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1、 第二讲 逻辑门电路基本要求基本要求1、了解分立元件与、或、非、或非、与非门的电路组成、 工作 原理、逻辑功能及其描述方法；2、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；3、熟练掌握TTL与非门典型电路的分析方法、电压传输特性、 输入特性、输入负载特性、输出特性；了解噪声容限、TTL与 非门性能的改进方法；4、掌握OC门、三态门的工作原理和使用方法，正确理解OC门 负载电阻的计算及线与、线或的概念；5、掌握CMOS反相器、与非门、或非门、三态门的逻辑功能分 析，CMOS反相器的电压及电流传输特性；逻辑约定 数字电路中关于高、低电平的概念数字电路中关于高、低电平的概念V VH H 高电平高电平 1 1V V
2、L L 低电平低电平 0 0逻辑电平：逻辑电平：由半导体电子元器件组成的逻辑电路由半导体电子元器件组成的逻辑电路 , ,表现为表现为“ “0 0” ”和和“ “1 1” ”两个不同的状态两个不同的状态, , 常用一个电压范围表示叫做常用一个电压范围表示叫做逻辑逻辑0 0 和和逻辑逻辑1 1, ,或叫做或叫做0 0态态和和1 1态态，统称逻，统称逻 辑电平。辑电平。逻辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。逻辑电平不是物理量，而是物理量的相对表示。表示的是一定的 电压范围，不是 一个固定值逻辑门电路的分类：逻辑门电路的分类： 分立元件分立元件 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 双极型双极型 MOS
3、MOS 1 1、按所采用的半导体器件进行分类、按所采用的半导体器件进行分类 采用双极型半导体器件作为元件采用双极型半导体器件作为元件, , 速度快、负载能力强，但功耗较速度快、负载能力强，但功耗较 大、大、 集成度较低。集成度较低。采用金属采用金属- -氧化物半导体场效应管作氧化物半导体场效应管作 为元件。结构简单、制造方便、集为元件。结构简单、制造方便、集 成度高、功耗低，但速度较慢。成度高、功耗低，但速度较慢。双极型集成电路又可进一步可分为：双极型集成电路又可进一步可分为： 二极管二极管- -晶体管逻辑电路晶体管逻辑电路DTL (Diode DTL (Diode Transistor Lo
4、gic )Transistor Logic ) 晶体管晶体管- -晶体管逻辑电路晶体管逻辑电路TTL (TTL (Transistor Transistor Transistor LogicTransistor Logic) )； 发射极耦合逻辑电路发射极耦合逻辑电路ECL(ECL(Emitter Emitter Coupled LogicCoupled Logic) )。 集成注入逻辑电路集成注入逻辑电路I I2 2L L(Integrated (Integrated Injection Logic)Injection Logic) MOSMOS集成电路又可进一步分为：集成电路又可进一步分为
5、： PMOSPMOS( P-channel Metal Oxide Semiconductor)( P-channel Metal Oxide Semiconductor)； NMOSNMOS(N-channel Metal Oxide Semiconductor)(N-channel Metal Oxide Semiconductor)； CMOSCMOS(Complement Metal Oxide Semiconductor)(Complement Metal Oxide Semiconductor)。CMOSCMOS电路应用较普遍，不但适合通用逻电路应用较普遍，不但适合通用逻 辑电路的
6、设计，而且综合性能最好辑电路的设计，而且综合性能最好 。 小规模集成电路（SSI） 09个二输入门 中规模集成电路（MSI） 1099个门大规模集成电路（LSI） 100个门以上超大规模集成电路（VLSI） 超过1000个门2 2、按集成电路规模的大小进行分类、按集成电路规模的大小进行分类数字集成电路数字集成电路二二、三极管的开关特性、三极管的开关特性第一节第一节 二极管和三级管的开关特性二极管和三级管的开关特性一、二极管的开关特性一、二极管的开关特性 TTL TTL管的开关特性管的开关特性 MOSMOS管的开关特性管的开关特性二极管的开关特性 理想： 接通时，接触电阻为0，无压降 断开时，接
7、触电阻为，无电流实际： 0Uth后，二极管导通，当Uth=0.7V，iD=(ui-0.7)/R，二极管 VD可等效为一个有0.7V压降的闭合开关 uiIcs/偏置情况发射结和集电结均 反偏发射结正偏，集电 结反偏发射结和集电结均正偏集电极电流ic 0ic=ib ic=Ics Vcc/Rc且不随 ib增加改变管压降Vce=VccVce=Vcc-icRcVce 0.3VC、e间等效内阻很大，相当于开关 断开恒流源很小，相当于开关闭和下图示出了一个用双极型三极管及其特性曲线 。可知，三极管可分别工作在饱和区、放大区、及 截止区，开关电路中，三极管分别工作在饱和区和 截止区。三极管开关电路 三极管的特
8、性曲线ib=0ib=ics/ib=20uA在分析三极管开关电路时，往往用左图所示电路来等效三极管开关电路。动态时，即三极管在截止与饱和两种状态迅速 转换时，三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间，所 以集电极电流的变化往往滞后于输入电压的变化，因而输出电 压uo也必定滞后输入电压，如右图所示。三极管开关的等效电路 三极管电路的动态特性(a) 截止状态 (b)饱和状态 （2 2）MOSMOS管的开关特性管的开关特性 MOS管是金属氧化物半导体场效应管(Metal-oxide- semiconductor Field-Effect Transistor)的简称，因为它只有一 种载流子参与导电故
9、也称单极型三极管。由MOS管的输出特性曲线可知，它在工作时也有三个区： 可变电阻区（饱和区）、恒流区（放大区）及截止区，如左图所 示。在开关电路中，MOS管分别工作在截止区和可变电阻区。 MOS管的开关电路见右图。 实际电路中往往用下图所示电路来等效MOS的 开关电路，图中Ci表示MOS管的栅极输入电容。Ci 的值约为几皮法。由于开关电路的输出端不可避免 地带有一定的负载电容，加之栅极输入电容Ci的影 响，所以在动态情况下，输出电流iD及输出电压UDS 都将滞后于输入电压的变化。 MOS管的开关等效电路(a) 截止状态 (b) 饱和状态1、TTL管的开关特性等效图NPN型UI=Ube（b端接电
10、阻后为b端）UI=0V，开关打开UI=5V，开关合上PNP型UI=Ube（b端接电阻后为b端）UI=0V，开关打开UI=-5V，开关合上其实，NPN和PNP型 BJT具有几乎相同的特 征，只不过各电极端的 电压极性和电流流向不 同而已二、三极管的开关特性等效图二、三极管的开关特性等效图bce2、MOS管的开关特性等效图同样，NMOS和PMOS 管具有几乎相同的特征 ，只不过各电极端的电 压极性不同而已 PMOSUI=UGSUI=0V，开关打开UI=-5V，开关合上NMOSUI=UGSUI=0V，开关打开UI=5V，开关合上GDS一、二极管与门和或门电路 1与门电路第二节第二节 分立元件逻辑门电
11、路分立元件逻辑门电路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：二极管与门和或门电路的缺点：（2）负载能力差（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。解决办法：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。（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：TTL(Transistor
12、Transistor Logic)TTL(Transistor Transistor Logic)电路电路 是晶体管是晶体管- - 晶体管逻辑电路的简称。晶体管逻辑电路的简称。TTLTTL电路的功耗大、线路较复杂，使其电路的功耗大、线路较复杂，使其 集成度受到一定的限制，故广泛应用于中小集成度受到一定的限制，故广泛应用于中小 规模逻辑电路中。规模逻辑电路中。下面，重点讨论下面，重点讨论TTLTTL与非门与非门 第三节第三节 TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路一、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输入级 由多发射极晶体管由多发射极晶体管T T1 1和电阻和电阻R R1
13、 1组成；组成； 中间级中间级 由由T T2 2和和R R2 2、R R3 3组成，输出两个相位相反组成，输出两个相位相反 的信号，作为的信号，作为T T4 4、T T5 5的驱动信号；的驱动信号； 输出级输出级 由由T T3 3、T T4 4、T T5 5和和R R4 4、R R5 5组成。组成。电路结构电路结构 如右图所示。图中T、R1组成输 入级，T2、R2、R3组成倒相级， T3、T4、T5、R4和R5组成输出 级。T是多发射极三极管，它的 基区和集电区是共用的，而在 型的基区上加了三个高掺杂的 型区，从而形成三个互相独立的 发射极，它相当于发射极独立而 基极和集电极分别并联在一起的
14、三个三极管。T的集电极和发射极分别输出二路极性变化相反 的电压信号，故称倒相级；T管的输出信号分别去控 制T4和T5管使它们一个导通而另一个截止，从而降低了 输出级的静态功耗并提高了带负载的能力。通常将这种 形式的电路称为推拉式电路或图腾柱输出电路。2. 2. 工作原理工作原理 T T1 1的基极电压的基极电压u ub1b1=u=ubc1bc1+u+ube2be2+u+ube5 be5 2.1V2.1V；T T2 2的集电极的集电极 电压电压u uc2c2 = = u uces2ces2+u+ube5be50.3V+0.7V1V,0.3V+0.7V1V,该值大于该值大于T T3 3的发的发 射
15、结正向压降，射结正向压降，T T3 3导通。导通。T T4 4的基极电压的基极电压u ub4b4= = u ue3e3=u=uc2c2- -0.7V=0.3V,0.7V=0.3V,故故T T4 4截止。截止。逻辑功能分析：逻辑功能分析：输入端全部接高电平输入端全部接高电平(3.6V)(3.6V)： T T1 1倒置，电源倒置，电源U Ucccc通过通过R R1 1和和T T1 1的集电结向的集电结向T T2 2提供足提供足 够的基极电流，使够的基极电流，使T T2 2。T T2 2的发射极电流在的发射极电流在R R3 3 上产上产 生的压降又使生的压降又使 T T5 5 ，输出，输出F F为低电平为低电平(0.3V)(0.3V)。2.12.1 1.41.4 0.70.71.01.0当有输入端接低电平当有输入端接低电平(0.3V)(0.3V)时：时：输入端接低电平的发射结导通，即输入端接低电平的发射结导通，即T T1 1V Vb1b1=0.3V+0.7V=1V=0.3V+0.7V=1V又又 T T1 1深度饱和深度饱和 V Vces1 ces1 =0.1V
