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1、第二章 逻辑门电路,2.1 数字集成电路的特点和分类,2.3 二极管逻辑门,2.4 三极管反相器,2.5 TTL集成逻辑门,2.6 ECL逻辑门路,2.7 CMOS反相器,2.8 不同工艺逻辑门之间的互联,2.2 晶体管的开关特性,逻辑门电路,门电路：用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路通称门电路。,门电路是构成数字电路的基本器件，可以由分立元件构成，但实际中常用的是集成逻辑门。,理解逻辑门的基本结构、工作原理；掌握基本逻辑门的外部特性。,本章重点,重点,半导体集成电路,半导体集成电路是采用外延生长、光刻、氧化物生长、离子注入等技术，将晶体管、电阻、电容等元件和内部电路连线一起做在一块
2、半导体基片上所构成的电路单元。它又称为集成电路组件。,2.1 数字集成电路特点和分类,双极型集成电路,MOS集成电路,按有源器件类型分,PMOSNMOSCMOS,TTL、ECLI2L、HTL,两类集成电路相比较：,双极型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，功耗相对较低。缺点是工作速度略低。目前CMOS器件是主要的数字集成电路工艺。,单位面积上晶体管数。,2.1 数字集成电路特点和分类,按集成度分,SSI（10-100个晶体管，10-20个等效门）,MSI（100-1000个晶体管，20-100个等效门）,LSI （103-105个晶体管，100-100
3、0个等效门）,VLSI（ 105个晶体管，104个以上等效门）,常用SSI、MSI：门、触发器、译码器、多路选择器、加法器、算术逻辑单元、寄存器、计数器、移位寄存器。,常见LSI、VLSI：只读存储器、随机存取寄存器、可编程逻辑器件、大规模移位寄存器、微处理器、单片微处理机、位片式微处理器、高速乘法累加器、通用和专用数字信号处理器。,2.1 数字集成电路特点和分类,按设计方法分,通用芯片,可编程逻辑器件,半定制集成电路,全定制集成电路,逻辑门电路是构成数字器件的基本单元。,功能固定，所实现的系统体积和功耗都较大。,通过对器件内部的连线编程来实现预期的逻辑功能。使用灵活，减少了系统的芯片数和功耗
4、。,门阵列、标准单元等构成的集成电路，内部连线向厂家定做，适用于器件需求较多时。,针对用户的技术要求由器件生产厂家专门进行设计和制作，只适用于很大批量的生产。,2.2晶体管的开关特性,2.2.1 晶体二极管的开关特性,半导体二极管具有单向导电性，外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，相当于一个受外加电压极性控制的开关。,二极管的等效电路,当二极管的正向导通压降和外加电压相比不能忽略，而导通电阻与外接电阻相比可以忽略时，近似特性曲线和等效电路如右下图所示。,在数字电路中，多数情况都符合外加电压较低而外接电阻较大的条件，因此常用这种近似方法。,VD,2.2.1 晶体二极管的开关特性,二极管由正向
5、导通状态变为反向截止状态所需要的时间，称为反向恢复时间tR，它是扩散区所存储的电荷消散所需要的时间。影响二极管开关速度的主要因素是反向恢复时间。,二极管由反向截止状态变为正向导通状态所需要的时间来，称为开通时间，它是在扩散区存储电荷所需要的时间，这个时间很短，可以忽略不计。,二极管在导通与截止两种状态之间转换需要一定的时间，转换时间的长短决定了器件可以工作的最大速度。,2.2.2 双极型晶体管的开关特性,饱和区,放大区,截止区,输出特性曲线,在数字电路中，晶体管工作在饱和与截止状态。通过改变基极信号vI来控制C、E间的接通与断开。,三极管的三种工作状态,截止状态：发射结和集电结均反向偏置。 i
6、B 0，iC=0，VBE 0V(硅管0，iC=iB，有电流放大作用。,饱和状态：发射结和集电结均正向偏置。iBIBS （ iC iB ），VCE 很小(VCE(sat)0.3V)，饱和得越深， VCE就越小，深度饱和时VCE(sat)0.1V。,饱和压降,基极临界饱和电流,双极型三极管的基本开关电路,当I =VIL Vth时，三极管导通。,随着I的增加，iB增加，RC上的压降增大，O减小。,VIL,截止,vIVth,导通,iB,iC,VCC,双极型三极管的基本开关电路,当vI增大到一定值时，三极管进入饱和状态，三极管相当于闭合的开关，O= VCE（sat) =VOL 0.3V。,晶体管进入临界
7、饱和状态时的集电极和基极电流分别记为ICS、IBS：,双极型三极管的基本开关电路,当RC上的压降增大到接近电源电压VCC时，三极管上的压降近似为0，三极管处于深度饱和状态，O= VCE（sat) =VOL 0.1V。,饱和状态时iBIBS （ iCIBS=ICS/。,双极型三极管的开关等效电路,截止状态等效电路ICEO 0,饱和导通状态等效电路VCE（sat) 0,当I =VIL时，三极管截止，O=VOH；,当I =VIH 时，三极管饱和，O=VOL。,双极型三极管的动态开关特性,延迟时间td：三极管发射结电压由反偏上升到0.5V，晶体管开始导通，所需要的时间。,上升时间tr：集电极电流iC从
8、0.1ICS上升到0.9ICS所需时间。,截止状态饱和状态,开通时间ton：三极管从截止状态转换为饱和状态所需要的时间，ton=td+tr 。,td,tr,ton,三极管的关闭时间,存储时间ts：三极管从饱和状态进入放大状态过程中，基区所存储的多余电荷消散所需要的时间。,饱和状态截止状态,下降时间tf：集电极电流从0.9ICS到减小为0.1ICS 所需要的时间。,关闭时间toff：三极管从饱和状态转换为截止状态所需要的时间，toff=ts+tf 。,ts,tf,toff,三极管的开关时间,一般延迟时间td较小，存储时间ts随饱和深度而变化。当饱和深度较深时，ts时间最长，成为影响三极管工作速度
9、的主要因素。,由于晶体管存在开关时间，当作开关使用时，不能随控制信号的状态变化而立即改变状态，因此，晶体管的开关时间将是影响电路工作速度的主要因素。,0V,5V,0.7V,vA,vB,vF,H,5V,5V,5V,2.3 二极管逻辑门,2.3.1、二极管与门电路,A,B,F,1,A、B中有一个或一个以上为低电平0V，则输出F就为低电平0.7V。,只有A、B全为高电平5V，则输出F才为高电平5V。,F=AB,低电平上升了0.7V,2.3.2 二极管或门电路,5V,0V,4.3V,F=A+B,0V,0V,A、B中有一个或一个以上为高电平5V，则输出F就为高电平4.3V。,高电平下降了0.7V,只有A
10、、B全为低电平0V，则输出F才为低电平0V。,0V,二极管门电路的缺点,当信号通过二极管门电路时，会因为二极管的正向导通压降而导致电平偏离。,二极管门电路带负载能力差。,克服缺点的方法：在二极管门电路的输出端连接一个三极管反相器，构成与非门、或非门。,RL越小，VF越低，越偏离高电平EC,输出高电平,二极管门电路不能实现非逻辑。,2.4 晶体管反相器,BE结反偏，三极管可靠截止。,VO=VCC=12V=VOH,0V,12V,Eb的接入使得即使输入低电平稍大于0，三极管也能可靠截止，使输出为高电平。,-0.92V,VI=VIL=0V时：,2.4.1 晶体管反相器的工作原理,VI=VIH=3V时：
11、,Ib=I1-I2,IbIBS,三极管饱和,VO=Vce(sat)0.3V=VOL,3V,0.3V,Ib,I1,I2,2.4.2 反相器的负载能力,灌电流负载,IL,反相器后面所接的其它电路,负载电流IL流入反相器,三极管VT饱和时，VO=VOL=0.3V，D截止。,IC=IRC+IL EC/RC+ IL =12mA+ IL,随着IL的增大，Ic也增大，到Ic=ICS时VT临界饱和，Ic再增大，VT就会退出饱和，VO就会上升而不能维持为低电平。,负载能力：在保证正常的输出高、低电平值的情况下，反相器输出端所能承受的最大电流。,3V,IC,IRC,3V,反相器的灌电流负载能力,ILmax=ICS
12、-IRC=12.6mA,提高灌电流负载能力的方法：,1、提高三极管的饱和深度。,2、加大Rc使IRC减小。,临界饱和时：ICS=IBS=Ib=300.82=24.6mA,IC=IRC+ILEC/RC+IL=12mA+ILICS,3V,反相器的拉电流负载能力,IRC,ID,IL,负载电流IL从反相器流出,晶体管VT截止，IC=0 ，二极管导通，VO=VOH=qV3.7V。,随着IL的增大，ID减小，极限时ID=0，D截止。,减小Rc使IRC增加。,提高拉电流负载能力的方法：,3V,0V,2.5 TTL集成逻辑门,同型号不同系列的器件, 逻辑功能相同，管脚兼容，但性能不同。,TTL电路分类,TTL
13、,STTL,LSTTL,ALSTTL,中速标准TTL,肖特基TTL，速度快，功耗大。,低功耗肖特基TTL,ASTTL,FTTL,先进低功耗肖特基TTL,快速TTL,先进肖特基TTL,2.5.1 TTL与非门的电路结构和工作原理,输入级,中间级,输出级,中间级是放大级，由T2、R2和R3组成，T2的集电极和发射极可以分别提供两个相位相反的电压信号。,输入级由多发射极晶体管T1和基极电阻R1组成，它实现了输入变量A、B、C的与运算。二极管D1、D2和D3可以限制输入端可能出现的负极性干扰。,输出级由T3、T4、T5和R4、R5组成，其中T3、T4构成复合跟随器，与T5组成推挽输出结构，具有较强的负
14、载能力。,多发射极晶体管,F=ABC,多发射极晶体管实现了输入变量A、B、C的与运算。,TTL与非门工作原理,VCC=5V、VIL=0.3VVIH=3.6V、=30 Vce(sat深)=0.1V Vce(sat) =0.3V,有一个输入为低电平： VA=0.3V， VB= VC=3.6V,T1管的beA结抢先导通，使T1基极Vb1=0.3+0.7=1V，另两个发射结因反偏而截止。,T2管截止（Vb1Vbc1+Vbe2 =0.7+0.7=1.4V ）,ib1=(Vcc-Vb1)/R1=(5-1)/3=1.3mA,ic10,0.3V,3.6V,3.6V,1V,三极管饱和条件： icIBS,5V,i
15、c1ib1,TTL与非门工作原理,Vb2=Vc1=0.1+0.3=0.4V 因此T5也截止。,Vc2Vcc=5V，使T3和T4导通。,VF=Vcc-ib3R2-Vbe3-Vbe45-0.7-0.7=3.6V,ic1ib1，T1处于深度饱和状态，Vces1=0.1V。,输入有一个或一个以上为低电平时输出为高电平3.6V。,5V,0.4V,3 .6V,0.3V,3.6V,3.6V,TTL与非门工作原理,输入全为高电平VA=VB=VC=3.6V,Vb1的电位较高，使T1的集电结和T2、T5全导通。,Vb1=2.1V，T1的发射结反偏，因此T1处于倒置状态。,ic1=(1+F)ib1,ic2max Vcc/R2 6.67mA,ic2 ib2 (=30),2.1V,3.6V,3.6V,3.6V,T2饱和,Vc2=Vces2+Vbe5,1V,5V,ib1,=(VCC-Vb1)/R1,=0.97mA,=ib2,=0.3+0.7=1V,=Vb3,TTL与非门工作原理,Vb3=VC2=1V，使T3导通，而T4截止。,iC50,ib5很大,ic5ib5 , T5处于深度饱和状态,
