电子技术基础第二章课件

2.逻辑门电路

2.2TTL逻辑门电路

2.1基本逻辑门电路

2.3MOS

学习目的与要求1、了解二极管和三极管的开关特性。4、掌握OC门和三态门的电路结构特点，并能够进行应用。2、掌握基本逻辑运算及基本的逻辑门电路。3、掌握TTL和MOS逻辑门电路的功能、特性参数和使用方法。5、了解逻辑门在使用时应注意的问题。(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。

二极管相当于一个闭合的开关。1、二极管的静态特性（回忆）2.1.1二极管的开关特性2.1基本逻辑门电路3V0VRD导通S3VR相当于开关闭合数字电路中常用的逻辑器件有哪些？(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽

略。二极管相当于一个断开的开关。0VRD截止S0VR相当于开关断开反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百kΩ）相当于开关断开二极管的伏安特性曲线

可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。动态特性定义：二极管作为开关使用时，由开通→关断由关断→开通之间的转换特性。当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每秒可达百万次，这就要求器件的开关转换速度要在微秒甚至纳秒内完成。二极管从正向导通到反向截止的过程4、产生反向恢复过程的原因正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。0～t1期间，PN结承受正向电压，有利于多子的扩散。使得耗尽层变窄，形成电流。同时在P区和N区形成了一定的电荷存储。Vi由VF→－VR，由于存储电荷电荷的存在，存储电荷不会马上消失，它减小的两种途径：（1）在反向电场的作用下，P区的电子被拉回到N区，N区的空穴被拉回P区，形成反向漂移电流。（2）与多数载流子复合反向恢复时间一般在纳秒数量级。产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间。5、二极管从反向截止到正向导通的过程二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。原因是：PN结加正偏电压时，其正向压降很小，比VF小得多，故电路中的正向电流IF

VF/

RL。主要由外电路参数决定。结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间。截止状态cbe饱和状态Vb=0.7v,Vc=0.3vebcuO0uO+UCCRCEC相当于开关闭合uOUCCuO+UCCRCEC相当于开关断开iC＝ICS≈工作状态截止放大饱和条件iB≈0

0<iB<iB>工作特点偏置情况

发射结和集电结均为反偏发射结正偏，集电结反偏发射结和集电结均为正偏集电极电流iC≈0Ic

≈iB

且不随iB增加而增加管压降VCEO≈VCCVCE＝VCC－iCRcVCES≈0.2~0.3Vc、e间等效内阻

很大，约为数百千欧，相当于开关断开可变很小，约为数百欧，相当于开关闭合NPN型BJT截止、放大、饱和三种工作状态的特点(1)开启时间ton

三极管从截止到饱和所需的时间。ton=td+tr

td：延迟时间

tr：上升时间

开关时间随管子类型的不同而不同，一般为几十～几百纳秒。开关时间越短，开关速度越高。一般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三极管的开关速度。(2)关闭时间三极管从饱和到截止所需的时间。

ts：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf：下降时间

二极管与门电路与逻辑符号2.1.3基本逻辑门电路1、二极管与门电路

输入输出VAVBVCVL000000+5V00+5V000+5V+5V0+5V0+5V0+5V0+5V0+5V+5V00+5V+5V+5V+5V

输入输出ABCLLLLLLLHLLHLLLHHLHLLLHLHLHHLLHHHHVCC+(5V)

R

3kW

L

D1

D2

D3

A

B

C

＋5vA、B、C三个都输入高电平+5V5V5V5V

输入输出ABCL00000010010001101000101011001111真值表二极管或门电路或逻辑符号>1输入端A、B、C都为0V

0V输入输出ABCL00000011010101111001101111011111

2.二极管或门电路输入输出ABCL000000110101011110011011110111110V0V0V“或”逻辑真值表

二极管或门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形三极管反相电路非逻辑符号反相器传输特性

3.三极管非门电路2.2.5TTL与非门的其他类型2.2.3TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力2.2.1TTL与非门的基本结构与工作原理

2.2.2TTL与非门的开关速度2.2.4TTL与非门的带负载能力2.2.6TTL集成逻辑门电路系列简介2.2TTL逻辑门电路输入级

中间级

输出级

TTL与非门的基本电路2.TTL与非门的工作原理

输入级

中间级

输出级

输入级

中间级

输出级

（1）当输入为低电平(有低电平)I低电平(0.3V)T1深饱和T2截止T5截止T4放大O高电平（3.6V）（A=0.3V）

1.0VO≈VCC－VBE4－VD

＝5－0.7－0.7=3.6V

输入级

中间级

输出级

2.1V（2）当输入全为高电平(3.6V)4.3VI全为高电平(3.6V)T1倒置放大T2饱和T5饱和T4截止O低电平0.2V）1.采用输入级以提高工作速度

（1）当TTL反相器A由3.6V变0.2V的瞬间

1.4V

T1管的变化先于T2、T5管的变化；T1管Je正偏、Jc反偏，T1工作在放大状态。T1管射极电流1iB1很快地从T2的基区抽走多余的存储电荷,从而加速了状态转换。

0.9V1.4V2.2.2TTL与非门的开关速度输出为高电平时，T5截止，T34组成的电压跟随带负载能力也较强。而当输出电压由高变低后，CL很快放电，输出波形的上升沿和下降沿都很好。输出端接有负载电容CL时，在输出由低到高跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小，使输出波形上升沿陡直。输入级

中间级

输出级（A=0.2V）

0.9V输入级

中间级

输出级（A=3.6V）

2.采用推拉式输出提高开关速度和带载能力当输出为低电平时，T5处于深度饱和状态，T34截止，T5的集电极电流可以全部用来驱动负载。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。

输入

反相

输出

50%

tPLH

90%

50%

10%

tf

50%

tPLH

90%

50%

10%

tr

VOL

VOH

OL

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3．TTL与非门传输延迟时间tpd

vO/V

5

4

3

2

1

0

3.6V

2.48V

0.2V

1

2

E

D

CB

A

0.6V1.3V

1.4V

vI/V

VOH≈VO(A)＝3.6V

VOL＝VCES＝0.3V1、TTL与非门传输特性输出的高、低电压

2.2.3

TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力2、几个重要参数电压传输特性转折区所对应的电压，即T5管截止与导通的分界线，又是输出高低电平的分界线，因此称为阈值电压或门槛电压。VT定义为转折点中点对应的值，VT≈1.4V.VI>VT时，与非门饱和，V0=VL;VI<VT时，与非门截至，V0=VH;VOFF:保证输出为额定高电平的90％的条件下，允许的最大输入电压的输入值。VOFF≈0.8VVON:保证输出为额定低电平时，允许的最大输入电压的输入值。VON≈2V阈值电压VT

开门电平和关门电平

3、TTL与非门的抗干扰能力噪声容限:高电平噪声容限为

VNH=VOH–VIH

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

低电平噪声容限为VNL=VIL–VOL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。

1.输入负载特性2.2.4TTL与非门的带负载能力开门电阻和关门电阻Ri上的电压会随电阻值的变化而变化，当Ri较小时，T5截止，输出高电平；当Ri较大时，T5饱和，输出低电平；关门电阻ROFF

——在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI

的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈0.8kΩ。

开门电阻RON——在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON≈2kΩ。

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。

带灌电流负载：输出低电平时。IILIOL101&2.带负载能力带灌电流负载1&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带拉电流负载：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带拉电流负载查得基本的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2.2.5TTL与非门的其他类型1.集电极开路门vOHvOLXOC门的提出:输出短接，产生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁。

线与: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门电路是不能进行“线与”

（1）OC门的结构与逻辑符号逻辑符号(c)可以实现线与功能.(b)与非逻辑不变;(a)工作时必须外接电源和电阻;（2）集电极开路门上拉电阻Rp的计算

最不利的情况：只有一个OC门导通，110为保证低电平输出OC门的输出电流不能超过允许的最大值IOL(max)且VO=VOL(max），RP不能太小。当VO=VOL+VDDIILRP&&&&n…&m&…kIIL（total)IOL（max)当VO=VOH+VDDRP&&&&n…&m&…111IIH（total)I0H（total)为使得高电平不低于规定的VIH的最小值，则Rp的选择不能过大。Rp的最大值Rp(max)：

2.或非门

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

0.9v0.2v0.2v0.9v3.6V

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=?3.三态输出门

TSL门的输出有三个状态，因此大量地应用在计算机的总线结构或数字信号的通道中。0状态低电平状态1状态高电平状态高阻态断开状态工作原理——以使能端为低电平有效的TSL门为例进行分析

⑴当时：P点为1，D3截止，该支路断开，电路成为基本TTL与非门电路。⑵当时：无论A、B输入何值，只要P点为0，D3就导通，Q点的电位接近于为0。迫使T2、T4、T3和D4截止。造成Y端向上与VCC不通，向下与地不通，Y点与内部电路完全隔断。呈现高阻状态，记为：（3）输入端二极管的作用1)正常输入信号时：D1、D2截止，不影响电路的逻辑功能。2)不正常输入了负脉冲信号时：

如果没有二极管，若输入一个很大的负脉冲信号，T1基极点的电位就会下降得很低，使得IB1非常大，可能造成T1管的发射结损坏。

有了二极管后，若输入一个很大的负脉冲信号，二极管就会导通，使得T1基极点的电位被箝制在0V。起到了保护三极管T1的作用。三态与非门的应用：单向总线传输电路1、2只能有一个处于正常态

若要求D1向BUS传送，则应有：

若要求D2向BUS传送，则应有：

1BUS21三态与非门的应用：双向传输当CS=0时，门1工作，门2禁止，数据从A送到B；当CS=1时，门1禁止，门2工作，数据从B送到A。三态门双向传输1.74系列---标准TTL系列，属中速TTL器件，其平均传输延迟时间约为10ns，平均功耗约为10mW／每门。

2.2.6TTL集成逻辑门电路系列简介

2.74L系列----为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。用增加电阻阻值的方法将电路的平均功耗降低为1mW／每门，但平均传输延迟时间较长，约为33ns。

3.74H系列----为高速TTL系列，又称HTTL系列。与74标准系列相比，电路结构上主要作了两点改进：一是输出级采用了达林顿结构；二是大幅度地降低了电路中的电阻的阻值。从而提高了工作速度和负载能力，但电路的平均功耗增加了。该系列的平均传输延迟时间为6ns，平均功耗约为22mW／每门。

4.74S系列----为肖特基TTL系列，又称STTL系列

（1）输出级采用了达林顿结构，T4、T5组成复合管电路，降低了输出高电平时的输出电阻，有利于提高速度，也提高了负载能力。（2）采用了抗饱和三极管

（3）用T6、Rb6、RC6组成的“有源泄放电路”代替了原来的Re2

5．74LS系列

为低功耗肖特基系列，又称LSTTL系列。电路中采用了抗饱和三极管和专门的肖特基二极管来提高工作速度

6．74AS系列

7．74ALS系列

（a）电路结构（b）符号抗饱和三极管4、具有图腾结构的几个TTL与非门输出端不能并联；

输出高电平UOH(3.6V)、输出低电平

UOL(0.3V)，关门电平UOFF(1V)，开门电电平UON(1.4V)，输入高电平噪声容限UNL=UOFF－UIL，输入低电平电流IIL(1.4mA)，扇出系数NO(NO越大带负载能力越强)等。

使用TTL与非门芯片时需注意事项

1、不用的管脚可以悬空，不可以接地；2、不用的管脚可以接高电平，不可以接低电平；5、输出端接容性负载时，应接大电阻(≥2.7K)限流；3、几个输入端引脚可以并联连接；6、TTL集成电路的电源电压应满足±5V要求，输入信号电平应在0~5V之间。注意TTL与非门的主要参数？7、用45W以下电铬铁焊接，最好用中性焊剂，设备应良好接地。

2.3.1NMOS门电路

2.3.2CMOS非门

2.3.3其他CMOS逻辑门电路

2.3.4CMOS逻辑门电路的系列及

技术参数

2.3.5集成逻辑门电路的应用

2.3MOS逻辑门电路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。与双极性电路比较，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。1、NMOS反相器---饱和型负载管反相器ViVoT2T1+VDD即：Vi为高电平时，Vo为低电平Vi为低电平时，Vo为高电平当输入电压为高电平时，T1导通当输入电压为低电平时，T1截止T2还是导通所以，是反相器T1为工作管，T2为负载管≤1VVo

VDD－VT3-10K100-200K（低电平）

2、NMOS与非门当A、B中有一个或两个均为低电平时，T1、T2有一个或两个都截止，输出为高电平

只有A、B全为高电平时，T1、T2均导通，输出为低电平

T1、T2为工作管，

T3为负载管BLT3T2+VDDAT1L=AB3、NMOS或非门当A、B中有一个为高电平时，T1、T2

有一个导通，输出0

A、B都为低电平时，T1、T2均截止，输出为1即L=A+B

T1、T2为工作管，T3为负载管因为T1、T2是并联的，要想增加输入端的个数时不会引起输出低电平的变化。这给制造多输入端的或非门带来方便。L+VDDBT3T2AT1

VDD

TP

TN

vO

vI

2.3.2CMOS非门

VDD

TP

TN

vO

vI

当vI=0V时

VDD

1、CMOS反相器的工作原理VGSN=0＜VTNTN管截止；|VGSP|=VDD＞VTP

电路中电流近似为零（忽略TN的截止漏电流）,VDD主要降落在TN上，输出为高电平VOHTP管导通。≈VDDVDD

TP

TN

vO

vI

当vI=VOH=VDD时

VGSN=VDD>VTNTN管导通；|VGSP|=0<VTP

TP管截止。此时，VDD主要降在TP管上，输出为高电平VOL在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。

平均延迟时间：10ns小小2、CMOS反相器的工作速度

1、与非门二输入“与非”门电路结构如图当A和B为高电平时:当A和B有一个或一个以上为低电平时:电路输出高电平输出低电平电路实现“与非”逻辑功能两个并联的PMOS管TP1、TP2两个串联的NMOSTN1、TN2

2.3.3其他CMOS逻辑门电路

TP2

B

A

TN2

TN1

VDD

L

1当A、B全为低电平时00输出为高电平时2、或非门当输入端A、B都为高电平时，当A、B全为低电平时，2.6.2CMOS门电路当A、B中有一个为高电平时

TP2

B

A

Tp2

TN1

VDD

L

011输出为高电平时输出为低电平时输出必为低电平时

TP2

B

A

Tp2

TN1

VDD

L

或非门工作原理

VDD

B

A

L=AÅ

B

X

由或非门和与或非门组成

3、异或门电路

CMOS传输门电路(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。它广泛地用于采样保持电路、斩波电路、模数和数模转换电路等。

由互补的信号电压来控制，分别用C和C表示。

4、CMOS传输门

C

TP

vO/vI

vI/vO

TN

C

5V5V~+5V设TP和TN的开启电压|VT|=2V，且输入模拟信号的变化范围为－5V到+5V。

C

TP

vO/vI

vI/vO

+5V

–5V

TN

C

当c端接低电压5V时5V+5V5V~+5V开关断开当c端接低电压5V+5V一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。

CMOS传输的工作原理

设TP和TN的开启电压|VT|=2V，且输入模拟信号的变化范围为－5V到+5V。

C

TP

vO/vI

vI/vO

+5V

–5V

TN

C

+5V-5V开关闭合当c端接高电压+5VI＜3VI>+3V－3V~+3V一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。

C

TP

vO/vI

vI/vO

TN

C

+5V-5V当c端接高电压+5V2.3.4CMOS门电路的系列及主要参数1、CMOS逻辑门电路的系列（1）基本的CMOS——4000系列

这是早期的CMOS集成逻辑门产品，工作电源电压范围为3～18V，由于具有功耗低、噪声容限大、扇出系数大等优点，已得到普遍使用。缺点是工作速度较低，平均传输延迟时间为几十ns，最高工作频率小于5MHz

（2）高速的CMOS——HC（HCT）系列

（3）先进的CMOS——AC（ACT）系列

2、CMOS逻辑门电路的主要参数

(1)输入和输出的高、低电平

vO

vI

驱动门G1

负载门G2

1

1

输出高电平的下限值

VOH(min)输入低电平的上限值VIL(max)输入高电平的下限值VIH(min)输出低电平的上限值

VOL(max)输出高电平+VDD

VOH(min)VOL(max)

0

G1门vO范围

vO

输出低电平

输入高电平VIH(min)

VIL(max)

+VDD

0

G2门vI范围

输入低电平

vI

输入噪声容限:输入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

输入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。

(2)噪声容限类型参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或tPHL(ns)782.10.9(3)传输延迟时间门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。CMOS电路传输延迟时间

tPHL

输出

50%

90%

50%

10%

tPLH

tf

tr

输入

50%

50%

10%

90%

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。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。(4)功耗与延时功耗积扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。(5)扇入与扇出数扇出数：指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。2.3.5集成逻辑门电路的应用1)

电压兼容性

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，包括高、低电压值；不同类型器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：2)扇出数

驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流。1、各种门电路之间的接口问题vOvI驱动门

负载门1

1

VOH(min)vO

VOL(max)

vI

VIH(min)VIL(max)

负载器件所要求的输入电压VOH(min)≥VIH(min)VOL(max)≤VIL(max)灌电流IILIOLIIL拉电流IIHIOHIIH10111…1n个01110…1n个对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流

IOH(max)≥IIH(total)IOL(max)≥IIL(total)驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流

驱动电路负载电路1）VOH(min)≥VIH(min)2）VOL(max)≤VIL(max)4）IOL(max)