数字电子技术基础02A第二章门电路资料
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(数字电子技术基础)第2章. 门电路
（2-13）
• 小规模集成电路(SSI-Small Scale 小规模集成电路(SSI(SSI Integration)， 每片组件内包含10~100 10~100个元件 Integration)， 每片组件内包含10~100个元件 10~20个等效门 个等效门) (或10~20个等效门)。 • 中规模集成电路(MSI-Medium Scale 中规模集成电路(MSI (MSIIntegration)，每片组件内含100~1000 100~1000个元件 Integration)，每片组件内含100~1000个元件 20~100个等效门 个等效门) (或20~100个等效门)。 • 大规模集成电路(LSI-Large Scale 大规模集成电路(LSI (LSIIntegration)， 每片组件内含1000~100 000个 Integration)， 每片组件内含1000~100 000个 元件( 100~1000个等效门 个等效门) 元件(或100~1000个等效门)。 • 超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale 超大规模集成电路(VLSI (VLSIIntegration)， 每片组件内含100 000个元件 Integration)， 每片组件内含100 000个元件 1000个以上等效门 个以上等效门) (或1000个以上等效门)。
•
+5V
R1
T1
T5 R3
•
（2-30）
前级
后级
灌电流的计算
饱和
I OL
5 − T5压降 − T1的be结压降 = R1
5 − 0.3 − 0.7 ≈ 1.4mA = 3
（2-31）
关于电流的技术参数
名称及符号 输入低电平电流 IiL 输入高电平电流 IiH IOL 及其极限 IOL（max） IOH 及其极限 IOH (max) 含义 输入为低电平时流入输 入端的电流-1 入端的电流 .4mA。 。 输入为高电平时流入输 入端的电流几十 几十μ 。 入端的电流几十μA。 当 IOL> IOL(max)时，输出 不再是低电平。 不再是低电平。 当 IOH >IOH(max)时， 输出 不再是高电平。 不再是高电平。
• 小规模集成电路(SSI-Small Scale 小规模集成电路(SSI(SSI Integration)， 每片组件内包含10~100 10~100个元件 Integration)， 每片组件内包含10~100个元件 10~20个等效门 个等效门) (或10~20个等效门)。 • 中规模集成电路(MSI-Medium Scale 中规模集成电路(MSI (MSIIntegration)，每片组件内含100~1000 100~1000个元件 Integration)，每片组件内含100~1000个元件 20~100个等效门 个等效门) (或20~100个等效门)。 • 大规模集成电路(LSI-Large Scale 大规模集成电路(LSI (LSIIntegration)， 每片组件内含1000~100 000个 Integration)， 每片组件内含1000~100 000个 元件( 100~1000个等效门 个等效门) 元件(或100~1000个等效门)。 • 超大规模集成电路(VLSI-Very Large Scale 超大规模集成电路(VLSI (VLSIIntegration)， 每片组件内含100 000个元件 Integration)， 每片组件内含100 000个元件 1000个以上等效门 个以上等效门) (或1000个以上等效门)。
•
+5V
R1
T1
T5 R3
•
（2-30）
前级
后级
灌电流的计算
饱和
I OL
5 − T5压降 − T1的be结压降 = R1
5 − 0.3 − 0.7 ≈ 1.4mA = 3
（2-31）
关于电流的技术参数
名称及符号 输入低电平电流 IiL 输入高电平电流 IiH IOL 及其极限 IOL（max） IOH 及其极限 IOH (max) 含义 输入为低电平时流入输 入端的电流-1 入端的电流 .4mA。 。 输入为高电平时流入输 入端的电流几十 几十μ 。 入端的电流几十μA。 当 IOL> IOL(max)时，输出 不再是低电平。 不再是低电平。 当 IOH >IOH(max)时， 输出 不再是高电平。 不再是高电平。
《数字电子技术基础》第2章_逻辑门电路
VIL
t O
ICS 2)上升时间tr：从0.1ICS上升至 0.9ICS 0.9ICS所需的时间； 0.1ICS
iC
t
O
3)存储时间ts：从负跳变开始 到从ICS下降至0.9ICS所需的时间；
td
tr ts
tf
4）下降时间tf：从0.9ICS下降至0.1ICS所需的时间； 5）开通时间ton：从截止转换到饱和所需的时间，ton=td+tr； 6）关闭时间toff：从饱和转换为截止所需的时间，toff=ts+tf。
+ IF P区 N 区
n--存储电荷浓度
nN—电子浓度
nP—空穴浓度 x—距离
LN
o
LP
图 2.1.3 PN结的存储电荷
存储电荷： •距PN结越远，电荷浓度越低； •正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。
PN结截止过程： 在反向电压的作用下： N区的空穴存储电荷被电场赶回到P区 P区的电子存储电荷被电场赶回到N区 驱散存储电荷的时间就是存储时间ts 。
2.工作原理
A = 0 Y = 1 Y = A A = 1 Y = 0
VCC = 5V R4
1）输入低电平（VIL=0.3 V） T1深饱和 T2、T5截止
VIL=0.3 V
A R1 3k
P
R2 750Ω T3 T2 4.3 R5 3k
100Ω
T4
iI 1 V
N
5V
iO
Y
vI
N 0.4V T
在门电路中，晶体管和MOS管工作开关状态。
2.1 二极管和三极管的开关特性 2.2 TTL门电路 2.3 CMOS门电路
2.1二极管和三极管的开关特性
t O
ICS 2)上升时间tr：从0.1ICS上升至 0.9ICS 0.9ICS所需的时间； 0.1ICS
iC
t
O
3)存储时间ts：从负跳变开始 到从ICS下降至0.9ICS所需的时间；
td
tr ts
tf
4）下降时间tf：从0.9ICS下降至0.1ICS所需的时间； 5）开通时间ton：从截止转换到饱和所需的时间，ton=td+tr； 6）关闭时间toff：从饱和转换为截止所需的时间，toff=ts+tf。
+ IF P区 N 区
n--存储电荷浓度
nN—电子浓度
nP—空穴浓度 x—距离
LN
o
LP
图 2.1.3 PN结的存储电荷
存储电荷： •距PN结越远，电荷浓度越低； •正向电流越大，电荷的浓度梯度越大，存储电荷越多。
PN结截止过程： 在反向电压的作用下： N区的空穴存储电荷被电场赶回到P区 P区的电子存储电荷被电场赶回到N区 驱散存储电荷的时间就是存储时间ts 。
2.工作原理
A = 0 Y = 1 Y = A A = 1 Y = 0
VCC = 5V R4
1）输入低电平（VIL=0.3 V） T1深饱和 T2、T5截止
VIL=0.3 V
A R1 3k
P
R2 750Ω T3 T2 4.3 R5 3k
100Ω
T4
iI 1 V
N
5V
iO
Y
vI
N 0.4V T
在门电路中，晶体管和MOS管工作开关状态。
2.1 二极管和三极管的开关特性 2.2 TTL门电路 2.3 CMOS门电路
2.1二极管和三极管的开关特性
数字电子技术基础-第二章--逻辑门电路基础共71页PPT资料
第二章 逻辑门电路基础
本章主要内容
第一节 二极管、三极管的开关特性 第二节 二极管逻辑门电路 第三节 TTL逻辑门电路 第四节 射极耦合逻辑门电路 第五节 CMOS逻辑门电路 第六节 各种逻辑的门电路之间的接口问题
第一节 二极管、三极管的开关特性
一、二极管的开关特性
（一）二极管的静态开关特性 （二）二极管的动态开关特性
输入信号vi的正半周的宽度要求比较低。 输入信号vi的频率不可太高，由tre时间决定
二、双极型三极管的开关特性
（一）双极型三极管的静态开关特性 （二）双极型三极管的动态开关特性
（一）双极型三极管的静态开关特性
判断三极管工作状态的解题思路：
（1）把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管 的发射结电压，若发射结反偏或零偏或小于死区电压值，则三 极管截止。若发射结正偏，则三极管可能处于放大状态或处于 饱和状态，需要进一步判断。进入步骤（2）。
二、正或门电路
D1
A
L
D2 B
R 3kΩ
输入
VA
VB
0V 0V
0V 5V
5V 0V
5V 5V
输出 VL 0V 5V 5V 5V
正逻辑体制
输入
VA
VB
0V 0V
0V 5V
5V 0V
5V 5V
输出 VL 0V 5V 5V 5V
A
≥1
B
L=A+B
负逻辑体制呢?
三、非门电路
输入 VA 0V 3V
输出 VL 5V 0.3V
VL
0V 0V 0V
0V 5V 0V
5V 0V 0V
5V 5V 5V
正逻辑体制
本章主要内容
第一节 二极管、三极管的开关特性 第二节 二极管逻辑门电路 第三节 TTL逻辑门电路 第四节 射极耦合逻辑门电路 第五节 CMOS逻辑门电路 第六节 各种逻辑的门电路之间的接口问题
第一节 二极管、三极管的开关特性
一、二极管的开关特性
（一）二极管的静态开关特性 （二）二极管的动态开关特性
输入信号vi的正半周的宽度要求比较低。 输入信号vi的频率不可太高，由tre时间决定
二、双极型三极管的开关特性
（一）双极型三极管的静态开关特性 （二）双极型三极管的动态开关特性
（一）双极型三极管的静态开关特性
判断三极管工作状态的解题思路：
（1）把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管 的发射结电压，若发射结反偏或零偏或小于死区电压值，则三 极管截止。若发射结正偏，则三极管可能处于放大状态或处于 饱和状态，需要进一步判断。进入步骤（2）。
二、正或门电路
D1
A
L
D2 B
R 3kΩ
输入
VA
VB
0V 0V
0V 5V
5V 0V
5V 5V
输出 VL 0V 5V 5V 5V
正逻辑体制
输入
VA
VB
0V 0V
0V 5V
5V 0V
5V 5V
输出 VL 0V 5V 5V 5V
A
≥1
B
L=A+B
负逻辑体制呢?
三、非门电路
输入 VA 0V 3V
输出 VL 5V 0.3V
VL
0V 0V 0V
0V 5V 0V
5V 0V 0V
5V 5V 5V
正逻辑体制
数字电子技术基础2
二极管开关的转换过程
开通时间ton 当输入电压uI，由UIL跳变到UIH时，二极管D要经过导通延迟时间td、上升
时间tr之后，才能由截止状态转换到导通状态。其原因在于，当uI正跳变时， 只有当PN结中电荷量减少，PN结才由反偏转换到正偏，也即Cj放电，CD充 电
关断时间toff 当输人电压uI。由UIH跳变到UIL时，二极管D经过存储时间ts、下降时间
三极管临界饱和时的基极电流：
IBS Vc R u cc CE S1 1 2 0 0.2 3 0 m A 0.0m 6 A
因为iB>IBS，三极管工作在深度饱和状态。输出电压：
uo＝UCES＝0.3V 静态开关特性
截止状态
Rb ＋
+VCC
b c Rc
＋
ui=UIL<0.5V
uo=+VCC
－
e
－
饱和状态
iC (mA) 直流负载线
VCC Q2 Rc
Q
80μA 60μA 40μA 20μA
2.3k iB
Q1 iB=0
Ω
0 UCES
VCC uCE(V)
输出特性曲线
①ui=UIL=-2V时，三极管截止，基极电流： ib≈0，ic≈0，uo≈Vcc=12V
②ui＝UIH=3V时，三极管导通，基极电流：
iB
30.7mA 1mA 2.3
+VCC Rc iC
Rb b c uo
iB(μA)
iC (mA) 直流负载线
VCC Q2 Rc
Q
80μA 60μA 40μA
ui
iB
20μA
e 0 0.5 uBE(V)
0 UCES
Q1 iB=0
数字电子技术基础第二章逻辑门电路基础[1]
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（2）上升时间tr——集电极电流从0.1ICS上升到 0.9ICS所需的时间。
（3）存储时间ts——从输入信号vi下跳变的瞬间 开始，到集电极电流iC下降到0.9ICS所需的时 间。
（4）下降时间tf——集电极电流从0.9ICS下降 到0.1ICS所需的时间。
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础[1]
l （一）双极型三极管的静态开关特性
u 判断三极管工作状态的解题思路：
Ø （1）把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管 的发射结电压，若发射结反偏或零偏或小于死区电压值，则三 极管截止。若发射结正偏，则三极管可能处于放大状态或处于 饱和状态，需要进一步判断。进入步骤（2）。
Ø （2）把三极管放入电路中，电路的拓扑结构回到从前。假设 三极管处于临界饱和状态（三极管既可以认为是处于饱和状态 也可以认为是处于放大状态，在放大区和饱和区的交界区域， 此时时的三特极征管IC=既ßI有B）饱，和求状此态时时三的极特管征的VC集ES电=极0.临3V界，饱又和有电放流大I状CS 态， 进极而管求的出集基 电极极临可界能饱流和过电的流最大IBS电。流集。电极临界饱和电流ICS是三
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数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础[1]
（二）二极管的动态开关特性
•给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？
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数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础[1]
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•ts为存储时 间 •tt称为渡越时 间 •tre ＝ ts 十 tt 称 为 反 向 恢 复时间
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数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础[1]
第一节 二极管、三极管的开关特性
l的动态开关特性
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（3）存储时间ts——从输入信号vi下跳变的瞬间 开始，到集电极电流iC下降到0.9ICS所需的时 间。
（4）下降时间tf——集电极电流从0.9ICS下降 到0.1ICS所需的时间。
数字电子技术基础第二章逻辑门电路 基础[1]
l （一）双极型三极管的静态开关特性
u 判断三极管工作状态的解题思路：
Ø （1）把三极管从电路中拿走，在此电路拓扑结构下求三极管 的发射结电压，若发射结反偏或零偏或小于死区电压值，则三 极管截止。若发射结正偏，则三极管可能处于放大状态或处于 饱和状态，需要进一步判断。进入步骤（2）。
Ø （2）把三极管放入电路中，电路的拓扑结构回到从前。假设 三极管处于临界饱和状态（三极管既可以认为是处于饱和状态 也可以认为是处于放大状态，在放大区和饱和区的交界区域， 此时时的三特极征管IC=既ßI有B）饱，和求状此态时时三的极特管征的VC集ES电=极0.临3V界，饱又和有电放流大I状CS 态， 进极而管求的出集基 电极极临可界能饱流和过电的流最大IBS电。流集。电极临界饱和电流ICS是三
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（二）二极管的动态开关特性
•给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？
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•ts为存储时 间 •tt称为渡越时 间 •tre ＝ ts 十 tt 称 为 反 向 恢 复时间
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第一节 二极管、三极管的开关特性
l的动态开关特性
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数字电子技术基础第二章门电路PPT课件
或门
实现逻辑或运算，当至少 一个输入为高电平时，输 出为高电平；否则输出为 低电平。
非门
实现逻辑非运算，当输入 为高电平时，输出为低电 平；当输入为低电平时， 输出为高电平。
门电路的分类
按功能分类
可分为与门、或门、非门、 与非门、或非门等。
按结构分类
可分为晶体管-晶体管逻辑 门（TTL）、金属氧化物 半导体逻辑门（MOS）等。
实践能力。
02 门电路的基本概念
逻辑门电路
逻辑门电路是数字电路的基本 单元，用于实现逻辑运算。
常见的逻辑门电路有与门、或 门、非门、与非门、或非门等。
逻辑门电路通常由晶体管、电 阻、电容等元件组成，具有高 电平、低电平和高阻态三种输 出状态。
常用逻辑门电路
01
02
03
与门
实现逻辑与运算，当所有 输入都为高电平时，输出 为高电平；否则输出为低 电平。
门电路在其他领域的应用
自动化控制
门电路可以用于实现自动化控制中的逻辑控制、 顺序控制等功能。
电子游戏
门电路可以用于实现电子游戏中的逻辑运算、状 态检测等功能。
智能家居
门电路可以用于实现智能家居中的控制逻辑、传 感器检测等功能。
05 门电路的实例分析
实例一：基本逻辑门电路的应用
基本逻辑门电路
包括与门、或门、非门等，是数字电路中最基本的逻辑单 元。
06 总结与展望
门电路的重要性和作用
门电路是数字电子技术的核心组件，它在数字电路中起到逻辑运算和信号控制的作 用。
门电路能够实现逻辑函数的运算，从而实现各种复杂的逻辑功能，是构成各种数字 系统和电子设备的基础。
门电路在计算机、通信、自动化等领域中有着广泛的应用，对现代科技的发展起着 至关重要的作用。
数字电子技术第二章门电路讲解
Vcc
R
Vo Vcc
Vi
K
只要能判断高 低电平即可
1
可用三极
0
管代替 0V
K开------Vo=1, 输出高电平 K合------Vo=0, 输出低电平
2.1半导体二极管门电路 半导体二极管的结构和外特性 （Diode）
• 二极管的结构： PN结 + 引线 + 封装构成
P
N
2.1.1二极管的开关特性：
③ 截止区：条件VBE = 0V, iB = 0, iC = 0, c—e间“断开” 。
iC f (VCE )
三、双极型三极管的基本开关电路
只要参数合理：
VI=VIL时，T截止，VO=VOH VI=VIH时，T导通，VO=VOL
四、三极管的开关等效电路
截止状态
饱和导通状态
五、动态开关特性
从二极管已知， PN结存在电容效 应。
(2)输出的高低电平受输入端数目的影响
输入端越多，VOL 越高，VOH 也更低 (3)使T2、T4的VGS 达到开启电压时， 对应的VI 值不同
解决方法
或非门 缓冲器 与非门
Y ABC ABC A B C
二 漏极开路的门电路（OD门）
1.可将输出并联使用，实现线与 或用作电平转换、驱动器
二、电压传输特性
CD段：转折区 VI VTH 1.4V , 所以VB1 2.1V T2 ,T5同时导通，T4截止，所以VO迅速 VOL 0 DE段：饱和区 VI继续，而VO不变 VO VOL
• 需要说明的几个问题： ①T2的输出VC 2和Ve2变化方向相反,故称倒相级。
2.3 CMOS门电路
2.3.1MOS管的开关特性氧化物层 金属层
第二章 逻辑门电路2 数字电子技术基础 教学课件
2020/9/26
TTL与非门工作原理
• 输入端至少有一个 （设A端）接低电平：
T1 管 : A 端 发 射 结 导 通 ，
Ub1 = UA + Ube1 = 1V，
1V 5V
其它发射结反偏截止。 0.3V
∵Ub1 =1V, ∴ T2、T5 截止, UC2≈Ucc=5V。
3.6V
T4：工作在放大状态
电路输出高电平：
U O H U C C U R 2 U b4e U D 3
5-0.7-0.7 = 3.6V
2020/9/26
3.6V
TTL与非门工作原理
• 输入端全接高电平： T1:Ub1= Ubc1+Ube2+Ube5 = 0.7V×3 = 2.1V
T1：发射结反偏，集电 极正偏，工作在倒置放 大状态且T2 、T5导通。
采取的措施： 1. 采用多发射极晶体管T1，加速T2管脱离饱和状态。 2. T4和T5同时导通，加速T5管脱离饱和状态。 3. 降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。
2020/9/26
TTL与非门的外特性及主要参数 外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。
掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护 和设计电路的重要依据。
管都提用高肖抗特干基扰三能极力管。代替。
2020/9/26
TTL标准与非门的改进型
（三）低功耗肖特基系列（74LS系列） 74LS系列与标准74系列相比，电路有多项改进措施。以达
到缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。 74LS系列具有较小的 延迟-功耗积，具有较好的综合性能。
为降低功耗，提高电路 各电阻的阻值；将电阻R5原 接地端改接到输出端，减小 T3导通时电阻R5上的功耗。
TTL与非门工作原理
• 输入端至少有一个 （设A端）接低电平：
T1 管 : A 端 发 射 结 导 通 ，
Ub1 = UA + Ube1 = 1V，
1V 5V
其它发射结反偏截止。 0.3V
∵Ub1 =1V, ∴ T2、T5 截止, UC2≈Ucc=5V。
3.6V
T4：工作在放大状态
电路输出高电平：
U O H U C C U R 2 U b4e U D 3
5-0.7-0.7 = 3.6V
2020/9/26
3.6V
TTL与非门工作原理
• 输入端全接高电平： T1:Ub1= Ubc1+Ube2+Ube5 = 0.7V×3 = 2.1V
T1：发射结反偏，集电 极正偏，工作在倒置放 大状态且T2 、T5导通。
采取的措施： 1. 采用多发射极晶体管T1，加速T2管脱离饱和状态。 2. T4和T5同时导通，加速T5管脱离饱和状态。 3. 降低与非门的输出电阻，减小对负载电容的充电时间。
2020/9/26
TTL与非门的外特性及主要参数 外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。
掌握器件的外特性及其主要参数是用户正确使用、维护 和设计电路的重要依据。
管都提用高肖抗特干基扰三能极力管。代替。
2020/9/26
TTL标准与非门的改进型
（三）低功耗肖特基系列（74LS系列） 74LS系列与标准74系列相比，电路有多项改进措施。以达
到缩短传输延迟时间、降低功耗的目的。 74LS系列具有较小的 延迟-功耗积，具有较好的综合性能。
为降低功耗，提高电路 各电阻的阻值；将电阻R5原 接地端改接到输出端，减小 T3导通时电阻R5上的功耗。
数字电子技术基础 (2)
在一定范围内，
uI随RP的增大而升 高。但当输入电压
uI达到1.4V以后， uB1 = 2.1V，RP增大， 由于uB1不变，故uI = 1.4V也不变。这 时T2和T5饱和导通， 输出为低电平。
(1) 关门电阻ROFF —— 在保证门电路输出 为额定高电平的条件下，所允许RP 的最大值称为 关门电阻。典型的TTL门电路ROFF≈ 0.7kΩ。
称为推拉式 电路
（1）输入为低电平（0.2V）时
不足以让 T2、T5导通
0.9V
三个PN结 导通需2.1V
T2、T5截止
vo
vo=5－vR2－vbe4－vD2≈3.4V 输出高电平
（2）输入为高电平（3.4V）时
电位被嵌 在2.1V
发射结反偏
1V
截止
全导通
vB1=VIH+VON=4.1V
T2、T5饱和导通
RL(max)
VIL
负载门输入 端个数
VCC
RL
IOH
IIH
VOH
n个
m个
(VCC VOL) / RL m IIL IOL(max)
VIH
RL
VCC VOL IOL(max) m | I IL
|
RL(m in)
VIL
VCC
RL
IOL
IIL
VOL
负载门个数
VIL
m′个
若为或非门，m′是输入端的个数，而不是负载门的数目。
Ui<0.5V时，二极管 截止，iD=0。
iD(mA)
IF
UBR
uD(V)
0
0.5 0.7
Ui>0.5V时，二 极管导通。 伏安特性
2.1.1 二极管的开关特性
数字电子技术基础第二章重点(最新版)
EXIT
逻辑门电路
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.1 二极管开关特性
Vcc
利用二极管的单向导电
性，此电路相当于一个受外
R
加电压极性控制的开关。
D
uI
uo
二极管开关电路
假定：UIH=VCC ，UIL=0 当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL
在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管 和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值， 则采用负逻辑比较方便。 今后除非特别说明，一律采用正逻辑。
EXIT
逻辑门电路
2.1 概述
二、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义
获得高、低电平的基本原理
－－－ 开关断开 －－－ 开关闭合
EXIT
逻辑门电路
2.2.2半导体三极管的开关特性 一、三极管的开关作用及其条件
iC 临界饱和线 放大区
uI=UIL
+ uBE
三怎极样管控为制什它么饱和I的能C(sMa开用t) T和作关开S ？关？Q
-
区
O UCE(sat)
三极管关断的条件和等效电路
当输入 uI 为低电平，使 uBE < Uth时，三极管截止。
一、电路结构
输入级主要由三极管 T1 、基极电
阻 R1 和钳位二极管D1组成。
D1 为输入钳位二极管输，出用级以抑制
V1
V输入扰导这2 入时电通不端，压，但出大输抑D1现于入制不V的二端了3工中负极负输作间极管电入V，5级性导压端当由R其V式起干通被的45输和中输构T倒扰电钳负入3V出成、V相。压在极5的3结组推D放，正时性-负2构成0拉、大与常，干.极7，。作信二扰V性上号极，干，输管对
逻辑门电路
2.2 半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.1 二极管开关特性
Vcc
利用二极管的单向导电
性，此电路相当于一个受外
R
加电压极性控制的开关。
D
uI
uo
二极管开关电路
假定：UIH=VCC ，UIL=0 当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH 当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL
在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管 和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。 若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值， 则采用负逻辑比较方便。 今后除非特别说明，一律采用正逻辑。
EXIT
逻辑门电路
2.1 概述
二、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义
获得高、低电平的基本原理
－－－ 开关断开 －－－ 开关闭合
EXIT
逻辑门电路
2.2.2半导体三极管的开关特性 一、三极管的开关作用及其条件
iC 临界饱和线 放大区
uI=UIL
+ uBE
三怎极样管控为制什它么饱和I的能C(sMa开用t) T和作关开S ？关？Q
-
区
O UCE(sat)
三极管关断的条件和等效电路
当输入 uI 为低电平，使 uBE < Uth时，三极管截止。
一、电路结构
输入级主要由三极管 T1 、基极电
阻 R1 和钳位二极管D1组成。
D1 为输入钳位二极管输，出用级以抑制
V1
V输入扰导这2 入时电通不端，压，但出大输抑D1现于入制不V的二端了3工中负极负输作间极管电入V，5级性导压端当由R其V式起干通被的45输和中输构T倒扰电钳负入3V出成、V相。压在极5的3结组推D放，正时性-负2构成0拉、大与常，干.极7，。作信二扰V性上号极，干，输管对
《数字电子技术(第二版)》 第2章 门电路
2.1.3 场效应管的开关特性
RD G ui +VDD
D
S
ui
工作原理电路 截止状态 G RD
转移特性曲线
输出特性线 RD
+VD
D
导通状态
uo=+VDD
+VD
D
D
G
ui>UT
D
S
ui<UT
uo≈0
S
2.2 分立元件
门电路
2.2.1 二极管与门
Y=AB
2.2.2 二极管或门
Y=A+B
2.2.3 晶体管非门
2.1 半导体元件的开关特性 2.2 分立元件门电路
2.3 TTL集成门电路
2.4 CMOS集成门电路
2.5 集成门电路的使用
退出
件的开关特性
2.1 半导体元
逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电 路。简称门电路。 基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、 与非门、或非门、与或非门和异或门等。 逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。 获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件 的导通、截止（即开、关）两种工作状态。
2.1.1 二极管的开关特性
＋ uD 二极管符号： 正极
－
负极
Ui<0.5V时，二 极管截止，iD=0。
Ui>0.5V时， 二极管导通。
uo
uo
ui＝0V时，二极管截止， 如同开关断开，uo＝0V。
ui ＝ 5V 时，二极管导通，如 同 0.7V 的电压源， uo ＝ 4.3V 。
二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。
三极管临界饱和时 的基极电流为：
iB＞IBS，三极管工作 在饱和状态。输出电 压uY＝UCES＝0.3V。
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-I R ts tt
存储时间
t
渡越时间
P区
势垒区
N区
产生反向恢复过程的原 因是电荷存储效应所引起的。 反向恢复时间就是存储电荷 消失所需要的时间，一般在
+
-
纳秒数量级。
P 区的电子 浓度分布 N 区的空穴 浓度分布
2. 开通特性：主要体现在二极管的开通时间
开通时间--二极管从截止转为正向导通所需要的 时间
入 C 0 1 0 1 0 1 0 1
输出 L 0 1 1 1 1 1 1 1
0V
5V 5V
D1 D2 D3
＋4.3 V
L
0 0 0 1 1 1 1
R 3kW
二极管与门和或门电路的缺点：
（1）电平偏移：在多个门串接使用时，会出现低电平偏 离标准数值的情况。 （2）负载能力差
+VCC （ +5V） R 3kΩ D1 0V D2 5V 5V 0.7V D1 D2 +VCC （ +5V） R 3kΩ 1.4V L
三极管门电路 双极型
逻辑门 电路
集+5 V R vo vI S
当S闭合，vO= 0V 当S断开，vO= +5V
Vcc S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
2.2 半导体二极管、三极管的开关特性
2.2.1 二极管的开关特性 一、二极管导通条件及导通时的特点
是保护二极管，为 防止输入电压过低 而设置
输入级
中间级
输出级
多发射极三极管T1作用: 实现“与”的功能
b
A
B C
T1
c
+VCC
b b
A B C c A B C c
(1) 输入级 输入级由多发射极 三极管T1和基极电组R1 组成，它实现了输入变 量A、B、Ｃ的与运算。
(2) 中间级 中间级（倒相级） 是放大级，由T2、R2和 R3组成，T2的集电极C2 和发射极E2可以分提供 两个相位相反的电压信 号，以满足输出级的需 要。
R2 1.6kΩ
R4 130Ω
T3 D
+VCC +5V
i C1 0
I BS1 0
Y
iB1 I BS1
T1深度饱和，则
3.6V
T4 R3 1kΩ
uO
uCE1 UCES 1 0.1V uB2 uI uCE1 0.4V
T4截止，T3导通
uO VCC i B3R 2 uBE 3 uD
(a) 7404(六反相器)
(b) 7400(四2输入与非门)
2.4.1 TTL与非门的工作原理
一、组成
输入级：T1,R1
A R1 4kΩ R2 1.6kΩ R4 130Ω T3 uI B C T4 R3 1kΩ T1 T2 D Y uO
+VCC +5V
中间级：T2,R2,R3 输出级： T3,T4,R4,D
•只用于IC内部电路
2.3.3 非门电路 ─ 三极管反相器
VCC
1
Rc L A Rb T
A
A L=
三极管 反相电路
非逻辑符号及表达式
当输入为逻辑0时:
VCC
非逻辑真值表
vcc
输入A 输出L
Rc L A
0
1
0
Rb
1
T
当输入为逻辑1时:
VCC
非逻辑真值表
输入A
L
Rc
输出L
0
1
0
A
1
Rb
0
T
1
2.3.4 DTL复合门电路
集电极电流从0.1ICS上 升到0.9ICS所需的时间。 （3）存储时间ts——
从输入信号vi下跳变的 瞬间开始，到集电极电流iC 下降到0.9ICS所需的时间。 （4）下降时间tf—— 集电极电流从0.9ICS下降 到0.1ICS所需的时间。
2.3 基本逻辑门电路
2.3.1 二极管与门电路
2.3.2 二极管或门电路
UCE=0.1～0.3V 典型值UCE=0.3V
三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB＞ IBS
I CS
I BS
VCC - U CE VCC - U BE VCC - 0.7V VCC RC RC RC RC
I CS VCC R C
二、三极管的动态特性
（1）延迟时间td—— 从输入信号vi正跳变的 瞬间开始，到集电极电流iC 上升到0.1ICS所需的时间 （2）上升时间tr——
2.3.3 非门电路 ─ 三极管反相器 2.3.4 复合逻辑门电路
2.3.1 二极管与门电路
VCC+(5V) R 3kW D1 A D2 B D3 C L
A B C
&
L=A· B· C
二极管与门电路
与逻辑符号及表达式
三个输入端中，只 要有一个为0V, 其余为 +5V时：
VCC+(5V) R 3kW
入 入 C C 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
输 输出 出 L L 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0V 0V
0V
D1 D2 D3
0V
L
R 3kW
或逻辑真值表 输入端中只要有一个为+5V
A B C
输 A 0 B 0 0 1 1 0 0 1 1
输入与输出电压关系 输 VA 0V 0V 0V 0V +5 V +5 V +5 V VB 0V 0V +5 V +5 V 0V 0V +5 V 入 VC 0V +5 V 0V +5 V 0V +5 V 0V 输 出 VL 0.7V 0.7V 0.7V 0.7V 0.7V
0V A
B
D1 D2 D3
5V
截止时特点：
电流ID接近于0，相当于开关断开
理想的开关应具有两个工作状态：
接通状态 断开状态 ---要求阻抗越小越好，相当于短路（导通） ---要求阻抗越大越好，相当于开路（截止）
在数字电路中，二极管和三极管工作在开关状态，即，不 是饱和导通，就是反向截止，好象一个开关一样。
当脉冲信号的频率很高时，开关状态的变化速度很快，每
元器件/片
10～100 100～999 1000～99999 >100000
LSI ( Large Scale Integrated circuit)
VLSI (Very Large Scale Integrated circuit)
逻辑门和触发器是目前常用的SSI 译码器、 数据选择器、 加法器、 计数器、 移位寄存器等组 件是常用的MSI。 常见的LSI、 VLSI有只读存储器、 随机存取存储器、 微处理 器、高速乘法累加器、 通用和专用数字信号处理器等。
5 0 0.7 0.7 3.6V
uI
T1
T2
截止
T3
导通
T4
截止
uO
高电平 (3.6V)
低电平 深饱和 (0.3V)
二、工作原理
(2)当输入端ABC都为高电 平3.6V时
假设T1发射结度正向导通，则 R1 4kΩ R2 1.6kΩ R4 130Ω T3 D
+VCC +5V
1V 4.3V 2.1V 3.6V 1.4V uB1 uI uBE1 4.3V A T2 T 1 uB1 uBC1 uBE 2 uBE4 uI B 3.6V 3.6V 0.7 0.7 0.7 2.1V C T1发射结反偏，集电结正偏， 工作在倒置状态，即集电极和 R3 发射极颠倒使用，此时电流放 1kΩ 大系数βi在0.02左右
1、DTL与非门电路
VCC+(5V) R 3kW D1 A
VCC
Rc L D4 D5 T R2
D2
B D3 C
A B C
&
L=A· B· C
2、DTL或非门电路
D1 A B C R 3kW D2 D3
VCC
Rc L D4 D5 T R2
A B C
≥1 ≡
L=A＋B＋C
2.4 TTL集成门电路
集成逻辑门电路是把门电路的所有元器件 及连接导线制作在一块半导体硅片上，构成集成 逻辑门。 若这种电路的输入级和输出级都采用半导体 三极管，则称为三极管─三极管集成逻辑门电路 （Transistor─ Transistor ─Logic），即TTL门 电路。 集成电路的特点：体积小，重量轻，功耗小，价 格低，可靠性等。
二极管D的符号
设二极管的外加正向电压为VF，正向导通时的管压降为VD
导通条件： 导通时特点：
VF≥0.7V(Si)/0.2V(Ge) VD＝0.7V(Si)/0.2V(Ge)
相当于开关闭合后有个0.7/0.2V的恒压降
二、二极管截止条件及截止时的特点
截止条件：
加正向电压时VF＜0.5V(Si)/0.1V(Ge) 或加反向电压
(3) 输出级
输出级由T3、T4、
D和R4组成，其中其中
D、T3作为由T4组成的 反相器的有源负载。 T3 与T4组成推拉式输出结 构，具有较强的负载能 力。
二、工作原理
(1)当输入端ABC中至少有 一个为低电平0.3V时
i B1 (VCC uB1 ) / R1 1mA
R1 4kΩ
1V A uI B C 0.3V 3.6V T1 T2
0.7V
L
5V C
0.7V 0.7V
压差大的 管子导通
只有当A、B、C 三个输入端均为高电 平+5V时：