數(shù)字邏輯設計

第3章集成邏輯門電路學習目標：1.了解半導體二極管、三極管和CMOS管的開關特性及等效電路。2.了解TTL與非門的工作原理和主要性能指標。3.駕馭集電極開路門（OC門）、三態(tài)輸出門的邏輯功能、特點和用途。4.熟悉TTL與非門、CMOS邏輯門運用留意事項。2/23/202313.1概述集成邏輯門電路主要有TTL門電路和COMS門電路。TTL門由雙極型晶體管組成，CMOS門電路由單極型MOS管組成。TTL門電路的工作速度高，但功耗也較大，集成度不高；CMOS門電路功耗小，集成度高，但工作速度較低。2/23/20232各種門電路的輸入和輸出，只有高電平和低電平兩種不同的狀態(tài)。高電平和低電平都有確定的范圍。凹凸電平示意圖標準高電平USH常取3.6V；低電平USL常取0.3V。2/23/20233關于正邏輯和負邏輯的概念

正邏輯體系：用1表示高電平，用0表示低電平。負邏輯體系：用1表示低電平，用0表示高電平。1.正負邏輯的規(guī)定

2.正負邏輯的轉換對于同一個門電路，可以接受正邏輯，也可以接受負邏輯。本書若無特殊說明，一律接受正邏輯體制。同一個門電路，對正、負邏輯而言，其邏輯功能是不同的。2/23/202343.2半導體二極管和三極管的開關特性3.2.1二極管的開關特性

數(shù)字電路中的晶體二極管、三極管和MOS管工作在開關狀態(tài)。導通狀態(tài)：相當于開關閉合截止狀態(tài)：相當于開關斷開。

邏輯變量←→兩狀態(tài)開關：在邏輯代數(shù)中邏輯變量有兩種取值：0和1；電子開關有兩種狀態(tài)：閉合、斷開。2/23/20235

半導體二極管、三極管和MOS管，則是構成這種電子開關的基本開關元件。(1)靜態(tài)特性：斷開時，開關兩端的電壓不管多大，等效電阻ROFF=無窮，電流IOFF=0。閉合時，流過其中的電流不管多大，等效電阻RON=0，電壓UAK=0。志向開關的開關特性：2/23/20236客觀世界中，沒有志向開關。乒乓開關、繼電器、接觸器等的靜態(tài)特性特殊接近志向開關，但動態(tài)特性很差，無法滿足數(shù)字電路一秒鐘開關幾百萬次乃至數(shù)千萬次的須要。半導體二極管、三極管和MOS管做為開關運用時，其靜態(tài)特性不如機械開關，但動態(tài)特性很好。2/23/202371.靜態(tài)特性及開關等效電路正向導通時UD(ON)≈0.7V（硅）

0.3V（鍺）RD≈幾Ω～幾十Ω相當于開關閉合二極管的伏安特性曲線2/23/20238反向截止時反向飽和電流微小反向電阻很大（約幾百kΩ）相當于開關斷開二極管的伏安特性曲線2/23/202392.動態(tài)特性：二極管從截止變?yōu)閷ê蛷膶ㄗ優(yōu)榻刂苟柬氁_定的時間。通常后者所需的時間長得多。一般為納秒數(shù)量級。2/23/2023103.2.2三極管的開關特性

1.靜態(tài)特性及開關等效電路在數(shù)字電路中，三極管作為開關元件，主要工作在飽和和截止兩種開關狀態(tài)，放大區(qū)只是極短暫的過渡狀態(tài)。三極管的三種工作狀態(tài)（a）電路（b）輸出特性曲線2/23/202311開關等效電路(1)截止條件條件：放射結反偏特點：電流約為02/23/202312(2)飽和條件條件：放射結正偏，集電結正偏特點：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅2/23/202313三極管開關等效電路飽和時三極管的飽和條件：2/23/2023142.三極管的開關時間（動態(tài)特性）三極管的開關時間開啟時間ton

上升時間tr延遲時間td關閉時間toff下降時間tf存儲時間ts2/23/202315(1)開啟時間ton

三極管從截止到飽和所需的時間。

ton=td+tr

td：延遲時間

tr：上升時間(2)關閉時間toff

三極管從飽和到截止所需的時間。

toff=ts+tf

ts：存儲時間（幾個參數(shù)中最長的；飽和越深越長）tf：下降時間toff>ton

。開關時間一般在納秒數(shù)量級。高頻應用時需考慮。2/23/2023163.2.3MOS管的開關特性一般接受增加型MOS組成開關電路，并由柵源電壓uGS限制MOS管的截止或導通。截止狀態(tài)導通狀態(tài)NMOS管電路圖2/23/2023173.2.4抗飽和三極管它是在三極管基極和集電極之間并接一個肖特基二極管（簡稱SBD）構成的。肖特基二極管的正向壓降小，約為0.4V，簡潔導通，可分流三極管的一部分基極電流，使三極管工作在淺飽和狀態(tài)，從而大大縮短三極管的開關時間，提高工作速度。在集成電路中肖特基二極管和三極管制作在一起。2/23/202318

門電路的概念：實現(xiàn)基本和常用邏輯運算的電子電路，叫邏輯門電路。實現(xiàn)與運算的叫與門，實現(xiàn)或運算的叫或門，實現(xiàn)非運算的叫非門，也叫做反相器，等等。分立元件門電路和集成門電路:分立元件門電路：用分立的元件和導線連接起來構成的門電路。簡潔、經(jīng)濟、功耗低，負載差。集成門電路：把構成門電路的元器件和連線都制作在一塊半導體芯片上，再封裝起來，便構成了集成門電路?，F(xiàn)在運用最多的是CMOS和TTL集成門電路。3.3分立元件門電路2/23/2023193.3.1二極管與門電路

1.電路2.工作原理A、B為輸入信號（+5V或0V）Y

為輸出信號VCC＝+5V電路輸入與輸出電壓的關系ABY0V0V0V0V5V0V5V0V0V5V5V5V2/23/202320用邏輯1表示高電平（此例為≥+3.6V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0.3V）3.邏輯賦值并規(guī)定凹凸電平4.真值表ABY000010100111二極管與門的真值表A、B全1，Y才為1?？梢妼崿F(xiàn)了與邏輯ABY0V0V0V0V5V0V5V0V0V5V5V5V2/23/2023215.邏輯符號6.邏輯表達式Y＝AB&2/23/2023221.電路2.工作原理電路輸入與輸出電壓的關系A、B為輸入信號（+5V或0V）Y

為輸出信號ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3V3.3.2二極管或門電路2/23/2023234.真值表可見實現(xiàn)了或邏輯3.邏輯賦值并規(guī)定凹凸電平用邏輯1表示高電平（此例為≥+3.6V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0.3V）A、B有1，Y就1。二極管或門的真值表ABY000011101111ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3V2/23/2023245.邏輯符號6.邏輯表達式F＝A+B≥12/23/2023251.電路2.工作原理A、為輸入信號（+3.6V或0.3V）Y

為輸出信號1AY0.3V+VCC3.6V0.3V3.3.3三極管非門電路（反相器）2/23/2023263.邏輯賦值并規(guī)定凹凸電平用邏輯1表示高電平（此例為≥+3.6V）用邏輯0表示低電平（此例為≤0.3V）4.真值表三極管非門的真值表可見實現(xiàn)了非邏輯AY0.3V+VCC3.6V0.3VAY0110A與Y相反2/23/2023273.3.4組合邏輯門電路

1.與非門電路&2/23/202328二、或非門電路≥12/23/2023293.4.1

概述3.4.2

TTL與非門3.4TTL集成邏輯門電路3.4.6TTL集成邏輯門電路的運用留意事項3.4.5

其它系列的TTL門電路

3.4.3

TTL與非門的主要性能指標3.4.4

TTL與非門電路的改進2/23/2023303.4.1概述TTL集成邏輯門電路的輸入和輸出結構均接受半導體三極管，所以稱晶體管—晶體管邏輯門電路，簡稱TTL電路。TTL電路的基本環(huán)節(jié)是反相器。簡潔了解TTL反相器的電路及工作原理，重點駕馭其特性曲線和主要參數(shù)（應用所需學問）。2/23/202331輸入級中間級輸出級一、TTL與非門的工作原理1.電路組成2/23/202332(1)輸入級當輸入低電平常，uI=0.3V，放射結正向導通，uB1=1.0V當輸入高電平常，uI=3.6V，放射結受后級電路的影響將反向截止。uB1由后級電路確定。2/23/202333(2)中間級反相器V2實現(xiàn)非邏輯反相輸出同相輸出向后級供應反相與同相輸出。輸入高電壓時飽和輸入低電壓時截止2/23/202334(3)輸出級（推拉式輸出）V3、V4為復合管低輸入高輸入飽和截止低輸入高輸入截止導通2/23/2023352.邏輯功能1.當輸入A、B中有低電平UIL=0.3V時輸入級中間級輸出級1V2/23/202336輸入級中間級輸出級1V5V輸出高電平與非門處于關閉狀態(tài)2/23/202337輸入級中間級輸