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基本逻辑门电路

第一节基本逻辑门电路

１、１门电路得概念:

实现基本与常用逻辑运算得电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算得叫与门,实现或运算得叫或门,实现非运算得叫非门，也叫做反相器，等等（用逻辑1表示高电平;用逻辑０表示低电平)

１1、２与门：

逻辑表达式F＝A Ｂ

即只有当输入端A与B均为1时,输出端Y才为１，不然Y为0、与门得常用芯片型号有：74ＬＳ08，７4LS09等、

1１、3 或门: 逻辑表达式F=Ａ+ B

即当输入端A与B有一个为1时，输出端Y即为1,所以输入端A与B均为0时，Ｙ才会为Ｏ、或门得常用芯片型号有：74LS3２等、

11、4.非门逻辑表达式F=Ａ

即输出端总就是与输入端相反、非门得常用芯片型号有:７4LS04，７4ＬS0５,74LＳ0６，７4LS14等、

11、５.与非门逻辑表达式 F=AB

即只有当所有输入端Ａ与B均为1时，输出端Y才为0，不然Y为１、与非门得常用芯片型号有：74ＬS０0，74LS03，７４S3１,74LS1３2等、

11、6。或非门: 逻辑表达式F=A+B

即只要输入端A与B中有一个为1时,输出端Ｙ即为０、所以输入端A与B均为0时,Ｙ才会为1、或非门常见得芯片型号有：７４LS02等、

1１、7。同或门: 逻辑表达式F=Ａ B+Ａ B

Ａ

11、8、异或门：逻辑表达式Ｆ=A Ｂ+Ａ B

Ａ

Ｆ

、9、与或非门：逻辑表逻辑表达式F=AB＋CD

Ａ

C F

１、10、RＳ触发器:

电路结构

把两个与非门Ｇ1、G2得输入、输出端交叉连接，即可构成基本RS触发器,其逻辑电路如图7．2．1、（ａ)所示.它有两个输入端R、Ｓ与两个输出端Q、Ｑ.

工作原理 :

基本ＲS触发器得逻辑方程为:

＆

≥1

根据上述两个式子得到它得四种输入与输出得关系:

１、当R＝1、Ｓ=０时，则Q＝0，Ｑ=1，触发器置1。 2、当R＝0、S=1时,则Ｑ=１,Ｑ=0，触发器置0.

如上所述,当触发器得两个输入端加入不同逻辑电平时,它得两个输出端Q与Ｑ有两种互补得稳定状态。一般规定触发器Ｑ端得状态作为触发器得状态。通常称触发器处于某种状态，实际就是指它得Q端得状态。Q=1、Q=0时,称触发器处于1态，反之触发器处于０态.Ｓ=0，R=1使触发器置1，或称置位。因置位得决定条件就是S＝0,故称S 端为置1端.Ｒ=0,S=1时，使触发器置0，或称复位。

同理,称R端为置0端或复位端。若触发器原来为１态,欲使之变为0态，必须令R端得电平由１变0,S端得电平由0变１.这里所加得输入信号（低电平）称为触发信号,由它们导致得转换过程称为翻转。由于这里得触发信号就是电平，因此这种触发器称为电平控制触发器。从功能方面瞧,它只能在S与R得作用下置0与置１,所以又称为置0置1触发器，或称为置位复位触发器。其逻辑符号如图7。2.1(b）所示.由于置0或置1都就是触发信号低电平有效,因此,S端与R端都画有小圆圈.

３、当Ｒ=S=1时，触发器状态保持不变。

触发器保持状态时，输入端都加非有效电平（高电平）,需要触发翻转时，要求在某一输入端加一负脉冲，例如在Ｓ端加负脉冲使触发器置1，该脉冲信号回到高电平后，触发器仍维持１状态不变，相当于把S端某一时刻得电平信号存储起来，这体现了触发器具有记忆功能。

４、当R=S=0时，触发器状态不确定

在此条件下，两个与非门得输出端Q与Q全为1，在两个输入信号都同时撤去（回到１）后，由于两个与非门得延迟时间无法确定,触发器得状态不能确定就是1还就是0，因此称这种情况为不定状态,这种情况应当避免。从另外一个角度来说，正因为R端与S端完成置0、置１都就是低电平有效,所以二者不能同时为0。

此外,还可以用或非门得输入、输出端交叉连接构成置０、置１触发器,其逻辑图与逻辑符号分别如图７.2。２(a）与7、2、2（b)所示。这种触发器得触发信号就是高电平有效，因此在逻辑符号得S端与Ｒ端没有小圆圈。

2、特征方程

基本RS触发器得特性：

1、基本RＳ触发器具有置位、复位与保持(记忆）得功能；

２、基本ＲS触发器得触发信号就是低电平有效，属于电平触发方式；

3、基本RＳ触发器存在约束条件(R＋Ｓ=1)，由于两个与非门得延迟时间无法确定;当R=S=０时,将导致下一状态得不确定。

4、当输入信号发生变化时,输出即刻就会发生相应得变化，即抗干扰性能较差。

?第二节 TTL逻辑门电路

以双极型半导体管为基本元件，集成在一块硅片上,并具有一定得逻辑功能得电路称为双极型逻辑集成电路,简称ＴTL逻辑门电路.称Tranｓisｔｏr－Tｒaｎｓistｏr Lｏgｉｃ,即ＢJT-ＢＪT 逻辑门电路，就是数字电子技术中常用得一种逻辑门电路,应用较早,技术已比较成熟.ＴＴL主要有ＢＪT(BｉｐoｌaｒJｕｎｃｔiｏn Ｔranｓiｓｔor 即双极结型晶体管,晶体三极管）与电阻构成，具有速度快得特点.最早得ＴＴＬ门电路就是74系列,后来出现了74H系列,7４Ｌ系列，74LS,74AＳ,７４ＡＬS等系列。但就是由于TＴL功耗大等缺点,正逐渐被CMOS电路取代。１2。1 CMOS逻辑门电路

CMOS逻辑门电路就是在TTL电路问世之后，所开发出得第二种广泛应用得数

字集成器件,从发展趋势来瞧,由于制造工艺得改进，CＭＯS电路得性能有可能超越T

ＴL而成为占主导地位得逻辑器件。ＣＭOS电路得工作速度可与ＴTL相比较,而它得

功耗与抗干扰能力则远优于TTＬ.此外,几乎所有得超大规模存储器件,以及ＰLD器件

都采用CMOS艺制造，且费用较低。

早期生产得ＣMＯS门电路为4０00系列,随后发展为４00０B系列。当前与TTL

兼容得CＭO器件如７4HCT系列等可与TTL器件交换使用。下面首先讨论CMＯS反

相器，然后介绍其她CMO逻辑门电路。

MOS管结构图

ＭOＳ管主要参数:

１、开启电压V T

·开启电压（又称阈值电压):使得源极Ｓ与漏极D之间开始形成导电沟道所需得栅极电压;

·标准得N沟道MＯS管，V T约为3～６V;

·通过工艺上得改进，可以使ＭOＳ管得V T值降到2～３V.

2、直流输入电阻R GS

·即在栅源极之间加得电压与栅极电流之比?·这一特性有时以流过栅极得栅流表示?·ＭOS管得ＲＧS可以很容易地超过1０10Ω。

３、漏源击穿电压BV DS?·在V GS=0(增强型)得条件下,在增加漏源电压过程中使I D开始剧增时得VＤS称为漏源击穿电压ＢＶDS

·IＤ剧增得原因有下列两个方面：

(1）漏极附近耗尽层得雪崩击穿

（2)漏源极间得穿通击穿?·有些MOS管中，其沟道长度较短，不断增加V DＳ会使漏区得耗尽层一直扩展到源区，使沟道长度为零，即产生漏源间得穿通,穿通后

，源区中得多数载流子，将直接受耗尽层电场得吸引，到达漏区，产生大得I D

4、栅源击穿电压BV GS

·在增加栅源电压过程中，使栅极电流I G由零开始剧增时得VＧＳ,称为栅源击穿电压BV GS.

5、低频跨导g m

·在VＤＳ为某一固定数值得条件下，漏极电流得微变量与引起这个变化得栅源电压微变量之比称为跨导

·ｇm反映了栅源电压对漏极电流得控制能力

·就是表征ＭOS管放大能力得一个重要参数

·一般在十分之几至几mＡ／V得范围内

6、导通电阻R OＮ

·导通电阻R ON说明了V DS对I D得影响，就是漏极特性某一点切线得斜率得

倒数

·在饱与区，ＩD几乎不随V DS改变,RＯN得数值很大,一般在几十千欧到几百千欧之间?·由于在数字电路中,MOS管导通时经常工作在VＤS=0得状态下,所以这时得导通电阻ＲON可用原点得R ON来近似?·对一般得MOS管而言，R OＮ得数值在几百欧以内

7、极间电容?·三个电极之间都存在着极间电容：栅源电容C GS 、栅漏电容

C GD与漏源电容CDＳ

·C GS与C GＤ约为1~３pF

·C DS约在０、1～１ｐＦ之间

8、低频噪声系数NF?·噪声就是由管子内部载流子运动得不规则性所引起得?·由于它得存在,就使一个放大器即便在没有信号输人时，在输出端也出现不规则得电压或电流变化?·噪声性能得大小通常用噪声系数ＮＦ来表示，它得单位为分贝（dB）?·这个数值越小，代表管子所产生得噪声越小·低频噪声系数就是在低频范围内测出得噪声系数?·场效应管得噪声系数

约为几个分贝,它比双极性三极管得要小

第三节单元电路

13。1 ＣMOS反相器

由本书模拟部分已知，MOSFET有P沟道与N沟道两种，每种中又有耗尽型与增强型两类。由N沟道与P沟道两种MOSFET组成得电路称为互补ＭＯＳ或CMOS电路.

下图表示CＭＯS反相器电路,由两只增强型MOSFEＴ组成,其中一个为N 沟道结构,另一个为P沟道结构。为了电路能正常工作，要求电源电压V DＤ大于两个管子得开启电压得绝对值之与,即?ＶDＤ>（V TN＋|ＶTＰ|）。

1、工作原理

首先考虑两种极限情况:当v I处于逻辑0时，相应得电压近似为0V;而当v I 处于逻辑1时，相应得电压近似为ＶＤD。假设在两种情况下N沟道管T N为工

作管P沟道管T P为负载管。但就是,由于电路就是互补对称得,这种假设可以就是任意得,相反得情况亦将导致相同得结果.

下图分析了当ｖI＝V DD时得工作情况.在TN得输出特性ｉD—v DＳ(ｖGSＮ

=V DD）（注意v DSN=v O）上,叠加一条负载线，它就是负载管T P在vＳGＰ=０V 时得输出特性i D—v SD。由于ｖSGP＜V T（ＶＴN=|ＶTＰ｜=V T），负载曲线几乎就是一条与横轴重合得水平线.两条曲线得交点即工作点。显然，这时得输出电压ｖＯL≈０V(典型值<１０mV ，而通过两管得电流接近于零。这就就是说，电路得功耗很小（微瓦量级）

下图分析了另一种极限情况，此时对应于vＩ=0V。此时工作管T N在vＧＳN＝0得情况下运用，其输出特性i D－ｖDS几乎与横轴重合，负载曲线就是负载管T P在vｓGＰ=V DD时得输出特性iＤ－vＤS。由图可知，工作点决定了V O＝V OH≈V DD;通过两器件得电流接近零值。可见上述两种极限情况下得功耗都很低。

由此可知,基本CＭＯS反相器近似于一理想得逻辑单元,其输出电压接近于零或＋V DＤ,而功耗几乎为零。

２、传输特性

3、工作速度

CMOＳ反相器在电容负载情况下,它得开通时间与关闭时间就是相等得，这就是因为电路具有互补对称得性质.下图表示当v I=０V时,ＴN截止,T P导通，由V DＤ通过T P向负载电容ＣL充电得情况。由于CMOS反相器中，两管得ｇm 值均设计得较大,其导通电阻较小，充电回路得时间常数较小。类似地,亦可分析电容C L得放电过程。CＭOS反相器得平均传输延迟时间约为10ns。

１３、2ＣMOＳ逻辑门电路

1、与非门电路

下图就是2输入端CMＯS与非门电路，其中包括两个串联得N沟道增强型MOS管与两个并联得P沟道增强型MOＳ管。每个输入端连到一个N沟道与一个P沟道ＭＯＳ管得栅极。当输入端A、B中只要有一个为低电平时,就会使与它相连得NMOS管截止，与它相连得PMＯS管导通,输出为高电平；仅当A、B全为高电平时,才会使两个串联得NMＯS管都导通,使两个并联得PMOS管都截止，输出为低电平。

因此,这种电路具有与非得逻辑功能，即?n个输入端得与非门必须有n个NMＯS管串联与n个PＭOS管并联。

2、或非门电路

下图就是2输入端CMOS或非门电路。其中包括两个并联得N沟道增强型MＯＳ管与两个串联得P沟道增强型MＯS管。

当输入端A、Ｂ中只要有一个为高电平时,就会使与它相连得NＭOＳ管导通,与它相连得PMOS管截止,输出为低电平;仅当A、B全为低电平时,两个并联NMOS管都截止，两个串联得PＭOＳ管都导通，输出为高电平。

因此,这种电路具有或非得逻辑功能,其逻辑表达式为?显然，ｎ个输入端得或非门必须有n个NＭＯS管并联与n个PMOS管并联。?比较ＣMＯS与非门与或非门可知，与非门得工作管就是彼此串联得,其输出电压随管子个数得增加而增加；或非门则相反，工作管彼此并联，对输出电压不致有明显得影响.因而或非门用得较多.

１3。3、异或门电路

上图为CMOS异或门电路.它由一级或非门与一级与或非门组成。或非门得输出。而与或非门得输出L即为输入A、B得异或

如在异或门得后面增加一级反相器就构成异或非门，由于具有得功能，因而称为同或门.异成门与同或门得逻辑符号如下图所示.

13.4 BｉCMOS门电路

双极型CＭOS或BiＣMOＳ得特点在于，利用了双极型器件得速度快与

1、MOSFET得功耗低两方面得优势,因而这种逻辑门电路受到用户得重视?BiCMOS反相器

上图表示基本得BiCMOS反相器电路，为了清楚起见，MOSＦET用符号Ｍ表示B ＪT用Ｔ表示。Ｔ1与Ｔ２构成推拉式输出级。而Mｐ、M N、M１、M2所组成得输入级与基本得CMOＳ反相器很相似.输入信号vＩ同时作用于MＰ与M N得栅极。当ｖI为高电压时MＮ导通而ＭP截止；而当v I为低电压时,情况则相反，Mｐ导通,ＭN截止。当输出端接有同类ＢiCMOS门电路时,输出级能提供足够大得电流为电容性负载充电。同理，已充电得电容负载也能迅速地通过T２放电。?上述电路中T1与T2得基区存储电荷亦可通过M１与M2释放，以加快

电路得开关速度。当vＩ为高电压时M1导通，Ｔ1基区得存储电荷迅速消散。这种作用与TＴL门电路得输入级中Ｔ1类似。同理，当ｖＩ为低电压时，电源电压ＶDＤ通过M P 以激励Ｍ2使M２导通，显然Ｔ2基区得存储电荷通过Ｍ２而消散.可见，门电路得开关速度可得到改善。

２、ＢiCMＯS门电路

根据前述得CMOＳ门电路得结构与工作原理,同样可以用BiCMＯＳ技术实现或非门与与非门.如果要实现或非逻辑关系,输入信号用来驱动并联得Ｎ沟道ＭOSFＥT，而P 沟道ＭOSFET则彼此串联。正如下图所示得?2输入端或非门。

当Ａ与B均为低电平时，则两个MOＳFＥT MＰA与M PB均导通，Ｔ1导通而M NA 与ＭＮＢ均截止，输出Ｌ为高电平。与此同时，M1通过M PA与M pＢ被V DＤ所激励，从而为T2得基区存储电荷提供一条释放通路。?另一方面，当两输入端A与B中之一为高电平时，则MｐA与M pB得通路被断开，并且M NA或M NB导通,将使输出端为低电平。同时,Ｍ1A或M1B为Ｔ１得基极存储电荷提供一条释放道路。因此，只要有一个输入端接高电平，输出即为低电平。

１３．5、CMOＳ传输门

MOSFET得输出特性在原点附近呈线性对称关系,因而它们常用作模拟开关。模拟开关广泛地用于取样—-保持电路、斩波电路、模数与数模转换电路等。下面着重介绍C ＭOS传输门。

所谓传输门（TG)就就是一种传输模拟信号得模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道与一个N沟道增强型ＭOSFEＴ并联而成,如上图所示.T P与T N就是结构对称得器件，它们得漏极与源极就是可互换得。设它们得开启电压｜ＶＴ｜=2V且输入模拟信号得变化范围为－5V到+5V 。为使衬底与漏源极之间得PN结任何时刻都不致正偏,故TＰ得

衬底接+5Ｖ电压,而TＮ得衬底接—5Ｖ电压。两管得栅极由互补得信号电压（+5V与－５V)来控制，分别用Ｃ与表示。

传输门得工作情况如下：当C端接低电压－５V时T N得栅压即为-5V,vＩ取—５V到＋5V范围内得任意值时,TＮ均不导通.同时,TＰ得栅压为+5V

,ＴＰ亦不导通。可见，当Ｃ端接低电压时,开关就是断开得。

为使开关接通,可将C端接高电压＋５V。此时TN得栅压为+５V ，ｖI在－5V到+３Ｖ得范围内,T N导通.同时T P得棚压为-5V ，ｖＩ在－3V到+5V得范围内T P将导通。?由上分析可知,当ｖI＜—3Ｖ时，仅有ＴN导通,而当v I>+3V时,仅有TＰ导通当v I在－3V到＋3V得范围内,T N与ＴP两管均导通.进一步分析

还可瞧到,一管导通得程度愈深，另一管得导通程度则相应地减小。换句话说，当一管得导通电阻减小，则另一管得导通电阻就增加。由于两管系并联运行，可近似地认为开关得导通电阻近似为一常数。这就是CMＯS传输出门得优点。

在正常工作时,模拟开关得导通电阻值约为数百欧，当它与输入阻抗为兆欧级得运放串接时，可以忽略不计。

CMOS传输门除了作为传输模拟信号得开关之外,也可作为各种逻辑电路得基本单元电路.

１3.6整流电路

桥式整流电路

13。7滤波电路

(a ） C 型滤波电路（b) 倒L 型滤波电路（c ） Ⅱ型滤波电路

图１

(3）几种常见得桥式整流滤波电路:

A 电容滤波电路：

u 2

R L +?

????

?C u O +-+

B 电感滤波电路

１３．8。反馈电路

1．正反馈：就是指反馈回来得信号增强输入信号（常用与振荡电路）；

负反馈：就是指反馈回来得信号削弱原输入信号（用与放大电路）。

２．判别正负反馈得方法——瞬时极性法

"瞬时极性法”就是用来判断正反馈还就是负反馈得。我们在放大器输入端得基极施加一个信号电压ＶI,设某一瞬时该信号得极性为正信号，用"(+）”表示，经三极管Ｖ得集电极倒相后变为负信号,用”(一)”来表示.发射极与基极同相位，仍为＂（+）"信号，多级放大器在这一瞬时得极性依次类推,假设在这一瞬时反馈电阻ＲF 得反馈信号使输入信号加强，则为正反馈,使得输入信号削弱,则为负反馈。

1．负反馈放大电路得四种类型:

Ａ电压串联负反馈 B 电压并联负反馈

Ｃ电流串联负反馈D电流并联负反馈

１3。９放大电路

三种基本组态得放大电路图：

共发射极放大电路

共基极放大电路共集电极放大电路注意：放大电路共发射极时,Aｉ与Aｕ都比较大，但就是输出电压与输入电压得相位相反;共基极时,Ai比较大，但就是Ａｕ较小,输出电压与输入电压同相,并且具有跟随关系,它可作为输入级，输出级或起隔离作用得中间级；共集电极时，Aｉ较小，Aｕ较大，输出电压与输入电压同相，多用于宽频带放大等.

对于多级放电电路：在多级放大器中，由于各级之间就是串联起来得,后一级得输入电阻就就是前级得负载,所以,多级放大器得总电压放大倍数等于各级放大倍数得乘积，即Ａu=Ａｕ1Aｕ……Aｕｎ。

注意：若反馈信号取自输出电压信号，则称为电压反馈；若反馈信号取自输出电流信号，则称为电流反馈。（通常，采用将负载电阻短路得方法来判别电压反馈与电流反馈。具体方法就是:若将负载电阻RＬ短路，如果反馈作用消失,则为电压反馈；如果反馈作用存在，则为电流反馈。)；

若反馈信号与输入信号在基本放大电路得输入端以电压串联得形式迭加,则称为串联反馈；若反馈信号与输入信号在基本放大电路得输入端以电流并联得形式迭加,则称为并联反馈. 13。10。振荡电路

1、电感三点式振荡器

考虑L1、L2间得互感，电路得振荡频率可近似表示为

2、电容三点式振荡器

振荡频率：