第三章 集成逻辑门电路

介绍： 逻辑门电路 实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电路 构成中规模功能模块的基本单元 逻辑门电路的分类 二极管门电路 分立门电路 三极管门电路 逻辑门电路 集成门电路 TTL门电路 开路门 CMOS门电路 三态门

概　述 基本逻辑门电路 TTL 集成逻辑门电路 *CMOS 集成逻辑门电路 *TTL 电路和 CMOS 电路的接口 本章小结

3.1 概述 主要要求： 了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。

一些知识概念： 脉冲（脉动和短促） 脉冲信号及其广义的定义 脉冲电路： 1、惰性元件（电阻、电容、电感）组成的线性网络：控制暂态过程的形状和快慢。 2、开关元件（二、三极管、MOS管）组成：接通和断开状态：破坏电路的稳态，使之产生暂态过程。

一、门电路的作用和常用类型 按逻辑功能不同分 门电路 (Gate Circuit) 指用以实现基本逻辑关系和 常用复合逻辑关系的电子电路。 是构成数字电路的基本单元之一 与门 或门 非门 异或门 与非门 或非门 与或非门 按电路结构不同分 TTL 集成门电路 CMOS 集成门电路 　　输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。 　　用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。 CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor TTL 即 Transistor-Transistor Logic 按功能特点不同分 普通门 (推拉式输出) CMOS 传输门 输出 开路门 三态门

高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。 1 高电平 低电平 正逻辑体制 负逻辑体制 高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？ 由门电路种类等决定

3.2　基本逻辑电路 主要要求： 理解二极管的开关特性。 掌握三极管的开关特性。 了解MOS管的开关特性。

3.2.1 晶体二极管的开关特性 1. 二极管的大信号稳态（静态）工作 正向导通状态-----导通电阻很小，两端相当于短路 反向截止状态-----等效电阻很大，两端相当于开路 理想开关

PN结是半导体器件的核心环节。模拟电路中已讨论 了二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数 以及二极管的基本电路及其分析方法与应用。 P型半导体中，多数载流子是空穴，N型半导体中，多数 载流子是电子。 扩散电流：由于PN结两边载流子的浓度差别，载流子会从浓度高的一方向浓度低的一方运动，称为扩散运动，它产生扩散电流。 漂移电流：由于电位差的存在，载流子在电场的作用下产生的运动，称为漂移运动，它产生漂移电流。 电位差来自外加电压和电荷积累构成的内电场。 空间 电荷区 N型区 P型区

一、二极管的静态开关特性 二极管关断的条件和等效电路 当输入 uI 为低电平 UIL，二极管反向截止。 当输入 uI 为高电平 UIH，二极管正向导通。 二极管 伏安特性

二、二极管的动态开关特性

产生反向恢复过程的物理机制－存储电荷消散需要时间 用载流子浓度梯度解释：正向电流愈大，电荷的浓度分布梯度愈大，转换为截止时的浓度分布梯度所需的时间也愈长。 用电容的概念理解：正偏时扩散电容较大，存储的电荷也较多，电荷消散所需的时间也较长。

三极管为什么能用作开关？ 怎样控制它的开和关？ 二、三极管的开关特性 (一) 三极管的静态开关特性 临界饱和线 IC(sat) Q A uCE UCE(sat) O iC M N IB(sat) T S 放大区 三极管为什么能用作开关？ 怎样控制它的开和关？ 饱 和 区 负载线 uBE + - uI=UIL 截止区 uBE < Uth B E C 三极管 截止状态 等效电路 三极管关断的条件和等效电路 当输入 uI 为低电平，使 uBE < Uth时，三极管截止。 iB  0，iC  0，C、E 间相当于开关断开。 Uth为门限电压

二、三极管的开关特性 临界饱和线 uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移， iC 增大，uCE 减小。 IC(sat) Q A uCE UCE(sat) O iC M N IB(sat) T S 临界饱和线 S 为放大和饱和的交界点，这时的 iB 称临界饱和基极电流，用 IB(sat) 表示；相应地，IC(sat) 为临界饱和集电极电流； UBE(sat) 为饱和基极电压； UCE(sat) 为饱和集电极电压。对硅管， UBE(sat)  0.7V， UCE(sat)  0.3V。在临界饱和点三极管仍然具有放大作用。 uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移， iC 增大，uCE 减小。 放大区 饱 和 区 截止区 uBE < Uth B E C 三极管 截止状态 等效电路 uI 增大使 uBE > Uth时，三极管开始导通，iB > 0，三极管工作于放大导通状态。

二、三极管的开关特性 临界饱和线 放大区 饱 和 区 截止区 三极管 截止状态 三极管开通的条件和等效电路 等效电路 IC(sat) Q A uCE UCE(sat) O iC M N IB(sat) T S 临界饱和线 放大区 饱 和 区 uBE + - 截止区 uI=UIH uBE < Uth B E C 三极管 截止状态 等效电路 三极管开通的条件和等效电路 　　当输入 uI 为高电平，使 iB ≥ IB(sat)时，三极管饱和。 三极管 饱和状态 等效电路 iB ≥ IB(sat) B E UBE(sat) C UCE(sat) uo  UCE(sat)  0.3 V  0， C、E 间相当于开关合上。

开关工作的条件 截止条件 饱和条件 uBE ＜ Uth iB ＞ IB(Sat) 可靠截止条件为 uBE ≤ 0 iB 愈大于 IB(Sat) ， 则饱和愈深。 由于UCE(Sat)  0，因此饱和后 iC 基本上为恒值， iC  IC(Sat) =

uI = UIH = 3.6 V 时,为使三极管饱和,应满足 iB > IB(sat) [例]下图电路中 = 50,UBE(on) = 0.7 V,UIH = 3.6 V,UIL = 0.3 V,为使三极管开关工作,试选择 RB 值,并对应输入波形画出输出波形。 O uI t UIH UIL +5 V 解：(1)根据开关工作条件确定 RB 取值 uI = UIL = 0.3 V 时,三极管满足截止条件 uI = UIH = 3.6 V 时,为使三极管饱和,应满足 iB > IB(sat) 因为 iB = IH B -0.7 V U R 所以求得 RB < 29 k，可取标称值 27 k。

可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。 (2) 对应输入波形画出输出波形 O uI t UIH UIL 三极管截止时， iC  0，uO  +5 V 三极管饱和时， uO  UCE(sat)  0.3 V O uO/V t 5 0. 3 　　可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。

(二)三极管的动态开关特性 uI 从 UIH 负跳到时 UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。 IC(sat) O uI iC uO t UIH UIL VCC UCE(sat) 　　uI 从 UIH 负跳到时 UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。 　　uI 从 UIL 正跳到 UIH 时，三极管将由截止转变为饱和， iC 从 0 逐渐增大到 IC(sat)，uC 从 VCC 逐渐减小为 UCE(sat)。 　　上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为 ：

(二)三极管的动态开关特性 uI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称为三极管开通时间。 uO t UIH UIL VCC UCE(sat) 　　uI 正跳变到 iC 上升到 0.9IC(sat) 所需的时间 ton 称为三极管开通时间。 　　uI 负跳变到 iC 下降到 0.1IC(sat) 所需的时间 toff 称为三极管关断时间。 通常 toff > ton 0.9IC(sat) ton 0.1IC(sat) toff 　　开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。 通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。

(三)抗饱和三极管 C C SBD SBD B B E 抗饱和三极管的开关速度高 ① 没有电荷存储效应 ① 没有电荷存储效应 ② SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V， 因此 UBC = 0.4 V 时，SBD 便导通，使 UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。 在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称 SBD) 。

3.2.3MOS管的开关特性

MOS管的动态特性：

& L=AB A L B 3.2.4 分立元件门电路 L 1、二极管与门 + V (+5V) R 3k Ω D A B 5V 0V CC 1 3.2.4 分立元件门电路 1、二极管与门 + V CC (+5V) R 3k Ω L D 1 A 2 B 5V 0V L=AB A B L &

2、二极管或门 A D 1 B 2 5V L R 3k Ω 0V L=A+B A B L ≥ 1

+5 3、非门电路——BJT反相器 三极管临界饱和时的基极电流为： iB＞IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uL＝UCES＝0.3V。 A β =40 +5 V L 电路图 1 逻辑符号 1k Ω 4.3k iB＞IBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uL＝UCES＝0.3V。 ①uA＝0V时，三极管截止，iB＝0，iC＝0，输出电压uY＝VCC＝5V ②uA＝5V时，三极管导通。基极电流：

3.2.5 组合逻辑门电路 与非门电路

或非门电路

小结： 1、概述，脉冲电路，开关电路，逻辑体制 2、二极管、三极管、MOS管开关特性（静态和动态） 3、分立元件门电路和组合逻辑门电路（一般了解）