第2章逻辑门电路

1、第第2章章 逻辑门电路逻辑门电路 2.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性2.2 分立元件门电路分立元件门电路2.3.1 TTL与非门的电路结构与非门的电路结构2.3.5 OC门、三态门门、三态门逻辑门逻辑门（集成逻辑集成逻辑门）门）：在逻辑门电路中，在逻辑门电路中，晶体管和晶体管和MOS管工作管工作在在开关状态开关状态。是实现基本是实现基本逻辑功能的电子电路逻辑功能的电子电路。2.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性开关特性是指：在信号控制下，晶体管在导开关特性是指：在信号控制下，晶体管在导通与截止两种不同状态之间的转换过程。通与截止两种不同状态之间的转换过程。理想开关特性：理想开关特性：闭

2、合时电阻为闭合时电阻为0，断开时电阻无穷大；，断开时电阻无穷大；开关转换时间为开关转换时间为0；开关特性不受温度等影响。开关特性不受温度等影响。晶体管的实际开关特性：晶体管的实际开关特性：导通时具有一定内阻，截止时有一定的反向电流；导通时具有一定内阻，截止时有一定的反向电流；PN结中存在的势垒电容和扩散电容，使得在两个结中存在的势垒电容和扩散电容，使得在两个状态间的转换需要时间；状态间的转换需要时间；晶体管特性受温度影响大。晶体管特性受温度影响大。RCICRbIBViVoVcc2.1.2 晶体三极管晶体三极管的开关特性的开关特性饱和区，饱和区，vCE近似为近似为0CECE截止区，截止区，iC近

3、似为近似为0；截止区截止区饱饱和和区区放大区放大区ICEOVcesICEO饱和导通条件饱和导通条件:IBIBS=ICS VCCRC2.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性GSDRDVCCMOS管的三个工作区：管的三个工作区：截止区；非饱和区；饱和区。截止区；非饱和区；饱和区。MOS管作开关使用时，通常工作在管作开关使用时，通常工作在截止截止区和区和非饱和非饱和区。区。数字集成电路中常用的数字集成电路中常用的MOS管为管为P沟道增强型和沟道增强型和N沟道增沟道增强型。强型。NMOS管开关管开关电路电路2.2 分立元件门电路分立元件门电路2.2.1 二极管门电路二极管门电路1. 二极管与门二极管

4、与门 &ABCFDADBDCROVCC(5V)ABCFVIL=0VVIL=3V1) 1) 当当ABC三输入端均为高电平三输入端均为高电平1 1（3V）时时DA、DB、DC均导均导通，通，F=1（3V）2) 2) 当当ABC三输入端至少有一端为低电平三输入端至少有一端为低电平0 0（0V）时时输入端为输入端为0 0的二极管导通，的二极管导通，F=0（0V）ABCF 设二极管为理想开关设二极管为理想开关2. 2. 二极管或门二极管或门 1ABCFDADBDCROVCC(-5V)ABCFCBAF2.2.2 三极管门电路三极管门电路1. 非门非门（反相器）（反相器）当当vI = VL时，时，T可靠截止

5、；可靠截止；当当vI = VH时，时，T可靠饱和。可靠饱和。CCOHVvV0CE(sat)OLVvVLVH截止时，截止时，iC0,饱和时，饱和时，iC=ICSvOHvOLTTL电路分类电路分类: 中速中速TTL、高速高速TTL(HTTL)、肖特基肖特基TTL(STTL)、低低功耗功耗TTL(LTTL) 、低功耗肖特基低功耗肖特基TTL(LSTTL) 、先进低先进低功耗肖特基功耗肖特基TTL(ALSTTL)等。等。 2.3 TTL门电路门电路TTL（Transistor Transistor Logic）2.3.1 TTL与非门与非门电路结构电路结构输入级输入级中间级中间级输出级输出级输入级：输

6、入级：通过多发射极晶体管通过多发射极晶体管T1的发射结实现与逻辑。的发射结实现与逻辑。中间级：中间级：由由T2的集电极和发射极同的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，时输出两个相位相反的信号，作为输出级的驱动信号。作为输出级的驱动信号。输出级为推拉式。输出级为推拉式。静态功耗低静态功耗低，提高带负载能力。，提高带负载能力。2.3.2 TTL与非门工作原理与非门工作原理1. 当至少有一个输入当至少有一个输入端为低电平（端为低电平（0.3V）时，）时，0.3V1VV6 . 3D4BE3B2B3CCO vvRiVv输出高电平（输出高电平（VOH）T1 饱和，饱和， T2、 T4 截止，截止，T

7、3、 D 导通。导通。晶体管导通时，晶体管导通时，VBE约为约为0.7V， VCE约为约为0.3V。2. 当输入全为高电平（当输入全为高电平（3.6V）时）时3.6V2.1V0.7V0.7V0.7V0.3V1V0.3VV3 . 0CE(sat)4O Vv输出低电平（输出低电平（VOL）综上所述，该电路具综上所述，该电路具有有与非与非的逻辑功能的逻辑功能,即：即：输出高电平输出高电平关态；关态；输出低电平输出低电平开态。开态。T1 倒置，倒置， T2、 T4 饱和，饱和，T3、 D 截止。截止。ABCY T3、 D 导通，输出级工作在射导通，输出级工作在射极输出状态，呈现低阻抗输出。极输出状态，

8、呈现低阻抗输出。当电路处于关态时：当电路处于关态时：当电路处于开态时：当电路处于开态时： T4 饱和，输出电阻也很低。饱和，输出电阻也很低。3.推推拉输出电路的作用拉输出电路的作用结论：无论结论：无论电路是开态还是关态，均具有较低的电路是开态还是关态，均具有较低的输出电阻，因而提高了带负载能力。输出电阻，因而提高了带负载能力。1.1.集电极开路门集电极开路门( (OC门门) ) R1D1FVcc(5V)1.6kR24kR31kD2ABT1T2T5&ABF逻辑符号逻辑符号（Open Collector)2.3.5 其他类型的其他类型的TTL门电路门电路 两与非门输出直接连接两与非门输出直接连接使

9、输出低使输出低电平升高电平升高TTL电路，无论处于电路，无论处于开态或关态，输出端都是开态或关态，输出端都是低阻抗。若两门输出状态低阻抗。若两门输出状态不同，将会有一大负载电不同，将会有一大负载电流由关态门的流由关态门的T3管流进开管流进开态门的态门的T4管，使输出低电管，使输出低电平升高，甚至损坏门电路。平升高，甚至损坏门电路。采用采用OC门可解决。门可解决。2) 2) 作电平转换器作电平转换器 改变和上拉电阻相连的电源改变和上拉电阻相连的电源值，可改变输出高电平的值。值，可改变输出高电平的值。&ABF10VRL3) 3) 作驱动器作驱动器 OC门能输出较大的电压门能输出较大的电压和电流，可

10、直接作为驱动和电流，可直接作为驱动器驱动发光二极管、脉冲器驱动发光二极管、脉冲变压器等。变压器等。 ABY CD RLVCCOC门作用：门作用：CDABCDABY1）实现）实现线与逻辑线与逻辑2. 三态输出门三态输出门(TSL门门)三态三态门的门的输出有三个状态输出有三个状态,即即: 0,1和和高阻高阻,由使能端控由使能端控制电路制电路的输出状态。的输出状态。工作原理：工作原理：EN = 0 时，时，EN = 1 时，时，D截止，截止，实现正常与非功能。实现正常与非功能。符号：符号： ABYENP0，T2、T4截止，截止，D导通，导通，T3截止，截止，ABY 高电平有效高电平有效低电平有效低电

11、平有效使能端使能端输出呈现高阻状态。输出呈现高阻状态。 ABYEN三态三态门的基本用途为实现用一根导线轮流传输门的基本用途为实现用一根导线轮流传输几个不同的数据或控制信号几个不同的数据或控制信号, ,通常将接受多个门通常将接受多个门的输出信号的线称为的输出信号的线称为总线总线。A1EN1FEN1A2EN2FEN1A3EN3FEN1总线总线单向总线结构单向总线结构实现实现数据数据双向双向传输传输 A1B1EN1 A2B2EN2 A3B3EN3.实实现现总总线线结结构构三态门总三态门总线结构与线结构与OC门线门线与的区别？与的区别？ ABY CD RLVCC三态三态门的基本用途为实现用一根导线轮流

12、传输门的基本用途为实现用一根导线轮流传输几个不同的数据或控制信号几个不同的数据或控制信号, ,通常将接受多个门通常将接受多个门的输出信号的线称为的输出信号的线称为总线总线。2.5 CMOS门电路门电路MOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、门电路具有制造工艺简单、集成度高、功耗低、体积小、成品率高等体积小、成品率高等优点优点,特别特别适用于中、大规模集成适用于中、大规模集成电路的电路的制造制造.栅栅源输入电阻很高，源输入电阻很高，静态负载能力强；静态负载能力强；栅极漏电流小。栅极漏电流小。截止截止时输出电阻很大，导通时输出电阻较小。时输出电阻很大，导通时输出电阻较小。GDSGDSN 沟

13、道增强型沟道增强型:P 沟道增强型沟道增强型:0GS(th)N V开启电压开启电压0GS(th)P V开启电压开启电压GDSGSDvIvOT0TL+VDD0GS(th)NV开启电压0;GS(th)PV当当 vI 为低电平时，为低电平时，N管截止，管截止，P管导通，输出高管导通，输出高电平；电平；当当 vI 为高电平时，为高电平时，P管截管截止，止，N管导通，输出低电平。管导通，输出低电平。2.5.1 CMOS反相器反相器2.5.5 其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路 1.CMOS与非门与非门 2.CMOS或非门或非门 3CMOS传输门（传输门（TG门）门） 功能是：在控制信号的作用下，实

14、现输入和功能是：在控制信号的作用下，实现输入和输出间的双向传输。输出间的双向传输。 当当C0时，两管都截止，输入时，两管都截止，输入和输出间呈高阻抗，传输门截止；和输出间呈高阻抗，传输门截止；当当C1时，传输门导通。时，传输门导通。0 GS(th)NV0 GS(th)PV符号：符号： 关于关于CMOS传输门：传输门：(1)(1)由于由于MOS为对称的为对称的, ,源极和漏极可以互换源极和漏极可以互换, ,输入和输出输入和输出 端也可互换端也可互换, ,即即CMOS传输门为双向的。传输门为双向的。(2) (2) 传输门和非门结合传输门和非门结合, ,可组成模拟开关。可组成模拟开关。CMOS双向模拟开关的电路结构和符号双向模拟开关的电路结构和符号 CMOS三态非门三态非门 VDDT2T1FAT1T2EN1EN=0 F=A;EN=1 F对外呈高阻。对外呈高阻。CMOS三态门可方便地三态门可方便地用于构成总线结构。用于构成总线结构。4三态输出的三