数电第三章逻辑门电路课件

1、第三章 逻辑门电路0 概述二极管逻辑门电路TTL逻辑门电路CMOS逻辑门电路教 学 基 本 要 求1、了解半导体器件的开关特性。2、掌握基本逻辑门、三态门、集电极开路门的逻辑功能。3、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。0 概述1.逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。 本章重点介绍逻辑运算的物理实现电路。2.逻辑0和逻辑1：0和1在逻辑代数中代表的两种不同的状态。在电子电路中用高、低电平来表示。 正逻辑：1表示高电平， 0表示低电平 负逻辑：0表示高电平， 1表示低电平高/低电平都允许有一定的

2、变化范围3.获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。1 二极管逻辑门电路1.1 二极管的开关特性1.2 二极管与门1.3 二极管或门1.4 二极管门电路的优、缺点1.1 二极管的开关特性1.二极管符号：2.二极管的伏安特性：当电压ui0.7V 二极管导通后，uD= 0.7V iD=（ui-0.7）/R当电压ui0.7V 二极管截止，处于断开状态 iD=0V正极负极 uD iD 限流电阻3.二极管的开关电路的等效电路ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo5-0.7=4.3V。当ui为低电平时 D

3、截止，uo为低电平当ui为高电平时 D导通，uo为高电平1.2 二极管与门大于3V为高电平 逻辑1表示小于0.7V为低电平 逻辑0表示思考：Y如何和A、B构成与逻辑关系？ABY0V0V?5V0.7V0.7VABY0V0V0.7V5V0V？5V0.7V0.7V0V5V？0.7VABY0V0V0.7V5V0V0.7V0V5V0.7V5V5V?5V5VY=AB大于3V为高电平 逻辑1表示小于0.7V为低电平 逻辑0表示根据真值表，可以判断该电路为与门Y=A+B1.3 二极管或门ABD1D2Y0V0V0V5V5V0V5V5V截止截止0V导通截止4.3V截止导通4.3V导通导通4.3V1.4 二极管门电

4、路的缺点电平有偏移，带负载能力差因此，二极管门电路通常只用于集成电路内部电路2 TTL逻辑门电路2.1 三极管的开关特性2.2 三极管非门2.3 TTL反相器、与非门、或非门2.4 其他类型的TTL逻辑门 （三态门、集电极开路门）2.5 TTL电路常识2.6 小结由三极管和若干电阻构成的逻辑门Transistor-Transistor Logic它有两种类型:NPN型和PNP型。在半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型半导体在半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体 NPN型和PNP型三极管e-b间的PN结称为发射结(Je) c-b间的PN结称为集电结(Jc) 中间部分称

5、为基区，连上电极称为基极，用B或b表示（Base）； 一侧称为发射区，电极称为发射极，用E或e表示（Emitter）； 另一侧称为集电区和集电极，用C或c表示（Collector）。1.三极管的结构2.1三极管的开关特性2.以NPN三极管为例，说明三极管的的工作原理及特性曲线ui iB e Rb b+VCCiC u Rc co发射结可以看成二极管RbRc+VCCbce截止状态ui=UIL0.7VuoRbRc+VCCbce0.7ViB饱和区条件：ui大于0.7V发射结导通此时集电极和发射极可以看成短路ic=Ics=(VCC-UCES)/RC uo=UCES=0.2-0.3Vui iB e Rb

6、b+VCCiC u Rc co饱和状态iBUi0.7Vuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V如何判断工作在饱和区还是放大区？可以通过UCES计算出临界集电极饱和电流ICS=(VCC-UCES)/RC 则临界基极饱和电流IBS=(VCC-UCES)/RC 当iB IBS 工作在饱和区，否则工作在放大区。 ui=0.3V时，因为uBE0.7V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压： ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3V3.以典型电路为例来分析开关特性通常在数电中，三极管主要工作在截止

7、或饱和两个区内。截止状态cbe饱和状态Vb=0.7v, Vc=0.3vebc2.2 三极管非门(反相器)uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管饱和导通。输出电压uYUCES0.3V。真值表A =100+5V Y电路图1逻辑符号AY1k10kRBRCbecuA性 能 分 析 vccRcTCL输入输出T状态电容高电平(3.6v)低电平(0.2V)饱和导通少量电荷(0.2V)低电平(0.2v)高电平(5V)截止状态大量电荷(5V)电容充电电容放电2.3 TTL反相器、与非门、或非门2.3.1 TTL反相器 Rb1 4kW Rc2 1.6kW Rc4 130W

8、 T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1KW VCC(5V) 输入级 中间级 输出级 采用输入级以提高工作速度采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力2.电路功能分析（1）当输入为低电平（I = 0.2 V） 0.5V 0.2V OVCCVBE4VD 50.70.7 =3.6V I低电平(0.2V)T1深饱和T2截止T3截止T4放大O高电平（3.6V）（2）当输入为高电平 （I = 3.6 V） I全为高电平(3.6V)T1倒置放大T2饱和T3饱和T4截止O低电平(0.2V)3.6V 4.3V 2.1V 1.4V 0.2V 2vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6

9、V .48V 0.2V 1 2 E D C B A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V AB段： I很低， T1深度饱和，T2、T3截止，同时T4和D导通。O=3.6V。 CD段：当I的值继续增加C点后，使T3饱和导通， O0.2V I(D)=BE3+BE2CES1 = (0.7+0.70.2)V=1.2V DE段：当I的值从D点再继续增加时，T1将进入倒置放大状态， T2、 T3饱和导通，保持O= 0.2V BC段：T1仍保持为饱和状态。在BC段内，T2处于放大状态，此时输出电压随输入电压的增加而减小，但处于线性关系。I(D)=BE2CES1 = (0.70.3)V=0.4V 3.电压的

10、传输特性 14 13 12 11 10 9 874LS04 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND6反相器74LS04的引脚排列图4.常用TTL反相器芯片逻辑函数表达式：2.3.2 TTL与非门1. TTL与非门电路多发射极BJT A B & BAL= T1 A B B A b b c c 只要A、B中有一个为低电平，则显示低电平的特性，若全部为高电平，则显示出高电平的特性；于是实现与的逻辑功能。2. TTL与非门电路的工作原理 VCC(5V) Rc4 130W Rc2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3

11、T1 A B Re2 1kW D IT1T2T3T4O输入全为高电平 (3.6V)放大状态饱和饱和截止低电平 (0.2V)输入有低电平 (0.2V)深饱和截止截止放大高电平(3.6V)74LS00内含4个2输入与非门3.常用TTL与非门芯片74LS20内含2个4输入与非门2.3.3 TTL或非门R1A R1 R1B R4 VCC T1A T2A T2B B D T3 R3 T4 AT1BL R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 TTL或非门的逻辑电路若二输入端为低电平 0.5 v0.2 v0.2 v0.5 v3.6V 若A、B两输

12、入端都为高电平 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 2.1 v3.6 v3.6v2.1 v0.3V 问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出L = ? 14 13 12 11 10 9 874LS02 1 2 3 4 5 6 7VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A 1Y 1B 1A 2Y 2B 2A GND74LS02的引脚排列图2.常用芯片74LS02内含4个2输入或非门逻辑表达式： vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V 2.48V 0.2V 1 2 E D CB A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V 各

13、种类型的TTL门电路，其传输特性大同小异。VOHVO(A)3.6V VOLVCES 0.2VVIL VI (B)0.4VVIH VI(D)1.2V1、TTL与非门传输特性2、输入、输出的高、低电压 2.3.4 TTL与非门的特征与参数典型参数实际参数见附录C P4633. TTL与非门噪声容限 噪声容限:高电平的噪声容限为 VNH=VOH(min)VIH(min) 1 驱动门 vo 1 负载门 vI 噪声 1输出 1输入 0输入 0输出 vo vI +VDD 0 VNH VOH(min) VIH(min) VNL VOL(max) VIL(max) +VDD 0 低电平的噪声容限为 VNL=V

14、IL(max)VOL(max) 当电路受到干扰时，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。 4. 扇入与扇出系数 扇入数: 取决于门的输入端的个数 扇出数: 带同类门的个数。 有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门0 VCC(5V) Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 当负载门的个数增加时，总的灌电流IIL将增加,引起输出低电压VOL的升高。 灌电流负载：输出低电平时。IILIOL101&1& 4. 扇入与扇出系数 扇入数: 取决于门的输入端的个数 扇出数: 带同类门的个数。 有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门1 VCC

15、(5V) Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 01拉电流负载：门输出高电平时当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。 IIHIOH例 查得基本的TTL与非门7410的参数如下： IOL16mA，IIL1.6mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类门时的扇出数。解： (1)低电平输出时的扇出数 (2)高电平输出时的扇出数若NOLNOH，则取较小的作为电路的扇出数。例题： 扇出数计算举例 电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。5. 传输延迟时间 输入 同相 输出 反相 输出 50% tPLH 50% 90% 10

16、% tr tPHL 90% 50% 10% tf 50% tPHL tPLH 90% 50% 10% tf 90% 50% 10% tr VOL VOH VOL VOH 0V VCC 平均传输延迟时间 tPdtPLH 为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间; tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间。(tPLHtPHL)/2 表征门电路开关速度的参数6. 功耗与延时功耗积1、功耗分为:静态功耗：动态功耗：对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。2、延时功耗积DP = tpdPD指的是当电路没有状态转换时的功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。是一综合性的指标，用DP表示，其单位为焦耳。DP

17、的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。2.4 其他类型的TTL逻辑门2.4.1 集电极开路门(Open Collector ，OC)？1.问题的提出 工程中常常将两个门电路并联起来实现与的逻辑功能，称为线与。 ABY1+5VT1T2DT4T3R1R2R3R44k1.6k130W1kABY2+5VT1T2DT4T3R1R2R3R44k1.6k130W1k这两个逻辑门是否可以直接并联？2.问题的解决AB& Y1OC门的逻辑符号去掉低阻通道，将集电极开路，称为集电极开路门出现问题：当输出为低电平时正常，但是如果输出应为高电平时，此时T3截止，无法输出高电平，因此在工作时，必须接入外接电阻和电源。 V

18、CC(5V) Rc4 130W Rc2 1.6kW Rb2 1.6kW T4 T2 T3 T1 A B Re2 1kW D OC与非门的电路结构AB+VCCYR T1 T2 T3 uB1OC门实现的线与T3T3集电极开路后，并不影响原有的电路功能L写出逻辑函数表达式：线与：实现与的逻辑功能 集电极开路门上拉电阻Rp 的计算 TTL 电路 TTL 电路 D C B A T 1 T 2 VCCL R P 在极限情况，上拉电阻Rp具有限制电流的作用。以保证IOL不超过额定值IOL(max)，故必须合理选用Rp的值。 另一方面，Rp的大小影响OC门的开关速度，Rp的值愈大，因而开关速度愈慢 ，故在满足

19、要求的前提下，Rp越小越好。Rp(min) Rp(min)例2.4.2 设TTL与非门74LS01(OC)驱动八个74LS04(反相器)， 试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设VCC5V。解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL= 400A，VIH(min) =2V，IIH=20A。 IIL(total)=400A8=3.2mA得 VCC=5V，IIH(total) =20A8= 0.16mA。 Rp的值可在985至18.75k,之间选择,可选1k的电阻器为宜。所以 三态钳位电路 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B

20、 CS T5 T6 T7 R5 R6 VCC D3.6V1.4V0.7V当CS= 1时CS数据输入端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表 =AB2.4.2 三态门（Three state Output Gate ,TS） R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R6 VCC D当CS= 0时0.2V0.5V低电平0.5V开路CS数据输入端输出端LAB10010111011100高阻三态与非门真值表 AB CS & L 高电平使能=高阻状态与非功能 ZL ABLCS = 0_CS =1结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平

21、3种状态。 AB CS & L 区别？CS数据输入端输出端LAB10010111011100高阻CS数据输入端输出端LAB00010111011101高阻高电平有效 AB CS & L 低电平有效作多路开关：E=0时，门G1导通，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2导通，G1禁止，Y=B。信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B 。构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TS门处于工作状态，而其余TS门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TS门的输出。2.5 TTL电路常识74：标准系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功

22、耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。74AS,74ALS （Advanced Low-Power Schottky TTL）:性能进一步提高。2.6 小结2.1 三极管非门： 分析了最简单的三极

23、管非门，并分析了其优缺点。2.2 TTL反相器、与非门、或非门 2.2.1 TTL反相器：电路结构、传输特性及常用芯片7404 2.2.2 TTL与非门：电路结构及常用芯片7400 7420 2.2.3 TTL或非门：电路结构及常用芯片7402 2.2.4 TTL逻辑门的参数及特性：传输特性；输入输出高低电压及噪声容限；输入输出高低电流及扇入扇出数；平均延迟时间；功耗2.3 其他类型的TTL逻辑门 2.3.1 集电极开路门：线与的概念；外接电阻的计算 2.3.2 三态门：三态门的功能分析；三态门的用途2.4 TTL电路常识 大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而TTL系列不可能做得很小，但

24、MOS管的结构和制造工艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍MOS器件。 与TTL逻辑电路比较，MOS管的优点是功耗低，可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的CMOS电路。3 CMOS逻辑门电路3.1 场效应管的开关特性3.2 CMOS反相器及其他逻辑门3.3 CMOS逻辑门的特点3.1 场效应管的开关特性1.概述 场效应管是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。 从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道场效应管和空穴作为载流子的P沟道场效应管。N沟道场效应管P沟道场效应管栅极源极漏极ui=VILuo=VDDGDSRD+VDD截止状态等效

25、电路ui=VIHuo=0GDSRD+VDD导通状态等效电路2. N沟道场效应管的开关特性uiuoGDSRD+VDDMOS管的D-S极可以看成是受ui控制的开关。VGS(th)通常+2V左右3. P沟道场效应管的开关特性uiuoGSDRS+VDDui=VIHuo=VDDGSDRS+VDD截止状态等效电路ui=VILuo=0GSDRS+VDD导通状态等效电路VGS(th)通常-2V左右3.2 CMOS反相器及其他逻辑门3.2.1 CMOS反相器 VDD TP TN vO vI 当vI = 0 V时 VGSN =0 VTNTN管截止；|VGSP|=VDDVTP TP管导通。VO VDD VDD TP TN vO vI 当vI = VDD 时 VO 0VGSN =VDD VTNTN管导通；|VGSP|= 0 107，导