第二章逻辑门电路

第⼆章逻辑门电路
第⼆章逻辑门电路
[教学要求]
1.了解门电路的定义及分类⽅法，⼆极管、三极管的开关特性，及分⽴元件组成的与、或、
⾮门的⼯作原理；
2.掌握TTL反相器的⼯作原理，静态输⼊、输出、电压传输特性及输⼊端负载特性，开关
特性；了解其它TTL门（与⾮门、或⾮门、异或门、三态门，OC门）的⼯作原理及TTL 门的改进系列；
3.掌握CMOS反相器的⼯作原理及静态特性。

了解CMOS反向器的动特性。

其他CMOS
门（与⾮门、或⾮门等）的⼯作原理。

掌握门电路应⽤注意事项。

[教学内容]
1.分⽴元件组成的与、或、⾮门的⼯作原理
2.TTL反相器
3.其它TTL门
4.CMOS反相器的⼯作原理及静态特性
5.其他CMOS门（与⾮门、或⾮门等）的⼯作原理
6.门电路应⽤注意事项
引⾔
2.1 ⼆极管的开关特性
⼀、⼆极管从正向导通到截⽌有⼀个反向恢复过程
通常把⼆极管从正向导通转为反向截⽌所经过的转换过程称为反向恢复过程。

其中t S 称为存储时间，t t称为渡越时间，t re=t s+t t称为反向恢复时间。

由于反向恢复时间的存在，使⼆极管的开关速度受到限制。

⼆、产⽣反向恢复过程的原因——电荷存储效应
⼆极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上由于电荷存储效应引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。

三、⼆极管的开通时间
⼆极管从截⽌转为正向导通所需的时间称为开通时间。

这个时间同反向恢复时间相⽐是很短的。

它对开关速度的影响很⼩，可以忽略不计。

2.2 BJT的开关特性
ＮＰＮ型BJT的结构如下图所⽰。

ＰＮＰ型BJT的结构如下图中的上半部所⽰，下边为电路图中的符号。

⼀、BJT的开关作⽤
BJT的开关作⽤对应于有触点开关的“断开”和“闭合”。

上图所⽰电路⽤来说明BJT开关作⽤，图中BJT为ＮＰＮ型硅管。

ＮＰＮ型BJT截⽌、放⼤、饱和三种⼯作状态的特点列于下表中。

⼆、BJT的开关时间
BJT的开关过程和⼆极管⼀样，也是内部电荷“建⽴”和“消散”的过程。

因此BJT饱和与截⽌两种状态的相互转换也是需要⼀定的时间才能完成的。

如上图所⽰电路的输⼊端加⼊⼀个幅度在-V B1和+V B2之间变化的理想⽅波，则输出电流I c的波形如下图。

2.3 基本逻辑门电路
的⼆极管门电路和BJT 反相器（⾮门）,作为逻辑门电路的基础。

⼀、⼆极管与门及或门电路
1.与门电路―――下图表⽰由半导体⼆极管组成的与门电路，右边为它的代表符号。

由表中可见该门电路满⾜与逻辑关系，所以这是⼀种与门。

输⼊变量A、B、C与输出变量L 只间的关系满⾜逻辑表达式。

2.或门电路
由表中可见A、B、C与L之间满⾜或逻辑关系，即有：。

⼆、⾮门电路——BJT反相器
BJT的三个⼯作区域。

对于饱和型反相器来说，输⼊信号必须满⾜下列条件：逻辑0：V iV2
采⽤⼆极管与三极管门的组合，组成与⾮门、或⾮门，也就是所谓的复合门电路。

与⾮门和或⾮门在负载能⼒、⼯作速度和可靠性⽅⾯都⼤为提⾼，是逻辑电路中最常⽤的基本单元。

下⾯将要介绍的是⼀些切实可⽤的逻辑门电路。

2.4 TTL逻辑门电路
以双极型半导体管为基本元件，集成在⼀块硅⽚上，并具有⼀定的逻辑功能的电路称为
TTL逻辑门电路。

下⾯⾸先讨论基本的BJT反相器的开关速度不⾼的原因，再讨论改进的TTL反相器和TTL逻辑门电路。

⼀、基本的BJT反相器的动态性能
是下⾯所要讨论的问题。

⼆、TTL反相器的基本电路
下图就是⼀个
T1组成电路的输⼊级；由T3、T4和⼆极管D组成输
出级；由T2组成的中间级作为输出级的驱动电路，将T2的单端输⼊信号v I2转换为互补的双端输出信号v I3和v I4，以驱动T3和T4。

1.TTL反相器的⼯作原理―――对照上图讲解过程
并估算电路中有关各点的电压，以得到简单的定量概念。

（1
（2
2.采⽤输⼊级以提⾼⼯作速度
3.采⽤推拉式输出级以提⾼开关速度和带负载能⼒
三、TTL反相器的传输特性
现在来分析TTL反相器的传输特性。

下图为⽤折线近似的TTL反相器的传输特性曲线。

由图可见，传输特性由4条线段AB、BC、CD和DE所组成。

当任⼀输⼊端为低电平时，T1的发射结将正向偏置⽽导通，T2将截⽌。

结果将导致输出为⾼电平。

只有当全部输⼊端为⾼电平时，T1将转⼊倒置放⼤状态，T2和T3均饱和，输出为低电平。

1.传输特性――各种类型的TTL门电路，其传输特性⼤同⼩异，这⾥不再讨论。

2.输⼊和输出的⾼、低电压
3.
⼊信号允许⼀定的容差。

⾼电平噪声容限：V NH＝V OH－V IH＝2.4V－2V＝0.4V，低电平噪声容限：V NL＝V IL－V OL＝0.8V－0.4V＝0.4V
4.扇⼊与扇出数
扇出数No取决于负载类型
灌电流负载：负载电流从外电路流⼊与⾮门
拉电流负载：负载电流从与⾮门流向外电路
①灌电流⼯作情况
在输出为低电平的情况下，所能驱动的同类门的个数由下式决定：
②拉电流⼯作情况
输出为⾼电平时的扇出数可表⽰。

通常基本的TTL门电路，其扇出数约为10 ，⽽性能更好的门电路的扇出数最⾼可达30～50。

⼀般TTL器件的数据⼿册中，并不给出出数，⽽须⽤计算或⽤实验的⽅法求得，并注意在设计时留有余地，以保证数字电路或系统能正常地运⾏
例：试计算基本的TTL与⾮门7410带同类门时的扇出数。

解：（1）从TTL数据⼿册可查到7410的参数如下：I OL＝16mA，I IL＝-1.6mA；I OH＝16mA，I IH＝-1.6mA，数据前的负号表⽰电流的流向，对于灌电流取负号，计算时只取绝对值。

（2）可计算低电平输出时的扇出数（3）可计算⾼电平输出时的扇出数
可见这时N OL＝N OH。

如前所述，若N OL＝N OH
5.传输延迟时间
其输出波形相对于输⼊波形延迟了多长时间。

⼏nS。

6.功耗――功耗是门电路重要参数之⼀。

功耗有静态和动态之分。

所谓静态功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗，即与⾮门空载时电源总电流I CC与电源电压V CC的乘积。

7.延时⼀功耗积
在⼯程实践中，要实现这种理想情况是较难的。

⾼速数字电路往往需要付出较⼤的功耗为代价。

⼀种综合性的指标叫做延时⼀功耗积，⽤符号DP表⽰，单位为焦⽿，即DP＝t Pd P D。

，
式中t pd＝(t PLH＋t HL)／2，P D
8. TTL集成门电路的封装
(a) (b)
图(a)为14脚TTL集成门电路的封装图，图(b)为其内部结构图。

六、TTL或⾮门、集电极开路门和三态门电路
1.TTL或⾮门
下图为TTL或⾮门的逻辑电路及其代表符号。

实现了或⾮功能。

即。

2.集电极开路门
图标“”表⽰集电极开路之意。

3.三态与⾮门（TSL）
三态与⾮门，它的输出除了具有⼀般与⾮门的两种状态，即输出电阻较⼩的⾼、低电平状态外，还具有⾼输出电阻的第三状
态，称为⾼阻态，⼜称为禁⽌态。

七、改进型TTL门电路——抗饱和TTL电路
抗饱和TTL电路是⽬前传输速度较⾼的⼀类TTL电路。

这种电路由于采⽤肖特基势垒⼆极管SBD钳位⽅法来达到抗饱和的效果，⼀般称为SBDTTL电路（简称STTL电路），其传输速度远⽐基本TTL电路为⾼。

除典型的肖特基型（STTL）外，尚有低功耗肖特基型（LSTTL）、先进的肖特基型（ASTTL），先进的低功耗型（ALSTTL）等，它们的技术参数各有特点，是在TTL⼯艺的发展过程中逐步形成的。

TTL门电路的各种系列的性能⽐较
2.6 CMOS逻辑门电路
早期⽣产的CMOS门电路为4000系列，随后发展为4000B系列。

当前与TTL兼容的CMO 器件如74HCT系列等可与TTL器件交
换使⽤。

下⾯⾸先讨论CMOS反相器，然后介绍其他CMO 逻辑门电路。

MOS管结构图
MOS管主要参数：1.开启电压V T；2. 直流输⼊电阻R GS；3. 漏源击穿电压BV DS；4. 栅源击穿电压BV GS；5. 低频跨导g m；6. 导通电阻R ON；7. 极间电容；8. 低频噪声系数NF
⼀、CMOS反相器
由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道和N沟道两种，每种中⼜有耗尽型和增强型两类。

由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。

下图表⽰CMOS反相器电路，由两只增强型MOSFET组成，其中⼀个为N沟道结构，另⼀个为P沟道结构。

为了电路能正常⼯作，要求电源电压V DD⼤于两个管⼦的开启电压的绝对值之和，即V DD＞(V TN＋|V TP|) 。

1.⼯作原理
另⼀种极限情况：
由此可知，基本CMOS反相器近似于⼀理想的逻辑单元，其输出电压接近于零或+V DD，⽽功耗⼏乎为零。

2.传输特性――下图为CMOS反相器的传输特性图。

3.⼯作速度―― CMOS反相器的平均传输延迟时间约为10ns。

⼆、CMOS门电路
1.与⾮门电路
2.或⾮门电路
3.异或门电路
三、BiCMOS门电路
四、CMOS传输门
2.7 NMOS逻辑门电路
NMOS逻辑门电路是全部由Ｎ沟道MOSFET构成。

由于这种器件具有较⼩的⼏何尺⼨，适合于制造⼤规模集成电路。

此外，由于NMOS集成电路的结构简单，易于使⽤CAD技术进⾏设计。

与CMOS电路类似,NMOS电路中不使⽤难于制造的电阻。

NMOS反相器是整个NMO逻辑门电路的基本构件，它的⼯作管常⽤增强型器件，⽽负载管可以是增强型也可以是耗尽型。

现以增强型器件作为负载管的NMOS反相器为例来说明它的⼯作原理。

2.8 正负逻辑问题
1.正负逻辑的规定
在逻辑电路中，输⼊和输出⼀般都⽤电平来表⽰。

若⽤H和L分别表⽰⾼、低电平，则门电路的功能可⽤下表所⽰的电平表来描述。

但是，这个门体现了什么逻辑关系尚不清楚，因为还未确切说明电平与逻辑状态之间的⾪属关系。

这种关系可由⼈们任意地加以规定。

如令H=l，L=0，则称之为正逻辑体制，于是很容易由上表导出下表。

显然，后者表⽰—正逻辑与⾮门的真值表。

与此相反，若令H=0，L=1，则称之为负逻辑体制。

据此，由本例可得出负逻辑或⾮门的真值表，如下表所⽰。

对于同⼀电路，可以采⽤正逻辑，也可以采⽤负逻辑。

正逻辑和负逻辑两种体制不牵涉到逻辑电路本⾝的结构问题，但根据所选正负逻辑的不同，即使同⼀电路也具有不同的逻辑
2.正负逻辑的等效变换
⼀般⽤正逻辑函数描述电路，在过渡到负逻辑时，只需按下列⽅式互换各种运算：
2.9 逻辑门电路使⽤中的⼏个实际问题
⼀、各种门电路之间的接⼝问题
在数字电路或系统的设计中，往往由于⼯作速度或者功耗指标的要求，需要采⽤多种逻辑器件混合使⽤，例如，TTL和CMOS 两种器件都要使⽤。

由前⾯⼏节的讨论已知，每种器件的电压和电流参数各不相同，因⽽需要采⽤接⼝电路，⼀般需要考虑下⾯三个条件：
1.驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最⼤值。

2.驱动器件必须对负载器件提供⾜够⼤的拉电流。

3.驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输⼊电压范围，包括⾼。

低电压值。

其中条件１和２，属于门电路的扇出数问题，已在第四节作过详细的分析。

条件３属于电压兼容性的问题。

其余如噪声容限、输⼊和输出电容以及开关速度等参数在某些设计中也必须予以考虑。

下⾯分别就CMOS门驱动TTL 门或者相反的两种情况的接⼝问题进⾏分析。

1.CMOS门驱动TTL门
在这种情况下，只要两者的电压参数兼容，不需另加接⼝电路，仅按电流⼤⼩计算出扇出数即可。

下图表⽰CMOS门驱动TTL 门的简单电路。

当CMOS门的输出为⾼电平时，它为TTL负载提供拉电流，反之则提供灌电流。

例2.9.1——74HC00与⾮门电路⽤来驱动⼀个基本的TTL反相器和六个74LS门电路。

试验算此时的CMOS门电路是否过载？
解：（1）查相关⼿册得接⼝参数如下：⼀个基本的TTL门电路，I IL＝1.6mA，六个74LS门的输⼊电流I IL＝6×0.4mA＝
2.4mA。

总的输⼊电流I IL(total)＝1.6mA＋2.4mA＝4mA。

（2）因74HC00门电路的I OL＝I IL＝4mA，所驱动的TTL门电路未过载。

2. TTL门驱动CMOS门
此时TTL为驱动器件，CMOS为负载器件。

由⼿册可知，当TTL输⼊为低电平时，它的输出电压参数与CMOS HC的输⼊电压参数是不兼容的。

例如，LSTTL的V OH(min)为2.7V，⽽HC CMOS的V IH(min)为3.5V。

为了克服这⼀⽭盾，常采⽤如上图所⽰的接⼝措施。

由图可知，⽤。