数字逻辑设计

1、第6讲2022-3-21学习目标：1.了解半导体二极管、三极管和CMOS管的开关特性及等效电路。2.了解TTL与非门的工作原理和主要性能指标。3.掌握集电极开路门（OC门）、三态输出门的逻辑功能、特点和用途。4.熟悉TTL与非门、CMOS逻辑门使用注意事项。第6讲2022-3-22集成逻辑门电路主要有TTL门电路和COMS门电路。TTL门由双极型晶体管组成，CMOS门电路由单极型MOS管组成。TTL门电路的工作速度高，但功耗也较大，集成度不高；CMOS门电路功耗小，集成度高，但工作速度较低。第6讲2022-3-23各种门电路的输入和输出，只有高电平和低电平两种不同的状态。高电平和低电平都有一定

2、的范围。V6 . 3V4 . 2SHUSLUV8 . 0V0高低电平示意图标准高电平USH常取3.6V；低电平USL常取0.3V。第6讲2022-3-24正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。 正负逻辑的规定 正负逻辑的转换对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。 本书若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。 同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。第6讲2022-3-25 数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。逻辑变量两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种

3、取值：0和1；电子开关有两种状态：闭合、断开。第6讲2022-3-26半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。 (1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。 闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。 理想开关的开关特性： 第6讲2022-3-27客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很

4、好。第6讲2022-3-28静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（锗）RD几 几十相当于开关闭合 二极管的伏安特性曲线第6讲2022-3-29反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百k）相当于开关断开二极管的伏安特性曲线第6讲2022-3-2102. 动态特性：二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。一般为纳秒数量级。第6讲2022-3-2113.2.2 3.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性 1. 静态特性及开关等效电路在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡

5、状态。三极管的三种工作状态（a）电路 （b）输出特性曲线第6讲2022-3-212开关等效电路(1) 截止条件 条件：发射结反偏特点：电流约为0 第6讲2022-3-213(2)饱和条件条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅第6讲2022-3-214三极管开关等效电路饱和时CCCCCESCCCSRVRUVICSBSIICCCBSRVICCCBSBRVIi三极管的饱和条件：第6讲2022-3-2152. 三极管的开关时间（动态特性）三极管的开关时间 开启时间t tonon 上升时间t tr r延迟时间t td d关闭时间t toffoff下降时间t tf f

6、存储时间t ts s第6讲2022-3-216(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(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf ：下降时间toff ton 。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。第6讲2022-3-217一般采用增强型MOS组成开关电路，并由栅源电压uGS控制MOS管的截止或导通。截止状态导通状态NMOS管电路图第6讲2022-3-2183.2.4抗饱和三极管抗饱和三极管它是在三极管基极和集电极之间并

7、接一个肖特基二极管（简称SBD）构成的。肖特基二极管的正向压降小，约为0.4V，容易导通，可分流三极管的一部分基极电流，使三极管工作在浅饱和状态，从而大大缩短三极管的开关时间，提高工作速度。在集成电路中肖特基二极管和三极管制作在一起。 第6讲2022-3-219门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便

8、构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。第6讲2022-3-2203.3.13.3.1二极管与门电路二极管与门电路 电路工作原理A、B为输入信号 （+5V+5V或0V0V）Y 为输出信号 VCC+5V+5V电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0V0V0V0V0V0V5V5V0V0V5V5V0V0V0V0V5V5V5V5V5V5V第6讲2022-3-221用逻辑1 1表示高电平（此例为+3.6V+3.6V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.3V）3. 逻辑赋值并规定高低电平4. 真值表ABY0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1二极管与门

9、的真值表A、B全1，Y才为1。可见实现了与逻辑ABY0V0V0V0V0V0V0V0V5V5V0V0V5V5V0V0V0V0V5V5V5V5V5V5V第6讲2022-3-222逻辑符号逻辑表达式YA B&ABY第6讲2022-3-223电路工作原理电路输入与输出电压的关系A、B为输入信号（+5V或0V）Y为输出信号 ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3V第6讲2022-3-2244. 真值表可见实现了或逻辑3. 逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1 1表示高电平（此例为+3.6V+3.6V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.3V）A、B有1，Y就1。二极管或门的真值表ABY

10、000011101111ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3V第6讲2022-3-225逻辑符号逻辑表达式FA+ B1YAB第6讲2022-3-226电路工作原理A、为输入信号 （+3.6V或0.3V）Y为输出信号 1YAAY0.3V+VCC3.6V0.3V第6讲2022-3-2273. 逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1 1表示高电平（此例为+3.6V+3.6V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.3V）4. 真值表三极管非门的真值表可见实现了非逻辑AY AY0.3V+VCC3.6V0.3VAY0110A与Y相反第6讲2022-3-228 1.与非门电路与非门电路AB1

11、DV2DV3RCRCCVV1R&YYABBAY第6讲2022-3-229二、或非门电路二、或非门电路YABBAY1第6讲2022-3-230 第6讲2022-3-231TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。TTL电路的基本环节是反相器。简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。第6讲2022-3-2321R2R4RVVCC5k8 . 2760585Rk43R4701DV2DVABY1B1C1V2V3V4V5V2C输入级中间级输出级一、一、TTLTTL与非门的工作原理与非门的工作原理1. 电

12、路组成第6讲2022-3-233(1) 输入级当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导通， uB1=1.0V当输入高电平时， uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。第6讲2022-3-234(2) 中间级反相器V2实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。输入高电 压时饱和输入低电压时截止第6讲2022-3-235(3) 输出级（推拉式输出） V3、V4为复合管低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通第6讲2022-3-2362. 逻辑功能逻辑功能1.当输入A、B中有低电平UIL=0.3V时1R2R4RVVCC5k8 . 2760585Rk4

13、3R4701DV2DVABY1B1C1V2V3V4V5V2C输入级中间级输出级1V第6讲2022-3-2371R2R4RVVCC5k8 . 2760585Rk43R4701DV2DVABY1B1C1V2V3V4V5V2C输入级中间级输出级1V5VVuuVUuBEBECCH6 . 3)7 . 07 . 0(5)(4300输出高电平输出高电平与非门处于关闭状态第6讲2022-3-2381R2R4RVVCC5k8 . 2760585Rk43R4701DV2DVABY1B1C1V2V3V4V5V2C输入级中间级输出级2.1V1.当输入A、B都为高电平UIH=3.6V时1V第6讲2022-3-2391R2R4RVVCC5k8 . 276