第二章門電路邏輯門電路：用以實現(xiàn)基本和常用邏輯運算的電子電路。簡稱門電路?；竞统Ｓ瞄T電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。邏輯變量取值0和1：電子電路中用高、低電平來表示。高、低電平：利用半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通、截止（即開、關(guān)）表示兩種工作狀態(tài)。2.1二極管和三極管的開關(guān)特性2.1.2二極管的開關(guān)特性二極管符號：正極負(fù)極＋uD－

二極管伏安特性曲線2.1.1理想開關(guān)的開關(guān)特性1.靜態(tài)特性由上圖可以看出：①二極管加正向電壓時導(dǎo)通，伏安特性很陡、壓降很?。ü韫転?.7V，鍺管為0.3V），可以近似看作是一個閉合的開關(guān)。②二極管加反向電壓時截止，反向電流很?。╪A級），可以近似看作是一個斷開的開關(guān)。把uD<UT=0.5V看成是硅二極管的截止條件。Ui=-2V時，二極管截止，如同開關(guān)斷開，uo＝0V。ui＝3V時，二極管導(dǎo)通，如同0.7V的電壓源，uo＝2.3V。靜態(tài)開關(guān)特性2.動態(tài)特性

在低速脈沖電路中，二極管開關(guān)由接通到斷開，或由斷開到接通所需要的轉(zhuǎn)換時間通常是可以忽略的。然而在數(shù)字電路中，二極管開關(guān)經(jīng)常工作在高速通斷狀態(tài)。由于PN結(jié)中存儲電荷的作用，及結(jié)電容CJ和擴散電容CD的存在，二極管開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換不能瞬間完成，需經(jīng)歷一個過程。二極管開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程如圖所示。二極管開關(guān)的轉(zhuǎn)換過程開通時間ton當(dāng)輸入電壓uI，由UIL跳變到UIH時，二極管D要經(jīng)過導(dǎo)通延遲時間td、上升時間tr之后，才能由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)換到導(dǎo)通狀態(tài)。其原因在于，當(dāng)uI正跳變時，只有當(dāng)PN結(jié)中電荷量減少，PN結(jié)才由反偏轉(zhuǎn)換到正偏，也即Cj放電，CD充電關(guān)斷時間toff當(dāng)輸人電壓uI。由UIH跳變到UIL時，二極管D經(jīng)過存儲時間ts、下降時間(也稱為渡越時問)tf之后，才會由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)。ts是存儲電荷消散時間，tf是PN結(jié)由正偏到反偏，PN結(jié)中電荷量逐漸增加到截止?fàn)顟B(tài)下穩(wěn)態(tài)值的時間，也即CD放電、Cj充電的時間。關(guān)斷時間toff也稱為反向恢復(fù)時間，常用trr表示。2.1.3三極管的開關(guān)特性

由三極管的工作原理可知，三極管的輸出特性可劃分為3個區(qū)域：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)。三極管在輸入信號的作用下穩(wěn)定地處于飽和區(qū)時就相當(dāng)于開關(guān)接通；處于截止區(qū)時相當(dāng)于開關(guān)斷開。①ui=UIL=-2V時，三極管截止，基極電流：ib≈0，ic≈0，uo≈Vcc=12V②ui＝UIH=3V時，三極管導(dǎo)通，基極電流：三極管臨界飽和時的基極電流：因為iB>IBS，三極管工作在深度飽和狀態(tài)。輸出電壓：uo＝UCES＝0.3V靜態(tài)開關(guān)特性＋－RbRc+VCCbce＋－截止?fàn)顟B(tài)ui=UIL<0.5Vuo=+VCC＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V飽和狀態(tài)ui=UIHuo=0.3V3.動態(tài)特性

晶體三極管在截止?fàn)顟B(tài)和飽和狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換時的過渡特性稱為三極管的動態(tài)特性。

如果在三極管基極輸入一個理想的矩形波，而集電極電流iC的波形卻不是理想的矩形波，如下圖所示，其上升沿和下降沿變化緩慢，而且上升部分和下降部分與輸入波形相比都有時間延遲。這說明三極管飽和與截止?fàn)顟B(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程需要一定的時間才能完成，即三極管開關(guān)在動態(tài)情況下也存在一定的開關(guān)時間。開關(guān)時間的大小將直接影響三極管的開關(guān)速度。三極管的動態(tài)開關(guān)特性

2.1.4MOS管的開關(guān)特性MOS晶體管

MOS:（Metal-Oxide-Semiconductor）金屬─氧化物─半導(dǎo)體MOS晶體管是MOS邏輯門的基本構(gòu)成部分；MOS：①源極S、漏極D、柵極G；

②是電壓控制器件；③柵極電壓控制漏源電流。以N溝道增強型為例分析其特性。1．輸出特性曲線和閾值電壓

①當(dāng)VGS<VTN時，→T截止

，iD=0②當(dāng)VGS≥VTN時，→T導(dǎo)通，iD>0三個工作區(qū)：Ⅰ區(qū)：VDS很小，即VDS<VGS-VTN，iD隨VDS線性上升。且VGS不同，上升的斜率就不同為可變電阻區(qū)；Ⅱ區(qū)：VDS較大，有：VDS≥（VGS-VTN），iD基本不變?yōu)楹懔鲄^(qū)；Ⅲ區(qū)：VGS<VTN時，iD=0，截止區(qū)。注意：開關(guān)應(yīng)用時MOS管交替工作于截止區(qū)和可變電阻區(qū)。

2．轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)

轉(zhuǎn)移特性：VDS一定時，iD與VGS之間的關(guān)系

gm表示VGS對iD的控制能力。3．輸入電阻和輸入電容

rin>1012Ω(靜態(tài)負(fù)載能力很強)Cin<幾皮法(為動態(tài)MOS電容和大規(guī)模存儲電路的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件)4．直流導(dǎo)通電阻ronMOS管的開關(guān)作用當(dāng)ui較小時MOS管截止uo=VDD當(dāng)ui較大時MOS管導(dǎo)通動態(tài)特性2.2分立元件門電路1、二極管與門Y=AB2、二極管或門Y=A+B3、三極管非門①uA＝0V時，三極管截止，iB＝0，iC＝0，輸出電壓uY＝VCC＝5V②uA＝5V時，三極管導(dǎo)通?；鶚O電流為：iB＞IBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓uY＝UCES＝0.3V。三極管臨界飽和時的基極電流為：2.3CMOS集成門電路CMOS反相器

CMOS集成電路是用N溝道MOS管和P溝道MOS管按互補對稱的方式連接起來構(gòu)成的一種電路形式。常用（CD4000）系列2.4獻(xiàn)T煉TL餐集成朝門蛋電路TTL門批電路是晶似體管-晶徹體管邏輯欣（Tra打nsis樂tor-牢Tran嚴(yán)sist濤orL截ogic州）門電路道的簡稱，霧這種電路秀由于其輸狠入級和輸碌出級均采夕用晶體三節(jié)極管而得蠢名。按照國際購?fù)ㄓ脴?biāo)準(zhǔn)濟(jì)，根據(jù)工岔作溫度不尾同，TT峽L電路分飯為54系倡列（-5嗓5℃～1奇25℃）丟和74系導(dǎo)列（0℃爬～70℃背）；根據(jù)習(xí)工作速度牽和功耗不洗同，TT滔L電路又占分為標(biāo)準(zhǔn)坑系列、高色速（H）州系列、肖扶特基（S間）系列和系低功耗肖弟特基（L廉S）系列蹈。2.4納.1仙TT泥L非門柴(反相甘器）一.T洞TL非門掃的電路結(jié)萬構(gòu)TTL非買門的基本各電路如下旗圖所示，抓它由輸入葵級、中間逢級和輸出粘級三部分趨組成。①輸入特信號uA=0V0V則uB1=0+考0.7棕=0.輕7V，燈T2、T4截止，T3、D導(dǎo)通忽略iB3，輸出粘端的電擾位為：輸出Y扔為高電夏平uY≈5―0汁.7―0蠅.7＝3彈.6V3.6V②輸入刃信號uA=3.6母V2.1吊V則uB1=2.1仗V，T2、T4導(dǎo)通，加T3、D截瓜止輸出端的寨電位為：uY=UCES＝0.卷3V輸出Y為低電肚平。2.T請TL非門端的工作原慢理（1）當(dāng)支A端輸妖入為低電跡平0V粗時，T1的發(fā)射結(jié)鏟導(dǎo)通，其往基極電壓猶等于輸入脾低電壓加輕上發(fā)射結(jié)型正向壓降養(yǎng)。此閉時ib2=0，T2、T4都截止摔,ub3≈5V，殲T3和D導(dǎo)燈通,輸竊出電壓齡為：uo=3.6旨V實現(xiàn)翻了“輸入攏為低，輸正出為高”鼻的邏輯關(guān)赤系。（2）些當(dāng)A輸繁入高電平積3.6V等時，T1處于發(fā)射更結(jié)和集電魯結(jié)處于倒鉛置使用的規(guī)放大狀態(tài)莊。當(dāng)ub1達(dá)到2折.1V垮時T1的BC艙結(jié)和T2、學(xué)T4飽咐和導(dǎo)通冊，輸出般為低電啟平，即uo≈UCES≈0.3陷V此時uC2=UCES宏2+uB4=0.卷3+0杜.7=李1.0俗V使T3和D處于菜截止?fàn)顟B(tài)每。實現(xiàn)了爸“輸入急為高，湖輸出為疫低”的機邏輯關(guān)舟系。輸入特瓜性及有名關(guān)參數(shù)輸入特性自是門電路鎖輸入電流貼和輸入電澡壓之間的沃關(guān)系。它津反映電路鄭對前級信吧號源的影勸響并關(guān)系蛋到如何正卷確地進(jìn)行賊門電路之郵間以及門它電路與其容他電路之濱間的連接捧問題。（1）輸入偏特性1.輸候入伏安刷特性反映輸項入電流物iI和uI關(guān)系的凈曲線為傅輸入伏星安特性晉曲線①輸入襲短路電流臘IISui=0時的禁輸入電流窄稱為輸入披短路電流皮IIS。測試時溝，被測的吹輸入端接盼地，相當(dāng)蹲于反相器葵輸入端流爭出的的電董流。IIS典型值為革1.5m否A左右，福不得大于懇2.2m慌A。②輸載入漏電猴流IIH非門輸朽入端為董高電平失ui=3.6龍V時，此古時T1為倒置倚工作狀渠態(tài)。IIH為流入高氏電平輸入懷端的電流蠅，稱為輸瞞入漏電流追。IIH典型值謠為10毫μA,焦不得超必過70搖μA。（2）針輸入繡負(fù)載特禾性輸入負(fù)私載特性猜指當(dāng)輸膽入端接灶上電阻貿(mào)Ri時，u臣i隨Ri變化的幫關(guān)系。在具體鈴使用門衣電路時繞，往往鎮(zhèn)需要在糕輸入端粗與地之否間或者土輸入端櫻與信號確之間接黃入電阻德，TT混L門電差路輸入丈端接電覽阻時的能等效電問路如圖疏所示。TTL門脫電路輸入哪端接電阻朱時的等效虛電路（1）開恐門電阻晉Ron要使反相耍器輸出uo≤0.3V偽，Ri只需大于夕2.5KΩ。因此把2.5繳KΩ作為開緒門電阻腿，用RON表示。（2）關(guān)門電東阻Roff當(dāng)Ri＜0.7遇KΩ時，反相健器就會輸雷出高電平壟。因此把0.7K愚Ω定位關(guān)門焦電阻，用Roff表示。因此當(dāng)Ri＞Ron時，反相鎮(zhèn)器輸出低干電平當(dāng)Ri＜Roff時，反相坦器輸出高肅電平當(dāng)Roff＜Ri＜Ron時，反相淋器輸出為華不穩(wěn)定狀騎態(tài)。二、輸出祥特性反相器輸碼出電壓uo與輸出來電流io之間的兔關(guān)系當(dāng)uo輸出為低物電平時為百灌電流負(fù)光載當(dāng)uo輸牛出為高電塊平時為拉山電流負(fù)載1.輸針出低電平靈時的輸出仰特性ui=UIHuo=UOL2.輸出字高電平時鐵的輸出特腐性ui=UILuo=UOH（三）秒電壓傳輸員特性電壓傳扎輸特性榆是指門栽電路輸蓄出電壓uo隨輸入拿電壓ui變化的特腿性，通常嶺用電壓傳蠟輸特性曲股線來表示妨，如圖所銹示。由圖可見探，隨著ui從0逐第漸增大翠，uo的變化過繭程可分為里4個階段招。（1）泊ui＜0.5V痰uo=3.6憑V為截冒止區(qū)（A值B段）（2）聰ui＞0.遣6V睡為線偵性區(qū)（祥BC段毯）（3）隨ui接近1.那4V為逮轉(zhuǎn)折區(qū)（薯CD段）滴此點電壓蠅為反相器漲的翻轉(zhuǎn)閥念值用Uth表示。（4）襖ui＞1.4宿Vuo≤0.圍3V期為飽和堡區(qū)（D映E段）2.輸錯入信號噪急聲容限在由若張干門電尖路組成花的數(shù)字瘋電路中急，前一芬級門電躬路的輸績出，就酷是后一菜級門電際路的輸臘入，因捏此與噪應(yīng)聲容限懸有直接艘關(guān)系的匙參數(shù)是副：輸出高處電平UOH：UOH是反相器優(yōu)處于截止掏狀態(tài)時的價輸出電壓毒，其典型坡值是3.拘6V，山產(chǎn)品規(guī)定再的最小值點UOHmi來n=2.4遞V。輸出低電陣平UOL：UOL是反相蘇器處于秘導(dǎo)通狀寄態(tài)時的日輸出電擋平，其貓典型值毀是0.株3V砌，產(chǎn)品嶺規(guī)定的代最大值蓄是UOLma敢x=0.4面V。輸入高畫電平UIH：UIH是對應(yīng)蒜于邏輯琴1狀態(tài)痰的輸入外電壓，塑其典型課值是3斗.6倉V，產(chǎn)務(wù)品規(guī)定賭的最小底值UIHmi閥n=2.唯0V泰。人們蛾常把它漲稱為開喪門電平獅，并記請作Uon它是保證曉反相器處蟲于導(dǎo)通狀肚態(tài)所允許葉的uI的最小樂值。輸入低肉電平UIL：UIL是對應(yīng)腹于邏輯襪0狀態(tài)危的輸入恢電壓，阿其典型匯值是0毒.3繳V，產(chǎn)肯品規(guī)定遵的最大漂值UILmax=0.8袋V，并炮稱之為關(guān)恒門電平，傲用Uoff表示。眾它是保詞證反相顏器處于偷截止?fàn)顒討B(tài)所允掃許的uI的最大申值。噪聲容索限示意棋圖2.4撫V2.0V0.8由V0.4V允許疊花加在輸渠入高電命平的最敘大噪聲楚電壓稱薯為高電茅平噪聲壺容限UNH。由圖腔可知UNH=UOHm煤in-UIHmi詳n當(dāng)UOHm臨in=2.昨4V、砍UIHmi使n=2.魔0V時面，UNH=0.4吹V。允許疊奴加在輸幕入低電堤平的最膝大噪聲董電壓稱銜為低電擦平噪聲死容限UNL。由圖漂可知UNL=UILma身x-UOLma大x當(dāng)UILm仔ax=0.8盆V、UOLm腸ax=0。4疊V時，UNL=0.4坡V。三.服動態(tài)特敘性1.悲傳輸延即遲時間是指如糧果在門站電路的辮輸入端隱加一個宅理想的難矩形波革，實驗絕和理論吃分析都占證明，委在輸出延端得到羞的脈沖樂不但要釋比輸入寨脈沖滯骨后，而皂且波形暴的邊沿瞧也要變搏壞。T格TL非薄門的傳幅輸時間遞波形如斑圖所示托。定義平均歡傳輸時間舒tpd2.動態(tài)的尖峰電流當(dāng)ui=UIL=0V蠅uB1=0.7費V姓T2、T4截止，荷輸出無恐負(fù)載時iB1iccui=0V（1）靜澇態(tài)電源電烏流ui=3.被6V當(dāng)ui=UIH=3.競6V證uB1=2.雹1V狼T2、T4導(dǎo)通，始T3、D截止iB1icciC2（2）戒動態(tài)電糕源尖峰渴電流在uI由UIL跳變到侮uIH過程中，攏icc會略有稀過沖。父但是，界當(dāng)uI由UIH跳變?yōu)閁IL時，電路翅在狀態(tài)轉(zhuǎn)裂換期間會金出現(xiàn)很大鄭的動態(tài)電踩源尖峰電醉流。因為呼在uI=UIH時，T2、T4飽和，刻尤其是害T4，其飽拳和程度所很深，睛當(dāng)uI由UIH跳變到牌UIL時，T2很快截止跳使T3、D導(dǎo)通督，而T4還來不葵及退出塊飽和狀林態(tài)，于鹽是從Vcc，經(jīng)R4、T3、D、蝴T4形成了低掙阻通路，鑄顯然在這銷種情況下坐，電源電引流icc要出現(xiàn)憂很大的紅尖峰，紐奉如下圖2.4饞.2筐幾河種常用穿門電路一、TT延L與非門電路特點：輸入級舍采用多發(fā)登射極晶體圣管，其他旱部分與T帆TL反相騾器相同。梢通過多發(fā)壺射極晶體愛管實現(xiàn)與行邏輯。TTL與涂非門的真閑值表ABCY00010011010101111001101111011110與非門銜典型產(chǎn)說品：74L歌S00每內(nèi)含4息個2輸跨入與非燙門，板74L么S20敘內(nèi)含2途個4輸炸入與非孕門。反相器或典型產(chǎn)濱品：7損4LS梢04內(nèi)讀含6個溫反相器或非門典餃型產(chǎn)品：縣74LS患02內(nèi)含仍4個2輸帳入或非門TTL與取或非門電教路與或非領(lǐng)門典型扛產(chǎn)品：鵲74L辛S51猜內(nèi)含2春個2×2輸入干與或非門四、T伐TL異捐或門有時需將泥兩個以上域的門輸出鬧端并聯(lián)以杯實現(xiàn)與邏快輯的功能違，把這種幸連接方式勵稱為“線踢與”。如妙果將兩個匠普通門電尊路的輸出航端連接在望一起，如皂圖所示。章當(dāng)一個門堡的輸出處貞于高電平腐，而另一無個門的輸蒜出為低電殺平時，將荷會產(chǎn)生很橫大的電流火，有可能面導(dǎo)致器件胖損壞，無疤法形成有壓用的線與檔邏輯關(guān)系積。2.4.寫3集鉆電極開路堵與非門（掃OC門）集電極開榴路與非門依是將推拉劍式輸出級瞇改為集電革極開路的姨三極管結(jié)公構(gòu)，做成尊集電極開文路輸出的得門電路（李Open才Col觸lect儉orG慌ate）放，簡稱為簽OC門，網(wǎng)其電路如登圖所示。將OC董門輸出旱連在一復(fù)起時，些再通過椅一個電勤阻接外住電源，為這樣可瘡以實現(xiàn)拜“線與具”邏輯攜關(guān)系。緒只要電湯阻的阻銹值和外艱電源電嗽壓的數(shù)抽值選擇預(yù)得當(dāng)，故就能做切到既保眾證輸出桿的高、澡低電平毒符合要啊求，而貼且輸出煌三極管聾的負(fù)載昌電流又糞不至于椒過大。據(jù)兩個O紫C門并喝聯(lián)時的購連接方它式如下役圖所示托。V’c乳c可根每據(jù)需要動