第二章逻辑门电路

第二章逻辑门电路 授课教师：邢晓敏

本章学习重点 • 熟悉开关器件（二极管、三极管BJT）的开关特性【BJT：Bipolar Junction Transistor】掌握由分立元件构成的基本逻辑门电路 ① 二极管与门电路 ② 二极管或门电路 ③ 非门——BJT反相器第2章

一般了解它们的内部结构 重点掌握它们的逻辑功能和外特性 • 逻辑门电路的主要技术参数,如:扇入扇出数、噪声容限等 • TTL门电路中的OC门和三态门 • CMOS门电路与TTL门电路相比各有哪些优缺点 • CMOS传输门本章学习重点 • TTL逻辑门电路第2章

第2章逻辑门电路 一．二极管的开关特性二． BJT的开关特性三．基本逻辑门电路四． TTL逻辑门电路五． CMOS逻辑门电路返回第2章

一．二极管的开关特性 首先来看一下获得高、低电平的基本原理： • 当开关S断开时，输出电压vO为高电平； • 当开关S接通后，输出便为低电平。以下讨论的开关S是用半导体二极管或三极管构成的。返回第2章

正向导通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。正向导通与反向截止这样两种不同状态之间的转换过程。二极管的开关特性表现在：（一）半导体二极管相关知识 • 二极管的几种外形第2章

二极管的几种常见结构和符号 第2章

二极管的基本特性：单向导电性 • 正向偏置时→二极管导通反向偏置时→二极管截止 • 二极管的伏安特性 i—为流过二极管的电流； v —为加到二极管两端的电压； vT —为温度的电压当量，常温下等于 26mV 第2章

（二）二极管的开关特性 • 当vi=0(即输入为低电平)时： D导通，输出vo＝0为低电平；——相当于开关闭合状态 • 当vi=VCC(即输入为高电平)时：D截止，输出vo＝VCC为高电平；——相当于开关断开状态第2章

二．三极管的开关特性 （一）半导体三极管的结构（1）三极管的几种外形返回第2章

（2）三极管的几种常见结构和符号 第2章

常用双极型三极管的两种类型： （a）NPN型（b）PNP型第2章

（3）双极型三极管的特性曲线 （a）输入特性曲线以基极b和发射极e之间的发射结作为输入回路而得该曲线。它与半导体二极管正向导通时的V-I特性曲线相同。第2章

（b）输出特性曲线 以集电极c和发射极e之间的回路作为输出回路，而得该输出曲线。第2章

半导体三极管的开关特性 • 当vi=0(即输入为低电平)时：T截止，输出vo＝VCC为高电平；——相当于开关断开状态 • 当vi=VCC(即输入为高电平)时：T导通，输出vo＝0为低电平；——相当于开关闭合状态第2章

三. 分立元件构成的门电路 • 二极管与门返回第2章

二极管或门 第2章

三极管非门（反相器） 第2章

四. TTL集成门电路 （一）TTL反相器 • 典型电路 • 通常把它分成三部分： • 输入级（Rb1和T1） • 倒相级（Rc2、T2和Re2） • 输出级（Rc4、D和T3）返回第2章

TTL反相器电路 【分析工作原理（1）】 • 当输入为高电平，假设vI=VIH=3.6V时： • T1处于发射结和集电结倒置使用的放大状态，而T2和T3处于饱和状态，T4和D均截止，故此时输出vo≈0.2V，为低电平输出。第2章

TTL反相器电路 【分析工作原理（2）】 • 当输入为低电平，假设vI=VIH=0.2V时： • T1发射结导通，T2和T3均截止，而T4和D处于饱和状态，故此时输出vo≈3.6V，为高电平输出。第2章

TTL反相器电路 【几点说明】 • 输出端属于推拉式输出级。其优点是：既能提高开关速度，又能提高带负载能力。 • 二极管D1的作用：为确保T3饱和导通时T4可靠地截止而串的。 • TTL集成门电路的某个输入端悬空，相当于输入端接1。第2章

就是的关系曲线，如下图所示。 TTL反相器的电压传输特性 AB段——截止区 BC段——线性区 CD段——转折区 DE段——饱和区第2章

多输入端 （二） TTL与非门电路 • 典型电路把TTL反相器的输入端修改为多输入端的形式，就变成了TTL与非门电路。第2章

TTL与非门的技术参数 （1）传输特性【如前介绍】（2）输入和输出的高、低电压由前面TTL反相器的传输特性上可以求得输入和输出的高、低电压的数值如下：输出高电压 VOH≈VO(A)=3.6V 输出低电压 VOL=VCES=0.2V 输入低电压 VIL=VI(B)=0.4V 输入高电压 VIH=VI(D)=1.2V 第2章

（3）噪声容限 在保证高、低电平基本不变（或者说变化的大小不超过允许限度）的条件下，输入电平的允许波动范围，称为输入端噪声容限。它表示门电路的抗干扰能力。 • 输入为高电平时的噪声容限： VNH=VOH(min)-VIH(min) • 输入为低电平时的噪声容限： VNL=VIL(max)-VOL(max) 74系列门电路的标准参数为： VON(min)＝2.4V；VOL(max)＝0.4V VIH(min)＝2.0V；VIL(max)＝0.8V

（三）集电极开路门（OC门：【Open Collector 】） • 定义 • 集电极开路是指TTL与非门电路的推拉式输出级中，删去电压跟随器。 • 电路结构及逻辑符号第2章

OC门的特点 • 所谓“线与”，就是将多个OC门的输出端并联（即各输出端用一根导线直接连接起来）以实现与逻辑的功能（如右图所示） • OC门最显著的特点就是：可以线与。

计算OC门负载电阻最大值的工作状态 式中： VCC——直流电源电压； VIH(min)——负载器件VIH的最小值； IIH(total)——接到上拉电阻（【Pull -up resistor】）下端的全部拉电流负载的IIH总值。第2章

计算OC门负载电阻最小值的工作状态 式中： VCC——直流电源电压； VOL(max)——驱动器件VOL的最大值； IOL(max)——驱动器件IOL最大值； IIL(total)——接到上拉电阻下端的全部灌电流负载的IIL总值。第2章

（a）控制端高电平有效 当EN=1时，当EN=0时，Y为高阻态（b）控制端低电平有效当时，Y为高阻态当时，（四）三态输出门（TSL门：【Tristate Logic】）三态门的输出具有三种状态：高电平、低电平和高阻态（又称为禁止态）。 • 三态门的电路结构和代表符号第2章

三态门的应用 （1）用三态输出门接成总线结构让各门的控制端处于高电平，即任意时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余的TSL门均处于高阻状态，这样总线会轮流接受各TSL门的输出。第2章

（2）用三态输出门实现数据的双向传输 • 当EN=1时： • G1工作而G2呈高阻态，数据D0经G1反相后送到总线上去； • 当EN=0时： • G2工作而G1呈高阻态，来自总线的数据经G2反相后由送出。第2章

五. CMOS逻辑门电路 CMOS英文：Complementary-Symmetery Metal-Oxide-Semiconductor Circuit （一）CMOS反相器 • 结构示意图（a）和电路图（b）返回第2章

CMOS反相器的电压传输特性 第2章

（二）CMOS传输门（TG门【Transmission Gate】） • TG门的电路结构和逻辑符号第2章

CMOS传输门中两个MOS管的工作状态 第2章

TG门的应用 应用1：作CMOS双向模拟开关电路结构和符号如下：第2章

（三）CMOS门电路的特点 • CMOS电路的工作速度比TTL电路的稍低。 • CMOS带负载的能力比TTL电路强。 • CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。 • CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个µW，中规模集成电路的功耗也不会超过100µW。第2章

（三）CMOS门电路的特点 • CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。 • CMOS电路适合于特殊环境下工作。 • 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电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平第2章

六. 使用集成电路时的注意事项 • 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。 • 数字集成电路种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，也可以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；但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。第2章

六. 使用集成电路时的注意事项 • TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。第2章

第二章内容总结（1） 要建立下面一些概念： • 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、异或门等等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都独具特色的OC门、三态门（TSL门）、OD门和传输门（TG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。 • TTL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。第2章

第二章内容总结（2） • 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。第2章

第二章 逻辑门电路