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1、F1=ABF2=A+BABF=1F=AB内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？知 识 回 顾在数字集成电路的发展过程中,同时 存在着两种器件的发展。一种是由三 极管组成的双极型集成电路,例如晶体 管晶体管逻辑电路(简称TTL电路) 。 另一种是由MOS管组成的单极型集成 电路,例如NMOS逻辑电路和互补 MOS(简称CMOS)逻辑电路。TTL系列逻辑电路出现在19世纪60年代, 它在此之前占据了数字集成电路的主导地位. 随着计算技术和半导体技术的发展,19世纪80 年代中期出现了CMOS电路。虽然它出现晚 一些,但因为它有效地克服了TTL和ECL
2、集成 电路中存在的单元电路结构复杂,器件之间需 要外加电隔离,以及功耗大,影响电路集成密 度提高的严重缺点 ,因而在向大规模和超大 规模集成电路的发展中,CMOS集成电路已占 有统治地位,而且这一优势将继续延伸。内 容 概 述集 成 逻 辑 门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门按器件类型分PMOS NMOS CMOS按集成度分SSI（100以下个等效门） MSI（103个等效门） LSI （104个等效门） VLSI（104个以上等效门）本章内容基本逻辑门的基本结构、工作原理以及外部特性TTL、ECL I2L、HTL3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性3.2 3.2 基本逻辑门电路3
3、.3 TTL3.3 TTL集成逻辑门集成逻辑门3.4 3.4 MOS逻辑门电路3.53.5 集成逻辑门电路的应用3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性: :晶体二极管是由晶体二极管是由PNPN结构成，具有单向导电的特结构成，具有单向导电的特 性。在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作性。在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作 为一个理想开关来分析；为一个理想开关来分析；在严格的电路分析中或者在高速开关电路中，在严格的电路分析中或者在高速开关电路中， 晶体二极管则不能当作一个理想开关。晶体二极管则不能当作一个理想开关。注意注意数字电路中的二极管与
4、三极管一、二极管伏安特性 3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性(a)二极管电路表示(b)二极管伏安特性(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。 二极管相当于一个闭合的开关。二、二极管的开关特性1二极管的静态特性3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开 关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲 电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。2二极管开关的动态特性给二极管电路加入 一个方波
5、信号，电流的 波形怎样呢？ts为为存储时间储时间 ，tt称为为渡 越时间时间 ，trets十tt称为为 反向恢复时间。反向恢复时间：trets十tt产生反向恢复过程的原因： 反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段 时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多， 一般可以忽略不计。三、晶体晶体三极管的开关特性基本单管共射电路基本单管共射电路单管共射电路传输特性单管共射电路传输特性1. 1.三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性三、三极管的开关特性三极管的三种工作状态（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IBICBO0，ICIC
6、EO0，VCEVCC，三极管工作在截止区，对应图1.4.5（b）中的A点 。三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压此时，若调节Rb，则IB，IC，VCE，工作点沿着负载线由A 点B点C点D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为ICIB。三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏 （2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有 若再减小Rb，IB会继续增加，但IC已接近于最大值VCC/RC，不会再增加 ，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典 型值为：VCES0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB IBS 电
7、压条件为：集电结和发射结均正偏（3）饱和状态：保持VI不变，继续减小Rb，当VCE 0.7V时，集电 结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b）中的E点。此时的 集电极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，基极电流称为基极 临界饱和电流，用IBS表示，有:解： 根据饱和条件IBIBS解题。例1.4.1 电路及参数如图1.4.6所示，设输入电压VI=3V，三极管的 VBE=0.7V。 （1）若60，试试判断三极管是否饱饱和，并求出IC和VO的值。（2）将RC改为6.8kW，重复以上计算。IBIBS 三极管饱和。 IB不变，仍为0.023mA IBIBS 三极管处在放大状态。 （3）将RC改为6.
8、8kW，再将Rb改为60kW，重复以上计算。由上例可见，Rb 、RC 、等参数都能决 定三极管是否饱和。 则该电路的饱和条件可写为：即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，Rb越小， 越大，RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理 地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。IBS0.029 mAIBIBS 三极管饱和。 2三极管的动态特性（1）延迟时间td 从输入信号 vi正跳变的瞬间开始，到集电极 电流iC上升到0.1ICS所需的时间 （2）上升时间tr集电极电流从 0.1ICS上升到0.9ICS所需的时间。开通时间: （3）存储时间ts从输入信号vi 下跳变的瞬间
9、开始，到集电极电流 iC下降到0.9ICS所需的时间。 （4）下降时间tf集电极电流从 0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。关断时间:3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性一、二极管与门和或门电路 1与门电路3.2 基本逻辑门电路2或门电路二、三极管非门电路二极管与门和或门电路的缺点：（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。（2）负载能力差解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。三、DTL与非门电路工作原理：（1）当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1D3都截止，而D4 、D5和T导通，且T为饱和导通， VL=0.3V，即输出低电平。（
10、2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP1V，从而使D4 、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即： 3.2 基本逻辑门电路 3.3 TTL逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理 1TTL与非门的基本结构输入级由多发射极晶 体管T1和基极电组R1 组成，它实现了输入 变量A、B、C的与运 算中间级由T2、R2和R3 组成，T2的集电极和 发射极可以分别提供 两个相位相反的信号 .输出级：由T3、T4、D 组成推拉式输出结构。 具有较强的负载能力2TTL与非门的逻辑关系（1）输入全为高电平3.6V时。T2、T3导通，VB1=0.73=
11、2.1（V ）， 由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES30.3V 这时T2也饱和导通， 故有VC2=VE2+ VCE2=1V。 使T4和二极管D都截止。实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。2.1V0 .3V该发射结导通，VB1=1V。所以T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的 电流较小，可以忽略，所以VB4VCC=5V ，使T4和D导通，则有：VOVCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面： 输入有低电平时，输出为高电平。综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：（2）输入有低电平0.3V 时。1V5V3
12、 .6V二、TTL与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电 。2TTL与非门传输延迟时间tpd导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿 的中点所经历的时间。截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿 的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间tpd是tPHL和tPLH的平均值。即 一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力1电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）1、 电压传输特性TTL“与
13、非”门输入电压VI与输出电压VO之间的关系曲线， 即 VO = f（VI）。截止区当VI0.6V， Vb11.3V时，T2、T3 截止，输出高电平VOH = 3.6V线性区当0.6VVI1.3V， 0.7VV b21.4V时，T2导通， T3仍截止，VC2随Vb2升高而下降 ，使VO下降转折区 饱和区三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力（1）输出高电平电压VOH在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。 VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。（2）输出低电平电压VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。 VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低
14、电压的最大值VOL（max）=0.4V。 （3）关门电平电压VOFF是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电 压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用 VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。 （4）开门电平电压VON是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电 压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用 VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。（5）阈值电压Vth电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定 电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：VthVOFFVON即ViVth，与
15、非门关门，输出高电平；ViVth，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V1.V。2几个重要参数VoffVOHVonVOL低电平噪声容限 VNLVOFF-VIL0.8V-0.4V0.4V 高电平噪声容限 VNHVIH-VON2.4V-2.0V0.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的 输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为 噪声容限。3抗干扰能力四、TTL与非门的带负载能力1输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH （1）输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低 电平时，从门电路输入端流出的电流。可以
16、算出：产品规定IIL1.6mA。（2）输入高电平电流IIH是指当门电路的输入端接高电 平时，流入输入端的电流。有两种情况。寄生三极管效应：如图（a）所示。 这时IIH=PIB1，P为寄生三极管的电流放大系数。由于p和i的值都远小于1， 所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH40uA。倒置的放大状态：如图（b）所 示。这时IIH=iIB1，i为倒置放大的电流放大系数。（1）灌电流负载2带负载能力当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3脱离饱和，输出低电平升高。因 此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，产品规定 IOL=16mA。由此
