1、1第 3 章 逻辑门电路3.1 概述逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。用逻辑 1 和 0 分别来表示电子电路中的高、低电平的逻辑赋值方式，称为正逻辑，目前在数字技术中，大都采用正逻辑工作；若用低、高电平来表示，则称为负逻辑。本课程采用正逻辑。获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。在数字集成电路的发展过程中，同时存在着两种类型器件的发展。一种是由三极管组成的双极型集成电路，例如晶体管-晶体管逻辑电路（简称 TTL 电路）及射极耦合逻辑电路（简称 ECL电路） 。另一种是由 MOS 管组成的单极型集成电路，例如 N-MOS 逻
2、辑电路和互补 MOS（简称COMS）逻辑电路。3.2 分立元件门电路3.3.1 二极管的开关特性3.2.2 三极管的开关特性 NPN 型 三 极 管 截 止 、 放 大 、 饱 和 3 种 工 作 状 态 的 特 点工作状态 截 止 放 大 饱 和条 件 iB 0 0 iBI BS iBI BS2偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，u BC0，u BC0集电极电流 iC 0 iC iB iCI CSce 间电压 uCEV CC uCEV CCiCRcuCEU CES0.3V工作特点ce 间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合3.2.3 二极管门电路 1、二极管与门2、二极管或门3
3、3.2.4 三极管非门3.2.5 组合逻辑门电路1、与非门电路2、或非门电路3.3 集成逻辑门电路一、TTL 与非门uA uB uY D1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0V4.3V4.3V4.3V截止 截止截止 导通导通 截止导通 导通41、电路结构（1）抗饱和三极管作用：使三极管工作在浅饱和状态。因为三极管饱和越深，其工作速度越慢，为了提高工作速度，需要采用抗饱和三极管。构成：在普通三极管的基极 B 和集电极 C 之间并接了一个肖特基二极管（简称 SBD） 。特点：开启电压低，其正向导通电压只有 0.4V，比普通硅二极管 0.7V 的正向导通压降小得多；没有电荷存储效应；制造
4、工艺和 TTL 电路的常规工艺相容，甚至无须增加工艺就可制造出SBD。（2）采用有源泄放电路上图中的 V6、R 3、R 6 组成。2、TTL 与非门的工作原理（1）V 1 的等效电路V1 是多发射极三极管，其有三个发射结为 PN 结。故输入级用以实现 A、B、C 与的关系。其等效电路如右图所示。（2）工作原理分析输入信号不全为 1：如 uA=0.3V， uB= uC =3.6V则 uB1=0.3+0.7=1V，T 2、T 5 截止，T 3、T 4 导通忽略 iB3，输出端的电位为：uY50.70.73.6V输出 Y 为高电平。输入信号全为 1：如uA=uB=uC 3.6V则 uB1=2.1V，
5、T 2、T 5 导通，T3、T 4 截止输出端的电位为：uY=UCES0.3V输出 Y 为低电平。5功能表 逻辑表达式： 集成与非门电路引脚排列图（顶视）：（74LS00 内含 4 个 2 输入与非门， 74LS20 内含 2 个 4 输入与非门）3、电压传输特性和噪声容限（1）电压传输特性定义：门电路输出电压 uo 随输入电压变化的特性曲线称为电压传输特性。（电压传输特性曲线见课本图 3.3.3.）（2）概念输入电平范围：高电平 UiHminU iHmax=1.25V；低电平 UiLminU iLmax=0.21.0V关门电平。上述输入低电平中的最大值，即 UOFF = UiLmax =1.
6、0V。只有当输入 uI UON 时，与非门才开通，输出低电平。阈值电压。工作在电压传输特性曲线转折区中点对应的输入电压称为阈值电压，又称为门槛电压。用 UTH 表示。近似分析时，可以认为：当 uI UTH 时，与非门工作在开通状态，输出低电平 UOL 。（3）噪声容限在输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。电路的噪声容限越大，其抗干扰能力就越强。4、输入负载特性6定义：输入电压 uI 随输入端对地外接电阻 RI 变化的曲线，称为输入负载特性。（1）在 V2 和 V5 导通前，u I 随 RI 的增大而上升，输入电压 uI 在 RI 上升
7、到 V2 和 V5 开始导通时，u I 不能用上式进行计算。当 uI 上升到 1.1V 时，V 1 的基极电压被钳在 1.8V 上，V 2 和 V5 导通，输出 uo 为低电增 UOL，此后，u I 不再随 RI 的增大而升高。u I 随RI 变化的曲线如上面右图所示。维持输出高电平的 RI 最大值称为关门电阻，用 ROFF 表示，其值约为 700。维持输出低电平的 RI 最小值称为开门电阻，用 RON 表示，其值约为 2。1K。5、输出负载特性输出电压 uo 随负载电流 IO 变化的特性曲线称为输出负载特性。6、传输延迟时间由于二极管、三极管由导通变为截止或由截止变为导通时，都需要一定的时间
8、，再加上其它原因，输出电压 uo 的脉冲波形不仅比输入波形延迟了一定的时间，而且波形的上升沿和下降沿也都变坏了。3.3.2 低功耗肖特基系列3.3.3 其它功能的 TTL 门电路TTL 集成逻辑门电路除与非门外，常用的还有集电极开路与非门、或非门、与或非门、三态门和异或门等。它们都是在上面所述的非门的基础上发展出来的。1、集电极开路与非门（OC 门）电路结构与逻辑符号作用与功能问题的提出：为解决一般 TTL 与非门不能线与而设计的。 （作用）功能：接入外接电阻 R 后：A、B 不全为 1 时，u B1=1V，T 2、T 3 截止，Y=1。 A、B 全为 1 时，u B1=2.1V，T 2、T
9、3 饱和导通，Y=0。 7外接电阻 R 的取值范围为：应用（a）实现线与 （b）驱动显示器 （c）实现电平转换 2、与或非门 3、三态输出门（TSL 门）电路结构和逻辑符号工作原理当 0 时，二极管 D 截止，TSL 门的输出状态完全取决于输入信号 A、 B 的状态，电EN路输出与输入的逻辑关系和一般与非门相同。 当 1 时，二极管 D 导通，一方面使 uC2 =1V，V 4 截止；另一方面使 uB1 =1V，从而使 V2 和 V5 截止。输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平 3 种状态。三态输出门的应用（a）构成单向总线 （b）构成双向总线 TTL 数字集成
10、电路及主要参数TTL 系列集成电路74：标准系列，前面介绍的 TTL 门电路都属于 74 系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗 P10mW。74H：高速系列，是在 74 系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗 P22mW。74S：肖特基系列，是在 74H 系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗 P19mW。TTL 与非门主要参数（1）输出高电平 UOH：TTL 与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平 USH2.4V 。（2）高电平输出电流 IOH：输出为高电
11、平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。I OH 表示电路的拉电流负载能力。（3）输出低电平 UOL：TTL 与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL0.4V ，标准低电平 USL0.4V。（4）低电平输出电流 IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出8低电平上升。I OL 表示电路的灌电流负载能力。（5）扇出系数 NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般 TTL 门电路 NO8，功率驱动门的 NO 可达 25。（6）最大工作频率 fmax：超过此频率电路就不能正常工作。（7）输入开门电平 UON：是在额
12、定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平 USL 的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般 TTL 门电路的 UON1.8V。（8）输入关门电平 UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平 USH 的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般 TTL 门电路的 UOFF0.8V。（9）高电平输入电流 IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。（10）低电平输入电流 IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。（11）平均传输时间 tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频
13、率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。（12）空载功耗：与非门空载时电源总电流 ICC 与电源电压 VCC 的乘积。三、TTL 集成电路逻辑门电路的使用注意事项（1）关于电源等：对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）关于输入端：数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL 电路多余的输入端悬空表示输入为高电平（3）关于输出端：具有推拉输出结构的 TTL 门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。3.4
14、CMOS 集成逻辑门电路一、CMOS 反相器1、MOS 管的符号增强型 NMOS 管和增强型 PMOS 管的符号如右图所示：2、CMOS 反相器（1）u A0V 时，T N 截止，T P 导通。输出电压 uYV DD10V。（2）u A10V 时，T N 导通，T P 截止。输出电压 uY0V。二、其它功能的 CMOS 电路 CMOS 与非门和或非门CMOS 与非门A 、 B 当中有一个或全为低电平时，T N1、T N2 中有一个或全部截止，T P1、T P2 中有一个或全部导通，输出 Y 为高电平。9只有当输入 A、 B 全为高电平时，T N1 和 TN2 才会都导通， TP1 和 TP2
15、才会都截止，输出 Y 才会为低电平。CMOS 或非门只要输入 A、 B 当中有一个或全为高电平，T P1、T P2 中有一个或全部截止，TN1、T N2 中有一个或全部导通，输出 Y 为低电平。只有当 A、 B 全为低电平时，T P1 和 TP2 才会都导通，T N1 和 TN2 才会都截止，输出 Y 才会为高电平。2、 漏极开路的 CMOS 门（OD 门）和 TTL 电路中的 OC 门一样，CMOS 门电路中也有漏极开路的门电路，即 OD 门。下图所示为二输入漏极开路的与非缓冲/ 驱动器，也具有与非功能， ，其逻辑符号亦在下图标示出，与 OC门符号相同。3、 CMOS 传输门电路结构与逻辑符
16、号工作原理C0 时，即 C 端为低电平（0V ） 、 端为高电平（V DD）时， TN 和 TP 都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。C1 时，即 C 端为高电平（V DD） 、 端为低电平（0V ）时，T N 和 TP 都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，u ou i。4、CMOS 三态输出门电路及逻辑符号如图所示。，T P2、T N2 均导通，T P1、 TN1 构成反相器。时，T P2、T N2 均截止，Y 与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。10可见电路 的输出有高阻态、高电平和低电平 3 种状态，是一 种三态门。5、CMOS 异或门（略）三、
17、高速 CMOS 门电路四、CMOS 数字集成电路的特点与系列1、特点（1）CMOS 电路的工作速度比 TTL 电路的低。（2）CMOS 带负载的能力比 TTL 电路强。（3）CMOS 电路的电源电压允许范围较大，约在 318V，抗干扰能力比 TTL 电路强。（4）CMOS 电路的功耗比 TTL 电路小得多。门电路的功耗只有几个 W，中规模集成电路的功耗也不会超过 100W。（5）CMOS 集成电路的集成度比 TTL 电路高。（6）CMOS 电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS 电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是 CMOS 电路多余不用的输
18、入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。2、系列（1）CMOS4000 系列（2）高速 CMOS 电路系列3、CMOS4000 系列和 HCMOS 系列的比较五、CMOS 集成逻辑门的使用注意事项（1）关于电源等：对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）关于输入端：CMOS 电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）关于输出端：输出端不允许直接与电源 VDD 或与地（V SS）相连。 。本章小结利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OC 门、OD 门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。11TTL 电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOS 电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS 电路的工作速度已有了大幅度的提高。
