第3章逻辑门电路

1、 数字电子技术数字电子技术 第三章第三章 逻辑门电路逻辑门电路3-1 VD&VT3-1 VD&VT的的开关开关特性特性3-2 3-2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路3-5 C3-5 CMOS电路与电路与TTL电路的连接电路的连接3-3 3-3 TTL集成集成门门电路电路3-4 MOS3-4 MOS集成门电路集成门电路 重点重点: :1 1 . 各种门的逻辑功能各种门的逻辑功能; ; 2 2 . TTL TTL门的外特性的理解门的外特性的理解, ,掌握掌握和运用和运用. . 难点难点: :1 1 .CMOS门电路的工作原理与门电路的工作原理与外特性的理解外特性的理解. .3 31.1. 晶体管的开

2、关特性晶体管的开关特性如果以输出的高电平表示逻辑如果以输出的高电平表示逻辑 “ 1 ”，则为正逻辑，反之，则为正逻辑，反之为负逻辑。为负逻辑。用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为 门电路门电路.1 1、门电路门电路2 2、正、负逻辑正、负逻辑本课件中，全部采用本课件中，全部采用正逻辑。正逻辑。一、概述一、概述二二、二极管开关特性二极管开关特性1 1、静态静态- -AK+ +DUP区区N区区+- - - - -正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区0.5 0.7/ /mADI/ /V0(BR)UDU阳极阳极阴极

3、阴极AKPN结结DI V7 . 0D U V5 . 0 DU(1). 外加正向电压外加正向电压( (正偏正偏) )二极管导通二极管导通( (相当于开关闭合相当于开关闭合) )(2). 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) )二极管截止二极管截止( (相当于开关断开相当于开关断开) ) 0D I硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性2 2、动态动态(1).(1).二极管从正向导通到反向截止的过程二极管从正向导通到反向截止的过程RLviiDvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit在在0t1期间，期间，vi VF时，时，D导通，电路中有电流流过：导通，电路中有电流流过：二极管动态电流波形二

4、极管动态电流波形RLviiDvitVF-VRIF-IRt1tstt0.1IRit存储时间存储时间渡越时间渡越时间在在t1 时，突然时，突然 I VR时，时，电路中电流电路中电流 i = ?通常将二极管从导通转为截止所通常将二极管从导通转为截止所需的时间称为需的时间称为反向恢复时间反向恢复时间: tre= ts+tt正向（饱和）电流愈大，电正向（饱和）电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，存荷的浓度分布梯度愈大，存储的电荷愈多，电荷消散所储的电荷愈多，电荷消散所需的时间也愈长。需的时间也愈长。产生反向恢复的过程的原因：产生反向恢复的过程的原因：存储电荷消散需要时间存储电荷消散需要时间反向恢复时间一般

5、在纳秒数量级反向恢复时间一般在纳秒数量级。 P区区 N区区 势势垒垒区区 + - P区区的的电电子子浓浓度度分分布布 N区区的的空空穴穴浓浓度度分分布布 (2).(2).二极管从反向截止到正向导通的过程二极管从反向截止到正向导通的过程二极管从截止转为正向导通所需的时间称为二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。开通时间。原因是：原因是：PN结加正偏电压时，其正向压降很小，比结加正偏电压时，其正向压降很小，比VF小小得多，故电路中的正向电流得多，故电路中的正向电流IF VF / RL 。主要由外电路参。主要由外电路参数决定。数决定。结论：结论：二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以

6、忽二极管的开通时间与反向恢复时间相比很小，可以忽略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间。略不计。二极管的动态特性主要考虑反向恢复时间。三、三、 三极管开关特性三极管开关特性NNP集电极集电极collector基极基极base发射极发射极emitteriBiCcbeNPN集电结集电结发射结发射结1. BJT的工作状态的工作状态 VCC RC iC T Rb ib + v1 b +VB1 IB5 iC IBS=IB4 IB3 IB2 IB1 A vCE VCC iB=0 VCES O ICS VCC /Rc C CIBS=VCC/ Rc ICS= VCC/Rc CEVCES0.2V截止状态截

7、止状态cbe饱和状态饱和状态Vb=0.7v, Vc=0.3vebc工作状态工作状态截截 止止放放 大大饱饱 和和条件条件iB0 0 iB 工工作作特特点点偏置情况偏置情况 发射结和集电发射结和集电结均为反偏结均为反偏 发射结正偏，发射结正偏，集电结反偏集电结反偏 发射结和集电发射结和集电结均为正偏结均为正偏集电极电集电极电流流iC 0Ic iB 且不随且不随iB增加而增加而增加增加管压降管压降VCEO VCCVCEVCCiCRcVCES 0.20.3 V c、e间等间等效内阻效内阻 很大，约为数很大，约为数百千欧，相当百千欧，相当于开关断开于开关断开可变可变很小，约为数百很小，约为数百欧，相当

8、于开关欧，相当于开关闭合闭合 CSI CSI5 ,1.,30CCCBVV RKRK1000iuV3iuVou 50,CCiBCVu RR0iuV3iuVou 例例 3.1.1 3.1.1 在下图示电路中在下图示电路中, ,若若 (1)(1)设设 , ,试求试求 和和 时的输出压时的输出压 ? ? (2) (2)若若 , ,其余条件不变其余条件不变, ,再求再求 和和 时时 的输出电压的输出电压 ? ? (3) (3)分析分析 的大小如何变化才有利于的大小如何变化才有利于 三极管的饱和三极管的饱和? ?5 ,1.,30CCCBVV RKRK1000iuV3iuVou 50,CCiBCVu RR0

9、iuV3iuVou 2. BJT的动态特性的动态特性 v1 +VB2 VB2 O t iC ICS 0.9ICS 0.1ICS O tr ts t tf td 开通时间开通时间 ton= td+trtd 延迟时间延迟时间 tr 上升时间上升时间关闭时间关闭时间 toFF= ts+ tfts存储时间存储时间 tf-下降时间下降时间 开关时间随管子类型开关时间随管子类型的不同而不同，一般为几的不同而不同，一般为几十几百纳秒。开关时间十几百纳秒。开关时间越短，开关速度越高。一越短，开关速度越高。一般可用改进管子内部构造般可用改进管子内部构造和外电路的方法来提高三和外电路的方法来提高三极管的开关速度。

10、极管的开关速度。MOS 管的开关特性管的开关特性( (电压控制型电压控制型) )MOS（Mental Oxide Semiconductor） 金属金属 氧化物氧化物 半导体半导体场效应管场效应管一、一、 静态特性静态特性1. 结构和特性结构和特性 (1) N 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 S3V4V5VuGS = 6ViD /mA42643210uGS /ViD /mA43210246810uDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区UTNiD开启电压开启电压UTN = 2 V+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底漏极特性漏极特性转移特性转移特性uDS = 6V截止区

11、截止区P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管与与 N 沟道有对偶关系。沟道有对偶关系。 (2) P 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 SiD+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底iD /mAiD /mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2- 3V- 4V- 5VuGS = - 6V-1-2-3-4-6uGS /VuDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区 漏极特性漏极特性 转移特性转移特性截止区截止区UTPuDS = - 6V开启电压开启电压UTP = - 2 V参考方向参考方向2. MOS管的开关作用管的开关作用TNIUu DDOHOVUu V0OLO U

12、u(1) N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k GDSuIuOTNIUu 开启电压开启电压UTN = 2 ViD+VDD+10VRD20 k GDSuIuORONRDTPIUu DDOLO VUu V0OLO Uu(2) P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管-VDD-10VRD20 k BGDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuOTPIUu 开启电压开启电压UTP = 2 ViD二、动态特性二、动态特性1. MOS 管极间电容管极间电容栅源电容栅源电容 C

13、GS栅漏电容栅漏电容 C GD 在数字电路中，这些电容的充、放电在数字电路中，这些电容的充、放电过程会制约过程会制约 MOS 管的动态特性，即开关管的动态特性，即开关速度。速度。漏源电容漏源电容 C DS1 3 pF 0.1 1 pF ontofftVDDtIuO0.9ID0.1IDDitOOuVDDtO2. 开关时间开关时间开通时间开通时间关断时间关断时间32 基本逻辑门电路基本逻辑门电路3.2.13.2.1二极管二极管与门电路与门电路 VCC+(5V) R 3k L D1 D2 D3 A B C B & L=ABC A C 二极管与门电路二极管与门电路与逻辑符号与逻辑符号若输入端中有任意一

14、个若输入端中有任意一个为为0V,另两个为另两个为+5VVCC+(5V) R 3k L D1 D2 D3 A B C 0V5V5V 输 入输 出VAVBVCVL000000+5 V00+5 V000+5 V+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V0+5 V+5 V00+5 V+5 V+5 V+5 V输入与输出电压关系输入与输出电压关系0A、B、C三个都输入高电三个都输入高电平平+5VVCC+(5V) R 3k L D1 D2 D3 A B C 5V5V5V1真真 值值 表表 输 入输 出ABCL00000010010001101000101011001111 R 3k D1 D2 D3

15、A B C L 或逻辑符号或逻辑符号 B ? L=ABC A C 11二极管或门电路二极管或门电路3.2.2 3.2.2 二极管或门电路二极管或门电路输入端输入端A、B、C都为都为0V R 3k D1 D2 D3 A B C L 0V0V0V0 V输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111或逻辑真值表或逻辑真值表输入端中有任意一个为输入端中有任意一个为+5V R 3k D1 D2 D3 A B C L 0V5V0V输 入输 出ABCL00000011010101111001101111011111或逻辑真值表或逻辑真值表. . .晶体三极管非门电路晶体

16、三极管非门电路1 1 . .非门非门 vO O V1 V2 vI 逻辑逻辑 1 逻辑逻辑 0 饱和饱和 截止 放大放大 三极管反相电路三极管反相电路反相器传输特性反相器传输特性当输入为逻辑当输入为逻辑0 0时时: : 输入A输出L01非逻辑真值表非逻辑真值表 T 截止截止+VCC+5V1 k RcRbT+ +- -+ +- -uIuO4.3 k = 30iBiC当输入为逻辑当输入为逻辑1时时: 输入A输出LmA 1mA3 . 47 . 05bBEIHB RuUi非逻辑真值表非逻辑真值表 0110T导通导通mA17. 0mA1305 cCCBS RVI 饱和导通条件饱和导通条件:BSBIi BS

17、BIi T 饱和饱和V3 . 0OLO Uu+VCC+5V1 k RcRbT+ +- -+ +- -uIuO4.3 k = 30iBiC2 2 . .非门的负载能力非门的负载能力灌电流负载灌电流负载: :负载电流流进非门负载电流流进非门拉电流负载拉电流负载: :负载电流从非门流出负载电流从非门流出 例例 3.2.1 3.2.1 在图在图 3.2.83.2.8 所示电路中所示电路中, ,由三极管非门驱动二极管由三极管非门驱动二极管构成的与门电路构成的与门电路. .以知以知 . .与门的输入低电平电流与门的输入低电平电流 , ,输入高电平电流输入高电平电流 , ,并并保证晶体管非门的输出高电平不低

18、于保证晶体管非门的输出高电平不低于 . .试计算试计算: : (1) (1)当输入高电平当输入高电平 时时, ,该电路能带多少个与门负载该电路能带多少个与门负载? ? (2) (2)当输入低电平当输入低电平 时时, ,该电路能带多少个与门负载该电路能带多少个与门负载? ? 5 ,1,5,50.30CCCBCMVV RKRKImA1.5ILImA50IHIA3iuV0iuV3V二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：（1 1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数 值的情况。值的情况。（2 2）负载能力差）负载能力差. .解决办法：

19、解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。(a) (a) 与非门与非门 (b) (b) 国标符号国标符号 (c) (c) 常用符号常用符号. . .复合门电路复合门电路(a)(a)或非门或非门 (b)(b)国标符号国标符号 (c)(c)常用符号常用符号EFCDABY33 TTLTTL逻辑门逻辑门（TransistorTransistor Logic）一、TTL与非门工作原理与非门工作原理 1 1电路组成电路组成E2E3E1BCC2 2工作原理工作原理 流过流过 E结的电结的电流为正向电流流为正向电流(0.3V)“1”“0”输入

20、有低输入有低“0”输出为输出为高高“1”VY 5-0.7-0.7 =3.6V钳位钳位2.1V输入全高输入全高“1”,输出为输出为低低“0”1VT1R1+cc“0”(0.3V)Y=A B C00010011101111011001011101011110ABYCY&ABC&1211109814133456712&UCC4B 4A 4Y3B 3A3Y1B1A1Y2B2A2Y GND(a)74LS001211109814133456712&UCC2D 3C 2BNC 2A2Y1B1ANC1D1C1Y GND74LS20(b)74LS00、74LS20管脚排列示意图管脚排列示意图二二、 1 1输入输出

21、高、低电平输入输出高、低电平OHUOLUIHUILU2 2电压传输特性及抗干扰能力电压传输特性及抗干扰能力(1) (1) 电压传输特性电压传输特性 1 驱动门驱动门 vo 1 负载门负载门 vI 噪声噪声 1输出输出 1输入输入 0输入输入 0输出输出 vo vI + VDD 0 VN H VOH ( min ) VIH ( min ) VN L VOL ( max ) VIL ( max ) + VDD 0 (2) (2) 允许叠加干扰允许叠加干扰UOFF0.9UOH1231234 Ui BDEADE1231234 Ui UON UON是保证输出是保证输出为额定低电平时所为额定低电平时所对应

22、的对应的最小输入高最小输入高电平电压电平电压。AB3 3负载能力负载能力 (1)(1)101& VCC(5V) Rb1 4k T1 IIL T4 T3 Rc4 130 D 0驱动门驱动门负载门负载门(2)(2)1&10 VCC(5V) Rb1 4k T1 IIL T4 T3 Rc4 130 D VCC(5V) Rb1 4k T1 IIL T4 T3 Rc4 130 D 驱动门驱动门负载门负载门1IIHILIHII 输入电流计算：并联后与仅一个接地相同：每个值相同，并联后加倍(3) 输出低电平电流输出低电平电流+VCCT4T5+VCCT1+VCCT1驱动门负载门UOLIOLIILIIL(4) 输

23、出高电平电流输出高电平电流+VCCT4T5RC3+VCCT1+VCCT1IIHIIH驱动门负载门(5)带灌电流负载：输出低电平时。带灌电流负载：输出低电平时。NIIOLOLIL()()驱动门负载门带拉电流负载：门输出高电平时带拉电流负载：门输出高电平时OHOHIH()()INI驱动门负载门50%50%输入波形输入波形uitpd1tpd2好。好。输出波形输出波形uO4 42 2pt2pt2pt1pt1pdpdttt 3.3.2其他类型的其他类型的 1.1.(1) (1) 线与问题线与问题 在数字系统中，有些场合需在数字系统中，有些场合需要将门电路的输出端并联使用，要将门电路的输出端并联使用，即即

24、“线与线与”。但推拉式输出的门电路不能并联。但推拉式输出的门电路不能并联。解决上述问题的办法：解决上述问题的办法： 需要线与时，用需要线与时，用OC OC 门门。Y=0Y=0T4T5G G1 1+VCCT4T5G G2 2+VCCIIL导通截止截止导通1 10 0(2) (2) T5Y R3AB CR2R1T2+5V T1RPU &YCBA 集电极开路门上拉电阻集电极开路门上拉电阻Rp 的计算的计算 在极限情况，上拉电阻在极限情况，上拉电阻Rp具有限制电流具有限制电流的作用。以保证的作用。以保证IOL不超过额定值不超过额定值IOL(max)，故必须合理选用故必须合理选用Rp的值。的值。 另一方

25、面，另一方面，Rp的大小影响的大小影响OC门门的开关速度，的开关速度，Rp的值愈大，因而的值愈大，因而开关速度愈慢开关速度愈慢 TTL 电路 TTL 电路 D C B A T 1 T 2 VCCL R P Rp(min)OL(max)OL(max)ILCCVVImICCOH(min)p(max),IHOHVVRnIm I（a）当输出低电平时，当输出低电平时，RP不能太小。不能太小。RP为最小值时要保证输出电压小于为最小值时要保证输出电压小于VOL（max）,由由Rp(min)OL(max)OL(max)ILCCVVImI得：得：+V&RPCCOLVIILILIn&m&IOLVOLVOL（b）当

26、输出高电平时当输出高电平时 RP不能太大。不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min）, , 由由CCOH(min)p(max),IHOHVVRnIm I,(min)(max)()CCOHOHIHPVVnIm IR得：得：+V&RCCPVOHIIHIIHIIHnm&OHIOHI例例 3.3.13.3.1 略略Y&CBAKA+24VKA220&A1B1C1Y1&A2B2C2Y2&A3B3C3Y3URLY线与线与+10V&OV如图示，可使输出高电平变为如图示，可使输出高电平变为1010V。2.TTL2.TTL三态门三态门“0”功能表功能表1E0EABY ABE

27、Y 0 高阻高阻0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 11 1 1 0三态门应用三态门应用：双向传输双向传输当当CS = 0时，门时，门1工作，门工作，门2禁止，数据从禁止，数据从A送到送到B；当当CS = 1时，门时，门1禁止，门禁止，门2工作，数据从工作，数据从B送到送到A。 TTL门电路中的或非门、与或非门、 异或门、同或门等，系系 列列名名 称称特特 点点7474系列系列TTL通用标准系列TTL最早产品、中速器件，目前仍使用，但正逐渐被淘汰。74H74H系列系列TTL快速系列 74系列改进型，速度较74系列高，但电路的静态功耗较大，目前该系列产品使用越来越少，逐渐被淘汰。74S7

28、4S系列系列TTL肖特基系列采用肖特基晶体管和有源泄放回路，速度高，品种较标准系列少。74LS74LS系列系列TTL低功耗肖特基系列目前主要应用的产品，在中小规模电路中应用非常普遍。品种齐全，生产厂家多，价格低廉。74AS74AS系列系列TTL超级肖特基系列74S系列的改进产品，速度和功耗得到改进。54ALS/74ALS54ALS/74ALS系列系列TTL先进的低功耗肖特基系列74LS系列的改进产品，速度和功耗得到较大改进，但品种少，价格略高。54F/74F54F/74F系列系列TTL高速系列与74ALS及74AS产品相当，属高速型产品，品种较少。如：如：DIP为双列直插式。为双列直插式。TT

29、L集成电路的命名规则：集成电路的命名规则：例如：SN 74 LS 00 DIP第一部分第一部分:生产公司的名称。生产公司的名称。如如SN表示美国表示美国Texas公司。公司。第二部分：第二部分：74表示民品和工业品表示民品和工业品，工作温度范围为（，工作温度范围为（070）0C。 54表示军用品表示军用品，工作温度范围为（，工作温度范围为（-55125）0C。第三部分：第三部分：表示产品的系列。表示产品的系列。 如如H、S、LS、AS、ALS和和F等，缺省表示是标准系列。等，缺省表示是标准系列。第四部分：第四部分：表示集成电路逻辑功能编号表示集成电路逻辑功能编号。 如：如：00表示的是两输入四

30、与非门，表示的是两输入四与非门，20表示的是双四输入与非门。表示的是双四输入与非门。第五部分：第五部分：产品封装形式。产品封装形式。各种系列的各种系列的TTLTTL门电路平均传输延迟时间和平均功耗门电路平均传输延迟时间和平均功耗CT74CT7474/5474/54CT74HCT74H74H/54H74H/54HCT74SCT74S74S/54S74S/54SCT74LSCT74LS74LS/54L74LS/54LS S74AS/54A74AS/54AS S74ALS/5474ALS/54ALSALS平均传输延迟时间平均传输延迟时间 t tpdpd/ /n nS S10106 63 39.59.

31、51.51.54 4平均功耗平均功耗/ /每门每门 P/mW1010222219192 220201 1说明：说明：不同系列的不同系列的TTLTTL器件，只要器件型号的功能编号一样，则表明器件，只要器件型号的功能编号一样，则表明它们的逻辑功能和引脚排列完全相同。例如它们的逻辑功能和引脚排列完全相同。例如74007400、74H0074H00、74S0074S00、74LS0074LS00等它们的逻辑功能相同，都是两输入四与非门，引脚排列也完等它们的逻辑功能相同，都是两输入四与非门，引脚排列也完全相同，所不同的只是电气特性，如传输延迟时间、功耗等。全相同，所不同的只是电气特性，如传输延迟时间、功

32、耗等。肖特基肖特基74S系列电路系列电路抗饱和三极管符号抗饱和三极管符号电路改进：电路改进：1.VT5管组成管组成“有源泄放电路有源泄放电路” 2.每个三极管基极和集电极之间都接了一个肖特基二每个三极管基极和集电极之间都接了一个肖特基二极管。极管。（1）TTL与非门的多余输入端的连接处理。与非门的多余输入端的连接处理。 四种接法虽然都能实现四种接法虽然都能实现A、B的与非运算，但（的与非运算，但（d）接法不可靠，因）接法不可靠，因为悬空的输入端容易接受干扰，导致工作不可靠。为悬空的输入端容易接受干扰，导致工作不可靠。（2）TTL或非门的多余输入端的连接处理。或非门的多余输入端的连接处理。 TT

33、L与非门的与非门的IOLmax=16mA, IOHmax=0.4mA。 TTL电路带灌电流负载能力强于带拉电流负载能力。电路带灌电流负载能力强于带拉电流负载能力。TTL驱动驱动LED的正确接法：的正确接法：3.4 3.4 MOS集成门电路集成门电路 *MOSMOS场效应管场效应管1.1. N N沟道沟道MOSMOS管的结构与管的结构与工作原理工作原理金属铝金属铝绝缘层绝缘层沟道区域沟道区域P型衬底型衬底P型衬底反型层反型层（导电沟道）（导电沟道）工作原理工作原理 当当G G、S S间加上正电压，且间加上正电压，且V VGSGS V VT T时，栅极与衬底之间形时，栅极与衬底之间形成电场，吸引衬

34、底中的电子到成电场，吸引衬底中的电子到栅极下面的衬底表面，形成一栅极下面的衬底表面，形成一个个N N型的反型层构成型的反型层构成D D、S S之间的导电沟道之间的导电沟道。V VT T被称为被称为MOSMOS管的管的开启电开启电压。压。由于由于V VGSGS 0 0时，无导电沟道，在增强时，无导电沟道，在增强V VGSGS 电压后形成导电沟道，所以称这电压后形成导电沟道，所以称这类类MOSMOS管为管为增强型增强型MOSMOS管。管。2. MOS管逻辑符号管逻辑符号 当当V VGSGS V VT T 时，管子导时，管子导通，导通电阻很小，相通，导通电阻很小，相当于开关闭合当于开关闭合 。 同样，对同样，对P P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管来说管来说：当当| |V VGSGS| | | | |V VT T| |时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合。P型衬底型衬底反型层反型层