1、第一部分数字电路,第3章逻辑门电路与触发器,主讲教师：喻红,2,第3章逻辑门电路与触发器,3.1半导体器件的开关特性,3.4触发器,3.2 基本逻辑门电路,3.3基本逻辑门应用,3.5触发器的逻辑功能分类及功能转换,3,一、晶体二极管的开关特性,静态开关特性 ：什么条件下导通，什么条件下截止,动态开关特性 ：导通与截止两种状态之间转换过程的特性,在数字电路中，实现某种逻辑运算的电路称为逻辑门电路。主要由二极管、晶体管和MOS管构成 。这些晶体管大部分工作在导通和截止状态，相当于开关的“接通”和“断开” 。,3.1半导体器件的开关特性,4,（1）二极管正向导通时的特点及导通条件,VON ：门槛电
2、压或称阈值电压、开启电压,VD ：导通压降,VD =0.7V 视为硅二极管导通的条件,二极管正向导通时的等效电路,1晶体二极管静态开关特性,5,（2）二极管反向截止时的特点及截止条件,A截止条件：vD VON,B实际：vD0，保证二极管可靠截止,CVZ：二极管的反向击穿电压,二极管截止时的等效电路,6,Von：阈值(开启)电压 硅管0.5V,锗管0.1V。,VD:导通压降 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,VZ: 反向击穿电压,Is: 反向饱和电流,静态特性：,7,uo,uo,ui0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。,ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。
3、,Ui0.5V时，二极管导通。,8,2晶体二极管动态开关特性,动态过程（过渡过程）：二极管导通和截止之间转换过程。,t re反向恢复时间：二极管从导通到截止所需时间。,若二极管两端输入电压的频率过高，会使输入负电压的持续时间小于它的反向恢复时间，此时二极管将失去其单向导电性。,9,反向恢复时间：从导通到截止所需时间。 tre= ts + tt,V I,i,V1,V2,I1,I2,tre,t,Is: 反向饱和电流,0,动态特性：,t,ts,tt,ts存储时间tt渡越时间,（由于PN结电容中存有电荷电荷存储效应）,二极管开通时间很短 , 可忽略不计。,二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。,
4、10,二、晶体三极管的开关特性,三极管具有饱和、放大和截止三种工作状态，在数字电路中，静态主要工作于饱和和截止状态 。,NPN型硅三极管开关电路及其特性,11,（1）三极管的截止状态和可靠截止的条件,当vI很小，如vI0.5V时 ：,A.vBE小于开启电压，BE 间，CE间都截止,B三极管工作在Q1点或Q1点以下位置，三极管的这种工作状态叫截止状态,C.NPN硅三极管截止的条件为vBE0.5V，可靠截止的条件为vBE0V。,12,（2）三极管的放大状态,当输入电压vI0.7V时 ：,AvBE大于开启电压，BE 间导通,BvBE被钳在约0.7V，,C三极管工作在Q2点附近,于Q1和Q3之间,三极
5、管的 这种工作状态称为放大状态。,13,（3）三极管的饱和状态和可靠饱和的条件,当输入电压vI增加 ：,A. iB增加，工作点上移，当工作点上移至Q3点时，三极管进入临界饱和状态。,BiB再增加，输出iC将不再明显变化 。,C工作点向上移至Q3点以上，饱和深度增加，进入可靠饱和状态。 VCE=VCES0.3V,当输入电压vI增加 ：,14,三极管的截止状态,三极管的饱和状态,NPN型硅三极管开关等效电路,三极管作为开关使用时只需要：饱和状态和截止状态,输入信号为高电压时，应使三极管可靠地饱和；输入信号为低电压时，应使三极管可靠地截止。,15,晶体三极管在饱和与截止两种状态转换过程中具有的特性称
6、为三极管的动态特性。,（4）三极管开关的动态特性,三极管的开关过程和二极管一样，管子内部也存在着电荷的建立与消失过程。因此，饱和与截止两种状态的转换也需要一定的时间才能完成。晶体三极管动态特性通常用“开通时间”和“关闭时间”衡量。,开通时间 ton :为从输入信号正跃变瞬间到iC 上升到最大值ICmax的90所经历的时间。,关断时间toff ：从输入信号负跃变的瞬间，到iC 下降到0.1ICmax所经历的时间。,16,ton = td +tr ton开通时间,toff = ts +tf toff关断时间,td：延迟时间，上升到0.1Icmax,tr：上升时间， 0.1Icmax到0.9Icma
7、x,ts：存储时间，下降到0.9Icmax,tf：下降时间，下降到0.1Icmax,17,3.2基本逻辑门电路,1与门电路 VA=VB=0V VF=VA(或VB) +0.7 V = 0.7 V VA(或VB)=3V，V B (或VA)=0V VF= VB+0.7V= 0.7 VVA=VB=3V VF =VA(或VB)+0.7V=3.7 V 如果将高于3V电平代表逻辑1，低于0.7V电平代表逻辑0，将上述结果画在同一表中。,0000101 00111,与逻辑真值表,表中逻辑关系： 输入全1，输出为1，否则输出为0。 逻辑符号：,18,2或门电路,VA=VB=0V VF=VA(或VB) - 0.7
8、 V = -0.7 V VA(或VB)=3V，V B (或VA)=0V VF= VA - 0.7V= 2.3 VVA=VB=3V VF =VA(或VB) - 0.7V=2.3 V 如果将高于2.3V电平代表逻辑1，低于0V电平代表逻辑0，将上述结果画在同一表中。,0000111 01111,或逻辑真值表,表中逻辑关系： 输入全0，输出为0，否则输出为1。 逻辑符号：,19,3非门电路,VA=0V VF=3 V VA=3V VF= VC = 0.3 V如果将高于电平3V代表逻辑1，低于0.3V电平 代表逻辑0，将上述结果画在同一表中。,0110,非逻辑真值表,表中逻辑关系： 入有0，出为1，入有
9、1，出为0 。 逻辑符号：,20,TTL ：晶体管晶体管逻辑（Transistor一Transistor Logic）电路的简称。在TTL门电路中，输入和输出部分的开关元件均采用三极管（也称双极型晶体管），因此得名TTL数字集成电路。TTL电路在中、小规模集成电路方面应用广泛。由基本逻辑门组成的逻辑电路称为复合逻辑门。常用的有与非门、或非门、异或门和同或门。其特征为：,4复合逻辑门,21,与非门 或非门 异或门 同或门,名称表达式符号真值表逻辑功能,入全1出0否则出1,入全0出1否则出0,入同出0入异出1,入同出1入异出0,22,5正逻辑和负逻辑,在数字电路中，通常用电路的高电平和低电平来分别
10、代表逻辑1和逻辑0，在这种规定下的逻辑关系称为正逻辑。反之称为负逻辑。对于一个数字电路，既可以采用正逻辑，也可采用负逻辑。同一电路，如果采用不同的逻辑规定，那么电路所实现的逻辑运算是不同的。,除在特殊情况下注明为负逻辑外，通常采用正逻辑。,负逻辑输入 输 出 X YL L L L H HL H H L L HH L H L L HH H H H L L,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 0 0,1 1 1 0,0 1 1 1,0 0 0 1,正逻辑输入 输 出 X Y 或 与 或非 与非L L L L H HL H H L L HH L H L L HH H H H L L,0 01 1
11、,0 1 0 1,0 1 1 1,0 0 0 1,1 0 0 0,1 1 1 0,非或非 与 或与,23,0,3.3基本逻辑门应用,解：满足入全1，出为0的有(1)、(2)、(3)；同时满足入有0，出为1的有(1)、(2)、(3)。所以(1)、(2)、(3)都可作为输入C的波形 。,例1：已知三输入与非门中输入A、B和输出F的波形如图所示，请在(1)(5)波形中选定输入C的波形 。,24,例2：己知两输入与非门的输入波形如图A和B 所示，请在(1) (4)波形中选择输出F的波形。如果B=0，输出F波形如何 ？解：满足入全1，出为0的有 (2)、(4)；同时满足入有0，出为1的有(2) 。所以
12、(2) 是输出F波形。,25,例3：逻辑门的输入端A、B和输出波形图所示，请列出真值表，写出逻辑门的表达式。,解： A B F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 F=A+B 或,26,小结,1常用逻辑门电路有与、或、非、与非、或非和异或，其逻辑关系可用表达式、真值表、波形图和语言描述。2在逻辑体制中有正、负逻辑的规定。同样一个逻辑门电路，利用正、负逻辑可以进行逻辑变换。3TTL逻辑门电路是当前应用较广泛的门电路之一，特点是输出阻抗低，带负载能力较强，开关速度高。,27,1 触发器的工作特性触发器是一种具有记忆功能的电子器件，它具有如下特点： （1）触发器有两个互补的输出端Q和Q 。（
13、2）触发器有两个稳定状态。输出端Q=1、Q=0 称为“1”状态；Q=0、Q=1称为“0”状态。当输入信号不发生变化时，触发器状态稳定不变。（3）在一定输入信号作用下，触发器可以从一个稳定状态转移到另一个稳定状态，并在输入信号撤销后，保持新的状态不变。通常把输入信号作用之前的状态称为“现态”，而把输入信号作用后的状态称为触发器的“次态”。,3.4触发器,由上述特点可知，触发器是存储一位二进制信息的理想器件。,28,触发器：能够存储一位二进制信息的双稳态存储器件。特点：有两个能自动保持的稳态输出,具有记忆功能分类：按控制信号基本RS触发器时钟触发器按触发方式电平触发脉冲触发(主从触发)边沿触发按逻
14、辑功能RSDJKTT,29,2 RS触发器,用与非门组成的基本RS触发器（1）电路结构 由两个与非门的输入输出端交叉耦合。它与组合电路的根本区别在于，电路中有反馈线。,与非门组成的基本RS触发器 （a）逻辑图 （b）逻辑符号,它有二个输入端R、S，有两个输出端Q、Q。一般情况下，Q、Q是互补的。,30,（2）逻辑功能表,触发器的新状态Qn+1（也称次态）不仅与输入状态有关，也与触发器原来的状态Qn（也称现态或初态）有关。,31,（3）波形分析,例1、用与非门组成的基本RS触发器，设初始状态为0，已知输入R、S的波形图如下图，画出输出Q、Q的波形图。,解：由基本RS触发器的特性表可画出输出Q、Q
15、的波形如下图所示。图中虚线所示为考虑门电路的延迟时间的情况。,小结：基本RS触发器具有复位（Q=0）、置位（Q=1）、保持原状态三种功能，R为复位输入端，S为置位输入端，可以是低电平有效，也可以是高电平有效，取决于触发器的结构。,32,3. 边沿触发器,边沿触发器不仅将触发器的触发翻转控制在CP触发沿到来的一瞬间，而且将接收输入信号的时间也控制在CP触发沿到来的前一瞬间。因此，边沿触发器既没有空翻现象，也没有一次变化问题，从而大大提高了触发器工作的可靠性和抗干扰能力。以下介绍的触发器都是边沿触发方式的。,时钟触发器：触发器的输出不仅取决于输入R、S信号，还受到时钟脉冲CP的控制。时钟触发器的分
16、类：按触发方式分类电平触发脉冲触发 边沿触发,33,（1）D触发器,D触发器只有一个触发输入端D，因此，逻辑关系非常简单，如下表所示。 D触发器的特性方程为：Qn+1=D,边沿D触发器 也可分为正跳沿 D触发器 和负跳沿 D触发器。C1端子没有小圈表示正跳沿 D触发器，否则，是负跳沿 D触发器。,34,D触发器的功能表,D触发器的状态转换图,特性方程： Qn+1 = D,35,例 一正边沿D触发器，设初态为0，已知CP、D的波形，求输出Q、Q的波形,解：由D触发器的功能表可画出输出Q、Q的波形图。,36,（2） JK触发器,逻辑符号,逻辑功能JK Qn+1= J （与J相同）J=K=0 Qn+
17、1= Qn （ 不变） J=K=1 Qn+1 = Qn （翻转计数）CP=0时，封锁JK信号，输出不变。,工作原理CP =1时接收JK信号，输出不变； CP负跳瞬间，输出由JK而定：,边沿触发器的特点接受输入信号、触发翻转、封锁输入是在同一时刻（时钟脉冲有效跳变沿）完成。判断边沿触发器次态的依据是触发跳变沿前瞬间输入端的状态。,37,例1、触发器组成的电路如图所示，试根据D和CP波形画出Q的波形（设初态为0）。,解：第一个触发器是正跳沿D触发器，第二个JK触发器和与非门组成负跳沿D触发器。,38,（3）T触发器,在设计计数器时，常常会用到一种功能独特的触发器，当控制信号T=1时每来一个时钟信号
18、它的状态就翻转一次；而当T=0时，时钟信号到达后触发器的状态保持不变，通常把具有这种逻辑功能的触发器称为T触发器。 将JK触发器的J、K端连接在一起作为T端，就构成了T触发器，因此T触发器没有专门设计的定型产品。,39,（4）T 触发器,当T触发器的控制端T恒等于1时，其特性方程将变为Qn+1=Qn，即每来一个时钟脉冲，触发器的状态就翻转一次。通常把这种触发器称为T 触发器。由于T 触发器的T是取自英文单词Toggle（翻转）的第一个字母，所以有时也把它称为翻转触发器或计数触发器。可见，T 触发器只不过是T触发器的一种特殊情况。,令T=1，即可得T触发器。,40,触发器按功能分有RS、JK、D
19、、T、T五种类型，但最常见的集成触发器是JK触发器和D触发器。T、T触发器没有集成产品，如需要时，可用其他触发器转换成T或T触发器。JK触发器与D触发器之间的功能也是可以互相转换的。,1 用JK触发器转换成其他功能的触发器,3.5触发器的逻辑功能分类及功能转换,41,JK触发器转换成其它功能的触发器,（a）JKD （b）JKT （c）JKT,42,2用D触发器转换成其他功能的触发器,（1）DJK写出D触发器和JK触发器的特性方程 联立两式，得：,（2）DT写出D触发器和T触发器的特性方程 联立两式，得：,43,（3）DT写出D触发器和T触发器的特性方程 联立式两式，得：,D触发器转换成其它功能的触发器,（a）DJK （b）DT （c）DT,
