数字逻辑设计课件

第6讲第第3 3章章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路学习目标：1.了解半导体二极管、三极管和CMOS管的开关特性及等效电路。2.了解TTL与非门的工作原理和主要性能指标。3.掌握集电极开路门（OC门）、三态输出门的逻辑功能、特点和用途。4.熟悉TTL与非门、CMOS逻辑门使用注意事项。6/25/20241第6讲3.13.13.13.1概述概述概述概述集成逻辑门电路主要有TTL门电路和COMS门电路。TTL门由双极型晶体管组成，CMOS门电路由单极型MOS管组成。TTL门电路的工作速度高，但功耗也较大，集成度不高；CMOS门电路功耗小，集成度高，但工作速度较低。6/25/20242第6讲各种门电路的输入和输出，只有高电平和低电平两种不同的状态。高电平和低电平都有一定的范围。高低电平示意图标准高电平USH常取3.6V；低电平USL常取0.3V。6/25/20243第6讲关于正逻辑和负逻辑的概念关于正逻辑和负逻辑的概念 正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。1.1.正负逻辑的规定 2.2.正负逻辑的转换对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。本书若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。同一个门电路，对正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。6/25/20244第6讲3.2 3.2 3.2 3.2 半导体二极管和三极管的开关特性半导体二极管和三极管的开关特性半导体二极管和三极管的开关特性半导体二极管和三极管的开关特性3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性二极管的开关特性 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。6/25/20245第6讲半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。(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。理想开关的开关特性：6/25/20246第6讲客观世界中，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。6/25/20247第6讲1.1.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 二极管的伏安特性曲线6/25/20248第6讲反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百k）相当于开关断开二极管的伏安特性曲线6/25/20249第6讲2.动态特性：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。一般为纳秒数量级。6/25/202410第6讲3.2.2 3.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性 1.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。三极管的三种工作状态（a）电路 （b）输出特性曲线6/25/202411第6讲开关等效电路(1)截止条件 条件：发射结反偏特点：电流约为0 6/25/202412第6讲(2)饱和条件条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅6/25/202413第6讲三极管开关等效电路饱和时三极管的饱和条件：6/25/202414第6讲2.三极管的开关时间（动态特性）三极管的开关时间 开启时间t tonon 上升时间t tr r延迟时间t td d关闭时间t toffoff下降时间t tf f存储时间t ts s6/25/202415第6讲(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。6/25/202416第6讲3.2.3 MOS3.2.3 MOS管的开关特性管的开关特性管的开关特性管的开关特性一般采用增强型MOS组成开关电路，并由栅源电压uGS控制MOS管的截止或导通。截止状态导通状态NMOS管电路图6/25/202417第6讲3.2.4抗饱和三极管抗饱和三极管它是在三极管基极和集电极之间并接一个肖特基二极管（简称SBD）构成的。肖特基二极管的正向压降小，约为0.4V，容易导通，可分流三极管的一部分基极电流，使三极管工作在浅饱和状态，从而大大缩短三极管的开关时间，提高工作速度。在集成电路中肖特基二极管和三极管制作在一起。6/25/202418第6讲门电路的概念：实现基本和常用逻辑运算的电子电路，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。3.3 3.3 分立元件门电路分立元件门电路6/25/202419第6讲3.3.13.3.1二极管与门电路二极管与门电路 1.1.电路2.2.工作原理A、B为输入信号 （+5V+5V或0V0V）Y 为输出信号 VCC+5V+5V电路输入与输出电压的关系ABY0V0V0V0V0V0V0V0V5V5V0V0V5V5V0V0V0V0V5V5V5V5V5V5V6/25/202420第6讲用逻辑1 1表示高电平（此例为+3.6V+3.6V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.3V）3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABY0 00 00 00 01 10 01 10 00 01 11 11 1二极管与门的真值表A、B全1，Y才为1。可见实现了与逻辑ABY0V0V0V0V0V0V0V0V5V5V0V0V5V5V0V0V0V0V5V5V5V5V5V5V6/25/202421第6讲5.5.逻辑符号6.6.逻辑表达式YA B&6/25/202422第6讲1.1.电路2.2.工作原理电路输入与输出电压的关系A、B为输入信号（+5V或0V）Y为输出信号 ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3V3.3.23.3.2二极管或门电路二极管或门电路二极管或门电路二极管或门电路6/25/202423第6讲4.真值表可见实现了或逻辑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+3.6V+3.6V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.3V）A、B有1，Y就1。二极管或门的真值表ABY000011101111ABY0V0V0V0V5V4.3V5V0V4.3V5V5V4.3V6/25/202424第6讲5.5.逻辑符号6.6.逻辑表达式FA+B16/25/202425第6讲1.1.电路2.2.工作原理A、为输入信号 （+3.6V或0.3V）Y为输出信号 1AY0.3V+VCC3.6V0.3V3.3.33.3.3三极管非门电路（反相器）三极管非门电路（反相器）三极管非门电路（反相器）三极管非门电路（反相器）6/25/202426第6讲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+3.6V+3.6V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.3V）4.真值表三极管非门的真值表可见实现了非逻辑AY0.3V+VCC3.6V0.3VAY0110A与Y相反6/25/202427第6讲 3.3.4 3.3.4 组合逻辑门电路组合逻辑门电路 1.与非门电路与非门电路&6/25/202428第6讲二、或非门电路二、或非门电路16/25/202429第6讲3.4.13.4.1概述概述3.4.2 3.4.2 TTLTTL与非门与非门3.4 TTL3.4 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路3.4.63.4.6 TTLTTL集成逻辑门电路的使用注意事项集成逻辑门电路的使用注意事项3.4.53.4.5 其它系列的其它系列的TTLTTL门电路门电路 3.4.3 3.4.3 TTLTTL与非门的主要性能指标与非门的主要性能指标3.4.43.4.4 TTLTTL与非门电路的改进与非门电路的改进6/25/202430第6讲3.4.1 3.4.1 概述概述TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。TTL电路的基本环节是反相器。简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。6/25/202431第6讲输入级中间级输出级一、一、TTLTTL与非门的工作原理与非门的工作原理1.电路组成6/25/202432第6讲(1)输入级当输入低电平时，uI=0.3V，发射结正向导通，uB1=1.0V当输入高电平时，uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。uB1由后级电路决定。6/25/202433第6讲(2)中间级反相器V2实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。输入高电 压时饱和输入低电压时截止6/25/202434第6讲(3)输出级（推拉式输出）V3、V4为复合管低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通6/25/202435第6讲2.逻辑功能逻辑功能1.当输入A、B中有低电平UIL=0.3V时输入级中间级输出级1V6/25/202436第6讲输入级中间级输出级1V5V输出高电平输出高电平与非门处于关闭状态6/25/202437第6讲输入级中间级输出级2.1V1.当输入A、B都为高电平UIH=3.6V时1V6/25/202438第6讲输入级中间级输出级2.1V0.3V1V输出低电平输出低电平与非门处于开通状态6/25/202439第6讲综上所述：输入A、B中有低电平0（0.3V）时，输出Y为高电平1（3.6V）；输入A、B全高电平1（3.6V）时，输出Y为低电平0（0.3V）。因此，该电路输出Y与输入A、B之间为与非逻辑关系，其输出逻辑表达式为：6/25/202440