数字逻辑-第2章 逻辑门电路课件

第2章逻辑门电路2。5BiCMOS2。2基本逻辑门电路2。3TTL集成门电路2。4CMOS门电路逻门电路2。1晶体管的开关特性2。6几个问题说明2.1晶体管的开关特性及参数作用于开关器件1接通2截止阻抗小阻抗大短路开路脉冲信号(MHz)晶体管的开关特性即：1与2及其转化特点脉冲f很高，要求开关状态变化很快，t:μs→ns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（1）单向导电性→正向导通与反向截止1、特性:iRLDvI（2）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：正通→反止，存在反向恢复时间tre，ns级反止→正通，开通时间，比tre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。PN结正向偏置－－－－++++空间电荷区变薄PN+扩散长度LP正向电流存储电荷N区中少子空穴存储电荷P区中少子电子+-（2）产生反向恢复过程的原因--电荷存储效应一、二极管的开关特性2、过渡过程：PN结改为反向偏置由于电荷存储效应，反向向电流大，经过tre，存储的少子电荷消失，电流变得很小。（原来的0.1）势垒区先不变PN扩散长度LP-+形成反向电流IR复合复合－－－－++++（2）产生反向恢复过程的原因--电荷存储效应一、二极管的开关特性2、过渡过程：－－－－++++空间电荷区变厚NP+_++++－－－－内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小反向饱和电流很小，A级（2）产生反向恢复过程的原因--电荷存储效应一、二极管的开关特性2、过渡过程：二、BJT的开关特性1、BJT的开关作用：VCCiCvCEiB=0IB0IBS=IB4IB3IB2IB1ACOVCESVCC/RCIB1ICSRbRcVccTiBvI+ic-Vo（1）截止状态——相当于开关的断开状态 e结和c结均反偏，iC≈0，iB≈0VCE≈VCCVBE<0.5V(锗管0.2V)c,e间等效内阻很大，约数百千欧ViRbRCVCCICEO二、BJT的开关特性1、BJT的开关作用：VCCiCvCEiB=0IB0IBS=IB4IB3IB2IB1ACOVCESVCC/RCIB1ICSRbRcVccTiBvI+ic-Vo（2）放大状态——相当于开关的过渡状态 发射结正偏，集电结反偏，iC≈βiB。

VCE=VCC-iCRCVBE=0.7V(锗管0.3)c,e间等效内阻可变二、BJT的开关特性1、BJT的开关作用：VCCiCvCEiB=0IB0IBS=IB4IB3IB2IB1ACOVCESVCC/RCIB1ICSRbRcVccTiBvI+ic-Vo（3）饱和状态——相当于开关的闭合状态发射结和集电结均正偏，iC=ICS≈

VCC/RC，且不随iB增加而增加，VCES≈0.2~0.3V（饱和管压降）c,e间等效内阻很小，约数百欧ViRbRCVCC!!控制基极电压，可使晶体管处于饱和或截止，使晶体管起到开关作用。2、BJT的开关作用时间+VB2-VB1vIt0iCICS0.9ICS0.1ICS0tdtrtstft开关电路的波形三极管饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间关闭时间toff=ts+tf，基区存储电荷消散的时间，反映开关从饱和到截止所需时间。二、BJT的开关特性1、BJT的开关作用：ts存储时间tf下降时间3、讨论开关时间过长，输出电压跟不上输入电压的变化，导致电路不能正常工作。解决办法：对外电路：①减小截止和饱和深度。②采用大的正向和反向基极驱动电流。对管子内部结构：①减小b区宽度；②减小两结的面积；③在基区掺金，形成复合中心。2、BJT的开关作用时间二、BJT的开关特性1、BJT的开关作用：2.2基本逻辑门所谓“逻辑”是指“条件”与“结果”的关系，利用电路的输入信号反映“条件”，而用电路的输出反映“结果”。从而使电路的输入和输出之间代表了一定的逻辑关系。最简单的逻辑单元——基本逻辑门。

一、关于逻辑电路的几个问题

1、逻辑状态的表示方法——状态赋值一种状态高电位有脉冲闭合真上…

0（1）另一种状态低电位无脉冲断开假下…

1（0）2、正逻辑和负逻辑的规定以0表示低电平，1表示高电平——正逻辑体制；以1表示低电平，0表示高电平——负逻辑体制；1、二极管与门电路ABCLR=3kΩD1D2D3Vcc(5V)2.2基本逻辑门二、基本逻辑门

ABCL00000010010001101000101011001111ABCL000000110101011110011011110111112、二极管或门电路ABCLRD1D2D33、非门电路VCCRCRbATLAL01101、与非电路ABCLR=3kΩD1D2D3Vcc(5V)2.2基本逻辑门三、复合逻辑门

ABCL00000010010001101000101011001111VCCRCRbTL1L1111111102.2基本逻辑门二、基本逻辑门

LABC000000110101011110011011110111112、或非门电路ABCLRD1D2D3VccVccRcRbTL1L110000000一、TTL集成逻辑门电路1、基本的BJT反相器VccVccRcRbATCLBJT开关速度受限制的主要原因：⑴BJT基区内存储电荷的影响——电荷的存入、消散要时间⑵负载电容CL充放电要时间——————导致基本的BJT反相器开关速度不高2、TTL反相器基本电路一、TTL集成逻辑门电路Vcc(5V)Rb14kΩRc21.6kΩRc4130ΩRe21kΩT1T2T4T3DvI+-AL（1）工作原理①vI=3.6V，即输入为高电平时VB1=VBC1+VBE2+VBE3

=(0.7+0.7+0.7)V=2.1V，T1的e结反偏，c结正偏，处于倒置工作状态输出VC3=0.2VVC2=VCES2+VB3=(0.2+0.7)V=0.9V，则VB4=VC2=0.9V作用于T4的e结和二极管的串联支路的电压为VC2-VO=(0.9-0.2)V=0.7V，则T4及D均截止输入为高电平，输出为低电平。2、TTL反相器基本电路一、TTL集成逻辑门电路Vcc(5V)Rb14kΩRc21.6kΩRc4130ΩRe21kΩT1T2T4T3DvI+-AL（1）工作原理②vI=0.2V，即输入为低电平时VB1=(0.2+0.7)V=0.9V，T1的e结导通。此时，VB1同时作用于T1的c结、T2和T3的e结支路上，T2，T3显然截止，则——Vcc通过Rc2

向T4提供基极电流T4及D导通，则——vo≈Vcc-VBE4-VD=(5-0.7-0.7)=3.6V输入为低电平，输出为高电平。2、TTL反相器基本电路（2）说明：②采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载的能力由T3、T4组成推拉式输出级。T4形成电压跟随器，T3形成共射极电路，作为T4的负载。当输出为低电平时T3处于深度饱和状态时，输出电阻小，就是T3的深度饱和电阻，因此，带负载的能力很强。由于T4截止，T3集电极电流全部用来驱动负载。⑶当输出端接负载电容CL时输出由低→高由于T3的基极电流是T2放大的电流，所以T2比T3更早脱离饱和，于是VC2比VC3早上升。另一方面，负载CL电压不可突变，使VC3保持。则，c2与c3之间电位差增加→T4的iB4瞬间极大饱和，电源Vcc通过Rc4和T4对负载CL迅速充电，时间常数小，使输出波形上升沿陡直。输出由高→低，T3深度饱和，呈现低电阻，CL通过它很快放电。⑵当输出为高电平时T3处于截止，T4组成的电压跟随器的输出电阻很小所以输出的高电平稳定，带负载能力也较强。讲课时此张幻灯片不用2、TTL反相器基本电路一、TTL集成逻辑门电路Vcc(5V)Rb14kΩRc21.6kΩRc4130ΩRe21kΩT1T2T4T3DvI+-AL（3）TTL反相器传输特性vIvOCBA3.6VED2.48V0.2V0.4V1.1V1.2V3VAB段：vI很低，稳态时输出高；BC段：vI值大于点B，T1的C极供给T2基极电流，但T1仍保持为饱和态，其e、c结均正偏；T2对vI的增量作线性放大：2、TTL反相器基本电路一、TTL集成逻辑门电路Vcc(5V)Rb14kΩRc21.6kΩRc4130ΩRe21kΩT1T2T4T3DvI+-AL（3）TTL反相器传输特性vIvOCBA3.6VED2.48V0.2V0.4V1.1V1.2V3VCD段：的值继续增大并超越C点，使T3饱和，输出电压迅速下降到vO≈0.2V，DE段：vI(D)的值从点D再继续增加时，T1进入倒置放大状态，保持vO＝0.2V。3、TTL与非门一、TTL集成逻辑门电路Vcc(5V)Rb14kΩRc21.6kΩRc4130ΩRe21kΩT1T2T4T3DABCL输入、输出的逻辑关系式：工作原理（1）当输入端全接高电平(3.6v)时T1倒置工作，T2饱和，T4截止，T3饱和。

（2）当输入有低电平(0.3v)时T1深度饱和，T2、T3截止，T4微饱和。

输入有低，输出为高。

输入全高，输出为低。

3、TTL与非门一、TTL集成逻辑门电路Vcc(5V)Rb14kΩRc21.6kΩRc4130ΩRe21kΩT1T2T4T3DABCL电路的改进+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k750100（1）用复合管代替原来的T4。3、TTL与非门一、TTL集成逻辑门电路电路的改进+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k750100（1）用复合管代替原来的T4。（2）有源泄放电路R33、TTL与非门一、TTL集成逻辑门电路电路的改进+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC3603k750100（1）用复合管代替原来的T4。（2）有源泄放电路（3）抗饱和电路肖特基势垒二极管的特点

①它象PN结一样具有单向导电性；②它的开启电压比较低，约为0.4～0.5v；③它本身的电荷存储效应较小。抗饱和管的工作原理利用肖特基势垒二极管，使T处于饱和时，将T的集电结正偏电压钳制在0.4v左右，使T不会过饱和。1、TTL门电路芯片（四2输入与非门，型号74LS00)地GND外形&&&1413121110981234567&管脚电源VCC（+5V）二、TTL门电路芯片简介2、常用TTL逻辑门电路名称国际常用系列型号国产部标型号说明四2输入与非门74LS00T1000四2输入或门四2异或门四2输入或非门四2输入与门双4输入与非门双4输入与门六反相器8输入与非门74LS3274LS0274LS0874LS8674LS2174LS2074LS3074LS04T186T1008T1086T1021T1002一个组件内部有四个门，每个门有两个输入端一个输出端。一个组件内有两个门，每个门有4个输入端。只一个门，8个输入端。有6个反相器。二、TTL门电路芯片简介uo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)(0.3V)ui(V)uo(V)123UOH“1”UOL阈值UT=1.4V理想的传输特性1、传输特性三、TTL门电路的主要技术参数uo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)1、传输特性三、TTL门电路的主要技术参数2、关门电平和开门电平关门电平VOFF——在保证输出为额定高电平的90%的条件下，允许的最大输入低电平值。开门电平VON——在保证输出为额定低电平时，允许的最小输入低电平值。VOFFVON3、转折电平VT阈值电压（1.4v）VTuo(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)1、传输特性三、TTL门电路的主要技术参数4、输入信号噪声容限在保证输出为额定高电平的90%的条件下，允许叠加在输入低电平上的噪声电压—低电平噪声容限VNL=VOFF－VIL。在保证输出为低电平的条件下，允许叠加在输入高电平上的噪声电压—高电平噪声容限VNH=VIH－VON。VOFFVONVTVNLVNHVIHVIL5、传输延迟时间--表征开关速度的参数。P496、功耗：7、延时-功耗积：DP=tpdPD四、TTL与非门带负载的能力&&？1.前后级之间电流的联系分两种情况讨论：

（1）前级输出为低电平时（2）前级输出为高电平时2、灌电流负载——负载电流从外电路流入与非门

IISIISILT1T1TTL与非门的灌电流负载能力将受到T5的饱和程度的限制。T5的饱和程度越深（IB5越大），允许的负载电流就越大。四、TTL与非门带负载的能力&&？1.前后级之间电流的联系3、拉电流负载——负载电流从与非门流向外电路

若拉电流IL太大，R4的压降增加，使VC3下降，迫使T3进入饱和状态，β3变小T3、T4组成的复合管使与非门的输出电阻增大，输出高电平下降。T1T1ILIIHIIH4、扇出系数：以同一型号的与非门作为负载时，一个与非门能够驱动同类与非门的最大数目。

2、灌电流负载.

五、TTL与非门的输入特性

1、输入特性曲线+5VR1IB1VIIIVTVI(V)II(mA)-1.4③在VI=0时，按上试估算II=－IB1=－(EC－VBE1－VI)/R1=-(5－0.7)/R1=1.4mA——输入短路电流④在VI>0.6v时，T2开始导通，但T2的C结电阻较大，取电流很小II≈－IB1⑤在VI>1.3v，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，c—e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。①在VI<VT时II为负；②在VI<0.6v时II可估算为II=－IB1=－(EC－VBE1－VI)/R1⑥输入漏电流：VI=VH时的输入电流，用IIH表示。五、TTL与非门的输入特性

2、输入负载特性——VI与输入端对地外接电阻Ri的关系曲线1.4②关门电阻ROFF：在保证与非门关闭，输出为额定高电平90%的条件下，所允许的Ri的最大值。开门电阻RON：在保证与非门开启，输出为额定低电平的条件下，所允许的Ri的最小值。典型值：ROFF=0.7kRON=2k

①在一定范围内VI随Ri的增大而升高，当VI升高到1.4v时，VB1上升到2.1v，使T5饱和导通，VB1将保持2.1v不变，1.4v为VI的极限值。+5VR1RI+VI－RIVI(V)五、TTL与非门的输入特性

3、多余输入端的处理方式①将多余的输入端接到电源的正端；

优点：不增加信号的驱动电流。②将多余的输入端与有用的（即接有输入信号）输入端并联使用；

优点：可以提高电路的可靠性。

缺点：信号所要提供的驱动电流大一些。③通过大电阻接地；1.4+5VR1RI+VI－RIVI(V)&AB六、其它类型的TTL门电路1、与或非门+VCCB3A3B2A2B1A1L=A1A2A3+B1B2B3T2和T2'中的任何一个导通，都可使T5饱和导通，T4截止，只有T2和T2'同时截止，输出才能是高电平。六、其它类型的TTL门电路2、异或门+VCCBAL六、其它类型的TTL门电路3、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&G1&ABEF&CDG能否“线与”？（OpenCollector)+5VR4R2T3T4T5R3TTL与非门的输出电阻很低。这时，直接线与会使电流i剧烈增加。i功耗T4热击穿UOL与非门2：不允许直接“线与”与非门1截止与非门2导通UOHUOL与非门1：i+5VR4R2T3T4T5R3问题：TTL与非门能否直接线与？RLUCC输入全1时，输出=0；输入任0时，输出悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号应用时输出端要接一上拉负载电阻RL。&六、其它类型的TTL门电路3、集电极开路的与非门（OC门）（2）电路与符号OC门可以实现“线与”功能。分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则F=1。输出级&&&UCCF1F2F3FRLUCCRLT5T5T5F=F1F2F3六、其它类型的TTL门电路3、集电极开路的与非门（OC门）（2）电路与符号六、其它类型的TTL门电路3、集电极开路的与非门（OC门）（3）负载电阻RL和电源VCC可以根据情况选择。问题1：

如何确定上拉电阻RL?（RL(max)

RL(min)）参考：阎石《数字电子技术基础》P80问题2：一般的TTL与非门能否线与？参考：杨福生《电子技术》P320&VCCRLE—控制端（使能端）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDE（1）结构六、其它类型的TTL门电路4、三态门（TSL门）（2）工作原理当E=0时01截止E—控制端（使能端）+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABDE（1）结构六、其它类型的TTL门电路4、三态门（TSL门）（2）工作原理当E=0时10当E=1时导通截止截止高阻态输出为高阻状态&ABF符号功能表&ABF符号功能表使能端高电平起作用使能端低电平起作用（3）符号及功能表六、其它类型的TTL门电路4、三态门（TSL门）E1E2E3公用总线=０=１=０三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。工作时，E1、E2、E3分时接入高电平。（5）用途六、其它类型的TTL门电路4、三态门（TSL门）§2.4CMOS逻辑门电路结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOS场效应管有两种:N沟道P沟道耗尽型增强型耗尽型增强型MOS电路的特点：优点1.工艺简单，集成度高。缺点：工作速度比TTL低。2.是电压控制元件，静态功耗小。3.允许电源电压范围宽（318V）。4.扇出系数大，抗噪声容限大。一、MOS反相器0UDSID负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”UCCuiuo等效结构UCCuiuoT2（负载管）T1(驱动管）UGS=UDS>UT导通有源负载(非线性电阻)实际结构UCCuiuo一、MOS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、CMOS反相器NMOS管PMOS管CMOS电路工作原理：ui=0时：

ugs2=UCC，T2导通、T1截止，uo=“１”；ui=1时：T1导通、T2截止，uo=“0”。UCCST2DT1uiuoDSComplementary-Symmetry

MOS互补对称式MOST1:ONT2:OFF同一电平:OFFON二、CMOS反相器电路特点（1）电路利用率高。VOL≈0v，VOH≈VCC，输出电压几乎等于外加电源值，可以充分利用电源电压。（2）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，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，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，提高了开关速度。当VI由低变高时，T1为导通状态，为CL放电提供了一个低阻通道。当VI由高变低时，T2为导通状态，为CL充电提供了一个低阻通道。VCCST2DT1uiuoDS三、CMOS与非门&ABF工作原理:+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构00

101

110

111

0ABT1T2T3T4FABT1T2T3T4FABF工作原理:+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构00

××101

××

0

10×

×

0

11××

0

四、CMOS或非门工作原理:1+UDDLET2T1AT3T4结构五、CMOS三态门EAL11001d10高阻结构:六、CMOS传输门+5VCVICVO-5VTGCC符号: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－5v<VI<－3vVGSN≥8v＞VTNTN导通VGSP＞－2v＞VTPTP截止

－3v<VI<+3vVGSN＞2v＞VTNTN导通VGSP＜－2v＜VTPTP导通+3v<VI<+5vVGSN＜2v＜VTNTN截止VGSP＜－8v＜VTPTP导通即：在－5v<VI<+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。2.5BiCMOS门电路——双极型CMOS一、BiCMOS反相器特点：双极型器件的快速度，MOSFET的低功耗——两方面的优势。VDDMPT1M1MNvIM2vOT21、电路组成vI为高，MN、M1导通，MP、M2截止，T1止，T2通。vI为低，MN、M1截止，MP、M2、导通，T2止，T1通。T1，

T2基极可经由M1、M2放电，从而加速脱离饱和。T1与VDD，T2与地，分别与负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输入级推拉式输出级2、工作原理BiCMOS二输入端或非门VDDMPAT1M1AMNAvIAM2vO=A+BT2MNBMPBM1BvIB同理可构成与非门电路。(课本P86图2.6.1)二、BiCMOS门电路ABL0001101110002.6正负逻辑问题一、正负逻辑的规定如果令H=1,L=0--正逻辑体制如果令H=0,L=1--负逻辑体制例如与非门，在这两种逻辑体制下的真值表为ABLLLHLHHHLHHHLABL001011101110ABL110100010001电平表示正(逻辑)与非门负(逻辑)或非门本书采用正逻辑二、正负逻辑的等效变换1、基本概念设Z=AB 两边同时取非2、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。（2）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—非相消的原则，可把原有的小圆圈删掉。（3）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，则正逻辑变为负逻辑，这个门电路对正逻辑来说实现的是“与”逻辑，对负逻辑来说实现的是“或”逻辑，即正与门同负或门等效。电路是一样的，只是描述的逻辑体制不同第二章结束3.9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由于每种器件的电压、电流参数不同，故需要接口电路。一般需要考虑：(1)驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值；(2)驱动器件必须能对负载器件提供足够大拉电流；(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压范围内，包括高、低电压值。------电压兼容性问题。扇出数问题(4)其它，如：噪声容限、输入输出电容、开关速度等。1、CMOS门驱动TTL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出数即可。例3.9.1：74HC00与非门用来驱动一个基本的TTL反相器和六个74LS门电路。验算此时CMOS门是否过载？解：(1)查技术参数手册得基本TTL门电路：IIL=1.6mA六个74LS门的输入电流：IIL=6