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1、第一节 基本逻辑门电路 1.1 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（用逻辑1表示高电平；用逻辑0表示低电平）11.2 与门：逻辑表达式FA B即只有当输入端A和B均为1时,输出端Y才为1,不然Y为0.与门的常用芯片型号有:74LS08,74LS09等.11.3 或门： 逻辑表达式FA+ B即当输入端A和B有一个为1时,输出端Y即为1,所以输入端A和B均为0时,Y才会为O.或门的常用芯片型号有:74LS32等.11.4非门 逻辑表达式 F=A即输出端总是与输入端相反.非门的常用芯片型号有:7
2、4LS04,74LS05,74LS06,74LS14等.11.5与非门 逻辑表达式 F=AB即只有当所有输入端A和B均为1时,输出端Y才为0,不然Y为1.与非门的常用芯片型号有:74LS00,74LS03,74S31,74LS132等.11.6或非门： 逻辑表达式 F=A+B即只要输入端A和B中有一个为1时,输出端Y即为0.所以输入端A和B均为0时,Y才会为1.或非门常见的芯片型号有:74LS02等.11.7同或门: 逻辑表达式F=A B+A B=1A F B11.8.异或门：逻辑表达式F=A B+A B=1 A F B 11.9.与或非门：逻辑表逻辑表达式F=AB+CD1AB C F D 1
3、1.10.RS触发器： 电路结构 把两个与非门G1、G2的输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS触发器，其逻辑电路如图.(a)所示。它有两个输入端R、S和两个输出端Q、Q。 工作原理 :基本RS触发器的逻辑方程为： 根据上述两个式子得到它的四种输入与输出的关系: 1.当R=1、S=0时，则Q=0,Q=1,触发器置1。 2.当R=0、S=1时，则Q=1,Q=0,触发器置0。 如上所述，当触发器的两个输入端加入不同逻辑电平时，它的两个输出端Q和Q有两种互补的稳定状态。一般规定触发器Q端的状态作为触发器的状态。通常称触发器处于某种状态，实际是指它的Q端的状态。Q=1、Q=0时，称触发器处于1态，反之
4、触发器处于0态。S=0,R=1使触发器置1，或称置位。因置位的决定条件是S=0,故称S 端为置1端。R=0,S=1时，使触发器置0，或称复位。 同理，称R端为置0端或复位端。若触发器原来为1态，欲使之变为0态，必须令R端的电平由1变0，S端的电平由0变1。这里所加的输入信号（低电平）称为触发信号，由它们导致的转换过程称为翻转。由于这里的触发信号是电平,因此这种触发器称为电平控制触发器。从功能方面看，它只能在S和R的作用下置0和置1，所以又称为置0置1触发器，或称为置位复位触发器。其逻辑符号如图(b)所示。由于置0或置1都是触发信号低电平有效，因此，S端和R端都画有小圆圈。 3.当R=S=1时，
5、触发器状态保持不变。 触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平），需要触发翻转时，要求在某一输入端加一负脉冲，例如在S端加负脉冲使触发器置1，该脉冲信号回到高电平后，触发器仍维持1状态不变，相当于把S端某一时刻的电平信号存储起来，这体现了触发器具有记忆功能。 4.当R=S=0时，触发器状态不确定 在此条件下，两个与非门的输出端Q和Q全为1，在两个输入信号都同时撤去（回到1）后，由于两个与非门的延迟时间无法确定，触发器的状态不能确定是1还是0,因此称这种情况为不定状态，这种情况应当避免。从另外一个角度来说，正因为R端和S端完成置0、置1都是低电平有效，所以二者不能同时为0。 此外,还可以用
6、或非门的输入、输出端交叉连接构成置0、置1触发器,其逻辑图和逻辑符号分别如图（a）和7.2.2（b）所示。这种触发器的触发信号是高电平有效，因此在逻辑符号的S端和R端没有小圆圈。 2.特征方程 基本RS触发器的特性：1.基本RS触发器具有置位、复位和保持（记忆）的功能； 2.基本RS触发器的触发信号是低电平有效，属于电平触发方式； 3.基本RS触发器存在约束条件（R+S=1），由于两个与非门的延迟时间无法确定；当R=S=0时，将导致下一状态的不确定。 4.当输入信号发生变化时，输出即刻就会发生相应的变化，即抗干扰性能较差。第二节 TTL逻辑门电路以双极型半导体管为基本元件，集成在一块硅片上，并
7、具有一定的逻辑功能的电路称为双极型逻辑集成电路，简称TTL逻辑门电路。称Transistor-Transistor Logic,即BJT-BJT逻辑门电路，是数字电子技术中常用的一种逻辑门电路，应用较早，技术已比较成熟。TTL主要有BJT（Bipolar Junction Transistor 即双极结型晶体管，晶体三极管）和电阻构成，具有速度快的特点。最早的TTL门电路是74系列，后来出现了74H系列，74L系列，74LS,74AS,74ALS等系列。但是由于TTL功耗大等缺点，正逐渐被CMOS电路取代。121 CMOS逻辑门电路CMOS逻辑门电路是在TTL电路问世之后 ，所开发出的第二种广
8、泛应用的数字集成器件，从发展趋势来看，由于制造工艺的改进，CMOS电路的性能有可能超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件 。CMOS电路的工作速度可与TTL相比较，而它的功耗和抗干扰能力则远优于TTL。此外，几乎所有的超大规模存储器件 ，以及PLD器件都采用CMOS艺制造，且费用较低。早期生产的CMOS门电路为4000系列 ，随后发展为4000B系列。当前与TTL兼容的CMO器件如74HCT系列等可与TTL器件交换使用。下面首先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMO逻辑门电路。MOS管结构图MOS管主要参数：1.开启电压VT开启电压（又称阈值电压）：使得源极S和漏极D之间开始形成导电沟道所需的栅
9、极电压；标准的N沟道MOS管，VT约为36V；通过工艺上的改进，可以使MOS管的VT值降到23V。2. 直流输入电阻RGS即在栅源极之间加的电压与栅极电流之比这一特性有时以流过栅极的栅流表示MOS管的RGS可以很容易地超过1010。3. 漏源击穿电压BVDS在VGS=0（增强型）的条件下 ，在增加漏源电压过程中使ID开始剧增时的VDS称为漏源击穿电压BVDSID剧增的原因有下列两个方面：（1）漏极附近耗尽层的雪崩击穿（2）漏源极间的穿通击穿有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加VDS会使漏区的耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间的穿通，穿通后，源区中的多数载流子，将直接受耗尽层
10、电场的吸引，到达漏区，产生大的ID4. 栅源击穿电压BVGS在增加栅源电压过程中，使栅极电流IG由零开始剧增时的VGS，称为栅源击穿电压BVGS。5. 低频跨导gm在VDS为某一固定数值的条件下 ，漏极电流的微变量和引起这个变化的栅源电压微变量之比称为跨导gm反映了栅源电压对漏极电流的控制能力是表征MOS管放大能力的一个重要参数一般在十分之几至几mA/V的范围内6. 导通电阻RON导通电阻RON说明了VDS对ID的影响 ，是漏极特性某一点切线的斜率的倒数在饱和区，ID几乎不随VDS改变，RON的数值很大 ，一般在几十千欧到几百千欧之间由于在数字电路中 ，MOS管导通时经常工作在VDS=0的状态
11、下，所以这时的导通电阻RON可用原点的RON来近似对一般的MOS管而言，RON的数值在几百欧以内7. 极间电容三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容CGS 、栅漏电容CGD和漏源电容CDSCGS和CGD约为13pFCDS约在0.11pF之间8. 低频噪声系数NF噪声是由管子内部载流子运动的不规则性所引起的由于它的存在，就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则的电压或电流变化噪声性能的大小通常用噪声系数NF来表示，它的单位为分贝（dB）这个数值越小，代表管子所产生的噪声越小低频噪声系数是在低频范围内测出的噪声系数场效应管的噪声系数约为几个分贝，它比双极性三极管的要小第三节 单元电
12、路131 CMOS反相器由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中又有耗尽型和增强型两类。由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。下图表示CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中一个为N沟道结构，另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作，要求电源电压VDD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即VDD(VTN|VTP|) 。1.工作原理首先考虑两种极限情况：当vI处于逻辑0时 ，相应的电压近似为0V；而当vI处于逻辑1时，相应的电压近似为VDD。假设在两种情况下N沟道管 TN为工作管P沟道管TP为负载管。但是，由于电路是互补对称的，这
13、种假设可以是任意的，相反的情况亦将导致相同的结果。下图分析了当vI=VDD时的工作情况。在TN的输出特性iDvDS（vGSNVDD）(注意vDSN=vO)上 ，叠加一条负载线，它是负载管TP在 vSGP=0V时的输出特性iDvSD。由于vSGPVT（VTN=|VTP|=VT），负载曲线几乎是一条与横轴重合的水平线。两条曲线的交点即工作点。显然，这时的输出电压vOL0V（典型值10mV ，而通过两管的电流接近于零。这就是说，电路的功耗很小（微瓦量级）下图分析了另一种极限情况，此时对应于vI0V。此时工作管TN在vGSN0的情况下运用，其输出特性iDvDS几乎与横轴重合 ，负载曲线是负载管TP在v
14、sGPVDD时的输出特性iDvDS。由图可知，工作点决定了VOVOHVDD；通过两器件的电流接近零值 。可见上述两种极限情况下的功耗都很低。 由此可知，基本CMOS反相器近似于一理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+VDD，而功耗几乎为零。2.传输特性下图为CMOS反相器的传输特性图。图中VDD=10V，VTN=|VTP|=VT=2V。由于 VDD（VTN|VTP|），因此，当VDD-|VTP|vIVTN 时,TN和TP两管同时导通。考虑到电路是互补对称的，一器件可将另一器件视为它的漏极负载。还应注意到，器件在放大区（饱和区）呈现恒流特性，两器件之一可当作高阻值的负载。因此，在过渡区域，传输特性变化比较急剧。两管在VI=VDD/2处转换状态。3.工作速度CMOS反相器在电容负载情况下，它的开通时间与关闭时间是相等的，这是因为电路具有互补对称的性质。下图表示当vI=0V时 ，TN截止，TP导通，由VDD通过TP向负载电容CL充电的情况。由于CMOS反相器中，两管的gm值均设计得较大，其导通电阻较小，充电
