数字电子技术集成逻辑门电路
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第二章 集成逻辑门电路
2.1概述 2.2半导体二极管和三极管的开关特性 2.3基本逻辑门电路 2.4TTL逻辑门电路 2.6 CMOS门电路 2.8 TTL电路与CMOS门电路的接口 1
2.1概 述 随着科学技术的发展，集成逻辑电路 已取代了分立元件的逻辑电路，而集成逻 辑门又是实现数字逻辑电路的重要电子器 件。所以我们本章将讨论集成逻辑门电路 的工作原理。重点是讨论TTL型和CMOS 型这两大类型集成逻辑门电路。
6
小规模集成电路(SSI-Small Scale Integration)， 每片 组件内包含10~100个元件(或10~20个等效门)。
中规模集成电路(MSI-Medium Scale Integration)，每 片组件内含100~1000个元件(或20~100个等效门)。
大规模集成电路(LSI-Large Scale Integration)， 每片 组件内含1000~100 000个元件(或100~1000个等效门)。
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23
三极管工作于深度饱和区
• 三极管工作于饱和区
– 条件：IB IBSVCCR VC CE(sa)t
– 对于硅管：此时VCE:0.6V~0.7V – 对于硅管：深度饱和时VCE(sat)<0.3V （RC上的压降接近于电源的电压时，三极管上的压
降将接近于零，三极管处于深度饱和状态）
– 只要合理的选择电路参数，保证当VI为高电平时IB> IBS， 三极管是可以工作于深度饱和区。
101
3V 3V 2.3V
111
所以： Y A B 20
2.1.3 三极管的非门 一、电路组成
21
二、工作原理 1、当uA=0V，三极管截止，所以： uO=5V 2、当uA=3V，三极管饱和导通，所以：uO=0.3V
22
三、逻辑关系
uA
uO
A
Y
0V 5V 0
1
3V 0.3V 1
0
所以：
YA
– 饱和区：Vbe>VT， Vbc>VT，均正向偏置；由 于Rc的存在，Ic越大，VRC也越大，因此Vce 到一定值后，基本不变。
– 反偏状态：发射结加反向电压；集电结加正向 电压。
13
分区等效电路：（NPN晶体三极管）
工作 状态
特点
条件
等效电路
发射结、集电结均反偏
截止
ib=－Icbo≈0 ic=Icbo≈0
34
估算各级的参数：
i B1
VCC uB1 R1
5V 2.1V 4K
0.725mA
iB2 uC2
T1颠倒使用时 iB2 iC1 iB1 iB1 1(很小,约为0.02)
0.725mA 0.0145mA 0.74mA 此电流可使
uC2 uCES2 uBE4 0.3V 0.7V 1V T2和T4饱和
显然这个1V的电压是不足以打通T3和D2的，因 此T3和D2截止。
35
T3和D2截止时 的相关参数
iE2 iB2 ICS2
iB2
VCC uC2 R2
3.24mA
uC2 iB2
iE2 iB4 iR3
iR3
uBE4 R3
0.7mA
iB4 iE2 iR3 2.54mA
得： uo UCES4 0.3V
12
• （2） 三极管输出特性
– 截止区：两个PN结深度反偏，Vce<0V， Vbe<0V；Ib0V，Ic0V；一般地，Vbe<0.7V 时，即认为三极管截止
– 放大区：发射结正偏，集电结反偏；Vbe>VT， Vbc<0；此时Vbe稍增，必将较大增加Ie，而 Ib稍增，Ic增加较大，即Ic较Ib增加许多倍
饱 和 区 ic(m A )
ics N
Q
ibs 放大区
i bQ
0 V ces 截止区
ib= 0
M
I cbo
Ec
V ce(V )
共射晶体三极管的伏安特性
11
• （1） 三极管输入特性 – Vce=0V时，等效为2个正向二极管的并联 – Vce>0V时，若Vbe一定，则发射电子能力一定， 而集电极又有一定的电子收集能力，因此Ib 必减小
3、当uA=3V，uB=0V，D1导通，D2截止 所以: uO=2.3V
4、当uA=uB=3V，D1和D2都导通，所以:uO=2.3V
19
三、逻辑关系
• 按正逻辑约定
• 设(VH)MIN=2.4V，(VL)MAX=0.8V
uA
uB
uO
ABY
0V 0V -0.7V
000
0V 3V 2.3V
011
3V 0V 2.3V
– 另一类为MOS集成电路， 其有源器件采用金属—氧 化物—半导体场效应管，它又可分为NMOS、 PMOS和CMOS等几种类型。
5
• 目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集 成电路。
– TTL集成电路工作速度高、 驱动能力强，但 功耗大、集成度低；
– CMOS集成电路集成度高、功耗低。
• 超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路， 其缺点是工作速度略低。目前已生产了 BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS 型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优 势， 缺点是制造工艺复杂。
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2
3
逻辑电平
• 高电平VH：大于给定电平值的电压范围
– 输入高电平VIH – 输出高电平VOH
• 低电平VL：小于给定电平值的电压范围
– 输入低电平VIL – 输出低电平VOL • 逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此 在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的 要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。
Vo=VOH=VCC
VI=VIL时，D导通，VO=VOL=0
9
2.2.2晶体三极管开关特性
• 1.稳态开关特性：
– 晶体三极管工作于截止区时，内阻很大，相 当于开关断开状态；工作于饱和区时，内阻 很低，相当于开关接通状态。
• 输入控制信号Vi为矩形电压脉冲，电源电 压Ec，负载电阻Rc
10
三极管开关电路
超 大 规 模 集 成 电 路 (VLSI-Very Large Scale Integration)， 每片组件内含100 000个元件(或1000个以上 等效门)。
7
2.2半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.1半导体二极管的开关特性
1.二极管开关特性
• 导通条件及特点 条件：VD>0.7V 特点：相当于0.7V电压降的闭合开关
29
2.1V 4.3V
3.6V
1V 0.7V
0.3V
30
(2) 定量分析
A、当ui=UIL=0.2V时：
i B1
VCC uBE1 R1
5V 0.7V 4K
1.1mA
31
由于T1集电极回路电阻是R2和T2的b-c结反向
电阻之和，阻值很大Байду номын сангаас因此T1管处于深度饱和状态。
其饱和电压为：
uCE1 UCES1 0V
26
2.工作原理
• (1)定性分析
• .① A为低电平时，T1的发射结导通，并将 T1的集电极电位钳在VIL+Vo=0.9v；
–因为T1的集电极回路电阻为R2和T2的b-c结反向 电阻之和，阻值非常大，所以T1工作在深度饱 和区，Vces1 0。
–显然，T2的发射结不导通，T2截止，Vc2为高电 平，Ve2为低电平，使T4截止，故 R2上的压降 很小，Vc2Vcc，T3管导通。
3V 0V 0.7V 1
0
3V 3V 3.7V 1
1
所以： Y A B
Y 0 0 0 1
17
2.1.2 二极管的或门 一、电路组成
二、工作原理 1、当uA=uB=0V，D1和D2都导通，所以:uO=-0.7V
18
优先导通
2、当uA=0V，uB=3V，D1截止，D2导通 所以: uO=2.3V
当0.7<Vi<1.3v时，T2管的发射极电阻R3直接接地，故
T2管开始导通并处于放大状态，所以Vc2和Vo随Vi的
增高而线性地降低。但T4管仍截止。故BC段称为线性
区。
40
C、CD段(转折区)
Uth=1.4V
在该区域：uI增大到接近1.4V并继续增大时，T4开始
4
数字集成电路的分类
• 数字集成电路按其内部有源器件的不同可以分 为两大类
– 一类为双极型晶体管集成电路，它主要有晶体管— 晶体管逻辑(TTL-Transistor Transistor Logic)、射极 耦合逻辑(ECL-Emitter Coupled Logic)和集成注入逻 辑(I2L-Integrated Injection Logic)等几种类型。
3、当uA=3V，uB=0V，D1截止，D2导通 所以: uO=0.7V
4、当uA=uB=3V，D1和D2都导通，所以:uO=3.7V
16
三、逻辑关系
• 按正逻辑约定
• 设(VIH)MIN=2.4V， (VIL)MAX=0.8V
uA
uB
uO
AB
0V 0V 0.7V 0 0
0V 3V 0.7V 0 1
反映输出电压uO和 输入电压uI关系的曲线叫 做电压传输特性曲线。
38
① 电压传输特性
A、AB段(截止区)
⑴AB段: 当Vi<0.6v时，Vb1<1.3v，T2和T4管截 止，T3导通，输出为高电平VOH=VCC－VR2－ Vd2－Vbe4 3.4v，故AB段称为截止区。
39
B、BC段(放大区)
所以iB4就可以估算出来
这个电流非常大，可使 T4工作在深度饱和状态。
36
综上所述，TTL非门输入端输入低电平， 输出即为高电平；当输入端输入高电平时， 输出为低电平，实现了非逻辑功能。
• 推拉式输出级作用：降低功耗，提高 负载能力
• 三极管射极输入级作用：提高输入电 阻
37
2. 电压传输特性和参数
33
B、当ui=UIH=3.6V时:(设T1倒置时的β为0.02) 显然从T1的
基极向下看：
射极支路的 电位为：
uB1 UIH uBE1
3.6V 0.7V
4.3V 集电极支路的电位为： uB1 uBC1 uBE2 uBE4 0.7V 0.7V 0.7V 2.1V
所以基极的电位被钳在2.1V上，出现射极不通 集电极通的现象，这就是所谓倒置使用的状态。
–因此，输出为高电平VOH=3.6v。
27
0.9V 0.2V
3.6V
28
• ② 当输入信号为高电平VIH=3.6v，假 设暂不考虑T1管的集电极支路，则T1 管的发射结均应导通，可能使 Vb1=VIH+0.7=4.3v。
–但是，由于Vcc经R1作用于T1管的集电 极、T2和T4管的发射结，使三个PN结必 定导通，Tb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=2.1v，使 T1管的所有发射结均反偏，T1管处于倒 置工作状态，T1、T2和T4管饱和导通， Vo=VoL=Vces5=0.3v， Vc2=Vces2+Vbe4=0.3+0.7=1v，T3管截止。
ib>ibs≈ E c 对硅管 R c
Vbe=Vbes=0.7~ 0.8V
b
ib
rbe
ic c
V ces
e
14
2.3 分立元件逻辑门电路 2.3.1 二极管的与门 一、电路组成
二、工作原理 1、当uA=uB=0V，D1和D2都导通，所以:uO=0.7V
15
优先导通
2、当uA=0V，uB=3V，D1导通，D2截止 所以: uO=0.7V
所以： uB2 ui uCE1 ui UCES1 0V
造成T2和T4截止，T2的集极电位增加使得T3和
D2导通。 32
T3是射极跟随器，可以使其输出电压跟随其输 入的电压变化。其电流走向如上图所示：
由于T4截止，iB3趋近于0，故uB3近似等于电 源电压5V，所以输出电压为：
uo uB3 uBE3 uD 5V 0.7V 0.7V 3.6V
Vce≈Ec
Vbe<VT 对硅管
VT≈0.5V
c Icbo
b e
放大
发射结正偏，集电结反偏 ic=βib Vce=Ec－icRc
0<ib<ibs 对硅管
Vbe=0.6~0.7V
b+
－
V bes
+
c
－
V ces
e
发射结、集电结均正偏
饱和
ic=ics≈ Vce=Vces
Ec Rc
对硅管 Vces≈0.1~0.3V
24
三极管工作于倒置工作状态
• 三极管工作于倒置工作状态
– 条件： VB>VC，电流从B流向C – 此时三极管的放大倍数很小
25
2.4 TTL集成逻辑门电路 2.4.1 TTL反相器 一、电路组成及工作原理 1. 电路组成
（Transister-Transister-Logic的缩写）
输入级 中间级 输出级
• 截止条件及特点 条件： VD<0.7V 特点：相当于完全断开的开关
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利用二极管的单项导电性，相当于一个受外加 电压极性控制的开关。如图示：
Vcc 假定：VIH=VCC,VIL=0
R 二极管D的正向电阻为0，反向电阻为
（在数字电路中，为便于分析，取单一值：硅管0.7V，锗
VI
D S
管0.3V）
Vo 则当VI=VIH时，D截止，
2.1概述 2.2半导体二极管和三极管的开关特性 2.3基本逻辑门电路 2.4TTL逻辑门电路 2.6 CMOS门电路 2.8 TTL电路与CMOS门电路的接口 1
2.1概 述 随着科学技术的发展，集成逻辑电路 已取代了分立元件的逻辑电路，而集成逻 辑门又是实现数字逻辑电路的重要电子器 件。所以我们本章将讨论集成逻辑门电路 的工作原理。重点是讨论TTL型和CMOS 型这两大类型集成逻辑门电路。
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小规模集成电路(SSI-Small Scale Integration)， 每片 组件内包含10~100个元件(或10~20个等效门)。
中规模集成电路(MSI-Medium Scale Integration)，每 片组件内含100~1000个元件(或20~100个等效门)。
大规模集成电路(LSI-Large Scale Integration)， 每片 组件内含1000~100 000个元件(或100~1000个等效门)。
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三极管工作于深度饱和区
• 三极管工作于饱和区
– 条件：IB IBSVCCR VC CE(sa)t
– 对于硅管：此时VCE:0.6V~0.7V – 对于硅管：深度饱和时VCE(sat)<0.3V （RC上的压降接近于电源的电压时，三极管上的压
降将接近于零，三极管处于深度饱和状态）
– 只要合理的选择电路参数，保证当VI为高电平时IB> IBS， 三极管是可以工作于深度饱和区。
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3V 3V 2.3V
111
所以： Y A B 20
2.1.3 三极管的非门 一、电路组成
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二、工作原理 1、当uA=0V，三极管截止，所以： uO=5V 2、当uA=3V，三极管饱和导通，所以：uO=0.3V
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三、逻辑关系
uA
uO
A
Y
0V 5V 0
1
3V 0.3V 1
0
所以：
YA
– 饱和区：Vbe>VT， Vbc>VT，均正向偏置；由 于Rc的存在，Ic越大，VRC也越大，因此Vce 到一定值后，基本不变。
– 反偏状态：发射结加反向电压；集电结加正向 电压。
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分区等效电路：（NPN晶体三极管）
工作 状态
特点
条件
等效电路
发射结、集电结均反偏
截止
ib=－Icbo≈0 ic=Icbo≈0
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估算各级的参数：
i B1
VCC uB1 R1
5V 2.1V 4K
0.725mA
iB2 uC2
T1颠倒使用时 iB2 iC1 iB1 iB1 1(很小,约为0.02)
0.725mA 0.0145mA 0.74mA 此电流可使
uC2 uCES2 uBE4 0.3V 0.7V 1V T2和T4饱和
显然这个1V的电压是不足以打通T3和D2的，因 此T3和D2截止。
35
T3和D2截止时 的相关参数
iE2 iB2 ICS2
iB2
VCC uC2 R2
3.24mA
uC2 iB2
iE2 iB4 iR3
iR3
uBE4 R3
0.7mA
iB4 iE2 iR3 2.54mA
得： uo UCES4 0.3V
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• （2） 三极管输出特性
– 截止区：两个PN结深度反偏，Vce<0V， Vbe<0V；Ib0V，Ic0V；一般地，Vbe<0.7V 时，即认为三极管截止
– 放大区：发射结正偏，集电结反偏；Vbe>VT， Vbc<0；此时Vbe稍增，必将较大增加Ie，而 Ib稍增，Ic增加较大，即Ic较Ib增加许多倍
饱 和 区 ic(m A )
ics N
Q
ibs 放大区
i bQ
0 V ces 截止区
ib= 0
M
I cbo
Ec
V ce(V )
共射晶体三极管的伏安特性
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• （1） 三极管输入特性 – Vce=0V时，等效为2个正向二极管的并联 – Vce>0V时，若Vbe一定，则发射电子能力一定， 而集电极又有一定的电子收集能力，因此Ib 必减小
3、当uA=3V，uB=0V，D1导通，D2截止 所以: uO=2.3V
4、当uA=uB=3V，D1和D2都导通，所以:uO=2.3V
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三、逻辑关系
• 按正逻辑约定
• 设(VH)MIN=2.4V，(VL)MAX=0.8V
uA
uB
uO
ABY
0V 0V -0.7V
000
0V 3V 2.3V
011
3V 0V 2.3V
– 另一类为MOS集成电路， 其有源器件采用金属—氧 化物—半导体场效应管，它又可分为NMOS、 PMOS和CMOS等几种类型。
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• 目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集 成电路。
– TTL集成电路工作速度高、 驱动能力强，但 功耗大、集成度低；
– CMOS集成电路集成度高、功耗低。
• 超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路， 其缺点是工作速度略低。目前已生产了 BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS 型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优 势， 缺点是制造工艺复杂。
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逻辑电平
• 高电平VH：大于给定电平值的电压范围
– 输入高电平VIH – 输出高电平VOH
• 低电平VL：小于给定电平值的电压范围
– 输入低电平VIL – 输出低电平VOL • 逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此 在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的 要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。
Vo=VOH=VCC
VI=VIL时，D导通，VO=VOL=0
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2.2.2晶体三极管开关特性
• 1.稳态开关特性：
– 晶体三极管工作于截止区时，内阻很大，相 当于开关断开状态；工作于饱和区时，内阻 很低，相当于开关接通状态。
• 输入控制信号Vi为矩形电压脉冲，电源电 压Ec，负载电阻Rc
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三极管开关电路
超 大 规 模 集 成 电 路 (VLSI-Very Large Scale Integration)， 每片组件内含100 000个元件(或1000个以上 等效门)。
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2.2半导体二极管和三极管的开关特性
2.2.1半导体二极管的开关特性
1.二极管开关特性
• 导通条件及特点 条件：VD>0.7V 特点：相当于0.7V电压降的闭合开关
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2.1V 4.3V
3.6V
1V 0.7V
0.3V
30
(2) 定量分析
A、当ui=UIL=0.2V时：
i B1
VCC uBE1 R1
5V 0.7V 4K
1.1mA
31
由于T1集电极回路电阻是R2和T2的b-c结反向
电阻之和，阻值很大Байду номын сангаас因此T1管处于深度饱和状态。
其饱和电压为：
uCE1 UCES1 0V
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2.工作原理
• (1)定性分析
• .① A为低电平时，T1的发射结导通，并将 T1的集电极电位钳在VIL+Vo=0.9v；
–因为T1的集电极回路电阻为R2和T2的b-c结反向 电阻之和，阻值非常大，所以T1工作在深度饱 和区，Vces1 0。
–显然，T2的发射结不导通，T2截止，Vc2为高电 平，Ve2为低电平，使T4截止，故 R2上的压降 很小，Vc2Vcc，T3管导通。
3V 0V 0.7V 1
0
3V 3V 3.7V 1
1
所以： Y A B
Y 0 0 0 1
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2.1.2 二极管的或门 一、电路组成
二、工作原理 1、当uA=uB=0V，D1和D2都导通，所以:uO=-0.7V
18
优先导通
2、当uA=0V，uB=3V，D1截止，D2导通 所以: uO=2.3V
当0.7<Vi<1.3v时，T2管的发射极电阻R3直接接地，故
T2管开始导通并处于放大状态，所以Vc2和Vo随Vi的
增高而线性地降低。但T4管仍截止。故BC段称为线性
区。
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C、CD段(转折区)
Uth=1.4V
在该区域：uI增大到接近1.4V并继续增大时，T4开始
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数字集成电路的分类
• 数字集成电路按其内部有源器件的不同可以分 为两大类
– 一类为双极型晶体管集成电路，它主要有晶体管— 晶体管逻辑(TTL-Transistor Transistor Logic)、射极 耦合逻辑(ECL-Emitter Coupled Logic)和集成注入逻 辑(I2L-Integrated Injection Logic)等几种类型。
3、当uA=3V，uB=0V，D1截止，D2导通 所以: uO=0.7V
4、当uA=uB=3V，D1和D2都导通，所以:uO=3.7V
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三、逻辑关系
• 按正逻辑约定
• 设(VIH)MIN=2.4V， (VIL)MAX=0.8V
uA
uB
uO
AB
0V 0V 0.7V 0 0
0V 3V 0.7V 0 1
反映输出电压uO和 输入电压uI关系的曲线叫 做电压传输特性曲线。
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① 电压传输特性
A、AB段(截止区)
⑴AB段: 当Vi<0.6v时，Vb1<1.3v，T2和T4管截 止，T3导通，输出为高电平VOH=VCC－VR2－ Vd2－Vbe4 3.4v，故AB段称为截止区。
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B、BC段(放大区)
所以iB4就可以估算出来
这个电流非常大，可使 T4工作在深度饱和状态。
36
综上所述，TTL非门输入端输入低电平， 输出即为高电平；当输入端输入高电平时， 输出为低电平，实现了非逻辑功能。
• 推拉式输出级作用：降低功耗，提高 负载能力
• 三极管射极输入级作用：提高输入电 阻
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2. 电压传输特性和参数
33
B、当ui=UIH=3.6V时:(设T1倒置时的β为0.02) 显然从T1的
基极向下看：
射极支路的 电位为：
uB1 UIH uBE1
3.6V 0.7V
4.3V 集电极支路的电位为： uB1 uBC1 uBE2 uBE4 0.7V 0.7V 0.7V 2.1V
所以基极的电位被钳在2.1V上，出现射极不通 集电极通的现象，这就是所谓倒置使用的状态。
–因此，输出为高电平VOH=3.6v。
27
0.9V 0.2V
3.6V
28
• ② 当输入信号为高电平VIH=3.6v，假 设暂不考虑T1管的集电极支路，则T1 管的发射结均应导通，可能使 Vb1=VIH+0.7=4.3v。
–但是，由于Vcc经R1作用于T1管的集电 极、T2和T4管的发射结，使三个PN结必 定导通，Tb1=Vbc1+Vbe2+Vbe5=2.1v，使 T1管的所有发射结均反偏，T1管处于倒 置工作状态，T1、T2和T4管饱和导通， Vo=VoL=Vces5=0.3v， Vc2=Vces2+Vbe4=0.3+0.7=1v，T3管截止。
ib>ibs≈ E c 对硅管 R c
Vbe=Vbes=0.7~ 0.8V
b
ib
rbe
ic c
V ces
e
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2.3 分立元件逻辑门电路 2.3.1 二极管的与门 一、电路组成
二、工作原理 1、当uA=uB=0V，D1和D2都导通，所以:uO=0.7V
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优先导通
2、当uA=0V，uB=3V，D1导通，D2截止 所以: uO=0.7V
所以： uB2 ui uCE1 ui UCES1 0V
造成T2和T4截止，T2的集极电位增加使得T3和
D2导通。 32
T3是射极跟随器，可以使其输出电压跟随其输 入的电压变化。其电流走向如上图所示：
由于T4截止，iB3趋近于0，故uB3近似等于电 源电压5V，所以输出电压为：
uo uB3 uBE3 uD 5V 0.7V 0.7V 3.6V
Vce≈Ec
Vbe<VT 对硅管
VT≈0.5V
c Icbo
b e
放大
发射结正偏，集电结反偏 ic=βib Vce=Ec－icRc
0<ib<ibs 对硅管
Vbe=0.6~0.7V
b+
－
V bes
+
c
－
V ces
e
发射结、集电结均正偏
饱和
ic=ics≈ Vce=Vces
Ec Rc
对硅管 Vces≈0.1~0.3V
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三极管工作于倒置工作状态
• 三极管工作于倒置工作状态
– 条件： VB>VC，电流从B流向C – 此时三极管的放大倍数很小
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2.4 TTL集成逻辑门电路 2.4.1 TTL反相器 一、电路组成及工作原理 1. 电路组成
（Transister-Transister-Logic的缩写）
输入级 中间级 输出级
• 截止条件及特点 条件： VD<0.7V 特点：相当于完全断开的开关
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利用二极管的单项导电性，相当于一个受外加 电压极性控制的开关。如图示：
Vcc 假定：VIH=VCC,VIL=0
R 二极管D的正向电阻为0，反向电阻为
（在数字电路中，为便于分析，取单一值：硅管0.7V，锗
VI
D S
管0.3V）
Vo 则当VI=VIH时，D截止，