区可变电阻区

恒流区第四十三页，共五十四页。

当时,无导电沟道，源漏之间2个背靠背的PN结总有一个截止(nA级)，DS之间的截止电阻可达108Ω量级，等效为开关断开。

当时,P型衬底中的电子受栅极上正电荷的吸引在栅极下形成导电层，连接个2个N+岛形成N型导电沟道，在的作用下形成电流，(mA),工作在可变电阻区，等效为开关闭合。K是常数，与沟道的宽长比和半导体材料有关。Ron约为1kΩ。可变电阻区导通电阻与成反比N+

P型衬底

S

G

D

-GSv+

N+

-

DSv+

Di

B

SiO2

D

G

S

B

Di

D

G

S

Di

标准符号

简化符号

VTN

GSv

Di(mA)

O

DSv

Di(mA)

O

TNV3

TNV5.2

TNV2

TNV

1

4

IDN

截止区可变电阻区

恒流区第四十四页，共五十四页。

D

G

S

R

Iv

VDD=5V

Ov

CL

电容放电

电容充电

Iv

Ov

因为Ron约为1kΩ。为确保输出电压小于0.3V（低电平），电阻R必须大于20kΩ，NMOS等效为开关闭合。

当时，NMOS管导通，电容放电，时间常数达nS级。

当时，NMOS管截止，电容充电，充电时间常数大于放电时间常数，达100nS左右,故输出的上升沿比下降沿慢。NMOS管的开关特性第四十五页，共五十四页。2．PMOS管的开关特性

PMOS管的特性亦与NMOS管相似。区别是，开启电压VTP为负值，即栅极电位低于源极电位|VTP|,PMOS管导通,否则截止。源极电位高于漏极电位，形成流出漏极的导通电流。N型衬底必须接电位最高的节点（通常是PMOS管的源极）。

PMOS管的电路符号、转移特性和输出特性

D

G

B

D

G

S

|VTP|

-GSv

-Di(mA)

O

-DSv

--Di(mA)

O

TPGSVv3=

TPV5.2

TPV2

TPV

1

4

S

Di

Di

IDP

标准符号

简化符号

end第四十六页，共五十四页。2.3.2CMOS反相器的工作原