第三章 集成逻辑门电路.

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1 第三章 集成逻辑门电路

2 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

3 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

4 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。

5 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。

6 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

7 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

8 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。

9 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

10 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

11 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

12 二、二极管的动态开关特性

13 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。

14 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

15 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。

16 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。

17 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) =

18 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。

19 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。

20 (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 ：

21 (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。

22 (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) 。

23 3.2.3MOS管的开关特性

24 MOS管的动态特性：

25 & 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
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 &

26 2、二极管或门 A D 1 B 2 5V L R 3k Ω 0V L=A+B A B L ≥ 1

27 +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：

28 3.2.5 组合逻辑门电路 与非门电路

29 或非门电路

30 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）