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1、第2章 逻 辑 门 电 路,2.1 二极管和三极管的开关特性 2.2 基 本 逻 辑 门 电 路 2.3 TTL 逻 辑 门 电 路 2.4 其他类型的TTL门电路 2.5 CMOS反相器门电路 2.6 其他CMOS门电路 2.7 正 负 逻 辑 问 题 2.8 门电路在实际应用中应注意的问题,2.1 二极管和三极管的开关特性,用来接通或断开电路的开关器件应具有两种工作状态：一种是接通（要求其阻抗很小，相当于短路），另一种是断开（要求其阻抗很大，相当于开路）。,2.1.1 二极管的开关特性 1. 静态特性 由图2.1可以看出，二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡、压降很小（硅管为0.7V，锗管
2、为0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关。二极管加反向电压时截止，反向电流很小（nA级），可以近似看作是一个断开的开关。把uDUT=0.5V看成是硅二极管的截止条件。,图2.1 二极管伏安特性曲线,2. 动态特性 在低速脉冲电路中，二极管开关由接通到断开，或由断开到接通所需要的转换时间通常是可以忽略的。然而在数字电路中，二极管开关经常工作在高速通断状态。由于PN结中存储电荷的存在，二极管开关状态的转换不能瞬间完成，需经历一个过程。二极管开关的转换过程如图2.2所示。,图2.2 二极管开关的转换过程,tre=ts+tf叫做反向恢复时间。该现象说明，二极管在输入负跳变电压作用下，开始仍然是导通的
3、，只有经过一段反向恢复时间tre之后，才能进入截止状态。由于tre的存在，限制了二极管的开关速度 。,2.1.2 三极管的开关特性 由三极管的工作原理可知，三极管的输出特性可划分为3个区域：截止区、放大区和饱和区。三极管在输入信号的作用下稳定地处于饱和区时就相当于开关接通；处于截止区时相当于开关断开。,图2.3 三极管工作状态的转换,1. 饱和导通条件及饱和时的特点 （1） 饱和导通条件 在三极管工作过程中，若基极电流iB大于临界饱和时的数值IBS，则一定饱和导通。,（2） 饱和时的特点 对硅管来说饱和导通以后uBE0.7V，uCE=UCES0.3V，如同闭合了的开关。,2. 截止条件及截止时
4、的特点 （1） 截止条件 当uBE0.5V时，管子基本上是截止的，uBEUT=0.5V（UT是硅管发射结的死区电压）。 （2） 截止时的特点 三极管截止时，iB0、iC0，如同断开了的开关。,3. 动态特性 晶体三极管在截止状态和饱和状态之间转换时的过渡特性称为三极管的动态特性。,假如在三极管基极输入一个理想的矩形波，而集电极电流iC的波形却不是理想的矩形波，如图2.4所示，其上升沿和下降沿变化缓慢，而且上升部分和下降部分与输入波形相比都有时间延迟。这说明三极管饱和与截止状态之间的转换过程需要一定的时间才能完成，即三极管开关在动态情况下也存在一定的开关时间。开关时间的大小将直接影响三极管的开关
5、速度。,图2.4 三极管的开关特性,2.2 基 本 逻 辑 门 电 路,在数字系统中，大量地运用着执行基本逻辑操作的电路，这些电路称为基本逻辑电路或门电路。早期的门电路主要由继电器的触点构成，后来采用二极管、三极管，目前则广泛应用集成电路。,2.2.1 三种基本门电路 1. 二极管与门电路 实现“与”逻辑关系的电路叫做与门电路。由二极管组成的与门电路如图2.5（a）所示，图2.5所示（b）为其逻辑符号。图中A、B为信号的输入端，Y为信号的输出端。,图2.5 二极管与门,对二极管组成的与门电路分析如下。 （1） A、B都是低电平 uY0V （2） A是低电平，B是高电平 uY0V （3） A是高
6、电平，B是低电平 uY0V （4） A、B都是高电平 uY5V,从上述分析可知，该电路实现的是与逻辑关系，即“输入有低，输出为低；输入全高，输出为高”，所以，它是一种与门。,2. 二极管或门电路 实现或逻辑关系的电路叫做或门电路。由二极管组成的或门电路如图2.6所示，其功能分析如下。,图2.6 二极管或门,（1） A、B都是低电平 uY=0V （2） A是低电平，B是高电平 uY5V （3） A是高电平，B是低电平 uY5V （4） A、B都是高电平 uY5V,通过上述分析，该电路实现的是或逻辑关系，即“输入有高，输出为高；输入全低，输出为低”，所以，它是一种或门。,3. 三极管非门 实现非逻
7、辑关系的电路叫做非门电路。因为它的输入与输出之间是反相关系，故又称为反相器，其电路如图2.7所示。,图2.7 三极管反相器,2.2.2 DTL与非门 采用二极管门电路和三极管反相器，可组成与非门和或非门扩大逻辑功能，这种电路应用非常广泛。 DTL与非门电路是由二极管与门和三极管反相器串联而成的，其电路图及逻辑符号分别如图2.8（a）和图2.8（b）所示。,图2.8 DTL与非门,当输入端A、B都是高电平时，VD1、VD2均截止，而VD3、VD4和三极管导通，注入三极管的基极电流足够大，三极管饱和导通，输出低电平，uY=0V，在两个输入端A、B中有一个为低电平时，VD3、VD4和三极管均截止，输
8、出高电平，uY=VCC。可见此逻辑门能实现与非逻辑关系。,2.3 TTL 逻 辑 门 电 路,TTL门电路是晶体管-晶体管逻辑（Transistor-Transistor Logic）门电路的简称，这种电路由于其输入级和输出级均采用晶体三极管而得名。,按照国际通用标准，根据工作温度不同，TTL电路分为54系列（-55125）和74系列（070）；根据工作速度和功耗不同，TTL电路又分为标准系列、高速（H）系列、肖特基（S）系列和低功耗肖特基（LS）系列。,2.3.1 TTL与非门的工作原理 1. TTL与非门的电路结构 TTL与非门的基本电路如图2.9（a）所示，它由输入级、中间级和输出级三部
9、分组成。,图2.9 基本TTL与非门电路及V1管的等效电路,2. TTL与非门的工作原理 （1） 当A、B两端有一个输入为低电平0.3V时，V1的发射结导通，其基极电压等于输入低电压加上发射结正向压降 。,V2、V5都截止 V3和V4导通 输出电压为：3.6V 实现了“输入有低，输出为高”的逻辑关系。,（2） 当A、B两端均输入高电平3.6V时，V2、V5饱和导通，输出为低电平，即 uoUCES0.3V V1处于发射结和集电结倒置使用的放大状态。 uC2=UCES2+uB5=0.3+0.7=1.0V,由于uB4=uC2=1.0V，作用于V3和V4的发射结的串联支路的电压为： uC2-uO=1.
10、0-0.3=0.7V 所以，V3和V4均截止。此时，电路实现了“输入全高，输出为低”的逻辑关系。,2.3.2 TTL与非门的外特性及有关参数 要正确地选择和使用门电路，必须掌握它的外部特性及反映门电路性能的有关参数。 1. 电压传输特性及有关参数 电压传输特性是指门电路输出电压uo随输入电压ui变化的特性，通常用电压传输特性曲线来表示，如图2.10所示。,图2.10 基本TTL与非门的电压传输特性曲线,由图2.10可见，随着ui从0逐渐增大，uo的变化过程可分为4个阶段。 （1） 截止区（AB段） （2） 线性区（BC段） （3） 转折区（CD段） （4） 饱和区（DE段）,2. 阈值电压、关
11、门电平、开门电平和输入信号噪声容限 （1） 阈值电压U TH UTH=1.4V。当uiUTH时，就认为与非门饱和，输出低电平；当uiUTH时，就认为与非门截止，输出为高电平。,（2） 关门电平和开门电平 在保证输出至少为额定高电平的90%时，允许的最大输入低电平值称为关门电平UOFF。在图2.10中，UOFF1.1V。 在保证输出为低电平时，所允许的最小高电平值称为开门电平UON。,（3） 输入信号噪声容限 在保证输出高电平不低于额定值的90%的前提下，允许叠加在输入高电平的最大噪声电压称为低电平噪声容限UNL。由图2.10可知 UNL=UOFF-UIL 当UOFF=1.1V、UIL=0.3V
12、时，UNH=0.8V。,在保证输出为低电平的前提下，所允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压称为高电平噪声容限UNH。由图2.10可知 UNH=UIH-UON NH=1.4V 输入噪声容限示意图如图2.11所示。,图2.11输入噪声容限示意图,3. 输入特性及有关参数 输入特性是门电路输入电流和输入电压之间的关系。它反映电路对前级信号源的影响并关系到如何正确地进行门电路之间以及门电路与其他电路之间的连接问题。 （1） 输入伏安特性 基本TTL与非门的输入伏安特性如图2.12所示，输入电流以流入输入端为正。,图2.12 TTL与非门的输入伏安特性, 输入短路电流IIS ui=0时的输入电流称为输入
13、短路电流。测试时，被测的输入端接地，其他输入端悬空。IIS典型值为1.5mA左右，不得大于2.2mA。 输入漏电流IIH 与非门一个输入端为高电平，其余输入端接地时，流入高电平输入端的电流称为输入漏电流。IIH典型值为10A,不得超过70A。,（2） 输入负载特性 输入负载特性指当输入端接上电阻RP时，ui随RP变化的关系。 在具体使用门电路时，往往需要在输入端与地之间或者输入端与信号之间接入电阻，TTL门电路输入端接电阻时的等效电路如图2.13所示。,图2.13 TTL门电路输入端接电阻时的等效电路,TTL与非门的输入端负载特性如图2.14所示。,图2.14 TTL与非门输入端的负载特性,4
14、. 输出特性及有关参数 输出电压与输入电流之间的关系。 （1） 输出高电平时的输出特性,图2.15与非门输出高电平时的输出特性曲线,（2） 输出低电平时的输出特性,图2.16 与非门输出低电平时的输出特性,5. 瞬时特性及有关参数 （1） 瞬时特性波形 瞬时特性是指若在门电路的输入端加一个理想的矩形波，实验和理论分析都证明，在输出端得到的脉冲不但要比输入脉冲滞后，而且波形的边沿也要变坏。TTL与非门的传输时间波形如图2.17所示。,图2.17 TTL与非门的传输时间波形,（2） 平均传输延迟时间tPD 电路的tPD越小，说明它的工作速度越快，TTL与非门的tPD大约在30 ns左右。,6. T
15、TL与非门的扇出系数和电源电流 （1） 扇出系数No No表示同一型号的与非门作为负载时，一个与非门能够驱动同类与非门的最大数目。它表示门电路大负载的能力。一般希望No越大越好，典型的数值No8。,（2） 电源电流ICC 与非门的逻辑状态不同，电源所供给的电流也不同。ICCL是指门电路输出为低电平UOL时电源所提供的电流。ICCH是指门电路输出为高电平UOH时电源所提供的电流。,2.4 其他类型的TTL门电路,将两个门的输出端并联以实现与逻辑的功能，把这种连接方式称为“线与”。如果将两个门电路的输出端连接在一起，如图2.18所示。当一个门的输出处于高电平，而另一个门的输出为低电平时，将会产生很
16、大的电流，有可能导致器件损坏，无法形成有用的线与逻辑关系。,图2.18推拉式输出级并联的情况,2.4.1 集电极开路与非门（OC门） 集电极开路与非门是将推拉式输出级改为集电极开路的三极管结构，做成集电极开路输出的门电路（Open Collector Gate），简称为OC门，其电路如图2.19（a）所示。,图2.19 OC与非门的电路和图形符号,将OC门输出连在一起时，再通过一个电阻接外电源，这样可以实现“线与”逻辑关系。只要电阻的阻值和外电源电压的数值选择得当，就能做到既保证输出的高、低电平符合要求，而且输出三极管的负载电流又不至于过大。 而且输出三极管的负载电流又不至于过大。两个OC门并联时的连接方式如图2.20所示。,图2.20 OC门输出并联的接法及逻辑图,在图2.21中表示出“线与”电路中OC门输出高电平的情况，假定n个OC门连接成“线与”逻辑，带m个与非门负载。当所有OC门都处于截止状态时，“线与”后输出为高电平。,图2.21“线与”电路中OC门输出高电平的情况,OC门除了可以实现多门的线与逻辑关系外，还
