第三章 门电路

属于单开关电路， 图3.1.2属于单开关电路，其功耗较大。目前出现 属于单开关电路 其功耗较大。 互补开关电路（ 门电路）， 互补开关电路（如CMOS门电路），即用一个管子代替 门电路），即用一个管子代替 中的电阻， 图3.1.2中的电阻，如图 中的电阻 如图3.1.3所示 所示
Vcc S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
图3.2.3 二极管动态电流波形
在输入信号频率较低时， 在输入信号频率较低时，二极管的导通和截止的转 换时间可以认为是瞬间完成的。 换时间可以认为是瞬间完成的。但在输入信号频率较高 此时间就不能忽略了。 时，此时间就不能忽略了。
3.2.2 二极管与门
简单的二极管与 门电路如图3.2.4所示 门电路如图 所示 设VCC＝5V，输入 ， 端A、B的高低电平为 的高低电平为 VIH＝3V，VIL＝0V， ， ， 二极管的正向导通压 降为 VDF＝0.7V，则： 图3.2.4 二极管与门电路 ， 当A、B中有一个是低电平0V时，至少有一个二极管导 中有一个是低电平0V时 使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；只有A 通，使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；只有A、B 中都加高电平3V时 两个二极管同时导通，使得输出Y 中都加高电平3V时，两个二极管同时导通，使得输出Y 3.7V，为高电平。 为3.7V，为高电平。
本章主要内容
3.1 概述 3.2 半导体二极管门电路 3.3 CMOS门电路 门电路 3.4* 其他类型的 其他类型的MOS集成门电路（自学） 集成门电路（自学） 集成门电路 3.5 TTL门电路 门电路 3.6* 其他类型的双极型集成门电路 3.7* Bi－CMOS电路（自学） 电路（ － 电路 自学） 3.8* TTL门电路与 门电路与CMOS门电路的接口 门电路与 门电路的接口
表3.1.1给出正负逻辑对应的门 给出正负逻辑对应的门 电路类型，由表中可以看出： 电路类型，由表中可以看出： 正负逻辑式互为对偶式， 正负逻辑式互为对偶式， 即若给出一个正逻辑的逻辑 式，则对偶式即为负逻辑的 逻辑式，如正逻辑为或门， 逻辑式，如正逻辑为或门， 即Y=A+B，对偶式为 D＝ ，对偶式为Y AB，即负逻辑为与门。正负 ，即负逻辑为与门。 逻辑的使用依个人的习惯， 逻辑的使用依个人的习惯， 但同一系统中采用一种逻辑 关系
二极管动态特性： 2.二极管动态特性： 当电路处于动态状态， 当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反 向时， 向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关 特性（简称动态特性） 特性（简称动态特性） 二极管的动态电流波形 如图3.2.3所示，其中 和i是 所示， 如图 所示 其中v和 是 二极管两端的电压与流过的 电流。 电流。 由图3.2.3可以看出，二 可以看出， 由图 可以看出 极管两端电压突变时， 极管两端电压突变时，其电 流变化滞后于电压。 流变化滞后于电压。
图3.2.5 二极管或门电路
当A、B中有一个是低电平0V时，至少有一个二极管导 中有一个是低电平0V时 使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；只有A 通，使得输出Y的电压为0.7V，为低电平；只有A、B 中都加高电平3V时 两个二极管同时导通，使得输出Y 中都加高电平3V时，两个二极管同时导通，使得输出Y 3.7V，为高电平。 为3.7V，为高电平。
图3.2.1 二极管的开关电路
设vi的高电平为VIH＝VCC， vi的低电平为VIL＝0，且D 的高电平为V 的低电平为V 为理想元件，即正向导通电阻为0 反向电阻无穷大， 为理想元件，即正向导通电阻为0，反向电阻无穷大， 稳态时当v 截止，输出电压v 则稳态时当vI＝VIH＝VCC时，D截止，输出电压vD＝ VOH＝ VCC，当vI＝VIL＝0时，D导通，输出电压vo＝ 导通，输出电压v VOL ＝0。
其输出Y和输入 其输出 和输入A、B是 和输入 是 与的关系， 与的关系，即
Y = A+ B
其真值表如表3.2.4所示 所示 其真值表如表 表3.2.3 A B 0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V Y 0V 2.3V 2.3V 2.3V 图3.2.5 二极管或门电路 表3.2.4 A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1
103~
105
/片
105 以上/片 以上/
单极型（ FET） 按导电类型 双极型（ BJT） 兼容型（ FET＋BJT）
按导电类型可分为
数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门， 数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因 此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、 数字集成逻辑门的结构、 此本章先介绍 和 数字集成逻辑门的结构 工作原理
图3.1.2 高低电平实现原理电路
当开关S断开时，输出电压 为高电平“ ； 当开关 断开时，输出电压vo＝Vcc，为高电平“1”； 断开时 当开关闭合时，输出电压v 当开关闭合时，输出电压 o＝0，为低电平“0”；若开 ，为低电平“ ； 关由三极管构成， 关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状 就相当开关S的断开和闭合 的断开和闭合。 态，就相当开关 的断开和闭合。
图3.1.1 正负逻辑示意图
数字集成电路根据规模可分为 ≤100/片 ≤100/片
（100～1000）/片 100～1000）
小规模（SSI－Small Scale Integration） 中规模（MSI - Medium Scale Integration) 按规模分（每片 IC所含元器件数）大规模（LSI－Large Scale Integration) 超大规模（VLSI－Very Large Scale Integration）
其输出Y和输入 是与的关系， 其输出 和输入A、B是与的关系，即 和输入 是与的关系
Y = A⋅ B
3.2.3 二极管或门
二极管或门电路如 图3.2.5所示 所示 设输入端A 设输入端 、B的 的 高低电平为V 高低电平为 IH＝3V， ， VIL＝0V，二极管的正 ， 向导通压降为V 向导通压降为 DF＝ 0.7V，则： ，
规定2.3V以上为 以上为1 规定 以上为 0V以下为 以下为0 以下为
二极管构成的门电路的缺点: 二极管构成的门电路的缺点:
1.电平有偏移 输出的高低电平数值与输入的高低电平 电平有偏移:输出的高低电平数值与输入的高低电平 电平有偏移 数值相差一个二极管的压降， 数值相差一个二极管的压降，后级的二极管门电路电 平偏移， 平偏移，甚至使得高电平下降到门限值以下 2.带负载能力差：由于这种二极管门电路的输出电阻 带负载能力差： 带负载能力差 比较低，故带负载能力差， 比较低，故带负载能力差，输出电平会随负载的变化 而变化。 而变化。 •只用于IC内部电路的逻辑单元 只用于IC内部电路的逻辑单元
图3.2.1 二极管的开关电路
对于图3.2.1所示二极管开关 电路，由于二极管具有单向导电性， 电路，由于二极管具有单向导电性， 故它可相当受外加电压控制的开关。 故它可相当受外加电压控制的开关。 将电路处于相对稳定状态下， 将电路处于相对稳定状态下， 晶体二极管所呈现的开关特性称为 稳态开关特性
S2
图3.1.3 互补开关电路
图3.1.2高低电平实现原理电路 高低电平实现原理电路
互补开关电路的原理为： 互补开关电路的原理为： 开关S 开关 1和S2受同一输入 信号v 的控制， 信号 I的控制，而且导通和 断开的状态相反。 断开的状态相反。当S1闭合 断开， 时，S2断开，输出为高电平 “1”；相反当 1断开时，S2 ；相反当S 断开时， 闭合，输出为高电平“ 。 闭合，输出为高电平“0”。
图3.2.3 二极管动态电流波形
这是由于在输入电压转换状 态的瞬间， 态的瞬间，二极管由反向截止 到正向导通时， 到正向导通时，内电场的建立 需要一定的时间， 需要一定的时间，所以二极管 电流的上升是缓慢的； 电流的上升是缓慢的；当二极 管由正向导通到反向截止时， 管由正向导通到反向截止时， 二极管的电流迅速衰减并趋向 饱和电流也需要一定的时间。 饱和电流也需要一定的时间。 由于时间很短， 由于时间很短，在示波器是无 法看到的
其输入输出及真值表如表3.2.1和3.2.2所示 和 所示 其输入输出及真值表如表 表3.2.1 A B 0V 0V 0V 3V 3V 0V 3V 3V 表3.2.2 Y 0.7V 0.7V 0.7V 3.7V A 规定3V以上为 以上为“ 规定 以上为“1” 0 0 0.7V以下为“0” 以下为“ 以下为 1 1 B 0 1 0 1 Y 0 0 0 1
Vcc S1
输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号
S2
图3.1.3 互补开关电路
互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的， 互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的， 流过的电流为零，故电路的功耗非常低， 流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字 电路中得到广泛的应用
4. 数字逻辑电路的概述 （1）优点： 优点： 在数字电路中由于采用 高低电平， 高低电平，并且高低电平都 有一个允许的范围， 有一个允许的范围，如图 3.1.1所示 3.1.1所示，故对元器件的精 所示， 度和电源的稳定性的要求都 比模拟电路要低， 比模拟电路要低，抗干扰能 力也强。 力也强。 (2) 分类： 分类： 数字逻辑电路可分为分立元件逻辑门电路和集成 逻辑门电路
3.1 概述
1. 门电路： 门电路： 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门 电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、 电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或 门、与或非门等 2. 正负逻辑系统 (1) 正逻辑： 正逻辑： 在二值逻辑中， 在二值逻辑中，如果 用高电平表示逻辑“1” ， 用高电平表示逻辑“ 低电平表示逻辑“ 低电平表示逻辑“0” ，在 这种规定下的逻辑关系称 为正逻辑，如图3.1.1所示 为正逻辑，如图 所示
第三章 门电路
内容提要： 内容提要：
本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元电路－－ 本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元电路－－ 门电路。 门电路。首先简单介绍门电路中的基本半导体器件的 开关特性，然后介绍CMOS逻辑门和 逻辑门和TTL逻辑门。在 逻辑门。 开关特性，然后介绍 逻辑门和 逻辑门 讨论半导体二极管和三极管及场效应管的开关特性基 础上，介绍各种逻辑门的电路结构、工作原理、 础上，介绍各种逻辑门的电路结构、工作原理、逻辑 功能、电器特性等等， 功能、电器特性等等，为以后的学习及实际使用打下 必要的基础。本章重点讨论CMOS门电路和 门电路和TTL门电 必要的基础。本章重点讨论 门电路和 门电 路。
3.2 半导体二极管门电路
3.2.1半导体二极管的开关特性 3.2.1半导源自文库二极管的开关特性
1. 稳态开关特性 将图3.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图 中的开关用二极管代替， 将图 中的开关用二极管代替 3.2.1所示的半导体二极管开关电路 所示的半导体二极管开关电路
图3.1.2高低电平实现原理电路 高低电平实现原理电路
图3.1.1 正负逻辑示意图
(2) 负逻辑： 负逻辑： 在二值逻辑中， 在二值逻辑中，如果 用高电平表示逻辑“ 用高电平表示逻辑“0” ， 低电平表示逻辑“ 低电平表示逻辑“1” ，在 这种规定下的逻辑关系称 为负逻辑，如图3.1.1所示。 所示。 为负逻辑，如图 所示 图3.1.1 正负逻辑示意图 同一逻辑电路采用不同的逻辑关系， 同一逻辑电路采用不同的逻辑关系，其逻辑功能 采用不同的逻辑关系 是完全不同的， 是完全不同的，如表3.1.1正负逻辑对应的逻辑电路
表3.1.1 正负逻辑对应的门电路 正逻辑 与门 或门 与非门 或非门 异或门 同或门 负逻辑 或门 与门 或非门 与非门 同或门 异或门
本书采用正逻辑系统
3. 高低电平的实现 在数字电路中， 在数字电路中，输入输出 都是二值逻辑， 都是二值逻辑，其高低电平用 表示。 “0”和“1”表示。其高低电平 和 表示 的获得是通过开关电路来实现， 的获得是通过开关电路来实现， 如二极管或三极管电路组成。 如二极管或三极管电路组成。 如图3.1.2所示。 所示。 如图 所示 其原理为： 其原理为：