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1、一、门电路的概念一、门电路的概念 实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与与 或或 非非 与与 非非 或或 非非 异或异或与或非与或非与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门异或门异或门与或非门与或非门二、逻辑变量与两状态开关二、逻辑变量与两状态开关低电平低电平 高电平高电平 断开断开闭合闭合高电平高电平 3 V低电平低电平 0 V二值逻辑二值逻辑:所有逻辑变量只有两种取值所有逻辑变量只有两种取值( (1 或或 0) )。数字电路数字电路:通过电子开关通过电子开关 S 的两种状态的两种状态( (开或关开或关) )获得高、低
2、电平，用来表示获得高、低电平，用来表示 1 或或 0。3VIuSOu3VIuSOuIuSOu逻辑状态逻辑状态1001S 可由可由二极管二极管、三极管三极管或或 MOS 管实现管实现三、高、低电平与正、负逻辑三、高、低电平与正、负逻辑负逻辑负逻辑正逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V 高电平和低电平是两个不同的可以截然高电平和低电平是两个不同的可以截然区别开来的电压范围。区别开来的电压范围。010V5V2.4V0.8V10四、分立元件门电路和集成门电路四、分立元件门电路和集成门电路 分立元件门电路：分立元件门电路：用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。
3、 集成门电路：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。导体芯片上，再封装起来。常用：常用：CMOS 和和 TTL 集成门电路集成门电路五、数字集成电路的集成度五、数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数小规模集成电路小规模集成电路 SSI(Small Scale Integration) 10 门门/ /片片或或 10 000 门门/ /片片或或 100 000 元器件元器件/ /片片2. 1. 1 理想开关的开关特性理想开关的开关特性一、一、 静态特性静态
4、特性 断开断开 0 OFFOFF IR， 闭合闭合 0 0AKON UR，SAK2. 1 半导体二极管半导体二极管 、三极管、三极管和和 MOS 管的开关特性管的开关特性 2. 1. 1 理想开关的开关特性理想开关的开关特性SAK2. 1 半导体二极管半导体二极管 、三极管、三极管和和 MOS 管的开关特性管的开关特性 二、动态特性二、动态特性 开通时间：开通时间：0on t 关断时间：关断时间：0off t闭合）闭合）（断开（断开断开）断开）（闭合（闭合普通开关：普通开关：静态特性好，动态特性差静态特性好，动态特性差半导体开关：半导体开关：静态特性较差，动态特性好静态特性较差，动态特性好几百
5、万几百万/ /秒秒几千万几千万/ /秒秒2. 1. 2 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性一、静态特性一、静态特性 外加正向电压外加正向电压( (正偏正偏) )二极管导通二极管导通( (相当于开关闭合相当于开关闭合) ) V7 . 0D U 外加反向电压外加反向电压( (反偏反偏) ) V5 . 0 DU二极管截止二极管截止( (相当于开关断开相当于开关断开) ) 0D I硅二极管伏安特性硅二极管伏安特性阴极阴极A阳极阳极KPN结结- -AK+ +DUDIP区区N区区+- - - - -正向正向导通区导通区反向反向截止区截止区反向反向击穿区击穿区0.5 0.7/ /mADIDU/ /
6、V0(BR)U1. 结构示意图、符号和伏安特性结构示意图、符号和伏安特性D+ +- -Iu+ +- -Ou2. 二极管的开关作用：二极管的开关作用： 例例 V2L II UuuO = 0 VV3H II UuuO = 2.3 V电路如图所示，电路如图所示，V3 V 2I或或 u试判别二极管的工作试判别二极管的工作状态及输出电压。状态及输出电压。二极管截止二极管截止二极管导通二极管导通 解解 D0.7 V+ +- -二、动态特性二、动态特性1. 二极管的电容效应二极管的电容效应结电容结电容 C j扩散电容扩散电容 C D2. 二极管的开关时间二极管的开关时间ontofft电容效应使二极管电容效应
7、使二极管的通断需要的通断需要一段延一段延迟时间才能完成迟时间才能完成tIuDit00( (反向恢复时间反向恢复时间) )ns 5)(rroffontttton 开通时间开通时间toff 关断时间关断时间一、静态特性一、静态特性NPN2. 1. 3 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性发射结发射结集电结集电结发射极发射极emitter基极基极base集电极集电极collectorbiBiCec( (电流控制型电流控制型) )1. 结构、符号和输入、输出特性结构、符号和输入、输出特性NNP( (Transistor) )( (1) ) 结构示意图和符号结构示意图和符号( (2) ) 输入特
8、性输入特性CE)(BEBuufi (3) 输出特性输出特性B)(CECiufi iC / mAuCE /V50 A40A30 A20 A10 AiB = 00 2 4 6 8 4321放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区0CE uV1CE u0uBE /ViB / A发射结正偏发射结正偏 条条 件件电流关系电流关系状态状态放大放大i C= iB集电结反偏集电结反偏饱和饱和 i C iB两个结正偏两个结正偏I CS= IBS临界临界截止截止iB 0, iC 0两个结反偏两个结反偏2. 半导体三极管的开关应用半导体三极管的开关应用 V2 )1(L II Uu V3 )2(H II Uu发射结反偏发
9、射结反偏 T 截止截止0 0CB ii V12CCO Vu发射结正偏发射结正偏 T 导通导通+ RcRb+VCC (12V)+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k 放大还放大还是饱和？是饱和？bBEIBRuui cCESCCCSBSRUVIIBSB Ii 饱饱和和 T饱和导通条件：饱和导通条件：cCCBSB RVIi + RcRb+VCC +12V+uo iBiCTuI3V-2V2 k 100 2.3 k mA 1mA3 . 27 . 03 mA 06. 0mA210012 cCC RV V)7 . 0(BE uV 3 . 0CESOUu 因为因为所以所以二、动态特性二、动
10、态特性ontofft3-2tV/Iu00.9ICS0.1ICSCit0V/Ou off t三极管饱和程度三极管饱和程度30.3t0uYuAuBR0D2D1+VCC+10V2. 2 分立元器件门电路分立元器件门电路2. 2. 1 二极管与门和或门二极管与门和或门一、一、二极管与门二极管与门3V0V符号符号:与门与门（AND gate)ABY&0 V0 VUD = 0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 V真值表真值表A BY0 00 11 01 10001Y = AB电压关系表电压关系表uA/VuB/VuY/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通0.7导通导通 截止截
11、止0.7截止截止 导通导通0.7导通导通 导通导通3.7二、二、二极管或门二极管或门uY/V3V0V符号符号:或门或门（OR gate)ABY10 V0 VUD = 0.7 V0 V3 V3 V0 V3 V3 VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表真值表A BY0 00 11 01 10111电压关系表电压关系表uA/VuB/VD1 D20 00 33 03 3导通导通 导通导通 0.7截止截止 导通导通2.3导通导通 截止截止2.3导通导通 导通导通2.3Y = A + B正与门真值表正与门真值表正逻辑和负逻辑的对应关系：正逻辑和负逻辑的对应关系：A BY0 00 11 01 10
12、001ABY = AB&负或门真值表负或门真值表A BY1 11 00 10 01110同理：同理：正或门正或门负与门负与门10 01一、半导体三极管非门一、半导体三极管非门V0 . 1ILI UuT 截止截止V5CCOHO VUuV5 . 2IHI UuT导通导通mA 1mA3 . 47 . 05bBEIHB RuUimA17. 0mA1305 cCCBS RVI 2. 2. 2 三极管非门（反相器）三极管非门（反相器）饱和导通条件饱和导通条件:BSBIi +VCC+5V1 k RcRbT+ +- -+ +- -uIuO4.3 k = 30iBiCBSBIi V3 . 0OLO Uu
13、T 饱和饱和因为因为所以所以电压关系表电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表真值表0110AYAY 符号符号函数式函数式+VCC+5V1 k RcRbT+ +- -+ +- -uIuO4.3 k = 30iBiC三极管非门三极管非门: :AY1AY2. 4 TTL 集成门电路集成门电路（TransistorTransistor Logic）2. 4. 1 TTL 反相器反相器一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理+VCC(5V)R1uIuo4k AD1T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1 保护二极管保护二极管 防止输入电压
14、过低。防止输入电压过低。当当 uI uB uC ，即，即 发射结反偏发射结反偏 集电结正偏集电结正偏 02. 0 i iii = i ib =(1+ i )ib4.3Vc e 3.6 V1.4V0.7V2.1VV 6 . 3IHI UuT1 倒置放大状态倒置放大状态T2 饱和，饱和，T3 、D 均截止均截止T4 饱和导通饱和导通uO = UCES4 0.3V1V0.3V0.3 uI/VuO/V03.63.60.3则则所以所以AY 输入短路电流输入短路电流 IIS二、静态特性二、静态特性1. 输入特性输入特性(1)(1) 输入伏安特性：输入伏安特性：)(IIufi 1iI+VCC+5 VuI+
15、+- -uoT1iIuI+ +- -be2be4+VCC+5 VR14k IV/uImA/i012-1V0ILI UumA05. 11BE1CCISI RuVIiV3 . 0ILI UumA 11ILBE1CCILI RUuVIiISIILIUILUIHIHI低电平输入电流低电平输入电流 IIL V6 . 3IHI UumA 0145. 0)V1 . 2(1CCiIHI RVIi 高电平输入电流高电平输入电流或输入端漏电流或输入端漏电流 IIH即：当即：当 Ri 为为 2.5 k 以上电阻时，输入由以上电阻时，输入由低电平低电平变为变为高电平高电平( (2) ) 输入端负载特性：输入端负载特性
16、：)(iIRfu 1+VCC+5VuI+ +- -uoRiT1iB1uI+ +- -be2be4+VCC+5 VR14k RiRi/ 026412uI / V) ( k 5 . 2i悬空悬空 RV4 . 1I uT2、T4饱和导通饱和导通V3 . 0OLO UuRi = Ron 开门电阻开门电阻（2.5 k）Ron k 7 . 0iRV7 . 0I uT2、T4 截止截止V6 . 3OHO UuRi = Roff 关门电阻关门电阻（ 0.7 k ）即：当即：当 Ri 为为 0 .7 k 以下电阻时以下电阻时 , 输入端相当于低电平。输入端相当于低电平。Roff0.7 V1.4 V2. 输出特性
17、输出特性)(OOifu uO1+ VCC+ 5 VuI+ +- -+ +- -iOuO / ViO /mA0 10 20 30-10-20-30123: , )1(OLOIHIUuUu 在输出为低电平条件下，带灌在输出为低电平条件下，带灌电流负载能力电流负载能力 IOL 可达可达 16 mAIHIUu 0.3V:, )2(OHOILIUuUu 受功耗限制，带拉电流负载能受功耗限制，带拉电流负载能力力 IOH 可一般为可一般为 400 AILIUu 3.6V 注意：注意： 输出短路电流输出短路电流 IOS 可达可达 33 mA，将，将造成器件过热烧毁造成器件过热烧毁 ，故门电路，故门电路输出端不
18、输出端不能接地能接地！3. 电压传输特性电压传输特性)(IOufu 1+VCC+5VuI+ +- -uO+ +- -A B0uO /VuI /V12341234AB 段：段：uI 0.5 V ， uB1 1.4 V ，T2 、T4 饱和饱和导通，导通， T3 、D 截止。截止。uO = UOL 0.3 V阈值电压阈值电压（1）特性曲线分析：）特性曲线分析：（2）输入端噪声容限）输入端噪声容限uIuO1G1G21min IHUmax ILUNHUNLUOHUOLUmin OHUmax OLUIHUILU输出高电平输出高电平 V4 . 2min OH U典型值典型值 = 3.6 V 输出低电平输出
19、低电平 V4 . 0max OL U典型值典型值 = 0.3 V 输入高电平输入高电平 V0 . 2min IH U典型值典型值 = 3.6 V 输入低电平输入低电平 V8 . 0max IL U典型值典型值 = 0.3 V UNH 允许叠加的负向噪声电压的最大值允许叠加的负向噪声电压的最大值G2 输入高电平时的输入高电平时的噪声容限：噪声容限：V4 . 0IHminmin OHNH UUUUNL 允许叠加的正向噪声电压的最大值允许叠加的正向噪声电压的最大值G2 输入低电平时的输入低电平时的噪声容限：噪声容限：V4 . 0max OLILmaxNL UUU三、动态特性三、动态特性传输延迟时间传
20、输延迟时间1uIuO 50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL 输出电压由高到输出电压由高到 低时的传输延迟低时的传输延迟 时间。时间。tpd 平均传输延迟时间平均传输延迟时间2PLHPHLpdttt tPLH 输出电压由低到输出电压由低到 高时的传输延迟高时的传输延迟 时间。时间。tPHLtPLH典型值：典型值： tPHL= 8 ns , tPLH= 12 ns最大值：最大值： tPHL= 15 ns , tPLH= 22 ns+VCC+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BT1 多发射极三极
21、管多发射极三极管e1e2bc等效电路：等效电路：1. A、B 只要有一个为只要有一个为 0 0.3V1V V1 V)7 . 03 . 0( B1 uT2 、 T4截止截止5VT3 、 D 导通导通 V3.6 V)7 . 07 . 05(O u3.6V V3 . 0BA uu V6 . 3 , V3 . 0BA uu V3 . 0 , V6 . 3BA uu2. 4. 2 TTL与非门和其它逻辑门电路与非门和其它逻辑门电路一、一、TTL 与非门与非门2. A、B 均为均为 1 V6 . 3BA uu理论：理论： V3 . 4 V)7 . 06 . 3( B1 u实际：实际： V1 . 2 V)7
22、 . 03( B1 uT2 、 T4 导通导通T3 、 D 截止截止uO = UCES4 0.3V3.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BR1R2R3R43.6V3.6V4.3V2.1VRL+VCC0.7V1V0.3V整理结果：整理结果：1110ABY00011011ABY 1与非门与非门AB1Y&二、二、TTL 或非门或非门iB1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 i B1输入级输入级中间级中间级输出级输出级1. A、B只要
23、有一个为只要有一个为 1 V6 . 3BA uu V6 . 3 , V3 . 0BA uu V3 . 0 , V6 . 3BA uuT2 、 T4 饱和饱和T3 、 D 截止截止uO = 0.3V，Y = 05V2.1V1V1V1V0.3V3.6V2. A、B 均为均为 0 V3 . 0BA uuiB1、i B1分别流入分别流入T1、T 1 的发射极的发射极T2 、 T 2均截止均截止则则 T4 截止截止T3 、 D 导通导通 V3.6 V)7 . 07 . 05(O u3.6V0.3V0.3 V0.3 V整理结果：整理结果：1000ABY00011011BAY 1或非门或非门AB1Y1其它逻
24、辑门原理相似。其它逻辑门原理相似。2. 4. 3 TTL 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门一、一、集电极开路门集电极开路门OC 门门(Open Collector Gate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B 1. 电路组成及符号：电路组成及符号：+V CCRC外外接接YAB&+V CCRCOC 门必须外接负载电阻门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。和电源才能正常工作。AB 2. OC 门的主要特点：门的主要特点：可以线与连接可以线与连接V CC 根据电路根据电路需要进行选择需要进行选择线与连接举例：线与连接举例：21YYY CDAB CDAB +VCCAT
25、1T2T4Y1B+VCCCT 1T 2T 4Y2D+V CCRC+V CCRCABY1AB&G1Y2CD&G2线与线与YCDY二、二、 输出三态门输出三态门 TSL门门(Three - State Logic)(1) 电路组成电路组成1. 电路组成及其工作原理电路组成及其工作原理+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3EN使能端使能端 使能端高电平有效使能端高电平有效1ENYA &ENBENYA&BENEN 使能端低电平有效使能端低电平有效以使能端低电平有效为例：以使能端低电平有效为例：（2）工作原理）工作原理PQ时时 0 ENP = 1（高
26、电平）（高电平）电路处于正常工作电路处于正常工作状态：状态： D3 截止，截止，BAPBAY （Y = 0 或或 1）+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3ENP = 0 ( (低电平低电平) )D3 导通导通时时 1 EN T2 、T4截止截止uQ 1 VT3、D 截止截止输出端与上、下均断开输出端与上、下均断开 高阻态高阻态，记做，记做 Y = Z使能端使能端可能输出状态：可能输出状态：0、1 或高阻态或高阻态2. 应用举例：应用举例：(1) 用做多路开关用做多路开关YA1EN1EN1ENA21G1G2使能端使能端10禁止禁止使能使能1A 01使能使能禁止禁止2A 时
27、时 0 EN时时 1 EN禁止禁止使能使能A1EN1EN1ENA21G1G201(2) 用于信号双向传输用于信号双向传输时时 1 EN2A 1A 10使能使能禁止禁止2. 应用举例：应用举例：时时 0 EN2. 应用举例：应用举例：(3) 构成数据总线构成数据总线EN1EN1EN1G1G2Gn1EN2ENnENA1A2An数据总线数据总线 注意：注意：任何时刻，只允许一个三态门使能，任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。其余为高阻态。0111011102. 1. 4 MOS 管的开关特性管的开关特性( (电压控制型电压控制型) )MOS（Mental Oxide Semiconduct
28、or） 金属金属 氧化物氧化物 半导体半导体场效应管场效应管一、一、 静态特性静态特性1. 结构和特性结构和特性：(1) N 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB 源极源极 S3V4V5VuGS = 6ViD /mA42643210uGS /ViD /mA43210246810uDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区UTNiD开启电压开启电压UTN = 2 V+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底漏极特性漏极特性转移特性转移特性uDS = 6V截止区截止区P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管与与 N 沟道有对偶关系。沟道有对偶关系。 (2) P 沟道沟道 栅极栅极 G漏极漏极 DB
29、 源极源极 SiD+ +- -uGS+ +- -uDS衬衬底底iD /mAiD /mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2- 3V- 4V- 5VuGS = - 6V-1-2-3-4-6uGS /VuDS /V可可变变电电阻阻区区恒流区恒流区 漏极特性漏极特性 转移特性转移特性截止区截止区UTPuDS = - 6V开启电压开启电压UTP = - 2 V参考方向参考方向2. MOS管的开关作用：管的开关作用：TNIUu DDOHOVUu V0OLO Uu(1) N 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管+VDD+10VRD20 k BGDSuIuO+VDD+10VRD20 k GDSu
30、IuOTNIUu 开启电压开启电压UTN = 2 ViD+VDD+10VRD20 k GDSuIuORONRDTPIUu DDOLO VUu V0OLO Uu(2) P 沟道增强型沟道增强型 MOS 管管-VDD-10VRD20 k BGDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuO-VDD-10VRD20 k GDSuIuOTPIUu 开启电压开启电压UTP = 2 ViD二、动态特性二、动态特性1. MOS 管极间电容管极间电容栅源电容栅源电容 C GS栅漏电容栅漏电容 C GD 在数字电路中，这些电容的充、放电在数字电路中，这些电容的充、放电过程会制约过程会制约 MOS 管的动
31、态特性，即开关管的动态特性，即开关速度。速度。漏源电容漏源电容 C DS1 3 pF 0.1 1 pF ontofftVDDtIu00.9ID0.1IDDit0OuVDDt02. 开关时间开关时间开通时间开通时间关断时间关断时间二、二、MOS 三极管非门三极管非门V2V0TNILGS UUuMOS管截止管截止V10DDOHO VUu2.V10IHI UuV2V10TNIHGS UUuMOS 管导通管导通（在可变电阻区）（在可变电阻区）V0OLO Uu真值表真值表0110AYAY +VDD+10VRD20 k BGDSuIuOV0ILI Uu1.+ +- -uGS+ +- -uDS故故+VDD+
32、10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+ +- -uGSN+ +- -uGSP2. 3 CMOS 集成集成门电路门电路2. 3. 1 CMOS 反相器反相器AY 一、一、电路组成及工作原理电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0 V UTN UTN UTP导通导通截止截止0 VUTN = 2 VUTP = 2 V+10VRONPuY +VDD10VSTNTP+10VRONNuY +VDD0VSTNTP输入端保护电路输入端保护电路: : C1、C2 栅极等效栅极等效输入输入电容电容 0 uA VDD + uDF D 导通电压：导通电压：uDF
33、= 0.5 0.7 V uA uDF 二极管导通时，限制了电容二极管导通时，限制了电容两端电压的增加。两端电压的增加。保护网络保护网络+VDDuYuATPD1C1C2RSTND2D3VSSD1、D2、D3 截止截止D2、D3 导通导通uG = VDD + uDFD1 导通导通 uG = uDF二、二、静态特性静态特性1. 电压传输特性：电压传输特性：)(IOufu iD+VDDB1G1D1S1+ +uI - -uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB 段：段：uI Ron（2.5 k ）输入由输入由 0 1在一定范围内，在一定范围内，Ri的改的改变
34、不会影响输入电平变不会影响输入电平输入端输入端 悬空悬空即即 Ri = 输入为输入为 “1” 不允许不允许多余输入多余输入端的处理端的处理1. 与门、与非门接电源；或门、或非门接地。与门、与非门接电源；或门、或非门接地。2. 与其它输入端并联。与其它输入端并联。练习练习 写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。TTLCMOS&A1Y100 100k = 1A &A1Y100 100k = 1= 11A1Y100 100k A 1A1Y100 100k = 0A A 练习练习 写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。写出图中所示各个门电路输出端的逻辑表达式。TTLCMOS=1A1Y100 100k A =1A1Y100 100k A A A &A1Y悬空悬空&A1Y悬空悬空 不允许不允许A
