第2章数字电子广东文理学院

第2章集成逻辑门电路2.1分立元件门电路2.2TTL集成逻辑门电路2.3CMOS集成逻辑门电路2.4集成逻辑门电路的应用2.1分立元件门电路下一页返回用以实现各种基本逻辑关系的电子电路称为门电路；门电路的主要类型：门电路的主要类型有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。1、门电路的概念2、逻辑变量与两状态开关在二值逻辑中，逻辑变量的取值不是0就是1，是一种二值量。在数字电路中，与之对应的是电子开关的两种状态。半导体二极管、三极管和MOS管是构成这种电子开关的基本开关元件。3、分立元件门电路和集成门电路1）用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路，称为分立元件门电路。2）把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。2.1.1二极管门电路1.半导体的开关特性1）静态特性断开时，其等效电阻ROFF＝∞，通过其中的电流IOFF＝0。闭合时，其等效电阻RON＝0，其两端电压UAK＝0。2）动态特性开通时间ton＝0，即开关由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。关断时间toff＝0，即开关由闭合状态转换到断开状态不需要时间，可以瞬间完成。AKS理想开关半导体二极管最显著的特点是具有单向导电性能。2、半导体二极管的开关特性R导通截止相当于开关断开相当于开关闭合S3V0VSRRD3V0V（一）静态特性1、半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性半导体二极管的结构示意图、符号和伏安特性如下图所示。2、半导体二极管的开关作用⑴开关应用举例下图是最简单硅半导体二极管开关电路。输入电压为uI,其低电平UIL＝－2V,高电平为UIH＝3V。①uI＝UIL时，半导体二极管反偏，D处于反向截止区，如同一个断开了的开关，直流等效电路如图(b)。②uI＝UIH时，半导体二极管正偏，D工作在正向导通区，如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关，直流等效电路如图(c)。⑵、静态开关特性硅半导体二极管具有下列静态开关特性：①导通条件及导通时的特点：当外加正向电压UD＞0.7V时，二极管导通，硅半导体二极管如同一个具有0.7V压降、闭合了的开关。②截止条件及截止时的特点：当外加正向电压UD＜0.5V时，二极管截止，硅半导体二极管如同一个断开了的开关。（二）动态特性1、二极管的电容效应二极管存在结电容Cj和扩散电容CD，Cj和CD的存在极大地影响了二极管的动态特性，无论是开通还是关断，伴随着Cj、CD的充、放电过程，都要经过一段延迟时间才能完成。2、二极管的开关时间下图所示是一个简单的二极管开关电路及相应的uI和iD的波形。⑴开通时间当输入电压uI由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过延迟时间td、上升时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。半导体二极管的开通时间为：ton=td＋tr⑵关断时间当输入电压uI由UIH跳变到UIL时，二极管D要经过存储时间ts、下降时间（也称为渡越时间）tf之后，才能由导通状态转换到截止状态。半导体二极管的关断时间为：toff=ts＋tf3、二极管与门1）电路组成及逻辑符号⑴电压关系表①uA=uB=0时，D1、D2均导通uY=uA+uD1=uB+uD2=0+0.7V=0.7V②uA=0、uB=3V时，由于uA、uB电平不同，当D1导通后，使uY=uA+uD1=0+0.7V=0.7V导致uD2=uY－uB=0.7－3＝－2.3V，故D2截止。D1导通后，uY被钳位在0.7V。③uA=3V、uB=0V时，与②类似，D2导通，D1截止，D2导通后，uY被钳位在0.7V。④uA=3V、uB=3V时，D1、D2都导通。uY被钳位在3.7V。2）工作原理电压关系表整理上述估算结果，可得右表所示电压关系表。返回真值表BAY⑵设定变量、状态赋值、列真值表①设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。②状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。③列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了与的逻辑功能Y=A·B，所以是一个二极管与门。4、二极管或门上一页下一页返回1）电路组成及逻辑符号2）工作原理⑴电压关系表①uA=uB=0时，D1、D2均截止uY=0V。②uA=0V、uB=3V时，D2导通，D1截止，uY=3－0.7V=2.3V。③uA=3V、uB=0V时，D1导通，D2截止，uY=3－0.7V=2.3V。④uA=3V、uB=3V时，D1、D2均导通。uY=3－0.7V=2.3V。整理分析估算结果，即可得到电压关系表如右表所示。电压关系表返回真值表BAY⑵设定变量、状态赋值、列真值表①设定变量：用A、B、Y分别表示uA、uB、uY。②状态赋值：用0表示低电平，用1表示高电平。③列真值表：根据设定的变量和状态赋值情况，由电压关系表可列出右下表所示的与门的逻辑真值表。综上所述，该电路确实实现了或的逻辑功能Y=A+B，所以是一个二极管或门。2.1.2晶体管门电路1、半导体晶体管的开关特性饱和截止3V0VuO0相当于开关断开相当于开关闭合uOUCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V一、静态特性1、结构示意图、符号和输入、输出特性半导体三极管的结构示意图、符号如下图所示。半导体三极管的输入、输出特性如下图所示。输入特性指的是基极电流iB和基极-发射极间电压uBE之间的关系曲线。输出特性指的是基极电流iC和集电极-发射极间电压uCE之间的关系曲线。在数字电路中，半导体三极管不是工作在截止区，就是工作在饱和区，而放大区仅仅是一种瞬间即逝的工作状态。2、半导体三极管的静态开关特性⑴饱和导通条件及饱和时的特点饱和导通条件：三极管基极电流iB大于其临界饱和时的数值IBS时，饱和导通。饱和导通时的特点：对于硅三极管，饱和导通后uBE≈0.7V，uCE＝UCES≤0.3V如同闭合的开关。⑵截止条件及截止时的特点截止条件：uBE＜Uo＝0.5V式中，Uo是硅三极管发射结的死区电压。截止时的特点：iB≈0，iC≈0如同断开的开关。二、动态特性半导体三极管和二极管一样，在开关过程中也存在电容效应，都伴随着相应电荷的建立和消散过程，因此都需要一定时间。右图所示是三极管开关电路中uI为矩形脉冲时，相应iC和uO的波形。⑴开通时间当输入电压uI由UIL＝－2V跳变到UIH＝3V时，三极管需要经过延迟时间td和上升时间tr之后，才能由截止状态转换到饱和导通状态。开通时间为ton=td＋tr⑵关断时间当输入电压uI由UIH＝3V跳变到UIL＝－2V时，三极管需要经过存储时间ts、下降时间tf之后，才能由饱和导通状态转换到截止状态。半导体三极管的关断时间为toff=ts＋tf半导体三极管开关时间的存在，影响了开关电路的工作速度。由于toff＞ton，所以减少饱和时基区存储电荷的数量，尽可能地加速其消散过程，即缩短存储时间tS，是提高半导体三极管开关速度的关键。2、三极管非门上一页下一页返回1.电路组成及逻辑符号设输人信号为+5V或0V:(1)A=0V时，三极管截止，Y=5V。(2)A=5V时，三极管工作于饱和状态，Y=0.3≈0V。上一页下一页返回2.工作原理AY若用A、Y分别表示uI、uO，用0表示低电平，用1表示高电平。则可由左下表所示的电压关系表得到右下表所示的真值表。由右下表可知，下图所示电路实现了非逻辑功能，是一个三极管组成的非门。50.305uO/VuI/V非门电压关系表1001YA非门真值表半导体三极管饱和导通以后也有钳位作用。如果发射极电位是不变的，那么它的集电极电位就被固定在比发射极高0.3V的电位上；反之，若其集电极电位是不变的，那么它的发射极电位就被固定在比集电极低0.3V的电位上。1）高电平和低电平：高电平和低电平是两种状态，是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。右图2.4～5V范围内的电压，都称为高电平，用UH表示。0～0.8V范围内的电压，都称为低电平，用UL表示。2）正逻辑和负逻辑：用1表示高电平，用0表示低电平，称为正逻辑赋值，简称正逻辑。用1表示低电平，用0表示高电平，称为负逻辑赋值，简称负逻辑。2.1.3高、低电平与正、负逻辑2.2TTL集成逻辑门电路下一页返回晶体管一晶体管逻辑(Transistor-TransistorLogic)门电路，简称TTL电路2.2.1TTL反相器1、电路组成一、电路组成及其工作原理①输入级由T1、R1、D1组成，D1是保护二极管，是为防止输入端电压过低而设置的；②中间级由T2、R2、R3组成，T2集电极输出驱动T3，发射极输出驱动T4；③输出级由T3、T4、D和R4组成。图(a)是TTL反相器的典型电路图，它有三部分组成：中间级(a)AR14kΩT3T2T1YR4+5VT4R21.6kΩR3130Ω1kΩuIuOD+VCC输入级输出级3.6V0V3.6V0VD12、工作原理①、当电路输入端A接高电平（3.6V）时3.6V3.6V4.3V全导通0.7V×21.4V电位钳在2.1V发射结反偏UBE1＝2.1－3.6＝－1.5V＜0T1管发射结处于反向偏置，而集电结处于正向偏置，所以，T1管处于发射结和集电结倒置使用的工作状态。1VUC2＝UCES2＋Ube4＝0.3＋0.7≈1V∵UC2≈1V，该值不足以使T3、D导通，故T3、D截止。输入为1输出为0uO＝0.3VVCC(+5V)YR21.6KΩR14KΩT1AR31KΩR4130ΩD1DT2T3T4②、当电路输入端接低电平(0V)时0V截止发射结导通Ub1≈0＋0.7＝0.7V∵Ub1≈0.7V，作用于T1管的集电结和T2、T4管的发射结，不足以让T2、T4导通。故T2、T4截止。uO≈VCC－Ube3－UD＝5－0.7－0.7＝3.6V输入为0输出为1≈5V4.3V0.7V由于T2截止，VCC通过R2、T3和D管使之工作在导通状态，T3发射结和D的导通压降均为0.7V。ib3≈0VCC(+5V)YR21.6KΩR14KΩT1AR31KΩR4130ΩD1DT2T3T43.6V综上所述可知，上图所示电路确实实现了非运算，是非门，即反相器。输入特性是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f(uI)的函数关系。典型的输入特性如图所示。二、静态特性1、输入特性①输入端短路电流IIS当uI=UIL=0V时的输入电流称为输入端短路电流IIS，是uI=0即输入端对地短接时，由反相器输入端流出来的电流。数值为：mAmARuViIiBECCBISI075.147.05111②输入漏电流IIH。当uI=UIH=3.6V时的输入电流称为输入漏电流IIH，即T1倒置工作时的反向漏电流，其电流值很小，倒置时其电流放大系数βi=0.01～0.02，若取βi=0.02，则数值为：mAmARuViIiBECCiBiIHI0145.041.2502.0111③输入端负载特性反映接在反相器输入端电阻Ri两端的电压uI和Ri阻值之间关系的曲线称为输入端负载特性曲线，简称输入端负载特性如图所示。•开门电阻Ron当Ri=∞，即输入端悬空时，iB1经T1集电极流入T2基极，使T2饱和导通。进而使T4也饱和导通并导致T3、D截止，反相器处于导通状态，输出电压uO=UOL≤0.3V，而uB1由于bc1、be2、be4结的钳位作用，被固定在2.1V，因此uI=uB1-uBE1=(2.1-0.7)V=1.4V。实际上，要使反相器工作在导通状态，uO≤0.3V，Ri只需大于2.5KΩ就可以了，因此把2.5KΩ称为反相器电路的开门电阻Ron。•关门电阻Roff当Ri=0，iB1全部流向T1发射极，T2、T4截止，T3、D导通，输出电压uO=UOH=3.6V，反相器处于截止状态。而uI=iB1·Ri=0V。实际上，只要Ri＜0.7KΩ，反相器就会截止，输出为高电平，因此又把0.7KΩ称为反相器电路的关门电阻，用Roff表示。综上所述可知，当Ri＞Ron时，其逻辑状态相