第三章集成逻辑门
数字电子技术第七章数字电子技术第三章ch5
二、 连线的检查
调试前，还需认真检查电路的接线是否正确，以 避免接错线、少接线和多接线。多接线一般是因为接 线时看错引脚，或在改接线时忘记去掉原来的接线而 造成的。这种情况在实验中经常发生，而查线又很难 被发现，调试中则往往会给人造成错觉，以为问题是 元器件故障造成的。如把输出电平一高一低的 两个 TTL 门的输出端无意中连在一起而引起输出电平下降 时，则很容易错误地认为是元器件损坏了。
整机联调一般只观察结果，将测得的参数与设计指标 逐一对比，找出问题，然后进行电路参数的修改，直到完 全符合要求为止。
3.5.3 调试注意事项
一、 熟悉仪器的使用
调试前，先要熟悉仪器的使用方法，并仔细加以检查，以避 免由于仪器使来自不当或出现故障而作出错误判断。
二、 将仪器和被测电路的地线连在一起
分块调试的一般步骤如下：
1. 静态测试
不加输入信号，测试调整模拟电路的静态工作点。对 于数字电路，则加入固定电平，再根据器件的逻辑功能测 试电路各点电位，以判断电路的工作是否正常。这样，可 发现电路存在的问题和找出损坏的元器件。静态测量时， 应选用高内阻 ( 2×104Ω/V ) 万用表或数字万用表进行测量。 对于 A / D 转换器和运算放大器，则需要内阻更高的仪器 (如数字电压表)进行测量。
二、 分块调试
在数字电路中，逻辑值 0 和 1 不是一个固定不变的 值，而是一个数值范围。
数字集成电路的逻辑电平标准
电路类型 参数名称
电源电压 / V
UOH / V UOL / V UIH / V UIL / V
HTTL
5 ≥2.4 ≤0.4 ≥2 ≤0.8
STTL
5 ≥2.7 ≤0.5 ≥2 ≤0.8
三、 调试前的准备
数字电路第三章习题与答案
第三章集成逻辑门电路一、选择题1. 三态门输出高阻状态时，（）是正确的说法。
A.用电压表测量指针不动B.相当于悬空C.电压不高不低D.测量电阻指针不动2. 以下电路中可以实现“线与”功能的有（）。
A.与非门B.三态输出门C.集电极开路门D.漏极开路门3．以下电路中常用于总线应用的有（）。
A.TSL门B.OC门C. 漏极开路门D.CMOS与非门4．逻辑表达式Y=AB可以用（）实现。
A.正或门B.正非门C.正与门D.负或门5．TTL电路在正逻辑系统中，以下各种输入中（）相当于输入逻辑“1”。
A.悬空B.通过电阻2.7kΩ接电源C.通过电阻2.7kΩ接地D.通过电阻510Ω接地6．对于TTL与非门闲置输入端的处理，可以（）。
A.接电源B.通过电阻3kΩ接电源C.接地D.与有用输入端并联7．要使TTL与非门工作在转折区，可使输入端对地外接电阻RI（）。
A.＞RONB.＜ROFFC.ROFF＜RI＜ROND.＞ROFF8．三极管作为开关使用时，要提高开关速度，可( )。
A.降低饱和深度B.增加饱和深度C.采用有源泄放回路D.采用抗饱和三极管9．CMOS数字集成电路与TTL数字集成电路相比突出的优点是（）。
A.微功耗B.高速度C.高抗干扰能力D.电源范围宽10．与CT4000系列相对应的国际通用标准型号为（）。
A.CT74S肖特基系列B. CT74LS低功耗肖特基系列C.CT74L低功耗系列D. CT74H高速系列11．电路如图（a），（b）所示，设开关闭合为1、断开为0；灯亮为1、灯灭为0。
F 对开关A、B、C的逻辑函数表达式（）。
F1F 2(a)(b)Ａ．C AB F =1 )(2B A C F += Ｂ．C AB F =1 )(2B A C F +=Ｃ． C B A F =2 )(2B A C F += 12．某TTL 反相器的主要参数为IIH ＝20μA ；IIL ＝1.4ｍA ；IOH ＝400μA ；水IOL ＝14ｍA ，带同样的门数（ ）。
数电习题解答_杨志忠_第三章练习题_部分
教材：数字电子技术基础（“十五”国家级规划教材） 杨志忠 卫桦林 郭顺华 编著高等教育出版社2009年7月第2版； 2010年1月 北京 第2次印刷；第三章 集成逻辑门电路练习题P112【题3.1】在图P3.1所示的电路中，发光二极管正常发光的电流范围是8mA ≤I D ≤12mA ，正向压降为2V ，TTL 与非门输出高电平U OH =3V ，输出高电平电流I OH =-300uA ，输出低电平U OL =0.3V ，输出低电平电流I OL =20mA 。
分别求出图P3.1（a ）和（b ）中电阻RL1和RL2的取值范围。
解题思路：选择限流电阻R 的原则是既保证发光二极管正常工作又要保证门的输出电流不超载。
解：（a ）、电路采用输出低电平驱动发光管；此时流过发光管的电流1CC D OL D L V V V I R −−=；根据发光管的工作条件：8mA ≤I D ≤12mA （最大电流小于门的最大输出电流I OL =20mA ），所以可以得到：1225337.5L R Ω≤≤Ω，门电路输出高电平时发光管熄灭电流为零。
（b ）、电路采用输出高电平驱动发光管；此时流过发光管的电流2CC D D OH L V V I I R −=+；根据发光管的工作条件：8mA ≤I D ≤12mA ，所以可以得到：2256.4389.6L R Ω≤≤Ω，同时门电路输出低电平时，门的最大灌入电流要小于I OL =20mA ，由此得到2 4.723520CC OL L OL V V V R I mA−≥==Ω，所以综上所述限流电阻应该为：2256.4389.6L R Ω≤≤Ω。
【3.2】、在图P3.2（a ）~（g ）所示的TTL 门电路中，已知开门电阻R ON =3K Ω，关门电阻R OFF =0.8K 。
试判断哪些门电路能正常工作？哪些门电路不能正常工作？并且写出能正常工作电路的输出逻辑函数表达式。
解题思路：了解各类门电路的逻辑功能，明白TTL 门的开门电阻R ON ≥3K Ω时相当于在输入端得到高电平“1”，关门电阻R OFF ≤0.8K Ω时相当于在输入端得到低电平“0”。
第三章逻辑门电路
4．74S系列——为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。如图示。
5．74LS系列——为低功耗肖特基系列。 6．74AS系列——为先进肖特基系列，
它是74S系列的后继产品。
7．74ALS系列——为先进低 功耗肖特基系列，
t
50%
主要取决于存储时间ts， 5管门电路 tpd＝40ns
o tpHL tpLH
t
4、功耗
静态功耗：当电路的输出没有状态转换时的 功耗。 例如：便携计算机、手机和PDA等。 动态功耗：CMOS电路在输出发生状态转换时的 功耗。
5、延时——功耗积
Dp tpdPD
tpd=(tPLH+tPHL)/2用平均传输延迟时间， tPLH---由低电平转换到高电平所花的时间.
SN (1)
74 (2)
S (3)
195 (4)
J 封装的4位并行移位寄存器 (5)
司制造的采用陶瓷双列直插
封装形式 J：陶瓷双列直插封装 器件种类：4位并行移位寄存器 器件系列：肖特基74TTL电路系列 产品系列 74系列 制造厂商 SN：美国TEXAS公司制造
TTL集成逻辑门电路系列简介
1．74系列——为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。
输入电压在3.5V~5.0V范围对应高电平逻辑1 输入电压在0~1.5V范围对应低电平逻辑0
输入低电平上限VIL、输入高电平下限VIH、 输出低电平上限VOL、输出高电平下限VOH、
2.噪声容限
1
VOH(min) VNH VIH(min) VIL(max) VNL
1
在保证输出高、低电平基本不变 的条件下，输入电平的允许波动 范围称为输入端噪声容限。
数电第三章讲解
起低阻通道，形成较大的 脉冲电流。 不仅增加了CMOS电路的 功耗，而且也成为CMOS 电路的内部干扰源。
22
3. CMOS反相器的输入特性
由于信号从栅极输入， 输入电阻很大，又有一个小的寄生电容， 如果输入端没有保护电路， 输入端可能被静电感应充电至高压， 造成绝缘栅击穿，使器件永久损坏。 为避免造成栅极击穿， 实际的CMOS集成电路的每一个输入端都设有输入保
第3章 集成逻辑门电路
3.1 概述
逻辑门电路(门电路): 用来实现基本逻辑关系的电子电路 集成逻辑门电路: 将若干个逻辑门电路集成在一块半导体材料基片上
1
集成逻辑门电路有两种类型器件：
（1）由三极管组成的双极型集成电路
例如：晶体管-晶体管逻辑电路 （简称TTL：Transistor-Transistor Logic）
和增强型NMOS驱动管（TN） 串联组成
11
TP的开启电压VGS(th)P < 0 TN的开启电压VGS(th)N > 0 电路正常工作的条件： VDD >∣VGS(th)P∣+ VGS(th)N，
且VGS(th)N =∣VGS(th)P∣， TN和TP具有相同的导通电阻
Ron和截止电阻Roff。
12
2．工作原理
当输入为低电平时： TN的VGSN = 0 v < VGS(th)N 管子截止。 TP的∣VGSP ∣= VDD 管子导通， 输出为高电平VOH vO =VOH≈VDD
13
当输入为高电平VDD时
TN的VGSN = VDD >VGS(th)N， 管子导通。 TP的VGSP = 0 v > VGS(th)P 负载管截止。 输出为低电平VOL， vO =VOL≈0 v。
第 三 章 逻辑门电路
是构成数字电路的基本单元之一
CMOS 集成门电路 用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。
TTL 集成门电路 输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。
CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 即 Transistor-Transistor Logic 按功能特点不同分 普通门 输出 三态门 CMOS (推拉式输出) 开路门 传输门 EXIT
CE(sat) CE
B
C
uI 增大使 uBE > Uth 时，三极管开始导通， iB > 0，三极管工作于放 大导通状态。
uBE < Uth E
三极管 截止状态 等效电路
EXIT
iC 临界饱和线 M T IC(sat) + uBE S Q
放大区
IB(sat)
uI=UIH
饱 和 区
O UCE(sat)
t
uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称 为三极管关断时间。 通常 toff > ton
UCE(sat) O
开关时间主要由于电 通常工作频率不高时， 荷存储效应引起，要提高 可忽略开关时间，而工作 开关速度，必须降低三极 频率高时，必须考虑开关 管饱和深度，加速基区存 速度是否合适，否则导致 储电荷的消散。 不能正常工作。 EXIT t
iB 0，iC 0，C、E 间相当 于开关断开。
三极管 截止状态 等效电路
E
Uth为门限电压 EXIT
iC u S 为放大和饱和的交界点，这时的临界饱和线I 增大使 iB 增大， 放大区 从而工作点上移， iC 增 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示； M T 相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； S 大，uCEI减小。 IC(sat) B(sat) UBE(sat) 为饱和基极电压； 饱 Q UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， 和 截止区 UBE(sat) 0.7V， UCE(sat) 0.3V。在临 A 区 界饱和点三极管仍然具有放大作用。 U O N u
第三章集成逻辑门电路例题补充
第三章集成逻辑门电路例题补充第2章 逻辑门电路2.1解题指导【例2-1】 试用74LS 系列逻辑门，驱动一只V D =1.5V ，I D =6mA 的发光二极管。
解：74LS 系列与之对应的是T4000系列。
与非门74LS00的I OL 为4mA ，不能驱动I D =6mA 的发光二极管。
集电极开路与非门74LS01的I OL 为6mA ，故可选用74LS01来驱动发光二极管，其电路如图所示。
限流电阻R 为Ω=--=--=k V V V R OL D CC 5.065.05.156【例2-2】 试分析图2-2所示电路的逻辑功能。
解：由模拟开关的功能知：当A =1时，开关接通。
传输门导通时，其导通电阻小于1k Ω，1k Ω与200k Ω电阻分压，输出电平近似为0V 。
而A =0时，开关断开，呈高阻态。
109Ω以上的电阻与200k Ω电阻分压，输出电平近似为V DD 。
V V V 020011DDF≈+=DDDD44DD599F210101021010V V V V ≈+≈⨯+=故电路实现了非逻辑功能。
【例2-3】试写出由TTL门构成的逻辑图如图2-3所示的输出F。
&≥1F ≥1AB图2-3 例2-3门电路解：由TTL门输入端悬空逻辑上认为是1可写出【例2-4】试分别写出由TTL门和CMOS 门构成的如图2-4所示逻辑图的表达式或逻辑值。
&&B F10kΩ图2-4 例2-4门电路解：由TTL门组成上面逻辑门由于10kΩ大于开门电阻R ON，所以，无论A、B为何值。
由CMOS门组成上面逻辑门由于CMOS无开门电阻和关门电阻之说，所以，。
2.2 例题补充2-1 一个电路如图2-5所示，其三极管为硅管，β=20，试求：ν1小于何值时，三极管T截止，ν1大于何值时，三极管T饱和。
解：设v BE=0V时，三极管T截止。
T截止V CCv Iv O +10VABAF=++⋅=11≡FABF=时，I B =0。
数字电路第三章习题与答案
第三章集成逻辑门电路一、选择题1、三态门输出高阻状态时,( )就是正确的说法。
A、用电压表测量指针不动B、相当于悬空C、电压不高不低D、测量电阻指针不动2、以下电路中可以实现“线与”功能的有( )。
A、与非门B、三态输出门C、集电极开路门D、漏极开路门3.以下电路中常用于总线应用的有( )。
A、TSL门B、OC门C、漏极开路门D、CMOS与非门4.逻辑表达式Y=AB可以用( )实现。
A、正或门B、正非门C、正与门D、负或门5.TTL电路在正逻辑系统中,以下各种输入中( )相当于输入逻辑“1”。
A、悬空B、通过电阻2、7kΩ接电源C、通过电阻2、7kΩ接地D、通过电阻510Ω接地6.对于TTL与非门闲置输入端的处理,可以( )。
A、接电源B、通过电阻3kΩ接电源C、接地D、与有用输入端并联7.要使TTL与非门工作在转折区,可使输入端对地外接电阻RI( )。
A、＞RONB、＜ROFFC、ROFF＜RI＜ROND、＞ROFF8.三极管作为开关使用时,要提高开关速度,可( )。
A、降低饱与深度B、增加饱与深度C、采用有源泄放回路D、采用抗饱与三极管9.CMOS数字集成电路与TTL数字集成电路相比突出的优点就是( )。
A、微功耗B、高速度C、高抗干扰能力D、电源范围宽10.与CT4000系列相对应的国际通用标准型号为( )。
A、CT74S肖特基系列B、 CT74LS低功耗肖特基系列C、CT74L低功耗系列D、 CT74H高速系列11.电路如图(a),(b)所示,设开关闭合为1、断开为0;灯亮为1、灯灭为0。
F 对开关A、B、C的逻辑函数表达式( )。
F1F 2(a)(b)Ａ.C AB F =1 )(2B A C F +=Ｂ.C AB F =1 )(2B A C F +=Ｃ. C B A F =2 )(2B A C F +=12.某TTL 反相器的主要参数为IIH ＝20μA;IIL ＝1、4ｍA;IOH ＝400μA;水IOL ＝14ｍA,带同样的门数( )。
第三章 集成逻辑门 66页PPT文档
二极管与门和或门电路的缺点： （1）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）
+VCC （+5V）
D1 0V
D2 5V
R 3kΩ
0.7V D1
D2 5V
R 3kΩ
1. 4 V L
解决办法： 将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。
+ VC C （ + 5V ）
由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V
这时T2也饱和导通，
故有VC2=VE2+ VCE2=1V。 使T4和二极管D都截止。
实现了与非门的逻辑功能之一：
Rc2
R b1
1. 6k Ω
4k Ω
1V
1
输入全为高电平时， 输出为低电平。
1
2.1V
1.4V
31
A
B
T1
C
倒置状态
3
2T 2 饱 和
例
1.4.1 电路及 VBE=0.7V。
参
数
如
图
1.4.6
所
示
，
设
输
入
电
压
VI=3V
，
三
极
管
的
（1）若β＝60，试判断三极管是否饱和，并求出IC和VO的值。
解： 根据饱和条件IB＞IBS解题。
IB31-00.070.02m3A ()
IBSVR CCC610 1200.0m 20)A(
+
V
C
C
（
+ 5V ）
D1 A
D2 B
R
3第三章讲义集成逻辑门
二极管的稳态开关特性
二极管伏安特性
iDIseqD v /kT 1
理想二极管开关特性 二极管特性折线简化
Vi<Vth时，二极管截止，iD=0。 Vi>Vth时，二极管导通。
二极管的瞬态开关特性
理想二极管开关特性
二极管瞬态开关特性
2、三极管的开关特性
NPN 型三极管截止、放大、饱和 3 种工作状态的特点
4
PN结
• 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一 边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电 子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电 流可以顺利通过。
• 如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则 空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区 变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。
– （PN junction）
PN结
• 在 P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的 电离杂质。在电场的作用下，空穴是可以移动的，而 电离杂质（离子）是固定不动的 。
• N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。 • 当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半
导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导 体扩散。空穴和电子相遇而复合，载流子消失。因此 在界面附近的结区中有一段距离缺少载流子，却有分 布在空间的带电的固定离子，称为空间电荷区 。 • P 型半导体一边的空间电荷是负离子 ，N 型半导体一 边的空间电荷是正离子。正负离子在界面附近产生电 场，这电场阻止载流子进一步扩散 ，达到平衡。
– 必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通， 流过二极管的正向电流十分微弱。只有当正向电压达到某一数值（这一数 值称为“门槛电压”，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能 直正导通。
3第三章集成逻辑门
PN结
• 在PN结上外加一电压 ，如果P型一边接正极 ，N型一 边接负极，电流便从P型一边流向N型一边，空穴和电 子都向界面运动，使空间电荷区变窄，甚至消失，电 流可以顺利通过。
• 如果N型一边接外加电压的正极，P型一边接负极，则 空穴和电子都向远离界面的方向运动，使空间电荷区 变宽，电流不能流过。这就是PN结的单向导电性。
MOS电路又可分为：
– PMOS(P沟道MOS)； – NMOS(N沟道MOS)； – CMOS(PMOS—NMOS互补)。
§3.1 晶体管的开关特性
门：具有开关作用。 门电路：具有控制信号通过或不通过能力的电路。
一、器件的开关作用
体现开关作用→静态特性 开关特性 转换过程→动态特性
Z＝0 →短路、相当开关闭合
半导体器件简介
• 三极管T（Triode）
– 三极管是在一块半导体基片上制作两个相距 很近的PN结，两个PN结把半导体分成三部 分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和 集电区，排列方式有PNP和NPN两种
– 从三个区引出相应的电极，分别为基极b发 射极e和集电极c。
半导体器件简介
• MOS场效应管
是
– 栅极Gate，G – 源极Source，S – 漏极Drain，D
半导体器件的开关特性
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。
正逻辑：高电平表示 逻辑1，低电平表示0
二极管的稳态开关特性
二极管伏安特性
iD Ise qD /v kT 1
理想二极管开关特性 二极管特性折线简化
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) &
第三章 集成逻辑门57665
输出高电平 ,负载电流为拉电流
vO(V)
3
2
1
0
10 20 30 40 iL(mA)
TTL与非门输出高电平时的输出特性
3.2 TTL集成逻辑门
5、TTL与非门的带负载能力
扇入系数是指合格的输入端的个数；
扇出系数是指逻辑门
输出端最多能驱动同类门的个数。
出级采用的
推挽导结+5构V，导
使T3、T4
T3 轮流导通
输入级是由多发射极 晶体管T1和电阻R1 组成的一个与门，其 功能是实现输入逻辑
A B C
T1 T2
D4
Y
T4
变量A、B、C的与 运算。
中间级是由T2、R2及R3
R 组成的一个电压分相器， 3 1K
它在T2的发射极与集电极
上分别得到两个相位相反
3.2 TTL集成逻辑门
由此可见，电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系。
FABC
在两种工作状态下，各晶体管工作情况如表所示： TTL与非门各级工作状态
输入
与
T1
T2
T3
D
T4 输 出
非 门
4
状
态
全部为高 倒置工 饱 截 截 饱 低电 开
电位
作 和 止 止 和 平VOL 门
至少一个 低电位
深饱和
T4
T3和D4处于导通状态
R3 1K
T1处于深饱和状态，vC1=VIL+ VCE（sat1）≈0.4V
v O V c c v b 3 e v D 4 5 V 0 . 7 V 0 . 7 V 3 . 6 V V OH
第3章集成逻辑门电路
22
PN结的形成
由空间电荷区产生的、方向为N区指向P区 的内建电场阻碍了扩散运动，同时使少子产生 漂移运动，即N区的空穴向P区漂移， P区的电 子向N区漂移。
当漂移运动和扩散运动达到动态平衡时， 扩散电流等于漂移电流且方向相反，PN结中电 流为零，PN结宽度及电位差Uho为恒定值。
PN结的形成由两个运动共同形成：多子的 扩散运动和少子的漂移运动。
19
PN结的形成
多子扩散
P区
空间电荷区
N区
内电场方向
20
PN结的形成
空间电荷区
P区
N区
多子扩散 内电场方向 少子漂移
21
PN结的形成
由于载流子的浓度差，P区的空穴向N区 扩散，N区的电子向P区扩散。这种由于浓 度差引起的运动称为扩散运动。
双极型电路的缺点：功耗大。
应用领域：SSI，MSI。
5
3.1 概述
随着集成规模的增加，LSI，VLSI的出现，TTL 已不能适用，CMOS电路（单极型）得到了广泛的 使用。CMOS电路的最大优点：功耗低。随着技术 的发展，速度和驱动能力和TTL基本相同。
在单极型电路中，还包括NMOS和PMOS等。
23
PN结的形成
P区
P N结
N区
内电场方向
室温下，内电场建立的电位差： 硅：（0.6～0.8）V 锗：（0.1 ～0.3）V 24
PN 结的单向导电性
所谓“单向导电性”是指PN结在不同极性 外加电压作用下，其导电能力有极大差异的 特性。PN结最显著的特性为单向导电性。
数字电路 第 3 章 集成逻辑门
二极管与门
（1）二极管与门
5V D1 A D2 0V B +VCC(+5V) R 3kΩ
A
0 0 1 1
B
0 1 0 1
Y
0 0 0 1
Y
uA uB
0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
uY
0.7V 0.7V 0.7V 5V
D1 D2 导通 导通 导通 截止 截止 导通 截止 截止
Y=AB
Y
三极管稳态开关特性
一、三极管稳态开关特性
输入电压vI直接通过电阻 RB作用于晶体管T的发射结，
输出电压vo由晶体管集电极取
出。关系公式： vBE≈ vI -RBiB vo=vCE =VCC-RCiC 晶体单管共射电路
电压传输特性
电压传输特性：电 路的输出电压vo与输
入电压vI的函数关系
曲线。
晶体单管共射电路电压传输特性
uo=uCE=VCC-iCRc=5-1.5×1=3.5V
uo＝UCES＝0.3V=V0L
三极管瞬态开关特性
二、三极管瞬态开关特性
晶体三极管开关稳态是处于截止或饱和态，在
外加信号作用下，晶体三极管由截止转向饱和，或
由饱和转向截止的过渡过程，称为瞬态开关特性，
如下图所示。
晶体三极管基区少子浓度分布曲线
升；当正向电压大于Vth达到一定值(一般锗管为0.3V，硅管为
0.7V。)时，管子处于充分导通状态，电阻变得很小，正向电流 急剧增加，此时二极管类似于开关的接通状态。
反向特性
2．反向特性
※ 二极管的反向特性表现为在反向电压作用下，二极管处 于截止状态，此时反向电阻很大，反向电流很小，将其称为反 向饱和电流，用IS表示，通常可忽略不计，此时二极管的状态 类似于开关断开，而且反向电压的变化基本不引起反向电流的 变化。 ※ 当反向电压超过极限值UBR时，二极管被击穿。
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2、动态特性
uD
VD
0
uD
iD
R
上升时间
当uD 为一矩形电压时
二极管VD的电流的变化过程
iD
0
电流波形的不够陡峭（不理想）
存储时间
上升时间：二极管从截止到导通所需的时间。
t
渡越时间
t
漏电流
反相恢复时间：二极管从导通到截止所需要的时间，等于存储 时间＋渡越时间，其值远远大于上升时间，二极管的速度主要 取决于反相恢复时间。
D1
A
D2
B
D
C
3
R 3kΩ
P D4
D5 1
R1 4.7kΩ
+VCC（+5V）
Rc 1kΩ
3
L
2T
二、TTL与非门
1、TTL与非门的基本结构
输入级由多发射极晶体管 T1 R b1
和基极电组Rb1组成。
4k Ω
1
多发射极三极管 在功能上相当于 三个三极管的并 联运用。
输入级
A B C
31
T1
b
b
Rc2 1. 6kΩ
Vc2
1
3
2T 2
Ve2
1
R e2 1k Ω
5V + VC C（
R c4 13 0Ω
3
T2 4
D
Vo
3
2T 3
eA eB eC
c eA
输 入级
eB eC c
中 间级
输 出级
中间级是放大级，由T2、Rc2 和Re2组成.
R b1 4k Ω
Rc2 1. 6kΩ
Vc2
1
+ VC C（ + 5 V ） R c4 13 0Ω
iC
0
ton
toff
引起的，内部载流子的运动过程比较
复杂。
UCC
Ucc
截止到饱和i所C 需的R时c 间称为开启时间 uO
UCES
ton，它R基B 本上由三极管uO自身决定。 T
饱和uI到截止所iB 需的时间称uCE为关闭时间toff，它与饱和深度S有直 接关系，S越大toff越长。
3.2 TTL集成逻辑门
IBS U CC
RC
ui
iB
uO
T
uo
定义饱和深度： 三极管开关等效电路
S iB I BS
ube ≥ 0.7V S闭合
ube ＜ 0.7V S断开
S
2、三极管的动态开关特性
UIL
当基极施加一矩形电压uI时
uI UIL
iC、uO波形不够陡峭， iC、uO滞后于uI，
ICS
即三极管在截止与饱和状态转换需要 一定的时间。这是由三极管的结电容
3
T2 4 截 止
D 截止
Vo
3 0.3V
2T 3 饱和
（2）输入有低电平0.3V 时。
该发射结导通，VB1=1V。T2、T3都截止。 忽略流过RC2的电流，VB4≈VCC=5V 。
由于T4和D导通，所以：
VO≈VCC －VBE4 －VD
= 5 －0.7 －0.7 = 3.6（V）
实现了与非门的逻辑
端。多射极管工作放大状态。 - i b2 是T2管的反向驱动
i c1 = βi b1 = - i b2
电流。使T2管快速截止， 缩短了开关时间。
多射极管的优点：对T2管提供很大的反向驱散电流，
使T2 管很快由饱和转变为截止。
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（2）采用了推拉式输出级
当T4、D导通时，射极输
出，输出阻抗小；
二、三极管的开关特性
1、三极管的开关特性
在数字电路中工作在饱和区或截止区——开关状态。 UCC 下面以NPN硅管为例进行分析
ui = uiL≈0 iB = 0 ic≈0
uo≈ ucc
iC Rc
ui = uiH iB ＞ iC /β Uo= ucES ≈0
RB
临界饱和基极电流：
可靠饱和条件为：iB≥IBS
3
T2 4
1
3
31
A
2T 2
B
T1
C
Ve2
R e2
1k Ω
输出级：由T3、T4和Rc4、D组成 T3、T4在输入信号的输 作入 级用下，轮流中 导间 级 通，一个导通，另一个截止。叫中做间推级 拉输出级。
D
Vo
3
1
2T 3
输 出级
输出级
2．TTL与非门的逻辑关系
（1）输入全为高电平3.6V时。 由于T3饱和导通，输出电压为：
第三章 集成逻辑门
3.1 晶体管的开关特性 3.2 TTL集成逻辑门 3.3 CMOS电路 3.4 VHDL描述逻辑门电路
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3.1 晶体管的开关特性
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一、二极管的开关特性
1、静态特性 伏安特性
iD
+-
导通时的等效电路
截止时的等效电路
0
uD -
+
二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡，压降很小（硅管： 0.7V，锗管0.3V），可以近似看作是一个闭合的开关 二极管加反向电压时截止，截止后的伏安特性具有饱和特性 （反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）且反向电流很 小（nA级），可以近似看作是一个断打开的开关
由于T2饱和导通，VC2=1V。
VO=VCES3≈0.3V
T4和二极管D都截止。
实现了与非门的 逻辑功能之一：
输入全为高电平
时，输出为低电
A B
平。
C
1
R b1 4k Ω
2.1V
31 . 4 V1
T1 倒置状态
3.6V
Rc2 1. 6k Ω
1V 1
3
2T 2 饱 和
0 . 7 V1
R e2 1K
+ VC C（ + 5 V ） R c4 13 0Ω
一、DTL与非门
工作原理：
（1）当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1～D3都截止，而D4、
D5和T导通，且T为饱和导通， VL=0.3V，即输出低电平。 （2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP≈1V，从而使D4、 D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。
所以该电路满足与非逻辑关系，即： LABC
4.3V
D 导通
Vo
3 3.6V
2T 3 截止
3、TTL与非门提高工作速度的原理
（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。
当输入全接3.6V时：
VCC
Vb1=1.4V时： T1管集电结，
R1
RC
T2管发射结导通。正向驱动电
流很大，T2管快速饱和。
1
T1
T2
当输入中有一个由
3.6V
0
基极电流i b1流向低电平输入
功能的另一方面：
输入有低电平时， 输出为高电平。
R b1 4kΩ
1
综合上述两种情况， 3.6V 1V
该电路满足与非的
0.4V
31
A
逻辑功能，即： B
T1
C
饱和
LABC
0.3V
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退出
Rc2 1.6 kΩ
5V 1
3
2T 2 截 止
1
R e2 1kΩ
+ VC C R c4 130 Ω
3
T2 4 导 通
T4
1
当T3导通时，T3为 导 通
深度饱和，输3
TTL 电 路 的 负 载
1
截止
能力强，当遇到
+ VC C（ + 5V ） R c4
3 2
充电
3 2
Vo CL
+ VC C（ + 5V ） R c4
T4
1
截止
D
截止
T3
1
导通
3 2
3 2
放电
Vo CL
容性负载是，其
冲放电速度快。 另当T2截止时，T4饱和，这样导致T3上