第1章_数字电路和集成逻辑门电路

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1、第一章 数字电路和集成逻辑门电路 数字电子技术基础 本章内容 1.2数字信号与模拟信号 1.4 基本逻辑关系及其逻辑运算 1.5 半导体分立门电路 1.7 CMOS门电路 1.8 集成电路的接口电路 1.1 概述 1.9 数字电路故障的检测和排除 1.6 TTL集成门电路 1.3 数字电路的逻辑状态和正负逻辑 1.10 应用电路介绍 1.1 概述 目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。 TTL集 成电路工作速度高、 驱动能力强，但功耗大、集成度低 ； MOS集成电路集成度高、功耗低。超大规模集成电路基 本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。目前已 生产了BiCMOS器件，它由

2、双极型晶体管电路和MOS型集成 电路构成，能够充分发挥两种电路的优势， 缺点是制造 工艺复杂。 1.1 概述 v 集成电路： 按照单片硅片集成门电路的数量 分类 小规模集成电路（small scale integration，简称SSI）,每片 组件内包含10100个元件(或1020个等效门)。 中规模（medium scale integration，简称MSI）,每片组件 内含1001000个元件(或20100个等效门)。 大规模（large scale integration，简称LSI）,每片组件内含 1000100 000个元件(或1001000个等效门)。 超大规模集成电路(ver

3、y large scale integration，简称VLSI), 每片组件内含100 000个元件(或1000个以上等效门)。 根据集成电路的制造工艺来分类 双极型集成电路 单极型集成电路 1.2数字信号与模拟信号 v 数字信号的特点 数字信号在时间上和数值上均是离散的。 数字信号在电路中常表现为突变的电压或电流。 数字信号 模拟信号 1.3 数字电路的逻辑状态和正负逻辑 v 数字信号是一种二值信号，用两个电平（高电平和低电平）分 别来表示两个逻辑值（逻辑1和逻辑0）。 v 有两种逻辑体制： 正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。 负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。

4、 如果采用正逻辑，前面的数字电压信号就成为下图所示逻辑信 号。 高低电平的允许范围 模拟电路的数字化产品模拟电路的数字化产品 思考思考 模拟产品 数字产品 模拟电路与数字的主要区别是什么？ P284 1.4 基本逻辑关系及其逻辑运算 v1.4.1 与逻辑和与运算 只有当决定某一种结果的所有条件都具备时，这个结果才能发 生，我们把这种因果关系称为与逻辑关系，简称与逻辑。 与逻辑关系 ABY 000 010 100 111 逻辑表达式：逻辑表达式： = =或或 = = 与逻辑真值表与逻辑运算规则 与逻辑符号 1.4 基本逻辑关系及其逻辑运算 v1.4.2 或逻辑和或运算 当决定某一结果的多个条件中

5、，只要有一个或一个以上的条件 具备，结果就发生，这种逻辑关系，就称为或逻辑关系，简称或逻 辑。 ABY 000 011 101 111 或运算又称逻辑加。用逻辑式表示为或运算又称逻辑加。用逻辑式表示为: : 或逻辑关系 或逻辑真值表 或逻辑运算规则 或逻辑符号 1.4 基本逻辑关系及其逻辑运算 v 1.4.2非逻辑和非运算 如果条件与结果的状态 总是相反，则这样的逻辑关 系叫做非逻辑关系，简称非 逻辑，或逻辑非。 AY 01 10 非运算的运算规则 非逻辑关系 非逻辑真值表 非逻辑符号 逻辑表达式逻辑表达式: : 通常称A为原变量，A为反变量。 几种常用的复合逻辑 运算 v与非 或非 与或非

6、几种常用的复合逻辑 运算 v异或 vY= A B A BY 0 00 0 11 1 01 1 10 几种常用的复合逻辑 运算 v同或 vY= A B A BY 0 01 0 10 1 00 1 11 1.5 半导体分立门电路 1.5.1 半导体基本知识 导电能力：导体、半导体和绝缘体 半导体：本征半导体和杂质半导体 掺入杂质的不同：P型半导体和N型半导体 PN结 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。 扩散运动 P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。 PN结的形成 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同， 达到动态平衡，就形成了PN结。 PN结加正向电压导通： 耗尽层变

7、窄，扩散运动加 剧，由于外电源的作用，形 成扩散电流，PN结处于导通 状态。 PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动 ，有利于漂移运动，形成漂移 电流。由于电流很小，故可近 似认为其截止。 PN结的单向导电性 1.5.2 半导体二极管及其门电路 二极管的结构及符号 将结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体 二极管。根据半导体二极管材料的不同，可分为硅二极管 和锗二极管。 半导体二极管表示符号 1.5.3 二极管门电路 1. 二极管的开关特性 二极管的主要特性是单向导电性。 v 当二极管加正向电压时，二极管导通，其管压降随电流的 增加变化很小，普通硅管约为0.7，锗管为0.3。相当

8、于一个闭合的开关。 v 当二极管加反向电压时，二极管截止，反向电流很小而且 基本不变，呈现很高的反向电阻。因此，如同一个断开的 开关。 二极管在电路中可以作为一个受外加电压极性控制的开关。 1.5 半导体分立门电路 2. 二极管与门电路 A(V)B(V)Y(V) 000.7 050.7 500.7 555.7 ABY 000 010 100 111 硅管 1.5 半导体分立门电路 3.二极管或门电路 A(V)B(V)Y(V) 00-0.7 054.3 504.3 554.3 ABY 000 011 101 111 硅管 1.5.4 晶体管及其门电路 1.晶体管的结构及符号 NPN型晶体管 PN

9、P型晶体管 晶体管的结构示意图和符号管的结构示意图和符号 2.晶体管的特性曲线 （1）输入特性曲线 某三极管输入特性曲线 开启电压UON： 硅管的为0.50.7V， 锗管的为0.20.3V 发射结正偏 1.5 半导体分立门电路 （2）输出特性曲线 1.5 半导体分立门电路 3.晶体管的开关特性 （1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IBICBO0，IC ICEO0，VCEVCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压 1.5 半导体分立门电路 此时，若调节Rb，则IB，IC，VCE，工作点沿着负载线由A 点B点C点D点向上移动。

10、在此期间，三极管工作在放大区， 其特点为ICIB。 三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏 （2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有 称为晶体管的电流放大系数 IB 1.5 半导体分立门电路 若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增 加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES （3）饱和状态：保持VI不变，继续减小Rb，当VCE 0.7V时，集电 结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b）中的E点。此时的 集电极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，基极电流称为基极 临界饱和电流，用IBS表示，有: IB 1

11、.5 半导体分立门电路 若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增 加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES， 其典型值为：VCES0.3V。 三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB IBS 电压条件为：集电结和发射结均正偏 （3）饱和状态： IB 1.5 半导体分立门电路 解：1) 当 时，由于 ，所以三极管截止， 2) 当 时 由上可得： ，故三极管工作在饱和状态， 。 思考题与习题 1.5 半导体分立门电路 4.晶体管非门电路 当输入低电平时，三极管截止， ， 输出高电平， 。 当输入高电平时，若等电路参数选择适当， 保证三极管的基极电

12、流大于饱和基极电流， 即 ，则三极管饱和，输出低电平， 。 1.6 TTL集成门电路 1.6.1 TTL门电路系列 系列电源电压(V) 最大 标准 最小 工作环境温度（） 最大 最小 74TTL5.25 5 4.75 70 0 54TTL5.5 5 4.5 +125 -55 54TTL系列与74TTL系列性能比较 74TTL系列速度和功耗的比较 速度系列功耗系列 快74AS小74L 74S74ALS 74ALS74LS 74LS74AS 7474 慢 74L大74S 1.6 TTL集成门电路 1.6.2 TTL与非门电路 1. 电路组成 在电路中，采用了肖特基势垒二极管（ Schottky b

13、arrier diode，即SBD）和抗饱 和型的肖特基三极管(Schottky transistor) 。肖特基势垒二极管是利用金属和半导体之 间的接触势垒所构成的，其正向压降约为0.3 0.4，且开关速度比普通二极管高一个数 量级左右。 74LS00 2.工作原理 （1）输入有低电平0.3V 时： 如果输入端输入为0.3（ 即为低电平），输入3.4（即 为高电平），则VD3正向导通， UB1 =0.7，三极管V1 、 V2 、 V5截止。如果忽略R2上的电压压 降， UC1约为5， V3和V4导通 ，此时，电路输出为高电平，即 UOH 50.7 0.7=3.6。如果考虑到在R2上 产生的压

14、降，则实际的输出高电 平约为3.4V。 输入有低电平时，输出为高电平 0.3V 0.7V 1.6 TTL集成门电路 （2）输入全为高电平3.4V时 VD3、 VD4截止，电源电压VCC通过电阻R1向V1注入基极驱动电 流，使V1饱和，V1导通后，就向V5的基极注入电流，使V5管工作于抗 饱和状态，故输出低电平UOL0.3。 输入全为高电平时输出为低电平 电路实现了与非逻辑关系 输入有低电平时，输出为高电平 例1-2 74LS00的连接电路如图1-23 a所示，其输入端A输入 由函数发生器产生的方波信号，而输入端B的逻辑状态则 由开关S控制。试根据输入信号画出输出端Y的波形。 1.6 TTL集成

15、门电路 1.6.3 TTL门电路的外部特性 1电压传输特性 实验1.3集成逻辑门电路参数测试 P48 （结合TTL与非门电路来理解） 1.6 TTL集成门电路 2TTL与非门的输入特性 （1）输入伏安特性 输入短路电流 1.6 TTL集成门电路 （2）输入端负载特性 关门电阻 若 ，输入端相当于接低电平，电路处于关门状态，输出高电平。 开门电阻 若 ，输入端相当于接高电平，与非门处于开门状态，输出为低电平。 1.6 TTL集成门电路 3TTL与非门的输出特性 （）输出高电平（带拉电流负载）时的输出特性 1.6 TTL集成门电路 （）输出低电平（带灌电流负载）时的输出特性 1.6 TTL集成门电路 1.6.4 TTL门电路的主要参数 1输出高电平 UOH 2输出低电平 UOL 3低电平输出时的电源电流 ICCL 4高电平输出时的电源电流 ICCH 5输入短路电流 IIS 6高电平输入电流 IIH 7输入高电平最小值 UIHmin 8输入低电平最大值 UILmax 9噪声容限（ UNL、 UNH） 10.扇出系数 No 11.平均传输时间 tpd P32 例1-3 某温度控制电路如图1-25所示，为热敏电阻，求继电器 吸合的条件。 解：1） 开关闭合时，