邏輯門電路課件

第2章邏輯門電路[主要內容及學習要求]在上一章里，我們初步認識了與、或、非三種基本邏輯運算和與非、或非、異或等常用邏輯運算，在那里，這些運算關系都是用邏輯符號來表示的。而在工程中每一個邏輯符號都對應著一種電路，并通過集成工藝做成一種集成器件，稱為集成邏輯門電路，邏輯符號僅是這些集成邏輯門電路的“黑匣子”。本章將逐步揭開這些“黑匣子”的奧秘，在介紹二極管和三極管開關特性的基礎上，簡要介紹分離元件與門、或門、非門以及由它們組成的與非門和或非門的邏輯功能；然后，重點討論集成邏輯門電路的兩種主要類型TTL和MOS門電路的工作原理、邏輯功能及外部特性，同時對內部結構也作簡要介紹，最后還介紹了他們的正確使用方法。退出下頁1．了解二極管和三極管的開關特性，掌握基本邏輯運算及基本的門電路（與、或、與非、或非、異或門等）的邏輯功能；2．掌握TTL和MOS邏輯門電路的功能、特性參數(shù)和使用方法；3．掌握OC門和三態(tài)門的電路結構特點，并能夠進行應用；4．了解邏輯門在使用時應注意的問題。通過本章的學習應掌握以下幾點：退出下頁本章內容2.1基本邏輯門電路

2.2TTL邏輯門電路

2.3MOS門電路

本章小結退出下頁半導體基礎知識（2）雜質半導體(磷、砷、銻)N型半導體多子：自由電子少子：空穴半導體基礎知識（2）雜質半導體（硼、鋁、銦等）P型半導體多子：空穴少子：自由電子半導體基礎知識（3）PN結的形成空間電荷區(qū)（耗盡層）擴散和漂移半導體基礎知識（4）PN結的單向導電性外加反向電壓半導體基礎知識（5）PN結的伏安特性正向導通區(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)K:波耳茲曼常數(shù)T:熱力學溫度q:電子電荷2.1基本邏輯門電路門電路：能夠實現(xiàn)邏輯運算的電路稱為邏輯門電路。邏輯門電路是最基本的邏輯元件。邏輯門電路可以用二極管、三極管等分立元件組成。

退出下頁2．二極管開關的動態(tài)特性

動態(tài)工作過程

(a)電路(b)輸入電壓波形(c)理想電流波形(d)實際電流波形圖2－3二極管開關的動態(tài)特性導通

躍變?yōu)樨撝?，產生很大反向電流

一段時間：把二極管從正向導通轉為反向截止所經過的轉換過程稱為反向恢復過程。退出下頁稱為存儲時間，稱為反向恢復時間稱為渡越時間二極管正向導通和反向截止之間的轉換過程，并不是在瞬間完成，而是需要一定的延遲時間才能轉換完畢，這個時間稱為二極管的開關時間。

退出下頁產生反向恢復過程的原因：電荷存儲效應

3．產生反向恢復過程的原因(a)PN結結構示意圖（b）PN結少子濃度分布圖2－4PN結示意圖由于二極管外加正向電壓時，P區(qū)空穴向N區(qū)擴散，使耗盡層（勢壘區(qū)）變窄我們把正向導通時，非平衡少數(shù)載流子積累的現(xiàn)象叫做電荷存儲效應

基區(qū)薄低摻雜發(fā)射區(qū)高摻雜集電區(qū)低摻雜以NPN為例說明工作原理：當VCC

>>VBBbe結正偏,bc結反偏e區(qū)發(fā)射大量的電子b區(qū)薄，只有少量的空穴bc反偏，大量電子形成IC二、三極管的輸入特性和輸出特性

三極管的輸入特性曲線（NPN）VON：開啟電壓硅管，0.5~0.7V鍺管，0.2~0.3V近似認為:VBE<VONiB=0VBE≥VONiB的大小由外電路電壓，電阻決定

特性曲線分三個部分放大區(qū)：條件VCE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比變化，ΔiC=βΔiB。飽和區(qū)：條件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC

隨ΔiB增加變緩，趨于“飽和”。截止區(qū)：條件VBE=0V,iB=0,iC=0,c—e間“斷開”。三、雙極型三極管的基本開關電路只要參數(shù)合理：VI=VIL時，T截止，VO=VOHVI=VIH時，T導通，VO=VOL工作狀態(tài)分析：四、三極管的開關等效電路截止狀態(tài)飽和導通狀態(tài)五、動態(tài)開關特性從二極管已知，PN結存在電容效應。在飽和與截止兩個狀態(tài)之間轉換時，iC的變化將滯后于VI，則VO的變化也滯后于VI。退出下頁（3）存儲時間ts——從輸入信號vi下跳變的瞬間開始，到集電極電流iC下降到0.9ICS所需的時間。是消散超量存儲電荷所需的時間。飽和越深，超量存儲電荷越多，存貯時間tS越長；而反向基極電流越大，超量存貯電和消散得越快，tS越短。（4）下降時間tf——集電極電流從0.9ICS下降到0.1ICS所需的時間。是繼續(xù)消散臨界飽和狀態(tài)時為建立濃度梯度而在基區(qū)中積累的電荷，即給發(fā)射結的擴散電容放電所需的時間。td和tr之和稱為開通時間ton，即ton=td+tr；ts和tf之和稱為關閉時間toff，即toff=ts+tf。2.1.3基本邏輯門電路退出下頁1．二極管與門電路

（a）電路（b）邏輯符號圖2－7二極管與門（1）VA=VB=0V。此時二極管D1和D2都導通，由于二極管正向導通時的鉗位作用，VL≈0V。（2）VA=0V，VB=5V。此時二極管D1導通，由于鉗位作用，VL≈0V，D2受反向電壓而截止。（3）VA=5V，VB=0V。此時D2導通，VL≈0V，D1受反向電壓而截止。（4）VA=VB=5V。此時二極管D1和D2都截止，VL=VCC=5V。退出下頁輸入輸出VL（V）VA（V）VB（V）005505050005輸入輸出LAB001101010001表2－3與邏輯真值表

表2－2與門輸入輸出電壓的關系

2．二極管或門電路輸入輸出VL（V）VAVB005505050555退出下頁（a）電路（b）邏輯符號圖2－8二極管或門L=A+B

表2－4或門輸入輸出電壓的關系

表2－5或邏輯真值表

輸入輸出LAB0011010101113．三極管非門電路退出下頁（a）電路（b）邏輯符號圖2－9三極管非門邏輯關系：

輸入VA（V）輸出VL（V）0550輸入A輸出L0110表2－6非門輸入輸出電壓的關系表2－7非邏輯真值表2.2TTL邏輯門電路退出下頁2.2.1TTL與非門的基本結構及工作原理圖2－10TTL與非門電路（a）二極管與門（b）多發(fā)射極三極管圖2－11TTL與非門輸入級的由來首先，考慮輸入級，多發(fā)射極晶體管T1在電路中起著“與”門的作用退出下頁第二，中間級。在電路的開通過程中利用T2的放大作用，為輸出管提供較大的基極電流，加速了輸出管的導通，提高輸出管的開通速度。另外T2和電阻RC2、RE2組成的放大器有兩個反相的輸出端VC2和VE2，以產生兩個互補的信號去驅動T3、T4組成的推拉式輸出級。第三，再分析輸出級。輸出級應有較強的負載能力，為此將三極管T3的集電極負載電阻RC換成由三極管T4、二極管D和RC4組成的有源負載。由于T3和T4受兩個互補信號Ve2和Vc2的驅動，所以在穩(wěn)態(tài)時，它們總是一個導通，另一個截止。這種結構，稱為推拉式輸出級。退出下頁圖2－12輸入全為高電平時的工作情況（1）輸入全為高電平3.6V時，工作情況如圖2-12所示。2．TTL與非門的工作原理

輸出電壓為：VO=VCES3≈0.3V

退出下頁2．TTL與非門的工作原理

（2）輸入有低電平0.3V時，工作情況如圖2-13所示。VO≈VCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）輸入有低電平時，輸出為高電平圖2－13輸入有低電平時的工作情況2.2.2TTL與非門的開關速度退出下頁1．提高TTL與非門工作速度的原理（1）采用多發(fā)射極三極管加快了存儲電荷的消散過程。圖2－14多發(fā)射極三極管消散VT2存儲電荷的過程其基極電流iB1=(VCC-VB1)/Rb1，

集電極電流iC1=β1iB1

退出下頁（2）采用了推拉式輸出級，輸出阻抗比較小，可迅速給負載電容充放電圖2－15

推拉式輸出級充放電過程退出下頁2．TTL與非門傳輸延遲時間tpd導通延遲時間tPHL——從輸入波形上升沿的中點到輸出波形下降沿的中點所經歷的時間。

截止延遲時間tPLH——從輸入波形下降沿的中點到輸出波形上升沿的中點所經歷的時間。圖2－16TTL與非門的傳輸時間與非門的傳輸延遲時間tpd是tPHL和tPLH的平均值：退出下頁傳輸特性的測試方法TTL與非門的電壓傳輸特性AB段為截止區(qū)，BC段為線性區(qū)，CD段為過渡區(qū)，DE段為飽和區(qū)2.2.3TTL與非門的電壓傳輸特性及抗干擾能力1．TTL與非門的電壓傳輸特性（1）電壓傳輸特性曲線2．幾個重要參數(shù)退出下頁（1）輸出高電平電壓VOH——VOH的理論值為3.6V，產品規(guī)定輸出高電壓的最小值VOH（min）=2.4V，即大于2.4V的輸出電壓就可稱為輸出高電壓VOH。（2）輸出低電平電壓VOL——VOL的理論值為0.3V，產品規(guī)定輸出低電壓的最大值VOL（max）=0.4V，即小于0.4V的輸出電壓就可稱為輸出低電壓VOL。TTL門電路的輸出高低電壓都不是一個值，而是一個范圍。（3）關門電平電壓VOFF——是指輸出電壓下降到VOH（min）時對應的輸入電壓。顯然只要Vi＜VOFF，Vo就是高電壓，所以VOFF就是輸入低電壓的最大值，在產品手冊中常稱為輸入低電平電壓，用VIL（max）表示。從電壓傳輸特性曲線上看VIL（max）（VOFF）≈1.3V，產品規(guī)定VIL（max）=0.8V。（4）開門電平電壓VON——是指輸出電壓下降到VOL（max）時對應的輸入電壓。退出下頁（5）閾值電壓Vth——決定電路截止和導通的分界線，也是決定輸出高、低電壓的分界線。從電壓傳輸特性曲線上看，Vth的值界于VOFF與VON之間，而VOFF與VON的實際值又差別不大，所以，近似為Vth≈VOFF≈VON。Vth是一個很重要的參數(shù)，在近似分析和估算時，常把它作為決定與非門工作狀態(tài)的關鍵值，即Vi＞Vth，與非門開門，輸出低電平；Vi＜Vth，與非門關門，輸出高電平。Vth又常被形象化地稱為門檻電壓。Vth的值為1.3V～1.４V。退出下頁圖2－19輸出高低電平的電壓范圍圖2－20噪聲容限圖解3．TTL與非門的抗干擾能力低電平噪聲容限VNL＝VOFF-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V

高電平噪聲容限VNH＝VOH（min）-VON＝2.4V-2.0V＝0.4V

2.2.4TTL與非門的帶負載能力退出下頁1．輸入低電平電流IIL與輸入高電平電流IIH

（1）輸入低電平電流IIL：

圖2－21門電路帶負載的情況圖2－22輸入低電平電流IIL產品規(guī)定IIL＜1.6mA退出下頁（2）輸入高電平電流IIH

A.寄生三極管效應。當與非門一個輸入端（如A端）接高電平，其它輸入端接低電平，這時IIH=βPIB1，βP為寄生三極管的電流放大系數(shù)。B.倒置工作狀態(tài)。當與非門的輸入端全接高電平，這時，T1的發(fā)射結反偏，集電結正偏，工作于倒置的放大狀態(tài)。這時IIH=βiIB1，βi為倒置放大的電流放大系數(shù)。（a）一個輸入端接高電平（b）輸入端全接高電平圖2－23輸入高電平電流IIH2．帶負載能力退出下頁（1）灌電流負載

圖2－24帶灌電流負載規(guī)定:=16mA

輸出低電平不得高于

VOL（max）=0.4V輸出低電平時所能驅動同類門的個數(shù)為：

NOL稱為輸出低電平時的扇出系數(shù)當驅動門輸出低電平時（2）拉電流負載

退出下頁當驅動門輸出高電平時,電流從驅動門流至負載門的輸入端輸出高電平不得低于VOH（min）=2.4V。輸出高電平電流

規(guī)定:=0.4mA

能驅動同類門的個數(shù)為:取兩者中的較小值作為門電路的扇出系數(shù)，用NO表示2.2.5TTL與非門的其他類型

1．集電極開路門線與:將幾個門的輸出端并聯(lián)使用，以實現(xiàn)與邏輯，稱為線與。普通的TTL門電路是不能進行線與?退出下頁OC門主要有以下幾方面的應用：

（1）實現(xiàn)線與圖2－28實現(xiàn)線與退出下頁外接上拉電阻RP的選擇假定有n個OC門的輸出端并聯(lián)，后面接m個普通的TTL與非門作為負載，如圖2－29所示，則RP的選擇按以下兩種最壞情況考慮：A.當所有的OC門都截止時，輸出Vo應為高電平當RP為最大值時要保證輸出電壓為VOH（min）由VCC-VOH（min）=得:式中，VOH（min）是OC門輸出高電平的下限值，IIH是負載門的輸入高電平電流，是負載門輸入端的個數(shù),T3管都截止，沒有電流流入。B.當OC門中至少有一個導通時，輸出Vo應為低電平退出下頁當RP為最小值時要保證輸出電壓為VOL（max），由

得:式中，VOL（max）是OC門輸出低電平的上限值，IOL（max）是OC門輸出低電平時的灌電流能力，IIL是負載門的輸入低電平電流，m是負載門的個數(shù)。綜合以上兩種情況,RP可由下式確定。一般，RP應選1kW左右的電阻。RP（min）＜RP＜RP（max）（2）實現(xiàn)電平轉換圖2－30實現(xiàn)電平轉換圖2－31驅動發(fā)光二極管退出下頁（3）用做驅動器2．非門

退出下頁（a）電路（b）符號圖2－32TTL非門電路3．或非門（a）電路（b）符號圖2－33TTL或非門電路4．三態(tài)輸出門（1）三態(tài)輸出門的結構及工作原理

退出下頁（a）電路圖（b）EN=0有效的邏輯符號（c）EN=1有效的邏輯符號圖2－34三態(tài)輸出門當EN=0時，G輸出為1，D1截止，與P端相連的T1的發(fā)射結也截止。三態(tài)門相當于一個正常的二輸入端與非門，輸出為正常工作狀態(tài)

當EN=1時，G輸出為0，即VP=0.3V，D1導通，VC2=1V，T4、D截止；VB1=1V，T2、T3也截止。從輸出端L看進去，對地和對電源都相當于開路，呈現(xiàn)高阻。稱這種狀態(tài)為高阻態(tài)，或禁止態(tài)。（2）三態(tài)門的應用

退出下頁（a）單向總線（b）雙向總線圖2-35三態(tài)門組成的總線5．與或非門

（a）電路（b）符號圖2－36TTL與或非門電路1.74系列---標準TTL系列，屬中速TTL器件，其平均傳輸延遲時間約為10ns，平均功耗約為10mW／每門。退出下頁2.2.6TTL集成邏輯門電路系列簡介

2.74L系列----為低功耗TTL系列，又稱LTTL系列。用增加電阻阻值的方法將電路的平均功耗降低為1mW／每門，但平均傳輸延遲時間較長，約為33ns。

3.74H系列----為高速TTL系列，又稱HTTL系列。與74標準系列相比，電路結構上主要作了兩點改進：一是輸出級采用了達林頓結構；二是大幅度地降低了電路中的電阻的阻值。從而提高了工作速度和負載能力，但電路的平均功耗增加了。該系列的平均傳輸延遲時間為6ns，平均功耗約為22mW／每門。圖2-3774S00與非門的電路4．74S系列----為肖特基TTL系列，又稱STTL系列

退出下頁（a）電路結構（b）符號圖2-38抗飽和三極管（1）輸出級采用了達林頓結構，T4、T5組成復合管電路，降低了輸出高電平時的輸出電阻，有利于提高速度，也提高了負載能力。（2）采用了抗飽和三極管（3）用T6、Rb6、RC6組成的“有源泄放電路”代替了原來的Re25．74LS系列。

為低功耗肖特基系列，又稱LSTTL系列。電路中采用了抗飽和三極管和專門的肖特基二極管來提高工作速度6．74AS系列

7．74ALS系列MOS管的開關特性一、MOS管的結構S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導體層PN結以N溝道增強型為例：以N溝道增強型為例：當加+VDS時，VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結串聯(lián)，iD=0加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導電溝道（N型層）開啟電壓二、輸入特性和輸出特性輸入特性：直流電流為0，看進去有一個輸入電容CI，對動態(tài)有影響。輸出特性：

iD

=f(VDS)對應不同的VGS下得一族曲線。漏極特性曲線（分三個區(qū)域）截止區(qū)恒流區(qū)可變電阻區(qū)漏極特性曲線（分三個區(qū)域）截止區(qū)：VGS<VGS(th)，iD=0,ROFF>109Ω漏極特性曲線（分三個區(qū)域）恒流區(qū)：iD基本上由VGS決定，與VDS關系不大漏極特性曲線（分三個區(qū)域）

可變電阻區(qū)：當VDS較低（近似為0），VGS一定時， 這個電阻受VGS控制、可變。三、MOS管的基本開關電路四、等效電路OFF，截止狀態(tài)

ON，導通狀態(tài)2.3MOS門電路

2.3.1NMOS門電路

退出下頁（a）電路（b）簡化電路（c）等效電路圖2-39NMOS非門電路其中T1為工作管，T2為負載管開啟電壓為VT1=VT2=4V（1）當輸入Vi為高電平8V時，T1導通，T2柵極接電源VDD，T2導通。因為gm1＞＞gm2，所以兩管的導通電阻RDS1＜＜RDS2，通常RDS1約為3～10，RDS2約為100～200，輸出電壓為：（2）當輸入Vi為低電平0V時，T1截止，由于T2柵極接電源VDD，T2總是導通的。所以輸出電壓為VOL=VDD-VT=8V，即輸出為高電平。實現(xiàn)了非邏輯

2．NMOS門電路（1）與非門（2）或非門退出下頁圖2-40NMOS與非門電路圖2-41NMOS或非門電路由于與非門的工作管是串聯(lián)的，增加變量的個數(shù)，即增加工作管的個數(shù)，輸出低電平會隨之增高；而或非門的工作管是并聯(lián)的，增加變量的個數(shù)，即增加工作管的個數(shù)，輸出低電平基本穩(wěn)定。所以，NMOS門電路是以或非門為基礎的。這種門電路主要用于大規(guī)模集成電路中，而不制作成小規(guī)模的單個器件。1．工作原理

2.3.2CMOS非門(a)電路圖(b)簡化電路圖2-42CMOS非門電路（1）當輸入為低電平，即Vi=0V時，TN截止，TP導通，TN的截止電阻約為500MΩ，TP的導通電阻約為750Ω，所以輸出VO≈VDD，即VO為高電平。（2）當輸入為高電平，即Vi=VDD時，TN導通，TP截止，TN的導通電阻約為750Ω，TP的截止電阻約為500MΩ，所以輸出VO≈0V，即VO為低電平。所以該電路實現(xiàn)了非邏輯通過以上分析可以看出，在CMOS非門電路中，無論電路處于何種狀態(tài)，TN、TP中總有一個截止，所以它的靜態(tài)功耗極低，有微功耗電路之稱2．電壓傳輸特性（1）當Vi＜2V，TN截止，TP導通，輸出Vo≈VDD=10V（2）當2V＜Vi＜5V，TN和TP都導通，但TN的柵源電壓＜TP柵源電壓絕對值，即TN工作在飽和區(qū)，TP工作在可變電阻區(qū)，TN的導通電阻＞TP的導通電阻，所以，這時VO開始下降，但下降不多，輸出仍為高電平。（3）當Vi=5V，TN的柵源電壓=TP柵源電壓絕對值，兩管都工作在飽和區(qū)，且導通電阻相等，所以，Vo=（VDD/2）=5V。（4）當5V＜Vi＜8V，情況與（2）相反，TP工作在飽和區(qū)，TN工作在可變電阻區(qū)，TP的導通電阻＞TN的導通電阻，所以Vo變?yōu)榈碗娖?。?）當Vi＞8V，TP截止，TN導通，輸出Vo=0V3．工作速度（a）負載電容充電（b）負載電容放電圖2-44CMOS非門帶電容負載的情況在圖2-44所示電路中，由于CMOS非門電路工作時總有一個管子導通，且導通電阻作得較小，所以當帶電容負載時，給電容充電和放電都比較快。CMOS非門的平均傳輸延遲時間約為10ns2.3.3其他CMOS邏輯門電路

1．CMOS與非門和或非門電路圖2-45CMOS與非門電路圖2-46CMOS或非門電路（3）帶緩沖級的門電路

圖2-47帶緩沖級的二輸入端與非門電路圖中T1和T2、T3和T4、T9和T10分別組成三個反相器，T5、T6、T7、T8組成或非門，經過邏輯變換，有：

2．CMOS異或門電路它是由兩級組成，前級為或非門，輸出為。后級為與或非門，經過邏輯變換，可得即輸出L為輸入A、B的異或。圖2-48異或門電路3．CMOS三態(tài)輸出門電路工作原理如下：當EN=0時，TP2和TN2同時導通，TN1和TP1組成的非門正常工作，輸出。當EN=1時，TP2和TN2同時截止，輸出L對地和對電源都相當于開路，為高阻狀態(tài)。所以，這是一個低電平有效的三態(tài)門。(a)電路圖（b）邏輯符號圖2-49CMOS三態(tài)門電路4．CMOS傳輸門圖2-50CMOS傳輸門及模擬開關工作原理設兩管的開啟電壓VTN=|VTP|，如果要傳輸?shù)男盘朧i的變化范圍為0V～VDD

則將控制端C和，的高電平設置為VDD，低電平設置為0。將TN襯底接0VTP的襯底接高電平VDD當C接高電平VDD，Vo=Vi，相當于開關閉合。當C接低電平0V，TN和TP都截止，輸出呈高阻狀態(tài)，輸入電壓不能傳到輸出端，相當于開關斷開。2.3.4CMOS邏輯門電路的系列及主要參數(shù)

1．CMOS邏輯門電路的系列（1）基本的CMOS——4000系列這是早期的CMOS集成邏輯門產品，工作電源電壓范圍為3～18V，由于具有功耗低、噪聲容限大、扇出系數(shù)大等優(yōu)點，已得到普遍使用。缺點是工作速度較低，平均傳輸延遲時間為幾十ns，最高工作頻率小于5MHz（2）高速的CMOS——HC（HCT）系列（3）先進的CMOS——AC（ACT）系列2．CMOS邏輯門電路的主要參數(shù)（1）輸出高電平VOH與輸出低電平VOL

（2）閾值電壓Vth

（3）抗干擾容限

（4）傳輸延遲與功耗

（5）扇出系數(shù)

2.3.5集成邏輯門電路的應用

1．TTL與CMOS器件之間的接口問題要滿足下列條件：驅動門的VOH（min）≥負載門的VIH（min）驅動門的VOL（max）≤負載門的VIL（max）驅動門的IOH（max）≥負載門的IIH（總）驅動門的IOL（max）≥負載門的IIL（總）（1）TTL門驅動CMOS門,主要考慮TTL門的輸出電平是否滿足CMOS輸入電平的要求。(a