3第三章集成逻辑门
《数字逻辑》教学课件 第三章第3节
表3 - 10 数字集成电路按半导体件分类
二、TTL 电路的工作原理 1. TTL 与非门
TTL 的基本电路形式是与非门。与非门7400的电路图
如图3-12(a)所示,引脚图如图3-12(b)所示。引脚7和14
分别接地(GND)和电源(+ VCC ,+ 5V),逻辑高、低电平分 别为和。其真值表与表3-8相同。图中T1是一个多发射极 三极管,可看做是两个发射极独立、而基极共用、集电极
此外,TTL与门、或门电路是分别在与非门、或非门的基础 上增加一级非门构成的。
三、TTL 电路的特性和参数
在数字集成电路应用中,人们关心电路的抗干扰能力、带 负载能力、功耗和工作速度。本节讨论TTL 电路的这些性 能与有关参数(所给出的数据均以7400 或7437 与非门为 例)。
1. 抗干扰能力 上面已分析了TTL 与非门在输入端加标准高电平3.6 V和 标准低电平时的工作情况,而电压传输特性则描述输入电平 取不同值时输出电平相应变化的规律。测试TTL 与非门电 压传输特性曲线的电路如图3-19(a)所示,输入端A 接至可 调直流电源,其余输入端接标准高电平或5V。改变A点电平, 逐点测出vI 和对应的vO 值,即可描出电压传输特性曲线,如 图3 - 19(b)所示。
结这3个PN 结上是不合理的。实际情况是:这3个PN结导
通,因而T2 和T5 导通,vP = 0.7 V× 3 =2.1V,DL1和DL2 反 向截止。
下面做定量分析,以证明T2和T5饱和。设T2和T5的β均为 30。
假设T2饱和,则T2集电极电位 vC2 = vE2 +VCE(sat)= vB5 + VCE(sat)= 0.7V + 0.3V = 1V。
数电习题解答_杨志忠_第三章练习题_部分
教材：数字电子技术基础（“十五”国家级规划教材） 杨志忠 卫桦林 郭顺华 编著高等教育出版社2009年7月第2版； 2010年1月 北京 第2次印刷；第三章 集成逻辑门电路练习题P112【题3.1】在图P3.1所示的电路中，发光二极管正常发光的电流范围是8mA ≤I D ≤12mA ，正向压降为2V ，TTL 与非门输出高电平U OH =3V ，输出高电平电流I OH =-300uA ，输出低电平U OL =0.3V ，输出低电平电流I OL =20mA 。
分别求出图P3.1（a ）和（b ）中电阻RL1和RL2的取值范围。
解题思路：选择限流电阻R 的原则是既保证发光二极管正常工作又要保证门的输出电流不超载。
解：（a ）、电路采用输出低电平驱动发光管；此时流过发光管的电流1CC D OL D L V V V I R −−=；根据发光管的工作条件：8mA ≤I D ≤12mA （最大电流小于门的最大输出电流I OL =20mA ），所以可以得到：1225337.5L R Ω≤≤Ω，门电路输出高电平时发光管熄灭电流为零。
（b ）、电路采用输出高电平驱动发光管；此时流过发光管的电流2CC D D OH L V V I I R −=+；根据发光管的工作条件：8mA ≤I D ≤12mA ，所以可以得到：2256.4389.6L R Ω≤≤Ω，同时门电路输出低电平时，门的最大灌入电流要小于I OL =20mA ，由此得到2 4.723520CC OL L OL V V V R I mA−≥==Ω，所以综上所述限流电阻应该为：2256.4389.6L R Ω≤≤Ω。
【3.2】、在图P3.2（a ）~（g ）所示的TTL 门电路中，已知开门电阻R ON =3K Ω，关门电阻R OFF =0.8K 。
试判断哪些门电路能正常工作？哪些门电路不能正常工作？并且写出能正常工作电路的输出逻辑函数表达式。
解题思路：了解各类门电路的逻辑功能，明白TTL 门的开门电阻R ON ≥3K Ω时相当于在输入端得到高电平“1”，关门电阻R OFF ≤0.8K Ω时相当于在输入端得到低电平“0”。
数字电路教案-阎石-第三章-逻辑门电路
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i B＝0 0＜i B＜I BS i B＞I BS工作特点偏置情况发射结反偏集电结反偏u BE〈0，u BC〈0发射结正偏集电结反偏u BE>0，u BC〈0发射结正偏集电结正偏u BE〉0，u BC〉集电极电流i C＝0 i C＝βi B i C＝I CSce间电压u CE＝V CC u CE＝V CC－i C R cu CE＝U CES＝0.3Vce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u A u B u Y D1D20V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V0V4。
3V4。
3V4.3V截止截止截止导通导通截止导通导通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1、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）。
三集成逻辑门电路
平VIH= 3.6V时， VO= VOL =VCES5=0.3V。 即：有0为1；全1为0 真值表为：
真值表 ABF 001 011 101 110
3.逻辑关系：Y= AB
二、TTL与非门的电压传输特性
（1）测试电路
vI
&
vO
+ V －
+ V －
(a)电压传输特性测 试电路
A& B
F
门电路即可实现“与”运算
这种连接方式称为“线与”，可以 节省门电路。
C& D
§3.2 特殊门电路 —— 三态门 TSL
普通逻辑门电路有两个输出：0 和 1
三态门的输出除了 0 和 1 之外，还有一个“高阻态”；其输入端 也多了一个控制端，称为“使能端”。
“高阻态” 相当于将输出端与其他端断开 D1 &
BC段：线性区：0.6V＜vI＜1.3V这时T2管导通处 于放大状态， VC2、 VO随vI的增大而线性降低， 故该段称为线性区。由于T5管的基极电位还低 于0.7V，故T5管仍截止。T3、T4管还是处于导 通状态
CD段：过渡区1.3V＜VI＜1.4V，T5、T2、T3、T4 导通， T2、T5管趋于饱和，T4趋于截止，输出电压 VO随VI增加急剧下降到低电平VO=0.3V。CD段中 点 对 应 的 输 入 电 压 称 阈 值 电 压 VT （ 门 槛 电 压 ） ， VT=1.4V。
VNH
R3
D
E
图2-6 TTL与非门
O 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 vI(V) VOFF VON
(b)电压传输特 性
返回
D2
EN
控制 输 入 输出
第 3 章 逻辑门电路总结
EXIT
逻辑门电路
一、三极管的开关作用及其条件
iC 临界饱和线 M T IC(sat) S
放大区
IB(sat)
uI=UIL
三极管为什么能用作开关？ 饱 Q + 怎样控制它的开和关？ uBE 和 区
O UCE(sat) B uBE < Uth
负载线
A N C
截止区
uCE
三极管关断的条件和等效电路
当输入 uI 为低电平，使 uBE < Uth时，三极管截止。
逻辑门电路
第3章
逻辑门电路
概 述 三极管的开关特性
TTL 集成逻辑门 CMOS 集成逻辑门 集成逻辑门的应用
本章小结
EXIT
逻辑门电路
3.1
主要要求：
概 述
了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。
EXIT
逻辑门电路
一、门电路的作用和常用类型
按逻辑功能不同分 指用以实现基本逻辑关系和 门电路 (Gate Circuit) 常用复合逻辑关系的电子电路。 与门 或门 非门 异或门 与非门 或非门 与或非门 按电路结构不同分
上例中三极管反相 器的工作波形是理想波 形，实际波形为 ：
t
UCE(sat) O
EXIT
逻辑门电路
二、三极管的动态开关特性
uI
UIH
UIL O iC 0.9IC(sat) IC(sat) 0.1IC(sat) O uO VCC ton toff t
uI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称 为三极管开通时间。
逻辑门电路
(2) 对应输入波形画出输出波形 三极管截止时， iC 0，uO +5 V 三极管饱和时， uO UCE(sat) 0.3 V
《电子技术基础与技能》教案集成逻辑门电路
《电子技术基础与技能》教案-集成逻辑门电路第一章：集成逻辑门电路概述教学目标：1. 理解集成逻辑门电路的概念和分类。
2. 掌握集成逻辑门电路的基本原理和特性。
3. 能够分析集成逻辑门电路的应用和实际意义。
教学内容：1. 集成逻辑门电路的概念和分类。
2. 集成逻辑门电路的基本原理和特性。
3. 集成逻辑门电路的应用和实际意义。
教学方法：1. 采用讲授法，讲解集成逻辑门电路的概念、分类、原理和特性。
2. 通过举例和实际案例，分析集成逻辑门电路的应用和实际意义。
3. 引导学生进行思考和讨论，提高对集成逻辑门电路的理解和认识。
教学评估：1. 进行课堂问答，检查学生对集成逻辑门电路概念和分类的理解。
2. 布置课后习题，巩固学生对集成逻辑门电路原理和特性的掌握。
3. 组织小组讨论，评估学生对集成逻辑门电路应用和实际意义的理解。
第二章：与门（AND Gate）教学目标：1. 理解与门的概念和功能。
2. 掌握与门的真值表和逻辑表达式。
3. 能够分析与门的应用和实际意义。
教学内容：1. 与门的概念和功能。
2. 与门的真值表和逻辑表达式。
3. 与门的应用和实际意义。
教学方法：1. 采用讲授法，讲解与门的概念和功能。
2. 通过举例和实际案例，分析与门的应用和实际意义。
3. 引导学生进行思考和讨论，提高对与门的真值表和逻辑表达式的理解。
教学评估：1. 进行课堂问答，检查学生对与门概念和功能的理解。
2. 布置课后习题，巩固学生对与门的真值表和逻辑表达式的掌握。
3. 组织小组讨论，评估学生对与门应用和实际意义的理解。
第三章：或门（OR Gate）教学目标：1. 理解或门的概念和功能。
2. 掌握或门的真值表和逻辑表达式。
3. 能够分析或门的应用和实际意义。
教学内容：1. 或门的概念和功能。
2. 或门的真值表和逻辑表达式。
3. 或门的应用和实际意义。
教学方法：1. 采用讲授法，讲解或门的概念和功能。
2. 通过举例和实际案例，分析或门的应用和实际意义。
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第一节 常见元器件的开关特性
3.MOS管的开关特性
A、MOS管静态开关特性
在数字电路中，MOS管也是作为 开关元件使用，一般采用增强型的 MOS管组成开关电路，并由栅源电压 uGS控制MOS管的导通和截止。
时间。
toff = ts +tf 关断时间toff：从输入信号负跃变的瞬间，到iC 下降到 0.1ICmax所经历的时间。
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第一节 常见元器件的开关特性
2.三极管的开关特性
B、晶体三极管动态开关特性
ton和toff一般约在几十纳秒（ns=10-9 s）范围。通常都
有toff > ton，而且ts > tf 。
0 .3V 3 .6V 3 .6V
1V 5V
3 .6V
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
1.TTL集成逻辑门电路
3 .6V 3 .6V 3 .6V
2.1V
0 .3V
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
1.TTL集成逻辑门电路
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
❖ 2.教学重点：不同元器件的静态开关特性，分立元件门电路 和组合门电路，TTL和CMOS集成逻辑门电路基本功能和电气特 性。
❖ 3.教学难点：组合逻辑门电路、TTL和CMOS集成逻辑门4.课时 安排： 第一节 常见元器件的开关特性 第二节 基本逻辑门电路 第三节 TTL和CMOS集成逻辑门电路
数字逻辑期末复习资料
第一章 数制与编码1、二、八、十、十六进制数的构成特点及相互转换；二转BCD ：二B 到十D 到BCD ，二B 到十六H ，二B 到八O2、有符号数的编码；代码的最高位为符号位，1为负，0为正3、各种进制如何用BCD 码表示；4、有权码和无权码有哪些？BCD 码的分类：有权码：8421,5421,2421 无权码：余3码，BCD Gray 码 例：1、〔1100110〕B =〔0001 0000 0010〕8421BCD =〔102〕D =〔 66 〕H =〔146〕O〔178〕10=〔10110010〕2=〔0001 0111 1000 〕8421BCD =〔B2 〕16=〔 262〕8 2、将数1101.11B 转换为十六进制数为〔 A 〕A. D.C HB. 15.3HC. 12.E HD. 21.3H 3、在以下一组数中，最大数是〔 A 〕。
A.(258)D1 0000 0010B.(100000001 )B 257C.(103)H 0001 0000 0011259D.(001001010111 )8421BCD 2574、假设用8位字长来表示，〔-62〕D =( 1011 1110)原5、属于无权码的是〔B 〕A.8421 码B.余3 码 和 BCD Gray 的码C.2421 码D.自然二进制码 6、BCD 码是一种人为选定的0～9十个数字的代码，可以有许多种。
〔√〕 第二章 逻辑代数根底1、根本逻辑运算和复合逻辑运算的运算规律、逻辑符号；F=AB 与 逻辑乘 F=A+B 或 逻辑加F=A 非 逻辑反2、逻辑代数的根本定律及三个规则；3、逻辑函数表达式、逻辑图、真值表及相互转换；4、最小项、最大项的性质；5、公式法化简；卡诺图法化简〔有约束的和无约束的〕。
例：1、一个班级中有四个班委委员，如果要开班委会，必须这四个班委委员全部同意才能召开，其逻辑关系属于〔 A 〕逻辑关系。
A 、与B 、或C 、非 2、数字电路中使用的数制是〔 A 〕。
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如果集成逻辑门是以双极型晶体管(电子和空穴两种 载流子均参与导电)为基础的，则称为双极型集成逻辑门电 路。它主要有下列几种类型：
– 晶体管—晶体管逻辑(TTL：Transistor-Transistor Logic)； – 高阈值逻辑(HTL：High Threshold Logic)； – 射极耦合逻辑(ECL：Emitter Coupled Logic； ECL门又
• PN结加反向电压时 ，空间电荷区变宽 ， 区中电场增 强。反向电压增大到一定程度时，反向电流将突然增 大。如果外电路不能限制电流，则电流会大到将PN结 烧毁。反向电流突然增大时的电压称击穿电压。
半导体器件简介
• 二极管D（Diode）
– 晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的 p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自 建电场。
负逻辑：低电平表示 逻辑1，高电平表示0
逻辑1 +Vcc
逻辑0 +Vcc
逻辑0
0V
逻辑1
0V
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。
1、二极管的开关特性
二极管符号： ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ极
＋ uD －
负极
理想开关
理想开关的特性： •开关S断开时，通过开关的电流i=0,这时开关两端点间呈现的电 阻为无穷大 •开关S闭合时，开关两端的电压v=0,这时开关两端点间呈现的电 阻为零 •开关S的接通或断开动作瞬间完成 •上述开关特性不受其他因素（如温度等）的影响
文件名
尽信书，则不如无书
半导体器件的开关特性 和分立元件门电路
•半导体器件简介
•PN结 •二极管 •三极管 •场效应管
•半导体器件的开关特性 •第三章概述
半导体器件简介
• PN结
– 采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半 导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就 形成空间电荷区称PN结。PN结具有单向导 电性。
工作状态 条件
偏置情况
工
作 集电极电流
特
点
ce 间 电 压
ce 间 等 效 电 阻
截止 iB＝ 0
发射结反偏 集电结反偏 uBE<0， uBC<0
iC＝ 0
uCE＝ VCC
很大， 相当开关断开
放大 0＜ iB＜ IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE>0， uBC<0
iC＝ β iB uCE＝ VCC－
叫做电流开关逻辑门，即Current Switching Logic,CSL)；
– 集成注入逻辑(I2L ：Integrated Injection Logic)。
如果集成逻辑门是以单极型晶体管(只有一种极性 的载流子：电子或空穴)为基础的，则称为单极型集成 逻辑门电路。目前应用得最广泛的是金属—氧化物— 半 导 体 场 效 应 管 逻 辑 电 路 (MOS ： Metal Oxide Semiconductor)。
MOS电路又可分为：
– PMOS(P沟道MOS)； – NMOS(N沟道MOS)； – CMOS(PMOS—NMOS互补)。
§3.1 晶体管的开关特性
门：具有开关作用。 门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。
一、器件的开关作用
体现开关作用→静态特性 开关特性 转换过程→动态特性
Z＝0 →短路、相当开关闭合
二极管的稳态开关特性
二极管伏安特性
iD Ise qD /v kT 1
理想二极管开关特性 二极管特性折线简化
Vi<Vth时，二极管截止，iD=0。 Vi>Vth时，二极管导通。
二极管的瞬态开关特性
理想二极管开关特性
二极管瞬态开关特性
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
D2
0V
B
要分析输入的各种状态
⒈二极管与门(续)
真值表:
VA VB VF D1 D2
ABF
0V 0V 0.7V 通 通 0→低电位 0 0 0
实现
0V 5V 0.7V 通 止
4
PN结
• 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一 边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电 子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电 流可以顺利通过。
• 如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则 空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区 变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。
– （PN junction）
PN结
• 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的 电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而 电离杂质（离子）是固定不动的 。
• N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。 • 当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半
导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导 体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此 在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分 布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。 • P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一 边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电 场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。
三、半导体三极管的开关特性
Vcc=5V
⒈开关作用
1k
Vbe
Vbc
Vi
截止 反偏 反偏， ib＝ic ＝0，开关断开。 10K
Vo T β =30
放大 正偏 反偏， ic ＝ βib， 线性放大。
饱和 正偏 正偏， ib >Ibs ， 开关闭合。
ib Ib sV c R cV C ce sV R c C c , V ce s 0 .3 V
而将其余部分抑制，从而实现对脉冲波形的变换或整形。从输出 波形来看，可分为上限幅、下限幅、上下限幅几种。从电路结构 结构上看，限幅电路可分为串联、并联限幅两种。
3.二极管开关应用电路（续）
（2）钳位电路。钳位电路是将脉冲波形的顶部或底部钳定在某
一选定电平上。其实质是由二极管的通断来改变RC电路的充放电 时间常数，使得电容C实现快充慢放或者慢充快放，达到钳位波形 的目的。
是
– 栅极Gate，G – 源极Source，S – 漏极Drain，D
半导体器件的开关特性
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。
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。
逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。
正逻辑：高电平表示 逻辑1，低电平表示0
– 当不存在外加电压时，处于电平衡状态。 – 当外界有正向电压偏置时，引起正向电流。 – 当外界有反向电压偏置时，形成在一定反向电压范
围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。 – 当外加的反向电压高到一定程度时，产生了数值很
大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。
二极管
• 正向特性
– 在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极 管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。
– MOS场效应管即金属-氧化物-半导体型场效 应管，英文缩写为MOSFET（Metal-OxideSemiconductor Field-Effect-Transistor），属 于绝缘栅型。
– 其主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层 二氧化硅绝缘层，因此具有很高的输入电阻。
场效应管
• 它也分N沟道管和P沟道管， • 它和三极管一样，也有三个引脚，分别
导通→截止时间toff较大
⑵ toff中 ts占主要部分。
四、基本门电路
对应三种基本逻辑运算，有三种基本门电路
⒈二极管与门（D与门）
⑴电路 ⑵原理
D1
5V A
Vcc（5V） R
F
电位表： VA VB 0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
VF 0.7V 0.7V 0.7V 5V
D1 D2 通通 通止 止通 止止
iC R c
可变
饱和
iB＞ IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0， uBC>0
iC＝ ICS uCE ＝ U CE S＝
0.3V 很小， 相当开关闭合
三极管的稳态开关特性
基本单管共射电路
单管共射电路直流传输特性
三极管的瞬态开关特性
3、场效应管的开关特性
+VDD RD
D ui G
ui
S
• 反向特性
– 在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二 极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称 为反向偏置。
– 二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电 流。当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二 极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。
– 小规模集成电路(SSI：Small Scale Integrating)，一块芯片上含 1~50个门。
– 中规模集成电路(MSI：Medium Scale Integrating),一块芯片上 含50~100个门。
– 大规模集成电路(LSI：Large Scale Integrating),一块芯片上含 100~10000个门。
⒈开关作用（续）
Vcc=5V
临界饱和：Vbc＝0 V 时，T处于临界饱和
ibIb s IcV cc R V C ces ,V ce s0 .3 VV i 10K
饱和系数： B ib
I bs