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1、1第 3 章集成逻辑门电路(10课时）2n3.1 概述n3.2 半导体二极管门电路n3.3 TTL集成门电路n3.4 CMOS门电路n3.5 各逻辑门的性能比较3作业n3-6n3-8n3-13n3-15n3-2043.1 概述n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。n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。53.2 半导体二极管门电路3.2.1正逻辑与负逻辑n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。n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
2、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。6n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；n反之，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。n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7n由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可以知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。n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。a)正逻辑b)负逻辑n补充半导体基础知识83.2.2半导体二极管的开关特性93.2.2半导体二极管的开关特性
3、1. 二极管的符号正极-P极负极-N极102. 二极管的伏安特性600400200 0.1 0.200.4 0.750100二极管/硅管的伏安特性V/VI/mA正向特性死区电压反向特性反向击穿 特性11二极管（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。2. 二极管的伏安特性-二极管的单向导电性 正极-P极负极-N极123. 二极管等效电路图3-5 二极管伏安特性的几种等效电路13导通电压VON硅管取0.7V锗管取0.2V结论：1. 只有当外加正向电压（P极电
4、压大于N极电压）大于VON时，二极管才导通。2. 二极管导通后具有电压箝位作用。144. 二极管的动态特性n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。15n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关。5. 半导体二极管的开关特性16VCC=5V当vI为高电平VIH时，VD可能截止，可能导通，vO为高电平VIH + VON。当vI为低电平VIL时，VD导通，vO= VIH +0.7V，为低电平。5. 半导体二极管的开关特性173.2.3 二极管与门电路二极管与门电路及逻辑符号与门真值表183.
5、2.4二极管或门电路二极管或门电路及逻辑符号或门真值表193.3 TTL（Transistor-Transistor-Logic) 集成门电路nTTL集成门电路中采用双极型三极管作为开关器件。n首先介绍一下双极型三极管。203.3.1 双极型三极管的开关特性1.双极型三极管的结构n双极型三极管具有三个电极，分为NPN型和PNP型两种类型。n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。在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，三个区分别叫发射区、基区和集电区。引出的三个电极分别为：发射极e 、基极b和集电极c。基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。发射结集电
6、结22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232.双极型三极管的输入特性和输出特性1) 输入特性曲线n共发射极电路。n表示输入电压vBE和输入电流iB 之间的特性曲线，称为输入特性曲线。输入 回路输出 回路24n三极管的输入特性曲线与PN结（二极管）的伏安特性曲线很相似，分析时可采用PN结（二极管）的等效模型。25n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，称为输出特性曲线。2) 输出特性曲线iB取不同值时对 应不同的曲线26三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iC/mAuCE/V0放大区iB=0A20A40 A截止区饱和区
7、60 A80 A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。27三极管输出特性上的三个工作区 放大区：iC=iB饱和区：VCES=0.3V截止区：ICEO1AiC/mAuCE/V0放大区iB=0A20A40 A截止区饱和区60 A80 A283.双极型三极管的开关电路n用NPN型三极管取代下图中的开关S，就得到了三极管开关电路。29n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 。n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30双极型三极管的
8、开关等效电路截止状态 饱和导通状态314. 双极型三极管的动态开关特性n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，输出电压的变化滞后于输入电 压的变化，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。32334. 三极管非门电路 n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）。n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。n实现了逻辑非功能。345. 二极管三极管门电路(1)与非门电路n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
9、三极管与非门电路。35（2）或非门电路n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。363.3.2 TTL与非门的电路结构和工作原理1.电路结构输入级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37n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。382.工作原理1)任意一个输入端加入低电平，
10、例如 A=vI=0.3V，则vB1= 0.3+0.7= 1VvB1=1VV2 、V5 截 止V4 、VD3导 通vo= VCC VR2 Vbe4 VVD3 5 0.7 0.7= 3.6VF= 1(高电平）较小设PN结导通电压为0.7V三极管饱压降为0.3V， 电源电压VCC=5V39vB1=2.1Vvo=0.3VvC2=1VV2 ,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，
11、403.其它几个系列与非门的主要区别（1）CT54H/74H高速系列2输入门电路中所有的电阻值都减少了。输出级V5管的有源负载改由V3和V4组成的复合管，通常叫做达林顿图腾柱结构，进一步提高了驱动负载的能力和工作速度，但其功耗增加了一倍以上，目前，这类产品的生产已经很少了。41图3-19 CT54H/74H高速系列输入与非门422) 肖特基系列2输入与非门。433.3.3 TTL与非门的静态特征1.电压传输特性n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）所加电压的变化而变化的特征曲线，叫做TTL与非门的电压传输特性。44(1)AB段n当vI RON时
12、认为输入为高电平，当RIVTH,恒流区,放大(3) vI 再增加，MOS管的导通电阻Ron下降,当RD Ron，VOL0,(开关闭合) 3) MOS三极管的基本开关电路105nMOS管相当于一个由栅源电压vGS 控制的无触点开关 ，当输入信号为低电平时，MOS管截止，相当于开 关“断开”，输出为高电平；n当输入信号为高电平时，MOS管工作在可变电阻区 ，相当于开关“闭合”，输出为低电平。n图中Ron为MOS管导通时的等效电阻，约为1K。106图 3-44 MOS管的开关电路4) MOS管开关电路的动态特性1075) 三极管、 MOS管的比较cbNPN+ +edBsgN沟道(增强型)+ +sgd
13、BP沟道(增强型)- -电流控制电流源电压控制电流源cbe PNP- -1083.4.2 CMOS反相器的电路结构及工作原理nCMOS反相器是组成CMOS数字集成系统最基本的 逻辑单元电路。由NMOS管和PMOS管组合而成。109n当vI为高电平时，VN导 通，VP截止，vO为低电平。n当vI为低电平时，VP导 通，VN截止，vO为高电平。n由于CMOS反相器工作时总是只有一个管子导通，而另一个管子截止，故通常称之为互补式工作方式 ，因而把这种电路叫做互补对称式金属-氧化物-半导 体电路，简称CMOS电路。1103.4.3 COMS反相器的传输特性n 用以描述COMS反相器输出电量与输入电量之
14、间关系的特性曲线，称为传输特性。n输出电压vO随输入电压vI 的变化而变化的关系曲线，叫做电压传输特性。n电源流入反相器的功耗电流 IDD与输入电压vI之间的关系曲线，叫做电流传输特性。1111. CMOS反相器的电压传输特性n 电压传输特性分为5个工作区域：nAB段，vI|VTP|，VP管导通，输出为高电平。112nBC段，vIVTN，VN管开始导通，但vO下降不多，而|vGSP|VTP|，VP管导通，输出为高电平。113nCD段n随着vI的继续升高，输出vO将进一步下降， VN和VP管均导通，并工作在饱和区， 所以vO随vI改变而急剧变化，这一区段称为传输特性的转折区或放大区。转折区的 中
15、点约在vI =1/2VDD, vO =1/2VDD的位置上。114n DE段nvI继续增加时，vO将进一步下降，VN管进入了低内阻的线性区， VN仍工作在饱和区，输出vO趋于低电平。115nEF段n当输入电压增加到高电平 （如VDD）时，VN导通且工作在线性区， |vGSP|=| vI-VDD|VTP| ，VP管截止，输出为低电平，近似为 0。116nCMOS器件的电源电压从3V到18V都能正常工作，当电源电压VDD取不同数值时，CMOS反相器的电压传输特性如图所示。n由图可以看出，随着电源电压VDD的增加，其噪声容限VNL和VNH也都相应地增大。1172.COMS反相器的电流传输特性n漏极电
16、流iD随输入电压vI的变化而变化的关系曲线，叫做电流传输特性。118nCMOS反相器在静态工作情况下，无论其输出是低电平或是高电 平，其功耗都极小，这是CMOS反相器得以广泛运用的主要原因之一。1193.4.4 CMOS与非门及或非门n1.CMOS与非门 当输入A、B中只要有一个输入为低电平时，两个串联 的NMOS驱动管中相应的一个截止，两个并联的PMOS负载管相应的一个导通， 输出为高电平120 只有当A、B的输入同时为 高电平时，NMOS管均导通 ，PMOS管都截止，输出为低电平。1212. CMOS或非门 当输入A、B中只要有一个输入为高电平时，两个串联的PMOS驱动管中相应的一个截止，两个 并联的NMOS负载管相应的一个导通， 输出为低电平。 只有当A、B的输入同时为低电平时，PMOS管均导通，NMOS管都截止，输出为高电平。1223.4.5 CMOS传输门和双向模拟开关
