《北理工自动化系数电第03章集成逻辑门电路》由会员分享，可在线阅读，更多相关《北理工自动化系数电第03章集成逻辑门电路（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、11第第 3 章章集成逻辑门电路集成逻辑门电路(10课时）课时）23.1 概述概述3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路3.3 TTL集成门电路集成门电路3.4 CMOS门电路门电路3.5 各逻辑门的性能比较各逻辑门的性能比较3作业作业3-63-83-133-153-2043.1 概述概述用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为称为门电路门电路。常用的门电路有与门、或门、非门、。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。与非门、或非门、与或非门、异或门等。从制造工艺方面来分类，从制造工艺方面来分类，数字集成电路
2、数字集成电路可分为可分为双极双极型、单极型和混合型型、单极型和混合型三类。三类。53.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 3.2.1正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑在数字电路中，用高、低电平来表在数字电路中，用高、低电平来表示二值逻辑的示二值逻辑的1和和0两种逻辑状态。两种逻辑状态。获得高、低电平的基本原理电路如获得高、低电平的基本原理电路如图表示。图表示。开关开关S为半导体二极管或为半导体二极管或三极管三极管，通过输入信号控制二极管，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或三极管工作在截止和导通两个状态，以输出高低电平。态，以输出高低电平。6若用高电平表示逻辑若用高电平表示逻
3、辑1，低电平表示逻辑，低电平表示逻辑0，则称这，则称这种表示方法为种表示方法为正逻辑正逻辑；反之，若用高电平表示反之，若用高电平表示0，低电平表示，低电平表示1，则称这种，则称这种表示方法为表示方法为负逻辑负逻辑。若无特别说明，若无特别说明，本书中将采用正逻辑本书中将采用正逻辑。3.2.1正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑欢迎访问慧易升考研网： 下载更多北京理工大学自动化学院考研资料27由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可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。有一个允许的范围。正因
4、如此，在数字电路中无论是对元器件参数精度正因如此，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。路要低一些。a)正逻辑正逻辑b)负逻辑负逻辑补充半导体基础知识补充半导体基础知识83.2.2半导体二极管的开关特性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半导体二极管的开关特性1. 二极管的符号二极管的符号正极正极-P极极负极负极-N极极102. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性600400200 0.1 0.200.4 0.750100二极管二极管/ /硅管的伏安特性硅管的伏安特性V/VI/mA
5、正向特性正向特性死区电压死区电压反向特性反向特性反向击穿反向击穿 特性特性11二极管（二极管（PN结）的单向导电性：结）的单向导电性：PN结外加正偏电压结外加正偏电压（P端接电源正极，端接电源正极，N端接电源负端接电源负极）时，极）时，形成较大的正向电流形成较大的正向电流，PN结呈现较小的正结呈现较小的正向电阻；向电阻；外加外加反偏电压时，反向电流很小，反偏电压时，反向电流很小，PN结呈现很大的结呈现很大的反向电阻。反向电阻。2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性-二极管的单向导电性二极管的单向导电性 正极正极-P极极负极负极-N极极123. 二极管等效电路二极管等效电路图图3-5 二极管伏安
6、特性的几种等效电路二极管伏安特性的几种等效电路欢迎访问慧易升考研网： 下载更多北京理工大学自动化学院考研资料313导通电压导通电压VON硅管取硅管取0.7V锗管取锗管取0.2V结论：结论：1. 只有当外加正向电压（只有当外加正向电压（P极电压大于极电压大于N极电压）极电压）大于大于VON时，二极管才导通。时，二极管才导通。2. 二极管导通后具有二极管导通后具有电压箝位电压箝位作用。作用。144. 二极管的动态特性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。向时，电流的变化过程如图所示。15因为半导体二极管
7、具有单向导电性，即外加正向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。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半导体二极管的开关特性16VCC=5V当当vI为高电平为高电平VIH时，时，VD可能可能截止，截止，可能导通，可能导通，vO为高电平为高电平VIH + VON。当当vI为低电平为低电平VIL时，时，VD导通，导通，vO= VIH +0.7V，为低电平。，为低电平。5.半导体二极管的开关特性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二
8、极管与门电路及逻辑符号二极管与门电路及逻辑符号与门真值表与门真值表FAB183.2.4二极管或门电路二极管或门电路二极管或门电路及逻辑符号二极管或门电路及逻辑符号或门真值表或门真值表FAB欢迎访问慧易升考研网： 下载更多北京理工大学自动化学院考研资料4193.3 TTL（Transistor-Transistor-Logic) 集成门电路集成门电路TTL集成门电路中采用双极型三极管作为开集成门电路中采用双极型三极管作为开关器件。关器件。首先介绍一下双极型三极管。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双极型三极管的开关特性1.双极型三极管的结构双极型三极管的结构双极型三
9、极管具有三个电极，分为双极型三极管具有三个电极，分为NPN型和型和PNP型两种类型。型两种类型。由于它们在工作时有电子和空穴两种极性不同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。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，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。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：发射极引出的三个电极分别为：发射极e 、基极、基极b和集电极和集电极c。基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。基区和集电区形成集电结，发射区和基区形成发射结。发射结发射结集电结
10、集电结22图图3.9 双极型三极管的两种类型双极型三极管的两种类型箭头表示箭头表示PN结结 的正偏的正偏 方向方向232.双极型三极管的输入特性和输出特性双极型三极管的输入特性和输出特性1) 输入特性曲线输入特性曲线共发射极电路。共发射极电路。表示输入电压表示输入电压vBE和输入电流和输入电流iB之间的特性曲线，称之间的特性曲线，称为为输入特性曲线输入特性曲线。输入输入 回路回路输出输出 回路回路24三极管的输入特性曲线与三极管的输入特性曲线与PN结（二极管）的伏安特结（二极管）的伏安特性曲线很相似，分析时可采用性曲线很相似，分析时可采用PN结（二极管）的等结（二极管）的等效模型。效模型。欢迎
11、访问慧易升考研网： 下载更多北京理工大学自动化学院考研资料525在不同在不同iB值下集电极电流值下集电极电流iC和集电极电压和集电极电压vCE之间关之间关系的曲线，称为系的曲线，称为输出特性曲线输出特性曲线。2) 输出特性曲线输出特性曲线iB取不同值时对取不同值时对 应不同的曲线应不同的曲线26三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区截止区截止区：发射结反：发射结反 偏，集电结反偏偏，集电结反偏iC/mAuCE/V0 0放放大大区区iB=0A20A20A40 A40 A截止区截止区饱 和 区饱 和 区60 A60 A80 A80 A放大区放大区：发射结正：发射结正 偏，集电结反
12、偏偏，集电结反偏饱和区饱和区：发射结正：发射结正 偏，集电结正偏。偏，集电结正偏。27三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区放大区：放大区：iC= iB饱和区：饱和区：VCES=0.3V截止区：截止区：ICEO1AiC/mAuCE/V0 0放放大大区区iB=0A20A20A40 A40 A截止区截止区饱 和 区饱 和 区60 A60 A80 A80 A283.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路用用NPN型三极管取代下图中的开关型三极管取代下图中的开关S，就得到了三，就得到了三极管开关电路。极管开关电路。29当当vI为低电平时，三极管工作为低电平时，三极管工作在截止状
13、态（截止区），输出在截止状态（截止区），输出高电平高电平vO VCC。当当vI为高电平时，三极管工作为高电平时，三极管工作在饱和导通状态（饱和区），在饱和导通状态（饱和区），输出低电平输出低电平vO 0V（VCES）。）。3.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路三极管相当一个受三极管相当一个受vI控制的开关控制的开关30双极型三极管的开关等效电路双极型三极管的开关等效电路截止状态截止状态饱和导通状态饱和导通状态欢迎访问慧易升考研网： 下载更多北京理工大学自动化学院考研资料6314. 双极型三极管的动态开关特性双极型三极管的动态开关特性在动态情况下，亦即三极管在动态情况下，亦即三极管在截
14、止与饱和导通两种在截止与饱和导通两种状态间迅速转换状态间迅速转换时，三极管内部电荷的建立和消散时，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压的变化，这种滞后现象是由于三极管的b-e间、间、c-e间都间都存在结电容效应存在结电容效应的原因。的原因。32334. 三极管非门电路三极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）。电路（反相器）。当输入当输入A为低电平时，三极管为低电平时，三极管截止，截止，F输出为高电平；当输
15、输出为高电平；当输入入A为高电平时，三极管饱和为高电平时，三极管饱和导通，输出导通，输出F为低电平。为低电平。实现了实现了逻辑非逻辑非功能。功能。345. 二极管三极管门电路二极管三极管门电路(1)与非门电路与非门电路将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接，便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。构成了二极管三极管与非门电路。35（2）或非门电路）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。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与非门的电路结构和工作原理1.电路结构电路结构输入级输入级V1、R1倒相级倒相级V2、R2、R3输出级输出级V4、V5 、VD3、R4保护二极管保护二极管:VD1、VD2图图3-18所示所示欢迎访问慧易升考研网： 下载更多北京理工大学自动化学院考研资料737输入端接有输入端接有用于保护的二极管用于保护的二极管VD1和和VD2。当输入。当输入端加正向电压时，相应二极管处于反向偏置，具有端加正向电压时，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，负极性的干扰脉冲，VD1和和VD
