数字逻辑与数字系统,逻辑门电路讲解

1、第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路 本章主要内容本章主要内容半导体器件基础半导体器件基础门电路的相关概念门电路的相关概念基本逻辑门电路基本逻辑门电路TTL与非门电路与非门电路工作原理和电压传输特工作原理和电压传输特性性其他类型其他类型TTL门电路门电路OC门和三态门门和三态门MOS逻辑门逻辑门NMOS和和CMOS门电路门电路 半导体器件基础半导体器件基础半导体的基本知识半导体的基本知识半导体二极管半导体二极管半导体三极管半导体三极管1 1 半导体的基本知识半导体的基本知识 在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘

2、体和半导体。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。sisi硅原子硅原子Ge锗原子锗原子Ge+4+4硅和锗最外层轨道上的硅和锗最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。一. 本征半导体 本征半导体本征半导体化学

3、成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常称为称为“九个九个9”。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出

4、现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自

5、由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制二二. . 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称

6、为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。 N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的

7、示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关，与温度无关， 与掺杂浓度有关与掺杂浓度有关内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三. . PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1 . PN结的形成结的形成 少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，

8、补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V2. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成

9、正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无

10、关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻， PN结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。2 2 半导体二极管半导体二极管 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导

11、体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 一一 、半导体二极管的、半导体二极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V(1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压i

12、u0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V二极管的模型二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型串联电压源模型DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。理想二极管模型理想二极管模型ui正偏正偏反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性-+iuiu0三三. 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(

13、2) 反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。 (3) 反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极级；锗二极管在微安管在微安( A)级。级。2022-4-133 半导体三极管 半导体三极管，也叫晶体三极管。由半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为参与运行，

14、因此，还被称为双极型晶体双极型晶体管管（Bipolar Junction Transistor,简称简称BJT）。）。 BJT是由两个是由两个PN结组成的。结组成的。一一. .BJT的结构的结构NPN型PNP型-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极符号符号:-bce-ebc图中发射极的箭头方向表示发图中发射极的箭头方向表示发射结正偏时的实际电流方向射结正偏时的实际电流方向 三极管的结构特点：三极管的结构特点： 1、发射区的掺杂浓度大，面积小，作用是发、发射区的掺杂浓度大，面积小，作用是发射载流子；射载流子； 2、

15、集电区掺杂浓度低，且集电结面积大，作、集电区掺杂浓度低，且集电结面积大，作用是收集载流子。用是收集载流子。 3、基区掺杂浓度最低，且制造得很薄，其厚、基区掺杂浓度最低，且制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米，作用是传输度一般在几个微米至几十个微米，作用是传输载流子。载流子。 4、发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度、发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。 5、发射区与集电区的结构不同，不能互换。、发射区与集电区的结构不同，不能互换。输入特性曲线输入特性曲线以基极以基极b和发射极和发射极e之间的发射结作为输入回路之间的发射结作为输入回路共发射极接法输入特性曲线输入特性曲线的分区：死区、非线性区、线性

16、区。 输出特性曲线可以分为三个区域输出特性曲线可以分为三个区域: 以集电极以集电极c和发射极和发射极e之间的回路作为输出回路之间的回路作为输出回路饱和区饱和区iC受受uCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区截止区iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区放大区 曲线基本平行等曲线基本平行等 距。距。 此时，发此时，发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏。结反偏。 该区中有：该区中有：BCIIi

17、CIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区截止状态截止状态ecb放大状态放大状态UDIBICIBecb发射结导通压降发射结导通压降UD硅管硅管0.7V锗管锗管0.3V饱和状态饱和状态ecbUDUCES饱和压降饱和压降UCES硅管硅管0.3V锗管锗管0.1V直流模型直流模型2022-4-13半导体三极管的型号半导体三极管的型号第二位：第二位：A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、 C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管 第三位：第三位：X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功率管、低频大功率管、 G高

18、频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管用字母表示材料用字母表示材料用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B门电路的相关概念门电路的相关概念用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路，称为路，称为门电路门电路。与基本逻辑关系相对应。常。与基本逻辑关系相对应。常用的门电路有：与门、或门、与非门、或非门、用

19、的门电路有：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。异或门等。集成逻辑门电路集成逻辑门电路，是把门电路的所有元器件及，是把门电路的所有元器件及连接导线制作在同一块半导体基片上构成的。它连接导线制作在同一块半导体基片上构成的。它是组成一个较大数字系统的基本单元。是组成一个较大数字系统的基本单元。门电路的相关概念门电路的相关概念集成度集成度小规模小规模(Small Scale Integrated Circuit ,SSI)是由十几是由十几个门电路构成的。个门电路构成的。中规模中规模(Medium Scale Integrated Circuit, MSI)是由是由上百个门电路构成的。上百个门电路构

20、成的。大规模大规模(Large Scale Integrated Circuit ,LSI)是由几百是由几百个至几千个门电路构成的。个至几千个门电路构成的。超大规模超大规模(Very Large Scale Integrated Circuit ,VLSI)是由一万个以上门电路构成的。是由一万个以上门电路构成的。门电路的相关概念门电路的相关概念 应用应用 目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型型三极管组成，简称三极管组成，简称TTL (Transistor-Transistor Logic)集成电集成电路；另一类由路；另一类由MOS

21、FET构成，简称构成，简称MOS (Metal-Oxide Semiconductor) 集成电路。集成电路。 TTL门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是门电路属双极型数字集成电路，其输入级和输出级都是三极管结构，故称三极管结构，故称TTL。 MOS电路常用两种结构，一是电路常用两种结构，一是NMOS门电路，二是门电路，二是CMOS门门电路。电路。 CMOS门电路是由门电路是由NMOS管和管和PMOS管组成的互补管组成的互补MOS (Complementary)集成电路，属单极性数字集成电路。集成电路，属单极性数字集成电路。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门实

22、现与逻辑功能的电路，称为与门。实现与逻辑功能的电路，称为与门。 VA=VB=3V。由于。由于R接接 到电源到电源+12V上，故上，故DA、DB均导通，均导通，VF= 3+0.7V=3.7V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门VA=3V，VB=0V，由于，由于DB优先导通，优先导通，VF=0.7V，因，因而而DA截止，通常将截止，通常将DB导通，导通，使使VF=0+0.7V=0.7V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门VA=0V，VB=3V，由于由于DA导通，导通，VF=0+0.7V=0.7V，DB截截止。止。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门

23、二极管与门VA=VB=0V，此时，此时DA、DB均导通。均导通。 VF=0+0.7V=0.7V2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门0.70.70.73.7 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输入输入 VA(V) VB(V) 电位关系电位关系2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路二极管与门二极管与门A B0 00 11 01 1F0001真值表真值表如果规定如果规定3V以上为高电平，以上为高电平，0.7V以下为低电平，则得真值表以下为低电平，则得真值表2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门实现逻辑或功能的电路，称为或门。实现逻辑或功能的电路，称为或门。 VA

24、=VB=3V，由于，由于R接到电源接到电源-VEE（-12V）上，）上，故故 DA、 DB均 导 通 。均 导 通 。VF=VA-VD=2.3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门VA=0V，VB=3V，此，此时时DB导通，将导通，将VF钳位在钳位在2.3V，DA加反向电压截止。加反向电压截止。因此因此VF=VB-VD=2.3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门VA=3V，VB=0V，此，此时时DA导通，导通，DB截止，截止，VF=VA-VD=2.3V 。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门VA=VB=0V，DA、DB均导通，均导通，VF=0-VD=-0.7V

25、 。 2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门-0.72.32.32.3 0 0 0 3 3 0 3 3输出输出VF(V)输入输入 VA(V) VB(V) 电位关系电位关系2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路或门或门 A B0 00 11 01 1F0111真值表真值表如果规定如果规定2.3V以上为高电平，以上为高电平，0V以下为低电平，则得真值以下为低电平，则得真值表表2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 实现逻辑非门功能的电路，称作非门实现逻辑非门功能的电路，称作非门数字电路中，二极管，数字电路中，二极管，三极管均工作在开关状三极管均工作在开关状态。三极管工作在

26、饱和态。三极管工作在饱和态和截止态。态和截止态。2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 饱和时，其集电极输出为饱和时，其集电极输出为低电平低电平；截止时，其集电极输出高截止时，其集电极输出高电平。电平。 2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路非门非门(反相器反相器) 30.303VF (V)VI (V) 电位关系电位关系1001FA真值表真值表2.2 TTL与非门电路与非门电路 TTL与非门的工与非门的工作原理作原理 TTL与非门的典型与非门的典型电路电路TTLTTL与非门的典型电与非门的典型电路如图路如图2-62-6所示，它分所示，它分成输入级、中间级和成输入级、中间级和

27、输出级三个部分。输出级三个部分。输入级输入级中间级中间级输出级输出级 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输入级输入级由多发射极晶由多发射极晶体管体管T T1 1和电阻和电阻R R1 1组成，组成，通过通过T T1 1的各个发射极的各个发射极实现与逻辑功能。实现与逻辑功能。多发射极晶体管多发射极晶体管 T1 的等效电路的等效电路 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路中间级中间级由由T T2 2、R R2 2、R R3 3组组成。成。其主要作用是从其主要作用是从T T2 2管管的的集电极集电极c2c2和和发射极发射极e2e2同时输出两个同时输出两个相位相位相反的信号相反的信号，分别驱，分别驱

28、动动T T3 3和和T T5 5管，来保证管，来保证T T4 4和和T T5 5管有一个管有一个导通导通时，时，另一个就另一个就截止截止。 TTL与非门的典型电路与非门的典型电路输出级输出级由由R4、R5、T3、T4、T5组成，组成，T5是反相是反相器，器，T3、T4组成复合管组成复合管作为作为T5管的有源负载，管的有源负载，并与并与T5组成推拉式电路组成推拉式电路，使输出无论是高电平，使输出无论是高电平或是低电平，输出电阻或是低电平，输出电阻都很小，提高了带负载都很小，提高了带负载能力。能力。工作原理工作原理则则VB1=VIL+VBE1 =0.3+0.7=1VVB2 =VC1=VCES1+V

29、IL =0.1+0.3=0.4V0.3VDA导通导通设设A=0 B=1 C=1 (VIL=0.3V) ，1V0.3V所以：所以：T2 、T5 截止截止T3 、T4 导通导通VF = 5UBE3UBE4 50.70.7 = 3.6V拉电流拉电流F = 1工作原理工作原理设设A = B = C =1，即，即VA=VB=VC=VIH=3.6V，3.6V3.6V3.6V2.1VT1管的基极电位升管的基极电位升高，使高，使T1管的集电结、管的集电结、T2和和T5的发射结正向的发射结正向偏置而导通，偏置而导通，T1管的管的基极电位基极电位VB1被箝位在被箝位在2.1V（3个个PN结压降结压降和）。和）。1

30、.4V故故T1管处于倒置工作状管处于倒置工作状态，态， T2和和T5饱和导通，饱和导通，饱和压降为饱和压降为0.3V,输出输出VO = 0.3V , T2管的集电极电管的集电极电位位VC2=VCE2+VBE5 =0.3+0.7=1VT3微导通，微导通，T4截止。电截止。电路输出路输出VO=0.3V=VOLVF =0.3V灌电流灌电流结论：结论：电路只要输入有一个为低电平电路只要输入有一个为低电平时，输出就为高电平；只有输时，输出就为高电平；只有输入全为高电平时，输出才为低入全为高电平时，输出才为低电平。该门为与非门。即电平。该门为与非门。即1.输入不全为输入不全为1时，输出为时，输出为12.输

31、入全为输入全为1时，输出为时，输出为0真值表为：真值表为：111111100 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1FA B C真值表真值表ABCF 2.TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 电压传输特性电压传输特性是描述输出电压是描述输出电压vO与输入电压与输入电压vI之间对应关系的曲线，如图之间对应关系的曲线，如图2-7所示。所示。TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性AB段（截止区）：段（截止区）：vI0.6V，输出电压，输出电压vO不随输入电压不随输入电压vI变化，变化，保持在高电平保持在高电平VH。由于这段由于这段T2和和T5管

32、截管截止，故称截止区。止，故称截止区。TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性BC段段(线性区线性区)：0.6VvI1.3V输出电压输出电压vO随输入电随输入电压压vI的增大而线性降的增大而线性降低，故该段称为线性低，故该段称为线性区。区。TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段段(过渡区过渡区)：1.3VvI1.4V，由于，由于vI的微小变化而引起输的微小变化而引起输出电压出电压vO的急剧下降的急剧下降，故此段称为过渡区，故此段称为过渡区或转折区。或转折区。TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性CD段段(过渡区过渡区)：CD段中点对应的输入段中点对应的输入电压是输出

33、高、低电电压是输出高、低电平的分界线，故此电平的分界线，故此电压称压称阈值电压阈值电压VT（门门槛电压槛电压），），VT=1.4V。VT是决定与非门状态的重要参数。当是决定与非门状态的重要参数。当vIVT时，时，与非门截止，输出高电平。与非门截止，输出高电平。当当vIVT时，与非门饱和导通，输出低电平。时，与非门饱和导通，输出低电平。VTTTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性DE段（饱和区）：段（饱和区）：vI1.4V以后，以后，T2、T5管饱和导通，故称该管饱和导通，故称该段为饱和区。段为饱和区。2.3 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 TTL门电路除了与非门外，还有其它逻辑门

34、电路除了与非门外，还有其它逻辑功能的门电路，如与门、或门、或非门、功能的门电路，如与门、或门、或非门、与或非门、异或门、同或门、集电极开路与或非门、异或门、同或门、集电极开路门和三态门等，还有与扩展器、或扩展器门和三态门等，还有与扩展器、或扩展器和与或扩展器等。和与或扩展器等。主要介绍集电极开路门（主要介绍集电极开路门（OC门）和三态门）和三态门。门。集电极开路门集电极开路门(OC门门)线与线与 ：把几个逻辑门的把几个逻辑门的输出端直接连在一起实输出端直接连在一起实现逻辑与。现逻辑与。 TTL与非门直接线与出与非门直接线与出现的问题：现的问题：F1=1，F2=0就会在电源和就会在电源和地之间形

35、成一个低阻通路，地之间形成一个低阻通路，破坏了逻辑关系，还会把截破坏了逻辑关系，还会把截止门中的导通管止门中的导通管T4烧坏。烧坏。 集电极开路门集电极开路门(OC门门)(1)电路结构：电路结构：把把TTL与非门电路的推拉输出级改为与非门电路的推拉输出级改为三极管集电极开路输出三极管集电极开路输出,称为集电极开路称为集电极开路(Open Collector)门电路。门电路。RL上上拉拉电电阻阻集电极开路门集电极开路门(OC门门)逻辑符号如图逻辑符号如图(b)所示。所示。 逻辑功能：逻辑功能：ABF 几个几个OC门的门的输出端直接并输出端直接并联后可共用一联后可共用一个集电极负载个集电极负载电阻

36、电阻RL和电源和电源VCC。 只要恰当地选择只要恰当地选择电源电压和负载电源电压和负载电阻，就可以保电阻，就可以保证输出电平的高、证输出电平的高、低要求，而又有低要求，而又有效地防止输出管效地防止输出管电流过大。电流过大。 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：门的应用：实现与或非逻辑实现与或非逻辑(线与线与)将几个将几个OC门的输出直接并联在一起，然后通过门的输出直接并联在一起，然后通过一个公共上拉电阻一个公共上拉电阻RL接到电源接到电源VCC上，如图上，如图2-19。111BAF 222BAF nnnBAF ， nnnBABABAFFFF221121nnBABABA2211实现

37、了与或实现了与或非的功能非的功能 集电极开路门集电极开路门(OC门门)OC门的应用：门的应用：实现电平转移实现电平转移 在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）在数字系统的接口（与外部设备相联系的电路）需要有电平转换的时候，常用需要有电平转换的时候，常用OC门实现。门实现。 ， 要把高电平转换为要把高电平转换为10V时，时，可将外接的上拉电阻接到可将外接的上拉电阻接到10V电源上。这样电源上。这样OC门的门的输入端电平与一般与非门输入端电平与一般与非门一致，而输出的高电平就一致，而输出的高电平就可以变为可以变为10V。达到了电平。达到了电平转换的目的。转换的目的。集电极开路门集电极开路门(O

38、C门门)OC门的应用：门的应用：用作驱动器用作驱动器 用用OC门驱动指示灯、继电器和脉冲变压器门驱动指示灯、继电器和脉冲变压器等。当用于驱动指示灯时，上拉电阻由指等。当用于驱动指示灯时，上拉电阻由指示灯代替，指示灯的一端于示灯代替，指示灯的一端于OC门的输出相门的输出相连，另一端接上电源。如果电流过大，可连，另一端接上电源。如果电流过大，可串入一个适当的限流电阻。串入一个适当的限流电阻。， 三态输出门（三态输出门（TLS门）门）三态逻辑（三态逻辑（Three State Logic）输出门，）输出门，简称简称TSL门。它是在一般门电路的基础上增门。它是在一般门电路的基础上增加控制电路和控制端构

39、成的。加控制电路和控制端构成的。三态输出是指三态门处于工作状态的三态输出是指三态门处于工作状态的高电高电平、低电平平、低电平和非工作状态的和非工作状态的高阻态高阻态（禁止态（禁止态、开路态）。、开路态）。三态输出门（三态输出门（TLS门）门）三态与非门的电路结构如图三态与非门的电路结构如图(a) 所示。所示。EN三态输出门（三态输出门（TLS门）门）BABAF1工作原理工作原理VEN=0.3V (EN=0),Vb1=1.0V,Vb3=1.0V,T4、T5截止。截止。即即EN=0输出为高阻态输出为高阻态VEN=3.6V(EN=1), D截止，就是与非门。截止，就是与非门。三态输出门（三态输出门（

40、TLS门）门）三态门的用途：三态门的用途：在总线传输中的应用在总线传输中的应用利用三态门向同一个总线利用三态门向同一个总线MN上轮流传输信号不会互相干扰。上轮流传输信号不会互相干扰。 工作条件是：工作条件是：在任何时间里只在任何时间里只能有一个三态门处于工作状态，能有一个三态门处于工作状态，其余的门处于高阻态。其余的门处于高阻态。 三态输出门（三态输出门（TLS门）门）三态门的用途：三态门的用途：实现数据双向传输实现数据双向传输EN=0，G1高阻，高阻， G2有效，有效，N经经G2向向M送送数据。数据。 EN=1，G2高阻，高阻， G1 有效，有效，M经经G1向向N送数据。送数据。2.4 MO

41、S逻辑门逻辑门MOS集成电路分集成电路分PMOS、NMOS和和CMOS三种。三种。NMOS电气性能较好，工艺较简单，适合制作高电气性能较好，工艺较简单，适合制作高性能的存储器、微处理器等大规模集成电路。性能的存储器、微处理器等大规模集成电路。CMOS电路以性能好、功耗低等特点，得到愈来电路以性能好、功耗低等特点，得到愈来愈广泛的应用，已成为数字集成电路的发展方向。愈广泛的应用，已成为数字集成电路的发展方向。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。多采用增强型。主要介绍主要介绍NMOS和和CMOS门电路。门电路。 1.N沟道增强型沟道增强型

42、MOS管管金属层金属层氧化物层氧化物层半导体层半导体层PN结结S (Source)：源极：源极; G (Gate)：栅极：栅极D (Drain)：漏极：漏极; B (Substrate):衬底衬底（1）电路结构和符号）电路结构和符号 （2）N沟道增强型沟道增强型MOS管转移特性曲线管转移特性曲线 MOS管和晶体管一样可以当开关用。管和晶体管一样可以当开关用。MOS管管D-S间相当于一个受间相当于一个受VI 控制的开关。控制的开关。（3）NMOS管的开关特性管的开关特性当用增强型当用增强型NMOS做工作管时，如输入电压做工作管时，如输入电压vI为为高电平高电平（大于开启电压（大于开启电压VT）则

43、）则NMOS管管导通导通，开，开关闭合，输出电压关闭合，输出电压vO为为低电平低电平。（3）NMOS管的开关特性管的开关特性输入电压输入电压vI为为低电平低电平时则时则NMOS管管截止截止，开，开关断开，输出电压关断开，输出电压vO为为高电平高电平。（3）NMOS管的开关特性管的开关特性（4 4）NMOS反相器反相器T1管为工作管管为工作管(驱动管、控制管驱动管、控制管)，T2管为负载管，管为负载管，故此电路称为有源负载反相器。故此电路称为有源负载反相器。T2管：管： VGD=VGS-VDS=0VT，故，故T2管工管工作在饱和区，作在饱和区，T2管称饱管称饱和型负载管，总是处于和型负载管，总是

44、处于导通状态。导通状态。vI为高电平且为高电平且vIVT1时，时，T1、T2管同管同时导通，时导通，vI为高电平为高电平时，时，vO为低电平。为低电平。当输入电压当输入电压vI为低为低电平时电平时(vIVT1)，T1管截止，输出为高电管截止，输出为高电平平(vO=VOH=VDD-VT2)。 具有两个输入端的具有两个输入端的NMOS 与非门电路如图与非门电路如图2-27所所示。示。当输入当输入A、B都为都为高电平时，串联高电平时，串联的两个工作管的两个工作管T1、T2都导通，电路都导通，电路的输出即为低电的输出即为低电平；平；（5）NMOS与非门与非门具有两个输入端的具有两个输入端的NMOS 与

45、非门电路如图与非门电路如图2-27所所示。示。当输入当输入A、B中中有一个为低电平时，有一个为低电平时，则串联的两个工作则串联的两个工作管管T1、T2中必有一中必有一个截止，则使电路个截止，则使电路输出为高电平。输出为高电平。电路的输出与电路的输出与输入之间为与非输入之间为与非逻辑关系，即逻辑关系，即ABF （5）NMOS与非门与非门2.CMOS门电路门电路CMOS反相器是构成反相器是构成CMOS集成电路的基本单元。集成电路的基本单元。CMOS反相器电路，是由互反相器电路，是由互补的增强型补的增强型NMOS管管T1和和PMOS管管T2串联组成的。串联组成的。栅极栅极连在一起，作为反相器连在一起，作为反相器的的输入端输入端，漏极漏极连在一起作连在一起作为反相器的为反相器的输出端输出端。（1）CMOS反相器反相器 电路结构电路结构电源电压条件电源电压条件电源电压条件：电源电压条