第3章 集成逻辑门电路.ppt
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1、第第 3 章章集成逻辑门电路集成逻辑门电路1n3.1 概述概述n3.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路n3.3 TTL集成门电路集成门电路n3.4 CMOS门电路门电路n3.5 各逻辑门的性能比较各逻辑门的性能比较23.1 概述概述n用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路称为称为门电路门电路。常用的门电路有与门、或门、非门、。常用的门电路有与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等。与非门、或非门、与或非门、异或门等。n从制造工艺方面来分类,从制造工艺方面来分类,数字集成电路数字集成电路可分为可分为双极双极型、单极型和混合型型、
2、单极型和混合型三类。三类。33.2 半导体二极管门电路半导体二极管门电路 3.2.1正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑n在数字电路中,用高、低电平来表示二值逻辑的在数字电路中,用高、低电平来表示二值逻辑的1和和0两种逻辑状态。两种逻辑状态。n获得高、低电平的基本原理电路如图所示:获得高、低电平的基本原理电路如图所示:n开关开关S S断开时,输出电压断开时,输出电压vo o为高电平为高电平(VccVcc)n开关开关S S闭合后,输出电压闭合后,输出电压vovo为低电平为低电平(0V(0V或地或地)n开关开关S为半导体二极管或三极管为半导体二极管或三极管,通过输入信号,通过输入信号vI控制二极管或三极管
3、工作在控制二极管或三极管工作在截止截止和和导通导通两个状态,两个状态,以输出高低电平。以输出高低电平。4n若用高电平表示逻辑若用高电平表示逻辑1,低电平表示逻辑,低电平表示逻辑0,则称这,则称这种表示方法为种表示方法为正逻辑正逻辑;n反之,若用高电平表示反之,若用高电平表示0,低电平表示,低电平表示1,则称这种,则称这种表示方法为表示方法为负逻辑负逻辑。n若无特别说明,若无特别说明,本书中将采用正逻辑本书中将采用正逻辑。3.2.1正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑5n由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可由于在实际工作时只要能区分出来高、低电平就可以知道它所表示的逻辑状态了,所以高、低电平都以
4、知道它所表示的逻辑状态了,所以高、低电平都有一个允许的范围。有一个允许的范围。n正因如此,在数字电路中无论是对元器件参数精度正因如此,在数字电路中无论是对元器件参数精度的要求还是对供电电源稳定度的要求,都比模拟电的要求还是对供电电源稳定度的要求,都比模拟电路要低一些。路要低一些。a)正逻辑正逻辑b)负逻辑负逻辑63.2.2半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性1.二极管的符号二极管的符号正极正极-P极极负极负极-N极极72.二极管的伏安特性二极管的伏安特性600400200 0.1 0.200.4 0.7 50 100二极管二极管/硅管的伏安特性硅管的伏安特性V/VI/mA正向特性正向特
5、性死区电压死区电压反向特性反向特性开启电压开启电压VON=0.78二极管(二极管(PN结)的单向导电性:结)的单向导电性:PN结外加正偏电压结外加正偏电压(P端接电源正极,端接电源正极,N端接电源负端接电源负极)时,极)时,形成较大的正向电流形成较大的正向电流,PN结呈现较小的正结呈现较小的正向电阻;向电阻;外加外加反偏电压时,反向电流很小,反偏电压时,反向电流很小,PN结呈现很大的结呈现很大的反向电阻。反向电阻。2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性-二极管的单向导电性二极管的单向导电性正极正极-P极极负极负极-N极极93.二极管等效电路二极管等效电路图图3-5 二极管伏安特性的几种等效电路二
6、极管伏安特性的几种等效电路10导通电压导通电压VON硅管取硅管取0.7V锗管取锗管取0.2V结论:结论:1.只有当外加正向电压(只有当外加正向电压(P极电压大于极电压大于N极电压)极电压)大于大于VON时,二极管才导通。时,二极管才导通。2.二极管导通后具有二极管导通后具有电压箝位电压箝位作用。作用。114.二极管的动态特性二极管的动态特性n在动态情况下,亦即加到二极管两端的电压突然反在动态情况下,亦即加到二极管两端的电压突然反向时,电流的变化过程如图所示。向时,电流的变化过程如图所示。12n因为半导体二极管具有单向导电性,即外加正向电因为半导体二极管具有单向导电性,即外加正向电压时压时导通导
7、通,外加反向电压时,外加反向电压时截止截止,所以它相当于一,所以它相当于一个受外加电压极性控制的开关。个受外加电压极性控制的开关。5.半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性13VCC=5V当当vI为高电平(取为高电平(取VCC)时,)时,VD截止,截止,vO为高电平。为高电平。当当vI为低电平(取为低电平(取0V)时,)时,VD导通,导通,vO=0.7V,为低电平。,为低电平。5.半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性143.2.3 二极管与门电路二极管与门电路二极管与门电路及逻辑符号二极管与门电路及逻辑符号与门真值表与门真值表15与门原理分析与门原理分析n上图中上图中A、B是输入
8、逻辑变量,是输入逻辑变量,F是输出逻辑函数。当是输出逻辑函数。当A、B中只要有一个为低电平(例如中只要有一个为低电平(例如0V)时,相应的)时,相应的二极管必然导通,输出二极管必然导通,输出F则为低电平(即为二极管的则为低电平(即为二极管的导通电压,取导通电压,取0.7V);只有当输入);只有当输入A、B都同时为高都同时为高电平(例如电平(例如VCC)时,两个二极管都截止,输出)时,两个二极管都截止,输出F为为高电平(高电平(VCC),实现了逻辑与的功能,即:),实现了逻辑与的功能,即:F=AB。163.2.4二极管或门电路二极管或门电路二极管或门电路及逻辑符号二极管或门电路及逻辑符号或门真值
9、表或门真值表17n图中图中A、B为输入逻辑变量,为输入逻辑变量,F为输出逻辑函数,为输出逻辑函数,A、B中只要有一个输入高电平(例如中只要有一个输入高电平(例如VCC)时,)时,相应的二极管导通,使相应的二极管导通,使F输出高电平(输出高电平(VCC-0.7V),只有当),只有当A、B都输入低电平(例如都输入低电平(例如0V)时,)时,由于由于R接的电源为接的电源为-VEE,两个二极管都导通,两个二极管都导通,F输输出为低电平(出为低电平(-0.7V),实现了逻辑或的功能,即:),实现了逻辑或的功能,即:F=A+B。或门原理分析或门原理分析183.3 TTL(Transistor-Transi
10、stor-Logic)集成集成门电路门电路n由于由于TTL集成门电路中采用双极型三极管作为开关集成门电路中采用双极型三极管作为开关器件,所以在介绍器件,所以在介绍TTL电路之前,我们首先介绍一电路之前,我们首先介绍一下双极型三极管的开关特性。下双极型三极管的开关特性。193.3.1 双极型三极管的开关特性双极型三极管的开关特性1.双极型三极管的结构双极型三极管的结构n一个双极型三极管含有三个电极,分别为一个双极型三极管含有三个电极,分别为发射发射极(极(e)、基极(基极(b)和和集电极(集电极(c),分为,分为NPN型和型和PNP型两种。由于它们在工作时有型两种。由于它们在工作时有电子电子和和
11、空穴空穴两种极性不同的载流子参与导电,两种极性不同的载流子参与导电,故称为故称为为双极型三极管为双极型三极管。20图图3.9 双极型三极管的两种类型双极型三极管的两种类型箭头表示箭头表示PN结结的正偏的正偏 方向方向发射结发射结集电结集电结212.双极型三极管的输入特性和输出特性双极型三极管的输入特性和输出特性1)输入特性曲线输入特性曲线n以以NPN管为例,若以发射极(管为例,若以发射极(e)作为输入回路和输)作为输入回路和输出回路的公共电极,则称该电路为共发射极电路。出回路的公共电极,则称该电路为共发射极电路。可以测出表示输入电压可以测出表示输入电压vBE和输入电流和输入电流iB 之间的特性
12、之间的特性曲线。此曲线称为曲线。此曲线称为输入特性曲线输入特性曲线。输入输入回路回路输出输出回路回路22n三极管的输入特性曲线与三极管的输入特性曲线与PN结(二极管)的伏安特结(二极管)的伏安特性曲线很相似,分析时可采用性曲线很相似,分析时可采用PN结(二极管)的等结(二极管)的等效模型。效模型。23n也可测出共发射极电路在不同也可测出共发射极电路在不同iB值下集电极电流值下集电极电流iC和和集电极电压集电极电压vCE之间关系的曲线,此曲线称为之间关系的曲线,此曲线称为输出特输出特性曲线性曲线。2)输出特性曲线输出特性曲线iB取不同值时对取不同值时对应不同的曲线应不同的曲线24三极管输出特性上
13、的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 截止区截止区:发射结反:发射结反偏,集电结反偏偏,集电结反偏iC/mAuCE/V0 0放放大大区区iB=0A2020 A A40 40 A A截止区截止区饱饱和和区区60 60 A A80 80 A A放大区放大区:发射结正:发射结正偏,集电结反偏偏,集电结反偏饱和区饱和区:发射结正:发射结正偏,集电结正偏。偏,集电结正偏。25三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 放大区:放大区:iC=iB饱和区:饱和区:VCES=0.3V截止区:截止区:ICEO1AiC/mAuCE/V0 0放放大大区区iB=0A2020 A A40 40 A A
14、截止区截止区饱饱和和区区60 60 A A80 80 A A263.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路n用用NPN型三极管取代下图中的开关型三极管取代下图中的开关S,就得到了三极,就得到了三极管开关电路。管开关电路。27n当当vI为低电平时,三极管工作为低电平时,三极管工作在截止状态(截止区),输出在截止状态(截止区),输出高电平高电平vO VCC。n当当vI为高电平时,三极管工作为高电平时,三极管工作在饱和导通状态(饱和区),在饱和导通状态(饱和区),输出低电平输出低电平vO 0V(VCES)。)。3.双极型三极管的开关电路双极型三极管的开关电路三极管相当一个受三极管相当一个受vI
15、控制的开关控制的开关284.双极型三极管的开关等效电路双极型三极管的开关等效电路截止状态截止状态 饱和导通状态饱和导通状态295.双极型三极管的动态开关特性双极型三极管的动态开关特性n在动态情况下,亦即三极管在动态情况下,亦即三极管在截止与饱和导通两种在截止与饱和导通两种状态间迅速转换状态间迅速转换时,三极管内部电荷的建立和消散时,三极管内部电荷的建立和消散都需要一定的时间,因而集电极电流都需要一定的时间,因而集电极电流ic的变化将滞后的变化将滞后于输入电压于输入电压vI的变化,在接成三极管开关电路以后,的变化,在接成三极管开关电路以后,开关电路的输出电压开关电路的输出电压vo的变化也必然滞后
16、于输入电的变化也必然滞后于输入电压的变化,如图所示。这种滞后现象是由于三极管压的变化,如图所示。这种滞后现象是由于三极管的的b-e间、间、c-e间都间都存在结电容效应存在结电容效应的原因。的原因。30316.三极管非门电路三极管非门电路 n由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门由三极管开关电路组成的最简单的门电路就是非门电路(反相器)。电路(反相器)。n当输入当输入A为低电平时,三极管为低电平时,三极管截止,截止,F输出为高电平;当输输出为高电平;当输入入A为高电平时,三极管饱和为高电平时,三极管饱和导通,输出导通,输出F为低电平。为低电平。nF=A,实现了,实现了逻辑非逻辑非功能。功能
17、。AF327.二极管三极管门电路二极管三极管门电路(1)与非门电路与非门电路n将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接,便将二极管与门的输出与三极管非门的输入连接,便构成了二极管三极管与非门电路。构成了二极管三极管与非门电路。33(2)或非门电路)或非门电路n将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接,便将二极管或门的输出与三极管非门的输入连接,便构成了二极管三极管或非门电路。构成了二极管三极管或非门电路。343.3.2 TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理1.电路结构电路结构输入级输入级V1、R1倒相级倒相级V2、R2、R3输出级输出级V4、V5、VD3、R4保护二极管保
18、护二极管:VD1、VD2图图3-18所示所示35n图中,输入端接有图中,输入端接有用于保护的二极管用于保护的二极管VD1和和VD2。当。当输入端加正向电压时,相应二极管处于反向偏置,输入端加正向电压时,相应二极管处于反向偏置,具有很高的阻抗,相当于开路;如果一旦在输入端具有很高的阻抗,相当于开路;如果一旦在输入端出现负极性的干扰脉冲,出现负极性的干扰脉冲,VD1和和VD2便会导通,使便会导通,使A、B两端的电位被钳制在两端的电位被钳制在-0.7V左右,以保护多发射极左右,以保护多发射极晶体管晶体管V1不致被损坏。不致被损坏。362.工作原理工作原理1)任意一个输入端加任意一个输入端加入入低电平
19、低电平,例如,例如A=vI=0.3V,则则2)vB1=0.3+0.7=1VvB1=1VV2、V5 截截 止止 V4、VD3导导 通通vo=VCC VR2 Vbe4 VVD3 5 0.7 0.7 =3.6VF=1(高电平)高电平)较小较小设设PN结导通电压为结导通电压为0.7V,三极管饱压降为三极管饱压降为0.3V37vB1=2.1Vvo=0.3VvC2=1VV2,V5导通,三个导通,三个PN结的箝位作用结的箝位作用使使vB1=2.1V,V1发发射结反偏。射结反偏。vC2=vCE2+vBE5=0.3+0.7=1V,不足以使不足以使V4、VD3同时导通同时导通V5导通,导通,V4、VD3截止,截止
20、,vo=0.3V,F=0 低电平低电平2)两输入端同时输)两输入端同时输入入高电平高电平,A=B=vI=3.6V,383.其它几个系列与非门的主要区别其它几个系列与非门的主要区别(1)CT54H/74H高速系列高速系列2输入门输入门 电路中所有的电阻值都减少了。电路中所有的电阻值都减少了。输出级输出级V5管的管的有源负载改由有源负载改由V3和和V4组成的复合管,通常叫做达林组成的复合管,通常叫做达林顿图腾柱结构,进一步提高了驱动负载的能力和工顿图腾柱结构,进一步提高了驱动负载的能力和工作速度,但其功耗增加了一倍以上,目前,这类产作速度,但其功耗增加了一倍以上,目前,这类产品的生产已经很少了。品
21、的生产已经很少了。39图图3-19 CT54H/74H高速系列输入与非门高速系列输入与非门402)肖特基系列肖特基系列2输入与非门。输入与非门。413.3.3 TTL与非门的静态特征与非门的静态特征1.电压传输特性电压传输特性n如果将图如果将图3-18所示与非门的输入所示与非门的输入A(或(或B)接高电)接高电平平3.6V,则输出电压随输入端,则输出电压随输入端B(A)所加电压的)所加电压的变化而变化的特征曲线,叫做变化而变化的特征曲线,叫做TTL与非门的与非门的电压电压传输特性传输特性。42(1)AB段段n当当vI 0.6V时,因时,因V1管管已处于极深度饱和状态,已处于极深度饱和状态,饱和
22、压降只有饱和压降只有0.1V,故,故使使vC10.7V,V2和和V5管管都截止,都截止,VD3和和V4管导管导通,输出为高电平。通,输出为高电平。n n 故段称为电压传输特性故段称为电压传输特性的的截止区截止区。43(2)BC段段n当当0.6V vI1.3V时,时,0.7VvC11.4V,由于,由于V2管的发射极电阻管的发射极电阻R3直接接直接接地,故地,故V2管开始导通,并管开始导通,并处于放大状态,所以其集处于放大状态,所以其集电极电压电极电压 vC2 和输出电压和输出电压vO 随输入电压的增高而随输入电压的增高而线性地降低,但线性地降低,但V5管仍截管仍截止,此段称为止,此段称为线性区线
23、性区。44n(3)CD段n当当1.3VvIRON时认为输入为高电平,时认为输入为高电平,当当RIRON时认为输入为低电平。时认为输入为低电平。nTTL与非门的与非门的输入端悬空输入端悬空,相当于在其输入端接一,相当于在其输入端接一个阻值为无穷大的电阻,也就是个阻值为无穷大的电阻,也就是相当于接高电平相当于接高电平。726.门电路多余输入端的处理门电路多余输入端的处理nTTL门电路的实际产品在使用时,如果有多余的输门电路的实际产品在使用时,如果有多余的输入端不用,一般不应悬空,以防干扰信号的串入,入端不用,一般不应悬空,以防干扰信号的串入,引入错误逻辑。引入错误逻辑。n不同逻辑门电路的多余输入端
24、有不同的处理方法。不同逻辑门电路的多余输入端有不同的处理方法。73(1)TTL与门及与非门与门及与非门的多余输入端有以下几种处的多余输入端有以下几种处理方法理方法1)将其经)将其经13k 的电阻接至电源正端。的电阻接至电源正端。2)接输入高电平)接输入高电平VIH。3)与其它信号输入端并接使用。)与其它信号输入端并接使用。74(2)TTL或门及或非门或门及或非门的多余输入端应接低电的多余输入端应接低电平或与其他输入端并接使用。平或与其他输入端并接使用。(3)与或非门与或非门一般有多个与门,使用时如果有一般有多个与门,使用时如果有多余的与门不用,其输入端必须接低电平,多余的与门不用,其输入端必须
25、接低电平,否则与或非门的输出将是低电平;如果某个否则与或非门的输出将是低电平;如果某个与门有多个输入端不用,其处理方法与与门与门有多个输入端不用,其处理方法与与门相同。相同。753.3.4 TTL与非门的动态特性与非门的动态特性n在门电路的实际应用中,输入端所加的信号总是要在门电路的实际应用中,输入端所加的信号总是要不断地从一个状态转换到另一个状态,而输出状态不断地从一个状态转换到另一个状态,而输出状态是否能跟得上输入信号状态的变化?输出电压和输是否能跟得上输入信号状态的变化?输出电压和输出电流的变化如何?这是门电路实际使用中必须关出电流的变化如何?这是门电路实际使用中必须关心的问题。通常将门
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- 第3章 集成逻辑门电路 集成 逻辑 门电路
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