第三章 邏輯門電路

第三章

邏輯門電路本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)熟悉開關(guān)器件（二極管、三極管BJT）的開關(guān)特性【BJT：BipolarJunctionTransistor】第3章掌握由分立元件構(gòu)成的基本邏輯門電路①二極管與門電路②二極管或門電路③非門——BJT反相器本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)TTL邏輯門電路第3章一般了解

它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)重點(diǎn)

掌握它們的邏輯功能和外特性邏輯門電路的主要技術(shù)參數(shù)TTL門電路中的OC門和三態(tài)門一．二極管的開關(guān)特性首先來看一下獲得高、低電平的基本原理：

當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，輸出電壓vO為高電平；當(dāng)開關(guān)S接通后，輸出便為低電平。

以下討論的開關(guān)S是用半導(dǎo)體二極管或三極管構(gòu)成的。第3章返回二極管的開關(guān)特性表現(xiàn)在：

正向?qū)ㄅc反向截止這樣兩種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。第3章（一）半導(dǎo)體二極管相關(guān)知識(shí)二極管的幾種外形

二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)和符號(hào)

第3章二極管的基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦远O管的伏安特性正向偏置時(shí)→二極管導(dǎo)通

反向偏置時(shí)→二極管截止i—為流過二極管的電流；v—為加到二極管兩端的電壓；vT—為溫度的電壓當(dāng)量，常溫下等于26mV第3章第3章（二）二極管的開關(guān)特性當(dāng)vi=0(即輸入為低電平)時(shí)：D導(dǎo)通，輸出vo＝0為低電平；——相當(dāng)于開關(guān)閉合狀態(tài)當(dāng)vi=VCC(即輸入為高電平)時(shí)：D截止，輸出vo＝VCC為高電平；——相當(dāng)于開關(guān)斷開狀態(tài)

二．三極管的開關(guān)特性（一）半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)（1）三極管的幾種外形第3章返回（2）三極管的幾種常見結(jié)構(gòu)和符號(hào)第3章常用雙極型三極管的兩種類型：（b）PNP型（a）NPN型第3章（3）雙極型三極管的特性曲線（a）輸入特性曲線

以基極b和發(fā)射極e之間的發(fā)射結(jié)作為輸入回路而得該曲線。它與半導(dǎo)體二極管正向?qū)〞r(shí)的V-I特性曲線相同。第3章（b）輸出特性曲線

以集電極c和發(fā)射極e之間的回路作為輸出回路，而得該輸出曲線。第3章半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性

第3章當(dāng)vi=0(即輸入為低電平)時(shí)：T截止，輸出vo＝VCC為高電平；——相當(dāng)于開關(guān)斷開狀態(tài)當(dāng)vi=VCC(即輸入為高電平)時(shí)：T導(dǎo)通，輸出vo＝0為低電平；——相當(dāng)于開關(guān)閉合狀態(tài)ABD1YVCC（5V）D2RA、B——輸入，Y——輸出設(shè)：VIH=3V，VIL=0V只要A、B中有一個(gè)為低電平（0V），二極管正向?qū)▔航礦D=0.7V。只有A、B同時(shí)為高電平（3V），以A=0為例0V0.7V則相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，Y就為低電平（0.7V），即：只要AB=0，則Y=0。即：只有AB=1，才有Y=1。3V3V3.7VY才為高電平（3.7V）。邏輯符號(hào)所以：Y=AB三.分立元件構(gòu)成的門電路二極管與門這種與門電路雖然很簡(jiǎn)單，但存在著嚴(yán)重的缺點(diǎn)

(1)輸出電平都比輸入電平高出0.7V——電平偏離，如果將三個(gè)這種門級(jí)聯(lián)（前級(jí)的輸出作為后級(jí)的輸入），VCC（5V）0V則最后一級(jí)的輸出低電平偏離到2.1V，已接近規(guī)定的輸入的高電平，會(huì)造成邏輯混亂。0.7V1.4V2.1VD1D2RD1D2RD1D2RD1D2R+VCC（5V）RL=R3V3V3.7V2.5V(2)當(dāng)輸出端對(duì)地接上負(fù)載電阻（常稱為下拉負(fù)載）時(shí)，會(huì)使輸出高電平降低，即帶負(fù)載能力差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成邏輯混亂。

2二極管或門ABD1YD2RA、B——輸入，Y——輸出設(shè)：VIH=3V，VIL=0V只要A、B中有一個(gè)為高電平（3V），二極管正向?qū)▔航礦DF=0.7V。只有A、B同時(shí)為低電平（0V），兩個(gè)二極管均截止。以A=1為例0V0V則相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，Y就為高電平（2.3V），即：只要A+B=1，則Y=1。3V2.3VY才為低電平（0V），即：只有A+B=0，才有Y=0邏輯符號(hào)所以：Y=A+B0V設(shè)三極管的β=20；VCES=0.3V，VBE=0.7V，VIL=0.3V，VIH=3.2V

（一）邏輯功能分析

1.當(dāng)uI=VIL=0.3V，即：A=0時(shí)TRCR1VCC=5VR24.7KVBB=-5VuouI10K56KEBCuO=VOH=5V，即Y=1三極管截止，iC≈0iC0.3V5V3.三極管非門2.當(dāng)uI=VIH=3.2V，即：A=1時(shí)三極管飽he，VBES=0.7V，VCES=0.3V實(shí)現(xiàn)了邏輯非：TRCR1VCC=5VR24.7KVBB=-5VuouI10K56KEBCuO=VOL=VCES=0.3V，即Y=0它是一個(gè)非門（也稱反相器）R1R2UBB=-5VuI10K56K0.7V3.2V3.2Vi1i2iB邏輯符號(hào)四.TTL集成門電路

所謂集成電路（IntegratedCircuit，簡(jiǎn)稱IC）是采用一定的生產(chǎn)工藝，將晶體管、電阻、電容等元件和連線制做在同一塊半導(dǎo)體基片上、并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)所構(gòu)成的電路單元。集成門電路具有體積小、可靠性高、工作速度快等許多優(yōu)點(diǎn)。按照所采用的基本電子器件的不同，集成門電路分為TTL和MOS兩大類型。TTL數(shù)字集成器件內(nèi)部由雙極型晶體管組成，TTL是晶體管一晶體管邏輯電路(TransistorTransistorLogic)的簡(jiǎn)稱，由于其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造工藝成熟，因此性能穩(wěn)定，可靠性高。TTL集成門電路有54(軍用品)和74(民用品)兩大系列，每一系列的品種很多，74系列中有74××(標(biāo)準(zhǔn)型)、74S××(肖特基型)、74LS××(低功耗肖特基型)等.

(一）TTL反相器第3章典型電路通常把它分成三部分：輸入級(jí)（R1、D1和T1）倒相級(jí)（R2、T2和R3）輸出級(jí)（R4、T4

和D2

、T5）返回TTL反相器電路第3章【分析工作原理（1）】

當(dāng)輸入為高電平，假設(shè)Vcc=5v,VI=VIH=3.4V時(shí)：T1發(fā)射結(jié)正偏處于導(dǎo)通狀態(tài)，而T2和T5的發(fā)射結(jié)必然導(dǎo)通，T4和D2均截止，故此時(shí)輸出為低電平。TTL反相器電路第3章【分析工作原理（2）】當(dāng)輸入為低電平，假設(shè)vI=VIL=0.2V時(shí)：T1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，T2和T5均截止，而T4和D4處于飽和狀態(tài)，故此時(shí)輸出為高電平。TTL反相器電路第3章【幾點(diǎn)說明】輸出端屬于推拉式（圖騰柱）輸出級(jí)。其優(yōu)點(diǎn)是：既能提高開關(guān)速度，又能提高帶負(fù)載能力。二極管D1的作用：為確保T5飽和導(dǎo)通時(shí)T4可靠地截止而串的。TTL集成門電路的某個(gè)輸入端懸空，相當(dāng)于輸入端接1。TTL反相器的電壓傳輸特性第3章就是 的關(guān)系曲線，如下圖所示。AB段——截止區(qū)BC段——線性區(qū)CD段——轉(zhuǎn)折區(qū)DE段——飽和區(qū)﹠V0V1

+5V

+5V

R

測(cè)試電路（二）TTL與非門電路第3章

把TTL反相器的輸入端修改為多輸入端的形式，就變成了TTL與非門電路。多輸入端典型電路其中T1是一個(gè)多發(fā)射極三極管，相當(dāng)若干個(gè)發(fā)射極獨(dú)立而基極和集電極分別并聯(lián)在一起的三極管，其等效電路如下：+V13CCABCTbR1TTL與非門的技術(shù)參數(shù)（1）傳輸特性【如前介紹】（2）輸入和輸出的高、低電壓 由前面TTL反相器的傳輸特性可以求得輸入和輸出的高、低電壓的數(shù)值如下： 輸出高電壓VOH≈VO(A)=3.6V 輸出低電壓VOL=VCES=0.2V 輸入低電壓VIL=VI(B)=0.4V 輸入高電壓VIH=VI(D)=1.2V第3章﹠V0V1

+5V

+5V

R

參數(shù)名稱符號(hào)單位指標(biāo)輸出高電平輸出低電平開門電平關(guān)門電平輸入短路電流輸入高電平電流扇出系數(shù)傳輸延遲時(shí)間功耗VOHVOLVONVOFFIISIIHNtpdPVVVVmAμA個(gè)nsmW≥3.2≤0.35≤1.8≥0.8≤2.2≤50≥8≤40≤50TTL與非門主要參數(shù)

（三）集電極開路門（OC門：【OpenCollector】）第3章定義集電極開路(OpenCollector)門簡(jiǎn)稱為OC門,它是TTL與非門電路的推拉式輸出級(jí)中，將輸出級(jí)改為集電極開路的晶體管結(jié)構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)及邏輯符號(hào)

OC門的特點(diǎn)OC門最顯著的特點(diǎn)就是：可以線與。所謂“線與”，就是將多個(gè)OC門的輸出端并聯(lián)（即各輸出端用一根導(dǎo)線直接連接起來）以實(shí)現(xiàn)與邏輯的功能（如右圖所示）（四）三態(tài)輸出門（TSL門：【TristateLogic】）

第3章三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)和代表符號(hào)

三態(tài)門的輸出具有三種狀態(tài)：高電平、低電平和高阻態(tài)（又稱為禁止態(tài)）。（a）控制端高電平有效當(dāng)EN=1時(shí)，當(dāng)EN=0時(shí)，Y為高阻態(tài)（b）控制端低電平有效當(dāng)時(shí)，Y為高阻態(tài)當(dāng)時(shí)，三態(tài)門的應(yīng)用第3章（1）用三態(tài)輸出門接成總線結(jié)構(gòu)讓各門的控制端處于高電平，即任意時(shí)刻只讓一個(gè)TSL門處于工作狀態(tài)，而其余的TSL門均處于高阻狀態(tài)，這樣總線會(huì)輪流接受各TSL門的輸出。（2）用三態(tài)輸出門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸?shù)?章

當(dāng)EN=1時(shí)：G1工作而G2呈高阻態(tài)，數(shù)據(jù)D0經(jīng)G1反相后送到總線上去；當(dāng)EN=0時(shí)：G2工作而G1呈高阻態(tài)，來自總線的數(shù)據(jù)經(jīng)G2反相后由送出。五.使用集成電路時(shí)的注意事項(xiàng)

對(duì)于各種集成電路，使用時(shí)一定要在推薦的工作條件范圍內(nèi)，否則將導(dǎo)致性能下降或損壞器件。數(shù)字集成電路種多余的輸入端在不改變邏輯關(guān)系的前提下可以并聯(lián)起來使用，也可以根據(jù)邏輯關(guān)系的要求接地或接高電平。TTL電路多余的輸入端懸空表示輸入為高電平；但CMOS電路，多余的輸入端不允許懸空，否則電路將不能正常工作。

第3章五.使用集成電路時(shí)的注意事項(xiàng)

TTL電路和CMOS電路之間一般不能直接連接，而需利用接口電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換或電流變換才可進(jìn)行連接，使前級(jí)器件的輸出電平及電流滿足后級(jí)器件對(duì)輸入電平及電流的要求，并不得對(duì)器件造成損害。

第3章第二章內(nèi)容總結(jié)要建立下面一些概念：第3章利用半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性，可以構(gòu)成與門、或門、非門、與非門、或非門、異或門等等各種邏輯門電路，也可以構(gòu)成在電路結(jié)構(gòu)和特性兩方面都獨(dú)具特