第三章_门电路3
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第三章门电路
缺点：因为饱和管的消散时间长，门的传输时延大，可达25ns
第三章门电路
三、电阻－晶体管逻辑门（RTL）
或非门 无源上拉电阻输出：
非门
无源上拉 电阻输出
输出低电平时为低内阻，输出高电平时为高内阻 因此，这类门在输出高电平时负载能力差，能带动同类门的
数目少
第三章门电路
3-3 晶体管－晶体管逻辑门（TTL）
D
K
V
F
IF
V
RL
F
IF
RL
(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。
二极管相当于一个断开的开关。
D
K
V
R
IS
RL
V
R
RL
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。 当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的 变化在“开”态与“关”态之间转换。
2、肖特基二极管 肖特基二极管是一种专门 设计的、开关时间极短的 二极管，开关时间trr仅为 100ps。 另外，肖特基二极管的正向阈值电压Vth约为0.3V，也比 硅管的低
一、二极管开关特性 1、二极管特点
正向阈值 对硅管约为0.7~0.8V 对锗管约为0.3V
第三章门电路
二极管的近似特性曲线 导通区Ⅰ： 导通内阻，约数十欧 截止区Ⅱ： 反向内阻，约数百欧 反向击穿区Ⅲ： 击穿内阻，约数欧
第三章门电路
(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极
管相当于一个闭合的开关。
（2）、用达林顿对管T3-T4代 替T4-D3管，使输出高 电平时内阻进一步减小， 增加了输出拉电流
第三章门电路
L-TTL （1）省去了保护二极管
第3章 门电路
山东大学(威海)机电与信息工程学院 邹晓玉 26
TP
+VDD Y
VDD 0 A 0 1 Y 1 0
A
TN
表达式： Y=A’
电压传输特性和电流传输特性
截 止 区 ： TN 截 止 ， TP 导 通 ， 输入低电平， 输出高电平； 电流iD≈0。 使用时不应长 时 间 工 作 在 BC 段，以免因功 耗大而损坏。
山东大学(威海)机电与信息工程学院 邹晓玉 5
客观世界中，没有理想开关
乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分
接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字
电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。
半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，
其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。
山东大学(威海)机电与信息工程学院
山东大学(威海)机电与信息工程学院 邹晓玉 8
动态特性：
二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需 要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的 时间。 一般为纳秒数量级（通常tre ≤5ns ）。
若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失 去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。
(1) 截止区： uGS< UT，未形成导电沟道，id=0 (2) uGS>UT，导电沟道形成，有id产生，分两个区：
可变电阻区： UDS较小， id随UDS线性增加,且UGS越大，
斜率越大，等效电阻越小
可变电 阻区
恒流区：
恒流区
UDS较大, id不随UDS 的增加程学院
山东大学(威海)机电与信息工程学院 邹晓玉 2
获得高、低电平的基本原理
开关S断开，输出电压为VCC (高电平)； 开关S闭合，输出电压为0 (低电平)；
TP
+VDD Y
VDD 0 A 0 1 Y 1 0
A
TN
表达式： Y=A’
电压传输特性和电流传输特性
截 止 区 ： TN 截 止 ， TP 导 通 ， 输入低电平， 输出高电平； 电流iD≈0。 使用时不应长 时 间 工 作 在 BC 段，以免因功 耗大而损坏。
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客观世界中，没有理想开关
乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分
接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字
电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。
半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，
其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。
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山东大学(威海)机电与信息工程学院 邹晓玉 8
动态特性：
二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需 要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的 时间。 一般为纳秒数量级（通常tre ≤5ns ）。
若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失 去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。
(1) 截止区： uGS< UT，未形成导电沟道，id=0 (2) uGS>UT，导电沟道形成，有id产生，分两个区：
可变电阻区： UDS较小， id随UDS线性增加,且UGS越大，
斜率越大，等效电阻越小
可变电 阻区
恒流区：
恒流区
UDS较大, id不随UDS 的增加程学院
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获得高、低电平的基本原理
开关S断开，输出电压为VCC (高电平)； 开关S闭合，输出电压为0 (低电平)；
第3章门电路
&Y
4
第三章门电路
2.二极管或门
图3.2.6 二极管或门
A/V B/V Y/V
000 0 3 2.3 3 0 2.3 3 3 2.3
AB
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
Y=A+B A
B
A
≥1
Y
Y
B
北方工业大学信息工程学院
叶青制作
5
３.３ TTL门电路
第三章门电路
集成电路(IC)：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所 需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。
北方工业大学信息工程学院
叶青制作
3
第三章门电路
1.二极管与门
设：VCC=5V, VIH=3V, VIL=0V
A/V 0 0 3 3
B/V 0 3 0 3
Y/V 0.7 0.7 0.7 3.7
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
图3.2.5 二极管与门
Y=AB
A B
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YA B
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1.电路
(5v)
EN:使能端，控制端 R1
R4 R2
VB1 0.9V 4.3V 0.9V
T4
A B
T1
T2
D3 Y 2.9V
T5 (Vo)
3.6V EN 0.2V
D
R3
3.6V
北方工业大学信息工程学院
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31
（三）三态输出门电路（TS） 1.电路
第三章门电路
第3章_门电路 课后答案
在图（b）电路中，当C、D、E均为低电平时，三个二极管截止。TTL或非门输入端对地接有 电阻，将使该输入端为逻辑1状态，故分立器件的或非门已失去作用。图（c）电路也不能用于TTL电路，因为 的高电平有可能低于TTL电路要求的 值。
【题3.4】计算图P3.4电路中的反向器 能驱动多少个同样的反相器。要求 输出的高，低电平符合 。所有的反向器均为74LS系列TTL电路，输入电流 时输出电流的最大值 时输出电流的最大值为 的输出电阻可忽略不计。
【题3.18】在CMOS电路中有时采用图P3.18（a）～（d）所示的扩展功能用法，试分析各图的逻辑功能，写出 的逻辑式。已知电源电压 ，二极管的正向导通压降为0.7V。
【解】
（a）
（b）
（c）
（d）
【题3.19】上题中使用的扩展方法能否用于TTL门电路？试说明理由。
【解】不能用于TTL电路。在图（a）电路中，当C、D、E任何一个为低电平时，分立器件与门的输出将高于TTL与非门的 值，相当于TTL电路的逻辑1状态，分立器件的与门已不能实现与的逻辑功能了。同理，图（d）电路也不能用于TTL电路。
（1）在三极管集电极输出的高、低电压满足 、 的条件下， 的取值范围有多大？
（2）若将OC门改成推拉式输出的TTL门电路，会发生什么问题？
【解】（1）根据三极管饱和导通时的要求可求得RB的最大允许值。三极管的临界饱和基极电流应为
故得到 。
又根据OC门导通时允许的最大负载电流为16mA，可求得Rn的最小允许值。
【题3.13】试分析图P3.13中各电路的逻辑功能，写出输出逻辑函数式。
【解】
（a）
（b）
（c） （OC门）
（d）当
（三态输出的反相器）
高阻态当
【题3.4】计算图P3.4电路中的反向器 能驱动多少个同样的反相器。要求 输出的高，低电平符合 。所有的反向器均为74LS系列TTL电路，输入电流 时输出电流的最大值 时输出电流的最大值为 的输出电阻可忽略不计。
【题3.18】在CMOS电路中有时采用图P3.18（a）～（d）所示的扩展功能用法，试分析各图的逻辑功能，写出 的逻辑式。已知电源电压 ，二极管的正向导通压降为0.7V。
【解】
（a）
（b）
（c）
（d）
【题3.19】上题中使用的扩展方法能否用于TTL门电路？试说明理由。
【解】不能用于TTL电路。在图（a）电路中，当C、D、E任何一个为低电平时，分立器件与门的输出将高于TTL与非门的 值，相当于TTL电路的逻辑1状态，分立器件的与门已不能实现与的逻辑功能了。同理，图（d）电路也不能用于TTL电路。
（1）在三极管集电极输出的高、低电压满足 、 的条件下， 的取值范围有多大？
（2）若将OC门改成推拉式输出的TTL门电路，会发生什么问题？
【解】（1）根据三极管饱和导通时的要求可求得RB的最大允许值。三极管的临界饱和基极电流应为
故得到 。
又根据OC门导通时允许的最大负载电流为16mA，可求得Rn的最小允许值。
【题3.13】试分析图P3.13中各电路的逻辑功能，写出输出逻辑函数式。
【解】
（a）
（b）
（c） （OC门）
（d）当
（三态输出的反相器）
高阻态当
数电第三章门电路
15
§3.4 TTL门电路
数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个 完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。 使用时接：电源、输入和输出。数字集成电 路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价 格便宜的特点。
TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为: Transistor— Transistor Logic。
输出高电平
UOH (3.4V)
u0(V)
UOH
“1”
输出低电平
u0(V)
UOL
UOL (0.3V)
1
(0.3V)
2 3 ui(V)
1 2 3 ui(V)
阈值UT=1.4V
传输特性曲线
理想的传输特性 28
1、输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。
uA t
uF
截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ——C、 E间相当于开关断开。
+ucc
t
4
0.3V
3.2.3MOS管的开关特 恒流区：UGS>>Uth ， UDS
性： +VDD
0V ——D、S间相当于 开关闭合。
R
uI
Uo
Ui
NMO S
uO
夹断区： UGS< Uth， ID=0 ——D、S间相当于开关断开。
3.3.4 其它门电路
一、 其它门电路
其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等,比如：
二、 门电路的“封锁”和“打开”问题
A B
&
Y
C
当C=1时，Y=AB.1=AB
§3.4 TTL门电路
数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个 完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。 使用时接：电源、输入和输出。数字集成电 路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价 格便宜的特点。
TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶 体管，称之为: Transistor— Transistor Logic。
输出高电平
UOH (3.4V)
u0(V)
UOH
“1”
输出低电平
u0(V)
UOL
UOL (0.3V)
1
(0.3V)
2 3 ui(V)
1 2 3 ui(V)
阈值UT=1.4V
传输特性曲线
理想的传输特性 28
1、输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。
uA t
uF
截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0 ——C、 E间相当于开关断开。
+ucc
t
4
0.3V
3.2.3MOS管的开关特 恒流区：UGS>>Uth ， UDS
性： +VDD
0V ——D、S间相当于 开关闭合。
R
uI
Uo
Ui
NMO S
uO
夹断区： UGS< Uth， ID=0 ——D、S间相当于开关断开。
3.3.4 其它门电路
一、 其它门电路
其它门电路有与非门、或非门、同或门、异或门等等,比如：
二、 门电路的“封锁”和“打开”问题
A B
&
Y
C
当C=1时，Y=AB.1=AB
课后习题答案_第3章_门电路
数字电子技术基础第三章习题答案3-1 如图3-63a~d所示4个TTL门电路，A、B端输入的波形如图e所示，试分别画出F1、F2、F3和F4的波形图。
略3-2 电路如图3-64a所示，输入A、B的电压波形如图3-64b所示，试画出各个门电路输出端的电压波形。
略3-3 在图3-7所示的正逻辑与门和图3-8所示的正逻辑或门电路中，若改用负逻辑，试列出它们的逻辑真值表，并说明F和A、B之间是什么逻辑关系。
答：（1）图3-7负逻辑真值表F与A、B之间相当于正逻辑的“或”操作。
（2）图3-8负逻辑真值表F与A、B之间相当于正逻辑的“与”操作。
3-4 试说明能否将与非门、或非门、异或门当做反相器使用？如果可以，各输入端应如何连接？答：三种门经过处理以后均可以实现反相器功能。
(1)与非门: 将多余输入端接至高电平或与另一端并联；(2)或非门：将多余输入端接至低电平或与另一端并联；(3) 异或门：将另一个输入端接高电平。
3-5 为了实现图3-65所示的各TTL 门电路输出端所示的逻辑关系，请合理地将多余的输入端进行处理。
答：a ）多余输入端可以悬空，但建议接高电平或与另两个输入端的一端相连；b)多余输入端接低电平或与另两个输入端的一端相连；c) 未用与门的两个输入端至少一端接低电平，另一端可以悬空、接高电平或接低电平；d ）未用或门的两个输入端悬空或都接高电平。
3-6 如要实现图3-66所示各TTL 门电路输出端所示的逻辑关系，请分析电路输入端的连接是否正确？若不正确，请予以改正。
答：a ）不正确。
输入电阻过小，相当于接低电平，因此将Ω50提高到至少2K Ω。
b) 不正确。
第三脚V CC 应该接低电平。
c ）不正确。
万用表一般内阻大于2K Ω，从而使输出结果0。
因此多余输入端应接低电平，万用表只能测量A 或B 的输入电压。
3-7 （修改原题，图中横向电阻改为6k Ω，纵向电阻改为3.5 k Ω,β=30改为β=80） 为了提高TTL 与非门的带负载能力，可在其输出端接一个NPN 晶体管，组成如图3-67所示的开关电路。
数电-第三章逻辑门电路
典型时序逻辑电路
了解和掌握常见时序逻辑电路的原理和应用，如寄存器、 计数器、顺序脉冲发生器等。
可编程逻辑器件应用
1 2
可编程逻辑器件简介
了解可编程逻辑器件的基本概念和分类，如PAL、 GAL、CPLD、FPGA等。
可编程逻辑器件编程
学习使用相应的开发工具和编程语言，对可编程 逻辑器件进行编程和配置，实现特定的逻辑功能。
典型组合逻辑电路
了解和掌握常见组合逻辑电路的 原理和应用，如编码器、译码器、
数据选择器、比较器等。
时序逻辑电路分析与设计
时序逻辑电路分析
分析时序逻辑电路的工作原理，包括触发器的状态转换、 时钟信号的作用等，进而理解电路的功能。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，设计实现特定功能的时序逻辑电路。包括 确定输入、输出变量，选择适当的触发器类型，画出状态 转换图或时序图等步骤。
数电-第三章逻辑门 电路
• 逻辑门电路基本概念 • 基本逻辑门电路 • 复合逻辑门电路 • 逻辑门电路应用 • 逻辑门电路实验与仿真 • 逻辑门电路总结与展望
目录
Part
01
逻辑门电路基本概念
逻辑门定义与分类
逻辑门定义
逻辑门是数字电路中的基本单元 ，用于实现基本的逻辑运算功能 ，如与、或、非等。
逻辑符号为带有小圆圈的与门符号。
或非门电路
01
02
03
或非门逻辑功能
实现输入信号的逻辑或操 作，并取反输出结果。
或非门符号
逻辑符号为带有小圆圈的 或门符号。
或非门真值表
输入全为0时，输出为1； 输入有1时，输出为0。
异或门电路
异或门逻辑功能
实现输入信号的异或操作， 即输入信号相同时输出为0， 不同时输出为1。
了解和掌握常见时序逻辑电路的原理和应用，如寄存器、 计数器、顺序脉冲发生器等。
可编程逻辑器件应用
1 2
可编程逻辑器件简介
了解可编程逻辑器件的基本概念和分类，如PAL、 GAL、CPLD、FPGA等。
可编程逻辑器件编程
学习使用相应的开发工具和编程语言，对可编程 逻辑器件进行编程和配置，实现特定的逻辑功能。
典型组合逻辑电路
了解和掌握常见组合逻辑电路的 原理和应用，如编码器、译码器、
数据选择器、比较器等。
时序逻辑电路分析与设计
时序逻辑电路分析
分析时序逻辑电路的工作原理，包括触发器的状态转换、 时钟信号的作用等，进而理解电路的功能。
时序逻辑电路设计
根据实际需求，设计实现特定功能的时序逻辑电路。包括 确定输入、输出变量，选择适当的触发器类型，画出状态 转换图或时序图等步骤。
数电-第三章逻辑门 电路
• 逻辑门电路基本概念 • 基本逻辑门电路 • 复合逻辑门电路 • 逻辑门电路应用 • 逻辑门电路实验与仿真 • 逻辑门电路总结与展望
目录
Part
01
逻辑门电路基本概念
逻辑门定义与分类
逻辑门定义
逻辑门是数字电路中的基本单元 ，用于实现基本的逻辑运算功能 ，如与、或、非等。
逻辑符号为带有小圆圈的与门符号。
或非门电路
01
02
03
或非门逻辑功能
实现输入信号的逻辑或操 作，并取反输出结果。
或非门符号
逻辑符号为带有小圆圈的 或门符号。
或非门真值表
输入全为0时，输出为1； 输入有1时，输出为0。
异或门电路
异或门逻辑功能
实现输入信号的异或操作， 即输入信号相同时输出为0， 不同时输出为1。
《数字电子技术基础》第六版--门电路-1117省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件
S
D
B
不论D、S间有无电压， 均无法导通，不能导电
第 章 门电路
3.3.1 MOS管旳开关特征 以N沟道增强型为例研究通电情况：
数字电子技术基础 第六版
2、添加垂直电压VGS
形成电场G—B,把衬底中旳电子吸引 到上表面，除复合外，剩余旳电子在 上表面形成了N型层（反型层）为D、 S间旳导通提供了通道。
VGS(th)称为阈值电压(开启电压）
第 章 门电路
数字电子技术基础 第六版
3.3.1 MOS管旳开关特征
MOS管输入特征和输出特征
① 输入特征：直流电流为0，看进去有一种输入电 容CI，对动态有影响。
② 输出特征： iD = f (VDS) 相应不同旳VGS下得一族曲线 。
第 章 门电路
3.3.1 MOS管旳开关特征 输出特征曲线（分三个区域）
第 章 门电路
3.2.2 二极管或门 二极管构成旳门电路旳缺陷
• 电平有偏移 • 带负载能力差
数字电子技术基础 第六版
• 只用于IC内部电路
第 章 门电路
集成门电路
数字电子技术基础 第六版
集成门电路
双极型 TTL (Transistor-Transistor Logic Integrated Circuit)
第 章 门电路
数字电子技术基础 第六版
3.3.2 CMOS反相器旳电路构造和工作原理 三、输入噪声容限
噪声容限－－衡量门电路旳抗干扰能力。 噪声容限越大，表白电路抗干扰能力越强。
测试表白：CMOS电路噪声容限VNH=VNL＝30％VDD，且 随VDD旳增长而加大。所以能够经过提升VDD来提升噪声容限
第 章 门电路
半导体基础知识（2）
脉冲与数字电路第三章门电路
8>其他：
工作温度：军品（54系列） –55 ~ +125摄氏度
民品（74系列） 0 ~ +70摄氏度
工作电压：推荐值 5V
极限值+-0.5
功耗：PH=ICCHVCC
PL=ICCLVCC
平均功耗P=(PL+ PH)/2
5、晶体管-晶体管逻辑门(TTL)
标准TTL门: 低电平<0.8V,高电平〉2V
结论：1.TTL电路的输入不能为负； 2.TTL门电路的输入端在输入低电平时
电流高于输入为高电平的电流。
6、TTL逻辑门外部特性和参数 转 移 特 性 曲 线
1>域值电平：1.0V(LS),1.4V（标准） 2>关门电平：VOFF=VILMAX=0.8V
3>开门电平: VON=VIHMIN=2.0V
驱动同类门数目少；传输延迟大，已淘汰。
2、二极管-晶体管逻辑门(DTL)
电路符号
特点：输出高电平时，驱动的同类门输入二极管截止，
不影响负载能力。传输延迟也较大，已淘汰。
3、晶体管-晶体管逻辑门(TTL) 1>标准TTL门
低电平<0.8V
高电平〉2V
特点：可以提供较大的输出拉电流和灌电流。 传输延迟大，功耗大。
4、 TTL逻辑门外部特性和参数
1>域值电平： 1.0V(LS),1.3V(S),1.5V(F),1.4V（标准） 2>关门电平：VOFF=VILMAX=0.8V 3>开门电平: VON=VIHMIN=2.0V 4>高电平噪声容限：VNH= VOHMIN - VIHMIN 5>低电平噪声容限: VNL= VILMAX – VOLMAX 6>输入输出特性和参数(p88) VILMAX, VIHMIN,VOLMAX, VOHMIN IILMAX,IIHMAX,IOLMAX,IOHMAX
工作温度：军品（54系列） –55 ~ +125摄氏度
民品（74系列） 0 ~ +70摄氏度
工作电压：推荐值 5V
极限值+-0.5
功耗：PH=ICCHVCC
PL=ICCLVCC
平均功耗P=(PL+ PH)/2
5、晶体管-晶体管逻辑门(TTL)
标准TTL门: 低电平<0.8V,高电平〉2V
结论：1.TTL电路的输入不能为负； 2.TTL门电路的输入端在输入低电平时
电流高于输入为高电平的电流。
6、TTL逻辑门外部特性和参数 转 移 特 性 曲 线
1>域值电平：1.0V(LS),1.4V（标准） 2>关门电平：VOFF=VILMAX=0.8V
3>开门电平: VON=VIHMIN=2.0V
驱动同类门数目少；传输延迟大，已淘汰。
2、二极管-晶体管逻辑门(DTL)
电路符号
特点：输出高电平时，驱动的同类门输入二极管截止，
不影响负载能力。传输延迟也较大，已淘汰。
3、晶体管-晶体管逻辑门(TTL) 1>标准TTL门
低电平<0.8V
高电平〉2V
特点：可以提供较大的输出拉电流和灌电流。 传输延迟大，功耗大。
4、 TTL逻辑门外部特性和参数
1>域值电平： 1.0V(LS),1.3V(S),1.5V(F),1.4V（标准） 2>关门电平：VOFF=VILMAX=0.8V 3>开门电平: VON=VIHMIN=2.0V 4>高电平噪声容限：VNH= VOHMIN - VIHMIN 5>低电平噪声容限: VNL= VILMAX – VOLMAX 6>输入输出特性和参数(p88) VILMAX, VIHMIN,VOLMAX, VOHMIN IILMAX,IIHMAX,IOLMAX,IOHMAX
第三章 门电路
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当VI为高电平VIH=Vcc时，D截止，Vo=Vcc ，输出高 电平。
当VI为低电平VIL=0时，导通，Vo=0 ，输出低电平.。
实际的二极管特性 曲线如下图：
并非我们假设的理想特性，其特性
i
O
v
即其反向电阻不是无穷大（有反向饱和电流IS),正向 电阻不为0，且其导通有一定的起始电压。
常等效成下列几种情况： 1） 当外电路电源VSS和等效电阻RS都很小时： VON S VSS VSS RS RS D
rD
2） 当二极管的导通压降与外电路电源VSS不能 忽略，二极管的正向电阻与外电路电阻相比可以 忽略时：
VSS RS VSS S VON
D
RS
在数字电路中，高电平一般仅为3V或5V，故VON的影响 不可忽略。所以常等效为这种方式。（硅二极管的导通 压降VON=0.7V，锗二极管的导通压降VON=0.3V。）
为满足输出电平变换、吸收大负载电流、 以及实现线与等需要，有时将输出级电路结构 改为一个漏级开路的MOS管，构成漏级开路输 出的门电路——OD门。
VDD
例：漏级开路 的与非门
VDD
'
Y A B
两个OD门的线与
Y=?
4）CMOS传输门和双向模拟开关
传输 门电 路结 构
T2 vI/ vO
VDD
VGS(th) ----Mos的开启电压。
MOS管的基本开GS< VGS(th) 时，
Mos管截止， iD ≈0 。输出VO为高
电平，Mos管的D—S之间就象一个断
开的开关。 当VI= VGS> VGS(th)时，
Mos管导通， iD =VDD/(RD+rDS). 输出VO= iD* rDS ≈0,
第三章_门电路
空穴
+3
硼原子
+4
10
归纳
1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多 ◆数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。 2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂 ◆ 浓度，少数载流子的数量取决于温度。
◆ 3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。 ◆ 4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；
P型半导体中空穴是多子，电子是少子。
多数载流子（多子）：电子。取决于掺杂浓度； 少数载流子（少子）：空穴。取决于温度。
8
N型半导体
磷原子
+4
+4
多余电子
+5
+4
9
2）P型半导体
在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼， 使空穴浓度大大增加。 多数载流子（多子）：空穴。取决于掺杂浓度； 少数载流子（少子）：电子。取决于温度。
+4
+4
D
+ vＩ -
当vI=VIH时，D截止，vO=VCC=VOH
用vI的高低电平控制二极管的开关状态， 在输出端得到高、低电平输出信号
33
二极管的开关特性
i
E
D
正向导通时
20℃
UD(ON)≈0.7V（硅） 0.3V（锗）
U(BR) IS 0 Uon u
RD≈几Ω ～几十Ω
相当于开关闭合
34
二极管的等效模型
求： uO的波形 解： 此类电路的分析方法： 将二极管看成理想二极管
当D的阳极电位高于阴极电位时， D导通，将D作为一短路线； 当D的阳极电位低于阴极电位时， D截止，将D作为一断开的开关； 10V 5V
uO
ui
t
数字电子技术基础：第三章 逻辑门电路
逻辑符号
C
vI /vO
TG
vO /vI
C
C
υo/ υI
2. CMOS传输门电路的工作原理
vI /vO
5V到+5V
C
+5V
TP +5V vO /vI
5V TN
5V
C
设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V
I的变化范围为－5V到+5V。
c=0=-5V， c =1=+5V
1）当c=0， c =1时 GSN= -5V (－5V到+5V)=(0到-10)V
在由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关 闭时间是相等的。平均延迟时间：<10 ns。
动态功耗
CMOS反相器的PD与f和 2 VDD
CMOS反相器从一个稳定状态转变到另一个稳定状态时所产生的功耗
PD=PC+PT
分布电容CL充放电引起的功耗： PC CL fVD2D
CMOS管瞬时交替导通引起的功耗：PT CPD fVD2D
74标准系列 74LS系列
74AS系列
74LVC 74VAUC 低(超低)电压 速度更加快 与TTL兼容 负载能力强 抗干扰 功耗低
74ALS
3.1 概述
门电路：实现基本逻辑/复合逻辑运算的单元电路
逻辑状态的描述—— 正逻辑：高电平→1，低电平→0 负逻辑：高电平→0，低电平→1
缺点：功耗较大/速度较慢
VDD VIH(min) I OH(total) I IH(total)
… …
I0H（total) &1
+V DD RP
&
&1
IIH（total) &
数电-第三章 门电路
三、门电路概述 • 工艺分类 –双极型门电路 双极型门电路 – MOS门电路 门电路 – Bi-CMOS电路 电路 • 基本逻辑门电路 –与门、或门、非门 与门、或门、 与门 • 常用门电路 –与门、或门、非门 与门、 与门 或门、 –与非门、或非门、与或非门、同或、异或 与非门、 与非门 或非门、与或非门、同或、
A B ≥1 L=A+B
逻辑电平关系 正逻辑
真值表
VD1 A VD2 B R Y
A/V B/V Y/V
0 0 3 3 0 3 0 3 0 2.3 2.3 2.3
A B
0 0 1 1 0 1 0 1
Y
0 1 1 1
只有A、B同时为低电平（0V），Y才为低电平 （0V）。即：只有A+B=0，才有Y=0。 只要A、B中有一个为高电平（3V），Y就为高电 平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。 这种或门电路同样存在“电平偏离” 这种或门电路同样存在“电平偏离”和带载能力差的问 题
四、二极管或门 或门
VD1 A
Y 2.7V 0V
3V 0V A、B——输入，Y——输出 VD2 B 以A=1为例 设：UIH=3V， UIL=0V 0V 二极管正向导通压降 UDF=0.7V。
R
只要A、B中有一个为高电平（3V）， 则相应的二极管导通， Y就为低电平（2.3V），即：只要A+B=1，则Y=1。 只有A、B同时为低电平（0V），两个二极管均截止。 Y才为低电平（0V）,即：只有A+B=0，才有Y=0 所以：管的截止条件和等效电路 当输入信号uI=UIL=0.3V时（UBE=0.3V<0.5V） i 三极管截止，B=0， iC ≈ 0， uO=UOH=UCC 可靠截止条件为:UBE<0V 截止时，iB、iC都很小，三个极均可看作开路
第三章_CMOS门电路
18
MOS管作负载时，对信号源的要求很低，不需要 信号源提供电流。
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19
二、输出特性（反映CMOS带负载能力） 1、低电平输出特性 即T2管的输出 特性曲线
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VIH=VDD越大，VGS越大， 则导通内阻越小， IOL相 同，因此VOL越小。
二氧化硅 二氧化硅
++ NN
++ NN
PP 衬底 衬底
B B
5
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定义： 开启电压（ UT）——
-
S
VGS
VDS
G - i D
-D
二氧化硅
沟道刚开始形成时的栅源
电压UGS。（一般2 ~ 3V）
N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS ＜ UT，管子截止，iD= 0； uGS ＞UT，管子导通，有iD。 电流iD 越大。 可通过改变 uGS 改变 iD 的大小，因此是电压控制元件。
24
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漏极开路的门电路（OD门）（Open-Drain）
VDD2
VDD1
使用时必须外接上拉电阻
D vO
内部逻辑 A B
RL
Y=(AB)'
A B Y
G
TN•
S
OD与非门逻辑符号
74HC03电路结构
与OC门类似，能实现线与连接、电平转换，提高驱动能力。 电平转换：vI：0~VDD1 vO：0~VDD2
C 电路结构 VTN=︱VTP︱
如何判断MOS管的源极和漏极？ 根据MOS管工作时的电流方向： PMOS管从S端流向D端； NMOS管由D端流向S端。
MOS管作负载时，对信号源的要求很低，不需要 信号源提供电流。
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19
二、输出特性（反映CMOS带负载能力） 1、低电平输出特性 即T2管的输出 特性曲线
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VIH=VDD越大，VGS越大， 则导通内阻越小， IOL相 同，因此VOL越小。
二氧化硅 二氧化硅
++ NN
++ NN
PP 衬底 衬底
B B
5
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定义： 开启电压（ UT）——
-
S
VGS
VDS
G - i D
-D
二氧化硅
沟道刚开始形成时的栅源
电压UGS。（一般2 ~ 3V）
N沟道增强型MOS管的基本特性： uGS ＜ UT，管子截止，iD= 0； uGS ＞UT，管子导通，有iD。 电流iD 越大。 可通过改变 uGS 改变 iD 的大小，因此是电压控制元件。
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漏极开路的门电路（OD门）（Open-Drain）
VDD2
VDD1
使用时必须外接上拉电阻
D vO
内部逻辑 A B
RL
Y=(AB)'
A B Y
G
TN•
S
OD与非门逻辑符号
74HC03电路结构
与OC门类似，能实现线与连接、电平转换，提高驱动能力。 电平转换：vI：0~VDD1 vO：0~VDD2
C 电路结构 VTN=︱VTP︱
如何判断MOS管的源极和漏极？ 根据MOS管工作时的电流方向： PMOS管从S端流向D端； NMOS管由D端流向S端。
门电路
5 0.7 iB = mA = 1mA 4.3
Y=A
3.3
CMOS逻辑门电路
PMOS
场 效 应 管
结型场效应管JFET
绝缘栅效应管IGFET
（MOS）
增强型 耗尽型
NMOS PMOS
NMOS
CMOS型：互补型（由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路）
一、
NMOS管和PMOS管
晶体管的三个区：截止区、放大区、饱和区 MOS管的三个区：截止区、恒流区和可变电 阻区
D1 D2 导通 导通 导通 截止 截止 导通 截止 截止
Y=AB
A B
Y
5V 0V 5V 5V
2、二极管或门
5V 0V A D1 B D2 R Y
A
0 0 1 1
B
0 1 0 1
Y
0 1 1 1
3kΩ
uA uB
0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
uY
0V 4.3V 4.3V 4.3V
D1 D2 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
toff = ts +tf
toff关断时间，
存储电荷消散时间
开关时间为纳秒级，它限制了三极管开关的工作速度
3.2.2 基本逻辑门电路
A
1、二极管与门
+VCC(+5V) R 3kΩ
B
0 1 0 1
Y
0 0 0 1
0 0 1 1
5V 0V
D1 A D2 B
Y
uA uB
0V 0V 0V 5V
uY
0.7V 0.7V 0.7V 5V
VOL≈0V
3）CMOS反相器的主要特性
CMOS 反相器的电压传输特性如图a所示。 CMOS 反相器的电流传输特性如图b
Y=A
3.3
CMOS逻辑门电路
PMOS
场 效 应 管
结型场效应管JFET
绝缘栅效应管IGFET
（MOS）
增强型 耗尽型
NMOS PMOS
NMOS
CMOS型：互补型（由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路）
一、
NMOS管和PMOS管
晶体管的三个区：截止区、放大区、饱和区 MOS管的三个区：截止区、恒流区和可变电 阻区
D1 D2 导通 导通 导通 截止 截止 导通 截止 截止
Y=AB
A B
Y
5V 0V 5V 5V
2、二极管或门
5V 0V A D1 B D2 R Y
A
0 0 1 1
B
0 1 0 1
Y
0 1 1 1
3kΩ
uA uB
0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
uY
0V 4.3V 4.3V 4.3V
D1 D2 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
toff = ts +tf
toff关断时间，
存储电荷消散时间
开关时间为纳秒级，它限制了三极管开关的工作速度
3.2.2 基本逻辑门电路
A
1、二极管与门
+VCC(+5V) R 3kΩ
B
0 1 0 1
Y
0 0 0 1
0 0 1 1
5V 0V
D1 A D2 B
Y
uA uB
0V 0V 0V 5V
uY
0.7V 0.7V 0.7V 5V
VOL≈0V
3）CMOS反相器的主要特性
CMOS 反相器的电压传输特性如图a所示。 CMOS 反相器的电流传输特性如图b
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集电结
集电极
集电区： 面积较大
b 基极
发射结
N P N e
发射极
NPN晶体管符号
基区：较薄， 掺杂浓度低
c b e
发射区：掺 杂浓度较高
PNP型三极管的结构
c 集电极 P N
PNP晶体管符号
c b e IE
b 基极
P
e 发射极
4
二、三极管的输入特性和输出特性
输入特性：描述输入 回路中加在基极b和发射 极e之间的电压和基极电 流iB之间的伏安关系。
vI VIH时，开关闭合
三、三极管的开关等效电路
截止状态 深度饱和状态
当外接负载电阻 远大于RCE(SAT)时， 可忽略之
四、三极管的动态开关特性
由于三极管内电 荷的建立与消散 需要一定的时间。 在饱和与截止两 个状态之间转换 时，iC和vO的变 化均滞后于vI。
五 、三极管反相器
只要电路中参数设计合理，则：
将输入回 路等效为
-8V
①
利用戴维南定理化简发射极外接电路
RB R1 // R2 2.5K vI VEE vI 8 vB vI R1 vI 3.3 R1 R2 13.3
VI VIL 0时， 由vB vI
vI 8 3.3 13.3
8 0.7V VB 0 3.3 2.0V 13.3 所以三极管截止， iC 0, VO VOH VCC 5.0V
3.5
TTL门电路
以双极型三极管作为开关器件的门电路。 3.5.1 半导体三极管的开关特性
一、三极管的结构
在同一硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个 PN结，就构成晶体三级管。 晶体管中有两种带有不同极性的载流子参与导电， 故称之为双极型晶体管（BJT） ，或半导体三极管。
NPN型三极管的结构
c
VI VIH 5V时，
58 3.3 1.8V 0.7, 发射结导通 13.3 1.8 0.7 vB VBE 0.44 mA iB 0.44m A 2.5k RB VCC VCE ( sat ) 临界饱和基极电流： I BS 0.25m A ( RC RCE (sat ) ) vB 5
三级管输入电压从0增大至vcc时各阶段的工作状态：
(1) 设vI VIL 0,
则vBE VON 管子截止， vO VCC。 iB , iC 近似为 0，
(2) 当vI 上升至vI VON 后，
发射结正偏、集电极反 偏，
三极管进入放大区，基 极有电流i B 流过, iC iB
显然，iB I BS , 三极管工作在深度饱和 状态， vO VCE ( sat) 0V
所以，电路参数设计合理
输出电压为：
vO vCE VCC iC RC VCC iB RC 。
所以vI iB iC RC上的压降 vO ,
电压放大倍数： AV
vO
vI
(3) 当vI 继续上升， i B 继续增大， vO继续下降。
，三极管进入饱和区， 当vO vBE时，发射结、集电极均正偏
VI=VIL时，截止，VO=VOH
VI=VIH时，饱和导通，VO=VOL
三极管的基本开关电路就是非门
实际应用中，为保 证vI=VIL时三极管 可靠截止，常在输 入端接入负电源。
例3.5.1：计算反相器电路参数设计是否合理
5V VIH=5V VIL=0V 3.3KΩ β=20 10KΩ VCE(sat) = 0.1V 1KΩ
外加反向电压 截止区：VBE < VON, VCE>VBE。发射结截止，集电结反偏 特性： ib=0, iC = 0 , c—e间“断开” 。 外加正向电压 放大区：VBE > VON , VCE>=VBE。 发射结正偏，集电结反偏 特性：iC受iB控制,与VCE无关, iC=βiB , ie= iC+iB =(1+β)iB 饱和区：VBE > VON, VCE<VBE。 发射结、集电结均正偏 特性： iC<βiB ，随vCE增大而增大 共射放大系数
输出 回路 输入回路
vB电极c和发射 极e之间的电压和集电极电 流ic之间的伏安关系。
共射接法
1、输入特性曲线（NPN）
输入特性曲线与PN结的伏安特性曲线相似， 通常用二极管的折线模型来近似即可。
2、输出特性曲线
iC即与vCE有关，又受iB的控制，因此，在不同的iB下， iC与vCE的伏案特性也不同。
I BS：临界饱和基极电流 i B I BS时，三极管工作在深度 饱和状态
可见，若将三极管工作时的参数调整为：
vI VIL时，保证vBE VON , 三极管截止
vI VIH时，保证 iB I BS , 三极管深度饱和
则，三极管c-e间相当于 一个受vI控制的开关。
vI VIL时，开关断开
vBE vO时, 集电结零偏，三极管处 于临界饱和状态， 此时的iB兼具饱和区和放大区的 特点：
I BS iB
iC
VCC ( RC RCE ( SAT ) ) RC
VCC VCE ( SAT )
三极管工作在饱和状态 时，c, e间的 饱和导通压降（ VCE ( SAT )）和饱和导通 内阻（RCE ( SAT )）都非常小。
集电极
集电区： 面积较大
b 基极
发射结
N P N e
发射极
NPN晶体管符号
基区：较薄， 掺杂浓度低
c b e
发射区：掺 杂浓度较高
PNP型三极管的结构
c 集电极 P N
PNP晶体管符号
c b e IE
b 基极
P
e 发射极
4
二、三极管的输入特性和输出特性
输入特性：描述输入 回路中加在基极b和发射 极e之间的电压和基极电 流iB之间的伏安关系。
vI VIH时，开关闭合
三、三极管的开关等效电路
截止状态 深度饱和状态
当外接负载电阻 远大于RCE(SAT)时， 可忽略之
四、三极管的动态开关特性
由于三极管内电 荷的建立与消散 需要一定的时间。 在饱和与截止两 个状态之间转换 时，iC和vO的变 化均滞后于vI。
五 、三极管反相器
只要电路中参数设计合理，则：
将输入回 路等效为
-8V
①
利用戴维南定理化简发射极外接电路
RB R1 // R2 2.5K vI VEE vI 8 vB vI R1 vI 3.3 R1 R2 13.3
VI VIL 0时， 由vB vI
vI 8 3.3 13.3
8 0.7V VB 0 3.3 2.0V 13.3 所以三极管截止， iC 0, VO VOH VCC 5.0V
3.5
TTL门电路
以双极型三极管作为开关器件的门电路。 3.5.1 半导体三极管的开关特性
一、三极管的结构
在同一硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个 PN结，就构成晶体三级管。 晶体管中有两种带有不同极性的载流子参与导电， 故称之为双极型晶体管（BJT） ，或半导体三极管。
NPN型三极管的结构
c
VI VIH 5V时，
58 3.3 1.8V 0.7, 发射结导通 13.3 1.8 0.7 vB VBE 0.44 mA iB 0.44m A 2.5k RB VCC VCE ( sat ) 临界饱和基极电流： I BS 0.25m A ( RC RCE (sat ) ) vB 5
三级管输入电压从0增大至vcc时各阶段的工作状态：
(1) 设vI VIL 0,
则vBE VON 管子截止， vO VCC。 iB , iC 近似为 0，
(2) 当vI 上升至vI VON 后，
发射结正偏、集电极反 偏，
三极管进入放大区，基 极有电流i B 流过, iC iB
显然，iB I BS , 三极管工作在深度饱和 状态， vO VCE ( sat) 0V
所以，电路参数设计合理
输出电压为：
vO vCE VCC iC RC VCC iB RC 。
所以vI iB iC RC上的压降 vO ,
电压放大倍数： AV
vO
vI
(3) 当vI 继续上升， i B 继续增大， vO继续下降。
，三极管进入饱和区， 当vO vBE时，发射结、集电极均正偏
VI=VIL时，截止，VO=VOH
VI=VIH时，饱和导通，VO=VOL
三极管的基本开关电路就是非门
实际应用中，为保 证vI=VIL时三极管 可靠截止，常在输 入端接入负电源。
例3.5.1：计算反相器电路参数设计是否合理
5V VIH=5V VIL=0V 3.3KΩ β=20 10KΩ VCE(sat) = 0.1V 1KΩ
外加反向电压 截止区：VBE < VON, VCE>VBE。发射结截止，集电结反偏 特性： ib=0, iC = 0 , c—e间“断开” 。 外加正向电压 放大区：VBE > VON , VCE>=VBE。 发射结正偏，集电结反偏 特性：iC受iB控制,与VCE无关, iC=βiB , ie= iC+iB =(1+β)iB 饱和区：VBE > VON, VCE<VBE。 发射结、集电结均正偏 特性： iC<βiB ，随vCE增大而增大 共射放大系数
输出 回路 输入回路
vB电极c和发射 极e之间的电压和集电极电 流ic之间的伏安关系。
共射接法
1、输入特性曲线（NPN）
输入特性曲线与PN结的伏安特性曲线相似， 通常用二极管的折线模型来近似即可。
2、输出特性曲线
iC即与vCE有关，又受iB的控制，因此，在不同的iB下， iC与vCE的伏案特性也不同。
I BS：临界饱和基极电流 i B I BS时，三极管工作在深度 饱和状态
可见，若将三极管工作时的参数调整为：
vI VIL时，保证vBE VON , 三极管截止
vI VIH时，保证 iB I BS , 三极管深度饱和
则，三极管c-e间相当于 一个受vI控制的开关。
vI VIL时，开关断开
vBE vO时, 集电结零偏，三极管处 于临界饱和状态， 此时的iB兼具饱和区和放大区的 特点：
I BS iB
iC
VCC ( RC RCE ( SAT ) ) RC
VCC VCE ( SAT )
三极管工作在饱和状态 时，c, e间的 饱和导通压降（ VCE ( SAT )）和饱和导通 内阻（RCE ( SAT )）都非常小。