第2章 门电路学习指导

第二章门电路一、内容提要本章系统地讲述了数字电路的基本逻辑单元——门电路。

由于门电路中的二极管和三极管经常工作在开关状态，所以首先介绍了它们在开关状态下的工作特性。

然后，重点讨论了目前广泛使用的TTL门电路和CMOS门电路。

对于每一种门电路，除了讲解它们的工作原理和逻辑功能以外，还着重介绍了它们作为电子器件的电气特性，特别是输入特性和输出特性，以便为实际使用这些器件打下必要的基础。

二、重点难点虽然这一章讨论的只是门电路的外特性，但无论集成电路内部电路多么复杂，只要它们和这一章所讲的门电路具有相同的输入、输出电路结构，则这里对输入、输出特性的分析对它们也同样适用。

因此，这一章是全书对电路进行分析的基础。

本章的重点内容包括以下三个方面:1、半导体二极管和三极管(包括双极型和MOS型)开关状态下的等效电路和外特性;2、TTL电路的外特性及其应用;3、CMOS电路的外特性及应用。

为了正确理解和运用这些外特性，需要了解TTL电路和CMOS电路的输入电路和输出电路结构及它们的工作原理。

内部的电路结构不是重点内容。

鉴于CMOS电路在数字集成电路中所占的比重已远远超过了TTL电路，建议在讲授时适当加大CMOS电路的比重，并相应压缩TTL电路的内容。

TTL电路的外特性是本章的一个难点，同时也是一个重点。

尤其是输入端采用多发射极三极管结构时，对输入特性的全面分析比较复杂。

从实用的角度出发，只要弄清输入为高/低电平时输入电流的实际方向和数值的近似计算就可以了。

三、习题精解知识点:三极管饱和、截止的分析判断。

例2．1 电路如图2.1所示。

求使三极管截止的v imax ；保证三极管饱和的v imin ，已知三极管β＝30，V BE ＝0．7V ，V CES ＝0．3V 。

解 三极管的开关条件分别为：V BE ≤0，三极管截止，I B ≥I BS 三极管饱和导通。

当三极管截止时，其等效电路如图2.2（a ）所示。

I B＝0，则01010221≤-++=R R R v V i BE图2.1图2.2 即010*******≤-ΩΩ+Ω+V k k k Vv i解得 v i ≤2V 即 v imax ≤2V当三极管饱和导通时，其等效电路如图2.2(b)所示。

21107.0R V R v I BE i B +--=CCES CC BS R V V I β-=BS B I I ≥CCESCC i R V V R V R v β-≥+--21)107.0(7.0 解得 v i ≥3.62V 即 v imin =3.62 V知识点：二极管构成逻辑门电路分析例2．2 电路如图2．3所示，写出输出的表达式。

图2.3解：对图2．3(a)，该电路由两级逻辑门构成，第一级是与门，输出逻辑关系为D=AB ；第二级是或门，输出逻辑关系为 L 1=AB+C对图2．3 (b) 该电路是只有—个输入端的逻辑电路。

当输入端A 为低电平时，T l 发射结导通，V B1＜2．1V ，D 、T 2截止，L 2输出高电平；当输入端A 为高电平时，T l 发射结不通， V cc 通过的集电结足以使D 、T 2导通，L 2输出低电平。

由以上分析可得：A L =2知识点：TTL 与非门输入端属于逻辑0输入接法的分析例2．3 为什么说TTL 与非门的输入端在以下4种接法都属于逻辑0输入：(1)输入端接地；(2)输入端接低于0．8V 的电源；(3)输入端接同类与非门的输出低电平0．3V ；(4)输入端通过200Ω的电阻接地。

解： TTL 与非门的输入端接地、接低于0．8V 的电源、接同类与非门的输出低电压0．3V 时，输入电压均低于其关门电平V OFF (V OFF 约为1．3V)，因此门的输出电压均高于其输出高电平的最小值V OH(min)( V OH(min =2.4V)，都属于高电平，所以以上三种输入的接法均属于逻辑0输入。

当输入端通过200Ω的电阻接地时，分析见图解2．4。

由电路分析得：V V R R R V CC b i 2.0)7.05(42.02.0)7.0(1≈-+=-+=由此可见，输入电压低于关门电平，所以此种输入的接法也属于逻辑0输入。

图2.4知识点：TTL 门电路选择及输入端接法常见错误分析 例2．4 改正图2.5中TTL 电路的错误。

图2.5解 图2.5（a ）中，因为TTL 与非门不能“线与”，所以应改为OC 门。

图2.5（b ）中，由TTL 与非门的输入特性可知，当输入端接小电阻(R i ＜1．4k Ω时)，相当于输入端接低电平，故应将100Ω改为4．7k Ω或5．1k Ω。

图2.5（c ）中，因电路不满足所给的逻辑表达式，故应将接电源V CC 改为接地。

知识点：TTL 三态与非门与TTL 普通与非门的特性 例2．5 在图2．6中G 1为TTL 三态与非门，G 2为TTL 普通与非门，电压表内阻为100k Ω。

试求下列4种情况下的电压表读数和G 2输出电压V 0值。

(1) B ＝0．3V ，开关K 打开； (2) B ＝0．3V ，开关K 闭合； (3) B=3．6V ，开关K 打开； (4) B ＝3．6V ，开关K 闭合。

图2.6解 (1)当B ＝0．3V ，三态与非门处于工作状态，电压表读数为3.6V ；开关K 打开，G 2门输入端悬空相当于输入高电平，输出电压为V 0＝0．3V 。

(2)B ＝0．3V ，三态与非门处于工作状态，电压表读数为3．6V ；开关K 闭合，G 2门输入高电平，输出电压为V 0＝0．3V 。

(3)B ＝3．6V ，三态与非门处于高阻态，又知开关K 打开，可见电压表读数为0V ；G 2门输入端悬空相当于输入高电平，输出电压V 0＝0．3V 。

(4)B ＝3．6V ，三态与非门处于高阻态，又知开关K 闭合，此时G 2门输入端的情况如例2．3中图解2．4所示。

其输入电压为V V i 1.4)7.05(1004100≈-+=显然G 2门输入高电平，使得输出电压V 0＝0．3V ，而G 2门中T l 的集电结和T 2，T 3的发射结这三个串联的PN 结导通，使得V B1＝2．1V ，因而电压表读数为V B1-0．7V ＝1．4 V 。

知识点：MOS 管构成反相器分析例2．6 一个饱和型有源负载反相器，如图2.7（a ）所示。

(1)若V T1=V T2=2V ，R ON2=R ON1=10:1，V DD ＝10V ，问输出的高、低电平各是多少?(2)若V 2改成PMOS 管(V P ＝-2V)组成反相器，如图2.7（b ）所示，问输出高、低电平各为多少?解 (1)V V V R R R V DD ON ON ON OL 110111211≈⨯=⨯+=V V V V T D D O H 8)210(2=-=-= 图2.7(2)根据反相器的工作原理有V V OL 0≈V V V DD OH 10=≈知识点：MOS 管构成逻辑门分析例2．7 分析图2.8电路的逻辑功能，并写逻辑表达式。

解 当A ＝0时V 2、V 4截止，V l 、V 3、V 5导通，所以v 0＝V OH ≈V DD ，F ＝l ，当A ＝1时，V 2、V 4导通，V l 、V 3、V 5截止，所以v 0＝V OL ≈0V ，因此该电路是一个反相器。

逻辑表达式为：F ＝A 。

图2.8 知识点：逻辑门输出波形分析例2．8 图2．9(a)所示电路中，分别输入图2．9(b)所示A 、B 、C 、D 波形，试对应画出各输出端波形。

解：首先要确定各逻辑门的逻辑功能，然后根据输入波形变化情况，分段画出各输出端波形。

写出各门电路输出端逻辑表达式为,1,21==Y A Y,,43D B Y ABC Y +==D A D A Y CD AB Y +=+=65,各门电路输出波形见图2．9(c)所示。

图2.9知识点:逻辑门输入输出特性分析例2.9 电路如图2.10(a)、(b)、(c)、(d)所示，试找出电路中的错误，并说明为什么。

图2.10解 ：图(a)：电路中多余输入端接“1”是错误的，或门有一个输入为1，输出即为1。

图(b)：电路中多余输入端接“0”电平是错误的，与门输入有一个为0，输出即为0。

图(c)：电路中两个与门输出端并接是错误的，会烧坏器件。

因为当两个与非门的输出电平不相等时，两个门的输出级形成了低阻通道，使得电流过大，从而烧坏器件。

图(d)：电路中两OC 门输出端虽能并接，但它们没有外接电阻至电源，电路不会有任何输出电压，所以是错误的。

知识点: 增强型NMOS 管构成电路分析例2.10 用增强型NMOS 管构成的电路如图2.11(a)所示。

试写出F 的逻辑式；并用NMOS 管画出更加简化而逻辑功能不变的电路。

解： 解题时首先要分清哪些管子是负载管，哪些管子是开关管，只有在一个负载管的源极与开关管的漏极连接节点上才能输出倒相的逻辑函数。

该题电路图中只有T 1是负载管，其余的都是开关管。

在开关管中再看哪些是串接的，哪些是并接的。

对于相互串接的开关管，它们栅极上所加的变量互为与逻辑；对于相互并接的开关管，它们栅极上所加的变量互为或逻辑。

根据以上分析原则，可得函数 ()()D C B A AD AC B A F ++=++= 所得简化电路如图2.11(b)所示。

（a ）增强型NMOS 管构成的电路图 (b)简化后的NMOS 管构成的电路图图2.11 电路图四、自我测试题（共100分）1、TTL 门电路如图，说明各电路的输出状态。

（每空3分）2、CMOS 门电路如图所示，说明各电路的输出状态。

（每空3分）3．TTL 三态门电路及符号如图,当输入变量A 、B 及E 的状态为已知时，说明输出Y 的状态。

（每空3分）A BEYE4．请写出图中F1、F2和F3的逻辑表达式。

（10分）5．请画出实现如下函数的逻辑图。

假设输入变量的原码和反码均可得到。

并注意利用每个函数F的随意条件。

（10分）（a）用两个或非门实现：F1=⎺A⎺B⎺C+A⎺BD+⎺A⎺BC⎺D（∑d=ABC+A⎺B⎺D）（b）用三个与非门实现：F2=（A+D）（⎺A+B）（⎺A+⎺C）（c）用四个与非门实现：F3=⎺BD+⎺BC+ABCD（∑d=⎺ABD+A⎺B⎺C⎺D）6．写出图中各电路输出F的逻辑表达式。

（10分）7．分别写出图中所示电路当X=0和X=1时输出F1和F2的表达式。

（10分）（a）（b）8．分别写出图中各电路输出F1—F4的表达式，说明功能。

（10分）9．若已知上面题5各电路输入波形如图所示，试对应画出输出F1、F2的波形。

（10分）10．TTL反相器噪声容限示意图见图所示。

请估算出输入分别为高电位和低电位时的噪声容限U NH和U NL的值。