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第二章 逻辑门电路
主要内容： 二极管、BJT的开关特性，基本逻辑门电路，TTL逻辑门电路，MOS逻辑门电路的工作原理、逻辑功能、特性和使用方法，集成逻辑门电路的应用。 教学目的：
1.使学生了解半导体二极管、晶体管和MOS管的开关特性。 2.使学生了解TTL、CMOS逻辑门电路的组成和工作原理。
3.使学生掌握典型TTL、CMOS逻辑门电路的逻辑功能、特性、主要参数和使用方法。 4.了解ECL等其他逻辑门电路的特点。
重 点： 各种门电路的工作原理、外特性、特性曲线、参数指标及正确应用。 难 点： TTL逻辑门电路和MOS逻辑门电路的工作原理及外特性。
2.1 二极管的开关特性
1．二极管的静态特性
(1)加正向电压VF时，二极管导通，管压降VD可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。
DKVFIFRLVFIFRL
(2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二极管相当于一个断开的开关。
DKVRISRLVRRL
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压vi控制的开关。当外加电压vi为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在“开”态与“关”态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的动态特性。 2．二极管开关的动态特性
给二极管电路加入一个方波信号，电流的波形怎样呢？
ts为存储时间，tt称为渡越时间。tre＝ts十tt称为反向恢复时间。 反向恢复时间：tre＝ts十tt
产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间tre就是存储电荷消散所需要的时间。
D+iRLvI－
iIF(c)0IRtstt0.1IRt1t
P区耗尽层N区
+－P区中电子浓度分布N区中空穴浓度分布LnxLp
同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段时间称为开通时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，一般可以忽略不计。
2.2 三极管（BJT）的开关特性
1．三极管的三种工作状态
iC+VCCRCiCRb+1VCC/RCICS+IB5EDCBA0.7VVCCIB4=IBSIB3IB2IB1IB=0vCEbc3T2VI－iBVCEe-
（1）截止状态：当VI小于三极管发射结死区电压时，IB＝ICBO≈0，IC＝ICEO≈0，VCE≈VCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压。 （2）放大状态：当VI为正值且大于死区电压时，三极管导通。有
VI?VBEVII?? BRbRb
此时，若调节Rb↓，则IB↑，IC↑，VCE↓，工作点沿着负载线由A点→B点→C点→D点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为IC＝βIB。三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏。
（3）饱和状态：VI不变，继续减小Rb，当VCE ＝0.7V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应E点。此时的集电极电流用ICS表示，基极电流用IBS表示，有:
VCC-0.7VVCCICSVCCI??I?? CSBSRCRC??RC
再减小Rb，IB会继续增加，但IC不会再增加，三极管进入饱和状态。饱和时的VCE电压称为饱和压降VCES，其典型值为：VCES≈0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：IB＞ IBS 电压条件为：集电结和发射结均正偏。
三种工作状态比较
工作状态 条件 偏值情况 集电极电流 工 管压降 作 特 近似的等效电路 点 C、E间等效电路 截止 IB≈0 发射结电压<死区电压 IC≈0 VCE≈VCC cbeIBb0.7Vec放大 0
很小 相当开关闭合 很大 相当开关断开
2．三极管的动态特性
（1）延迟时间td——从vi正跳变的瞬间开始，到iC上升到0.1ICS所需的时间 （2）上升时间tr——iC从0.1ICS上升到0.9ICS所需的时间。
（3）存储时间ts——从vi下跳变的瞬间开始，到iC下降到0.9ICS所需的时间。 （4）下降时间tf——C从0.9ICS下降到0.1ICS所需的时间。
vIV10V2iCtICSICEOICS0.9ICSiCt0.1ICSttrtdtStf 开通时间ton= td +tr，关断时间toff= ts +tf
2.3 基本逻辑门电路
在数字系统中，大量地运用着执行基本逻辑操作的电路。这些基本的逻辑操作是“与”（AND）、“或”（OR）、“非”（NOT）。这些电路称为基本逻辑电路或门电路。什么是逻辑操作？例如，有的电气设备在送电时，必须先送低压后送高压，送低压是送高压的条件，这就是一种逻辑操作。门电路的输入信号用信号的有无、电平（Level）的高低来表示的。经过逻辑运算后的输出信号也是如此。早期的门电路主要由继电器的触点构成，后来采用二极管、三极管，目前则广泛应用集成电路。 2.3.1 非门（反相器） 2.3.1.1 三极管反相器
图2-3-1(a)是一个三极管反相器，它的输出端UO的状态总是与输入端的状态相反，是反相关系。电路参数Rb、Rc选择适当，使UI 为高电平时，晶体管的基极电流
IB?当工作点位于QS处，即处于饱和区时，所对应的基极电流是IBS，此时对应的集电极电流为ICS。ICS与IBS的比是饱和区的电流放大系数βS。见图18-1-1(b)和(c)。 此时三极管饱和导通，其集电极电流为
UI-UBERb
ICS? 当三极管的基极电流
VCC-UCESRc
IB?IV-UCESUI-UBE?IBS?CS?CCRb?S?SRc