《电子技术基础》课件第9章

9.1半导体二极管、三极管和场效应管的开关特性

9.2分立元件门电路

9.3CMOS门电路

9.4TTL集成门电路

9.5TTL门电路和CMOS门电路的使用

本章小结

习题第9章逻辑门电路获得高、低电平的基本开关电路原理如图9.1.1所示。

高、低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围，如图9.1.2所示。9.1半导体二极管、三极管和场效应管的开关特性图9.1.1高、低电平的基本开关电路图9.1.2正逻辑与负逻辑的表示方法9.1.1二极管的开关特性

在如图9.1.3所示的电路中，由于二极管有单向导电性，我们可以将二极管看成一个开关。

9.1.2三极管的开关特性

在如图9.1.4所示的电路中，只要电路参数设置合理，就能使得ui=UIL=0时，三极管工作在截止状态，IC=0，uo=

UOH=UCC，晶体管相当于开关断开；当ui=UIH=UCC时，三极管工作在深度饱和状态，uo=UOL=UCES≈0，晶体管相当于开关闭合。

三极管的等效电路如图9.1.5所示。图9.1.3二极管的开关电路图9.1.4三极管的开关电路图9.1.5三极管开关特性的等效电路(a)截止状态；(b)、(c)饱和状态9.1.3绝缘栅场效应管的开关特性

在数字电路中，MOS场效应管也可以作为开关元件使用。在图9.1.6所示的电路中，如果电路参数设置合适，使得ui=UGS<UGS(th)时，MOS管工作在截止区，相当于开关断开，uo=UOH=UDD；当ui>UGS(th)时，MOS管导通，相当于开关闭合，uo=UOL=0。

图9.1.7是MOS管的等效电路图。图9.1.6MOS管的开关电路图9.1.7MOS管开关特性的等效电路(a)截止状态；(b)导通状态9.2.1二极管与门

图9.2.1所示就是由二极管构成的二输入与门电路以及与门逻辑符号。9.2分立元件门电路图9.2.1二极管与门(a)电路图；(b)逻辑符号将输入和输出的逻辑电平的关系列表,得到如表9.2.1所示的二极管与门电压关系表。

若规定3V以上为高电平，用逻辑1表示；0.7V以下为低电平，用逻辑0表示，则由此可以得到如表9.2.2所示的真值表。表9.2.1二极管与门电压关系表表9.2.2二极管与门真值表9.2.2二极管或门

图9.2.2所示就是由二极管构成的二输入或门电路以及或门逻辑符号。图9.2.2二极管或门(a)电路图；(b)逻辑符号将输入和输出的逻辑电平的关系列表，得到如表9.2.3所示的二极管或门电压关系表。

若规定2.3V以上为高电平，用逻辑1表示；0.7V以下为低电平，用逻辑0表示，则由此可以得到如表9.2.4所示的真值表，由该真值表可以看出Y与A、B的逻辑关系为Y=A+B,即图9.2.2(a)电路实现了逻辑或的功能，是一个二极管或门。表9.2.3二极管或门电压关系表表9.2.4二极管或门真值表9.2.3三极管非门

三极管的基本开关电路就是非门，如图9.2.3所示就是由三极管构成的非门电路以及非门逻辑符号。图9.2.3三极管非门

(a)电路图；(b)逻辑符号

1.A为低电平

此时ui=UIL=0，三极管显然是截止的，因此iB=iC=0，uo=UOH=UCC=5V。

2.A为高电平

此时

ui=UIH=5

V

而若深度饱和，则其深度饱和电流为

输入和输出的逻辑电平的关系列表，得到如表9.2.5所示的三极管非门电压关系表。

若规定5V以上为高电平，用逻辑1表示；0.7V以下为低电平，用逻辑0表示，则由此可以得到如表9.2.6所示的真值表。表9.2.5三极管非门电压关系表表9.2.6三极管非门真值表9.3.1CMOS反相器

1.电路结构和工作原理

图9.3.1所示为CMOS反相器的电路结构图。9.3CMOS门电路图9.3.1CMOS反相器的电路结构图

2.电压传输特性

图9.3.2所示为CMOS反相器电路的电压传输特性。图9.3.2CMOS反相器电路的电压传输特性9.3.2CMOS逻辑门电路

1.CMOS与非门电路

图9.3.3所示为CMOS与非门的基本结构形式，它由两个并联的P沟道增强型MOS管V1、V3和两个串联的N沟道增强型MOS管V2、V4组成。

当A、B两个输入端全为“1”时，V2和V4都导通，V1和V3都截止，输出端Y为“0”；当输入端有一个或全为“0”时，V2或V4(或都)截止，V1或V3(或都)导通，输出端Y为“1”。由此列出真值表，如表9.3.1所示。图9.3.3CMOS与非门电路表9.3.1CMOS与非门的真值表

2.CMOS或非门电路

图9.3.4所示为CMOS或非门的基本结构形式，它由两个串联的P沟道增强型MOS管V1、V3和两个并联的N沟道增强型MOS管V2、V4组成。

当A、B两个输入端全为“0”时，V1和V3都导通，V2和V4都截止，输出端Y为“1”；当输入端有一个或全为“1”时，V2或V4(或都)截止，V1或V3(或都)导通，输出端Y为“0”。由此列出真值表，如表9.3.2所示。图9.3.4CMOS或非门电路表9.3.2CMOS或非门的真值表9.3.3CMOS传输门和双向模拟开关

1.CMOS传输门

利用N沟道MOS管和P沟道MOS管的互补性可以接成如图9.3.5所示的CMOS传输门。图9.3.5CMOS传输门的电路结构和逻辑符号(a)电路结构；(b)逻辑符号

2.双向模拟开关

模拟开关是由CMOS传输门和一个CMOS反相器组成的，如图9.3.6所示。图9.3.6CMOS双向模拟开关电路结构和逻辑符号(a)电路结构；(b)逻辑符号假定接在输出端的电阻为RL，双向模拟开关的导通内阻为RTG，如图9.3.7所示。图9.3.7CMOS模拟开关负载电阻的情况当C=0时，CMOS传输门截止，双向模拟开关断开，uo=0；当C=1时，CMOS传输门导通，双向模拟开关接通，输出电压为

我们将uo和ui的比值定义为电压传输系数KTG，即

(9.3.2)(9.3.1)9.4.1TTL反相器

1.工作原理

反相器是TTL集成门电路中电路结构最简单的一种。图9.4.1给出了74系列反相器的典型电路。9.4TTL集成门电路图9.4.1TTL反相器

2.电压传输特性

如果把图9.4.1所示的反相器输出电压随输入电压变化的情况用图形描述，就得到了如图9.4.2所示的电压传输特性。图9.4.2TTL反相器的电压传输特性

3.输入噪声容限

在保证输出高、低电平基本不变(或者说变化的大小不超过允许限度)的条件下，输入电平的允许波动范围称为输入噪声容限。

如图9.4.3所示，输入为高电平和低电平时的噪声容限为

UNH=UOH(min)－UIH(min)

UNL=UIL(max)－UOL(max)图9.4.3反相器的噪声容限9.4.2TTL与非门电路

图9.4.4是74系列与非门的典型电路。图9.4.4TTL与非门电路多发射极三极管的基区和集电区是共用的，而在基区制作了两个(或多个)高掺杂的N区，形成两个(或多个)相互独立的发射极。我们可以将多发射极三极管看成如图9.4.5所示的两个发射极独立而基极和集电极分别并联在一起的三极管。图9.4.5多发射极三极管的符号和等效电路(a)符号；(b)等效电路9.4.3集电极开路门电路(OC门)

图9.4.6给出了OC门的电路结构和图形符号。图9.4.6集电极开路输出TTL与非门的电路结构和图形符号(a)电路结构；(b)图形符号图9.4.7是用两个OC门接成线与的例子。图9.4.7OC门的线与接法和逻辑符号(a)接法；(b)逻辑符号9.4.4三态输出门电路(TSL门)

图9.4.8是三态输出门的电路结构和图形符号。图9.4.8三态输出门的电路结构和图形符号(a)电路结构；(b)图形符号如图9.4.9所示，G1，G2，…，Gn均为三态输出的反相器，控制信号EN为高电平有效。图9.4.10是数据双向传输的电路结构图。图9.4.9三态输出门接成的总线结构图9.4.10用三态输出门实现的数据双向传输9.4.574系列常用门电路

74S系列是TTL的高速肖特基系列，TTL的三极管、二极管均采用肖特基结构(抗饱和三极管，见图9.4.11)，该结构能够极大地提高开关速度，所以该系列产品速度较高，但品种比74LS系列少。图9.4.12所示为74S系列的与非门电路结构。图9.4.11抗饱和三极管图9.4.1274S系列的与非门电路结构9.5.1接口电路

1.TTL到CMOS的连接

2.CMOS到TTL的连接

9.5.2TTL电路的使用知识

9.5.3CMOS电路的使用知识9.5TTL门电路和CMOS门电路的使用

1.分立器件门电路

半导体二极管、三极管和场效应MOS管是构成电子开关的基本元件，运用这些开关特性可以构成半导体二极管、三极管的分立器件门电路。

2.CMOS门电路

CMOS门电路是在同一个半导体基片上由P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管按照互补对称形式连接起来的。在CMOS集成电路中，CMOS门电路是基础，CMOS反相器是基本单元。本章小结

3.TTL门电路

输入端和输出端均为三极管结构的门电路简称为TTL。反相器是TTL集成门电路中电路结构最简单的一种。

学习本章后应达到下列要求：

(1)熟悉半导体二极管和三极管(包括双极型和MOS型)开关状态下的等效电路和外特性。

(2)掌握由二极管组成的分立器件与门、或门电路的工作原理；掌握由三极管组成的分立器件非门的工作原理。

(3)掌握目前广泛应用的TTL和CMOS两类集成门电路的输入电路和输出电路结构及它们的基本工作原理；掌握反相器的外部特性，包括逻辑功能和电压传输特性以及应用方法。

9.1选择题：

(1)衡量集成逻辑电路优劣的因素是

。

A．增益×带宽

B．传输延迟时间×功耗

C．扇出系数×传输延迟时间

D．噪声容限×功耗

习题

(2)以下诸论述中，唯一正确的是

。

A．可以用OC门构成电平变换电路

B．OD门电路主要用于集成度要求高的场合

C．CMOS器件不可以和TTL器件兼容

D．CMOS器件对电源的准确性要求严格

(3)若与、或、与非、或非集成门电路的输入端个数超过了需要的数量，则这些多余的输入端应按

方式去处置才是正确的。

A．让它们开路B．让它们通过电阻接最高电平

C．让它们接地或接电源的最低电平

D．让它们和使用中的输入端并接

9.2在图T9.1所示二极管门电路中，设二极管导通压降UD=0.7V，UCC=5V,电阻RL=1kΩ,二极管导通电阻rD<10Ω。设输入信号的UIH=+5V，UIL=0，则它的输出信号UOH

和UOL各等于多少伏。

图T9.1

9.3在如图T9.1所示的电路中：

(1)B端接地，A端接5V时，uo为多少伏？

(2)B端接5V，A端接5V时，uo为多少伏？

(3)B端悬空，A端接5V时，B端和uo端电压各应为多少伏？