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1、第第2 2章章 逻辑门电路逻辑门电路 2.1 2.1 二极管及三极管的开关特性二极管及三极管的开关特性2.2 2.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路2.1.12.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性 2.1.22.1.2 三极管的开关特性三极管的开关特性 2.2.12.2.1 二极管与门二极管与门 2.2.22.2.2 二极管或门二极管或门 2.2.32.2.3 关于高低电平的概念及状态赋值关于高低电平的概念及状态赋值 2.2.2.2.4 4 二极管非门（反相器）二极管非门（反相器） 2.2.2.2.5 5 关于正逻辑和负逻辑的概念关于正逻辑和负逻辑的概念 Date1复习复习请回忆实现与、或
2、、非逻辑的开关电路形式？它们有何共同特点？开关电路与逻辑电路是如何联系起来的？Date22.1 2.1 二极管及三极管的开关特性二极管及三极管的开关特性数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作 在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。逻辑变量两状态开关：在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；电子开关有两种状态：闭合、断开。 半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这 种电子开关的基本开关元件。Date3(1) 静态特性：断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。 闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻 RON = 0，电压U
3、AK = 0。 (2) 动态特性：开通时间 ton = 0关断时间 toff = 0 理想开关的开关特性： Date4客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。Date52.1.1 二极管的开关特性 1. 1. 静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)0.7V（硅）0.3V（锗）RD几 几十相当于开关闭合 图2-1 二极管的伏安特性曲线Date6反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百k）相当
4、于开关断开图2-1 二极管的伏安特性曲线Date7图2-2 二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时图2-1 二极管的伏安特性曲线开启电压理想化 伏安特 性曲线Date82. 动态特性：若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去 单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需 要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时 间。一般为纳秒数量级（通常tre 5ns ）。Date92.1.2 三极管的开关特性 1. 静态特性及开关等效电路在数字电路中，三极管作为开关元件，主要 工作在饱和和截止两种开关状态，
5、放大区只是极 短暂的过渡状态。图2-3三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线Date10开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结反偏 特点：电流约为0 Date11(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅Date12图2-4 三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时Date132. 三极管的开关时间（动态特性）图2-5 三极管的开关时间 开启时间ton 上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间tsDate14(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。ton = td +trtd ：延迟
6、时间 tr ：上升时间(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长） tf ：下降时间toff ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。Date15门电路的概念：实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑 门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或 门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。分立元件门电路和集成门电路:分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起 来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都 制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了
7、集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门 电路。2.2 2.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路Date162.2.1 二极管与门电路 1. 1. 电路2. 2. 工作原理A、B为输入信号（+3V或0V） F 为输出信号 VCC+12V表2-1 电路输入与输出电压的关系ABF 0V0V0.7V 0V3V0.7V 3V0V0.7V 3V3V3.7V Date17用逻辑1表示高电平（此例为+3V） 用逻辑0表示低电平（此例为0.7V）ABF 0V0V0.7V 0V3V0.7V 3V0V0.7V 3V3V3.7V3. 逻辑赋值并规定高低电平4. 真值表ABF 000 010 100 111表2
8、-2 二极管与门的真值表A、B全1， F才为1。可见实现了与逻辑Date185. 5. 逻辑符号6. 6. 工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）7. 7. 逻辑表达式 FA B图2-6 二极管与门 （a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形Date192.2.2 二极管或门电路 1. 1. 电路2. 2. 工作原理电路输入与输出电压的关系 ABF 0V0V0V 0V3V2.3V 3V0V2.3V 3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V ） F 为输出信号 Date204. 真值表ABF 0V0V0V 0V3V2.3V 3V0V2.3V 3V3V2.3V可见实现了或逻辑3. 逻辑赋值并规
9、定高低电平用逻辑1表示高电平（此例为+2.3V） 用逻辑0表示低电平（此例为0V）ABF 000 011 101 111A、B有1，F就1。表2-2 二极管或门的真值表Date21图2-7 二极管或门 （a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形5. 5. 逻辑符号6. 6. 工作波形7. 7. 逻辑表达式 FA+ BDate222.2.3 关于高低电平的概念及状态赋 值电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。例：上面二极管与门电路中规定高电平为3V， 低电平0.7V。又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平
10、；低电平的额定值为0.3V ，但从0V到0.8V都算作低电平。1. 1. 关于高低电平的概念 Date232. 逻辑状态赋值 在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。Date242.2.4 非门（反相器） 图2-8 非门 (a) 电路 （b）逻辑符号1. 1. 电路2. 2. 工作原理A、B为输入信号（+3.6V或0.3V） F 为输出信号 AF 0.3V+VCC 3.6V0.3VDate253. 逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1表示高电平（此例为+3.6V） 用逻辑0表示低电平（此例为0.3V
11、）4. 真值表AF 0.3V+VCC 3.6V0.3VAF 01 10表2-4 三极管非门的真值表A与F 相反可见实现了非逻辑Y=ADate262.2.5 2.2.5 关于正逻辑和负逻辑的概念关于正逻辑和负逻辑的概念正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。 1. 1. 正负逻辑的规定 2. 2. 正负逻辑的转换对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采 用负逻辑。 本书若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能 是不同的。Date27ABF 0V0V0.7V 0V3V0.7V 3V0V0.7V 3V3V3.7V正
12、与门相当于负或门二极管与门电路用正逻辑ABF 000 010 100 111正与门用负逻辑负或门ABF 111 101 011 000Date282.3.12.3.1 TTLTTL反相器的工作原理反相器的工作原理 2.3.2.3.2 2 TTLTTL反相器的电压传输特性及参数反相器的电压传输特性及参数 2.3 2.3 TTLTTL反相器反相器2.3.2.3.4 4 TTLTTL反相器的其它参数反相器的其它参数 2.3.32.3.3 TTLTTL反相器的输入特性和输出特性反相器的输入特性和输出特性 Date292.3 2.3 TTLTTL反相器反相器TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导
13、体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。TTL电路的基本环节是反相器。简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。Date302.3.1 TTL反相器的工作原理1. 电路组成图2-9 TTL反相器的基本电路 Date31(1) 输入级NPN当输入低电平时， uI=0.3V，发射结正向导 通， uB1=1.0V当输入高电平时， uI=3.6V，发射结受后级 电路的影响将反向截止。 uB1由后级电路决定。NNPDate32(2) 中间级反相器VT2 实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相 与同相输出。输入高电 压时饱和输入低电 压时截止Da
14、te33(3) 输出级（推拉式输出） VT3为射极跟随器低输入高输入 饱和截止低输入高输入截止导通Date342. 工作原理（1）当输入高电平时， uI=3.6V，VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，uB1=0.7V3=2.1V，VT2和VT4饱和，输出为低电平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6VDate35（2） 当输入低电平时 ， uI=0.3V，VT1发射结导通， uB1=0.3V+0.7V=1V，VT2和VT4均截止，VT3和VD导通。输出高电平uO =VCC -UBE3-UD5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3VDate36(3) 采用推拉式输出级利于
15、提高开关速度和负载能力VT3组成射极输出器，优点是既能提高开关速度，又能提高负载能力。当输入高电平时，VT4饱和， uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输 出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。 Date372.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数 电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。图2-10 TTL反相器电路的电压传输特性截止区 线性区转折区饱和区1. 1. 曲线分析曲线分析VT4截止，称关门VT4饱和， 称开门Date382. 结合电压传输特性介绍几个参数 (1) 输出高电平UOH典型值为3V。(2) 输出低电平UOL典型值为0.3V。Date39(3) 开门电平UON一般要求UON1.8V(4) 关门电平UOFF一般要求UOFF0.8V在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小 输入高电平的数值，称为开门电平UON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大 输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUONDate40(5) 阈值电压UTH电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH1.4V。 (6)
