逻辑门电路课件

12.1概述逻辑代数是英国数学家乔治.布尔（Geroge.Boole）于1847年首先进行系统论述的，也称布尔代数。所研究的是两值变量的运算规律，即0，1表示两种不同的逻辑状态，称这种只有两种对立逻辑状态的逻辑关系为二值逻辑。第1页/共74页12.1概述逻辑代数是英国数学家乔治.布尔（22.1概述在数字电路中，输入信号是“条件”，输出信号是“结果”，因此输入、输出之间存在一定的因果关系，称其为逻辑关系。它可以用逻辑表达式、图形和真值表来描述。逻辑代数中的逻辑变量用字母A，B，C，…，X，Y，Z等来表示；变量取值只有0和1，而这里的0和1并不表示具体的数值大小，而是表示两种相互对立的逻辑状态。例如，电灯的亮和灭、电动机的旋转与停止，把这种描述相互对立的逻辑关系且仅有两个取值的变量称为逻辑变量。第2页/共74页22.1概述在数字电路中，输入信号是“条件”，输出32.2逻辑门电路介绍三种基本运算：与、或、非1.与运算

只有当决定事物结果的所有条件全部具备时，结果才会发生，这种逻辑关系称为与逻辑关系。

第3页/共74页32.2逻辑门电路介绍三种基本运算：与、或、非第3页/共742.2逻辑门电路介绍表1.2.1与逻辑真值表ABY000010100111如果用二值量中的1来表示灯亮和开关闭合，用0表示灯灭和开关断开，则可得到如表.第4页/共74页42.2逻辑门电路介绍表1.2.1与逻辑真值表ABY052.2逻辑门电路介绍图1.2.1(a)与逻辑电路图与逻辑模型电路如图所示,A.B是两个串联开关，Ｙ是灯，用开关控制灯亮和灭的关系如表1.2.1

第5页/共74页52.2逻辑门电路介绍图1.2.1(a)与逻辑电路62.2逻辑门电路介绍与逻辑关系表

ABY断断灭断通灭通断灭通通亮第6页/共74页62.2逻辑门电路介绍与逻辑关系表ABY断断灭断通灭通断72.2逻辑门电路介绍输入部分有N=2n项组合。其中，n是输入变量的个数。与运算也称“逻辑乘”。与运算的逻辑表达式为:

Y=A·B或Y=AB（“·”号可省略）

与逻辑的运算规律为：输入有０得０，全１得１。

第7页/共74页72.2逻辑门电路介绍输入部分有N=2n项82.2逻辑门电路介绍

图1.2与逻辑符号图1.3与逻辑波形图第8页/共74页82.2逻辑门电路介绍

图1.2与逻辑符号图92.2逻辑门电路介绍2.或运算

当决定事物结果的几个条件中，只要有一个或一个以上条件得到满足，结果就会发生，这种逻辑关系称为或逻辑。或逻辑模型电路如图1.4所示。图1.2.1(b)或逻辑电路图第9页/共74页92.2逻辑门电路介绍2.或运算102.2逻辑门电路介绍或逻辑关系表

ABY断断灭断通亮通断亮通通亮第10页/共74页102.2逻辑门电路介绍或逻辑关系表ABY断断灭断通112.2逻辑门电路介绍表1.2.2或逻辑真值表ABY000011101111第11页/共74页112.2逻辑门电路介绍表1.2.2或逻辑真值表A122.2逻辑门电路介绍或运算也称“逻辑加”或运算的逻辑表达式为:

Y=A+B

或逻辑运算的规律为：有１得１，全０得０。或逻辑的逻辑符号如图图1.2.2或逻辑符号第12页/共74页122.2逻辑门电路介绍或运算也称“逻辑加”图1.2.2132.2逻辑门电路介绍AY断亮通灭非逻辑的关系表

第13页/共74页132.2逻辑门电路介绍AY断亮通灭非逻辑的关系表第13142.2逻辑门电路介绍3.非运算在事件中，结果总是和条件呈相反状态，这种逻辑关系称为非逻辑。非逻辑的模型电路如图.

图1.2.1c非逻辑电路图

第14页/共74页142.2逻辑门电路介绍3.非运算

图1.2.1c非逻152.2逻辑门电路介绍非逻辑的真值表

AY0110第15页/共74页152.2逻辑门电路介绍非逻辑的真值表AY0110第15162.2逻辑门电路介绍非运算也称“反运算”；非运算的逻辑表达式为：

Y=运算的规律为：０变１，１变０，即“始终相反”。非逻辑符号第16页/共74页162.2逻辑门电路介绍非运算也称“反运算”；非逻辑符号第172.2逻辑门电路介绍常见的几种复合逻辑关系与、或、非运算是逻辑代数中最基本的三种运算，几种常见的复合逻辑关系的逻辑表达式、逻辑符号及逻辑真值表如表所示。第17页/共74页172.2逻辑门电路介绍常见的几种复合逻辑关系第17页/184、复合运算与非、或非、与或非、异或、同或。1）与非：“先进行与运算，再将结果求反”表达式：逻辑符号：真值表：ABY0010111011102）或非：“先进行或运算，再将结果求反”表达式：逻辑符号：真值表：ABY001010100110第18页/共74页184、复合运算第18页/共74页194）异或：“A，B不相同，Y为1；A，B相同，Y为0”表达式：真值表：ABY000011101110逻辑符号：3）与或非：“先进行与运算，再进行或非运算”.表达式：逻辑符号：第19页/共74页194）异或：“A，B不相同，Y为1；A，B相同，Y为0”205）同或：“A，B相同，Y为1；A，B不相同，Y为0”表达式：真值表：ABY001010100111逻辑符号：第20页/共74页205）同或：“A，B相同，Y为1；A，B不相同，Y为21常见的几逻辑关系第21页/共74页21常见的几逻辑关系第21页/共74页22此页以下课件来源于清华出版社第22页/共74页22此页以下课件来源于清华出版社第22页/共74页232.3半导体二极管和三极管的开关特性

主要内容D、T开关特性基本逻辑门电路TTL与非门CMOS门电路工作原理逻辑功能、外特性各种逻辑符号的电路实现。重点是TTL与非门第23页/共74页232.3半导体二极管和三极管的开关特性

主要内容D、T开242.3半导体二极管和三极管的开关特性2.1.1二极管、三极管的开关特性导通

截止为什么讨论二极管、三极管的开关特性？1二极管的开关特性讨论二极管的开关特性就是分析其导通和截至之间的转换问题第24页/共74页242.3半导体二极管和三极管的开关特性2.1.1二25ts：存储时间tt：度越时间ts＋tt：反向恢复时间1）实验现象td：开通时间（正向导通时间）第25页/共74页25ts：存储时间tt：度越时间ts＋tt：反向恢复时262）产生反向恢复时间的原因:电荷存贮效应P区中电子浓度分布N区中空穴浓度分布N＋－P电源反向＋－PN第26页/共74页262）产生反向恢复时间的原因:电荷存贮效应P区中27外加正向电压P区空穴向N区扩散N区电子向P区扩散阻挡层变窄非平衡载流子积累电压突然反向ui=UR存贮电荷在外电场作P区电子向N区运动N区空穴向P区运动用下形成反向电流IR=URRtS存贮电荷减少，阻挡层变宽ttIRIRS截止导通综上所述：D在由正向导通到反向截止的转换过程中出现tre，实质上是由于电荷存贮效应引起的，tre是存贮电荷消失所需要的时间。第27页/共74页27外加正向电压P区空穴向N区扩散阻挡层变窄电压突然反向ui283）二极管的开通时间td由截止到正向导通所需要的时间称为开通时间td。由于td<<tre一般忽略不计。原因：正偏时阻挡层迅速变窄，有利于多子扩散。小结导通

截止tdtre现象：存在tS

、tt

原因：电荷存贮效应对使用的影响：由于的存在，使D的开关速度受到限制tre第28页/共74页283）二极管的开通时间td由截292晶体三极管的开关特性1）三极管的工作状态回顾及其开关作用RbRcUccibUiicicuce第29页/共74页292晶体三极管的开关特性1）三极管的工作状态回顾30工作状态截止放大饱和条件工作特点管压降C、E间的等效电阻集电极电流偏置情况发射结集电结反偏或小于UT正偏正偏反偏反偏正偏UCE=UCCUCE=UCC-iCRCUCE=UCES很大，几百千欧相当于开关断开可变很小，几百欧相当于开关闭合第30页/共74页30工作状态截止放大饱和条件工管压降C、E间的集电极电流偏发31(1)控制工作状态的关键在于控制基极电流或电压归纳：(2)在数字电路中，T作为开关使用，故工作在饱和或截止区(3)工作状态的判别依据iB是关键，当工作在饱和区时，同一IB，RC增加，饱和加深，反之亦然。2)三极管的开关时间开关时间截止饱和tontoff截止与饱和相互转换所需的时间第31页/共74页31(1)控制工作状态的关键在于控制基极电流或电压32t0tst0trictdUitftrtdtstf延迟时间上升时间存贮时间下降时间tr＝tontd＋tstf＝toff开通时间＋关闭时间第32页/共74页32t0tst0trictdUitftrtdtstf延迟时间33产生开关时间的原因

Ui

＝－UBbe结反偏，阻挡层宽空间电荷多be结正偏，阻挡层变窄td

UB＝＋UB基区电荷积累，达到ICStr

Ui

变为－UB

tstf存贮电荷的消失截止－UB变为＋UB第33页/共74页33产生开关时间的原因Ui＝－UBbe结正34最简单的门电路基本逻辑运算电路实现电路组成L=ABL=A+BL=A与门或门非门D、R说明原理早期应用TTL主流产品MOS主流产品、低功耗、大规模IC第34页/共74页34最简单的门电路基本逻辑运算电路实现电路组成L=ABL=351二极管与门电路电路结构逻辑符号输入、输出电压关系ABL&ABLUAUBUL000050500555

令0V为逻辑0，5V为逻辑1

，替换输入、输出电压作真值表，可见此电路能实现与运算的功能。

L=ABUcc第35页/共74页351二极管与门电路电路结构逻辑符号输入、输出电压关系A362二极管或门电路电路结构逻辑符号输入、输出电压关系ABCL≥1ACBLUAUBUCUL00000055050505555005505555055555

令0V为逻辑0，5V为逻辑1

，替换输入、输出电压作真值表，可见此电路能实现或运算的功能。L=A+B+C第36页/共74页362二极管或门电路电路结构逻辑符号输入、输出电压关系A373三极管非门电路电路结构逻辑符号输入、输出电压关系1ALUAUL0550

令0V为逻辑0，5V为逻辑1

，替换输入、输出电压作真值表，可见此电路能实现非运算的功能。L=AALUCC

AL0110真值表第37页/共74页373三极管非门电路电路结构逻辑符号输入、输出电压关系138

DTL电路第38页/共74页38DTL电路第38页/共74页39小结电路结构简单，便于说明工作原理逻辑功能已具备，但技术指标差（电路结构不完善），如带负载能力差、工作速度低。

改进方向：改进电路结构来改善技术指标第39页/共74页39小结电路结构简单，便于说明工作原理改进方向：改进电40TTL与非门电路工作原理分析输入级采用多发射极结构，实现与的功能。电路结构第40页/共74页40TTL与非门电路工作原理分析输入级采用多发射极结构，41电路特点归纳1）输入级采用多发射极结构，实现与的功能2）输出级采用推拉式结构，提高带负载能力3）输入输出电路有利于提高工作速度输入电路：加快了T2存储电荷的消失输出电路：加快了负载电容的充放电的速度第41页/共74页41电路特点归纳1）输入级采用多发射极结构，实现与的功能2）42电路改进增加有源泄放电路，加快T5的开关速度第42页/共74页42电路改进增加有源泄放电路，加快T5的开关速度第42页/共43TTL与非门的外特性1传输特性&VUCCuiVuo对传输特性的理解：传输特性的来源传输特性的作用：uo=f(ui)输出高电平、输出低电平关门电平、开门电平第43页/共74页43TTL与非门的外特性1传输特性&VUCCuiVuo对442输入特性iI＝f（uI）对输入特性的理解：输入特性的意义输入特性的作用：输入短路电流高电平输入电流第44页/共74页442输入特性iI＝f（uI）对输入特性的理解：输入特453输出特性高电平输出特性低电平输出特性uo=f(iL)在输出高电平时：随着输出电流的增加，输出电压下降在输出低电平时：随着输出电流的增加，输出电压上升第45页/共74页453输出特性高电平输出特性低电平输出特性uo=f(i464输入负载特性

uI=f(R)输入负载电阻增加，对应输入电压增大当R1=2.8k时，R＝1.4k则uI＝1.4V关门电阻：开门电阻：R增大到uI＝1.4V时对应的电阻值保持输出低电平时，输入负载电阻的最小值保持输出高电平时，输入负载电阻的最大值第46页/共74页464输入负载特性 uI=f(R)输入负载电阻增加，对475TTL与非门的主要参数前面结合特性曲线已有说明，其余参数有：噪声容限:描述抗干扰能力低电平噪声容限：UNL=UIL-UOL高电平噪声容限：UNH=UOH-UIH前一级的输出电压于后一级的输入电压进行比较第47页/共74页475TTL与非门的主要参数前面结合特性曲线已有说明，48第48页/共74页48第48页/共74页49扇出系数N0表明带同类门电路的能力R1R2R3IILT2T3UCC第49页/共74页49扇出系数N0表明带同类门电路的能力R1R2R3IIL50R2R4UCCIIHT2T3T4R1第50页/共74页50R2R4UCCIIHT2T3T4R1第50页/共74页51传输延迟tpd表示开关速度tpHLtpLH功耗PD延时功耗积DP=tpdPD第51页/共74页51传输延迟tpd表示开关速度tpHLtpLH功耗52TTL或非门、OC门、TSL门1TTL或非门R1R2R3R4UCCLAT1T2T3T4BL=A+B第52页/共74页52TTL或非门、OC门、TSL门1TTL或非门R1532集电极开路门电路OC门R1R2R3AT1T2T3UCCBCUCCVCC&实现线与功能第53页/共74页532集电极开路门电路OC门R1R2R3AT1T54R1R2R3AT1T2T3UCCBCUCCVCCR1R2R3DT1T2T3EFLL=ABCDEF第54页/共74页54R1R2R3AT1T2T3UCCBCUCCVCCR1R255R1R2R3R4UCCLAT1T2T3T43三态门电路实现多路数据传输BCS&AB

LCSD1CS=0.2VVB1=0.9VD1导通VC2=0.9VT2、T3、T4截止输出为高阻状态CS=3.6VD1截止输出状态A、B决定CS=0高阻状态CS=1L=AB第55页/共74页55R1R2R3R4UCCLAT1T2T3T43三态门56改进型TTL门电路抗饱和TTL电路，提高工作速度改进方向进入深度饱和后，如何加快存贮电荷的消失减轻饱和深度，使存贮电荷减少肖特基势垒二极管SBDALSI+-导通电压低0.4～0.5V第56页/共74页56改进型TTL门电路抗饱和TTL电路，提高工作速度改进方向57R1R2R4UCCLAT1T2T3T4BCT5T6改进型TTL与非门电路有源泄放电路第57页/共74页57R1R2R4UCCLAT1T2T3T4BCT5T6改进型58一MOS场效应管回顾增强型耗尽型N沟道P沟道增强型耗尽型iDuDSuGS0V0iDuGS0iDuDS-uGS0iD0uGSCMOS门电路

MOS场效应管第58页/共74页58一MOS场效应管回顾增强型耗尽型N沟道P沟道增强型59二NMOS门电路1反相器UDDUiUoUi＝0V,Uo＝UDDUi＝UDD,Uo＝Ron1＋Ron2Ron1UDDTn1Tn2要求gm1大（Ron1小），保证低电平UDDUiUoTn1Tn2第59页/共74页59二NMOS门电路1反相器UDDUiUoUi＝060UDDATn2Tn32与非门电路Tn1BL=ABUDDATn2Tn3BL=A+BTn13或非门电路工作管串联，输入个数增加时，输出低电平上升第60页/共74页60UDDATn2Tn32与非门电路Tn1BL=ABUD61三

CMOS逻辑门电路1CMOS反相器1）电路结构UiUDDUOTNTPUiUDDUOTNTP互补对称电路简化电路工作管N沟道增强型负载管P沟道增强型2）工作原理Ui＝0V,TN截止；TP导通UO=UDDUi＝5V,TN导通；TP截止UO=0V第61页/共74页61三CMOS逻辑门电路1CMOS反相器1）62TNTPUGSN=0VUGSN=UDDUOL=0VUOH=UDDuDSiD工作原理图解（两管对称）第62页/共74页62TNTPUGSN=0VUGSN=UDDUOL=0VUOH633）传输特性UOUi0ABCDTN截止TP截止截止区饱和区可变电阻区TNUi增加TPUi减小第63页/共74页633）传输特性UOUi0ABCDTN截止TP截止截止区642CMOS与非门电路1）电路结构UDDLTN2TP2BATN1TP12）工作原理分析AB00011011L1110各管工作情况TN截止、TP导通TN1、TP2导通、TN2、TP1截止TN2、TP1导通、TN1、TP2截止TN导通、TP截止第64页/共74页642CMOS与非门电路1）电路结构UDDL653或非门电路1）电路结构LTN2TP2BATN1TP12）工作原理分析AB00011011L1000各管工作情况TN截止、TP导通TN1、TP2导通、TN2、TP1截止TN2、TP1导通、TN1、TP2截止TN导通、TP截止UDD第65页/共74页653或非门电路1）电路结构LTN2TP2BA664CMOS传输门用作模拟开关（用于采样保持、模数、数模转换等电路中）UiUo＋5V－5VCCTGUiUoUoUiCCC=－5VC=+5V时TN、TP在Ui＝－5V~+5V之间均不导通相当与开关断开C=＋5VC=－5VUi<－3VTN导通－3V≤Ui<+3VTN、TP同时导通Ui>+3VTP导通第66页/共74页664CMOS传输门用作模拟开关（用于采样保持、模数、675BiCMOS门电路综合了TTL速度快、带负载能力强和CMOS低功耗两个优势

BiCMOS反相器UiUDDUOTNTPM1M2T1T2复合管UDDTNTP简化电路第67页/共74页675BiCMOS门电路综合了TTL速度快、带负载能力68MOS逻辑门电路与TTL电路的比较分类特点与TTL电路的比较NMOSPMOSCMOS输入阻抗高带同类负载能力强静态功耗小工作速度低电源为＋电压输入阻抗高静态功耗小工作速度更低电源为负电源静态功耗小工作速度更低负载能力强电源电压允许变化范围大速度低于TTL功耗小于TTL