第三章 邏輯門電路

1、第三章 邏輯門電路本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)v熟悉開關(guān)器件（二極管、三極管熟悉開關(guān)器件（二極管、三極管BJT）的開關(guān)）的開關(guān)特性特性 【BJT：Bipolar Junction Transistor】第3章v掌握由分立元件構(gòu)成的基本邏輯門電路掌握由分立元件構(gòu)成的基本邏輯門電路 二極管二極管與門與門電路電路 二極管二極管或門或門電路電路 非門非門BJT反相器反相器本章學(xué)習(xí)重點(diǎn)vTTL邏輯門電路邏輯門電路第3章一般了解一般了解 它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)重點(diǎn)重點(diǎn) 掌握它們的邏輯功能和外特性掌握它們的邏輯功能和外特性邏輯門電路的主要技術(shù)參數(shù)邏輯門電路的主要技術(shù)參數(shù)TTL門電路中的門電路中的OC門和三態(tài)門門和三態(tài)

2、門一二極管的開關(guān)特性首先來看一下獲得高、低電平的基本原理：首先來看一下獲得高、低電平的基本原理： 當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)S S斷開時(shí)，輸斷開時(shí)，輸 出電壓出電壓v vO O為高電平；為高電平； 當(dāng)開關(guān)當(dāng)開關(guān)S S接通后，輸接通后，輸出便為低電平。出便為低電平。 以下討論的開關(guān)以下討論的開關(guān)S S是用是用半導(dǎo)體二極管或三極管構(gòu)成半導(dǎo)體二極管或三極管構(gòu)成的。的。第3章返回二極管的開關(guān)特性表現(xiàn)在：二極管的開關(guān)特性表現(xiàn)在： 正向?qū)ㄕ驅(qū)ㄅc與反向截止反向截止這樣兩種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。這樣兩種不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程。第3章（一）半導(dǎo)體二極管相關(guān)知識(shí)（一）半導(dǎo)體二極管相關(guān)知識(shí)二極管的幾種外形二極管的幾種外形

3、 二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)和符號(hào)二極管的幾種常見結(jié)構(gòu)和符號(hào) 第3章二極管的基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦远O管的基本特性：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦詖 二極管的伏安特性二極管的伏安特性v正向偏置時(shí)正向偏置時(shí)二極管導(dǎo)通二極管導(dǎo)通反向偏置時(shí)反向偏置時(shí)二極管截止二極管截止) 1e (IiTVvSi i為流過二極管的電流；為流過二極管的電流；v v 為加到二極管兩端的為加到二極管兩端的電壓；電壓；v vT T 為溫度的電壓當(dāng)量，為溫度的電壓當(dāng)量，常溫下等于常溫下等于 26mV26mV第3章第3章（二）二極管的開關(guān)特性（二）二極管的開關(guān)特性 當(dāng)當(dāng)v vi i=0(=0(即輸入為低電平即輸入為低電平) )時(shí)：時(shí)： D D導(dǎo)通，輸出導(dǎo)通

4、，輸出v vo o0 0為低電為低電平；平；相當(dāng)于開關(guān)閉合狀態(tài)相當(dāng)于開關(guān)閉合狀態(tài) 當(dāng)當(dāng)v vi i=V=VCCCC( (即輸入為高電平即輸入為高電平) )時(shí)：時(shí)：D D截止，輸出截止，輸出v vo oV VCCCC為高電為高電平；平；相當(dāng)于開關(guān)斷開狀態(tài)相當(dāng)于開關(guān)斷開狀態(tài) 二三極管的開關(guān)特性（一）半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)（一）半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu) （1 1）三極管的幾種外形）三極管的幾種外形第3章返回（2）三極管的幾種常見結(jié)構(gòu)和符號(hào)）三極管的幾種常見結(jié)構(gòu)和符號(hào)第3章常用雙極型三極管的兩種類型：常用雙極型三極管的兩種類型：（b b）PNPPNP型型（a a）NPNNPN型型第3章（3）雙極型三極管的特性曲

5、線）雙極型三極管的特性曲線（a a） 輸入特性曲線輸入特性曲線 以基極以基極b b和發(fā)和發(fā)射極射極e e之間的發(fā)射之間的發(fā)射結(jié)作為輸入回路結(jié)作為輸入回路而得該曲線。而得該曲線。 它與半導(dǎo)體它與半導(dǎo)體二極管正向?qū)ǘO管正向?qū)〞r(shí)的時(shí)的V-IV-I特性曲線特性曲線相同。相同。第3章（b b）輸出特性曲線）輸出特性曲線 以集電極以集電極c c和發(fā)射極和發(fā)射極e e之間的回路作為輸出回路，而得之間的回路作為輸出回路，而得該輸出曲線。該輸出曲線。第3章半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性 第3章 當(dāng)當(dāng)v vi i=0(=0(即輸入為即輸入為低電平低電平) )時(shí)：時(shí)：T T截止，截止，輸出輸出v

6、 vo oV VCCCC為高電為高電平；平；相當(dāng)于開關(guān)相當(dāng)于開關(guān)斷開狀態(tài)斷開狀態(tài) 當(dāng)當(dāng)v vi i=V=VCCCC( (即輸入即輸入為高電平為高電平) )時(shí)：時(shí)：T T導(dǎo)通，導(dǎo)通，輸出輸出v vo o0 0為低電為低電平；平；相當(dāng)于開關(guān)相當(dāng)于開關(guān)閉合狀態(tài)閉合狀態(tài)&L=ABBAABD1YVCC（5V）D2RA、B輸入，輸入，Y輸出輸出設(shè)：設(shè)：VIH=3V， VIL=0V只要只要A、B中有一個(gè)為低電平（中有一個(gè)為低電平（0V），），二極管正向?qū)▔航刀O管正向?qū)▔航?VD=0.7V。只有只有A、B同時(shí)為高電平（同時(shí)為高電平（3V），），以以A=0為例為例0V0.7V則相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，則

7、相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，Y就為低電平（就為低電平（0.7V），即：），即：只要只要AB=0，則，則Y=0。即：即：只有只有AB=1，才有，才有Y=1。3V3V3.7VY才為高電平（才為高電平（3.7V）。）。邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)所以：所以：Y=AB三. 分立元件構(gòu)成的門電路v二極管與門二極管與門這種與門電路雖然很簡(jiǎn)單，但存在著嚴(yán)重的缺點(diǎn)這種與門電路雖然很簡(jiǎn)單，但存在著嚴(yán)重的缺點(diǎn) (1)輸出電平都比輸入電平高出輸出電平都比輸入電平高出0.7V電平偏離，如電平偏離，如果將三個(gè)這種門級(jí)聯(lián)（前級(jí)的輸出作為后級(jí)的輸入），果將三個(gè)這種門級(jí)聯(lián)（前級(jí)的輸出作為后級(jí)的輸入），VCC（5V）0V則最后一級(jí)的輸出低電平偏離到

8、則最后一級(jí)的輸出低電平偏離到2.1V，已接近規(guī)定的，已接近規(guī)定的輸入的高電平，會(huì)造成邏輯混亂。輸入的高電平，會(huì)造成邏輯混亂。0.7V1.4V2.1VD1D2RD1D2RD1D2RD1D2R+VCC（5V）RL=R3V3V3.7V2.5V(2)當(dāng)輸出端對(duì)地接上負(fù)載電阻（常稱為下拉負(fù)載）時(shí)，當(dāng)輸出端對(duì)地接上負(fù)載電阻（常稱為下拉負(fù)載）時(shí)，會(huì)使輸出高電平降低，即帶負(fù)載能力差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成邏會(huì)使輸出高電平降低，即帶負(fù)載能力差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成邏輯混亂。輯混亂。 2 二極管或門二極管或門1L=A+BABABD1YD2RA、B輸入，輸入，Y輸出輸出設(shè)：設(shè)：VIH=3V， VIL=0V只要只要A、B中有一個(gè)為高電

9、平（中有一個(gè)為高電平（3V），），二極管正向?qū)▔航刀O管正向?qū)▔航?VDF=0.7V。只有只有A、B同時(shí)為低電平（同時(shí)為低電平（0V），兩個(gè)二極管均截止。），兩個(gè)二極管均截止。以以A=1為例為例0V0V則相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，則相應(yīng)的二極管導(dǎo)通，Y就為高電平（就為高電平（2.3V），即：），即：只要只要A+B=1，則，則Y=1。3V2.3VY才為低電平（才為低電平（0V），即：），即：只有只有A+B=0，才有，才有Y=0邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)所以：所以：Y=A+B0V設(shè)三極管的設(shè)三極管的=20；VCES=0.3V，VBE=0.7V，VIL=0.3V，VIH=3.2V （一）邏輯功能分析（一）邏輯功能

10、分析 1.當(dāng)當(dāng)uI=VIL=0.3V，即：，即：A=0時(shí)時(shí)TRCR1VCC=5VR24.7KVBB=-5VuouI10K56KEBCuO=VOH=5V，即，即 Y=1三極管截止，三極管截止，iC0iC0.3V5V3.三極管非門三極管非門2.當(dāng)當(dāng)uI=VIH=3.2V，即：，即：A=1時(shí)時(shí)三極管飽三極管飽he，VBES=0.7V，VCES=0.3V 實(shí)現(xiàn)了邏輯非：實(shí)現(xiàn)了邏輯非：AY TRCR1VCC=5VR24.7KVBB=-5VuouI10K56KEBCuO=VOL=VCES=0.3V，即，即 Y=0它是一個(gè)非門（也稱反相器）它是一個(gè)非門（也稱反相器）R1R2UBB=-5VuI10K56K0.

11、7V3.2V3.2Vi1i2iB邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)四四. TTL. TTL集成門電路集成門電路 所謂集成電路（所謂集成電路（Integrated Circuit，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱IC）是采用）是采用一定的生產(chǎn)工藝，將晶體管、電阻、電容等元件和連線制一定的生產(chǎn)工藝，將晶體管、電阻、電容等元件和連線制做在同一塊半導(dǎo)體基片上、并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)所構(gòu)成的做在同一塊半導(dǎo)體基片上、并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)所構(gòu)成的電路單元。集成門電路具有體積小、可靠性高、工作速度電路單元。集成門電路具有體積小、可靠性高、工作速度快等許多優(yōu)點(diǎn)?？斓仍S多優(yōu)點(diǎn)。 按照所采用的基本電子器件的不同，集成門電路分為按照所采用的基本電子器件的不同，集

12、成門電路分為TTL和和MOS兩大類型。兩大類型。 TTLTTL數(shù)字集成器件內(nèi)部由雙極型晶體管組成，數(shù)字集成器件內(nèi)部由雙極型晶體管組成，TTLTTL是晶是晶體管一晶體管邏輯電路體管一晶體管邏輯電路(Transistor Transistor Logic)(Transistor Transistor Logic)的簡(jiǎn)稱，由于其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造工藝成熟，因此性能穩(wěn)的簡(jiǎn)稱，由于其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，制造工藝成熟，因此性能穩(wěn)定，可靠性高。定，可靠性高。 TTLTTL集成門電路有集成門電路有54(54(軍用品軍用品) )和和74(74(民用品民用品) )兩大系列，兩大系列，每一系列的品種很多，每一系列的品種很多，

13、7474系列中有系列中有7474( (標(biāo)準(zhǔn)型標(biāo)準(zhǔn)型) )、74S74S( (肖特基型肖特基型) )、74LS74LS( (低功耗肖特基型低功耗肖特基型) )等等 . . ( (一）一）TTLTTL反相器反相器第3章典型電路典型電路通常把它分成三部分：通常把它分成三部分：輸入級(jí)（輸入級(jí)（R R1 1、 D D1 1和和T T1 1）倒相級(jí)（倒相級(jí)（R R2 2、T T2 2和和R R3 3）輸出級(jí)（輸出級(jí)（R R4 4、 T T4 4 和和D D2 2 、T T5 5）返回TTLTTL反相器電路反相器電路第3章【分析工作原理（分析工作原理（1 1）】 當(dāng)輸入為高電平，假當(dāng)輸入為高電平，假設(shè)設(shè)V

14、Vcccc =5v ,V =5v ,VI I =V =VIHIH =3.4V =3.4V時(shí)：時(shí)：T T1 1發(fā)射結(jié)正偏處于導(dǎo)通狀發(fā)射結(jié)正偏處于導(dǎo)通狀態(tài)，而態(tài)，而T T2 2和和T T5 5的的發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)必必然導(dǎo)通，然導(dǎo)通，T T4 4和和D D2 2 均截止，均截止，故此時(shí)輸出為低電平。故此時(shí)輸出為低電平。TTLTTL反相器電路反相器電路第3章【分析工作原理（分析工作原理（2 2）】 當(dāng)輸入為低電平，當(dāng)輸入為低電平，假設(shè)假設(shè)v vI I=V=VILIL=0.2V=0.2V時(shí)：時(shí)：T T1 1發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，發(fā)射結(jié)導(dǎo)通，T T2 2和和T T5 5均截止，而均截止，而T T4 4和和D D4 4處

15、于處于飽和狀態(tài)，故此時(shí)輸飽和狀態(tài)，故此時(shí)輸出為高電平。出為高電平。YATTLTTL反相器電路反相器電路第3章【幾點(diǎn)說明幾點(diǎn)說明】v輸出端屬于推拉式輸出端屬于推拉式（圖騰柱）輸出級(jí)。其（圖騰柱）輸出級(jí)。其優(yōu)點(diǎn)是：既能提高開關(guān)優(yōu)點(diǎn)是：既能提高開關(guān)速度，又能提高帶負(fù)載速度，又能提高帶負(fù)載能力。能力。v二極管二極管D D1 1的作用：為的作用：為確保確保T T5 5飽和導(dǎo)通時(shí)飽和導(dǎo)通時(shí)T T4 4可可靠地截止而串的?？康亟刂苟?。vTTLTTL集成門電路的某個(gè)集成門電路的某個(gè)輸入端懸空，相當(dāng)于輸輸入端懸空，相當(dāng)于輸入端接入端接1 1。TTL反相器的電壓傳輸特性反相器的電壓傳輸特性第3章就是就是 的關(guān)

16、系曲線，如下圖所示。的關(guān)系曲線，如下圖所示。)v(fvIOABAB段段截止區(qū)截止區(qū)BCBC段段線性區(qū)線性區(qū)CDCD段段轉(zhuǎn)折區(qū)轉(zhuǎn)折區(qū)DEDE段段飽和區(qū)飽和區(qū)V0V1 +5V +5V R 測(cè)試電路測(cè)試電路（二）（二） TTL TTL與非門電路與非門電路第3章 把把TTLTTL反相器的輸反相器的輸入端修改為多輸入端入端修改為多輸入端的形式，就變成了的形式，就變成了TTLTTL與非門電路。與非門電路。多輸入端多輸入端典型電路典型電路BAY其中其中T1是一個(gè)多發(fā)射極三極管，相當(dāng)若干個(gè)發(fā)射極獨(dú)立而基極是一個(gè)多發(fā)射極三極管，相當(dāng)若干個(gè)發(fā)射極獨(dú)立而基極和集電極分別并聯(lián)在一起的三極管，其等效電路如下：和集電極分

17、別并聯(lián)在一起的三極管，其等效電路如下：BAC+VRPCC（+5V）PPPNNNN+V13CCABCTbR1TTLTTL與非門的技術(shù)參數(shù)與非門的技術(shù)參數(shù)（1 1）傳輸特性【如前介紹】）傳輸特性【如前介紹】（2 2）輸入和輸出的高、低電壓）輸入和輸出的高、低電壓由前面由前面TTLTTL反相器的傳輸特性可以反相器的傳輸特性可以求得輸入和輸出的高、低電壓的數(shù)值如下：求得輸入和輸出的高、低電壓的數(shù)值如下：輸出高電壓輸出高電壓 V VOHOHVVO O(A)=3.6V(A)=3.6V輸出低電壓輸出低電壓 V VOLOL=V=VCESCES=0.2V=0.2V輸入低電壓輸入低電壓 V VILIL=V=VI

18、I(B)=0.4V(B)=0.4V輸入高電壓輸入高電壓 V VIHIH=V=VI I(D)=1.2V(D)=1.2V第3章V0V1 +5V +5V R 參數(shù)名稱參數(shù)名稱符號(hào)符號(hào)單位單位指標(biāo)指標(biāo)輸出高電平輸出高電平輸出低電平輸出低電平開門電平開門電平關(guān)門電平關(guān)門電平輸入短路電流輸入短路電流輸入高電平電輸入高電平電流流扇出系數(shù)扇出系數(shù)傳輸延遲時(shí)間傳輸延遲時(shí)間功耗功耗VOHVOLVONVOFFIISIIHNtpdPVVVVmAA個(gè)個(gè)nsmW3.20.351.80.82.25084050TTL與非門主要參數(shù)與非門主要參數(shù) （三）集電極開路門（三）集電極開路門（OCOC門：門：【Open Collect

19、or Open Collector 】）第3章定義定義 集電極開路集電極開路(Open Collector)(Open Collector)門簡(jiǎn)稱為門簡(jiǎn)稱為OCOC門門, ,它它是是TTL與非門電路的推拉式輸出級(jí)中，與非門電路的推拉式輸出級(jí)中，將輸出級(jí)改為集電極將輸出級(jí)改為集電極開路的晶體管結(jié)構(gòu)。開路的晶體管結(jié)構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)及邏輯符號(hào)電路結(jié)構(gòu)及邏輯符號(hào) OC門的特點(diǎn)門的特點(diǎn)vOCOC門最顯著的特點(diǎn)就是：可以門最顯著的特點(diǎn)就是：可以線與線與。v所謂所謂“線線與與”，就是，就是將多個(gè)將多個(gè)OCOC門門的輸出端并的輸出端并聯(lián)（即各輸聯(lián)（即各輸出端用一根出端用一根導(dǎo)線直接連導(dǎo)線直接連接起來）以接起來）以

20、實(shí)現(xiàn)與邏輯實(shí)現(xiàn)與邏輯的功能（如的功能（如右圖所示）右圖所示）CDABY（四）三態(tài)輸出門（四）三態(tài)輸出門（TSLTSL門：門：【Tristate LogicTristate Logic】） 第3章三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)和代表符號(hào)三態(tài)門的電路結(jié)構(gòu)和代表符號(hào) 三態(tài)門的輸出具有三種狀態(tài)：高電平、低電平和高阻三態(tài)門的輸出具有三種狀態(tài)：高電平、低電平和高阻態(tài)（又稱為禁止態(tài)）。態(tài)（又稱為禁止態(tài)）。 （a a）控制端高電平有效）控制端高電平有效 當(dāng)當(dāng)EN=1EN=1時(shí)，時(shí)， 當(dāng)當(dāng)EN=0EN=0時(shí)，時(shí)，Y Y為高阻態(tài)為高阻態(tài) （b b）控制端低電平有效）控制端低電平有效 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，Y Y為高阻態(tài)為高阻態(tài) 當(dāng)當(dāng)

21、時(shí)，時(shí)， ABY 1EN 0EN ABY 三態(tài)門的應(yīng)用三態(tài)門的應(yīng)用第3章（1 1）用三態(tài)輸出門接成總線結(jié)構(gòu)）用三態(tài)輸出門接成總線結(jié)構(gòu)讓各門的控制端處于高電平，讓各門的控制端處于高電平，即任意時(shí)刻只讓一個(gè)即任意時(shí)刻只讓一個(gè)TSLTSL門處門處于工作狀態(tài)，而其余的于工作狀態(tài)，而其余的TSLTSL門門均處于高阻狀態(tài)，這樣總線會(huì)均處于高阻狀態(tài)，這樣總線會(huì)輪流接受各輪流接受各TSLTSL門的輸出。門的輸出。（2）用三態(tài)輸出門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸）用三態(tài)輸出門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸?shù)?章? 當(dāng)當(dāng)EN=1EN=1時(shí)：時(shí)：G G1 1工作而工作而G G2 2呈高阻態(tài)，呈高阻態(tài)，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)D D0 0經(jīng)經(jīng)G G1 1反

22、相后送反相后送到總線上去；到總線上去；? 當(dāng)當(dāng)EN=0EN=0時(shí)：時(shí)：G G2 2工作而工作而G G1 1呈高阻態(tài)，呈高阻態(tài)，來自總線的數(shù)據(jù)經(jīng)來自總線的數(shù)據(jù)經(jīng)G G2 2反相后由送出。反相后由送出。五五. . 使用集成電路時(shí)的注意事項(xiàng)使用集成電路時(shí)的注意事項(xiàng) v對(duì)于各種集成電路，使用時(shí)一定要在推薦的工對(duì)于各種集成電路，使用時(shí)一定要在推薦的工作條件范圍內(nèi)，否則將導(dǎo)致性能下降或損壞器作條件范圍內(nèi)，否則將導(dǎo)致性能下降或損壞器件。件。v數(shù)字集成電路種多余的輸入端在不改變邏輯關(guān)數(shù)字集成電路種多余的輸入端在不改變邏輯關(guān)系的前提下可以并聯(lián)起來使用，也可以根據(jù)邏系的前提下可以并聯(lián)起來使用，也可以根據(jù)邏輯關(guān)系的要求接地或接高電平。輯關(guān)系的要求接地或接高電平。TTLTTL電路多余的電路多余的輸入端懸空表示輸入為高電平；但輸入端懸空表示輸入為高電平；但CMOSCMOS電路，電路，多余的輸入端不允許懸空，否則電路將不能正多余的輸入端不允許懸空，否則電路將不能正常工作。常工作。 第3章五五. . 使用集成電路時(shí)的注意事項(xiàng)使用集成電路時(shí)的注意事項(xiàng) vTTLTTL電路和電路和CMOSCMOS電路之間