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1、第2章 逻辑门电路,2.1 概述,2.1.1 逻辑与电路,在逻辑学中研究事物发展的因果关系，事物都有矛盾的两个方面：如真与假、好与坏、开与关、正与反、高与低等。逻辑电路的特性能够与事物的逻辑关系相对应。,在电路中存在两种状态：通与断、开与关、电位的高与低等，可以与二进制的0和1相对应。,在数字电路中利用电路的两种状态来表示二进制数，在数字电路中可以实现基本的逻辑关系。因此，将数字电路称为逻辑电路，或者称为逻辑门电路。,2.1.2 正逻辑与负逻辑,开关A闭合，输出Y为低电位(平),开关A断开，输出Y为高电位(平),正逻辑,高电平1,低电平0,负逻辑,高电平0,低电平1,2.1.3 逻辑门电路的组
2、成、特性和分类,门电路的组成,分立元件：早期的门电路，现今只作为门电路原理的例子。,集成电路：现在实用的门电路。体积小、速度快、可靠性高、使用方便。,门电路的特性,逻辑特性：逻辑功能,电气特性：工作中的电流、电压的关系,门电路的类型,TTL：双极型晶体管电路,CMOS：复合金属氧化物半导体电路,2.2 逻辑门电路介绍,2.2.1 基本逻辑门电路,逻辑变量：用字母A、B、C表示，只有两种值，开与关、亮与灭、高与低等，可用 1和 0 表示 。,【例】如图电路， A是开关，F是灯。 A= 1 表示开关“闭合”，A=0 表示开关“断开”； F= 1 表示灯亮， F= 0 表示灯灭。 则有： F=A 开
3、关与灯逻辑关系数学表示,1. 与门(与运算、逻辑乘),定义：F = AB = AB,其中“”称为“逻辑乘”、“与运算”。,真值表 ：逻辑关系的表格表示,与门逻辑符号,国标 惯用 国外 多端输入,真值表,2. 或门 ( 或运算、逻辑加 ),定义：F= A+B,其中“+”称为“逻辑加”、“或运算”,国标 惯用 国外 多端输入,真值表,或门逻辑符号,3非门 ( 非运算、逻辑反 ),定义：,真值表,国标 惯用 国外,非门逻辑符号,其中“”称为“逻辑反”、“非运算”,2.2.2 复合逻辑门,1. 与非门(NAND gate),表达式：,真值表,国标 惯用 国外 多端输入,与非门电路符号,2. 或非门(N
4、OR gate),表达式：,真值表,国标 惯用 国外 多端输入,或非门电路符号,3. 与或非门,【例】,表达式：,国标 惯用 国外,电路符号：,4. 异或门(exclusive-OR gate),表达式：,电路符号：,国标 惯用 国外,真值表,5. 同或门(exclusive-NOR gate),表达式：,电路符号：,国标 惯用 国外,真值表,2.3 半导体二极管和三极管的开关特性,2.3.1 半导体二极管的开关特性,二极管工作电路, 当Ui = +VF时，二极管导通。, 当Ui = VR时，二极管截止。, 当Ui从+VF 跳变到VR 时，二极管并不会立即截止。,从导通到截止需要时间 反向恢复
5、时间。,当反向电流为 0.1IR 时 二极管截止。,ts存储时间,tt渡越时间,tre = ts+ tt 称为反向恢复时间,ts 的存在称为“电荷存储效应。,二极管的开关特性,2.3.2 半导体三极管开关特性,工作电路,输出特性,(1). 截止工作状态,发射结、集电结均为反向偏置,IC =0，IE =0，U0=EC,发射结不一定要求反向偏置,一般：0 VBE 0.7V (硅管),截止区,1. 双极型三极管开关特性,(2). 放大工作状态,发射结导通，集电结为反向偏置,VBE 0.7V (硅管),IC = I b,输入、输出电流成正比关系,放大区,负载电流,(3). 饱和工作状态,发射结、集电结
6、均为正向偏置,VB E 0.7V，VC E 0.1 0.3V,饱和电流,IC S (EC 0.3)/RC EC /RC IBS,饱和区,(4). 三极管开关特性,三极管从饱和到截止，从截止到饱和两种状态之间的转换也需要一定的时间才能完成 。,饱和 开,截止 关,2. MOS管的开关特性,MOS器件：金属氧化物半导体，其基本器件称为“绝缘栅场效应管”,(1)、NMOS器件,增强型：当VGS = 0 时，DS 间截止；当VGS VT时，DS 间导通。VT 称为开启电压。,耗尽型：当 VGS = 0 时，DS 间导通；V VI 时，DS间截止。VI 称为夹断电压。,P型半导体衬底,N 型半导体,(2
7、)、PMOS器件,增强型：当VSG = 0时，DS 间截止；当VSG VT时，DS 间导通。VT 称为开启电压。,耗尽型：当VSG = 0时，DS 间导通；VG S VI时，DS 间截 止。VI称为夹断电压。,2.4 分立器件门电路,当 A 为高电位时，T 导通，输出 F 为低电位；,当 A 为低电位时，T 截止，输出 F 为高电位。,在高电位 1；低电位 0 的规定下有：,2.4.1 三极管非门,2.4.2 二极管与门,当 A、B 任一端为低电位时，F 为低电位，只有当A、B 同时为高电位时，F 才为高电位。,对A、B、F 规定：,高电位 1；低电位 0 。,则有：,输入高电位：二极管截止
8、输入低电位：二极管导通,2.4.3 二极管或门,当 A、B 任一端为高电位时，F 为高电位，只有当A、B同时为低电位时，F才为低电位。,高电位 1 低电位 0,输入高电位：二极管导通 输入低电位：二极管截止,2.4.4 复合门(DTL与非门),输入：VL 1.4V,输出：VL 0.3V，VH Ec (+5V),VL 低电位（低电平）,VH高电位（高电平）,2.5 TTL集成门电路,TTLTransistor-Transistor-Logic,2.5.2 TTL与非门,1. 从DTL到TTL,2.5.1 TTL集成电路概述(略),2.工作原理,增加了输出级 T4、D3，目的是为了提高带负载的能力
9、。,(1) 当 A、B 都为高电平时(1.4V)，T1基极为 2.1V，T2、T5 饱和导通，输出低电平。这时，T4 基极为 1V，T5 集电极为 0.3 V，故T4 基极与 T5 集电极间只有0.7 V，T4 不能导通。,(2) 当 A、B 中有一个为低电平时(1.4V)，T1基极 2.1 V，则 T2、T5均截止。这时，T4 基极为接近 Ec，T4 和 D3 均导通，输出高电平。这时，输出电位为3.6 V。,3. 电压传输特性,uO 输出电压,uI 输入电压,AB段： T5截止，T4导通,输出高电平2.43.6V,DE段：T5导通，T4截止,输出低电平 0.4V,BCD段：过度区,其中：V
10、SH= 2.4V 称为标准高电平,VSL= 0.4V 称为标准低电平,4. TTL与非门的开门电平、关门电平和噪声容限,1、 关门电平 VOFF,当 uO =2.4V时， uI = VOFF,uO 输出电压,uI 输入电压,输出为高电平时的最高输入电压。,2、 开门电平 VON,当 uO = 0.4V时， uI = VON,输出为低电平时的最低输入电压。,定义条件：输出端空载,3、噪声容限,uO 输出电压,uI 输入电压,VNH = VSHVON,高电平噪声容限：,VNL = VOFFVSL,低电平噪声容限：,VNH、 VNL 越大抗干扰性能越好,2.5.3 TTL与非门的电气特性,在输入端与
11、地之间接一电阻 RI时，输入电压 uI与 RI 间的关系。,当uI = VOFF 时 RI =ROFF,ROFF 称为关门电阻,当uI = VON 时 RI = RON,RON 称为开门电阻,ROFF 和 RON 的测试,ROFF 对应 VSH(输出)， RON 对应 VSL (输出),1. TTL与非门的输入负载特性,2. TTL与非门的输入伏安特性,伏安特性：输入电流随输入电压的变化关系,流入为正，流出为负,. 当 uI = 0 时，iI =IIS,IIS称为输入短路电流；,当uI =VSL时，iI =IIL,IIL称为低电平输入电流,一般认为IIL =IIS,IIS和IIS的测试：输出端
12、空载，其它端悬空，测试端与地间接电流表。,. 当uI =VSH时，iI = II H,II H称为高电平输入电流,II H 的测试：输出端空载，其它端接地，测试端与电源正极间接入电流表。,高电平输入电流,低电平输入电流,3. TTL与非门的输出特性,输出电压 uO 随负载电流 iL 的变化关系,. 输出低电平特性(灌电流工作状态),T4 管截止，T5 管饱和，负载接在电源与输出端之间，电流流入与非门。,当负载电流过大时，输出电位会升高，使 T5 管退出饱和状态。,T5 饱和电阻100，可灌入电流14mA左右。,. 输出高电平特性(拉电流工作状态),T4 管导通，T5 管截止，负载接在地与输出端
13、之间，电流流出与非门,当负载电流过大时，输出电位会下降。,一般器件的最大拉电流只能 达到 5 mA 左右。,与非门的输出端不能直接与地或电源正极相连；两个与非门的输出端不能直接相连接!, 带负载能力,扇出系数NO：一个门输出能驱动同类门的数目。,定义：,称为扇出系数,其中，IOLmax为最大灌入电流。,4. TTL传输延迟,传输延迟时间：输出信号相对输入信号在时间上的延迟。,平均延迟时间：,TTL与非门的 tpd 3ns 40ns。,2.5.4 其它逻辑功能的TTL门电路,3. 与或非门,增加T2就产生了“或非”的关系,2. 或非门,1. TTL非门,4. 异或门,T1 为与门,T4 和 T5
14、、T6 和 T7 为或非门,则输出为,用真值表可以证明上面等式成立。,5. 集电极开路的门电路(OC门),(1)、与非门电路,(2)、符号,国标,惯用,(3)、OC门的应用,线与,将两个输入端接在 一起实现“与”,LED显示驱动,6. 三态门（TSL门）,低阻态：输出为0 或者 1,高阻态：第三态，输出断开,当 EN = 1 时，输出低阻态,当 EN = 0时，输出高阻态,在高阻态时，T4、T5 同时截止。,TSL 门用于将输出端接到公共信号线上。,2.6 MOS门电路,1. NMOS反相器(非门),T1：负载管，总是导通。,T2：驱动管,当A=0时，VGS 2VT 2，T2截止。输出高电平V
15、OH = EDVT1。,当A=1时，VGS 2VT 2，T2导通。输出低电平VOL= 0.11V。,T1 的导通电阻是 T2的 10100 倍,VT 2 是输入高低电平的分界线。,2.6.1 NMOS门电路,2. NMOS与非门,驱动管串联,驱动管串联管数过多时，会使输出低电平升高。,3. NMOS或非门,驱动管并联,(四) NMOS与或非门,驱动管并联、串联,2.6.2 CMOS电路,1. CMOS非门,当 uI = 0时，（输入低电平），TN 截止，TP 导通，uO= ED（输出高电平）。,当 uI = ED时，（输入高电平），TN导通，TP截止，uO=0（输出低电平）。,2. CMOS与
16、非门,CMOS与非门,3. CMOS或非门,CMOS或非门,4. 漏极开路 CMOS 门和 CMOS 三态门,(1) 漏极开路CMOS门,将CMOS非门的TP去掉，只剩一个TN。,(2) CMOS 三态门,5. CMOS传输门,电路,符号,CMOS传输门可以作为双向模拟开关,2.6.3 CMOS 电路特点,1. 功耗：静态功耗非常小，功耗随工作频率增加而增大。当工作频率f=1MHz时，CMOS的功耗与TTL门的相当。,2. 电源电压范围大：318V,3. 输入阻抗高：扇出系数大,2.6.4 CMOS 电路使用注意事项,1. 注意静电防护,2. 输入端不能悬空,3. 输出端不允许接ED或地，除漏极开路门和三态门外，输出端不能相互连接。,
