第2章 邏輯門電路

1、12-1 集體管開關特性2-2 基本邏輯門電路2-3 TTL邏輯門電路2-4 CMOS集成門電路2-5 CMOS與TTL接口電路本章小結思考題與習題22-1-1 二極管開關特性2-1-2 三機關的開關特性2-1-3 基本邏輯門電路31靜態(tài)特性 在二極管開關電路中，二極管導通壓降與外加電源電壓相比及導通電阻與外電路電阻相比均可忽略時，則可近似地認為二極管具有理想開關的靜態(tài)開關特性。在數字電路的分析與估算過程中，常把uDUT=0.5V，看成是硅二極管的截止條件。42動態(tài)特性動態(tài)特性分析二極管開關的轉換過程 5分析三極管的開關工作狀態(tài) 671三極管三種工作狀態(tài)的特點三極管三種工作狀態(tài)的特點（1）截止

2、狀態(tài)）截止狀態(tài)（2）放大狀態(tài)）放大狀態(tài) （3）飽和狀態(tài)飽和狀態(tài) 81三極管三種工作狀態(tài)的特點三極管三種工作狀態(tài)的特點（1）截止狀態(tài)）截止狀態(tài)（2）放大狀態(tài)）放大狀態(tài) （3）飽和狀態(tài)）飽和狀態(tài) 91三極管三種工作狀態(tài)的特點三極管三種工作狀態(tài)的特點三極管截止、放大、飽和的工作條件及特點三極管截止、放大、飽和的工作條件及特點102三極管的動態(tài)特性三極管的動態(tài)特性（d）集電極電流 111MOS管的開關作用管的開關作用2MOS管的開關時間管的開關時間取決于與電路有關的分布電容及下一級輸入電容充放電所需的時間 121與門電路與門電路13二極管與門電路的電位關系表二極管與門電路的電位關系表 與真值表與真值表

3、 與門的函數表達式與門的函數表達式：Z=ABC 142或門電路或門電路15二極管或門邏輯真值表二極管或門邏輯真值表 輸 入輸出ABCZ00000011010101111001101111011111函數表達式為函數表達式為：Z=A+B+C 163非門電路非門電路17輸 入輸 出AZ0110函數表達式為：函數表達式為：Z=A 非門邏輯真值表非門邏輯真值表 184復合門電路復合門電路由二極管與門和三極管非門串聯而成稱為二極管三極管邏輯門電路簡稱DTL電路191. 具有與非邏輯關系的邏輯門的函數表達式為 Z=CBA2. 或非門的函數表達式為：Z= CBA20輸 入輸出輸 入輸出ABCZABCZ000

4、1000100110010010101000111011010011000101110101101110011101110與非門邏輯真值表與非門邏輯真值表 或非門邏輯真值表或非門邏輯真值表 212-3-1 TTL與非門的工作原理2-3-2 TTL與非門的參數2-3-3 TTL與非門的改進電路2-3-4 TTL的其他類型門電路2-3-5 其他雙極型集成電路介紹221典型典型TTL與非門電路與非門電路232TTL與非門的工作原理與非門的工作原理（1）邏輯邏輯功能功能邏輯表達式為邏輯表達式為L= ABC24（2）電壓傳輸特性）電壓傳輸特性 電壓傳輸特性分析電壓傳輸特性分析AB段截止區(qū) BC段線性區(qū)

5、CD段過渡區(qū) CE段飽和區(qū) 25（2）電壓傳輸特性）電壓傳輸特性 a. 關門電平和開門電平 b. 閾值電壓UT c. 噪聲容限 (Noise Margin) 關門電平、開門電平、閾值電壓及噪聲容限關門電平、開門電平、閾值電壓及噪聲容限26（2）電壓傳輸特性）電壓傳輸特性 開門電阻、關門電阻開門電阻、關門電阻a. 關門電阻ROFF b. 開門電阻RON RRRuUu1be1cRUOFF RRRuUu1be1cRUON27（3）與非門輸出、輸入端等效電路）與非門輸出、輸入端等效電路 輸出端等效電路輸出端等效電路開態(tài) 關態(tài) 28（3）與非門輸出、輸入端等效電路）與非門輸出、輸入端等效電路輸入低電平

6、輸入高電平 輸入端等效電路輸入端等效電路291輸入特性及有關參數輸入特性及有關參數（1）輸入伏安特性）輸入伏安特性 輸入短路電流IIS 輸入漏電流IIH30（2）輸入負載特性TTL門電路輸入端接電阻時的等效電路門電路輸入端接電阻時的等效電路 TTL與非門的輸入負載特性與非門的輸入負載特性 312輸出特性及有關參數輸出特性及有關參數（1）輸出高電平時的輸出特性）輸出高電平時的輸出特性322輸出特性及有關參數輸出特性及有關參數（2）輸出低電平時的輸出特性332輸出特性及有關參數輸出特性及有關參數（3）有關參數）有關參數 輸出高電平輸出高電平UOH 輸出低電平輸出低電平UOL 343瞬時特性及有關參

7、數瞬時特性及有關參數（1）瞬時特性波形）瞬時特性波形 35（2）平均傳輸延遲時間tpd3瞬時特性及有關參數瞬時特性及有關參數2plhphlpdttt364TTL與非門的扇出系數和電源電流與非門的扇出系數和電源電流（1）扇出系數N（2）電源電流ICCICCL是指門電路輸出為低電平UOL時電源所提供的電流；ICCH是指門電路輸出為高電平UOH時電源所提供的電流 ISLIIN 37參 數 名 稱符 號單 位測 試 條 件指 標導通電源電流ICCLmA輸入懸空，空載， UC=5V10截止電源電流ICCHmAui=0，空載， UC =5V5輸出高電平UOHVui=0.8V，空載， UC =5V3.0輸出

8、低電平UOLVui=0.8V，IL=12.8mA， UC =5V0.35輸入短路電流IISmAui=0 UC =5V2.2輸入漏電流IIHAui=5V，其他輸入端接地， UC =5V70開門電平UONVUOL=0.35V，IL=12.8mA， UC =5V1.8關門電平UOFFVUOH=2.7V，空載 UC =5V0.8扇出系數Nui=1.8V，UOL0.35V， UC =5V8平均傳輸時間tpdNs信號頻率f=2MHz，No=8 UC =5V30 TTL與非門的主要指標 381有源泄放有源泄放TTL電路電路（1）改善電壓傳輸特性）改善電壓傳輸特性 （2）縮短電路的平均傳輸延遲時間）縮短電路的

9、平均傳輸延遲時間392抗飽和抗飽和TTL電路（電路（STTL電路）電路）402抗飽和抗飽和TTL電路（電路（STTL電路）電路）（1）肖特基晶體管的特點）肖特基晶體管的特點（2）STTL電路電路41（3）低功耗肖特基電路（LS-TTL電路） 2抗飽和抗飽和TTL電路（電路（STTL電路）電路）421集電極開路與非門 432三態(tài)門三態(tài)門443異或門異或門454與或非門與或非門461高閾值邏輯門電路（高閾值邏輯門電路（HTL）2射極耦合邏輯門電路（射極耦合邏輯門電路（ECL）3集成注入邏輯門電路（集成注入邏輯門電路（I2L）472-4-1 CMOS反相器2-4-2 CMOS與非門2-4-3 CMO

10、S或非門2-4-4 COMS傳輸門2-4-5 COMS與TTL電路性能比較2-4-6 正負邏輯問題48在在CMOS反相器中，反相器中，無論電路處于哪一種工作狀態(tài)，無論電路處于哪一種工作狀態(tài)，總有一個管子截止，總有一個管子截止，另一個管子導通，另一個管子導通，因此靜態(tài)電流近似為零，因此靜態(tài)電流近似為零，電路的功耗很小。電路的功耗很小。 CMOS反相器的邏輯電路反相器的邏輯電路 49CMOS與非門的邏輯電路與非門的邏輯電路當輸入端當輸入端A、B中有一個為低電平時，輸出為高電平；中有一個為低電平時，輸出為高電平；只有當輸入端只有當輸入端A、B都是高電平時，輸出為低電平。都是高電平時，輸出為低電平。電

11、路具有與非的邏輯功能，其邏輯表達式為電路具有與非的邏輯功能，其邏輯表達式為F=BA50CMOS或非門或非門 電路圖電路圖該電路具有或非邏輯功能，該電路具有或非邏輯功能，其邏輯表達式為其邏輯表達式為F=BA 511電路結構電路結構522工作原理工作原理（1）導通狀態(tài)）導通狀態(tài)（2）截止狀態(tài)）截止狀態(tài)C只要只要C=1， =0，ui在在0VDD之間變化時，傳輸門中至少有一個管子導通，之間變化時，傳輸門中至少有一個管子導通，導通時電阻為幾百歐姆，相當于開關閉合，輸入信號由輸入端傳送到輸出端。導通時電阻為幾百歐姆，相當于開關閉合，輸入信號由輸入端傳送到輸出端。CMOS傳輸門可以傳輸數字信號，也可以傳輸模

12、擬信號。傳輸門可以傳輸數字信號，也可以傳輸模擬信號。由于由于MOS管結構對稱，漏極、源極可以互換，因此，管結構對稱，漏極、源極可以互換，因此，CMOS傳輸門具有傳輸門具有雙向性，也稱雙向開關。雙向性，也稱雙向開關。53 在功耗和速度上有很大差別 CMOS電路需要的輸入電流幾乎可以忽略，而一個典型的TTL門電路，在輸入信號為0態(tài)時，需要1.6mA左右的輸入電流。 CMOS電路不能提供太大的輸出電流；而一個TTL電路的輸出端卻可以吸收16mA的電流。 CMOS電路所用的電源電壓范圍很大（318V均可工作）541正邏輯和負邏輯的規(guī)定正邏輯和負邏輯的規(guī)定 在邏輯電路中，電平的高和低均可用邏輯在邏輯電路

13、中，電平的高和低均可用邏輯1或或邏輯邏輯0來表示。用來表示。用1表示高電平，而用表示高電平，而用0表示低表示低電平，則稱之為正邏輯體制；與此相反，若用電平，則稱之為正邏輯體制；與此相反，若用0表示高電平，而用表示高電平，而用1表示低電平，則稱之為負表示低電平，則稱之為負邏輯體制。邏輯體制。552負邏輯符號的表示負邏輯符號的表示56 由上圖可總結出由正邏輯體制變換為負由上圖可總結出由正邏輯體制變換為負邏輯體制的規(guī)則：邏輯體制的規(guī)則：（1）將與門符號變成或門符號或將或門符號變）將與門符號變成或門符號或將或門符號變?yōu)榕c門符號。為與門符號。（2）在門電路符號的輸入端加小圓圈，表示反）在門電路符號的輸入

14、端加小圓圈，表示反相。相。（3）在門電路符號的輸出端加小圓圈，也表示）在門電路符號的輸出端加小圓圈，也表示反相。反相。 57 通過上述分析可以得出：通過上述分析可以得出： 正邏輯正邏輯“與與”門同負邏輯門同負邏輯“或或”門等效；門等效； 正邏輯正邏輯“或或”門同負邏輯門同負邏輯“與與”門等效；門等效； 正邏輯與非門同負邏輯或非門等效；正邏輯與非門同負邏輯或非門等效； 正邏輯或非門同負邏輯與非門等效。正邏輯或非門同負邏輯與非門等效。582-5-1 TTL-CMOS接口電路2-5-2 CMOS-TTL接口電路2-5-3 門電路使用中應注意的事項59TTL-CMOS接口電路60CMOS驅動TTL采用

15、專用接口器件611多余端的處理多余端的處理 對于對于TTL與非門與非門 621多余端的處理多余端的處理 對于對于TTL或非門或非門 631多余端的處理多余端的處理 對于對于CMOS電路電路 對于CMOS電路，多余的輸入端必須依據相應電路的邏輯功能決定是接在正電源VDD上（與門、與非門）或是與地相接（或門、或非門）。一般不宜與使用的輸入端并聯使用，因為輸入端并聯時將使前級的負載電容增加，工作速度下降，動態(tài)功耗增加。642使用使用CMOS電路要避免靜態(tài)損壞電路要避免靜態(tài)損壞（1）所有與）所有與MOS電路直接接觸的工具、測試設備必須可靠電路直接接觸的工具、測試設備必須可靠地接地。地接地。（2）操作人

16、員應盡量避免穿著容易產生靜電的化纖織物。）操作人員應盡量避免穿著容易產生靜電的化纖織物。否則，需要采取消除靜電的措施，例如，使用消除靜電的否則，需要采取消除靜電的措施，例如，使用消除靜電的噴霧器進行清洗等。噴霧器進行清洗等。（3）MOS器件應放在金屬容器或其他導電的容器中存放和器件應放在金屬容器或其他導電的容器中存放和搬運，絕不能存放在易產生靜電的泡沫塑料、塑料袋或其搬運，絕不能存放在易產生靜電的泡沫塑料、塑料袋或其他容器中。他容器中。（4）在調試）在調試CMOS電路板時，如果信號源和電路板是用兩電路板時，如果信號源和電路板是用兩組電源，則開機時應先接電路板電源，后開信號源電源。組電源，則開機

17、時應先接電路板電源，后開信號源電源。關機時，則應先關信號源電源，后斷電路板電源。關機時，則應先關信號源電源，后斷電路板電源。 65本章主要討論了二、三極管的開關特性；TTL邏輯門電路的電路結構、工作原理以及與非門的外特性；CMOS集成電路。 半導體器件的開關特性是分析電路邏輯功能的基礎，對三極管的截止條件、飽和條件以及飽和、截止時各極電壓、電流的分配必須十分清楚。三極管工作在飽和狀態(tài)時基區(qū)有存儲電荷存在，當從飽和轉換為截止時存儲電荷的消散需要一定的存儲時間ts，ts是影響開關速度的主要因素。 66TTL與非門的外特性是TTL與非門在外部所表現出來的電壓和電流的關系。其中有表示輸出電壓和輸入電壓

18、之間關系的電壓傳輸特性，表示輸入電壓和輸入電流之間關系的輸入特性和表示輸出電壓和輸出電流之間關系的輸出特性。只有掌握了這幾個特性，才能正確地使用TTL與非門。 其他類型的TTL門電路，盡管它們的邏輯功能各異但輸入、輸出端電路結構與TTL與非門相同，因此與非門的輸入、輸出特性對這些門電路同樣適用。 67本章中所講到的TTL、HTL、CEL以及I2L，都屬于雙極型數字集成電路，因為這些電路中所用的三極管都是雙極型的。而在MOS數字集成電路中，使用的是MOS管，因而把這一類數字集成電路稱為MOS集成電路。 在MOS數字集成電路中。CMOS電路的最基本邏輯單元是反相器。由于采用了N溝道管與P溝道管互補

19、式電路，所以功耗小，而且現在生產的高速CMOS電路，其工作速度已可與TTL電路媲美。在整個數字集成電路中，CMOS電路占據主導地位的趨勢日益明顯。 681二極管為什么能起開關作用?把它作為理想電子開關的條件是什么?2試述三極管截止、放大、飽和三種工作狀態(tài)的特點。三極管在什么條件下會出現飽和現象?在電路中怎樣判別管子已處于飽和狀態(tài)?693 判斷如圖2-44所示各電路中三極管工作在什么狀態(tài)?圖2-44 題2-3圖70圖2-45 題2-4圖4如圖2-45所示，已知R1=2k，R2=30k，RC=1.5k，VCC=6V，UB=-6V，三極管=20，試計算三極管開始飽和時的ui值（提示：三極管開始飽時I

20、B=IBS）5二極管電路如圖2-46所示。（1）分析輸出Z1、Z2和輸入A、B、C之間的邏輯關系；（2）已知A、B、C的波形如圖2-46（c）所示，畫出Z1，Z2的波形（輸入信號電壓幅度滿足邏輯要求）。圖2-46 題2-5圖 716試分析如圖2-47所示電路中，一只二極管導通和三只二極管均導通時，流過限流電阻R的電流各為多少?（二極管導通壓降和截止電流均可忽略）。 圖2-47 題2-6圖727對應于圖2-48（a）各種情況及圖2-48（b）所示輸入波形，畫出E、F、L、G、H的波形。 圖2-48 題2-7圖738為什么TTL與非門輸入端：（a）接地；（b）接低于0.8V的電源；（c）接同類與非門的輸出低電平0.3V，在邏輯上都屬于輸入為0?9為什么TTL與非門輸入端：（a）懸空；（b）接高于2V的電源；（c）接同類與非門的輸出高電平3.6V，在邏輯上都屬于輸入為1? 10在挑選TTL門電路時，人們都希望選用輸入