第二章 逻辑门电路
第二章逻辑门电路
[教学要求]
1.了解门电路的定义及分类方法，二极管、三极管的开关特性，及分立元件组成的与、或、
非门的工作原理；
2.掌握TTL反相器的工作原理，静态输入、输出、电压传输特性及输入端负载特性，开关
特性；了解其它TTL门（与非门、或非门、异或门、三态门，OC门）的工作原理及TTL 门的改进系列；
3.掌握CMOS反相器的工作原理及静态特性。了解CMOS反向器的动特性。其他CMOS
门（与非门、或非门等）的工作原理。掌握门电路应用注意事项。
[教学内容]
1.分立元件组成的与、或、非门的工作原理
2.TTL反相器
3.其它TTL门
4.CMOS反相器的工作原理及静态特性
5.其他CMOS门（与非门、或非门等）的工作原理
6.门电路应用注意事项
引言
2.1 二极管的开关特性
一、二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程
通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为反向恢复过程。其中t S 称为存储时间，t t称为渡越时间，t re=t s+t t称为反向恢复时间。
由于反向恢复时间的存在，使二极管的开关速度受到限制。
二、产生反向恢复过程的原因——电荷存储效应
二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上由于电荷存储效应引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。
三、二极管的开通时间
二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。这个时间同反向恢复时间相比是很短的。它对开关速度的影响很小，可以忽略不计。
2.2 BJT的开关特性
ＮＰＮ型BJT的结构如下图所示。
ＰＮＰ型BJT的结构如下图中的上半部所示，下边为电路图中的符号。
一、BJT的开关作用
BJT的开关作用对应于有触点开关的“断开”和“闭合”。
上图所示电路用来说明BJT开关作用，图中BJT为ＮＰＮ型硅管。
ＮＰＮ型BJT截止、放大、饱和三种工作状态的特点列于下表中。
二、BJT的开关时间
BJT的开关过程和二极管一样，也是内部电荷“建立”和“消散”的过程。因此BJT饱和与截止两种状态的相互转换也是需要一定的时间才能完成的。
如上图所示电路的输入端加入一个幅度在-V B1和+V B2之间变化的理想方波，则输出电流I c的波形如下图。
2.3 基本逻辑门电路
的二极管门电路和BJT 反相器（非门）,作为逻辑门电路的基础。
一、二极管与门及或门电路
1.与门电路―――下图表示由半导体二极管组成的与门电路，右边为它的代表符号。
由表中可见该门电路满足与逻辑关系，所以这是一种与门。输入变量A、B、C与输出变量L 只间的关系满足逻辑表达式。
2.或门电路
由表中可见A、B、C与L之间满足或逻辑关系，即有：。
二、非门电路——BJT反相器
BJT的三个工作区域。对于饱和型反相器来说，输入信号必须满足下列条件：逻辑0：V i
采用二极管与三极管门的组合，组成与非门、或非门，也就是所谓的复合门电路。与非门和或非门在负载能力、工作速度和可靠性方面都大为提高，是逻辑电路中最常用的基本单元。
下面将要介绍的是一些切实可用的逻辑门电路。
2.4 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，并具有一定的逻辑功能的电路称为
TTL逻辑门电路。
下面首先讨论基本的BJT反相器的开关速度不高的原因，再讨论改进的TTL反相器和TTL逻辑门电路。
一、基本的BJT反相器的动态性能
是下面所要讨论的问题。
二、TTL反相器的基本电路
下图就是一个
T1组成电路的输入级；由T3、T4和二极管D组成输
出级；由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路，将T2的单端输入信号v I2转换为互补的双端输出信号v I3和v I4，以驱动T3和T4。
1.TTL反相器的工作原理―――对照上图讲解过程
并估算电路中有关各点的电压，以得到简单的定量概念。
（1
（2
2.采用输入级以提高工作速度
3.采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力
三、TTL反相器的传输特性
现在来分析TTL反相器的传输特性。下图为用折线近似的TTL反相器的传输特性曲线。由图可见，传输特性由4条线段AB、BC、CD和DE所组成。
。。。当任一输入端为低电平时，T1的发射结将正向偏置而导通，T2将截止。结果将导致输出为高电平。只有当全部输入端为高电平时，T1将转入倒置放大状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。
1.传输特性――各种类型的TTL门电路，其传输特性大同小异，这里不再讨论。
2.输入和输出的高、低电压
3.
入信号允许一定的容差。高电平噪声容限：V NH＝V OH－V IH＝2.4V－2V＝0.4V，低电平噪声容限：V NL＝V IL－V OL＝0.8V－0.4V＝0.4V
4.扇入与扇出数
扇出数No取决于负载类型
灌电流负载：负载电流从外电路流入与非门
拉电流负载：负载电流从与非门流向外电路
①灌电流工作情况
在输出为低电平的情况下，所能驱动的同类门的个数由下式决定：
②拉电流工作情况
输出为高电平时的扇出数可表示。通常基本的TTL门电路，其扇出数约为10 ，而性能更好的门电路的扇出数最高可达30～50。
一般TTL器件的数据手册中，并不给出出数，而须用计算或用实验的方法求得，并注意在设计时留有余地，以保证数字电路或系统能正常地运行
例：试计算基本的TTL与非门7410带同类门时的扇出数。
解：（1）从TTL数据手册可查到7410的参数如下：I OL＝16mA，I IL＝-1.6mA；I OH＝16mA，I IH＝-1.6mA，数据前的负号表示电流的流向，对于灌电流取负号，计算时只取绝对值。
（2）可计算低电平输出时的扇出数（3）可计算高电平输出时的扇出数
可见这时N OL＝N OH。如前所述，若N OL＝N OH
5.传输延迟时间
其输出波形相对于输入波形延迟了多长时间。几nS。
6.功耗――功耗是门电路重要参数之一。功耗有静态和动态之分。
所谓静态功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗，即与非门空载时电源总电流I CC与电源电压V CC的乘积。
7.延时一功耗积
在工程实践中，要实现这种理想情况是较难的。高速数字电路往往需要付出较大的功耗为代价。一种综合性的指标叫做延时一功耗积，用符号DP表示，单位为焦耳，即DP＝t Pd P D。，
式中t pd＝(t PLH＋t HL)／2，P D
8. TTL集成门电路的封装
(a) (b)
图(a)为14脚TTL集成门电路的封装图，图(b)为其内部结构图。
六、TTL或非门、集电极开路门和三态门电路
1.TTL或非门
下图为TTL或非门的逻辑电路及其代表符号。
实现了或非功能。即。
2.集电极开路门
图标“”表示集电极开路之意。
3.三态与非门（TSL）
三态与非门，它的输出除了具有一般与非门的两种状态，即输出电阻较小的高、低电平状态外，还具有高输出电阻的第三状态，称为高阻态，又称为禁止态。
七、改进型TTL门电路——抗饱和TTL电路
抗饱和TTL电路是目前传输速度较高的一类TTL电路。这种电路由于采用肖特基势垒二极管SBD钳位方法来达到抗饱和的效果，一般称为SBDTTL电路（简称STTL电路），其传输速度远比基本TTL电路为高。
除典型的肖特基型（STTL）外，尚有低功耗肖特基型（LSTTL）、先进的肖特基型（ASTTL），先进的低功耗型（ALSTTL）等，它们的技术参数各有特点，是在TTL工艺的发展过程中逐步形成的。
TTL门电路的各种系列的性能比较
2.6 CMOS逻辑门电路
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V T；2. 直流输入电阻R GS；3. 漏源击穿电压BV DS；4. 栅源击穿电压BV GS；5. 低频跨导g m；6. 导通电阻R ON；7. 极间电容；8. 低频噪声系数NF
一、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V DD大于两个管子的开启电压的绝对值之和，即V DD＞(V TN＋|V TP|) 。
1.工作原理
另一种极限情况：
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+V DD，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。
3.工作速度―― CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。
二、CMOS门电路
1.与非门电路
2.或非门电路
3.异或门电路
三、BiCMOS门电路
四、CMOS传输门
2.7 NMOS逻辑门电路
NMOS逻辑门电路是全部由Ｎ沟道MOSFET构成。由于这种器件具有较小的几何尺寸，适合于制造大规模集成电路。此外，由于NMOS集成电路的结构简单，易于使用CAD技术进行设计。与CMOS电路类似,NMOS电路中不使用难于制造的电阻。NMOS反相器是整个NMO逻辑门电路的基本构件，它的工作管常用增强型器件，而负载管可以是增强型也可以是耗尽型。现以增强型器件作为负载管的NMOS反相器为例来说明它的工作原理。
2.8 正负逻辑问题
1.正负逻辑的规定
在逻辑电路中，输入和输出一般都用电平来表示。若用H和L分别表示高、低电平，则门电路的功能可用下表所示的电平表来描述。
但是，这个门体现了什么逻辑关系尚不清楚，因为还未确切说明电平与逻辑状态之间的隶属关系。这种关系可由人们任意地加以规定。如令H=l，L=0，则称之为正逻辑体制，于是很容易由上表导出下表。
显然，后者表示—正逻辑与非门的真值表。与此相反，若令H=0，L=1，则称之为负逻辑体制。据此，由本例可得出负逻辑或非门的真值表，如下表所示。
对于同一电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。正逻辑和负逻辑两种体制不牵涉到逻辑电路本身的结构问题，但根据所选正负逻辑的不同，即使同一电路也具有不同的逻辑
2.正负逻辑的等效变换
一般用正逻辑函数描述电路，在过渡到负逻辑时，只需按下列方式互换各种运算：
2.9 逻辑门电路使用中的几个实际问题
一、各种门电路之间的接口问题
在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用，例如，TTL和CMOS两种器件都要使用。由前面几节的讨论已知，每种器件的电压和电流参数各不相同，因而需要采用接口电路，一般需要考虑下面三个条件：
1.驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值。
2.驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流。
3.驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高。低电压值。
其中条件１和２，属于门电路的扇出数问题，已在第四节作过详细的分析。条件３属于电压兼容性的问题。其余如噪声容限、输入和输出电容以及开关速度等参数在某些设计中也必须予以考虑。
下面分别就CMOS门驱动TTL 门或者相反的两种情况的接口问题进行分析。
1.CMOS门驱动TTL门
在这种情况下，只要两者的电压参数兼容，不需另加接口电路，仅按电流大小计算出扇出数即可。下图表示CMOS门驱动TTL门的简单电路。当CMOS门的输出为高电平时，它为TTL负载提供拉电流，反之则提供灌电流。
例2.9.1——74HC00与非门电路用来驱动一个基本的TTL反相器和六个74LS门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？
解：（1）查相关手册得接口参数如下：一个基本的TTL门电路，I IL＝1.6mA，六个74LS门的输入电流I IL＝6×0.4mA＝2.4mA。总的输入电流I IL(total)＝1.6mA＋2.4mA＝4mA。
（2）因74HC00门电路的I OL＝I IL＝4mA，所驱动的TTL门电路未过载。
2. TTL门驱动CMOS门
此时TTL为驱动器件，CMOS为负载器件。由手册可知，当TTL输入为低电平时，它的输出电压参数与CMOS HC的输入电压参数是不兼容的。例如，LSTTL的V OH(min)为2.7V，而HC CMOS的V IH(min)为3.5V。为了克服这一矛盾，常采用如上图所示的接口措施。由图可知，用
上拉电阻R p接到V DD可将TTL的输出高电平电压升到约5V，上拉电阻的值取决于负载器件的数目以及TTL和CMOS的电流参数。
当TTL驱动CMO——HCT时，由于电压参数兼容，不需另加接口电路。基于这一情况，在数字电路设计中，也常用CMOS——HCT当作接口器件，以免除上拉电阻。
二、门电路带负载时的接口电路
1.用门电路直接驱动显示器件
在数字电路中，往往需要用发光二极管来显示信息的传输，如简单的逻辑器件的状态，七段数码显示，图形符号显示等。在每种情况下均需接口电路将数字信息转换为模拟信息显示。
下图(a)表示CMOS反相器74HC04驱动一发光二极管LED，电路中串接了一限流电阻R 以保护LED。
反之，当LED接人电路的情况如上图(b)所示时，门电路的输入信号应为高电平，输出
为低电平，故有以上两式中，I D——LED的电流，V F——LED的正向压降，V OH和V OL为门电路的输出高、低电平电压，常取典型值。
2.机电性负载接口
在工程实践中，往往会遇到用各种数字电路以控制机电性系统的功能，如控制电动机的位置和转速，继电器的接通与断开，流体系统中的阀门的开通和关闭，自动生产线中的机械手多参数控制等。下面以继电器的接口电路为例来说明。在继电器的应用中，继电器本身有额定的电压和电流参数。一般情况下，需用运算放大器以提升到必须的数一模电压和电流接口值。对于小型继电器，可以将两个反相器并联作为驱动电路，如下图所示。