第二章 逻辑门电路

《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 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 在分析门电路时，将着重它们的逻辑功能和外特性，对其内部电路，只作一般介绍。 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 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tS

称为存储时间，tt称为渡越时间，tre=ts+tt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。 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 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。 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 如上图所示电路的输入端加入一个幅度在-VB1和+VB2之间变化的理想方波，则输出电流Ic的波形如下图。

《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 2.3 基本逻辑门电路 基本逻辑运算有与、或、非运算，对应的基本逻辑门有与、或、非门。本节介绍简单的二极管门电路和BJT反相器（非门）,作为逻辑门电路的基础。 用电子电路来实现逻辑运算时，它的输入、输出量均为电压（以Ｖ为单位）或电平（用１或０表示）。通常将门电路的输入量作为条件，输出量作为结果。

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。

如果考虑输入端的各种取值情况，可以得到下表―――输入信号为+5V或0V。 输入(V) 输出(V) VA VB VC VL 0 0 0 0 +5 +5 +5 +5 0 0 +5 +5 0 0 +5 +5 0 +5 0 +5 0 +5 0 +5 0 0 0 0 0 0 0 +5

将表中的+5V用1代替，则可得到真值表： A B C L 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 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

用真值表将所有情况罗列如下： A B C L 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1

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

上图表示一基本反相器电路及其逻辑符号。下图则是其传输特性，图中标出了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：Vi辑1：Vi>V2 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 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。下图给出了复合门电路的一个例子及其逻辑符号和逻辑表达式。

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双极型逻辑集成电路，简称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

寻求更为实用的TTL电路结构，是下面所要讨论的问题。 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 二、TTL反相器的基本电路

下图就是一个TTL反相器的基本电路。

该电路由三部分组成：由三极管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vI2转换为互补的双端输出信号vI3和vI4，以驱动T3 和T4。

1.TTL反相器的工作原理―――对照上图讲解过程 这里主要分析TTL反相器的逻辑关系,并估算电路中有关各点的电压，以得到简单的定量概念。

（1）。。。实现了反相器的逻辑关系：输入为高电平时，输出为低电平。

（2）。。。实现了反相器的逻辑关系：输入为低电平时，输出为高电平。

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。 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 四、TTL与非门电路

。。。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。

五、TTL与非门的技术参数 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.噪声容限――噪声容限表示门电路的抗干扰能力。二值数字逻辑电路的优点在于它的输入信号允许一定的容差。高电平噪声容限：VNH＝VOH－VIH＝2.4V－2V＝0.4V，低电平噪声容限：VNL＝VIL－VOL＝0.8V－0.4V＝0.4V 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 4.扇入与扇出数 扇出数--门电路所能带负载个数，与非门输出端最多能接几个同类的与非门。 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

通常，输出低电平电流IOL大于输出高电平电流IOH，NOL不等于NOH，因而在实

际工程设计中，常取二者中的最小值。

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：IOL＝16mA，IIL＝-1.6mA；IOH＝16mA，IIH＝-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NOL＝NOH。如前所述，若NOL＝NOH。则取较小的作为电路的扇出数。扇入数NI

取决于TTL门电路的输入端个数。 《数字电子技术》教案 浙江万里学院电信学院 钱裕禄 2005年1月18日 5.传输延迟时间

这是一个表征门电路开关速度的参数，意味着门电路在输入脉冲波形的作用下，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ICC与电源电压VCC的乘积。

对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。

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＝tPdPD。，

式中tpd＝(tPLH＋tHL)／2，PD为门电路的功耗，一逻辑门器件的DP的值愈小，表明它

的特性愈接于理想情况。

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。