第3章---逻辑门电路
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《逻辑门电路》PPT课件
b
电子，形成电流ICN R b
P N I E N I E P
VC C
➢另外，集电结区的少 V B B
数载流子形成漂移电流
e IE
ICBO
两种载流子参与导电——双极性晶体管Bipolar Junction Transistor
2021－09－22
中国科学技术大学 快电子 刘树彬
17
BJT的开关工作状态
《逻辑门电路》PPT课件
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第三章 逻辑门电路
3.1 MOS逻辑门电路 3.2 TTL逻辑门电路 3.3 射极耦合门电路 3.5 逻辑描述中的几个问题 3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题
7
N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，如磷、砷等
硅原子 + 4
多余电子
+4
磷原子
+4
+4
+4
电子空穴对 自由电子
N型半导体
+5 +4
++ + + ++ + +
+3;
2021－09－22
多数载流子——自由电子 少数载流子—— 空穴
中国科学技术大学 快电子 刘树彬
施主离子
8
PN结
2021－09－22
中国科学技术大学 快电子 刘树彬
t1
t
IFVFR LVDV RF L
0.1IR t
PPT-第三章逻辑门电路
第三章 逻辑门电路
内容提要
在数字系统中，电路设计完成后，合理正确地选用各种门 电路就表现的尤为重要。本章系统地介绍了数字电路中各种 基本门电路的工作原理及使用中应注意的事项。
在数字电路中的二极管、三极管应工作在开关（导通、 截止）状态，所以首先介绍他们的开关特性，然后用具体 的门电路介绍常用的TTL、CMOS电路的工作原理及电器特 性，重点是输入特性及输出特性，为正确使用这些电路作 好准备。
正逻辑： “1”：表示高电平。
“0”：表示低电平。
一般采用正逻辑关系
负逻辑： “0”：表示高电平。 “1”：表示低电平。
*** 半导体管的开关特性
***晶体二极管的开关特性
VCC
Vi = VCC 二极管截止，Vo = VCC
R D
Vi
VO
Vi = 0 二极管导通，Vo = 0
R
R
二极管导通时相当于短路
A=B=5V ： D1 导 通 、 D2 导 通 ， F=5V ， 合 理 调 整 R1 、 R2 的 值 ， G=正值，T饱和导通，Y≈0
VA（V）
0 0 5 5
VB（V）
0 5 0 5
Y（V）
5 0 0 0
A
B
Y
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
*** TTL门电路
Transistor-Transistor Logic
二极管截止时相当于开路
R
R
*** 晶体三极管的开关特性
Vi 低电平， 三极管截止，Vo≈ VCC
Vi 高电平， 三极管饱和导通，Vo≈0
C B
E
C B
内容提要
在数字系统中，电路设计完成后，合理正确地选用各种门 电路就表现的尤为重要。本章系统地介绍了数字电路中各种 基本门电路的工作原理及使用中应注意的事项。
在数字电路中的二极管、三极管应工作在开关（导通、 截止）状态，所以首先介绍他们的开关特性，然后用具体 的门电路介绍常用的TTL、CMOS电路的工作原理及电器特 性，重点是输入特性及输出特性，为正确使用这些电路作 好准备。
正逻辑： “1”：表示高电平。
“0”：表示低电平。
一般采用正逻辑关系
负逻辑： “0”：表示高电平。 “1”：表示低电平。
*** 半导体管的开关特性
***晶体二极管的开关特性
VCC
Vi = VCC 二极管截止，Vo = VCC
R D
Vi
VO
Vi = 0 二极管导通，Vo = 0
R
R
二极管导通时相当于短路
A=B=5V ： D1 导 通 、 D2 导 通 ， F=5V ， 合 理 调 整 R1 、 R2 的 值 ， G=正值，T饱和导通，Y≈0
VA（V）
0 0 5 5
VB（V）
0 5 0 5
Y（V）
5 0 0 0
A
B
Y
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
*** TTL门电路
Transistor-Transistor Logic
二极管截止时相当于开路
R
R
*** 晶体三极管的开关特性
Vi 低电平， 三极管截止，Vo≈ VCC
Vi 高电平， 三极管饱和导通，Vo≈0
C B
E
C B
第3章逻辑门电路PPT 共126页
电位被钳 在2.1V
全反偏
“1” A B C
R1 3k
b1 c1 T1
+5V
R2
R4
1V
T2 T3
T4
R5
截止
F
全导通
T5
R3
（2-24）
全反偏
“1” A
B C
R1 3k
R2
b1 c1 T1
T2
逻辑关系：全1则0。
R3
+5V
uF =0.3V F
T5
饱和
输入、输出的逻辑关系式： F ABC
（2-25）
RP的临界值可计算如下：
1.4V=
R1RPRP(5 - V be1)
=
4 . 3 RP R1 RP
RP=1.4KΩ（R1=3K Ω）为安全起见，如要求输入等 效为低电平时，对TTL门电路应使RP小于1 K Ω； 如要求输入等效为高电平时，对TTL门电路应使RP 大于2K Ω。
（2-39）
例能3正.5确.3地综在传合图送以3到上.5.门两20G种所2的情示输况的入，电端应路，取中要R，P求为≤0v保.o618证=KV门OHG时1输vI2出≥V的IH高（、min低），电平 vO1=VOL也时就，是v说I2≤GV1I和L（Gm2a之x）间，的试串计联算电RP阻的应最小大于允许值是多少？已知 G1和G26均80为7，4系否列则反当相vO器1=V，OLV时C可C=能5超V，过VVILO（H=m3ax.）4V， VOL=0.2V， VIH（min）=2.0V， VIL（max）=0.8V。 G1和G2的输入特性和输出特性 见图3.5.12和图3.5.14、图3.5.16。
（2-27）
1. 输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL=0.3V 。
逻辑门电路课件
Rp(min)
VDD VOL(max) I OL(max) I IL(total)
… …
+V DD IOL（max) RP
0
IIL（total)
k
IIL
1
n
m
1
当VO=VOH
为使得高电平不低于规定的VIH的 最小值，则Rp的选择不能过大。 Rp的最大值Rp(max) ：
I0Z（total)
+V DD RP
50%
10%
t
f
90%
50% 10%
tr
4. 功耗
静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空 载时电源总电流ID与电源电压VDD的乘积。
动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗， 对于TTL门电路来说，静态功是主要的。 CMOS电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗
5. 延时功耗积 是速度功耗综合性的指标.延时功耗积，用符号DP表示。 几种CMOS系列非门的DP见下页。
D2
CN
TN
(3) vI < vDF D2导通, D1截止 vG = vDF
当输入电压不在正常电压范围时,二极管导通，限制了电容两端电 压的增加,保护了输入电路。
RS和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延 迟且衰减后到栅极。
（2）CMOS逻辑门的缓冲电路
输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻 辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功能为与非 功能
6.8 25.84
C、I=2V~3V
TN导通，TP导通
vO vI
2. 传输门的应用
(1) 传输门组成的异或门
B=0
A
第 三 章 逻辑门电路
是构成数字电路的基本单元之一
CMOS 集成门电路 用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。
TTL 集成门电路 输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。
CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 即 Transistor-Transistor Logic 按功能特点不同分 普通门 输出 三态门 CMOS (推拉式输出) 开路门 传输门 EXIT
CE(sat) CE
B
C
uI 增大使 uBE > Uth 时，三极管开始导通， iB > 0，三极管工作于放 大导通状态。
uBE < Uth E
三极管 截止状态 等效电路
EXIT
iC 临界饱和线 M T IC(sat) + uBE S Q
放大区
IB(sat)
uI=UIH
饱 和 区
O UCE(sat)
t
uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称 为三极管关断时间。 通常 toff > ton
UCE(sat) O
开关时间主要由于电 通常工作频率不高时， 荷存储效应引起，要提高 可忽略开关时间，而工作 开关速度，必须降低三极 频率高时，必须考虑开关 管饱和深度，加速基区存 速度是否合适，否则导致 储电荷的消散。 不能正常工作。 EXIT t
iB 0，iC 0，C、E 间相当 于开关断开。
三极管 截止状态 等效电路
E
Uth为门限电压 EXIT
iC u S 为放大和饱和的交界点，这时的临界饱和线I 增大使 iB 增大， 放大区 从而工作点上移， iC 增 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示； M T 相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； S 大，uCEI减小。 IC(sat) B(sat) UBE(sat) 为饱和基极电压； 饱 Q UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， 和 截止区 UBE(sat) 0.7V， UCE(sat) 0.3V。在临 A 区 界饱和点三极管仍然具有放大作用。 U O N u
《逻辑门电路 》课件
能：输入全为1时输出 为0，其他情况输出为1
符号表示：通常用"NAND"表 示
真值表：列出所有输入和输出 组合的真值表
应用：常用于实现逻辑运算， 如与、或、非等
逻辑功能：输入全为1时输出为0，其他情况输出为1 符号表示：输入端A、B，输出端Y 真值表：列出所有输入输出组合及其对应的输出值 应用：用于实现逻辑运算、控制电路等
实现逻辑运算：与、或、非等 基本逻辑运算
控制信号：控制电路的通断、 开关等
数据处理：处理二进制数据， 实现数据传输、存储等
构建复杂电路：通过组合逻辑 门电路，构建更复杂的电路系 统
PART THREE
功能：实现逻辑与 运算
输入：两个输入信 号
输出：一个输出信 号
真值表：当两个输 入信号均为1时， 输出为1；否则输 出为0。
低功耗技术的挑 战与机遇
低功耗技术的未 来展望
人工智能：逻辑门电路是实现人工智能的关键技术之一，未来将在智能机器人、智能语音识别等领域发挥重要作 用。
物联网：逻辑门电路是实现物联网的关键技术之一，未来将在智能家居、智能交通等领域发挥重要作用。
量子计算：逻辑门电路是实现量子计算的关键技术之一，未来将在量子通信、量子加密等领域发挥重要作用。
生物科技：逻辑门电路是实现生物科技的关键技术之一，未来将在基因编辑、生物制药等领域发挥重要作用。
汇报人：
小型化趋势：随着半导 体技术的发展，逻辑门 电路的尺寸越来越小， 提高了集成度和性能
技术挑战：如何实现 更高集成度和更小尺 寸的逻辑门电路，同 时保证性能和可靠性
应用前景：随着物联 网、人工智能等新兴 技术的发展，逻辑门 电路的集成化和小型 化将更加重要。
低功耗技术在逻 辑门电路中的应 用
符号表示：通常用"NAND"表 示
真值表：列出所有输入和输出 组合的真值表
应用：常用于实现逻辑运算， 如与、或、非等
逻辑功能：输入全为1时输出为0，其他情况输出为1 符号表示：输入端A、B，输出端Y 真值表：列出所有输入输出组合及其对应的输出值 应用：用于实现逻辑运算、控制电路等
实现逻辑运算：与、或、非等 基本逻辑运算
控制信号：控制电路的通断、 开关等
数据处理：处理二进制数据， 实现数据传输、存储等
构建复杂电路：通过组合逻辑 门电路，构建更复杂的电路系 统
PART THREE
功能：实现逻辑与 运算
输入：两个输入信 号
输出：一个输出信 号
真值表：当两个输 入信号均为1时， 输出为1；否则输 出为0。
低功耗技术的挑 战与机遇
低功耗技术的未 来展望
人工智能：逻辑门电路是实现人工智能的关键技术之一，未来将在智能机器人、智能语音识别等领域发挥重要作 用。
物联网：逻辑门电路是实现物联网的关键技术之一，未来将在智能家居、智能交通等领域发挥重要作用。
量子计算：逻辑门电路是实现量子计算的关键技术之一，未来将在量子通信、量子加密等领域发挥重要作用。
生物科技：逻辑门电路是实现生物科技的关键技术之一，未来将在基因编辑、生物制药等领域发挥重要作用。
汇报人：
小型化趋势：随着半导 体技术的发展，逻辑门 电路的尺寸越来越小， 提高了集成度和性能
技术挑战：如何实现 更高集成度和更小尺 寸的逻辑门电路，同 时保证性能和可靠性
应用前景：随着物联 网、人工智能等新兴 技术的发展，逻辑门 电路的集成化和小型 化将更加重要。
低功耗技术在逻 辑门电路中的应 用
数字电子技术基础第三章逻辑门电路
ts 的大小是影响三极管速度的最主要因素，要提高三极 管的开关速度就要设法缩短ton与toff ，特别是要缩短ts 。
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
数电-第三章逻辑门电路
典型时序逻辑电路
了解和掌握常见时序逻辑电路的原理和应用，如寄存器、 计数器、顺序脉冲发生器等。
可编程逻辑器件应用
1 2
可编程逻辑器件简介
了解可编程逻辑器件的基本概念和分类，如PAL、 GAL、CPLD、FPGA等。
可编程逻辑器件编程
学习使用相应的开发工具和编程语言，对可编程 逻辑器件进行编程和配置，实现特定的逻辑功能。
典型组合逻辑电路
了解和掌握常见组合逻辑电路的 原理和应用，如编码器、译码器、
数据选择器、比较器等。
时序逻辑电路分析与设计
时序逻辑电路分析
分析时序逻辑电路的工作原理，包括触发器的状态转换、 时钟信号的作用等，进而理解电路的功能。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，设计实现特定功能的时序逻辑电路。包括 确定输入、输出变量，选择适当的触发器类型，画出状态 转换图或时序图等步骤。
数电-第三章逻辑门 电路
• 逻辑门电路基本概念 • 基本逻辑门电路 • 复合逻辑门电路 • 逻辑门电路应用 • 逻辑门电路实验与仿真 • 逻辑门电路总结与展望
目录
Part
01
逻辑门电路基本概念
逻辑门定义与分类
逻辑门定义
逻辑门是数字电路中的基本单元 ，用于实现基本的逻辑运算功能 ，如与、或、非等。
逻辑符号为带有小圆圈的与门符号。
或非门电路
01
02
03
或非门逻辑功能
实现输入信号的逻辑或操 作，并取反输出结果。
或非门符号
逻辑符号为带有小圆圈的 或门符号。
或非门真值表
输入全为0时，输出为1； 输入有1时，输出为0。
异或门电路
异或门逻辑功能
实现输入信号的异或操作， 即输入信号相同时输出为0， 不同时输出为1。
了解和掌握常见时序逻辑电路的原理和应用，如寄存器、 计数器、顺序脉冲发生器等。
可编程逻辑器件应用
1 2
可编程逻辑器件简介
了解可编程逻辑器件的基本概念和分类，如PAL、 GAL、CPLD、FPGA等。
可编程逻辑器件编程
学习使用相应的开发工具和编程语言，对可编程 逻辑器件进行编程和配置，实现特定的逻辑功能。
典型组合逻辑电路
了解和掌握常见组合逻辑电路的 原理和应用，如编码器、译码器、
数据选择器、比较器等。
时序逻辑电路分析与设计
时序逻辑电路分析
分析时序逻辑电路的工作原理，包括触发器的状态转换、 时钟信号的作用等，进而理解电路的功能。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，设计实现特定功能的时序逻辑电路。包括 确定输入、输出变量，选择适当的触发器类型，画出状态 转换图或时序图等步骤。
数电-第三章逻辑门 电路
• 逻辑门电路基本概念 • 基本逻辑门电路 • 复合逻辑门电路 • 逻辑门电路应用 • 逻辑门电路实验与仿真 • 逻辑门电路总结与展望
目录
Part
01
逻辑门电路基本概念
逻辑门定义与分类
逻辑门定义
逻辑门是数字电路中的基本单元 ，用于实现基本的逻辑运算功能 ，如与、或、非等。
逻辑符号为带有小圆圈的与门符号。
或非门电路
01
02
03
或非门逻辑功能
实现输入信号的逻辑或操 作，并取反输出结果。
或非门符号
逻辑符号为带有小圆圈的 或门符号。
或非门真值表
输入全为0时，输出为1； 输入有1时，输出为0。
异或门电路
异或门逻辑功能
实现输入信号的异或操作， 即输入信号相同时输出为0， 不同时输出为1。
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第 3章
3.1
门电路
二极管及三极管的开关特性
3.1.1 3.1.2
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 2.2.5
2019/4/26
二极管的开关特性 三极管的开关特性
3.2
基本逻辑门电路
二极管与门 二极管或门 关于高低电平的概念及状态赋值 二极管非门（反相器） 关于正逻辑和负逻辑的概念
若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去 单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。
2019/4/26
11
3.1.2
1.
三极管的开关特性
静态特性及开关等效电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要 工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极 短暂的过渡状态。
2019/4/26
图2-3三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线
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 条 件 偏置情况 工 作 特 点 集电极电流 ce 间电压 ce 间等效电阻 2019/4/26 截 止 放 大 饱 和
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
0＜iB＜IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE>0，uBC<0 iC＝β iB uCE ＝VCC－ iCRc 可变
iB＞IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0，uBC>0 iC＝ICS uCE ＝UCES＝ 0.3V 很小，
16 相当开关闭合
2. 三极管的开关时间（动态特性）
延迟时间td 上升时间tr 开启时间ton
12
(1) 截止状态
条件：发射结反偏,集电结反偏 特点：电流约为0A
开关等效电路
2019/4/26 13
(2)饱和状态
条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅
2019/4/26
14
图2-4 三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时
2019/4/26 15
2019/4/26
存储时间ts
下降时间tf
图2-5 三极管的开关时间
关闭时间 t 17 off
(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间
(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长） tf ：下降时间 toff > ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。
2019/4/26 4
理想开关的开关特性：
(1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻 ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。
闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻
RON = 0，电压UAK = 0。 (2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0
2019/4/26 5
v <UT
I
2019/4/26
S
vI>UT
S
19
客观世界中，没有理想开关。 乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分 接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电 路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。
半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用
时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。
2019/4/26
6
3.2.1 二极管的开关特性
1. 静态特性及开关等效电路 正向导通时 UD(ON)≈0.7V（硅） 0.3V（锗）
图2-2 二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时
9
二极管开关特性应用
高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0
动画
VI=VIH
D截止，VO=VOH=VCC
VI=VIL
D导通，VO=VOL=0.7V
10
2019/4/26
2. 动态特性： 二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需 要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时 间。 一般为纳秒数量级（通常tre ≤5ns ）。
2019/4/26 2
Vcc R
K开------VO输出高电平，对应“1” 。
VO K
K合------VO输出低电平，对应“0” 。
Vcc
V
V 0V
1
0
在数字电路中，对电压值为多少并不重要， 只要能判断高低电平即可。
2019/4/26 3
3.2
二极管及三极管的开关特性
数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作 在开关状态。 导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。 逻辑变量←→两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1； 电子开关有两种状态：闭合、断开。 半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这 种电子开关的基本开关元件。
1
§3.1 概述
门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路， 与基本逻辑关系相对应。
：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。 门电路的输出状态与赋值对应关系： 一般采用 正逻辑
正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。 负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。 混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输 入用负逻辑、输出用正逻辑。
RD≈几Ω ～几十Ω
相当于开关闭合
图2-1
i I s (e
2019/4/26
二极管的伏安特性曲线
v VT
1)
7
反向截止时
反向饱和电流极小
反向电阻很大（约几百kΩ）
相当于开关断开
图2-1
二极管的伏安特性曲线201Leabharlann /4/268开启电压
图2-1 二极管的伏安特性曲线
理想化 伏安特 性曲线
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可变电阻区 4、场效应管的开关特性
iD (mA) iD (mA)
恒流区
uGS=10V 8V 6V
截止区
0 UT uGS(V) 0
4V 2V uDS(V)
工作原理电路
转移特性曲线
输出特性曲线
截止区 VGS VGS(th) 可变电阻区 +VDD 恒流区 +VDD 截止状态 导通状态 漏极和源极之间 RD 当vGSR 一定时， iD与vDS之比 iD的大小基本上由 D vGS 没有导电沟道， G G 近似等于一个常数，具有类 决定， vDS的变化对 iD D D uo=+V DD iD≈0。 似于线性电阻的性质。 uo≈0 的影响很小。
第 3章
3.1
门电路
二极管及三极管的开关特性
3.1.1 3.1.2
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 2.2.5
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二极管的开关特性 三极管的开关特性
3.2
基本逻辑门电路
二极管与门 二极管或门 关于高低电平的概念及状态赋值 二极管非门（反相器） 关于正逻辑和负逻辑的概念
若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去 单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。
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3.1.2
1.
三极管的开关特性
静态特性及开关等效电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要 工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极 短暂的过渡状态。
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图2-3三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线
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 条 件 偏置情况 工 作 特 点 集电极电流 ce 间电压 ce 间等效电阻 2019/4/26 截 止 放 大 饱 和
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
0＜iB＜IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE>0，uBC<0 iC＝β iB uCE ＝VCC－ iCRc 可变
iB＞IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0，uBC>0 iC＝ICS uCE ＝UCES＝ 0.3V 很小，
16 相当开关闭合
2. 三极管的开关时间（动态特性）
延迟时间td 上升时间tr 开启时间ton
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(1) 截止状态
条件：发射结反偏,集电结反偏 特点：电流约为0A
开关等效电路
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(2)饱和状态
条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅
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图2-4 三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时
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存储时间ts
下降时间tf
图2-5 三极管的开关时间
关闭时间 t 17 off
(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。 ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间
(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。 toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长） tf ：下降时间 toff > ton 。 开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。
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理想开关的开关特性：
(1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻 ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。
闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻
RON = 0，电压UAK = 0。 (2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0
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v <UT
I
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S
vI>UT
S
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客观世界中，没有理想开关。 乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分 接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电 路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。
半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用
时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。
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3.2.1 二极管的开关特性
1. 静态特性及开关等效电路 正向导通时 UD(ON)≈0.7V（硅） 0.3V（锗）
图2-2 二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时
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二极管开关特性应用
高电平：VIH=VCC 低电平：VIL=0
动画
VI=VIH
D截止，VO=VOH=VCC
VI=VIL
D导通，VO=VOL=0.7V
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2. 动态特性： 二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需 要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时 间。 一般为纳秒数量级（通常tre ≤5ns ）。
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Vcc R
K开------VO输出高电平，对应“1” 。
VO K
K合------VO输出低电平，对应“0” 。
Vcc
V
V 0V
1
0
在数字电路中，对电压值为多少并不重要， 只要能判断高低电平即可。
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3.2
二极管及三极管的开关特性
数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作 在开关状态。 导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。 逻辑变量←→两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1； 电子开关有两种状态：闭合、断开。 半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这 种电子开关的基本开关元件。
1
§3.1 概述
门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路， 与基本逻辑关系相对应。
：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。 门电路的输出状态与赋值对应关系： 一般采用 正逻辑
正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。 负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。 混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输 入用负逻辑、输出用正逻辑。
RD≈几Ω ～几十Ω
相当于开关闭合
图2-1
i I s (e
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二极管的伏安特性曲线
v VT
1)
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反向截止时
反向饱和电流极小
反向电阻很大（约几百kΩ）
相当于开关断开
图2-1
二极管的伏安特性曲线201Leabharlann /4/268开启电压
图2-1 二极管的伏安特性曲线
理想化 伏安特 性曲线
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可变电阻区 4、场效应管的开关特性
iD (mA) iD (mA)
恒流区
uGS=10V 8V 6V
截止区
0 UT uGS(V) 0
4V 2V uDS(V)
工作原理电路
转移特性曲线
输出特性曲线
截止区 VGS VGS(th) 可变电阻区 +VDD 恒流区 +VDD 截止状态 导通状态 漏极和源极之间 RD 当vGSR 一定时， iD与vDS之比 iD的大小基本上由 D vGS 没有导电沟道， G G 近似等于一个常数，具有类 决定， vDS的变化对 iD D D uo=+V DD iD≈0。 似于线性电阻的性质。 uo≈0 的影响很小。