第三章 逻辑门电路

1. 第三章 逻辑门电路 3.1 基本逻辑门电路 3.2 TTL逻辑门电路 3.3 CMOS逻辑门电路 3.4 集成逻辑门电路的应用

2. 逻辑门电路 • 教学基本要求： • 了解半导体器件的开关特性。 • 熟练掌握基本逻辑门(与、或、与非、或非、异或门)、三态门、OC门（OD门）和传输门的逻辑功能。 • 学会门电路逻辑功能分析方法。 • 掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。

3. 5V VH 2V 0.8V VL 0V 概 述 • 逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。 　　基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。 高电平 • 高电平、低电平 低电平

4. +5V +5V 5V VH 1 0V VL 0 概 述 • 获得高、低电平的基本方法 　　利用半导体开关元件的饱和导通、截止（即开、关）两种工作状态。

5. 1 0 0 1 正逻辑 负逻辑 概 述 • 逻辑赋值 逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。

6. I=0 U=0，R=0 概 述 • 理想开关 • 开关打开时：漏电流为零 • 开关闭合时：导通电压为零，导通电阻为零 机械开关 电子开关 • 开关动作在瞬时完成，开关时间为0

7. 半导体器件的开关特性 1、二极管的开关特性 ＋　uD 　－ 负极 二极管符号： 正极 Ui<0.5V时，二极管截止，iD=0。 Ui>0.5V时，二极管导通

8. 半导体器件的开关特性 uo ui＝0V时，二极管截止，如同开关断开，uo＝0V。 uo 二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。 ui＝5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo＝4.3V

9. 二极管的动态电流波形 半导体器件的开关特性

10. 放大状态下BJT中载流子的传输过程 2、三极管的开关特性 三极管的放大作用是在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来的。 外部条件：发射结正偏 集电结反偏 三极管的基本结构

11. 2、三极管的开关特性 • 输入特性

12. 2、三极管的开关特性 • 输出特性 饱和区：iC明显受vCE控制的区域，该区域内，一般vCE＜0.7V (硅管)。此时，发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。 截止区：iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时， vBE小于死区电压。 放大区：iC平行于vCE轴的区域，曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。

13. 2、三极管的开关特性 • 三极管的基本开关电路 只要电路的参数配合得当， 必能做到Vi为低电平时 三极管工作在截止状态， 输出为高电平。 Vi为高电平时 三极管工作在饱和状态， 输出为低电平。 + ˉ Vo Vi Vi

14. + ˉ Vo Vi 2、三极管的开关特性 • 三极管的基本开关电路 Vi< Von时, 三极管处于截止状态，iB≈0， iC≈0，电阻RC上没有压降。 输出为高电平VOH。

15. + ˉ Vo Vi 2、三极管的开关特性 • 三极管的基本开关电路 Vi> Von时,产生iB，T进入放大状态 VCE=VCC－iCRc 当RC上的压降接近VCC时，T上的压降接近于0， T处于深度饱和，开关电路处于导通状态， VO=VOL≈0

16. c 基极饱和电流 c b b e e 2、三极管的开关特性 • 三极管开关的关键 Vi为低电平 VIL时，三极管可靠截止，VBE<Von， Vi为高电平VIH时，三极管深度饱和，iB≥IBS • 开关等效电路

17. 三极管的动态开关特性 半导体器件的开关特性 三极管内部的电荷的建立和消散都需要一定的时间 集电极电流ic的变化将滞后于输入电压vi

18. +VDD RD D ui G ui S +VDD +VDD RD RD G G D D S S 3、场效应管的开关特性 工作原理电路 转移特性曲线 输出特性曲线 截止状态 导通状态 uo=+VDD uo≈0 ui>UT ui<UT

19. 与逻辑真值表 输入 输出 A B L 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 §2.1 基本逻辑门电路 • 1、二极管与门和或门电路 • 与门电路

20. 或逻辑真值表 输入 输出 A B L 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 或门电路 §2.1 基本逻辑门电路

21. 非逻辑真值表 输入 输出 A L 0 1 1 0 三极管非门电路 §2.1 基本逻辑门电路

22. §3.1 基本逻辑门电路 二极管与门和或门电路的缺点： （1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。 （2）负载能力差。 0.7 1.4

23. §3.1 基本逻辑门电路 解决办法： 将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。

24. §3.2 TTL逻辑门电路 集成逻辑门分为双极型集成电路和单极型集成电路。双极型集成电路分为：DTL集成逻辑和TTL集成逻辑；单极型集成电路分为一般MOS逻辑和互补MOS逻辑（CMOS）

25. §3.2 TTL逻辑门电路 DTL与非门电路工作原理： （1）当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1～D3都截止，而D4、D5和T导通，且T为饱和导通， VL=0.3V，即输出低电平。 （2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP≈1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。 所以该电路满足与非逻辑关系，即：

26. §3.2 TTL逻辑门电路 1．TTL与非门的基本结构

27. §3.2 TTL逻辑门电路 1、TTL与非门的基本结构

28. §3.2 TTL逻辑门电路 2、TTL与非门的逻辑关系 由于T3饱和导通，输出电压为： VO=VCES3≈0.3V （1）输入全为高电平3.6V T2、T3饱和导通， 由于T2饱和导通，VC2=1V。 T4和二极管D都截止。 实现了与非门的逻 辑功能之一： 输入全为高电平时， 输出为低电平。

29. 综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即： §3.2 TTL逻辑门电路 由于T4和D导通，所以： VO≈VCC-VBE4-VD =5-0.7-0.7=3.6（V） 2、TTL与非门的逻辑关系 （2）输入有低电平0.3V时。 T1集电极电阻非常大，工作在深度饱和状态。 该发射结导通，VB1=1V。T2、T3都截止。 忽略流过RC2的电流，VB4≈VCC=5V 实现了与非门的逻辑 功能的另一方面： 输入有低电平时， 输出为高电平。

30. §3.2 TTL逻辑门电路 TTL与非门工作原理 T2的c、e极变化方向相反—— 倒相极 推拉式输出，有效降低输出 极的静态功耗，并提高带负 载能力。

31. 3、TTL与非门的开关速度 §3.2 TTL逻辑门电路 1）TTL与非门提高工作速度的原理 （1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。

32. 3、TTL与非门的开关速度 §3.2 TTL逻辑门电路 （2）采用了推拉式输出级,输出阻抗比较小,可迅速给负载电容充放电

33. 与非门的传输延迟时间tpd： 2）TTL与非门传输延迟时间tpd 导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。 截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。 一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。

34. A B C D E 4、TTL与非门的电压传输特性与输入噪声容限 §3.2 TTL逻辑门电路 • 电压传输特性曲线 Vo=f（Vi） 1 1

35. 几个重要参数 （1）输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。 （2）输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。 （3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。

36. （4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。（4）开门电平电压VON——是指输出电压下降到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。 （5）阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。 近似地：Vth≈VOFF≈VON 即Vi＜Vth，与非门关门，输出高电平； Vi＞Vth，与非门开门，输出低电平。 Vth又常被形象化地称为门槛电压。Vth的值为1.3V～1.４V。

37. 抗干扰能力 TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。 同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。 低电平噪声容限 VNL＝VOFF-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V 高电平噪声容限VNH＝VOH（min）-VON＝2.4V-2.0V＝0.4V

38. 3 §3.2 TTL逻辑门电路 5、TTL与非门的静态输入特性与负载特性 • 静态输入特性和输入端带负载 （1）输入特性 输入为vIL时，输入电流IIL为： 输入为vIH时，输入电流IIH，T1处于VBC>0, VBE<0的倒置状态

39. §3.2 TTL逻辑门电路 （2）输入负载特性 RP＜＜R1时，vI与RP大致为正比的关系，当RP增大到使相应的vI>1.4V后，T2、T3正偏导通，使VB1钳位于2.1V，故VRP＝1.4V不再变化了，RP的作用相当于接高电平。如输入端悬空则相当于RP为无穷大，也相当于输入端接入高电平VIH。

40. [解答]：（1） （a）相当于“输入有0，输出为1”，vO=3.6V； （b）输入端等效为1， ； （c） （d）中的与非门两个输入端并联应用， 【例2-1】求下图各电路的输出电压和相应端的输入电压。 （1）分别写出下列各电路的输出逻辑式或逻辑值； （2）对下图（a）（b）（c）中的A端分别加上高电平VIH、低电平VIL时，用电压表分别测量接电阻的输入端或悬空端的电位，求测量值分别是多少？ &

41. TTL与非门举例——7400 §3.2 TTL逻辑门电路 7400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。 1、TTL与非门不用的输入端允许悬空（但最好接高电平），不能接低电平 ； 2、TTL与非门的输出端不允许直接接电源电压或地，也不能并联使用； 3、输入端通过电阻接地，电阻值的大小将直接影响电路所处的状态。

42. 7、 TTL门电路的其他类型 §3.2 TTL逻辑门电路 • 非门

43. 7、 TTL门电路的其他类型 §3.2 TTL逻辑门电路 • 或非门

44. 7、 TTL门电路的其他类型 §3.2 TTL逻辑门电路 • 与或非门

45. 集电极开路门（ OC门） 推拉式输出具有输出阻抗低的优点。 但不能将它们的输出端并联使用。 很大的负载电流同时流过输出级， 可能使门电路损坏。 无法满足对不同输出高低电平的需要。 不能满足驱动较大电流，较高电压的负载要求。 在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。 为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路——集电极开路门。

46. 集电极开路门（ OC门） OC门工作时需外接电阻和电源，阻值 和电源电压要选择得当，做到即保证 输出的高、低电平符合要求，输出端 三极管的负载电流又不过大。

47. OC门主要有以下几方面的应用 （1）实现线与 +VCC1 L 1 C 2 D TTL集电极开路门（OC门），它的特点是能实现“线与”功能，可以节省门数，减少输出门的级数 它可应用在数据总线上。当每个OC门只要有一个输入端为低电平时，OC门的输出均为高电平。

48. VCC-VOH（min）= IIHRP（max） 由： OC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择： 当输出高电平时， RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min）。 得：

49. 当输出低电平时 RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max）。 由： 得： 所以： RP（min）＜RP＜RP（max）

50. OC门主要有以下几方面的应用 （2）实现电平转换 如图示，可使输出高电平变为10V。 （3）用做驱动器 如图是用来驱动发光二极管的电路。