数字逻辑基础逻辑门电路组合逻辑电路

三个PN结
T5
R3
导通需2.1V

+5V F
1. 任一输入为低电平（0.3V）时

R1
3k
R2

R4
A
B C
1V b1 c1 T1
T3 R5

T4

“0”
uo=5-uR2-ube3-ube43.4V 高电平！
+5V
F uo
2. 输入全为高电平（3.4V）时
电位被嵌
在2.1V R1
全反偏
“1” A
工作状态 条件
偏置情况
工
作 集电极电流
特
点
ce 间电压
ce 间等效电阻
截止 iB＝0 发射结反偏 集电结反偏 uBE<0，uBC<0 iC＝0
uCE＝VCC
很大， 相当开关断开
放大 0＜iB＜IBS 发射结正偏 集电结反偏 uBE>0，uBC<0 iC＝β iB uCE＝VCC－
iCRc
可变
饱和
iB＞IBS 发射结正偏 集电结正偏 uBE>0，uBC>0
B C
3k
b1 c1 T1


R2
1V

T3
T2
R5
R4

T4


全导通
T5
R3

+5V
截止 F
2. 输入全为高电平（3.4V）时
全反偏
“1” A
B C
R1 3k
b1 c1 T1
F ABC

R2
T2

R3
+5V
uF=0.3V F
T5
饱和
2.4.2 TTL与非门的特性和技术参数 一、电压传输特性
10
EE
A B
导通
R1 D
T1

R2


T3
T2
R5
截止

+5V
R4
高阻态
T4

F

R3
T5
截止
符号
A &F B
功能表
E 0 F AB
E 1 输出高阻
E
低电平起作用
符号
功能表
A &F B
E 1 F AB
E 0 输出高阻
E
高电平起作用
用途：三态门主要作为TTL电路与总线间 的接口电路
A
公
用 E1０ 总
E1、E2、E3轮流 接入高电平，将
B
线 不同数据（A、
E2１
B、C）分时送 至总线。
C ０
E3
TTL系列集成电路及主要参数
TTL系列集成电路
①74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型 电路与非门的平均传输时间tpd＝10ns，平均功耗P＝10mW。 ②74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路 与非门的平均传输时间tpd＝6ns，平均功耗P＝22mW。 ③74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电 路与非门的平均传输时间tpd＝3ns，平均功耗P＝19mW。
IOH IiH1 IiH 2
由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出端所 带门电路的个数，称为扇出系数。
一般与非门的扇出系数为10。
3. 输入端通过电阻R接地的情况
输入端 “1”,“0”？
A B C
R ui
R1 3k
b1 c1 T1


R2

T3
T2
R5
R4

T4


R3
T5

+5V F
2.4.1 TTL与非门的基本原理
TTL与非门的内部结构
R1
3k
A
b1 c1
B
T1
C
F ABC


R2

T3
T2
R5
R4

T4


R3
T5

+5V F
1. 任一输入为低电平（0.3V）时
不足以让 T2、T5导通
R1 3k
A
1V b1 c1
B
T1
C


R2

T3
T2
R5
R4

T4


“0”
教学要求
• 理解半导体器件的开关特性。 • 理解TTL与非门，OC门，TSL门电路的内部结
构及工作原理。 • 掌握TTL门电路的外部特性、参数和使用方法。 • 重点、难点： • TTL门电路的外部特性、参数和使用方法。 作业：P84 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.6
§ 2 逻辑门电路
门电路是用以实现逻辑关系的电 子电路，与我们所讲过的基本逻辑关 系相对应，门电路主要有：与门、或 门、与非门、或非门、异或门等。
在数字电路中，一般用高电平代 表1、低点平代表0，即所谓的正逻辑 系统。
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。
目录
第 一 章 数字逻辑基础 第 二 章 逻辑门电路 第 三 章 组合逻辑电路的分析与设计 第 四 章 常用组合逻辑功能器件 第 五 章 触发器 第 六 章 时序逻辑电路的分析与设计 第 七 章 常用时序逻辑功能器件 第 八 章 半导体存储器和可编程逻辑器件 第 九 章 脉冲波形的产生与变换 第 十 章 数模与模数转换器
+5V
&
ui
u0
测试电路
输出高电平
UOH (3.4V)
u0(V)
UOH
“1”
输出低电平
u0(V)
UOL
UOL (0.3V)
1
(0.3V)
2 3 ui(V)
1 2 3 ui(V)
阈值UT=1.4V
传输特性曲线
理想的传输特性
1. 输出高电平UOH、输出低电平UOL UOH2.4V UOL 0.4V 便认为合格。 典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。
e
②ui=0.3V时，因为uBE<0.5V， iB=0，三极管工作在截止状 态，ic=0。因为ic=0，所以输 出电压：
uo=VCC=5V
③ui＝3V时，三极管导通， ①ui=1V时，三极管导通，基极电流：基极电流：
iB

ui
uBE Rb
1 0.7 mA 10
0.03mA
三极管临界饱和时的基极电流：
uA
uB
uF
0V 0V -0.3V
0V 3V 2.7V
3V 0V 2.7V
3V 3V 2.7V
嵌位二极管
+12V +3V
（三极管的饱和压降
假设为0.3伏）
R1
A R2
D
F
uA
uF
3V 0.3
三极管非门
0V 3.3
+12V
A
D1
B
D2
+12V +3V
R1 R2
D
F
二极管与门
三极管非门
与非门
分立元件门电路的缺点
R较小时
A B C
R ui
R1
3k
b1 c1 T1


R2

T2
T3
R5

R3
R4

T4

T5
+5V F

ui

R R1
R
(5 Ube1)
4.3R 3 R
R较小时，ui<UT 相当输入低电平，所以 输出为高电平。
R增大
RuiuiUT时，输入变高，输出变 低电平。

R1
3k
R2
伏安特性
D
+
+
ui
RL uo
－
－
开关电路
D
D
+
ui=0V －
+ RL uuoo
－
+ +－
+
ui=5V 0.7V RL －
uu－oo
ui=0V 时的等效电路
ui＝0V时，二极管截止， 如同开关断开，uo＝0V。
ui=5V 时的等效电路 ui ＝ 5V 时 ， 二 极 管 导 通 ， 如 同0.7V的 电压源 ，uo＝4.3V。
3 0.7 iB 10 mA 0.23mA
而
I BS
ui
uCES
Rc
5 0.3 mA 50 1
0.094 mA
因为0<iB<IBS，三极管工作在放大
状态。iC=βiB=50×0.03=1.5mA，
输出电压：
IBS 0.094 mA
因为iB>IBS，三极管工作在 饱和状态。输出电压：
2. 阈值电压UT ui<UT时，认为ui是低电平。 ui>UT时，认为ui是高电平。
UT=1.4V
二、输入、输出负载特性 1. 前后级之间电流的联系
&？&
前级输出为 高电平时


+5V
+5V
R2
T3

R5
R4

T4

R1
反偏
T1
前级
前级流出 电流IOH （拉电流）
后级
前级输出为 低电平时
R1 3k
二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。
Vcc
只要能判断高 低电平即可
R
Vo
1
Vi
K
可用三极
0
管代替
K开------Vo=1, 输出高电平 K合------Vo=0, 输出低电平
2.2三极管的开关特性：
+Vcc
uA
R1
A R2
F
uF
+Vcc
t t
0.3V
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
逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。
获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件 的导通、截止（即开、关）两种工作状态。
2.1 二极管的开关特性 ＋ uD －
二极管符号： 正极
负极
U极i<管0.截5V止时，，iD二=0。IF iD(mA)
UBR
uD(V)
0
0.5 0.7
Ui>0.5V时， 二极管导通。
iC＝ICS uCE＝UCES＝
0.3V 很小， 相当开关闭合
+VCC Rc iC
Rb b
c
uo
ui
iB
e
iB(μ A)
iC (mA) 直流负载线
80μ A
VCC Q2 Rc
饱 和 区
放
Q
大
60μ A 40μ A 20μ A
区
Q1 iB=0
0 0.5 uBE(V)
0 UCES
VCC uCE(V)
工作原理电路
50% t tpd2
传输时间一 般为纳秒数 量级
§ 2.4.3 其它类型的TTL门电路
一、 集电极开路的与非门（OC门）
R1

+5V
A B
3k
b1 c1 T1
R2
T3
T4
无T3,T4
T2

F
C

T5
R3
集电极悬空

符号
应用时输出端要接一上拉负载电阻RL
VCC UOLmax ≤R≤ VCC UOH min

+5V
R4
A
B C
b1 c1 T1

T3
T2
R5

T4

F
R
ui 1.4(V) 4.3R
3 R

R3
T5
R临界=1.45K
1. 悬空的输入端相当于接高电平。
2. 为了防止干扰，可将悬空的输入 端接高电平。
4. 平均传输时间
ui
o uo
o tpd1
50% t
平均传输时间
1 t pd 2 (t pd1 t pd 2 )
1. 体积大、工作不可靠。 2. 需要不同电源。 3. 各种门的输入、输出电平不匹配。
§ 2.4 TTL集成门电路
与分立元件电路相比，集成电路具 有体积小、可靠性高、速度快的特点， 而且输入、输出电平匹配，所以早已广 泛采用。根据电路内部的结构，可分为 DTL、TTL、HTL、MOS管集成门电 路等。
输入特性曲线
输出特性曲线 截止区
截止状态
+VCC
＋
Rb b c Rc
＋
ui=UIL<0.5V
uo=+VCC
－
e
－
饱和状态
+VCC
＋
Rb b c Rc ＋＋
＋
ui=UIH
iB≥IBS
0.7V
－
－ e
uo=0.3V －0.3V －
ui
Rc
1kΩ
Rb b
+VCC=+5V iC
c
uo
β =50
10kΩ iB
含义
输入为低电平时流入输 入端的电流-1 .4mA。 输入为高电平时流入输 入端的电流几十μ A。
当 IOL> IOL(max)时，输出 不再是低电平。
当 IOH >IOH(max)时，输出 不再是高电平。
2. 扇出系数N0 与门电路输出驱动同类门的个数 前级输出为 高电平时 例如：


+5V
R2
2. 一般的TTL与非门能否线与？ 参考：教材P51倒数第六行，
杨福生《电子技术》P320
二、 三态门
EE
R1 D
A
T1
B
E---控制端


R2


T3
T2
R5
R4

T4


T5
R3
+5V F
01
EE
A B
截止
R1 D
T1

R2


T3
T2
R5

R4

T4

F AB

T5
R3
+5V F
IOL mI IL
nIOH mI IH
R1

+5V UCC
A B
3k
R2
b1 c1 T1
T2
RL

F
C

T5
R3

1. OC门可以实现“线与”功能
UCC
RL
&

F
F1
&

F2
输出级
UCC
RL

T5 F

T5
&
T5
F3
F=F1F2F3
F=F1F2F3?
UCC RL

F1 F

F2
F3
F=0 任一导通
R4

T3
IiH1
T1
T4
IiH2
R5


T1
前级
IOH IiH3
T1
前级输出为 低电平时
R1 3k
b1 c1 T1
+5V
R2
T2
IiL1
IOL IiL2

前级

R3
T5
IiL3

输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：
IOL IiL1 IiL2
NOL

IOL I IL
输出高电平时，前级流出的电流（拉电流）：
uo=uCE=UCC-iCRc=5-1.5×1=3.5V
uo＝UCES＝0.3V
§ 2.3 分立元件门电路
+12V
设二极管的饱和压降 为0.3伏。
A
D1
F
B
源自文库
D2
二极管与门
uA
uB
uF
0V 0V 0.3V
0V 3V 0.3V
3V 0V 0.3V
3V 3V 3.3V
A D1
F
B D2
-12V
二极管或门
F=F1F2F3?
所以： F=F1F2F3
UCC RL

F1 F

F2
F3
F=1 全部截止
2. 负载电阻RL和电源 UCC可以根据情况选 择 如RL用继电器线圈（J）替代，可以 实现对其它电路的控制。 +30V
J
220V
&
J
1. 如何确定上拉电阻RL?（RL(max) RL(min)） 参考：教材P52和P53，阎石《数字电子 技术基础》P80
b1 c1 T1
+5V 流入前级的电
R2
流IOL 约 1.4mA
(灌电流)
T2

T5
前级
R3

+5V
R1
T1 后级
灌电流的计算
饱和
IOL

5

T5压降
T1的be结压降 R1

5

0.3 0.7 3
1.4mA
关于电流的技术参数
名称及符号 输入低电平电流 IiL 输入高电平电流 IiH IOL 及其极限 IOL（max） IOH 及其极限 IOH (max)