数电集成逻辑门电路

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1、1,第3章 集成逻辑门电路,作业：3-5 3-6 3-8 3-11 3-14 3-15 3-20,2,第3章 集成逻辑门电路,本章重点讨论门电路的外特性，是对全书各种电路进行分析的基础。重点内容：1.半导体二极管、半导体三极管、MOS管的开关特性。2.TTL门电路的外特性及其应用。3.CMOS门电路的外特性及其应用。,3,3.1 概述3.2 半导体二极管门电路3.3 TTL集成门电路3.4 CMOS门电路3.5 各逻辑门的性能比较,第3章 集成逻辑门电路,4,3.1 概述,用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为门电路。常用的门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等

2、。从制造工艺方面来分类，数字集成电路可分为双极型、单极型和混合型三类。,5,3.2 半导体二极管门电路3.2.1正逻辑与负逻辑,在数字电路中，用高、低电平来表示二值逻辑的1和0两种逻辑状态。,获得高、低电平的基本原理电路如图表示。开关S为半导体二极管或三极管，通过输入信号控制二极管或三极管工作在截止和导通两个状态，以输出高低电平。,6,若用高电平表示逻辑1，低电平表示逻辑0，则称这种表示方法为正逻辑；若用高电平表示0，低电平表示1，则称这种表示方法为负逻辑。若无特别说明，本书中将采用正逻辑。,3.2.1正逻辑与负逻辑,a）正逻辑 b）负逻辑,7,由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可以知

3、道它所表示的逻辑状态了，所以高、低电平都有一个允许的范围。正因如此，在数字电路中无论是对元器件参数精度的要求还是对供电电源稳定度的要求，都比模拟电路要低一些。,8,3.2.2 半导体二极管的开关特性,1. 二极管的符号,9,2. 二极管的伏安特性,600,400,200,0.1,0.2,0,0.4,0.7,50,100,二极管/硅管的伏安特性,V/V,I/mA,正向特性,死区电压,反向特性,反向击穿特性,10,二极管（PN结）的单向导电性：PN结外加正偏电压（P端接电源正极，N端接电源负极）时，形成较大的正向电流，PN结呈现较小的正向电阻；外加反偏电压时，反向电流很小，PN结呈现很大的反向电阻

4、。,2. 二极管的伏安特性-二极管的单向导电性,11,3. 二极管等效电路,图3-5 二极管伏安特性的几种等效电路,12,导通电压VON硅管取0.7V锗管取0.2V,结论：只有当外加正向电压（P极电压大于N极电压）大于VON时，二极管才导通。二极管导通后具有电压箝位作用。,13,4. 二极管的动态特性,在动态情况下，亦即加到二极管两端的电压突然反向时，电流的变化过程如图所示。,Tre为反向恢复时间，是反向电流衰减到峰值的1/10所经过的时间。tre数值很小，约几纳秒。,Tre,14,因为半导体二极管具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，所以它相当于一个受外加电压极性控制的开

5、关。,5. 半导体二极管的开关特性,15,VCC=5V当vI为高电平（取VCC）时，VD截止，vO为高电平。,5. 半导体二极管的开关特性,当vI为低电平（取0V）时，VD导通，vO=0.7V，为低电平。,16,3.2.3 二极管与门电路,A、B是输入逻辑变量，F是输出逻辑函数。,当A、B中只要有一个为低电平（0V）时，,相应的二极管必然导通，输出F则为低电平（为二极管的导通电压，取0.7V）。,17,3.2.3 二极管与门电路,当输入A、B都同时为高电平（VCC）时，,两个二极管都截止，输出F为高电平（VCC）。,18,与门原理分析,当A、B中只要有一个为低电平时，输出F则为低电平；只有当输

6、入A、B都同时为高电平时，输出F为高电平。,与门真值表,实现了逻辑与的功能，即：F=AB。,19,3.2.4二极管或门电路,A、B为输入逻辑变量，F为输出逻辑函数。,A、B中只要有一个输入高电平（VCC）时，,相应的二极管导通，使F输出高电平（VCC-0.7V）。,20,3.2.4二极管或门电路,当A、B都输入低电平（0V）时，,由于R接的电源为-VEE，两个二极管都导通，F输出为低电平（-0.7V）。,21,A、B中只要有一个输入高电平时，相应的二极管导通，使F输出高电平，只有当A、B都输入低电平时，F输出为低电平。,或门原理分析,实现了逻辑或的功能，即：F=A+B。,或门真值表,22,3.

7、3 TTL（Transistor-Transistor-Logic)集成门电路,由于TTL集成门电路中采用双极型三极管作为开关器件，所以在介绍TTL电路之前，我们首先介绍一下双极型三极管的开关特性。,23,3.3.1 双极型三极管的开关特性,1.双极型三极管的结构一个双极型三极管含有三个电极，分别为发射极（e）、基极（b）和集电极（c），分为NPN型和PNP型两种。由于它们在工作时有电子和空穴两种极性不同的载流子参与导电，故称为为双极型三极管。,24,图3.9 双极型三极管的两种类型,箭头表示PN结的正偏 方向,发射结,集电结,25,2.双极型三极管的输入特性和输出特性1）输入特性曲线,以NP

8、N管为例，若以发射极（e）作为输入回路和输出回路的公共电极，则称该电路为共发射极电路。测出表示输入电压vBE和输入电流iB 之间的特性曲线。此曲线称为输入特性曲线。,输入回路,输出回路,26,测出共射电路在不同iB值下集电极电流iC和集电极电压vCE之间关系的曲线，此曲线称为输出特性曲线。,2）输出特性曲线,27,三极管输出特性上的三个工作区,截止区：发射结反偏，集电结反偏放大区：发射结正偏，集电结反偏饱和区：发射结正偏，集电结正偏。,28,三极管输出特性上的三个工作区,放大区：iC=iB饱和区：UCES=0.3V截止区：ICEO1A,29,3.双极型三极管的开关电路,用NPN型三极管取代下图

9、中的开关S，就得到了三极管开关电路。,30,当vI为低电平时，三极管工作在截止状态（截止区），输出高电平vOVCC 。,当vI为高电平时，三极管工作在饱和导通状态（饱和区），输出低电平vO0V（VCES ）。,3.双极型三极管的开关电路,三极管相当一个受vI控制的开关,31,4.双极型三极管的开关等效电路,截止状态 饱和导通状态,32,5. 双极型三极管的动态开关特性,在动态情况下，亦即三极管在截止与饱和导通两种状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，因而集电极电流ic的变化将滞后于输入电压vI的变化，在接成三极管开关电路以后，开关电路的输出电压vo的变化也必然滞后于输入

10、电压vI的变化。,33,这种滞后现象是由于三极管的b-e间、c-e间都存在结电容效应的原因。,34,6. 晶体管非门电路,由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门电路（反相器）。,当输入A为低电平时，三极管截止，F输出为高电平；当输入A为高电平时，三极管饱和导通，输出F为低电平。,实现了逻辑非功能。,35,7. 二极管晶体管门电路,将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管三极管与非门电路。,（1）与非门电路,36,（2）或非门电路,将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接，便构成了二极管三极管或非门电路。,37,3.3.2 TTL与非门的电路结构和工作原理,1.电路结构,输

11、入级V1、R1倒相级V2、R2 、R3输出级V4、V5 、VD3 、R4保护二极管:VD1 、VD2,图3-18所示,38,输入端接有用于保护的二极管VD1和VD2。当输入端加正向电压时，相应二极管处于反向偏置，具有很高的阻抗，相当于开路；如果一旦在输入端出现负极性的干扰脉冲，VD1和VD2便会导通，使A、B两端的电位被钳制在-0.7V左右，以保护多发射极晶体管V1不致被损坏。,39,2.工作原理,1）任意一个输入端加入低电平，例如A=vI=0.3V，则 vB1= 0.3+0.7= 1V,vB1=1V,V2 、V5 截 止,V4 、VD3导 通,vo= VCC VR2 Vbe4 VVD3 =

12、5 0.7 0.7 = 3.6V,F= 1（高电平）,较小,设PN结导通电压为0.7V，三极管饱和管压降为0.3V,40,vB1=2.1V,vo=0.3V,vC2=1V,V2 ,V5导通，三个PN结的箝位作用使vB1=2.1V，V1发射结反偏。,vC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V，不足以使V4 、VD3同时导通,V5导通，V4、VD3截止，vo=0.3V, F=0 低电平,2）两输入端同时输入高电平，A=B=vI=3.6V，,41,3.3.3 TTL与非门的静态特征,1.电压传输特性如果将图3-18所示与非门的输入A（或B）接高电平3.6V，则输出电压随输入端B（A）所加电压的变

13、化而变化的特征曲线，叫做TTL与非门的电压传输特性。,42,（1）AB段当vI 0.6V时，因V1管已处于极深度饱和状态，饱和压降只有0.1V，故使vC10.7V，V2和V5管都截止，VD3和V4管导通，输出为高电平，,AB段称为电压传输特性的截止区。,43,（2）BC段,当0.6V vI1.3V时，0.7VvC11.4V，由于V2管的发射极电阻R3直接接地，故V2管开始导通，并处于放大状态，所以其集电极电压 vC2 和输出电压vO 随输入电压的增高而线性地降低，但V5管仍截止，此段称为线性区。,44,（3）CD段,当1.3VvI1.4V时，V2和V5管均处于饱和导通，vC2=vbe5+vCE

14、S2=1V，V4管和VD3管均截止，输出急剧下降为低电平，vO=vCES5=0.3V，故称此段为转折区D点对应的输入电压 VTH 叫阈值电压，VTH 1.4V。,45,（4）DE段,当vI大于1.4V以后，vb1被钳位在2.1V，V2和V5管均饱和, vO= vCES5=0.3V，故段称为饱和区。,46,从电压传输特性上可以看与非门的三个主要参数：输出高电平VOH=3.6V，输出低电平VOL=0.3V；阈值电压VTH=1.4V。,47,2. TTL与非门的噪声容限,TTL与非门在使用中，其输入端有时会受到杂散电磁场和其它环境干扰源的影响，当上述噪声电压超过一定限度时，就会破坏与非门输出与输入之

15、间正常的逻辑关系，通常将不致影响输出逻辑状态时输入端所允许的最大噪声电压，叫做TTL与非门的噪声容限。,48,图3-24 说明直流噪声容限定义的示意图,49,高电平的噪声容限,低电平的噪声容限,50,显然，如果在两个门电路之间的互连线上出现了大于VNH的负向干扰脉冲时，就会引起被驱动门的输出逻辑状态出现错误。如果在两个门电路之间的互连线上出现了大于VNL 的正向干扰脉冲时，也会引起被驱动门的输出逻辑状态出现错误。,51,高电平的噪声容限,低电平的噪声容限,CT74通用系列门电路,52,3. 输入特性和输出特性,为了能正确使用TTL与非门，必须了解其电气特性，下面将分别讨论TTL与非门的输入特性和输出特性。,53,（1）输入特性,约定vI和iI的方向如图所示。把输入电流iI与输入电压vI之间的关系曲线，叫做TTL与非门的输入特性曲线。,+-,54,IIS,IIL,IIS ：输入短路电流。,IIL: 输入低电平电流,55,VTH,IIH,IIH： 输入高电平电流（输入漏电流）, V1为倒置工作状态,VTH：阈值电压(1.4V)。,56,（2）输出特性,输出电压vO随输出负载电流的变化而变化的关系曲线，叫做输出特性。输出特性说明了电路带负载的能力。由于逻辑门电路输出可为高电平，也可为低电平，因此，输出特性也应分为输出高电平时的输出特性和输出低电平时的输出特性两种情况来讨论。,