数字电子电路基础--逻辑门电路培训课件

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1、 数字逻辑电路使用教材 数字电子技术基础清华大学出版社出版 伍时和、吴友宇等编写主讲：伍时和2018/8/13数字逻辑电路2数字电子技术基础 第3章 逻辑门电路3.1 分立元件门电路3.2 TTL集成逻辑门3.3 发射极耦合逻辑门（ECL）3.4 MOS逻辑门3.5 74系列和4000系列逻辑门电路的使用 2018/8/13数字逻辑电路3主要内容逻辑门电路是实现逻辑函数运算的硬件电路结构，并利用电 路的输入和输出电平关系确定电路可以实现何种逻辑运算，通常 采用正逻辑赋值，将电路的高电平赋值1，低电平赋值0，并用输 入信号表示逻辑运算的自变量，用电路的输出信号表示逻辑函数 运算的因变量。门电路的

2、基本的电路元件是二极管、三极管（单极或双极型 ）及电阻等。二极管与门、或门电路，三极管非门电路的工作原理。TTL 门电路、CMOS门电路的电路结构和原理，以及使用中的注意事 项等。集电极开路门、传输门、三态输出门等。了解电路的输入特性 和输出特性。3.1 分立元件门电路 3.1.1 二极管开关特性二极管的V安特性可以用下述指数表达式近似的表示。ID=IDS(eVd/VT-1) 其中Vd 为二极管（PN结）的外加电压； VT=KT/q=1.3810-23/1.60210-19 ，在T=300 时， VT=25.8mV=26mV,K波尔兹曼常数=1.3810-23 库V， q电子电荷量=1.602

3、10-19 库， T绝对温度=2730C+ t0C。2018/8/13数字逻辑电路5由二极管的V安特性可以看出，若二极管外加正向电压，且 超过二极管的正向开启电压Vth，二极管正向导通，流经二极管的 电流较大，其正向电压降维持在0.50.7V之间，若将二极管作为 一个开关元件，相当于开关闭合。若二极管外加反向电压，且不 超过VBR，或小于Vth的正向电压，流过二极管的电流很小，外加 电压基本上等于二极管两端的电压值，此时相当于开关断开。如果将E改为电路的输入信号电压Vi，而且为高电平VH（比 Vth大几倍以上）和低电平VL（小于Vth）的脉冲电压信号，二极 管可以当成理想的开关元件，Vi为高电

4、平VH时，二极管导通，Vi 为低电平VL时，二极管处于完全截止状态。二极管从反向截止到正向导通，或者从正向导通到反向截止 ，其时间是很短的，若工作电压的频率不高，这种转换过程所需 要的时间完全可以忽略不计。如果输入信号的频率很高时，脉冲 周期到达s，ns级，就得考虑其影响了。3.1.1 二极管开关特性2018/8/13数字逻辑电路62二极管的开关特性 1)二极管的正向导通二极管从反向截止转为正向导通过程所需要的时间称为正 向开通时间。这个时间与反向的恢复时间相比较是很小的。在 反向电压的作用下，势垒区变厚，存在一定的电荷积累，这部 分积累的电荷为PN结两边的掺杂离子的复合电荷，与正向导 通的电

5、荷积累相比要小得多。外加反向电压转为正向电压时， 这部分电荷很快被外加的正向电源拉走，使PN结变窄（薄） 。正向导通时，PN结的正向电压很小，正向电阻很小，且为 多数载流子形成电流，故此电流上升很快，所以正向开通时间 很短，与反向恢复时间相比可以忽略不计。3.1.1 二极管开关特性2018/8/13数字逻辑电路72)二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程。 当输入信号电压为高电平VH时，二极管正向导通，P区接输入信号 的高电位端，N区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散 电流。由于VHVDON(二极管正向导通电压降)，所以流过二极管 的正向电流IP为：。3.1.1 二极管开关特性201

6、8/8/13数字逻辑电路82)二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程。当输入信号电压为高电平VH突变为低电平VL（其值为负VH） 时，二极管由正向导通突然加上反向电压，理想的情况下ID0，但 实际上存在一个恢复过程，开始，反向电流IR为： 式中VD为外加电压突变瞬间 二极管PN结的电压降，约为 0.7V。3.1.1 二极管开关特性2018/8/13数字逻辑电路9维持IR=VL/R这一过程所用的时间ts称为存储时间，然后才逐 步下降到0.1IR 。规定此时才进入反向截止状态。反向电流从 IR=VL/R下降到0.1IR 所用的时间称为反向度越时间tr 。tf=ts+tr称 为反向恢复时间。反向恢

7、复时间一般在几个纳秒以下，长短与二 极管的扩散电容及电阻R的大小有关。3产生反向恢复过程的 原因-电荷存储效应3.1.1 二极管开关特性2018/8/13数字逻辑电路103.1 分立元件门电路当输入信号电压为高电平VH，P区接输入信号的高电位端，N 区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散电流二极管正 向导通。扩散到P区的自由电子和扩散到N区的空穴这些多数载流 子在这两个区域并不是均匀分布的，而是形成靠近PN结附近浓度 大，靠外接电极处浓度小的梯度分布。而且势垒区变窄，PN结存 在一定的载流子存储。这是因为载流子跨越PN结到达相应电极时 需要一定的运动时间。二极管正向导通时，P区和N区的非

8、平衡载 流子的积累现象称为电荷存储效应 。当输入信号电压由高电平VH突变为低电平VL，P区接输入信号的低电位端 ，N区接输入信号的高电位端，在突变的瞬间，正向时扩散到P区的自由电子和 扩散到N区的空穴这些多数载流子形成，多数载流子由于电荷存储效应尚有一部 分未达到外部连接电极。电荷存储效应积累非平衡载流子将形成反向漂移电流 ，即N区积累的空穴向P区漂移，P区积累的自由电子向N区漂移，在这部分积累 的电荷消失之前，PN结也来不及变厚；这样PN结基本保留正向导通时基本相同 数量级的反向电压降，所以二极管维持反向电流IR=VL/R，直到PN结两边积累 非平衡载流子基本消失，这一过程才开始结束；此后信

9、号源向PN结补充空穴（ N区一侧）和电子（P区一侧），电流也逐步下降，直到最终二极管截止，整个 过程结束。 2018/8/13数字逻辑电路113.1.2 双极型三极管的开关特性 1. 双极型三极管（Bipolar junction Transistor，BJT）的结构双极型三极管的基本结构以平面扩散型为主，即在一块单晶 半导体上通过扩散掺杂外延扩散掺杂外延再扩散掺杂 等工艺先后生产3层NPN型半导体或PNP型半导体，每层引出相 应的连接电极，然后封装，就构成一个三极管。三层半导体按N 、P、N型先后排布的，称为NPN型三极管； 三层半导体按P、 N、P型先后排布的，称为PNP型三极管。掺杂的浓

10、度和每层的 厚薄、层间的交界面都不相同，这些均由生产过程中进行严格 控制 。2018/8/13数字逻辑电路122. 双极型三极管的伏安特性3.1.2 双极型三极管的开关特性输入特性：是指基 极电流和基极、发 射极之间电压的大 小关系；输出特性 ：是指集电极电流 和集电极、发射极 之间的电压大小关 系。 输入特性：形状与二极管的正向特性基本相同。当基极与发射极之间外加 电压VBE低于其正向开启电压Vth时，基极电流很小，可以认为接近于0，这种情 况下，三极管处于截止工作状态；而当基极与发射极之间外加电压高于其正向 开启电压Vth时，三极管的基极电流随VBE的上升而快速上升。而且基极与发射 极之间

11、的电压一般不超过0.7V（硅材料管），处于开关工作状态的三极管，这 一电压称为导通电压，并用VON表示。若VBE在VthVON之间变化，基极电流的 变化量与VBE的变化量具有接近于线性变化的关系，这一范围内，三极管可以 工作于放大状态或饱和状态。 2018/8/13数字逻辑电路132. 双极型三极管的伏安特性输出特性3.1.2 双极型三极管的开关特性图中直流负载线是指在直流电源电压的作用下，IC与VCE之间 的变化关系。从图中可以看出，输出特性可以分成3个工作区。 2018/8/13数字逻辑电路143.1.2 双极型三极管的开关特性2. 双极型三极管的伏安特性输出特性（1）截止工作区：IB为0

12、以下的工作区，这一区域，IC很 小，且等于ICEO，大小在1A以下，VCE接近于电源电压VCC。根 据三极管的输入特性，此时VBE应低于其正向开启电压Vth，即就 是双极型三极管的发射结外加反向电压（称为反偏）或外加正 向电压但小于Vth的状态。而此时由于VCE接近于电源电压VCC， 集电极电位高于基极电位（NPN型管），所以“集电结”外加反 向电压（称为反偏）状态。（2）放大工作区：IC随IB正比增加的工作区域。在这一 工作区，VBE在大于Vth和接近VON之间变化，ICIB，VCE对IC影 响很小。三极管的发射结外加电压处于正向（正偏）状态。而 此时由于VCE小于电源电压VCC，但集电极电

13、位还是高于基极电 位（NPN型管），所以“集电结”外加反向电压（反偏）状态。2018/8/13数字逻辑电路153.1.2 双极型三极管的开关特性2. 双极型三极管的伏安特性输出特性 （3）饱和工作区：IC不随IB正比增加的工作区域。在这 一工作区，VBE在大于或等于VON之间的范围变化，ICIB，而 是等于集电极的饱和电流ICS，ICS(VCCVCES)/RC，VCE较小， 并称其为饱和电压降VCES，且对IC影响较大。此时，三极管的发 射结外加电压处于正向（正偏）状态VBE=0.7V。而此时由于VCE 很小，在0.3V以下（硅管），使集电极电位还是低于基极电位（ NPN型管），所以“集电结”

14、外加正向电压（正偏）状态。处于开关工作状态的双极型三极管，稳定时，将工作于截 止状态，或者饱和状态；只是在从饱和状态突变到截止状态的 过程中，或从截止状态突变到饱和状态的过程中，中间一定会 经历一段放大工作状态变化过程 。2018/8/13数字逻辑电路163.1.2 双极型三极管的开关特性2. 双极型三极管的伏安特性输出特性双极型三极管的三种工作状态及其特点 。 2018/8/13数字逻辑电路173.1.2 双极型三极管的开关特性必定使VBEVT时，形成感应导电沟道,iD0P型衬底引线VGS漏极、源极之间加一正向 电压VGS（注意衬底与源极也 短接在一起）且VGS0时， 漏极、源极之间的通道将

15、形 成感应导电沟道，即连接漏 极、源极之间的P型衬底区产 生感应导电粒子自由电 子，这样，漏极、源极与P型 衬底区之间的连接形成由自 由电子构成的导电通道连接 ，VDS为正，且不断增加变化 时，源极与P型衬底区之间的 形成的PN结，处于正向偏置 状态；(2)VGSVT 的工作状态1. MOS管的结构及工作原理漏极与P型衬底区之间的形成的PN 结，处于反向偏置状态，这样将把 导电沟道的自由电子拉入漏极区而 形成漏极电流，源极区将不断地向 沟道补充被拉走的自由电子而形成 源极电流，从而形成Ids。2018/8/13数字逻辑电路283.1.3 MOS管的开关特性IDSVDSN型感生导电沟道sgd栅极

16、漏极源极P型衬底PN耗尽层N+N+（c）N沟道MOSFET管基本工作原理示以图 VDS较小时，形成感应导电沟道,iD很快增加P型衬底引线VGS若VGS保持一定不变， 导电沟道的宽度或载流子 浓度也将保持一定，这样 VDS从较小向较大变化时， IDS将随VDS的上升而接近 于线性的增加，导电沟道 的形状也将从方形向锲形 变化。(4)VDS足够大 的工作状态1. MOS管的结构及工作原理IDSVDSN型感生导电沟道sgd栅极漏极源极P型衬底PN耗尽层N+N+(d)N沟道MOSFET管基本工作原理示以图VDS增大时，感应导电沟道顶夹断,iD达到饱和P型衬底引线VGS若VDS足够大，最后形 成顶部夹断状态，Ids也达 到饱和状态。(3)VDS较小 的工作状态2018/8/13数字逻辑电路293.1.3 MOS管的开关特性若VGS增大，导电沟道的宽度或载流子浓度也将随之增宽和 加大，IDS达到饱和状态的值也将随之而增大，这体现VGS对Ids 的控制作用。规定漏极、源极之间施加不大的VDS，若VGS从零开始增加 ，