第三章-逻辑门电路
第三章 逻辑门电路
数字集成电路构成了各种逻辑电路，如各种门电路、编译码器、 触发器、计数器、寄存器等。
CMOS电路相比于TTL，具有功耗低、工作电压范围宽、抗干扰能力强等优点。
最常用的TTL电路是74LS/HC等系列，使用5V的电压逻辑“0”输出电压为小于等于0.2V，逻辑“1”输出电压约为3V。通常CMOS集成电路工作电压范围为3-18V，所以不必像TTL电路那样，要用正好的5V电压。CMOS集成电压的输入电阻很高，这意味着驱动CMOS集成电路时，所消耗的驱动功率几乎可以不计。同时CMOS集成电路的耗电也非常的省，用CMOS集成电路制作的电子产品，通常都可以用于干电池供电通常用于生产RAM和交换应用系统，在计算机领域里通常指保存计算机基本启动信息(如日期、时间、启动设置等)的ROM芯片。BiCMOS成为射频电路中用得最多的工艺技术。它结合双极性集成电路BJT的高速性能和高驱动能力，以及CMOS的高密度，低功耗和低成本等优点，既可用于数字集集成电路，也可用于模拟集成电路。
延时功耗积
扇入与扇出数
扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。
扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。
扇出数的计算分两种情况: (a)拉电流和(b)灌电流
（a）带拉电流负载（高电平输出）
高电平扇出数:
（b）带灌电流负载（低电平输出）
特别要说明的是，源极在MOSFET里的意思是“提供多数载子的来源”。对NMOS而言，多数载流子是电子；对PMOS而言，多数载流子是电洞（空穴）。相对的，汲极（集电极）就是接受多数载流子的端点。
N沟道增强型MOSFET
结构（N沟道）
P沟道MOSFET
JFET的结构和工作原理
输入端的数目越多，则串联的管子也越多；
数字电路基础知识
第三章 数字电路基础知识1、逻辑门电路（何为门）2、真值表3、卡诺图4、3线-8线译码器的应用5、555集成芯片的应用一. 逻辑门电路（何为门）在逻辑代数中，最基本的逻辑运算有与、或、非三种。
每种逻辑运算代表一种函数关系，这种函数关系可用逻辑符号写成逻辑表达式来描述，也可用文字来描述，还可用表格或图形的方式来描述。
最基本的逻辑关系有三种：与逻辑关系、或逻辑关系、非逻辑关系。
实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的单元电路称为逻辑门电路。
例如：实现“与”运算的电路称为与逻辑门，简称与门；实现“与非”运算的电路称为与非门。
逻辑门电路是设计数字系统的最小单元。
1.1.1 与门“与”运算是一种二元运算，它定义了两个变量A 和B 的一种函数关系。
用语句来描述它，这就是：当且仅当变量A 和B 都为1时，函数F 为1；或者可用另一种方式来描述它，这就是：只要变量A 或B 中有一个为0，则函数F 为0。
“与”运算又称为逻辑乘运算，也叫逻辑积运算。
“与”运算的逻辑表达式为：F A B =⋅ 式中，乘号“．”表示与运算，在不至于引起混淆的前提下，乘号“．”经常被省略。
该式可读作：F 等于A 乘B ，也可读作：F 等于A 与B 。
由“与”运算关系的真值表可知“与”逻辑的运算规律为：00001100111⋅=⋅=⋅=⋅= 表2-1b “与”运算真值表简单地记为：有0出0，全1出1。
由此可推出其一般形式为：001A A AA A A⋅=⋅=⋅=实现“与”逻辑运算功能的的电路称为“与门”。
每个与门有两个或两个以上的输入端和一个输出端，图2-2是两输入端与门的逻辑符号。
在实际应用中，制造工艺限制了与门电路的输入变量数目，所以实际与门电路的输入个数是有限的。
其它门电路中同样如此。
1.1.2 或门“或”运算是另一种二元运算，它定义了变量A 、B 与函数F 的另一种关系。
用语句来描述它，这就是：只要变量A 和B 中任何一个为1，则函数F 为1；或者说：当且仅当变量A 和B 均为0时，函数F 才为0。
数字逻辑第3章 门电路
逻辑式：Y=A + B
逻辑符号： A 1
B
Y
电压关系表
uA uB uY
0V 0V 0V 0V 3V 2.3V 3V 0V 2.3V 3V 3V 2.3V
真值表
ABY
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
三、三极管非门
5V
利用二极管的压降为0.7V， 保证输入电压在1V以下时，
电路可靠地截止。
A(V) Y(V) <0.8 5 >2 0.2
II H &
II L &
… …
NOH
I OH (max) I IH
N MIN ( NOH , NOL )
NOL
IOL(max) I IL
六、CMOS漏极开路门（OD）门电路（Open Drain）
1 . 问题的提出
普通门电路
在工程实践中，往往需要将两个门的输出端 能否“线与”？
并联以实现“与”逻辑功能，称为“ 线与 。
输入 0 10% tr tf
tPHL
输出
tPLH
tr：上升时间
tf：下降时间 tw：脉冲宽度 tPHL：导通传输时间
tPLH：截止传输时间
平均传输延迟时间 （Propagation delay)
tpd= tpHL+ tpLH 2
5、功耗： 静态功耗：电路的输出没有状态转换时的功耗。 动态功耗：电路在输出发生状态转换时的功耗。
PMOS
NMOS
3、增强型MOSFET的开关特性
iD管可变子类型恒
VGS1 击开/关的条（件1）N沟道增强开型/M关O的S等FE效T电：路
第三章逻辑门电路
4．74S系列——为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。如图示。
5．74LS系列——为低功耗肖特基系列。 6．74AS系列——为先进肖特基系列，
它是74S系列的后继产品。
7．74ALS系列——为先进低 功耗肖特基系列，
t
50%
主要取决于存储时间ts， 5管门电路 tpd＝40ns
o tpHL tpLH
t
4、功耗
静态功耗：当电路的输出没有状态转换时的 功耗。 例如：便携计算机、手机和PDA等。 动态功耗：CMOS电路在输出发生状态转换时的 功耗。
5、延时——功耗积
Dp tpdPD
tpd=(tPLH+tPHL)/2用平均传输延迟时间， tPLH---由低电平转换到高电平所花的时间.
SN (1)
74 (2)
S (3)
195 (4)
J 封装的4位并行移位寄存器 (5)
司制造的采用陶瓷双列直插
封装形式 J：陶瓷双列直插封装 器件种类：4位并行移位寄存器 器件系列：肖特基74TTL电路系列 产品系列 74系列 制造厂商 SN：美国TEXAS公司制造
TTL集成逻辑门电路系列简介
1．74系列——为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。
输入电压在3.5V~5.0V范围对应高电平逻辑1 输入电压在0~1.5V范围对应低电平逻辑0
输入低电平上限VIL、输入高电平下限VIH、 输出低电平上限VOL、输出高电平下限VOH、
2.噪声容限
1
VOH(min) VNH VIH(min) VIL(max) VNL
1
在保证输出高、低电平基本不变 的条件下，输入电平的允许波动 范围称为输入端噪声容限。
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）。
数字模拟电路---第三章 逻辑门电路(1)
路。
简称门电路。
5V一、TTL 与非门图3-1 典型TTL 与非门电路3.2 TTL 集成门电路•数字集成电路中应用最广的为TTL 电路（Transister-Transister-Logic 的缩写）•由若干晶体三极管、二极管和电阻组成，TTL 集成电路有54/74系列 ①输出高电平UOH 和输出低电平UOL 。
•输出高电平U OH：至少有一个输入端接低电平时的输出电平。
•输出低电平U OL：输入全为高电平时的输出电平。
• 电压传输特性的截止区的输出电压UOH=3.6V，饱和区的输出电压UOL=0.3V。
一般产品规定U OH≥2.4V、U OL＜0.4V时即为合格。
二、TTL与非门的特性参数③开门电平U ON 和关门电平U OFF 。
开门电平U ON 是保证输出电平达到额定低电平(0.3V )时，所允许输入高电平的最低值，表示使与非门开通的最小输入电平。
通常U ON =1.4V ，一般产品规定U ON ≤1.8V 。
关门电平U OFF 是保证输出电平为额定高电平(2.7V 左右)时，允许输入低电平的最大值，表示与非门关断所允许的最大输入电平。
通常U OFF ≈1V ，一般产品要求U OFF ≥0.8V 。
5). 扇入系数Ni和扇出系数N O 是指与非门的输入端数目。
扇入系数Ni是指与非门输出端连接同类门的个数。
反扇出系数NO映了与非门的带负载能力。
6）输入短路电流I IS 。
当与非门的一个输入端接地而其余输入端悬空时，流过接地输入端的电流称为输入短路电流。
7）8）平均功耗P 指在空载条件下工作时所消耗的电功率。
三、TTL门电路的改进 74LS系列 性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。
因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗—延迟积或pd积)来评价门电路性能的优劣。
74LS系列又称低功耗肖特基系列。
74LS系列是功耗延迟积较小的系列(一般t pd＜5 ns，功耗仅有2 mW) 并得到广泛应用。
门电路PPT
3.2.2 二极管与门
其输入输出及真值表如表 3.2.1和3.2.2所示
其输出Y和输入A、B是与的关系，
即
Y AB
表3.2.1
表3.2.2
A BY
A BY
0V 0V 0.7V 规定3V以上为“1” 0 0 0
0V 3V 0.7V
或门
与门
即Y=A+B，对偶式为YD＝
与非门
或非门
AB。正负逻辑的使用依个人 的习惯，但同一系统中采用
或非门
与非门
一种逻辑关系，本书采用
异或门
同或门
正逻辑
同或门
异或门
3.1 概述
3. 高低电平的实现
在数字电路中，输入输出
都是二值逻辑，其高低电平用
“0”和“1”表示。其高低电平
的获得是通过开关电路来实现，
兼容型（ FET ＋BJT ）
数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因 此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、 工作原理
3.2 半导体二极管门电路
3.2.1半导体二极管的开关特性 1. 稳态开关特性 将图3.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图 3.2.1所示的半导体二极管开关电路
符号如图3.3.1所示
D
D
BG
G
S
S
(a)标准符号
(b)简化符号
图3.3.1 增强型NMOS管的符号
3.3.1 MOS管的开关特性 NMOS共源极接法电路如图3.3.2（a）所示，输出特性 如(b)所示
图3.3.2 NMOS管共源极接法电路及其输出特性
3.3.1 MOS管(绝缘栅）的开关特性
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
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(a) +
－
P 区中电子 浓度分布 (b)
Ln
N 区中空穴 浓度分布
x Lp
同理,二极管从截止转为正向导通也需要时间,这段时 间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多,一般 可以忽略不计。
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二、三极管的开关特性
1．三极管的三种工作状态
+ VCC
RC
iC
三极管工作在截止状态的条件为:发射结反偏或小于死区电压
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（2）放大状态:当VI为正值且大于死区电压时,三极管导通。有
IB
VI
VBEVI
Rb
Rb
此时,若调节Rb↓,则IB↑,IC↑，VCE↓，工作点沿着负载线由A点
→B点→C点→D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，
其特点为IC＝βIB。
解: 根据饱和条件IB＞IBS解题。
3-0.7
IB
0.02m3A () 100
IBSVR CCC610 1200.0m 20)A(
∵IB＞IBS ∴三极管饱和。
ICICSVRCCC11021.2m(A )
+ VI －
Rb
1
100 kΩ
+ VC C （ + 1 2 V ） RC 10k Ω
3
T
+
2
VO
第三章 逻辑门电路
第三章 逻辑门电路
§3.1 数字电路中的二极管与三极管
§3.2 基本逻辑门电路
§3.3 TTL逻辑门电路
§3.4 MOS逻辑门电路
§3.5 集成逻辑门电路的应用 §3.6 混合逻辑中逻辑符号的变换
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2
3.1 数字电路中的二极管与三极管 一、二极管的开关特性
1．二极管的静态特性
-
VOVCE S0.3V
（2）将RC改为6.8kW,重复以上计算。
图 1.4.6 例 1.4.1电 路
IB不变,仍为0.023mA
IBSVR CCC610 62. 80.0m 29)A(
∵IB＜IBS ∴三极管处在放大状态。 IC IB 6 0 0. 0 12 m .4 3 )A (
V O V C E V C -C I C R C 1- 1 2 6 .4 .2 8V .) 48(
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（3）将RC改为6.8kW,再将Rb改为60kW,重复以上计算。
3-0.7
IB
0.03m8A )( 60
IBS≈0.029 mA
∵IB＞IBS ∴三极管饱和。
ICICSV RCCC6 1.2 81.7m 6)A (
VOVCE S0.3V
+
由上三例极可管见是,R否b饱、和R。C 、β等参数都能决定
是二极管开关的动态特性。
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2．二极管开关的动态特性
给二极管电路加入 一个方波信号,电流的 波形怎样呢?
D
+
i
vi
RL
－
(a)
ts为存储时间,tt称为渡越 时间,tre＝ts十tt称为反向 恢复时间。
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5
反向恢复时间:tre＝ts十tt
产生反向恢复过程的原因:
反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。
(1)加正向电压VF时,二极管导通,管压降VD可忽略。二
极管相当于一个闭合的开关。
D
V
F
IF
RL
(a )
K
V
F
IF
RL
(b)
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3
(2)加反向电压VR时,二极管截止,反向电流IS可忽略。
二极管相当于一个断开的开关。
D
V
R
IS
RL
K
V
R
RL
(a )
(b)
可见,二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。 当外加电压vi为一脉冲信号时,二极管将随着脉冲电压的 变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就
值为:VCES≈0.3V。
三极管工作在饱和状态的电流条件为:IB＞ IBS
电压条件为:集电结和发射结均正偏
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11
例 电路及参数如图1.4.6所示,设输入电压VI=3V,三极管的VBE=0.7V。 （1）若β＝60,试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。
Rb b
c3
1
T
+
2
VI
iB
－
e
iC
VC C/RC
E
IC S D
C
0 .7V
IB 5 IB 4 = IB S IB 3
IB 2
B
IB 1
A IB= 0 v
VC CΒιβλιοθήκη CE（1）截止状态:当VI小于三极管发射结死区电压时,IB＝ICBO≈0,IC＝ ICEO≈0,VCE≈VCC，三极管工作在截止区，对应图1.4.5（b）中的A点。
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2．三极管的动态特性
（1）延迟时间td—— 从输入信号vi正跳变的 瞬间开始,到集电极电流iC 上升到0.1ICS所需的时间
（2）上升时间tr—— 集电极电流从0.1ICS上 升到0.9ICS所需的时间。 （3）存储时间ts—— 从输入信号vi下跳变的 瞬间开始,到集电极电流iC 下降到0.9ICS所需的时间。 （4）下降时间tf—— 集电极电流从0.9ICS下降 到0.1ICS所需的时间。
为零偏，称为临界饱和状态，对应图（b）中的E点。此时的集电
极电流称为集电极饱和电流，用ICS表示，基极电流称为基极临界 饱和电流，用IBS表示，有:
ICSVCCR-C 0.
7V VCC RC
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IBS
ICS
VCC
RC
9
若再减小Rb,IB会继续增加,但IC已接近于最大值VCC/RC,不会再增加， 三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型
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3.2 基本逻辑门电路
一、二极管与门和或门电路
1．与门电路
+ VC C （ + 5V ）
D1 A
D2 B
R 3kΩ
L
A
&
L=A· B
B
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VI －
Rb
1
100 kΩ
+ VC C （ + 1 2 V ） RC 10k Ω
3
T
+
2
VO
-
该电路的则饱和条件可写为:
VI Rb
＞
V CC RC
图 1.4.6 例 1.4.1电 路
即在VI一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下,Rb越小,β越 大,RC越大，三极管越容易饱和。在数字电路中总是合理地选择 这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。
三极管工作在放大状态的条件为:发射结正偏，集电结反偏
+ VCC
RC
iC
Rb b
c3
1
T
+
2
VI
iB
－
e
iC
VC C/RC
E
IC S D
C
0 .7V
IB 5 IB 4 = IB S IB 3
IB 2
B
IB 1
A IB= 0 v
VC C
CE
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（3）饱和状态:保持VI不变,继续减小Rb,当VCE ＝0.7V时,集电结变