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1、教教 学学 基基 本本 要要 求求1、了解半导体器件的开关特性。、了解半导体器件的开关特性。2、掌掌握握基基本本逻逻辑辑门门、三三态态门门、集集电电极极开开路路门门的的逻逻辑功能。辑功能。3、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。第1页/共70页0 概述1.逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或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。非门、与或非门和异或门等。本章重点介绍逻辑运算的物理实现电路。2.逻辑0和逻辑1：0和1在逻辑代数中代表的
2、两种不同的状态。在电子电路中用高、低电平来表示。正逻辑：正逻辑：1 1表示高电平，表示高电平，0 0表示低电平表示低电平 负逻辑：负逻辑：0 0表示高电平，表示高电平，1 1表示低电平表示低电平高/低电平都允许有一定的变化范围3.3.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。第2页/共70页1 二极管逻辑门电路1.1 二极管的开关特性1.2 二极管与门1.3 二极管或门1.4 二极管门电路的优、缺点第3页/共70页1.1 二极管的开关特性1.二极管符号：2.二极管的伏安特性：当电压ui0.7V 二极管导通后，uD=0.7V iD=（ui-0.7）/R当电
3、压ui0.7V 二极管截止，处于断开状态 iD=0V正极负极 uD iD 限流电阻第4页/共70页3.二极管的开关电路的等效电路ui0V时，二极管截止，如时，二极管截止，如同开关断开，同开关断开，uo0V。ui5V时时，二二极极管管导导通通，如如同同0.7V的电压源，的电压源，uo5-0.7=4.3V。v当ui为低电平时 D截止，uo为低电平v当ui为高电平时 D导通，uo为高电平第5页/共70页1.2 二极管与门大于大于大于大于3V3V为高电平为高电平为高电平为高电平 逻辑逻辑逻辑逻辑1 1表示表示表示表示小于小于小于小于0.7V0.7V为低电平为低电平为低电平为低电平 逻辑逻辑逻辑逻辑0
4、0表示表示表示表示思考：Y如何和A、B构成与逻辑关系？ABY0V0V?5V0.7V0.7V第6页/共70页ABY0V0V0.7V5V0V？5V0.7V0.7V0V5V？0.7V第7页/共70页ABY0V0V0.7V5V0V0.7V0V5V0.7V5V5V?5V5V第8页/共70页Y=AB大于大于大于大于3V3V为高电平为高电平为高电平为高电平 逻辑逻辑逻辑逻辑1 1表示表示表示表示小于小于小于小于0.7V0.7V为低电平为低电平为低电平为低电平 逻辑逻辑逻辑逻辑0 0表示表示表示表示根据真值表，可以判断该电路为与门第9页/共70页Y=A+B1.3 二极管或门ABD1D2Y0V0V0V5V5V0
5、V5V5V截止截止0V导通截止4.3V截止导通4.3V导通导通4.3V第10页/共70页1.4 二极管门电路的缺点v电平有偏移，带负载能力差因此，二极管门电路通常只用于集成电路内部电路第11页/共70页2 TTL逻辑门电路2.1 三极管的开关特性2.2 三极管非门2.3 TTL反相器、与非门、或非门2.4 其他类型的TTL逻辑门 （三态门、集电极开路门）2.5 TTL电路常识2.6 小结由三极管和若干电阻构成的逻辑门Transistor-Transistor Transistor-Transistor LogicLogic第12页/共70页它有两种类型:NPN型和PNP型。在半导体中掺入五价杂
6、质元素，例如磷，可形成 N型半导体在半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体 NPN型和PNP型三极管e-b间的PN结称为发射结发射结(Je)c-b间的PN结称为集电结集电结(Jc)中间部分称为基区，连上电极称为基极基极，用B或b表示（Base）；一侧称为发射区，电极称为发射极发射极，用E或e表示（Emitter）；另一侧称为集电区和集电极集电极，用C或c表示（Collector）。1.三极管的结构2.1三极管的开关特性第13页/共70页2.以NPN三极管为例，说明三极管的的工作原理及特性曲线ui iB e Rb b+VCCiC u Rc co发射结可以看成二极管RbRc+VCC
7、bce截止状态ui=UIL0.7VuoRbRc+VCCbce0.7ViB第15页/共70页饱和区饱和区条件：条件：ui大于大于0.7V发射结导通发射结导通此时集电极和发射极可以看成短路此时集电极和发射极可以看成短路ic=Ics=(VCC-UCES)/RC uo=UCES=0.2-0.3Vui iB e Rb b+VCCiC u Rc co饱和状态iBUi0.7Vuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V如何判断工作在饱和区还是放大区？可以通过UCES计算出临界集电极饱和电流ICS=(VCC-UCES)/RC 则临界基极饱和电流IBS=(VCC-UCES)/RC 当iB IBS 工作在
8、饱和区，否则工作在放大区。第16页/共70页 ui=0.3V时，因为uBE0.7V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3V3.以典型电路为例来分析开关特性第17页/共70页第18页/共70页通常在数电中，三极管主要工作在截止或饱和两个区内。截止状态cbe饱和状态Vb=0.7v,Vc=0.3vebc第19页/共70页2.2 三极管非门(反相器)uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管饱和导通。输出电压uYUCES0.3V
9、。真值表真值表A =100+5V Y电路图1逻辑符号AY1k10kRBRCbecuA第20页/共70页性性 能能 分分 析析 vccRcTCL输入输入输出输出T状态状态电容电容高电平高电平(3.6v)低电平低电平(0.2V)饱和饱和导通导通少量电荷少量电荷(0.2V)低电平低电平(0.2v)高电平高电平(5V)截止截止状态状态大量电荷大量电荷(5V)电容充电电容放电第21页/共70页2.3 TTL反相器、与非门、或非门TTL反相器 Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1+vI T3+vO 负载 Re2 1K W VCC(5V)输入级 中间级 输出级 采
10、用输入采用输入级以提高级以提高工作速度工作速度采用推拉式输采用推拉式输出级以提高开出级以提高开关速度和带负关速度和带负载能力载能力第22页/共70页2.2.电路功能分析（1）当输入为低电平）当输入为低电平（I=0.2 V）0.5V 0.2V OVCCVBE4VD 50.70.7=3.6V I低电平低电平(0.2V)T1深饱和深饱和T2截止截止T3截止截止T4放大放大 O高电平高电平（3.6V）第23页/共70页（2）当输入为高电平当输入为高电平 （I=3.6 V）I全为高电平全为高电平(3.6V)T1倒置放大倒置放大T2饱和饱和T3饱和饱和T4截止截止 O低电平低电平(0.2V)3.6V 4.
11、3V 2.1V 1.4V 0.2V 第24页/共70页 2vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V.48 V 0.2V 1 2 E D C B A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V AB段段：I很低，很低，T1深深度饱和度饱和，T2、T3截止，截止，同时同时T4和和D导通。导通。O=3.6V。CD段：当段：当 I的值继续增加的值继续增加C点后，点后，使使T3饱和导通，饱和导通，O 0.2V I(D)=BE3+BE2 CES1 =(0.7+0.70.2)V=1.2V DE段：当段：当 I的值从的值从D点再继续增点再继续增加时，加时，T1将进入倒置放大状态，将进入倒置放大状态，T2、T3饱
12、和导通，保持饱和导通，保持 O=0.2V BC段段：T1仍仍保保持持为为饱饱和和状状态态。在在BC段段内内，T2处处于于放放大大状状态态，此此时时输输出出电电压压随随输输入入电电压压的的增增加加而而减减小小，但但处处于于线线性性关关系。系。I(D)=BE2 CES1 =(0.70.3)V=0.4V 3.3.电压的传输特性第25页/共70页 14 13 12 11 10 9 874LS04 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2 A 2Y 3 A 3Y GND6反相器74LS04的引脚排列图4.4.常用TTL反相器芯片逻辑函数表达式：第26页/共70
13、页TTL与非门1.TTL与非门电路多发射极多发射极BJT A B&BAL=T1 A B B A b b c c 只要A、B中有一个为低电平，则显示低电平的特性，若全部为高电平，则显示出高电平的特性；于是实现与的逻辑功能。第27页/共70页2.TTL与非门电路的工作原理 VCC(5V)Rc 4 130 Rc2 1.6k Rb 2 1.6k T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k D IT1T2T3T4 O输入全为高输入全为高电平电平(3.6V)放大状态放大状态饱和饱和饱和饱和截止截止低电平低电平 (0.2V)输入有低电输入有低电平平(0.2V)深饱和深饱和截止截止截止截止放大放大高电平高
14、电平(3.6V)第28页/共70页74LS00内含4个2输入与非门3.常用TTL与非门芯片74LS20内含2个4输入与非门第29页/共70页或非门R1A R1 R1B R4 VCC T1A T2A T2B B D T3 R3 T4 AT1BL第30页/共70页 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T4 TTL或非门的逻辑电路若二输入端为低电平 0.5 v0.2 v0.2 v0.5 v3.6V 第31页/共70页若A、B两输入端都为高电平 R1A R1 R1B R4 VCC A T1A T2A T2B T1B B D L T3 R3 T
15、4 2.1 v3.6 v3.6v2.1 v0.3V 问题：若问题：若A、B两输入端中有一个为高电平，输出两输入端中有一个为高电平，输出L=?第32页/共70页 14 13 12 11 10 9 874LS02 1 2 3 4 5 6 7VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A 1Y 1B 1 A 2Y 2 B 2A GND74LS02的引脚排列图2.常用芯片74LS02内含4个2输入或非门逻辑表达式：第33页/共70页 vO/V 5 4 3 2 1 0 3.6V 2.48 V 0.2V 1 2 E D CB A 0.4V 1.1V 1.2V vI/V 各种类型的TTL门电路，其传输特性大同小
16、异。VOHVO(A)3.6V VOLVCES 0.2VVIL VI(B)0.4VVIH VI(D)1.2V1、TTL与非门传输特性2、输入、输出的高、低电压 与非门的特征与参数典型参数实际参数见附录C P463第34页/共70页3.TTL与非门噪声容限 噪声容限:高电平的噪声容限为 VNH=VOH(min)VIH(min)1 驱动门 vo 1 负载门 vI 噪声 1 输出 1 输入 0 输入 0 输出 vo vI+VDD 0 VNH VOH(min)VIH(min)VNL VOL(max)VIL(max)+VDD 0 低电平的噪声容限为 VNL=VIL(max)VOL(max)当电路受到干扰时
17、，在保证输出高、低电平基本不变的条件下，输入电平的允许波动范围。第35页/共70页 4.扇入与扇出系数 扇入数:取决于门的输入端的个数 扇出数:带同类门的个数。有带灌电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门0 VCC(5V)Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 当负载门的个数增加时，总的当负载门的个数增加时，总的灌电流灌电流IIL将增加将增加,引起输出低引起输出低电压电压VOL的升高。的升高。灌电流负载：输出低电平时。灌电流负载：输出低电平时。IILIOL101&第36页/共70页1&4.扇入与扇出系数 扇入数:取决于门的输入端的个数 扇出数:带同类门的个数。有带灌
18、电流负载和拉电流负载两种情况:负载门驱动门1 VCC(5V)Rb1 4kW T1 IIL T4 T3 Rc4 130W D 01拉电流负载：门输出高电平时拉电流负载：门输出高电平时当负载门的个数增多时，必将当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低。引起输出高电压的降低。IIHIOH第37页/共70页例例 查得基本的查得基本的TTL与非门与非门7410的参数如下：的参数如下：IOL16mA，IIL1.6mA，IOH0.4mA，IIH0.04mA.试计算其带同类门时的试计算其带同类门时的扇出数。扇出数。解：解：(1)低电平输出时的扇出数低电平输出时的扇出数 (2)高电平输出时的扇出数高电平输
19、出时的扇出数若若NOLNOH，则取较小的作为电路的扇出数。，则取较小的作为电路的扇出数。例题：扇出数计算举例第38页/共70页 电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间。入波形延迟了多长的时间。5.传输延迟时间 输入输入 同相同相 输出输出 反相反相 输出输出 50%tPLH 50%90%10%tr tPHL 90%50%10%tf 50%tPHL tPLH 90%50%10%tf 90%50%10%tr VOL VOH VOL VOH 0V VCC 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tPdtPLH 为门电路输出由低电平
20、转换到高电平所经历的时间为门电路输出由低电平转换到高电平所经历的时间;tPHL为由高电平转换到低电平所经历的时间。为由高电平转换到低电平所经历的时间。(tPLHtPHL)/2 表征门电路开关速度的参数表征门电路开关速度的参数第39页/共70页6.功耗与延时 功耗积1 1、功耗分为、功耗分为:静态功耗：静态功耗：动态功耗：动态功耗：对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。2 2、延时、延时 功耗积功耗积DP=tpdPD指的是当电路没有状态转换时的功耗指的是当电路没有状态转换时的功耗是在门的状态转换的瞬间的功耗。是在门的状态转换的瞬间的功耗。是一综合性的指标，是一
21、综合性的指标，用用DP表示，其单位为焦耳。表示，其单位为焦耳。DP的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。的值愈小，表明它的特性愈接于理想情况。第40页/共70页2.4 其他类型的TTL逻辑门集电极开路门(Open Collector，OC)？1.问题的提出 工程中常常将两个门电路并联起来实现与的逻辑功能，称为线与。ABY1+5VT1T2DT4T3R1R2R3R44k1.6k130W1kABY2+5VT1T2DT4T3R1R2R3R44k1.6k130W1k这两个逻辑门是否可以直接并联？第41页/共70页2.问题的解决AB&Y1OC门的逻辑符号去掉低阻通道，将集电极开路，称为集电极开路门出现问题
22、：当输出为低电平时正常，但是如果输出应为高电平时，此时T3截止，无法输出高电平，因此在工作时，必须接入外接电阻和电源。VCC(5V)Rc 4 130 W Rc2 1.6k W Rb2 1.6k W T4 T2 T3 T1 A B Re 2 1k W D OC与非门的电路结构AB+VCCYR T1 T2 T3 uB1第42页/共70页OC门实现的线与T3T3集电极开路后，并不影响原有的电路功能集电极开路后，并不影响原有的电路功能第43页/共70页L写出逻辑函数表达式：线与：实现与的逻辑功能第44页/共70页 集电极开路门上拉电阻Rp 的计算 TTL 电路 TTL 电路 D C B A T 1 T
23、 2 VCCL R P 在极限情况，上拉电阻在极限情况，上拉电阻Rp具有限具有限制电流的作用。以保证制电流的作用。以保证IOL不超过额不超过额定值定值IOL(max)，故必须合理选用，故必须合理选用Rp的值。的值。另一方面，另一方面，Rp的大小影响的大小影响OC门门的开关速度，的开关速度，Rp的值愈大，因而的值愈大，因而开关速度愈慢开关速度愈慢，故在满足要求的前提，故在满足要求的前提下，下，Rp越小越好。越小越好。Rp(min)第45页/共70页Rp(min)例设TTL与非门74LS01(OC)驱动八个74LS04(反相器)，试确定一合适大小的上拉电阻Rp，设VCC5V。解：从器件手册查出得：
24、解：从器件手册查出得：VCC=5V，VOL(max)=0.4V，IOL(max)=8mA，IIL=400 A，VIH(min)=2V，IIH=20 A。IIL(total)=400 A8=3.2mA得 VCC=5V，IIH(total)=20 A8=0.16mA。Rp的值可在的值可在985 至至18.75k,之间选择之间选择,可选可选1k 的电阻器为宜。的电阻器为宜。所以所以 第46页/共70页三态钳位电路三态钳位电路 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R6 VCC D3.6V1.4V0.7V当当CS=1时时CS数据输入端数据输入端输出
25、端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态与非门真值表=AB三态门（Three state Output Gate,TS）第47页/共70页 R1 R2 R4 VCC T4L T3 R3T1与非门A B CS T5 T6 T7 R5 R6 VCC D当当CS=0时时0.2V0.5V低电平0.5V开路CS数据输入端数据输入端输出端输出端LAB10010111011100高阻三态与非门真值表 AB CS&L 高电平使能高电平使能=高阻状态高阻状态与非功能与非功能 ZL ABLCS=0_CS=1第48页/共70页结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。AB CS&L 区
26、别？CS数据输入端数据输入端输出端输出端LAB10010111011100高阻高阻CS数据输入端数据输入端输出端输出端LAB00010111011101高阻高阻高电平有效 AB CS&L 低电平有效第49页/共70页作多路开关：E=0时，门G1导通，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2导通，G1禁止，Y=B。信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TS门处于工作状态，而其余TS门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TS门的输出。第50页/共70页2.5 TTL电路常识74：标准系列，其典型电路与非门
27、的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。74H：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tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：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tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S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tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。74AS,74ALS（Advanced Low-Power Schottky TTL）:性能进一步提高。第51页/共70页
28、2.6 小结2.1 三极管非门：分析了最简单的三极管非门，并分析了其优缺点。2.2 TTL反相器、与非门、或非门 TTL反相器：电路结构、传输特性及常用芯片7404TTL与非门：电路结构及常用芯片7400 7420TTL或非门：电路结构及常用芯片7402TTL逻辑门的参数及特性：传输特性；输入输出高低电压及噪声容限；输入输出高低电流及扇入扇出数；平均延迟时间；功耗2.3 其他类型的TTL逻辑门 集电极开路门：线与的概念；外接电阻的计算 三态门：三态门的功能分析；三态门的用途2.4 TTL电路常识第52页/共70页 大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小，而大规模集成芯片集成度高，所以要求体积小
29、，而TTL系列不可能做得很小，但系列不可能做得很小，但MOS管的结构和制造工管的结构和制造工艺对高密度制作较之艺对高密度制作较之TTL相对容易，下面我们介绍相对容易，下面我们介绍MOS器件。器件。与与TTL逻辑电路比较，逻辑电路比较，MOS管的优点是功耗低，管的优点是功耗低，可达可达0.01mw，缺点是开关速度稍低。在大规模的，缺点是开关速度稍低。在大规模的集成电路中，主要采用的集成电路中，主要采用的CMOS电路。电路。第53页/共70页3 CMOS逻辑门电路3.1 场效应管的开关特性3.2 CMOS反相器及其他逻辑门3.3 CMOS逻辑门的特点第54页/共70页3.1 场效应管的开关特性1.
30、概述 场效应管是一种用输入电压控制输出电流的的半导体器件。从参与导电的载流子来划分，它有电子作为载流子的N沟道场效应管和空穴作为载流子的P沟道场效应管。N沟道场效应管P沟道场效应管栅极源极漏极第55页/共70页ui=VILuo=VDDGDSRD+VDD截止状态等效电路ui=VIHuo=0GDSRD+VDD导通状态等效电路2.N沟道场效应管的开关特性uiuoGDSRD+VDDMOS管的D-S极可以看成是受ui控制的开关。VGS(th)通常+2V+2V左右第56页/共70页3.P沟道场效应管的开关特性uiuoGSDRS+VDDui=VIHuo=VDDGSDRS+VDD截止状态等效电路ui=VILu
31、o=0GSDRS+VDD导通状态等效电路VGS(th)通常-2V-2V左右第57页/共70页3.2 CMOS反相器及其他逻辑门CMOS反相器 VDD TP TN vO vI 当vI I=0 V=0 V时 VGSN=0 VTNTN管截止；|VGSP|=VDDVTP TP管导通。VO VDD第58页/共70页 VDD TP TN vO vI 当vI I =VDD 时 VO 0VGSN=VDD VTNTN管导通；|VGSP|=0 107，导通电阻+3V3V+3V一管导通程度愈深，另一管导通愈浅，导通电阻近似为一常数。第65页/共70页3.3 CMOS逻辑门的特点（1）CMOS电路的工作速度比TTL电
32、路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。第66页/共70页使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导
33、致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平（最好接入限流电阻）。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害。第67页/共70页本章小结本章小结0 概述1二极管逻辑门电路2TTL逻辑门电路3CMOS逻辑门电路第68页/共70页利用半导体器件的开关特性，可以构成
34、与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OC门和传输门。TTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大力也比较强，缺点是功耗较大。CMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。总总 结结第69页/共70页感谢您的观看！第70页/共70页