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第3章 逻辑门电路实现一些基本运算关系的电路，称为“门电路”。它是构成数字电路的基本单元。在门电路中，输入反映“条件”，输出反映“结果”。入、出之间是逻辑关系。在逻辑设计中，主要使用集成逻辑器件，分通用逻辑器件和编程逻辑器件。TTL系列和COMS系列最为常见。3.1 半导体二极管和三极管的开关特性1.关于高、低电平5V (VCC)数字电路中的电位常用“电平”一词描述。高电平是电路的一种状态，低电平是另一种状态。高电平范围不同系列的产品，高、低电平范围有不同的标准。图中为TTL系列的高电平下限1.8V规定。无定义2.关于正负逻辑用“1”表示高电平，“0”表示低电平范围低电平上限0.8V低电平，这是正逻辑体制；0V如果用“0”表示高电平，用“1”表示低电平，就是负逻辑体制。同一个电路，可采用正逻辑体制，也可采用负逻辑体制，还可以同时采用正、负逻辑，称为混合逻辑。今后不加说明，一律采用正逻辑体制。3.1.1 理想开关的开关特性一、 静态特性S 可由二极管、三极管或 MOS 管实现 断开 闭合 二、动态特性 开通时间：（断开闭合） 关断时间：闭合断开 普通开关：静态特性好，动态特性差半导体开关：静态特性较差，动态特性好3.1.2 半导体二极管的开关特性二极管具有单向导电性。导通条件：VD+0.7V，如同一个具有约0.7V压降的闭合开关。截止条件：VD死区电压，ID0，如同开关断开一样。R03.6VD通R0V3.6VD止动态情况，二极管的工作速度问题：截止到导通：电荷积累需要时间（产生扩散运动），可以忽略。导通到截止：电荷存储效应产生反向恢复时间tre。（存储的电荷要消散，也需要一定时间，此瞬间有较大的瞬态反向电流。） 二极管的动态电流波形见下图。3.1.3 晶体三极管的开关特性0tui0tiDtre1四种工作状态 放大状态：发射结正偏，集电结反偏； 截止状态：发射结反偏，集电结反偏； 饱和状态：发射结正偏，集电结正偏；倒置状态：发射结反偏，集电结正偏。 在数字电路中，三极管主要工作在开关状态，因而不是截止就是饱和。RcRbT+VCCuiuoIBIC 截止时，c-e间呈现数百千欧的电阻，如同开关断开。饱和时，c-e间呈现数百欧的电阻，如同开关闭合。偶尔也会出现倒置状态。2工作状态的判定（依据：结偏置情况。）根据三个极的电位情况判定，常用于实验测定。根据三极管的电流关系判定，常用于解题过程。截止：UBE0.5V(硅管)，IB0，IC=0，此时UCE=VCC放大：UBE0.7V(硅管)，IB0，IC=bIB，此时UCE=VCC- ICRC饱和：UBES0.7V(硅管)，IBIBS，ICbIB，此时UCE=UCES0.3V 其中：IBS（为临界饱和电流）例3.1.1 电路见上图。VCC=5V，RB=30kW，RC=1kW。试求ui=0V和3V时，uo=？设b=100；b=50；分析电路参数对三极管工作状态的影响。 解：ui=0V时，UBE0.5V，T处于截止状态，UCEVCC=5V。 ui=3V时，T导通，基极电流IB0.077(mA)基极临界饱和电流：IBS=0.047(mA)由于IBIBS，故T处于饱和状态。UCE= UCES0.3V0tuiton0tiC0tuOtoffb=50时，IBS=0.094(mA)由于IBIBS，故T处于放大状态。IC=bIB=500.077=3.85(mA)UCE=VCC- ICRC=5-3.851=1.15(V)根据IBIBS，即可知：增大ui 、b、RC，减小VCC、RB 有利于三极管饱和。3三极管的动态特性电荷的建立与消散需要一定时间，影响了三极管的开关速度。集电区积累的过量电荷消散时间较长，因而关断时间长，是影响开关速度的主要因素。3.2基本逻辑门电路3.2.1二极管与门电路VCC(+5V)D1D2R2.8kWVAVBVFIILIIH0V6V1.工作原理VA = VB =UIL=0VD1、D2都导通，VF =UOL =0.7V。VA=UIH=6V，VB=UIL=0VD2导通，使VF=0.7V，D1截止。（VB =UIH=6V，VA =UIL=0V情况类似。）VA = VB =UIH=6VD1、D2都截止，VF =UOH =5V。结论：输入有低出低，全高出高。2.两个参数输入低电平电流IILIIL=1.5(mA) 若两个管同时导通，则平分该电流。输入高电平电流IIH二极管截止时，只有反向饱和电流，约数十微安，为分析方便取IIH=10mA。3.2.2 二极管或门电路1.工作原理VA = VB =UIL=0VD1、D2都截止，VF =UOL =0V。VA=UIH=6V，VB=UIL=0VD1导通，使VF=5.3V，D2截止。（VB =UIH=6V，VA =UIL=0V情况类似。）VA = VB =UIH=6VD1、D2都导通，VF =UOH =5.3V。结论：输入有1出1，全0出0。二极管或门电路请自己分析。3.2.3 晶体三极管非门电路 1三极管非门RcRbTVCC(+5V)uiuoD3DK3B+3V1.5k1k输入为低电平T截止，输出为高电平。此时，D导通，uO =3+0.7=3.7 (V) D为嵌位二极管，与（+3V）电源组成嵌位电路，将输出高电平嵌位在约3.6V上（理论值为3.7 V），便于同后面的门电路连接。输入为高电平VT饱和导通，输出为低电平，uO0.3V。设UIL=3.6V，则IB(31.5)=2mA，ICS(51) =5mA。可见，只要b2.5，就有IBIBS=（ICSb）。实现了“入低出高，入高出低”的非门功能。2负载能力分析当门电路的输出端与其它门电路连接时，后级的这些门电路就是前级门电路的负载。负载的大小当然指电流的大小，有两种情况：凡是负载电流流进门电路输出端的叫灌电流负载；凡是负载电流流出门电路输出端的叫拉电流负载。灌电流负载T饱和时，UCES0.3V，IL从外电路流入RcRbT饱和VCC(+5V)uiuo负载门IRCICI灌集电极，使IC增加：IC = IRC + I灌。随着I灌的增大，会有两个问题： 破坏IB(ICb)这一条件，使T退出饱和，输出低电平被抬高； 可能使IC=IRC + I灌ICM，超过管子的承受能力，烧坏管子。所以，对I灌 一定要加以限制。为不破坏T的饱和条件，应保证：IB(ICb)。即：b IBIRC + I灌 I灌 b IB + IRC可见，最大灌电流负载能力为：I灌max = b IB + IRC当灌电流超过I灌max时，会使T退出饱和，输出低电平抬高，破坏了“有1出0”的逻辑功能。为管子安全，还要保证IC = I灌max + IRCICM。带灌电流负载只考虑输出为低电平时的情况。在ICM允许时，饱和程度越深，电路带灌电流负载能力越强。RcRbT截止uiuo负载门IRCIC=0I拉VCC(+5V)拉电流负载T截止时，IC0，IRC=I拉，UOH=VCC-RC I拉I拉过大，会导致UOH降低，严重时，会破坏“有0出1”之功能。为使UOH不低于UOHmin I拉max =从上式知，减小RC有利于提高拉电流的负载能力。但不利于提高灌电流的负载能力。带拉电流负载仅考虑输出为高电平时的情况。门电路的负载能力要同时考虑I灌 和I拉，取其中较小的。门电路的负载能力指带同类门的个数，称扇出系数N。3.3TTL逻辑门数字集成电路按所用半导体器件不同，分为双极型（TTL）和单极型（MOS）两大类。TTL系列是世界上生产历史最长、数量最多的数字集成电路。由于不断进行结构改进和性能提高，使TTL集成电路在众多的系列品种面前仍保持盛况不衰。目前，以CT4000系列为主流，与国际SN54LS74LS000对应，兼有低功耗和较高速的特点。本节以与非门为例， 简单介绍TTL系列数字集成电路的特点。3.3.1TTL与非门工作原理IB1T4V CC (+5V)T5T3T2T1R1R2R3R5R43k7503601003kF (UO)ABC1电路组成输入级：T1、R1；其主要作用是：提高开关速度；完成“与”运算。中间级：T2、R2、R3；输出相位相反的两路信号，分别控制T3、T5的工作状态。输出级：T3、T4、T5、R4、R5；其主要作用是：提高负载能力；完成“非”运算。2工作原理输入有低：0.3V1.33(mA)ICS1= ICBO20，T1为深度饱和，UCES20.1(V)UB20.1+0.3=0.4(V) ，T2、T5截止。VCC经R5使T2、T5导通，所以UO=VCC- IB3R2- VBE3- VBE45-0.7-0.7=3.6(V) 即输出为高电平。输入全高：3.6VT4V CC (+5V)T5T3T2T1R1R2R3R5R43k7503601003kF (UO)ABC3.6V0.7V1.4V2.1VIB1IB2IC2IR2IB31V0.3VIB5VCC经R1使T1集电结、T1、T2发射结正向导通，这三个正向导通的PN结把VB1嵌制在约2.1V左右。因输入为3.6V，故T1的所有发射结反偏，集电结正偏，T1处于“倒置工作状态”。（集电结、发射结颠倒用的“放大”状态，b约0.01左右。) 由于T2饱和导通，UC2=UB3=0.7+0.3=1(V)，这个结果使T2微导通，T4截止。由于T4截止，使IC50，故T5导通后便进入深度饱和状态。所以UO=UOL= UCES50.3(V) 即输出为低电平。综上，该电路实现了与非门的功能。T4为T5的有源负载，相当于T5的集电极电阻，当T5饱和时，T4截止，呈现很大的电阻，有利于带灌电流负载；当T5截止时，T4导通，等效电阻较小，又有利于带拉电流负载。这种T4、T5轮流导通的输出方式称“AD”输出。3.3.2TTL与非门的主要参数对使用者来说，内部工作原理可以不用关心，但逻辑功能、电气特性和主要参数必须要了解，以便正确合理地使用。1输出高电平UOH定义：任何一个输入端接规定的低电平时，输出端的电平。意义：反映逻辑功能、与其它电路接口的依据。指标：UOH3V（典型值3.6V，最小值2.4V。）2输出低电平UOL定义：输入端全部接高电平时，与非门输出端的电平。意义：反映逻辑功能、与其它电路接口的依据。指标：UOL0.35V（典型值0.3V，最大值0.4V。）3开门电平UON定义：在额定负载下，使输出达到标准低电平时的最小输入电平。意义：反映输入高电平时的抗干扰能力。指标：UON1.8V4关门电平UOFF定义：使输出上升到额定高电平的时的输入电平。意义：反映输入低电平时的抗干扰能力。指标：UOFF0.8V 以上是输入输出高、低电平的参数。为了更好地理解反映抗干扰能力的参数，先简单介绍一下电压传输特性。UOV43210UIV1234T2开始导通T5开始导通T5开始饱和UILUOFFUNLUONUIHUNH额定高电平的90%额定高电平UOHUOL&UOVUI+5V5低电平噪声容限UNL定义：保证UOH不低于额定值90%的条件下，允许迭加在UIL上的最大正向干扰电压。由上图可见：UNL =UOFF -UIL6高电平噪声容限 UNH定义：保证UO=UOL的条件下，允许叠加在UIL上的最大负向干扰电压。由上图可见：UNH=UIH-UONUNL、UNH都是说明门电路抗干扰能力的参数，其值越大，抗干扰能力越强。7输入低电平电流IIL（也称为输入短路电流）定义：一个输入端接地，其它输入端悬空，流过接地输入端的电流。意义：关系到带同类门负载的个数，反映了R1的工艺质量。（是灌入前级门输出端的电流。）指标： IIL1.6mA8输入高电平电流IIH（也称为输入交叉漏电流）定义：任意输入端接高电平，其余输入端接地，流进接高电平输入端的电流。意义：是从前级门输出端拉出的电流，关系到带同类门负载的个数。指标：IIH40mA为减轻前级门的负担，本门的IIL、IIH小好。9输出低电平电流IOL定义：UO=UOL时，允许负载（后级门）灌入输出端的极限电流。意义：IOL反映吸电流能力。其值大，带灌电流负载能力强。规定：IOLmax=16mA10输出高电平电流IOH定义：UO=UOH时，允许负载（后级门）拉出输出端的极限电流。意义：IOH反映带拉电流负载的确能力。规定：IOHmax=0.4mA为提高带负载能力，本门的IOL、IOH大好。11扇出系数NO：定义：电路带同类门的个数。意义：说明带负载能力。通过7、8、9、10指标算出：输出低电平时：NOL=10.7(个)输出高电平时：NOH=20(个)取较小的整数，故扇出系数NO=10个指标：普通门NO8个，功率门NO16个或24个。12平均传输时间tpd1.5V or 50%tpd1tpd2UIUO定义：tpd=意义：反映工作速度。指标：普通门tpd40ns，高速门tpd5ns。*13空载导通电源电流ICCL（或空载导通功耗）T4截止(+5V)T5T3微通R5R4T4(+5V)T5截止T3R5R4定义：电路处于空载导通状态下的电流。意义：反映电路本身的功耗（PON=VCCICCL）指标：ICCL10mA*14空载截止电源电流ICCH（或空载截止功耗）定义：电路处于空载截止状态下的电流。意义：反映电路本身的功耗（POFF= VCCICCH）指标：ICCH5mA3.3.3 其他类型的TTL集成门电路1TTL集电极开路门OC门(1)“线与”的概念把几个门电路的输出端直接连在一起，使新的输出起到原几个输出的“与”作用，叫做“线与”，也称“隐与”。采用“线与”，可以在不增加门电路的基础上增加逻辑功能。但是，普通的TTL与非门不能接成线与形式。因为：当门电路输出有高有低时，有很大T3T2T1R1R2R3FABV CC (+5V)的电流由截止门流向饱和门。这不仅使UOL被抬高，而且功耗大，易烧坏截止门。(2)OC与非门&ABFVCCRL注意：使用时必须外接一个上拉电阻。上拉电阻的作用是：用来构成所需要的输出电平；选择原则是：既能保证UOH的需要，又能满足UOL的需要。.VCCRL&IRLIOHn个IOHIIHIIH.m个上拉电阻的计算：UO为高电平时IRL=nIOH+mIIH为保证UOUOH，RL不能太大。应有：VCC - RLIRLUOH所以：RL或者：RLmax=.VCCRL&IRLIOLIILIIL.m个+3.6VILMUO为低电平时最不利的情况是只有一个门导通为低电平，这时所有电流都灌入该门，为保证门不被烧坏，必须限制电流IOLILM。取IOL=ILM（尽限应用），有IRL=ILM-mIIL为保证UOUOL，RL不能太小。应有：VCC - RLIRLUOL所以：RL综上所述，RL的取值范围为：RL(3)主要应用实现“与或非逻辑”；用作电平转换；直接驱动指示灯、继电器等。VCCRL&FABCDVCCR&ABLED&AB&RLVCC&TTLFOCMOS2三态门(TS)除工作时电路的输出有高、低电平两个状态外，还有“禁止状态”，或称“高阻状态”。T4V CCT5T3T2T1R1R2R3R5R4FABEND&ABFENEN&ABFENENABFENABFENEN=1时，处于工作状态，其功能是Z=EN=0时，T5截止。D导通后又使UC21V，故T4也截止，即输出端“悬空”，处于高阻状态。（另一种：=0时，为工作状态；=1时，成高阻状态。见上图。）主要用途：能向一条导线上轮流传送几个不同的数据或控制信号。工作条件：任何时间里，只许一个门处于工作状态，所以要求：工作状态高阻状态较快较慢3.3.4TTL电路使用常识1产品系列国产的TTL集成电路共有五个系列：T1000标准系列（对应国外的SN5474系列）；T2000高速系列（对应国外的SN54H74H系列）；T3000 肖特基系列（对应国外的SN54S74S系列）；T4000低功耗肖特基系列（对应国外的SN54LS74LS系列）；T000系列。T000又分两个子系列：中速系列（与T1000类似)和高速系列（与T2000类似）。2多余输入端的处理对与非门：通过电阻接电源或直接接电源同有用端并联悬空（相当于逻辑1），容易受到干扰。对或非门：RIT5T2T1R1R2R3FV CC (+5V)T3同有用端并联接地（相当于逻辑0）。3开门电阻RON和关门电阻ROFFRON的定义：保证“与非门”开启，UO为低电平的条件下，允许的RI最小值。由：UIUIRIUON得RI1.45kW(T2导通时，IRI=IB1-IB2变小，按上式算出的值比实际值小。)典型值：RON2 kWROFF的定义：保证UO不低于额定值90%的条件下，允许的RI最大值。VCCR&ABLED由UIUOFF 得：RI686W。典型值：ROFF700 W当RIROFF时，与非门关闭，UO=UOH当RIRON 时，与非门开启，UO=UOLR&ABLED4带灌电流负载能力强于拉电流负载能力接发光二极管等负载时注意。3.4 MOS集成门电路以MOS管作为开关元件的门电路叫MOS门电路。MOS门电路的种类很多，以CMOS电路表现出很强的竞争力。在数字集成电路中，其产值和产量所占的比例仅次于TTL集成电路。CMOS电路的主要特点：静态功耗低；电压范围宽；抗干扰能力强；温度稳定性好；抗辐射能力强；成本低；电路简单，故集成度高；输入阻抗高，故扇出系数大。 其缺点是：工作速度不如TTL高、动态功耗随工作频率的升高而增大。吸、放电流较小。目前，国产的CMOS门电路有两个系列：C000系列（工作电压715V)和CC4000系列（工作电压318V）。CC4000系列与国外CD4000、MD14000系列对应，可以直接代换。3.4.1 NMOS门电路MOS是MOS数字集成电路的基本单元，学习它的工作原理，是研究MOS数字集成电路的基础。1 MOS管的结构P型硅衬底衬底引线N+N+源极s栅极g漏极dSiO2AIP型硅衬底衬底引线N+N+源极s栅极g漏极d掺杂Na、K后具有正离子的绝缘层原始导电沟道+增强型结构 耗尽型结构MOS管的图形符号衬底dsg衬底dsg衬底dsg衬底dsgN沟道增强型 P沟道增强型 N沟道耗尽型 P沟道耗尽型衬底的连接：N沟道总接电路中最低电位，P沟道总接电路中最高电位。3MOS管的开关作用MOS管属于电压控制器件。D、S之间的导电沟道，受G、S之间电压的控制。对增强型：UGSUT，D、S之间存在导电沟道，相当于开关闭合，UGSUT，D、S之间导电沟道消失，相当于开关断开。对耗尽型：UGSUP，D、S之间（原始）导电沟道消失，相当于开关断开，UGSUP，D、S之间存在（原始）导电沟道，相当于开关闭合。3NMOS反相器+VDDuiT1uoT2UT由两只增强型MOS管组成（叫E/EMOS反相器）。T1为驱动管；T2为负载管。由于G、D接在一起，故总有UGS-UDS=0UT，即T2靠近D极附近有夹断区，始终工作于饱和区。称饱和型有源负载。UOH=VDD-UTUOL=1V 要求RON2RON1。4NMOS与非门+VDDBT2FTLT1A+VDDAT1FT2BTL+VDDCT3FT4DTLAT1T2B与非门 或非门 与或非门集成度较高，但未解决动态、静态之间的矛盾，电源利用率也低。uOuiO0.5VDD0.5VDDAEBCD3.4.2 CMOS 反相器1CMOS非门（反相器）（互补型）工作管TN仍用N沟道增强型MOST；负载管TP则用P沟道增强型MOST。工作原理取VDDUTN+UTPA为低电平：UI0VUT，TN截止，但UGSPVDDUTP。故TP导通，UOHVDD；（电源利用率高）A为高电平：UIVDD，TN导通，而UGSP0，故TP截止，UOL0。（不取决于沟道电阻的分压）接近于理想开关。特性分析A区：uiUTN，TN截止，TP饱和；B区：uiUTN附近，TN开始向饱和进军，TP要退出饱和，uO开始下降；C区：ui继续增大到约0.5VDD后，TN、TP都导通，此时有较大的直通电流；D区：TP趋于截止，TN趋于饱和；E区：TP截止，TN饱和。CMOS门电路的特点：不足之处：工艺复杂，成本较高，集成度低（电路中间需隔离区）。3.4.3 其他类型的CMOS门电路1CMOS与非门电路图如图所示，功能表如表所示+VDDTN1FTP1TN2TP2AB2CMOS或非门CMOS门电路为互补型，故一个工作管必跟一个负载管；工作管串并联时，负载管就并串联。电路图如图所示，功能表如表所示+VDDTN1FTP