第3章逻辑门电路

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1、2022-5-311 2022-5-3123.1 概述概述门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。与基本逻辑关系相对应。 ：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。与门、或门、与非门、或非门、异或门等。门电路的输出状态与赋值对应关系：门电路的输出状态与赋值对应关系：正逻辑：正逻辑：高电位对应高电位对应“1”；低电位对应；低电位对应“0”。混合逻辑：混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。入用负逻辑、输出用正逻辑。一般采用一般采用正逻辑正逻辑负逻辑：负逻辑：高电位对

2、应高电位对应“0”；低电位对应；低电位对应“1”。2022-5-313100VVcc在数字电路中，对电压值为多少并不重要，在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。只要能判断高低电平即可。K开开-VO输出高电平，对应输出高电平，对应“1” 。K合合-VO输出低电平，对应输出低电平，对应“0” 。VOKVccR V V2022-5-314 数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。逻辑变量两状态开关： 在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；电子开关有两种状态：闭合、断开。半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成

3、这种电子开关的基本开关元件。2022-5-315 (1) 静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF = 无穷，电流IOFF = 0。 闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON = 0，电压UAK = 0。 (2) 动态特性：开通时间 ton = 0 关断时间 toff = 0 理想开关的开关特性： 2022-5-316客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。2022-5-31

4、7静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)0.7V（硅） 0.3V（锗）RD几 几十相当于开关闭合 图2-1 二极管的伏安特性曲线)1e(TsVvIi2022-5-318反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百k）相当于开关断开图2-1 二极管的伏安特性曲线2022-5-319图2-2 二极管的开关等效电路(a) 导通时 (b) 截止时图2-1 二极管的伏安特性曲线开启电压理想化伏安特性曲线2022-5-3110高电平：VIH=VCC低电平：VIL=0 lVI=VIH D截止，VO=VOH=VCClVI=VIL D导通，VO=VOL=0.7V二极管开关特性应用二极管开关特性应用 20

5、22-5-31112. 动态特性：若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。 反向恢复时间tre ：二极管从导通到截止所需的时间。一般为纳秒数量级（通常tre 5ns ）。2022-5-31121. 静态特性及开关等效电路在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。图2-3三极管的三种工作状态（a）电路 （b）输出特性曲线2022-5-3113开关等效电路(1) 截止状态 条件：发射结反偏,集电结反偏特点：电流约为0A20

6、22-5-3114(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅2022-5-3115图2-4三极管开关等效电路(a) 截止时 (b) 饱和时2022-5-3116三三极管的开关特性极管的开关特性 NPN型三极管截止、放大、饱和3 种工作状态的特点工作状态截 止放 大饱 和条 件iB00iBIBSiBIBS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集电极电流iC0iCiBiCICSce间电压uCEVCCuCEVCCiCRcuCEUCES0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合2022-5-3117

7、2. 三极管的开关时间（动态特性）图2-5 三极管的开关时间 开启时间ton 上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts2022-5-3118(1) 开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。ton = td +tr td ：延迟时间 tr ：上升时间(2) 关闭时间toff 三极管从饱和到截止所需的时间。toff = ts +tf ts ：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf ：下降时间toff ton 。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。2022-5-31194、场效应管的开关特性 iD(mA) 0uDS(V)0 UT uGS(V)iD(mA)

8、uGS=10V8V6V4V2V工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线GDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态vIUT uo0可变电阻区可变电阻区恒流区恒流区截止区截止区GSGS(th)VV截止区截止区漏极和源极之间漏极和源极之间没有导电沟道，没有导电沟道，iD0。可变电阻区可变电阻区当当vGS一定时，一定时，iD与与vDS之比之比近似等于一个常数，具有类近似等于一个常数，具有类似于线性电阻的性质。似于线性电阻的性质。恒流区恒流区iD的大小基本上由的大小基本上由vGS决定，决定，vDS的变化对的变化对iD的影响很小。的影响很小。2022-5-3120门电路的概念： 实现基本和常用逻辑运算的电子

9、电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。分立元件门电路和集成门电路: 分立元件门电路：用分立的元件和导线连接起来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。 集成门电路：把构成门电路的元器件和连线都制作在一块半导体芯片上，再封装起来，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。2022-5-3121电路工作原理A、B为输入信号 （+3V或0V）Y 为输出信号 VCC+12V表2-1电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V2022-5-3122用逻辑1 1表示高电平

10、（此例为+3V+3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.7V0.7V）ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3. 逻辑赋值并规定高低电平4. 真值表ABY000010100111表2-2 二极管与门的真值表A A、B B全1，Y Y才为1。可见实现了与逻辑2022-5-3123逻辑符号工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）逻辑表达式YA B图2-6 二极管与门（a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形2022-5-3124电路工作原理电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）Y为输出信

11、号 2022-5-31254. 真值表ABY0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可见实现了或逻辑3. 逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1 1表示高电平（此例为+2.3V+2.3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0V0V）ABY000011101111A A、B B有1，Y Y就1。表2-2 二极管或门的真值表2022-5-3126图2-7 二极管或门（a）电路 （b）逻辑符号 （c）工作波形逻辑符号工作波形逻辑表达式YA+ B2022-5-3127 电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。 高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。 例：上面二极管与门电路中规定