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1、第三章 逻辑门电路,3.1 晶体管的开关特性 3.2 基本逻辑门电路 3.3 TTL逻辑门 3.4 其他双极型电路 3.5 MOS 逻辑门 3.6 编程逻辑器件 (PLD)简介,实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路,与,或,非,与 非,或 非,异或,与或非,3.1 晶体管的开关特性 3.1.1 概 述,第三章 逻辑门电路,一、逻辑变量与两状态开关,低电平,高电平,断开,闭合,高电平 3 V,低电平 0 V,二值逻辑:,所有逻辑变量只有两种取值(1 或 0)。,数字电路:,通过电子开关 S 的两种状态(开或关) 获得高、低电平，用来表示 1 或 0。,逻辑状态,1,0,0,1,S 可由二
2、极管、三极管或 MOS 管实现,二、高、低电平与正、负逻辑,负逻辑,正逻辑,高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。,0,1,1,0,三、分立元件门电路和集成门电路,1. 分立元件门电路,用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。,2. 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。,常用：CMOS 和 TTL 集成门电路,四、数字集成电路的集成度,一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数,小规模集成电路 SSI,(Small Scale Integration), 10 门/片,或 100 元器件/片,中规模集成电路 MSI,(Medium Sc
3、ale Integration),10 99 门/片,或 100 999 元器件/片,大规模集成电路 LSI,(Large Scale Integration),100 9 999 门/片,或 1 000 99 999 元器件/片,超大规模集成电路 VLSI,(Very Large Scale Integration), 10 000 门/片,或 100 000 元器件/片,3. 1. 2 晶体二极管的开关特性,一、静态特性,1. 外加正向电压(正偏),二极管导通(相当于开关闭合),2. 外加反向电压(反偏),二极管截止(相当于开关断开),硅二极管伏安特性,阴极,A,阳极,K,PN结,二极管的
4、开关作用：,例,uO = 0 V,uO = 2.3 V,电路如图所示，,试判别二极管的工作 状态及输出电压。,二极管截止,二极管导通,解,二、动态特性,1. 二极管的电容效应,结电容 C j,扩散电容 C D,2. 二极管的开关时间,电容效应使二极管的通断需要一段延迟时间才能完成,(反向恢复时间),ton 开通时间,toff 关断时间,一、静态特性,NPN,3. 1. 3 晶体三极管的开关特性,发射结,集电结,b,iB,iC,e,c,(电流控制型),1. 结构、符号和输入、输出特性,(2) 符号,(Transistor),(1) 结构,(3) 输入特性,(4) 输出特性,放大区,截止区,饱 和
5、 区,发射结正偏,放大,i C= iB,集电结反偏,饱和,i C iB,两个结正偏,I CS= IBS,临界,截止,iB 0, iC 0,两个结反偏,电流关系,状态,条 件,2. 开关应用举例,发射结反偏 T 截止,发射结正偏 T 导通,放大还是饱和？,饱和导通条件：,因为,所以,二、动态特性,3.2 基本逻辑门电路,3. 2. 1 二极管与门电路及或门电路,一、二极管与门,3V,0V,符号:,与门（AND gate),UD = 0.7 V,真值表,A B,Y,0 0 0 1 1 0 1 1,0 0 0 1,Y = AB,电压关系表,uA/V,uB/V,uY/V,D1 D2,0 0,0 3,3
6、 0,3 3,导通,导通,0.7,导通,截止,0.7,截止,导通,0.7,导通,导通,3.7,二、二极管或门,uY/V,3V,0V,符号:,或门（AND gate),UD = 0.7 V,真值表,A B,Y,0 0 0 1 1 0 1 1,0 1 1 1,电压关系表,uA/V,uB/V,D1 D2,0 0,0 3,3 0,3 3,导通,导通,- 0.7,截止,导通,2.3,导通,截止,2.3,导通,导通,2.3,Y = A + B,正与门真值表,正逻辑和负逻辑的对应关系：,A B,Y,0 0 0 1 1 0 1 1,0 0 0 1,负或门真值表,A B,Y,1 1 1 0 0 1 0 0,1
7、1 1 0,同理：,正或门,负与门,一、半导体三极管非门,T 截止,T导通,3. 2. 2 晶体三极管非门电路,饱和导通条件:,T 饱和,因为,所以,电压关系表,uI/V,uO/V,0,5,5,0.3,真值表,0,1,1,0,A,Y,符号,函数式,三极管非门:,A,Y,T1 多发射极三极管,等效电路：,1. A、B 只要有一个为 0,0.3V,1V,T2 、 T4截止,5V,T3 、 D 导通,3. 3 TTL逻辑门,3.3.1 TTL 与非门工作原理,0.7V,3.6V,+VCC +5V,4k,A,D2,T1,T2,T3,T4,D,1.6k,1k,130,Y,输入级,中间级,输出级,D1,B
8、,R1,R2,R3,R4,0.7V,1V,0.3V,4.3V,2.1V,2. A、B 均为 1,理论：,实际：,T2 、 T4 导通,T3 、 D 截止,uO = UCES4 0.3V,TTL 与非门,+VCC +5V,4k,A,D2,T1,T2,T3,T4,D,1.6k,1k,130,Y,输入级,中间级,输出级,D1,B,R1,R2,R3,R4,TTL 与非门,整理结果：,1,1,1,0,3.3.2 TTL与非门的主要参数：,A,B,AB 段：,uI 0.5 V ，,uB1 1.3 V ，,T2 、T4 截止， T3 、D 导通。,截止区,3.6V,BC 段：,T2 开始导通(放大区)，T4
9、 仍截止。,C,线性区,D,转折区,E,饱和区,0.3V,CD 段：,反相器的 阈值电压(或 门槛电压),DE 段：,uI 1.4 V ，,T2 、T4 饱和导通， T3 、D 截止。,uO = UOL 0.3 V,阈值电压,一.传输特性：,4. 输入端噪声容限,uI,uO,G1,G2,输出高电平,典型值 = 3.6 V,输出低电平,典型值 = 0.3 V,输入高电平,典型值 = 3.6 V,输入低电平,典型值 = 0.3 V,UNH 允许叠加的负向噪声电压的最大值,G2 输入高电平时的噪声容限：,UNL 允许叠加的正向噪声电压的最大值,G2 输入低电平时的噪声容限：,传输延迟时间,50%Uo
10、m,50%Uim,Uim,Uom,tPHL 输出电压由高到 低时的传输延迟 时间。,tpd 平均传输延迟时间,tPLH 输出电压由低到 高时的传输延迟 时间。,tPHL,tPLH,典型值： tPHL= 8 ns , tPLH= 12 ns,最大值： tPHL= 15 ns , tPLH= 22 ns,3. 3. 3 TTL 集电极开路门和三态门,一、集电极开路门OC 门(Open Collector Gate),1. 电路组成及符号,OC 门必须外接负载电阻 和电源才能正常工作。,可以线与连接 V CC 根据电路 需要进行选择,2. OC 门的主要特点,线与连接举例：,+V CC,RC,线与,
11、Y,Y,外接电阻 RC 的估算：,n OC 与非门的个数,m 负载与非门的个数,k 每个与非门输入端的个数,IIH,IOH,IOH ：OC门截止时的反向漏电流。,IIH ：与非门高电平输入电流(流入 接在线上的每个门的输入端),1,1. RC 最大值的估算, UOH min,RC ,外接电阻 RC 的估算：,2. RC 最小值的估算,0,最不利的情况：,只有一个 OC 门导通，iR 和 iI 都流入该门。,IOL： OC 门带灌电流负载的能力。,iI,IIL,IOL,IIL ：与非门低电平输入电流(每个门只有一个，与输入端的个数无关), IOL,iR ,RC ,二、 三态门 TSL门(Thre
12、e - State Logic),(1) 使能端低电平有效,1. 电路组成,使能端,(2) 使能端高电平有效,EN,以使能端低电平有效为例：,2. 三态门的工作原理,P,Q,P = 1（高电平）,电路处于正常工作状态：,D3 截止，,（Y = 0 或 1）,使能端,P = 0 (低电平),D3 导通,T2 、T4截止,uQ 1 V,T3、D 截止,输出端与上、下均断开,可能输出状态： 0、1 或高阻态,Q,P, 高阻态,记做 Y = Z,使能端,3. 应用举例：,(1) 用做多路开关,(2) 用于信号双向传输,(3) 构成数据总线,数据总线,注意：,任何时刻，只允许一个三态门使能， 其余为高阻
13、态。,3.4 其他双极型电路,3.4.1 ECL电路,射极耦合逻辑,简称ECL,它是非饱和型电路,主要特点是有极高的工作速度,负载能力强功耗很大，抗干扰能力较差。,3.4.2 I2L电路,集成注入逻辑，简称I2L电路，主要特点是集成度很高，功耗较低，工作电源电压低，工作电流低，但输出电压幅度小，工作速度低。,3. 5 MOS 逻辑门,3.5.1 MOS场效应管,1. 结构和特性：,(1) N 沟道,栅极 G,漏极 D,B,源极 S,3V,4V,5V,uGS = 6V,可 变 电 阻 区,恒流区,UTN,iD,开启电压 UTN = 2 V,衬 底,漏极特性,转移特性,uDS = 6V,截止区,P
14、 沟道增强型 MOS 管 与 N 沟道有对偶关系。,(2) P 沟道,栅极 G,漏极 D,B,源极 S,iD,衬 底,开启电压 UTP = - 2 V,参考方向,3. MOS 管的开关特性 (1) N 沟道增强型 MOS 管,开启电压 UTN = 2 V,(2) P 沟道增强型 MOS 管,开启电压 UTP = - 2 V,3.5.2 NMOS 逻辑门,MOS管截止,2.,MOS 管导通（在可变电阻区）,真值表,0,1,1,0,A,Y,1.,故,3.5.3 CMOS 逻辑门,一、 CMOS 非门,1.电路组成及工作原理,uA,uGSN,uGSP,TN,TP,uY,0 V, UTN, UTP,截止,导通,10 V,10 V, UTN, UTP,导通,截止,0 V,UTN = 2 V,UTP = - 2 V,输入端保护电路:,C1、C2 栅极等效输入电容,(1) 0 uA VDD + uDF,(2) uA VDD + uDF,D 导通电压： uDF = 0.5 0.7 V,(3) uA - uDF,二极管导通时，限制了电容两端电压的增加。,保护网络,D1、D2、D3 截止,D2、D3 导通,uG = VDD + uDF,D1 导通,uG = - uDF,2.静态特性,(1) 电压传输特性：,iD,A,
