用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为逻辑门电路

用以实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为逻辑门电路。

·逻辑门电路是构成数字电路的基础。

·数字电路特点：(1) 输入、输出信号的大小非高电平就是低电平高电平和低电平是两个不同的可以截然区分开来的电压范围，可表示两种不同的状态。

例如TTL，2.4～5V－－高电平，用U H表示；而0～0.4V－－低电平，用U L表示。

(2) 数字电路中电子器件的工作状态对应于逻辑1和逻辑0两种不同的状态，即工作在开关状态。

半导体二极管、三极管和MOS管则是构成这种电子开关的基本开关器件。

·关于正、负逻辑如果用逻辑1表示高电平，用逻辑0表示低电平，叫做正逻辑赋值，简称为正逻辑。

如果用逻辑0表示高电平，用逻辑1表示低电平，叫做负逻辑赋值，简称为负逻辑。

在以后的章节中，如果没有特别说明，一律采用正逻辑。

·数字IC分类按集成度：小规模IC、中规模IC、大规模IC和超大规模IC按器件：双极型IC、单极型IC。

2.1 半导体器件的开关特性一理想开关的开关特性1. 静态特性(1) 断开时，电阻R OFF＝∞，电流I OFF＝0。

(2) 闭合时，电阻R ON＝0，不论电流多大。

2. 动态特性(1) 开通时间t on＝0(2) 关断时间t off＝0实际开关：机械开关－－静态特性好，但动态特性很差（在一定的电压和电流范围内）电子开关－－静态特性差，但其动态特性较好。

在开关速度很高的情况下，开关状态的转换时间(开通时间t on和关断时间t off)显的尤为重要。

数字电路中，常常要求器件的导通和截止两种状态的转换，在微秒甚至纳秒数量级的时间内完成。

二、二极管的开关特性理想二极管：导通时，导通压降U D＝0V，电流由外电路决定；反偏时，电流＝0，压降由外电路决定。

状态转换时间＝0。

实际二极管：从正向导通到反向截止需要经历一个反向恢复过程。

反向恢复时间t re＝t s＋t t，纳秒数量级，限制了二极管开关状态转换。

ts称为存储时间，t t称为渡越时间，原因：PN结正偏时，两边区域存储有载流子；偏置电压跳变后，存储电荷不能瞬间消失。

PN结仍处于正偏状态，存储电荷返回原处，数量由UR 、RL决定。

电流维持ts ，之后存储电荷显著减少，势垒区又逐渐变宽，tt是变宽的时间。

二极管从反向截止转换到正向导通所需的时间称为二极管的开通时间t on。

但它比反向恢复时间t re要小的多，可忽略不计。

三、三极管的开关特性1. 三极管的截止、放大和饱和状态·NPN型硅BJT的截止条件 UBE<0.5V Je、Jc反偏表现： IC ≈0，UCE≈U CC，对应于开关的断开状态。

·BJT处于放大条件：Je正偏、Jc反偏当I B增大时，I C按I C＝βI B的规律增大，而BJT管压降U CE减小，Q点向饱和区靠近。

·临界饱和：当IB增大使UCE 降至UCE=UBE时，Jc零偏，称为临界饱和状态，此时的Ic称为集电极饱和电流，用I CS表示，I B称为基极临界饱和电流，用I BS 表示，则有·深度饱和：I B继续增加，但I C已接近于最大值U CC/R C，受U CC和R C的限制，不会再随I B成比例地增加，BJT进入饱和状态。

所以BJT工作在饱和状态的条件为I B＞I BS进入饱和状态后，i C会随i B的增加略有增加，U CE＜0.7V，集电结变为正向偏置。

所以也常把集电结和发射结均正偏作为三极管工作在饱和状态的条件。

饱和时的U CE电压称为饱和压降，用U CES表示，典型值U CES≈0.3V（硅管）。

由于U CES很小，集电极到发射极之间相当于短路，对应于开关的闭合状态。

·R b、R C、β等参数都能决定三极管是否饱和。

R b越小，β越大，R C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。

2. 三极管开关的过渡过程三极管工作在开关状态时，不是截止就是饱和，放大只是中间过渡状态。

开通时间t on=t d＋t r t d－－延迟时间，t r－－上升时间。

关闭时间t off = t S＋t f t S－－存储时间t f－－下降时间延迟时间－－Je由宽变窄所需时间上升时间－－基区非平衡少子建立浓度分布的时间存储时间－－基区存贮电荷消散的时间，t S的长短取决于存储电荷数量下降时间－－Je由窄变宽所需时间，IB 由IBS减到0的时间开通时间和关闭时间总称为三极管的开关时间，一般在几十到几百纳秒的范围，从器件手册中可以查到。

2.2.4 MOSFET的开关特性MOS型场效应管有四种类型，作为开关器件使用的主要是增强型MOS管。

·当UI <UT时，工作在截止区，ID≈0，U DS= U DD。

对应于开关的断开状态。

·当UI ＞UT时，NMOS管导通，ID＞0。

工作在恒流区，随着UI的升高UDS减小，·当UI较大，使NMOS管进入可变电阻区，其导通电阻R ON很小(约百欧姆)，只要R D远大于R ON，则U O≈0V，对应于开关的闭合状态。

MOS管三个电极之间均有等效电容，它们分别是C GS、C GD和C DS，C GS和C GD一般约为1～3pF，C DS一般约为0.1～1pF，以及负载电容C L。

所以，当输入电压突变时，MOS管受上述电容充、放电过程的制约，由截止到导通或由导通到截止的转换并不能立刻完成。

开通时间： t on＝t d1＋t r导通延迟时间t d1和上升时间t r之后，才能由截止状态转换到导通状态。

关断时间： t off＝t d2＋t f关断延迟时间t d2和下降时间t f之后，才能由导通状态转换到截止状态。

需要说明的是，由于MOS管的导通电阻比三极管的饱和导通电阻大的多，R D 也比R C大，即使C DS和C L很小，其充放电速度也很慢。

所以MOS管的开通和关断时间比三极管长，即其开关特性较差。

2.2 分立元器件逻辑门电路由分立的二极管、三极管和MOS管以及电阻等元件组成的逻辑门电路，叫做分立元器件逻辑门电路。

一、二极管与门和二极管或门1.二极管与门·二极管与门电路·逻辑符号·真值表·逻辑表达式Y＝AB2. 二极管或门·二极管或门电路·逻辑符号·真值表·逻辑表达式Y＝A＋B 二、三极管非门(三极管反相器)·三极管非门电路·逻辑符号·真值表·逻辑表达式Y =三、MOS管非门逻辑关系，Y＝。

2.3 TTL逻辑门电路TTL来自于Transistor-Transistor Logic逻辑门电路。

一、TTL非门·工作原理①当输入信号为高电平时，T2、T3饱和导通，输出端电压U O＝U CES3，为低电平。

②当输入信号为低电平时，T2和T3都截止。

T4和D导通，输出电压为3.6V 高电平二、TTL非门的主要特性和参数1．电压传输特性UO＝f(U I)关系曲线形象具体地描述了输出电压U O与输入电压U I的关系，称为电压传输特性曲线。

TTL反相器的电压传输特性曲线可分为AB、BC、CD、DE四段。

AB段：UI ＜0.6V，T1深度饱和，T2和T3都截止，T4和D导通，U O＝U OHBC 段：U I 从0.6V 增加，并且U I ＜1.3V 时，可得0.7V ＜U B2＜1.4V ，T 2开始导通（T 3仍截止）。

所以U I 增加，使T 2d 的U C2减小，又因T 4跟随，所以输出电压会随U C2线性减小。

CD 段：T 3开始导通→T 2的发射极阻抗减小→T 2的I E2↑→加速T 3向饱和过渡，相应地T 4和二极管D 截止。

该段称为转折区。

DE 段：U I >1.4V 后，各管的工作状态不再发生重大变换，只是略有程度的差别。

T 3一直处于饱和状态，U O ＝U OL ，因此称该段为导通区。

2．输入端噪声容限从电压传输特性曲线可看出，当U I 偏离0.3V 而上升时，U O 并不马上下降。

同样，当U I 偏离3.6V 而下降时，U O 也并不会立即上升。

因此，在TTL 反相器中，即使有噪声电压叠加在输入信号的高、低电平上，只要噪声电压的幅度不超过允许的界限，其输出端的逻辑状态就不会受到噪声的影响。

通常，把不允许噪声超过的界限叫做噪声容限。

显然，电路噪声容限越大，其抗干扰能力就越强。

在数字电路中，TTL 门电路的负载经常是同类门，这样，前一级门电路的输出，就是后一级门电路的输入。

与噪声容限有直接关系的参数是： (1) 输出高电平U OHU OH 是TTL 反相器处于截止状态时的输出电压，其典型值是3.6V ，产品规定的最小值为U OHmin ＝2.4V 。

常称U OHmin 为标准高电平。

(2) 输出低电平U OLU OL 是TTL 反相器处于导通状态时的输出电压，其典型值是0.3V ，产品规定的最大值为U OLmax ＝0.4V 。

常称U OLmax 为标准低电平。

(3) 输入高电平U IHU IH 是对应于逻辑1的输入电压，其典型值是3.6V ，产品规定的最小值为U IHmin＝2.0V 。

常称U IHmin 为开门电平，并记作U ON ，它是保证反相器处于导通状态所允许的输入高电平的下限。

(4) 输入低电平U ILU IL 是对应于逻辑0的输入电压，其典型值是0.3V ，产品规定的最大值是U ILmax＝0.8V 。

常称U ILmax 为关门电平，并记作U OFF ，它是保证反相器处于截止状态所允许的输入低电平的上限。

·噪声容限示意图。

当G门输入为高电平时的噪声容限为2U＝U OHmin－U IHmin＝(2.4－2.0)U＝0.4VNH门输入为低电平时的噪声容限为当G2U＝U ILmax－U OLmax＝(0.8－0.4)U=0.4VNLU反映了同类门连接时输入高电平允许叠加在其上的负向噪声电压的最大NH值；U反映了同类门连接时输入低电平允许叠加在其上的正向噪声电压的最大NL值；由于TTL门电路的输入输出电阻都不高，虽然U NH、U NL都只有0.4V，但其抗干扰能力仍然比较强。

3.输入特性·输入特性曲线·输入短路电流IIS·输入高电平漏电流IIH4.输入端负载特性在实际使用中，经常需要在TTL反相器的输入端与地之间接入电阻R i。

开门电阻R ON：输入电压为开门电平U ON时的电阻，一般取R ON＝2.5KΩ关门电阻R OFF：输入电压为关门电平U OFF时的电阻，一般取R OFF＝0.7KΩ。

当R i＞R ON时，相当于加的是高电平当R i＜R OFF时，相当于加的是低电平当R OFF＜R i＜R ON时，则TTL反相器将处于放大状态。