第2章 门电路学习指导

第二章门电路

一、内容提要

本章系统地讲述了数字电路的基本逻辑单元——门电路。

由于门电路中的二极管和三极管经常工作在开关状态，所以首先介绍了它们在开关状态下的工作特性。然后，重点讨论了目前广泛使用的TTL门电路和CMOS门电路。对于每一种门电路，除了讲解它们的工作原理和逻辑功能以外，还着重介绍了它们作为电子器件的电气特性，特别是输入特性和输出特性，以便为实际使用这些器件打下必要的基础。

二、重点难点

虽然这一章讨论的只是门电路的外特性，但无论集成电路内部电路多么复杂，只要它们和这一章所讲的门电路具有相同的输入、输出电路结构，则这里对输入、输出特性的分析对它们也同样适用。因此，这一章是全书对电路进行分析的基础。

本章的重点内容包括以下三个方面:

1、半导体二极管和三极管(包括双极型和MOS型)开关状态下的等效电路和外特性;

2、TTL电路的外特性及其应用;

3、CMOS电路的外特性及应用。

为了正确理解和运用这些外特性，需要了解TTL电路和CMOS电路的输入电路和输出电路结构及它们的工作原理。内部的电路结构不是重点内容。鉴于CMOS电路在数字集成电路中所占的比重已远远超过了TTL电路，建议在讲授时适当加大CMOS电路的比重，并相应压缩TTL电路的内容。

TTL电路的外特性是本章的一个难点，同时也是一个重点。尤其是输入端采用多发射极三极管结构时，对输入特性的全面分析比较复杂。从实用的角度出发，只要弄清输入为高/低电平时输入电流的实际方向和数值的近似计算就可以了。

三、习题精解

知识点:三极管饱和、截止的分析判断。

例2．1 电路如图2.1所示。求使三极管截止的v imax ；保证三极管饱和的v imin ，已知三极管β＝30，V BE ＝0．7V ，V CES ＝0．3V 。

解 三极管的开关条件分别为：V BE ≤0，三极管截止，I B ≥I BS 三极管饱和导通。

当三极管截止时，其等效电路如图2.2（a ）所示。I B

＝0，则

01010

22

1≤-++=

R R R v V i BE

图2.1

图2.2 即

010*******≤-ΩΩ

+Ω+V k k k V

v i

解得 v i ≤2V 即 v imax ≤2V

当三极管饱和导通时，其等效电路如图2.2(b)所示。

2110

7.0R V R v I BE i B +-

-=

C

CES CC BS R V V I β-=

BS B I I ≥

C

CES

CC i R V V R V R v β-≥

+--21)107.0(7.0 解得 v i ≥3.62V 即 v imin =3.62 V

知识点：二极管构成逻辑门电路分析

例2．2 电路如图2．3所示，写出输出的表达式。

图2.3

解：对图2．3(a)，该电路由两级逻辑门构成，第一级是与门，输出逻辑关系为D=AB ；第二级是或门，输出逻辑关系为 L 1=AB+C

对图2．3 (b) 该电路是只有—个输入端的逻辑电路。当输入端A 为低电平时，T l 发射结导通，V B1＜2．1V ，D 、T 2截止，L 2输出高电平；当输入端A 为高电平时，T l 发射结不通， V cc 通过的集电结足以使D 、T 2导通，L 2输出低电平。由以上分析可得：

A L =2

知识点：TTL 与非门输入端属于逻辑0输入接法的分析

例2．3 为什么说TTL 与非门的输入端在以下4种接法都属于逻辑0输入：(1)输入端接地；(2)输入端接低于0．8V 的电源；(3)输入端接同类与非门的输出低电平

0．3V ；(4)输入端通过200Ω的电阻接地。

解： TTL 与非门的输入端接地、接低于0．8V 的电源、接同类与非门的输出低电压0．3V 时，输入电压均低于其关门电平V OFF (V OFF 约为1．3V)，因此门的输出电压均高于其输出高电平的最小值V OH(min)( V OH(min =2.4V)，都属于高电平，所以以上三种输入的接法均属于逻辑0输入。

当输入端通过200Ω的电阻接地时，分析见图解2．4。由电路分析得：

V V R R R V CC b i 2.0)7.05(4

2.02

.0)7.0(1≈-+=-+=

由此可见，输入电压低于关门电平，所以此种输入的接法也属于逻辑0输入。 图2.4

知识点：TTL 门电路选择及输入端接法常见错误分析 例2．4 改正图2.5中TTL 电路的错误。

图2.5

解 图2.5（a ）中，因为TTL 与非门不能“线与”，所以应改为OC 门。

图2.5（b ）中，由TTL 与非门的输入特性可知，当输入端接小电阻(R i ＜1．4k Ω时)，相当于输入端接低电平，故应将100Ω改为4．7k Ω或5．1k Ω。

图2.5（c ）中，因电路不满足所给的逻辑表达式，故应将接电源V CC 改为接地。 知识点：TTL 三态与非门与TTL 普通与非门的特性 例2．5 在图2．6中G 1为TTL 三态与非门，G 2为TTL 普通与非门，电压表内阻为100k Ω。试求下列4种情况下的电压表读数和G 2输出电压V 0值。

(1) B ＝0．3V ，开关K 打开； (2) B ＝0．3V ，开关K 闭合； (3) B=3．6V ，开关K 打开； (4) B ＝3．6V ，开关K 闭合。 图2.6

解 (1)当B ＝0．3V ，三态与非门处于工作状态，电压表读数为3.6V ；开关K 打开，G 2门输入端悬空相当于输入高电平，输出电压为V 0＝0．3V 。

(2)B ＝0．3V ，三态与非门处于工作状态，电压表读数为3．6V ；开关K 闭合，G 2门输入高电平，输出电压为V 0＝0．3V 。

(3)B ＝3．6V ，三态与非门处于高阻态，又知开关K 打开，可见电压表读数为0V ；G 2

门输入端悬空相当于输入高电平，输出电压V 0＝0．3V 。

(4)B ＝3．6V ，三态与非门处于高阻态，又知开关K 闭合，此时G 2门输入端的情况如例2．3中图解2．4所示。其输入电压为

V V i 1.4)7.05(100

4100

≈-+=

显然G 2门输入高电平，使得输出电压V 0＝0．3V ，而G 2门中T l 的集电结和T 2，T 3的发射结这三个串联的PN 结导通，使得V B1＝2．1V ，因而电压表读数为V B1-0．7V ＝1．4 V 。

知识点：MOS 管构成反相器分析

例2．6 一个饱和型有源负载反相器，如图2.7（a ）所示。

(1)若V T1=V T2=2V ，R ON2=R ON1=10:1，V DD ＝10V ，问输出的高、低电平各是多少?

(2)若V 2改成PMOS 管(V P ＝-2V)组成反相器，如图2.7（b ）所示，问输出高、低电平各为多少?

解 (1)V V V R R R V DD ON ON ON OL 11011

1

211≈⨯=⨯+=

V V V V T D D O H 8)210(2=-=-= 图2.7