第3章：逻辑门电路课件.ppt

数字逻辑电路使用教材数字电子技术基础清华大学出版社出版伍时和、吴友宇等编写主讲：伍时和1/1/20232数字逻辑电路数字电子技术基础第第3章章 逻辑门电路逻辑门电路3.1 分立元件门电路分立元件门电路3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门3.3 发射极耦合逻辑门（发射极耦合逻辑门（ECL）3.4 MOS逻辑门逻辑门3.5 74系列和系列和4000系列逻辑门电路的使用系列逻辑门电路的使用 1/1/20233数字逻辑电路主要内容主要内容 逻辑门电路是实现逻辑函数运算的硬件电路结构，并利用电逻辑门电路是实现逻辑函数运算的硬件电路结构，并利用电路的输入和输出电平关系确定电路可以实现何种逻辑运算，通常路的输入和输出电平关系确定电路可以实现何种逻辑运算，通常采用正逻辑赋值，将电路的高电平赋值采用正逻辑赋值，将电路的高电平赋值1，低电平赋值，低电平赋值0，并用输，并用输入信号表示逻辑运算的自变量，用电路的输出信号表示逻辑函数入信号表示逻辑运算的自变量，用电路的输出信号表示逻辑函数运算的因变量。运算的因变量。门电路的基本的电路元件是二极管、三极管（单极或双极型）门电路的基本的电路元件是二极管、三极管（单极或双极型）及电阻等。及电阻等。二极管与门、或门电路，三极管非门电路的工作原理。二极管与门、或门电路，三极管非门电路的工作原理。TTL门电路、门电路、CMOS门电路的电路结构和原理，以及使用中的注意事门电路的电路结构和原理，以及使用中的注意事项等。项等。集电极开路门、传输门、三态输出门等。了解电路的输入特性集电极开路门、传输门、三态输出门等。了解电路的输入特性和输出特性。和输出特性。3.1 分立元件门电路分立元件门电路3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性 二极管的二极管的V安特性可以用下述指数表达式近似的表示。安特性可以用下述指数表达式近似的表示。ID=IDS(eVd/VT-1)其中其中Vd 为二极管（为二极管（PN结）的外加电压；结）的外加电压；VT=KT/q=1.3810-23/1.60210-19，在，在T=300 时，时，VT=25.8mV=26mV,K波尔兹曼常数波尔兹曼常数=1.3810-23 库库V，q电子电荷量电子电荷量=1.60210-19 库，库，T绝对温度绝对温度=2730C+t0C。1/1/20235数字逻辑电路 由二极管的由二极管的V安特性可以看出，若二极管外加正向电压，且安特性可以看出，若二极管外加正向电压，且超过二极管的正向开启电压超过二极管的正向开启电压Vth，二极管正向导通，流经二极管的，二极管正向导通，流经二极管的电流较大，其正向电压降维持在电流较大，其正向电压降维持在0.50.7V之间，若将二极管作为之间，若将二极管作为一个开关元件，相当于开关闭合。若二极管外加反向电压，且不一个开关元件，相当于开关闭合。若二极管外加反向电压，且不超过超过VBR，或小于，或小于Vth的正向电压，流过二极管的电流很小，外加的正向电压，流过二极管的电流很小，外加电压基本上等于二极管两端的电压值，此时相当于开关断开。电压基本上等于二极管两端的电压值，此时相当于开关断开。如果将如果将E改为电路的输入信号电压改为电路的输入信号电压Vi，而且为高电平，而且为高电平VH（比（比Vth大几倍以上）和低电平大几倍以上）和低电平VL（小于（小于Vth）的脉冲电压信号，二极）的脉冲电压信号，二极管可以当成理想的开关元件，管可以当成理想的开关元件，Vi为高电平为高电平VH时，二极管导通，时，二极管导通，Vi为低电平为低电平VL时，二极管处于完全截止状态。时，二极管处于完全截止状态。二极管从反向截止到正向导通，或者从正向导通到反向截止，二极管从反向截止到正向导通，或者从正向导通到反向截止，其时间是很短的，若工作电压的频率不高，这种转换过程所需要其时间是很短的，若工作电压的频率不高，这种转换过程所需要的时间完全可以忽略不计。如果输入信号的频率很高时，脉冲周的时间完全可以忽略不计。如果输入信号的频率很高时，脉冲周期到达期到达s，ns级，就得考虑其影响了。级，就得考虑其影响了。3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性1/1/20236数字逻辑电路2二极管的开关特性二极管的开关特性 1)二极管的正向导通二极管的正向导通 二极管从反向截止转为正向导通过程所需要的时间称为正二极管从反向截止转为正向导通过程所需要的时间称为正向开通时间。这个时间与反向的恢复时间相比较是很小的。在向开通时间。这个时间与反向的恢复时间相比较是很小的。在反向电压的作用下，势垒区变厚，存在一定的电荷积累，这部反向电压的作用下，势垒区变厚，存在一定的电荷积累，这部分积累的电荷为分积累的电荷为PN结两边的掺杂离子的复合电荷，与正向导结两边的掺杂离子的复合电荷，与正向导通的电荷积累相比要小得多。外加反向电压转为正向电压时，通的电荷积累相比要小得多。外加反向电压转为正向电压时，这部分电荷很快被外加的正向电源拉走，使这部分电荷很快被外加的正向电源拉走，使PN结变窄（薄）。结变窄（薄）。正向导通时，正向导通时，PN结的正向电压很小，正向电阻很小，且为多结的正向电压很小，正向电阻很小，且为多数载流子形成电流，故此电流上升很快，所以正向开通时间很数载流子形成电流，故此电流上升很快，所以正向开通时间很短，与反向恢复时间相比可以忽略不计。短，与反向恢复时间相比可以忽略不计。3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性1/1/20237数字逻辑电路2)二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程。当输入信号电压为高电平当输入信号电压为高电平VH时，二极管正向导通，时，二极管正向导通，P区接输入信号区接输入信号的高电位端，的高电位端，N区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散电流。由于电流。由于VHVDON(二极管正向导通电压降二极管正向导通电压降)，所以流过二极管，所以流过二极管的正向电流的正向电流IP为：为：。3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性1/1/20238数字逻辑电路2)二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程二极管从正向导通到截止有一个反向恢复过程。当输入信号电压为高电平当输入信号电压为高电平VH突变为低电平突变为低电平VL（其值为负（其值为负VH）时，二极管由正向导通突然加上反向电压，理想的情况下时，二极管由正向导通突然加上反向电压，理想的情况下ID0，但，但实际上存在一个恢复过程，开始，反向电流实际上存在一个恢复过程，开始，反向电流IR为：为：式中式中VD为外加电压突变瞬间为外加电压突变瞬间二极管二极管PN结的电压降，约为结的电压降，约为 0.7V。3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性1/1/20239数字逻辑电路 维持维持IR=VL/R这一过程所用的时间这一过程所用的时间ts称为存储时间，然后才逐称为存储时间，然后才逐步下降到步下降到0.1IR。规定此时才进入反向截止状态。反向电流从。规定此时才进入反向截止状态。反向电流从IR=VL/R下降到下降到0.1IR 所用的时间称为反向度越时间所用的时间称为反向度越时间tr。tf=ts+tr称称为反向恢复时间。反向恢复时间一般在几个纳秒以下，长短与二为反向恢复时间。反向恢复时间一般在几个纳秒以下，长短与二极管的扩散电容及电阻极管的扩散电容及电阻R的大小有关。的大小有关。3产生反向恢复过程的产生反向恢复过程的原因原因-电荷存储效应电荷存储效应3.1.1 二极管开关特性二极管开关特性1/1/202310数字逻辑电路3.1 分立元件门电路分立元件门电路 当输入信号电压为高电平当输入信号电压为高电平VH，P区接输入信号的高电位端，区接输入信号的高电位端，N区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散电流二极管正区接输入信号的低电位端，形成多数载流子的扩散电流二极管正向导通。扩散到向导通。扩散到P区的自由电子和扩散到区的自由电子和扩散到N区的空穴这些多数载流区的空穴这些多数载流子在这两个区域并不是均匀分布的，而是形成靠近子在这两个区域并不是均匀分布的，而是形成靠近PN结附近浓度结附近浓度大，靠外接电极处浓度小的梯度分布。而且势垒区变窄，大，靠外接电极处浓度小的梯度分布。而且势垒区变窄，PN结存结存在一定的载流子存储。这是因为载流子跨越在一定的载流子存储。这是因为载流子跨越PN结到达相应电极时结到达相应电极时需要一定的运动时间。二极管正向导通时，需要一定的运动时间。二极管正向导通时，P区和区和N区的非平衡载区的非平衡载流子的积累现象称为电荷存储效应流子的积累现象称为电荷存储效应。当输入信号电压由高电平当输入信号电压由高电平VH突变为低电平突变为低电平VL，P区接输入信号的低电位端，区接输入信号的低电位端，N区接输入信号的高电位端，在突变的瞬间，正向时扩散到区接输入信号的高电位端，在突变的瞬间，正向时扩散到P区的自由电子和扩区的自由电子和扩散到散到N区的空穴这些多数载流子形成，多数载流子由于电荷存储效应尚有一部分区的空穴这些多数载流子形成，多数载流子由于电荷存储效应尚有一部分未达到外部连接电极。电荷存储效应积累非平衡载流子将形成反向漂移电流，未达到外部连接电极。电荷存储效应积累非平衡载流子将形成反向漂移电流，即即N区积累的空穴向区积累的空穴向P区漂移，区漂移，P区积累的自由电子向区积累的自由电子向N区漂移，在这部分积累的区漂移，在这部分积累的电荷消失之前，电荷消失之前，PN结也来不及变厚；这样结也来不及变厚；这样PN结基本保留正向导通时基本相同数结基本保留正向导通时基本相同数量级的反向电压降，所以二极管维持反向电流量级的反向电压降，所以二极管维持反向电流IR=VL/R，直到，直到PN结两边积累非结两边积累非平衡载流子基本消失，这一过程才开始结束；此后信号源向平衡载流子基本消失，这一过程才开始结束；此后信号源向PN结补充空穴（结补充空穴（N区一侧）和电子（区一侧）和电子（P区一侧），电流也逐步下降，直到最终二极管截止，整个过区一侧），电流也逐步下降，直到最终二极管截止，整个过程结束。程结束。1/1/202311数字逻辑电路3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性1.双极型三极管（双极型三极管（Bipolar junction Transistor，BJT）的结构）的结构 双极型三极管的基本结构以平面扩散型为主，即在一块单晶双极型三极管的基本结构以平面扩散型为主，即在一块单晶半导体上通过扩散掺杂半导体上通过扩散掺杂外延外延扩散掺杂扩散掺杂外延外延再扩散掺杂再扩散掺杂等工艺先后生产等工艺先后生产3层层NPN型半导体或型半导体或PNP型半导体，每层引出相型半导体，每层引出相应的连接电极，然后封装，就构成一个三极管。三层半导体按应的连接电极，然后封装，就构成一个三极管。三层半导体按N、P、N型先后排布的，称为型先后排布的，称为NPN型三极管；型三极管；三层半导体按三层半导体按P、N、P型先后排布的，称为型先后排布的，称为PNP型三极管。掺杂的浓度和每层的厚薄、型三极管。掺杂的浓度和每层的厚薄、层间的交界面都不相同，这些均由生产过程中进行严格控制层间的交界面都不相同，这些均由生产过程中进行严格控制。1/1/202312数字逻辑电路2.双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏安特性3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性输入特性：输入特性：是指基是指基极电流和基极、发极电流和基极、发射极之间电压的大射极之间电压的大小关系；小关系；输出特性：输出特性：是指集电极电流和是指集电极电流和集电极、发射极之集电极、发射极之间的电压大小关系。间的电压大小关系。输入特性：输入特性：形状与二极管的正向特性基本相同。当基极与发射极之间外加形状与二极管的正向特性基本相同。当基极与发射极之间外加电压电压VBE低于其正向开启电压低于其正向开启电压Vth时，基极电流很小，可以认为接近于时，基极电流很小，可以认为接近于0，这种情，这种情况下，三极管处于截止工作状态；而当基极与发射极之间外加电压高于其正向况下，三极管处于截止工作状态；而当基极与发射极之间外加电压高于其正向开启电压开启电压Vth时，三极管的基极电流随时，三极管的基极电流随VBE的上升而快速上升。而且基极与发射的上升而快速上升。而且基极与发射极之间的电压一般不超过极之间的电压一般不超过0.7V（硅材料管），处于开关工作状态的三极管，这（硅材料管），处于开关工作状态的三极管，这一电压称为导通电压，并用一电压称为导通电压，并用VON表示。若表示。若VBE在在VthVON之间变化，基极电流的之间变化，基极电流的变化量与变化量与VBE的变化量具有接近于线性变化的关系，这一范围内，三极管可以的变化量具有接近于线性变化的关系，这一范围内，三极管可以工作于放大状态或饱和状态。工作于放大状态或饱和状态。1/1/202313数字逻辑电路2.双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏安特性输出特性输出特性3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性 图中直流负载线是指在直流电源电压的作用下，图中直流负载线是指在直流电源电压的作用下，IC与与VCE之间之间的变化关系。从图中可以看出，输出特性可以分成的变化关系。从图中可以看出，输出特性可以分成3个工作区。个工作区。1/1/202314数字逻辑电路3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性2.双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏安特性输出特性输出特性（1）截止工作区：）截止工作区：IB为为0以下的工作区，这一区域，以下的工作区，这一区域，IC很很小，且等于小，且等于ICEO，大小在，大小在1A以下，以下，VCE接近于电源电压接近于电源电压VCC。根。根据三极管的输入特性，此时据三极管的输入特性，此时VBE应低于其正向开启电压应低于其正向开启电压Vth，即就，即就是双极型三极管的发射结外加反向电压（称为反偏）或外加正向是双极型三极管的发射结外加反向电压（称为反偏）或外加正向电压但小于电压但小于Vth的状态。而此时由于的状态。而此时由于VCE接近于电源电压接近于电源电压VCC，集，集电极电位高于基极电位（电极电位高于基极电位（NPN型管），所以型管），所以“集电结集电结”外加反外加反向电压（称为反偏）状态。向电压（称为反偏）状态。（2）放大工作区：）放大工作区：IC随随IB正比增加的工作区域。在这一正比增加的工作区域。在这一工作区，工作区，VBE在大于在大于Vth和接近和接近VON之间变化，之间变化，ICIB，VCE对对IC影影响很小。三极管的发射结外加电压处于正向（正偏）状态。而此响很小。三极管的发射结外加电压处于正向（正偏）状态。而此时由于时由于VCE小于电源电压小于电源电压VCC，但集电极电位还是高于基极电位，但集电极电位还是高于基极电位（NPN型管），所以型管），所以“集电结集电结”外加反向电压（反偏）状态。外加反向电压（反偏）状态。1/1/202315数字逻辑电路3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性2.双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏安特性输出特性输出特性（3）饱和工作区：）饱和工作区：IC不随不随IB正比增加的工作区域。在这正比增加的工作区域。在这一工作区，一工作区，VBE在大于或等于在大于或等于VON之间的范围变化，之间的范围变化，ICIB，而，而是等于集电极的饱和电流是等于集电极的饱和电流ICS，ICS(VCCVCES)/RC，VCE较小，较小，并称其为饱和电压降并称其为饱和电压降VCES，且对，且对IC影响较大。此时，三极管的发影响较大。此时，三极管的发射结外加电压处于正向（正偏）状态射结外加电压处于正向（正偏）状态VBE=0.7V。而此时由于。而此时由于VCE很小，在很小，在0.3V以下（硅管），使集电极电位还是低于基极电位以下（硅管），使集电极电位还是低于基极电位（NPN型管），所以型管），所以“集电结集电结”外加正向电压（正偏）状态。外加正向电压（正偏）状态。处于开关工作状态的双极型三极管，稳定时，将工作于截止处于开关工作状态的双极型三极管，稳定时，将工作于截止状态，或者饱和状态；只是在从饱和状态突变到截止状态的过程状态，或者饱和状态；只是在从饱和状态突变到截止状态的过程中，或从截止状态突变到饱和状态的过程中，中间一定会经历一中，或从截止状态突变到饱和状态的过程中，中间一定会经历一段放大工作状态变化过程段放大工作状态变化过程。1/1/202316数字逻辑电路3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性2.双极型三极管的伏安特性双极型三极管的伏安特性输出特性输出特性双极型三极管的三种工作状态及其特点。双极型三极管的三种工作状态及其特点。1/1/202317数字逻辑电路3.1.2 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性必定使必定使VBEVT时，形成感应导电沟道时，形成感应导电沟道,iD0P P型衬底引线型衬底引线V VGSGS 漏极、源极之间加一正向漏极、源极之间加一正向电压电压VGS（注意衬底与源极也（注意衬底与源极也短接在一起）且短接在一起）且VGS0时，时，漏极、源极之间的通道将形漏极、源极之间的通道将形成感应导电沟道，即连接漏成感应导电沟道，即连接漏极、源极之间的极、源极之间的P型衬底区产型衬底区产生感应导电粒子生感应导电粒子自由电自由电子，这样，漏极、源极与子，这样，漏极、源极与P型型衬底区之间的连接形成由自衬底区之间的连接形成由自由电子构成的导电通道连接，由电子构成的导电通道连接，VDS为正，且不断增加变化时，为正，且不断增加变化时，源极与源极与P型衬底区之间的形成型衬底区之间的形成的的PN结，处于正向偏置状态；结，处于正向偏置状态；(2)VGSVT 的工作状态的工作状态1.MOS管的结构及工作原理管的结构及工作原理漏极与漏极与P型衬底区之间的形成的型衬底区之间的形成的PN结，处于反向偏置状态，这样将把结，处于反向偏置状态，这样将把导电沟道的自由电子拉入漏极区而导电沟道的自由电子拉入漏极区而形成漏极电流，源极区将不断地向形成漏极电流，源极区将不断地向沟道补充被拉走的自由电子而形成沟道补充被拉走的自由电子而形成源极电流，从而形成源极电流，从而形成Ids。1/1/202328数字逻辑电路3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性IDSVDSN型感生导电沟道型感生导电沟道sgd栅极栅极漏极漏极源极源极P型衬底型衬底PN耗尽层耗尽层N+N+N+N+（c c）N沟道沟道MOSFETMOSFET管基本工作原理示以图管基本工作原理示以图VDS较小时，形成感应导电沟道较小时，形成感应导电沟道,iD很快增加很快增加P型衬底引线型衬底引线VGS 若若VGS保持一定不变，保持一定不变，导电沟道的宽度或载流子导电沟道的宽度或载流子浓度也将保持一定，这样浓度也将保持一定，这样VDS从较小向较大变化时，从较小向较大变化时，IDS将随将随VDS的上升而接近的上升而接近于线性的增加，导电沟道于线性的增加，导电沟道的形状也将从方形向锲形的形状也将从方形向锲形变化。变化。(4)VDS足够大足够大 的工作状的工作状态态1.MOS管的结构及工作原理管的结构及工作原理IDSVDSN型感生导电沟道型感生导电沟道sgd d栅极栅极漏极漏极源极源极P型衬底型衬底PN耗尽层耗尽层N+N+N+N+(d)d)N沟道沟道MOSFETMOSFET管基本工作原理示以图管基本工作原理示以图VDS增大时，感应导电沟道顶夹断增大时，感应导电沟道顶夹断,iD达到饱和达到饱和P P型衬底引线型衬底引线VGS 若若VDS足够大，最后形足够大，最后形成顶部夹断状态，成顶部夹断状态，Ids也达也达到饱和状态。到饱和状态。(3)VDS较小较小 的工作状态的工作状态1/1/202329数字逻辑电路3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 若若VGS增大，导电沟道的宽度或载流子浓度也将随之增宽和增大，导电沟道的宽度或载流子浓度也将随之增宽和加大，加大，IDS达到饱和状态的值也将随之而增大，这体现达到饱和状态的值也将随之而增大，这体现VGS对对Ids的控制作用。的控制作用。规定漏极、源极之间施加不大的规定漏极、源极之间施加不大的VDS，若，若VGS从零开始增加，从零开始增加，刚刚产生较小的刚刚产生较小的IDS时，漏极、源极之间加的电压称为开启电压，时，漏极、源极之间加的电压称为开启电压，用用VT表示。表示。MOS管出现顶部夹断的时候：管出现顶部夹断的时候：VGD=VGSVDS=VT。对于对于P型沟道增强型型沟道增强型MOS管，除了栅极、源极之间外加电压管，除了栅极、源极之间外加电压VGS，漏极、源极之间外加，漏极、源极之间外加VDS应为负值外，其他与应为负值外，其他与N沟道增强沟道增强型相似。型相似。1/1/202330数字逻辑电路3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性2.特性曲线特性曲线 10 43VGS(V)IDS(mA)增强型增强型N型沟道型沟道MOSFET管的转移特性管的转移特性VT 3 32 21 14 4VDS=10V 10V10V顶夹断顶夹断点点区区区区4 8 20 24 12 16 区区4 41 1iDS(mA(mA)VDS(V)(V)vGS=5V5VvGS=3V=3VvGS=2V=2V2 2增强型增强型N N型沟道型沟道MOSFETMOSFET管的输出特性管的输出特性I区为截止工作区，在这一工作区，区为截止工作区，在这一工作区，VGS小于开启电压小于开启电压VT，IGS很很小接近于小接近于0 II区为恒流区，类似于双极型三极管的放大区，区为恒流区，类似于双极型三极管的放大区，VGS大于开启电压大于开启电压VT，IGS的动态变化量与的动态变化量与VGS的动态变化量接近于正比关系，而且的动态变化量接近于正比关系，而且受受VDS影响很小。影响很小。1/1/202331数字逻辑电路3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性III区为可变电阻工作区，类似于双极型三极管的饱和工作区，区为可变电阻工作区，类似于双极型三极管的饱和工作区，VGS大于开启电压大于开启电压VT，且较高，且较高，IGS的动态变化量与的动态变化量与VGS的动态变的动态变化量不成正比关系，而且随化量不成正比关系，而且随VDS的增加而快速增加。在这一工作的增加而快速增加。在这一工作区，漏极、源极之间的导通电阻区，漏极、源极之间的导通电阻RON受受VGS大小的影响，随大小的影响，随VGS的的增加而降低增加而降低。VGD=VGSVDS=VT增强型增强型P型沟道型沟道MOSFET管的转移特性管的转移特性IDS(mA)-1 0-4-3 VGS(V)VT-3-3-2-2-1-1-4-4VDS=10V 增强型增强型P P型沟道型沟道MOSFETMOSFET管的输出特性管的输出特性-10V-10V顶夹断顶夹断点点区区区区-4-8-20-24-12-16 区区iDS(mA(mA)VDS(V)(V)vGS=-5V5VvGS=-3V=-3VvGS=-2V=-2V-4-4-1-1-5-5-2-2-4-40 0增强型增强型P沟道沟道MOS管的特性曲线如下。管的特性曲线如下。1/1/202332数字逻辑电路3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性3.MOS管的脉冲开关工作电路管的脉冲开关工作电路单管反相电路单管反相电路VOdsgVi+VDDTRD 用增强型用增强型MOS管组成的两种脉冲信号工作电路形式如图所示。管组成的两种脉冲信号工作电路形式如图所示。当输入信号当输入信号ViViH时，时，MOS管导通，电路的输出电压为管导通，电路的输出电压为MOS管管导通电阻导通电阻RON和漏极端外接电阻和漏极端外接电阻RD的分压比。导通电阻的分压比。导通电阻RON一般一般小于小于1K，漏极端外接电阻，漏极端外接电阻RD一般在一般在10 K以上，所以输出电压以上，所以输出电压在在0.1VDD以下，定义为输出低电平电压以下，定义为输出低电平电压VOL。此时。此时MOS管的漏极、管的漏极、源极之间连接，相当于具有较小接触电阻开关的源极之间连接，相当于具有较小接触电阻开关的“闭合闭合”。单管反相电路的工作原理单管反相电路的工作原理 当输入信号当输入信号ViViL时，这一电压一时，这一电压一般都要求低于般都要求低于MOS管的开启电压管的开启电压Vth，MOS管截止，管截止，MOS管漏极电流管漏极电流Ids0，外接电阻外接电阻RD的电压降接近于的电压降接近于0。所以输出。所以输出电压接小于且近似于电压接小于且近似于VDD，定义为输出高，定义为输出高电平电压电平电压VOH。此时。此时MOS管的漏极、源极管的漏极、源极之间连接，相当于开关的断开。之间连接，相当于开关的断开。1/1/202333数字逻辑电路3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性 当输入信号当输入信号ViViH时，时，T1管导通，管导通，T2管截止，电路的输出电管截止，电路的输出电压为压为T1管导通电阻管导通电阻RON1，与，与T2管截止电阻管截止电阻ROF2的分压比。由于导的分压比。由于导通电阻比截止电阻小得多，故输出为低电平通电阻比截止电阻小得多，故输出为低电平VOL。但此时由于。但此时由于T2管处于截止状态管处于截止状态Ids20，而，而T1管和管和T2管的漏极、源极之间为串联管的漏极、源极之间为串联连接，故连接，故Ids10。Vi互补对称电路互补对称电路VOd1s1g1+VDDd2s2g2T1T2 当输入信号当输入信号ViViL时，这一电压一时，这一电压一般都要求低于般都要求低于T1管的开启电压管的开启电压Vth，T1管截管截止，止，T2管的管的VGS=(VDDViL)低于其开启电低于其开启电压，压，T2管导通，电路的输出电压为管导通，电路的输出电压为T2管导通管导通电阻电阻RON2，与，与T1管截止电阻管截止电阻ROF1的分压比。的分压比。由于导通电阻比截止电阻小得多，故输出为由于导通电阻比截止电阻小得多，故输出为高电平高电平VOH。但此时由于。但此时由于T1管处于截止状态管处于截止状态Ids10，而，而T1管和管和T2管的漏极、源极之间为管的漏极、源极之间为串联连接，故串联连接，故Ids20。互补对称电路的工作原理互补对称电路的工作原理空载损耗是很小的，是这种电路结构的特点之一空载损耗是很小的，是这种电路结构的特点之一。1/1/202334数字逻辑电路3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性4.MOS管的脉冲开关工作的等效电路管的脉冲开关工作的等效电路VOdgVi输入低电平等效电路输入低电平等效电路sCi+VDDRDViVOdsgCi+VDDRDRON输入高电平等效电路输入高电平等效电路图中输入电容图中输入电容Ci代表栅极的输入电容，代表栅极的输入电容，其值为几个微微法，其大小会影响其值为几个微微法，其大小会影响MOS管的脉冲工作速度。管的脉冲工作速度。RON代表增代表增强型强型MOS管的导电沟的导通电阻管的导电沟的导通电阻（工作在可变电阻区），一般较小，（工作在可变电阻区），一般较小，在在1K以下，以下，VGS绝对值越大，绝对值越大，RON越小。当输入低电平时，越小。当输入低电平时，MOS管截管截止，止，d（漏极）与（漏极）与s（源极）之间具有（源极）之间具有较大的截止电阻较大的截止电阻ROF，相当于开关的，相当于开关的断开。断开。当输入高电平时，当输入高电平时，MOS管导通，管导通，d（漏极）与（漏极）与s（源极）之间具有较小（源极）之间具有较小的导通电阻的导通电阻RON。单管反相电路的等效工作电路单管反相电路的等效工作电路1/1/202335数字逻辑电路3.1.3 MOS管的开关特性管的开关特性互补对称反相电路的等效工作电路互补对称反相电路的等效工作电路Vi输入高电平等效电路输入高电平等效电路VOd1s1g1Ci+VDDd2s2g2RON1ViVOd1s1g1Ci+VDDd2s2g2输入低电平等效电路输入低电平等效电路RON2 图中图中Ci为增强型为增强型N沟道沟道MOS管的栅极管的栅极输入电容，输入电容，C2为增强型为增强型P沟道沟道MOS管的管的栅极输入电容，在对称的情况下，两者栅极输入电容，在对称的情况下，两者大小基本相同。大小基本相同。RON1为增强型为增强型N沟道沟道MOS管的栅极输入电容，管的栅极输入电容，RON2为增强型为增强型P沟道沟道MOS管的栅极输入电容，在对称管的栅极输入电容，在对称的情况下，两者大小基本相同。的情况下，两者大小基本相同。当输入低电平时，当输入低电平时，N沟道沟道MOS管截管截止，止，P沟道沟道MOS管导通。管导通。当输入高电平时，当输入高电平时，N沟道沟道MOS管导通，管导通，P沟道沟道MOS管截止。管截止。1/1/202336数字逻辑电路3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路1.二极管与门电路（二极管与门电路（Diode logic AND gate）用二极管、双极型三极管、用二极管、双极型三极管、MOS管组成逻辑运算电路时，电管组成逻辑运算电路时，电路的输入和输出信号均以脉冲电压信号形式表示。根据脉冲电压路的输入和输出信号均以脉冲电压信号形式表示。根据脉冲电压信号的高低变化，电压上升达到某一数值时，如信号的高低变化，电压上升达到某一数值时，如+VH，定义为脉，定义为脉冲信号的高电平（冲信号的高电平（high level）；电压下降达到某一数值时，如）；电压下降达到某一数值时，如+VL，定义为信号的低电平，定义为信号的低电平(low level)，LCBA&（b）逻辑符号）逻辑符号D1AR3KL+VCCD2BD3C(a)电电 路路图图电平（电平（electrical level）表示电压数值大）表示电压数值大于（高于）或小于（低于）某一数值之于（高于）或小于（低于）某一数值之分，是指一定的数值范围，不是一个具分，是指一定的数值范围，不是一个具体的数值。这一数值的大小取决于电源体的数值。这一数值的大小取决于电源电压及器件的电压等级而定，不同的器电压及器件的电压等级而定，不同的器件具有不同的电平等级值。当电路的逻件具有不同的电平等级值。当电路的逻辑关系采用正逻辑赋值时，高电平用辑关系采用正逻辑赋值时，高电平用1表示，低电平用表示，低电平用0表示。表示。与门电路及其符号如图所示。与门电路及其符号如图所示。1/1/202337数字逻辑电路3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路 当当A、B、C的输入中有一个以上为低电平（的输入中有一个以上为低电平（0V）输入时，）输入时，与低电平输入端连接的二极管将导通；输出端与低电平输入端连接的二极管将导通；输出端L被嵌位在被嵌位在0.7V；而与高电平（而与高电平（3V）输入端连接的二极管负极端外加）输入端连接的二极管负极端外加3V电压，正极电压，正极端接端接0.7V而截止；而截止；3k电阻上的电压降为电阻上的电压降为VCC0.7=2.3V。输出电。输出电压为压为0.7V。D1AR3KL+VCCD2BD3C(a)电路图电路图与门电路的工作原理与门电路的工作原理 当当A、B、C的输入都为高电平的输入都为高电平（3V）的输入时，所有二极管将截）的输入时，所有二极管将截止；止；3k电阻上流过的电流为电阻上流过的电流为0，两，两端的电压也为端的电压也为0V；输出端；输出端L输出为：输出为：VCC0=3V。如电源电压大于如电源电压大于3V，所有二极，所有二极管全部导通，输出电压等于：管全部导通，输出电压等于：Vi+VD=3.7V。1/1/202338数字逻辑电路3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路与门电路输入电压组合与输出电压关系及其逻辑赋值表与门电路输入电压组合与输出电压关系及其逻辑赋值表从罗列的状态表及其逻辑赋值的关系可以看出，门电路的逻辑关从罗列的状态表及其逻辑赋值的关系可以看出，门电路的逻辑关系为与运算关系，即系为与运算关系，即L=ABC。输入全高，输出为输入全高，输出为1，其他为，其他为0。1/1/202339数字逻辑电路3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路LCBA1 1或门的逻辑符号或门的逻辑符号D1D2D3AR3KLBC二极管或门电路二极管或门电路2.二极管或门电路（二极管或门电路（Diode logic OR gate）或门二极管电路如图所示。或门二极管电路如图所示。如果如果A、B、C的输入信号电压的高电平的输入信号电压的高电平ViH等于等于3V，低电平，低电平ViL等于等于0V。二极管的正向导通电压降小于。二极管的正向导通电压降小于0.7V，反向截止电流等于，反向截止电流等于0，则，则L 输出电压高电平输出电压高电平VoH等于等于2.3V，低电平，低电平VoL小于或等于小于或等于0V。当当A、B、C的输入中有一个以上为高电的输入中有一个以上为高电平（平（3V）时，与高电平信号输入端联接的二极）时，与高电平信号输入端联接的二极管将导通；输出端管将导通；输出端L被嵌位在被嵌位在 30.72.3V；与低电平信号输入端连接的二极管将截止，因与低电平信号输入端连接的二极管将截止，因为该二极管的正极端接为该二极管的正极端接0V输入信号，负极端连输入信号，负极端连接到接到 2.3V电位输出信号端；电位输出信号端；3k电阻上的电压电阻上的电压降为降为30.72.3V。当当A、B、C的输入都为低电平（的输入都为低电平（0V）时，）时，所有二极管将截止；所有二极管将截止；3k电阻上的电压降为电阻上的电压降为0V；输出端；输出端L输出为输出为0V。1/1/202340数字逻辑电路3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路或门电路输入电压组合与输出电压关系及其逻辑赋值表或门电路输入电压组合与输出电压关系及其逻辑赋值表从罗列状态表及其逻辑赋值关系可以看出，门电路的逻辑关系为从罗列状态表及其逻辑赋值关系可以看出，门电路的逻辑关系为或运算关系，即或运算关系，即L=A+B+C。输入见高，输出为输入见高，输出为1，全低为，全低为0。1/1/202341数字逻辑电路3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路3.非门电路非门电路-双极型三极管组成的反相器双极型三极管组成的反相器(Transistor inverter)(a)非门电路图非门电路图ARbLVccRc1 1A(b)非门逻辑符号非门逻辑符号L（c）非门电路的传输特性）非门电路的传输特性V10逻辑逻辑0ViVLVO0.3V逻辑逻辑1V2VH截止截止放大放大饱和饱和 电路参数规定电路参数规定 若电源电压若电源电压VCC=5V，规定输入端，规定输入端A的输入的输入高电平高电平ViH等于等于3V，低电平，低电平ViL在以下在以下0.4V。三。三极管的开启电压降小于极管的开启电压降小于0.5V，截止电流等于，截止电流等于0，则，则L 输出电压高电平输出电压高电平VoH等于等于3V，低电平，低电平VOL小于或等于小于或等于0.3V。电路的工作原理电路的工作原理当当A输输入入为为高高电电平（平（ViH=3V）时时，三极管将三极管将导导通，若此通，若此时电时电路元件路元件的参数能的参数能够满够满足条件：足条件：1/1/202342数字逻辑电路3.1.4 分离元件逻辑门电路分离元件逻辑门电路 当当A输入为低电平（输入为低电平（0.4V以下）时，由于输入电压值小于双以下）时，由于输入电压值小于双极型三极管的开启电压，三极管将截止；极型三极管的开启电压，三极管将截止；IC0，RCIC0，电路，电路输出端输出端L的电压为的电压为VCC0=5V。若若 L 输出电压高电平等于输出电压高电平等于5V赋值赋值1，低电平等于，低电平等于0.3V赋值赋值0，这一门电路的逻辑关系为非运算关系，这一门电路的逻辑关系为非运算关系，所以所以该电该电路是一种非路是一种非门电门电路，路，简简称非称非门门。若若电电路的路的输输入入电压电压范范围为围为：其中其中基极临界饱和电流。基极临界饱和电流。双极型三极管工作于放大区工作状态，将不能符合开关双极型三极管工作于放大区工作状态，将不能符合开关电路的工作要求。电路的工作要求。IBsect称为基极临界饱和电流（称为基极临界饱和