第二章逻辑门电路 在第一章里,我们初步认识了与、或、非三种基本逻辑运算和与非、或非、异或等常用 逻辑运算,在那里,这些运算关系都是用逻辑符号来表示的。而在工程中毎一个逻辑符号都 对应着一种电路,并通过集成工艺作成一种集成器件,称为集成逻辑门电路,逻辑符号仅是 这些集成逻辑门电路的“黑匣子”。本章将逐步揭开这些“黑匣子″的奥秘,介绍集成逻辑 门电路的两种主要类型TL和MoS门电路的工作原理、逻辑功能及外部特性,同时对内部 结构也作一简要介绍。 2.1基本逻辑门电路 能够实现逻辑运算的电路称为逻辑门电路。在用电路实现逻辑运算时,用输入端的电压 或电平表示自变量,用输出端的电压或电平表示因变量。 二极管与门和或门电路 1.与门电路 +Cc(+5V) B 图2.1.1二极管与门(a)电路b)逻辑符号 (1)VA=VB=0V。此时二极管D1和D2都导通,由于二极管正向导通时的钳位作用 L≈0V (2)VA=0V,VB=5V。此时二极管D1导通,由于钳位作用,≈0V,D2受反向电压 而截止 (3)VA=5V,VB=0V。此时D2导通,≈0V,D1受反向电压而截止 (4)A=B=5V。此时二极管D1和D2都截止,=Vcc=5V 把上述分析结果归纳起来列入表2.1.1中,如果采用正逻辑体制,很容易看出它实现逻 辑运算: L=A·B 增加一个输入端和一个二极管,就可变成三输入端与门。按此办法可构成更多输入端的
第二章 逻辑门电路 在第一章里，我们初步认识了与、或、非三种基本逻辑运算和与非、或非、异或等常用 逻辑运算，在那里，这些运算关系都是用逻辑符号来表示的。而在工程中每一个逻辑符号都 对应着一种电路，并通过集成工艺作成一种集成器件，称为集成逻辑门电路，逻辑符号仅是 这些集成逻辑门电路的“黑匣子”。本章将逐步揭开这些“黑匣子”的奥秘，介绍集成逻辑 门电路的两种主要类型 TTL 和 MOS 门电路的工作原理、逻辑功能及外部特性，同时对内部 结构也作一简要介绍。 2.1 基本逻辑门电路 能够实现逻辑运算的电路称为逻辑门电路。在用电路实现逻辑运算时，用输入端的电压 或电平表示自变量，用输出端的电压或电平表示因变量。 一． 二极管与门和或门电路 1．与门电路 A L B +V D D (a) (b) 3kΩ （ +5V） R CC 2 A & B L=A·B 1 图 2.1.1 二极管与门 （a）电路 （b）逻辑符号 （1）VA=VB=0V。此时二极管 D1 和 D2 都导通，由于二极管正向导通时的钳位作用， VL≈0V。 （2）VA=0V，VB=5V。此时二极管 D1 导通，由于钳位作用，VL≈0V，D2 受反向电压 而截止。 （3）VA=5V，VB=0V。此时 D2 导通，VL≈0V，D1 受反向电压而截止。 （4）VA=VB=5V。此时二极管 D1 和 D2 都截止，VL=VCC=5V。 把上述分析结果归纳起来列入表 2.1.1 中，如果采用正逻辑体制，很容易看出它实现逻 辑运算： L = A B 增加一个输入端和一个二极管，就可变成三输入端与门。按此办法可构成更多输入端的 与门
表21.1与门输入输出电压的关系 表212与逻辑真值表 输出 输入 输出 VA(V)VB(V) VL (V) 0055 2.或门电路 A L=A+ 图21.2二极管或门(a)电路(b)逻辑符号 213与门输入输出电压的关系 表214或逻辑真值表 输入 输出 输入 输出 VA(V)VB(V) 五(V) A 0 0 0055 可见,它实现逻辑运算 L=A+B 同样,可用增加输入端和二极管的方法,构成更多输入端的或门。 三极管非门电路 图21.3(a)是由三极管组成的非门电路,非门又称反相器。三极管的开关特性己在第 一章中作过详细讨论,这里重点分析它的逻辑关系。仍设输入信号为+5V或0V。此电路只 有以下两种工作情况 RC L=A L=A
表 2.1.1 与门输入输出电压的关系 表 2.1.2 与逻辑真值表 2．或门电路 A B L D D1 2 R A B L=A+B ≥1 (a) (b) 3kΩ 图 2.1.2 二极管或门 （a）电路 （b）逻辑符号 表 2.1.3 与门输入输出电压的关系 表 2.1.4 或逻辑真值表 可见，它实现逻辑运算： L=A+B 同样，可用增加输入端和二极管的方法，构成更多输入端的或门。 二． 三极管非门电路 图 2.1.3（a）是由三极管组成的非门电路，非门又称反相器。三极管的开关特性已在第 一章中作过详细讨论，这里重点分析它的逻辑关系。仍设输入信号为+5V 或 0V。此电路只 有以下两种工作情况： +V A L 1 T 2 3 R Rb CC C （ +5V） A L=A A L=A 1 1 (a) (b) 输入 输出 A B L 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 输入 输出 VA（V） VB（V） VL（V） 0 0 5 5 0 5 0 5 0 0 0 5 输入 输出 A B L 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 输入 输出 VA（V） VB（V） VL（V） 0 0 5 5 0 5 0 5 0 5 5 5
图2.1.3三极管非门(a)电路b)逻辑符号 (1)VA=0V。此时三极管的发射结电压小于死区电压,满足截止条件,所以管子截止, (2)VA=5V。此时三极管的发射结正偏,管子导通,只要合理选择电路参数,使其满 足饱和条件lB>lBs,则管子工作于饱和状态,有V=cs≈0V(0.3Vv)。 把上述分析结果列入表2.1.5中,此电路不管采用正逻辑体制还是负逻辑体制,都满足 非运算的逻辑关系。 表215非门输入输出电压的关系 表216非逻辑真值表 输入 输出 输出 VA (V) Vi (V) A L 0 三.DIL与非门电路 令,前面介绍的二极管与门和或门电路虽然结构简单,逻辑关系明确,但却不实用。例如在 2.1.4所给出的两级二极管与门电路中,会出现低电平偏离标准数值的情况。 为此,常将二极管与门和或门与三极管非门组合起来组成与非门和或非门电路,以消除 在串接时产生的电平偏离,并提高带负载能力。 +Icc(+5v) +Cc(+5V) 0.7V L 图2.1.4两级二极管与门串接使用的情况 图2.1.5所示就是由三输入端的二极管与门和三极管非门组合而成的与非门电路。其中, 作了两处必要的修正 (1)一将电阻Rb换成两个二极管D4、Ds,作用是提高输入低电平的抗干扰能力,即 当输入低电平有波动时,保证三极管可靠截止,以输出高电平。 (2)二是增加了R1,目的是当三极管从饱和向截止转换时,给基区存储电荷提供一个 泻放回路。 RI 4.7kQ
图 2.1.3 三极管非门 （a）电路 （b）逻辑符号 （1）VA=0V。此时三极管的发射结电压小于死区电压，满足截止条件，所以管子截止， VL=VCC=5V。 （2）VA=5V。此时三极管的发射结正偏，管子导通，只要合理选择电路参数，使其满 足饱和条件 IB＞IBS，则管子工作于饱和状态，有 VL=VCES≈0V（0.3V）。 把上述分析结果列入表 2.1.5 中，此电路不管采用正逻辑体制还是负逻辑体制，都满足 非运算的逻辑关系。 表 2.1.5 非门输入输出电压的关系 表 2.1.6 非逻辑真值表 三． DTL 与非门电路 前面介绍的二极管与门和或门电路虽然结构简单，逻辑关系明确，但却不实用。例如在 图 2.1.4 所给出的两级二极管与门电路中，会出现低电平偏离标准数值的情况。 为此，常将二极管与门和或门与三极管非门组合起来组成与非门和或非门电路，以消除 在串接时产生的电平偏离，并提高带负载能力。 0V 5V +V +V L 5V D D D D 3kΩ （ +5V） R CC 2 1 1 CC R 2 （ +5V） 0.7V 1.4V 3kΩ 图 2.1.4 两级二极管与门串接使用的情况 图 2.1.5 所示就是由三输入端的二极管与门和三极管非门组合而成的与非门电路。其中， 作了两处必要的修正： （1）一将电阻 Rb 换成两个二极管 D4、D5，作用是提高输入低电平的抗干扰能力，即 当输入低电平有波动时，保证三极管可靠截止，以输出高电平。 （2）二是增加了 R1，目的是当三极管从饱和向截止转换时，给基区存储电荷提供一个 泻放回路。 A B C L +V D D D 1 2 D D 3 1 R 2 3 CC（ +5V） R1 Rc T 4 5 P 3kΩ 1kΩ 4.7kΩ 输入 A 输出 L 0 1 1 0 输入 VA（V） 输出 VL（V） 0 5 5 0
图2.1.5D∏L与非门电路 该电路的逻辑关系为 (1)当三输入端都接高电平时(即IA=VB=Ic=5V),二极管D1~D3都截止,而D4 D5和T导通。可以验证,此时三极管饱和,V=Is≈0.3V,即输出低电平 (2)在三输入端中只要有一个为低电平0.3V时,则阴极接低电平的二极管导通,由于 二极管正向导通时的钳位作用,vp≈1V,从而使D4、D和T都截止,H=Vc=5V,即输出 高电平。 可见该电路满足与非逻辑关系,即: L=A·B.C 把一个电路中的所有元件,包括二极管、三极管、电阻及导线等都制作在一片半导体芯 片上,封装在一个管壳内,就是集成电路。图2.1.5就是早期的简单集成与非门电路,称为 二极管一三极管逻辑门电路,简称DIL电路。 2.2TTL逻辑门电路 DIL电路虽然结构简单,但因工作速度低而很少应用。由此改进而成的TTL电路,问 世几十年来,经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善,至今仍广泛应用,几乎占据 着数字集成电路领域的半壁江山 TTL与非门的基本结构及工作原理 1.TIL与非门的基本结构 我们以DIL与非门电路为基础,根据提高电路功能的需要,从以下几个方面加以改进, 从而引出TL与非门的电路结构。 1.6kg T D Re? 中间级 图221T∏L与非门电路 首先考虑输入级,DIL是用二极管与门做输入级,速度较低。仔细分析我们发现电路 中的D、D2、D3、D4的P区是相连的。我们可用集成工艺将它们做成一个多发射极三极管。 这样它既是四个PN结,不改变原来的逻辑关系,又具有三极管的特性。一旦满足了放大的 外部条件,它就具有放大作用,为迅速消散T2饱和时的超量存储电荷提供足够大的反向基 极电流,从而大大提高了关闭速度。详细情况后面再讲 +lca+5V口 9+Icc 0+5va A
图 2.1.5 DTL 与非门电路 该电路的逻辑关系为： （1）当三输入端都接高电平时（即 VA=VB=VC=5V），二极管 D1～D3 都截止，而 D4、 D5 和 T 导通。可以验证，此时三极管饱和， VL =VCES 0.3V ，即输出低电平。 （2）在三输入端中只要有一个为低电平 0.3V 时，则阴极接低电平的二极管导通，由于 二极管正向导通时的钳位作用，VP≈1V，从而使 D4、D5 和 T 都截止，VL=VCC=5V，即输出 高电平。 可见该电路满足与非逻辑关系，即： L = A B C 把一个电路中的所有元件，包括二极管、三极管、电阻及导线等都制作在一片半导体芯 片上，封装在一个管壳内，就是集成电路。图 2.1.5 就是早期的简单集成与非门电路，称为 二极管—三极管逻辑门电路，简称 DTL 电路。 2.2 TTL 逻辑门电路 DTL 电路虽然结构简单，但因工作速度低而很少应用。由此改进而成的 TTL 电路，问 世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据 着数字集成电路领域的半壁江山。 一． TTL 与非门的基本结构及工作原理 1．TTL 与非门的基本结构 我们以 DTL 与非门电路为基础，根据提高电路功能的需要，从以下几个方面加以改进， 从而引出 TTL 与非门的电路结构。 +V V 1 2 3 1 2 3 D 1 2 3 1 3 CC（ +5V） R 130Ω A B C T T T R T 4kΩ Rb 1 1 2 4 3 c2 c4 Re2 o V V c2 e2 输入级 中间级 输出级 1.6kΩ 1kΩ 图 2.2.1 TTL 与非门电路 首先考虑输入级，DTL 是用二极管与门做输入级，速度较低。仔细分析我们发现电路 中的 Dl、D2、D3、D4 的 P 区是相连的。我们可用集成工艺将它们做成—个多发射极三极管。 这样它既是四个 PN 结，不改变原来的逻辑关系，又具有三极管的特性。一旦满足了放大的 外部条件，它就具有放大作用，为迅速消散 T2 饱和时的超量存储电荷提供足够大的反向基 极电流，从而大大提高了关闭速度。详细情况后面再讲。 B A C +V +V 1 3 R P CC （+5V（ CC （+5V（ A B C T P P N P N N N b1 R 1
图222TL与非门输入级的由来(a)二极管与门(b)多发射极三极管 第二,为提高输出管的开通速度,可将二极管D改换成三极管T2,逻辑关系不变。同 时在电路的开通过程中利用T2的放大作用,为输出管T提供较大的基极电流,加速了输出 管的导通。另外T2和电阻R2、RB2组成的放大器有两个反相的输出端V和VE,以产生两个 互补的信号去驱动T3、T组成的推拉式输出级。 第三,再分析输出级。输出级应有较强的负载能力,为此将三极管的集电极负载电阻 Rc换成由三极管T、二极管D和Rc4组成的有源负载。由于T和T受两个互补信号V和 J的驱动,所以在稳态时,它们总是一个导通,另一个截止。这种结构,称为推拉式输出 级 2.TLL与非门的逻辑关系 因为该电路的输出高低电平分别为3.6V和0.3V,所以在下面的分析中假设输入高低 电平也分别为3.6V和0.3V。 (1)输入全为高电平3.6V时 T2、T3导通,VB1=0.7×3=2.1(V),从而使T的发射结因反偏而截止。此时T的发 射结反偏,而集电结正偏,称为倒置放大工作状态。 由于T饱和导通,输出电压为:V=VcEs≈0.3V 这时V=VB=0.7V,而V2=0.3V,故有V2=V2+I2=V。1V的电压作用于T的基极 使T和二极管D都截止 可见实现了与非门的逻辑功能之一:输入全为高电平时,输出为低电平 1.6kg 截止 2.1\ .4v 截止 T2饱和 T 倒置状态 Ra 饱和 3.6V 图223输入全为高电平时的工作情况 (2)输入有低电平0.3V时
图 2.2.2 TTL 与非门输入级的由来 （a）二极管与门 （b）多发射极三极管 第二，为提高输出管的开通速度，可将二极管 D5 改换成三极管 T2，逻辑关系不变。同 时在电路的开通过程中利用 T2 的放大作用，为输出管 T3 提供较大的基极电流，加速了输出 管的导通。另外 T2 和电阻 RC2、RE2 组成的放大器有两个反相的输出端 VC2 和 VE2，以产生两个 互补的信号去驱动 T3、T4 组成的推拉式输出级。 第三，再分析输出级。输出级应有较强的负载能力，为此将三极管的集电极负载电阻 RC换成由三极管 T4、二极管 D 和 RC4 组成的有源负载。由于 T3 和 T4 受两个互补信号 Ve2和 Vc2 的驱动，所以在稳态时，它们总是一个导通，另一个截止。这种结构，称为推拉式输出 级。 2．TTL 与非门的逻辑关系 因为该电路的输出高低电平分别为 3.6V 和 0.3V ，所以在下面的分析中假设输入高低 电平也分别为 3.6V 和 0.3V。 （1）输入全为高电平 3.6V 时。 T2 、T3 导通，VB1=0.7×3=2.1（V ），从而使 T1 的发射结因反偏而截止。此时 T1 的发 射结反偏，而集电结正偏，称为倒置放大工作状态。 由于 T3 饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V 这时 VE2=VB3=0.7V，而 VCE2=0.3V，故有 VC2=VE2+ VCE2=1V。1V 的电压作用于 T4 的基极， 使 T4 和二极管 D 都截止。 可见实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。 +V V 3.6V 1 3 1 2 3 1 2 3 D 1 2 3 CC（ +5V） R A C B T T T R T 1K Rb 1 1 2 4 3 c2 c4 Re2 o 2.1V 1.4V 0.7V 1V 0.3V 倒置状态 饱和 饱和 截止 截止 4kΩ 1.6kΩ 130Ω 图 2.2.3 输入全为高电平时的工作情况 （2）输入有低电平 0.3V 时