数字电路与逻辑设计课件：第三章 part1二极管和三极管的开关特性
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来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都
制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了 集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门 电路。
二极管与门
VD1 A
VD2 B
+VCC(+5V) R
Y
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
uA uB
uY
VD1 VD2
数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作 在开关状态。
导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。
逻辑变量←→两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1； 电子开关有两种状态：闭合、断开。
半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这 种电子开关的基本开关元件。
理想开关的开关特性：
ECL： 发射极偶合逻辑，速度更快。 系列：74系列、54系列、4000系列等。 命名：如SN74LS00。
SN：生产厂标，Texas公司；74：系列号； LS：生产工艺；00：功能号，2输入端与非门。
TTL电路
TTL：74系列 ( 0－70℃） 一般用于民用产品 54系列（－55－125 ℃） 一般用于军事用途
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。
3.1.1 二极管的开关特性
一、静态特性及开关等效电路 正向导通时 UD(ON)≈0.7V（硅） 0.3V（锗） RD≈几Ω ～几十Ω 相当于开关闭合
二极管的伏安特性曲线
反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百kΩ） 相当于开关断开
§3-2 数字集成器件简介
一、集成电路的生产工艺 二、集成电路的主要电气指标 三、逻辑电路的输出结构 四、 正逻辑和负逻辑 五、常用门电路及逻辑符号
一、集成电路的生产工艺
TTL：晶体管-晶体管逻辑 ，速度快。 (标准,S,LS,AS,ALS,F)
MOS：金属-氧化物-半导体逻辑，功耗低。 (PMOS,NMOS,CMOS) (HC,AHC,AC,HCT,ACT,AHCT,LV,LVC)
pnp与npn三极管的电路符号:
✓ 发射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体， 和二极体 的符号一致。
✓ 在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性 的p型区和n型区隔开。
D. Zhu 2012
3.1.2 三极管的开关特性
一、静态特性及开关等效电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要
VD1 VD2 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
Y=A+B
A
≥1
Y B
第三章 组合逻辑电路
组合电路： 当前输出仅和当前的输入有关
§3-1 二极管和三极管的开关特性 §3-2 数字集成器件简介 §3-3 常用组合逻辑模块 §3-4 组合电路分析 §3-5 组合电路设计 §3-6 险象与竞争 §3-7 小结
静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻
ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。
闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻 RON = 0，电压UAK = 0。
动态特性： 开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0
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。
朝永振一郎(1906-1979)
1965年因重整化理论获得诺贝尔物理学奖。
对于没有好奇心的学生，无论老师怎样在他 身上花费多少精力，也会徒劳无功。这是我 个人的感受。唯一的救星，就是人与生俱来 的好奇心。而且我觉得这是深深地根植于人 性里的一种倾向。
各知识单元的分数分配
第0章 引论 第一章 数制与编码 第二章 逻辑函数及其化简 第三章 组合逻辑电路 第四章 时序电路分析 第五章 同步时序电路设计 第六章 集成数/模和模/数转换器 第七章 可编程逻辑器件及其应用
门电路
用以实现基本逻辑运 算和复合逻辑运算的 单元电路。
Vcc
Vo Vi
获得高、低电平的基本原理
门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑
门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或 门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。
分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起
二极管的伏安特性曲线
开启电压
二极管的伏安特性曲线
理想化 伏安特 性曲线
二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时
3.1.1 二极管的开关特性
二、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。
3.1.2 三极管的开关特性
三极管的基本结构是两个反向连结的PN结面，可有 pnp和npn 两种组合。
三个接出来的端点依序称为发射极（emitter,E）、基 极（base,B）和集电极（collector,C）。
工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极 短暂的过渡状态。
三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线
1、截止状态
条件：发射结反偏 特点：电流约为0
开关等效Hale Waihona Puke Baidu路
2、饱和状态
条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅
三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时
7% 15% 20% 30% 15%
5% 8%
第三章 组合逻辑电路
组合电路： 当前输出仅和当前的输入有关
§3-1 二极管和三极管的开关特性 §3-2 数字集成器件简介 §3-3 常用组合逻辑模块 §3-4 组合电路分析 §3-5 组合电路设计 §3-6 险象与竞争 §3-7 小结
§3-1 二极管和三极管的开关特性
0V 0V 0.7V 导通 导通
0V 5V 0.7V 导通 截止
5V 0V 0.7V 截止 导通
5V 5V 5V 截止 截止
Y=AB
A
&
B
Y
二极管或门
A VD1
B VD2
AB
0
0
0
1
1
0
1
1
Y R
Y
0 1 1 1
uA uB
0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
uY
0V 4.3V 4.3V 4.3V
制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了 集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门 电路。
二极管与门
VD1 A
VD2 B
+VCC(+5V) R
Y
AB
Y
00
0
01
0
10
0
11
1
uA uB
uY
VD1 VD2
数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作 在开关状态。
导通状态：相当于开关闭合 截止状态：相当于开关断开。
逻辑变量←→两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1； 电子开关有两种状态：闭合、断开。
半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这 种电子开关的基本开关元件。
理想开关的开关特性：
ECL： 发射极偶合逻辑，速度更快。 系列：74系列、54系列、4000系列等。 命名：如SN74LS00。
SN：生产厂标，Texas公司；74：系列号； LS：生产工艺；00：功能号，2输入端与非门。
TTL电路
TTL：74系列 ( 0－70℃） 一般用于民用产品 54系列（－55－125 ℃） 一般用于军事用途
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。
3.1.1 二极管的开关特性
一、静态特性及开关等效电路 正向导通时 UD(ON)≈0.7V（硅） 0.3V（锗） RD≈几Ω ～几十Ω 相当于开关闭合
二极管的伏安特性曲线
反向截止时 反向饱和电流极小 反向电阻很大（约几百kΩ） 相当于开关断开
§3-2 数字集成器件简介
一、集成电路的生产工艺 二、集成电路的主要电气指标 三、逻辑电路的输出结构 四、 正逻辑和负逻辑 五、常用门电路及逻辑符号
一、集成电路的生产工艺
TTL：晶体管-晶体管逻辑 ，速度快。 (标准,S,LS,AS,ALS,F)
MOS：金属-氧化物-半导体逻辑，功耗低。 (PMOS,NMOS,CMOS) (HC,AHC,AC,HCT,ACT,AHCT,LV,LVC)
pnp与npn三极管的电路符号:
✓ 发射极特别被标出，箭号所指的极为n型半导体， 和二极体 的符号一致。
✓ 在没接外加偏压时，两个pn接面都会形成耗尽区，将中性 的p型区和n型区隔开。
D. Zhu 2012
3.1.2 三极管的开关特性
一、静态特性及开关等效电路 在数字电路中，三极管作为开关元件，主要
VD1 VD2 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通
Y=A+B
A
≥1
Y B
第三章 组合逻辑电路
组合电路： 当前输出仅和当前的输入有关
§3-1 二极管和三极管的开关特性 §3-2 数字集成器件简介 §3-3 常用组合逻辑模块 §3-4 组合电路分析 §3-5 组合电路设计 §3-6 险象与竞争 §3-7 小结
静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻
ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。
闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻 RON = 0，电压UAK = 0。
动态特性： 开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0
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。
朝永振一郎(1906-1979)
1965年因重整化理论获得诺贝尔物理学奖。
对于没有好奇心的学生，无论老师怎样在他 身上花费多少精力，也会徒劳无功。这是我 个人的感受。唯一的救星，就是人与生俱来 的好奇心。而且我觉得这是深深地根植于人 性里的一种倾向。
各知识单元的分数分配
第0章 引论 第一章 数制与编码 第二章 逻辑函数及其化简 第三章 组合逻辑电路 第四章 时序电路分析 第五章 同步时序电路设计 第六章 集成数/模和模/数转换器 第七章 可编程逻辑器件及其应用
门电路
用以实现基本逻辑运 算和复合逻辑运算的 单元电路。
Vcc
Vo Vi
获得高、低电平的基本原理
门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑
门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或 门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。
分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起
二极管的伏安特性曲线
开启电压
二极管的伏安特性曲线
理想化 伏安特 性曲线
二极管的开关等效电路 (a) 导通时 (b) 截止时
3.1.1 二极管的开关特性
二、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。
3.1.2 三极管的开关特性
三极管的基本结构是两个反向连结的PN结面，可有 pnp和npn 两种组合。
三个接出来的端点依序称为发射极（emitter,E）、基 极（base,B）和集电极（collector,C）。
工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极 短暂的过渡状态。
三极管的三种工作状态 （a）电路 （b）输出特性曲线
1、截止状态
条件：发射结反偏 特点：电流约为0
开关等效Hale Waihona Puke Baidu路
2、饱和状态
条件：发射结正偏，集电结正偏 特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅
三极管开关等效电路 (a) 截止时 (b) 饱和时
7% 15% 20% 30% 15%
5% 8%
第三章 组合逻辑电路
组合电路： 当前输出仅和当前的输入有关
§3-1 二极管和三极管的开关特性 §3-2 数字集成器件简介 §3-3 常用组合逻辑模块 §3-4 组合电路分析 §3-5 组合电路设计 §3-6 险象与竞争 §3-7 小结
§3-1 二极管和三极管的开关特性
0V 0V 0.7V 导通 导通
0V 5V 0.7V 导通 截止
5V 0V 0.7V 截止 导通
5V 5V 5V 截止 截止
Y=AB
A
&
B
Y
二极管或门
A VD1
B VD2
AB
0
0
0
1
1
0
1
1
Y R
Y
0 1 1 1
uA uB
0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V
uY
0V 4.3V 4.3V 4.3V