第3章 逻辑门电路

《第3章 逻辑门电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 逻辑门电路（140页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2019/10/28,1,第3章 门电路,3.1 二极管及三极管的开关特性,3.2 基本逻辑门电路,3.1.1 二极管的开关特性,3.1.2 三极管的开关特性,3.2.1 二极管与门,3.2.2 二极管或门,3.2.3 关于高低电平的概念及状态赋值,3.2.4 二极管非门（反相器）,2.2.5 关于正逻辑和负逻辑的概念,返回,结束 放映,2019/10/28,2,3.1 概述,门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。,：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,门电路的输出状态与赋值对应关系：,正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。,混合逻辑：输入用正逻辑、输出用

2、负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。,一般采用正逻辑,负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。,2019/10/28,3,在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。,K开-VO输出高电平，对应“1” 。 K合-VO输出低电平，对应“0” 。,2019/10/28,4,3.2 二极管及三极管的开关特性,数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。 导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。,半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。,2019/10/28,5,(1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻R

3、OFF = 无穷，电流IOFF = 0。,闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。,(2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0,理想开关的开关特性：,2019/10/28,6,客观世界中，没有理想开关。 乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。 半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。,2019/10/28,7,3.2.1 二极管的开关特性,返回,1. 静态特性及开关等效电路,正向导通时UD(ON)0.

4、7V（硅） 0.3V（锗） RD几 几十 相当于开关闭合,2019/10/28,8,反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百k） 相当于开关断开,2019/10/28,9,图2-2 二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时,图2-1 二极管的伏安特性曲线,开启电压,理想化伏安特性曲线,2019/10/28,10,高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0,VI=VIH D截止，VO=VOH=VCC VI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V,动画,二极管开关特性应用,2019/10/28,11,2. 动态特性：,若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因

5、此高频应用时需考虑此参数。,二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。,反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时间。 一般为纳秒数量级（通常tre 5ns ）。,2019/10/28,12,3.1.2 三极管的开关特性,1. 静态特性及开关等效电路,在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。,图2-3三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线,返回,2019/10/28,13,开关等效电路,(1) 截止状态,条件：发射结反偏,集电结反偏 特点：电流约为0A,2019/10/28,14,

6、(2)饱和状态,条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅,2019/10/28,15,图2-4 三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时,2019/10/28,16,三极管的开关特性,2019/10/28,17,2. 三极管的开关时间（动态特性）,图2-5 三极管的开关时间,2019/10/28,18,(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间,(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深

7、越长） tf ：下降时间,toff ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。,2019/10/28,19,4、场效应管的开关特性,工作原理电路,转移特性曲线,输出特性曲线,截止状态,vIUT,uo=+VDD,导通状态,vIUT,uo0,可变电阻区,恒流区,截止区,2019/10/28,20,门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。,分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元

8、器件和连线都 制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。,3.2 基本逻辑门电路,2019/10/28,21,3.2.2 二极管与门电路,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号 （+3V或0V） Y 为输出信号 VCC+12V,表2-1 电路输入与输出电压的关系,返回,2019/10/28,22,用逻辑1表示高电平（此例为+3V） 用逻辑0表示低电平（此例为0.7V）,3. 逻辑赋值并规定高低电平,4. 真值表,可见实现了与逻辑,2019/10/28,23,5. 逻辑符号 6. 工作波形(又一种表示逻辑功能的方法） 7. 逻辑表达

9、式 YA B,图2-6 二极管与门 （a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形,2019/10/28,24,3.2.3 二极管或门电路,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号（+3V或0V） Y 为输出信号,返回,2019/10/28,25,4. 真值表,可见实现了或逻辑,3. 逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑1表示高电平（此例为+2.3V） 用逻辑0表示低电平（此例为0V）,2019/10/28,26,图2-7 二极管或门 （a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形,5. 逻辑符号 6. 工作波形 7. 逻辑表达式 YA+ B,2019/10/28,27,3.2.4 关于高低电平的概念及

10、状态赋值,电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。 高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。 例：上面二极管与门电路中规定高电平为3V，低电平0.7V。 又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。,1. 关于高低电平的概念,返回,2019/10/28,28,2. 逻辑状态赋值,在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。 经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。,2019/10/28,29,3.2.4 非门（反相器）,图2-8 非门

11、 (a) 电路 （b）逻辑符号,1. 电路,2. 工作原理,A、B为输入信号 （+3.6V或0.3V） Y 为输出信号,返回,2019/10/28,30,3. 逻辑赋值并规定高低电平,用逻辑1表示高电平（此例为+3.6V） 用逻辑0表示低电平（此例为0.3V）,4. 真值表,可见实现了非逻辑Y=A,2019/10/28,31,3.3.1 CMOS反相器,3.2.2 其它类型的CMOS门电路,3.3 CMOS 门电路,返回,结束 放映,2019/10/28,32,复习,什么是高电平？什么是低电平？ 什么是状态赋值？ 什么是正逻辑？什么是负逻辑？ 二极管与门、或门有何优点和缺点？,2019/10/

12、28,33,MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。(metal-oxide-semiconductor) MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。,3.3 CMOS 门电路,2019/10/28,34,3.3.1 CMOS反相器,1MOS管的开关特性,MOS管有NMOS管和PMOS管两种。 当NMOS管和PMOS管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。 (complementary-symmetery metal-oxide-semiconductor) MOS管有增强型和

13、耗尽型两种。 在数字电路中，多采用增强型。,返回,2019/10/28,35,一、MOS管的结构和工作原理,金属铝,两个N区,SiO2绝缘层,P型衬底,导电沟道,源极,栅极,漏极,2019/10/28,36,图2-24 NMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性,D接正电源,（1）NMOS管的开关特性,VGH(th),2019/10/28,37,图2-25 PMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性,D接负电源,（2）PMOS管的开关特性,2019/10/28,38,(3)等效电路,OFF ，截止状态 ON，导通状态,2019/10/28,39,(4

14、)MOS管的四种类型,增强型 耗尽型,大量正离子,导电沟道,2019/10/28,40,图2-26 CMOS反相器,PMOS管,负载管,NMOS管,驱动管,开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。,2CMOS反相器的工作原理 （1）基本电路结构,2019/10/28,41,（2）工作原理,图2-26 CMOS反相器,UIL=0V,截止,导通,UOHVDD,当uI= UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，uO =UOHVDD,2019/10/28,42,图2-26 CMOS反相器,UIH= VDD,截止,UOL 0V,当uI =UIH = VDD ，VTN导通，VTP截止， uO =UOL0

15、V,导通,2019/10/28,43,（3）逻辑功能 实现反相器功能（非逻辑）。,（4）工作特点 VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。,2019/10/28,44,图2-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性,3 电压传输特性和电流传输特性,AB段：截止区 iD为0,BC段：转折区 阈值电压UTHVDD/2 转折区中点：电流最大,CMOS反相器 在使用时应尽 量避免长期工 作在BC段。,CD段：导通区,2019/10/28,45,输入低电平时噪声容限：,在保证输出高

16、、低电平基本不变的条件下,输入电平的允许波动范围称为输入端噪声容限。,输入高电平时噪声容限：,4、输入端噪声容限,2019/10/28,46,噪声容限衡量门电路的抗干扰能力。 噪声容限越大，表明电路抗干扰能力越强。,测试表明：CMOS电路噪声容限VNH=VNL30VDD，且随VDD的增加而加大。,2019/10/28,47,结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限,2019/10/28,48,因为MOS管的栅极和衬底之间存在着以SiO2为介质的输入电容，而绝缘介质非常薄，极易被击穿，所以应采取保护措施。,3.3.2 CMOS 反相器的静态输入和输出特性,一、输入特性(Ui和Ii),74HC系列,4000系列,2019/10/28,49,二、输出特性（U0和Io）,灌电流,2019/10/28,50,拉电流,2019/10/28,51,一、传输延迟时间,tpHL,tpLH,平均传输时间,3