数字电路的基本逻辑单元--门电路

门电路内容提要：本章主要讲述数字电路的基本逻辑单元--门电 路，有TTL逻辑门、MOS逻辑门。在讨论半导体二极 管和三极管及场效应管的开关特性基础上，讲解它们 的电路结构、工作原理、逻辑功能、电器特性等等， 为以后的学习及实际使用打下必要的基础。本章重点 讨论TTL门电路和CMOS门电路。

本章主要内容3.1 概述 3.2 半导体二极管门电路

3.3 CMOS门电路3.4* 其他类型的MOS集成门电路

3.5 TTL门电路3.6* 其他类型的双极型集成门电路

3.7* Bi-CMOS电路3.8* TTL门电路与CMOS门电路的接口

3.1 概述1. 门电路： 实现基本逻辑运算和复合运算的单元电路称为门 电路，常用的门电路有非门、与非门、或非门、异或 门、与或非门等 2. 正负逻辑系统 (1) 正逻辑： 在二值逻辑中，如果 用高电平表示逻辑“1” , 低电平表示逻辑“0” ,在 这种规定下的逻辑关系称 为正逻辑，如图3.1.1所示

图3.1.1 正负逻辑示意图

3.1 概述(2) 负逻辑：

在二值逻辑中，如果 用高电平表示逻辑“0” , 低电平表示逻辑“1” ,在 这种规定下的逻辑关系称 为负逻辑，如图3.1.1所示。图3.1.1 正负逻辑示意图

同一逻辑电路采用不同的逻辑关系，其逻 辑功能是完全不同的，如表3.1.1正负逻辑对应 的逻辑电路

3.1 概述由表中可以看出正负逻辑式互为对偶式， 即若给出一个正逻辑的逻辑 式，则对偶式即为负逻辑的 逻辑式，如正逻辑为或门， 即Y=A+B,对偶式为YD= AB。正负逻辑的使用依个人 的习惯，但同一系统中采用 一种逻辑关系，本书采用表3.1.1 正负逻辑对应的门电路 正逻辑 与门 或门 与非门 或非门 异或门 同或门 负逻辑 或门 与门 或非门 与非门 同或门 异或门

正逻辑

3.1 概述3. 高低电平的实现 在数字电路中，输入输出 都是二值逻辑，其高低电平用 “0”和“1”表示。其高低电平 的获得是通过开关电路来实现， 如二极管或三极管电路组成。 如图3.1.2所示。 图3.1.2 高低电平实现原理电路 其原理为： 当开关S断开时，输出电压vo=Vcc,为高电平“1”; 当开关闭合时，输出电压vo=0,为低电平“0”;若开 关由三极管构成，则控制三级管工作在截止和饱和状 态，就相当开关S的断开和闭合。

3.1 概述单开关电路功耗较大，目前出现互补开关电路 (如CMOS门电路),即用一个管子代替图3.1.2中的电 阻，如图3.1.3所示Vcc S1输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号

S2

图3.1.3 互补开关电路

图3.1.2高低电平实现原理电路

3.1 概述互补开关电路的原理为 开关S1和S2受同一输入 信号vI的控制，而且导通和 断开的状态相反。当S1闭合 时，S2断开，输出为高电平 “1”;相反当S1断开时，S2

闭合，输出为高电平“0”。

Vcc S1输 入v I 信 号 输 vo 出 信 号

S2

图3.1.3 互补开关电路

互补开关电路由于两个开关总有一个是断开的， 流过的电流为零，故电路的功耗非常低，因此在数字 电路中得到广泛的应用

3.1 概述4. 数字电路的概述 (1)优点： 在数字电路中由于采 用高低电平，并且高低电 平都有一个允许的范围， 如图3.1.1所示，故对元器 件的精度和电源的稳定性 的要求都比模拟电路要低， 抗干扰能力也强。

图3.1.1 正负逻辑示意图

3.1 概述

(2) 分类： 可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路： 分立元件逻辑门电路是由半导体器件、电阻和电容连接 而成。集成逻辑门电路是将大量的分立元件通过特殊工 艺集成在很小的半导体芯片上。 数字集成电路根据规模可分为n) 小规模(SSI -SmallScale Integratio n) 中规模(MSI - Medium Scale Integratio 按规模分(每片 IC所含元器件数) n) 大规模(LSI-LargeScale Integratio 超大规模(VLSI -Very LargeScale 3 5 10 ~ 10 /片 Integratio n)

≤100/片

(100~1000)/片

105 以上/片

3.1 概述按导电类型可分为 单极型(FET) 按导电类型 双极型(BJT) 兼容型(FET+BJT)

数字集成电路的基本逻辑单元是集成逻辑门，因 此本章先介绍CMOS和TTL数字集成逻辑门的结构、 工作原理

3.2 半导体二极管门电路3.2.1半导体二极管的开关特性 1. 稳态开关特性 将图3.1.2中的开关用二极管代替，则可得到图 3.2.1所示的半导体二极管开关电路

图3.1.2高低电平实现原理电路

图3.2.1 二极管的开关电路

3.2.1半导体二极管的开关特性 对于图3.2.1所示二极管开关 电路，由于二极管具有单向导电性， 故它可相当受外加电压控制的开关。 将电路处于相对稳定状态下， 晶体二极管所呈现的开关特性称为 稳态开关特性 图3.2.1 二极管的开关电路 设vi的高电平为VIH=VCC, vi的低电平为VIL=0,且D 为理想元件，即正向导通电阻为0,反向电阻无穷大， 则稳态时当vI=VIH=VCC时，D截止，输出电压vD= VOH= VCC

3.2.1半导体二极管的开关特性

当vI=VIL=0时，D导通， 输出电压vo= VOL =0即可以用输入电压vi的高低电 平控制二极管的开关状态，并在 输出端得到相应的高低电平 2.二极管动态特性：图3.2.1 二极管的开关电路

当电路处于动态状态，即二极管两端电压突然反 向时，半导体二极管所呈现的开关特性称为动态开关 特性(简称动态特性)

3.2.1半导体二极管的开关特性

二极管的动态电流波形如图3.2.3所示 这是由于在输入电压转 换状态的瞬间，二极管由反 向截止到正向导通时，内电 场的建立需要一定的时间

, 所以二极管电流的上升是缓 慢的；当二极管由正向导通 到反向截止时，二极管的电 流迅速衰减并趋向饱和电流 也需要一定的时间。由于时 间很短，在示波器是无法看 到的 图3.2.3 二极管动态电流波形

3.2.1半导体二极管的开关特性 在输入信号频率较低时， 二极管的导通和截止的转换时 间可以认为是瞬间完成的。但 在输入信号频率较高时，此时 间就不能忽略了。 将二极管由截止转向导 ton 通所需的时间称为正向恢复 时间(开通时间)ton;二极 管由导通转向截止所需的时 间称为反向恢复时间(关断 时间)tre,两者统称为二极 图3.2.3 二极管动态电流波形 管的开关时间，一般ton<< tre

tre