数字电路教案阎石第三章逻辑门电路高等教育大学_高等教育-大学课件.pdf

学习好资料 欢迎下载 第 3 章 逻辑门电路 3.1 概述 逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。用逻辑 1 和 0 分别来表示电子电路中的高、低电平的逻辑赋值方式，称为正逻辑，目前在数字技术中，大都采用正逻辑工作；若用低、高电平来表示，则称为负逻辑。本课程采用正逻辑。获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。在数字集成电路的发展过程中，同时存在着两种类型器件的发展。一种是由三极管组成的双极型集成电路，例如晶体管-晶体管逻辑电路（简称 TTL 电路）及射极耦合逻辑电路（简称 ECL电路）。另一种是由 MOS 管组成的单极型集成电路，例如 N-MOS 逻辑电路和互补 MOS（简称COMS）逻辑电路。3.2 分立元件门电路 3.3.1二极管的开关特性 3.2.2三极管的开关特性 NPN 型三极管截止、放大、饱和3 种工作状态的特点 工作状态 截 止 放 大 饱 和 条 件 iB0 0iBIBS iBIBS 工 作 特 点 偏置情况 发射结反偏 集电结反偏 uBE0，uBC0，uBC0，uBC0 学习好资料 欢迎下载 集电极电流 iC0 iCiB iCICS ce 间电压 uCEVCC uCEVCCiCRc uCEUCES0.3V ce 间等效电阻 很大，相当开关断开 可变 很小，相当开关闭合 3.2.3二极管门电路 1、二极管与门 2、二极管或门 uA uB uY D1 D2 0V 0V 0V 5V 5V 0V 5V 5V 0V 4.3V 4.3V 4.3V 截止 截止 截止 导通 导通 截止 导通 导通 和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 3.2.4三极管非门 3.2.5组合逻辑门电路 1、与非门电路 2、或非门电路 3.3 集成逻辑门电路 一、TTL 与非门 1、电路结构 和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 （1）抗饱和三极管 作用：使三极管工作在浅饱和状态。因为三极管饱和越深，其工作速度越慢，为了提高工作速度，需要采用抗饱和三极管。构成：在普通三极管的基极 B 和集电极 C 之间并接了一个肖特基二极管（简称 SBD）。特点：开启电压低，其正向导通电压只有 0.4V，比普通硅二极管 0.7V 的正向导通压降小得多；没有电荷存储效应；制造工艺和 TTL 电路的常规工艺相容，甚至无须增加工艺就可制造出 SBD。（2）采用有源泄放电路 上图中的 V6、R3、R6组成。2、TTL 与非门的工作原理（1）V1的等效电路 V1是多发射极三极管，其有三个发射结为 PN 结。故输入级用以实现 A、B、C 与的关系。其等效电路如右图所示。（2）工作原理分析 输入信号不全为 1：如 uA=0.3V，uB=uC=3.6V 则 uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4导通 忽略 iB3，输出端的电位为：uY50.70.73.6V 输出 Y为高电平。输入信号全为 1：如uA=uB=uC 3.6V 则 uB1=2.1V，T2、T5导通，T3、T4截止 输出端的电位为：uY=UCES0.3V 输出 Y为低电平。功能表和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 逻辑表达式：集成与非门电路引脚排列图（顶视）：（74LS00 内含 4 个 2 输入与非门，74LS20 内含 2 个 4 输入与非门）3、电压传输特性和噪声容限（1）电压传输特性 定义：门电路输出电压 uo随输入电压变化的特性曲线称为电压传输特性。（电压传输特性曲线见课本图 3.3.3.）（2）概念 输入电平范围：高电平 UiHminUiHmax=1.25V；低电平 UiLminUiLmax=0.21.0V 关门电平。上述输入低电平中的最大值，即 UOFF=UiLmax=1.0V。只有当输入 uI UON 时，与非门才开通，输出低电平。阈值电压。工作在电压传输特性曲线转折区中点对应的输入电压称为阈值电压，又称为门槛电压。用 UTH表示。近似分析时，可以认为：当 uI UTH时，与非门工作在开通状态，输出低电平 UOL。（3）噪声容限 在输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。电路的噪声容限越大，其抗干扰能力就越强。4、输入负载特性 定义：输入电压 uI随输入端对地外接电阻 RI变化的曲线，称为输入负载特性。和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 （1）在 V2和 V5导通前，uI随 RI的增大而上升，输入电压 uI 在 RI上升到 V2和 V5开始导通时，uI不能用上式进行计算。当 uI上升到 1.1V 时，V1的基极电压被钳在 1.8V 上，V2和 V5导通，输出 uo为低电增 UOL，此后，uI不再随 RI的增大而升高。uI随 RI变化的曲线如上面右图所示。维持输出高电平的 RI最大值称为关门电阻，用 ROFF表示，其值约为 700。维持输出低电平的 RI最小值称为开门电阻，用 RON表示，其值约为 2。1K。5、输出负载特性 输出电压 uo随负载电流 IO变化的特性曲线称为输出负载特性。6、传输延迟时间 由于二极管、三极管由导通变为截止或由截止变为导通时，都需要一定的时间，再加上其它原因，输出电压 uo的脉冲波形不仅比输入波形延迟了一定的时间，而且波形的上升沿和下降沿也都变坏了。3.3.2低功耗肖特基系列 3.3.3其它功能的 TTL 门电路 TTL 集成逻辑门电路除与非门外，常用的还有集电极开路与非门、或非门、与或非门、三态门和异或门等。它们都是在上面所述的非门的基础上发展出来的。1、集电极开路与非门（OC 门）电路结构与逻辑符号 和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 作用与功能 问题的提出：为解决一般 TTL 与非门不能线与而设计的。（作用）功能：接入外接电阻 R 后：A、B 不全为 1 时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。A、B 全为 1 时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。外接电阻 R的取值范围为：应用（a）实现线与 （b）驱动显示器 （c）实现电平转换 2、与或非门 3、三态输出门（TSL门）电路结构和逻辑符号 工作原理 当EN0 时，二极管 D 截止，TSL 门的输出状态完全取决于输入信号 A、B 的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般与非门相同。当EN1 时，二极管 D 导通，一方面使 uC2=1V，V4截止；另一方面使 uB1=1V，从而使V2和 V5截止。输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平 3 种状态。三态输出门的应用（a）构成单向总线 （b）构成双向总线 TTL 数字集成电路及主要参数 TTL 系列集成电路 和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 74：标准系列，前面介绍的 TTL 门电路都属于 74 系列，其典型电路与非门的平均传输时间 tpd10ns，平均功耗 P10mW。74H：高速系列，是在 74 系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间 tpd6ns，平均功耗 P22mW。74S：肖特基系列，是在 74H 系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间 tpd3ns，平均功耗 P19mW。TTL 与非门主要参数（1）输出高电平 UOH：TTL 与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平 USH2.4V。（2）高电平输出电流 IOH：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。（3）输出低电平 UOL：TTL 与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值 UOL0.4V，标准低电平 USL0.4V。（4）低电平输出电流 IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。（5）扇出系数 NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般 TTL 门电路 NO8，功率驱动门的 NO可达 25。（6）最大工作频率 fmax：超过此频率电路就不能正常工作。（7）输入开门电平 UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平 USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般 TTL 门电路的 UON1.8V。（8）输入关门电平 UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平 USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般 TTL 门电路的 UOFF0.8V。（9）高电平输入电流 IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。（10）低电平输入电流 IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。（11）平均传输时间 tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。（12）空载功耗：与非门空载时电源总电流 ICC与电源电压 VCC的乘积。三、TTL 集成电路逻辑门电路的使用注意事项（1）关于电源等：对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）关于输入端：数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL 电路多余的输入端悬空表示输入为高电平（3）关于输出端：具有推拉输出结构的 TTL 门电路的输出端不允许直接并联使用。输出端不允许直接接电源 VCC或直接接地。和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 3.4 CMOS 集成逻辑门电路 一、CMOS 反相器 1、MOS 管的符号 增强型 NMOS 管和增强型 PMOS 管的符号如右图所示：2、CMOS 反相器 （1）uA0V 时，TN截止，TP导通。输出电压 uYVDD10V。（2）uA10V 时，TN导通，TP截止。输出电压 uY0V。二、其它功能的 CMOS 电路 CMOS 与非门和或非门 CMOS 与非门A、B 当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出 Y为高电平。只有当输入 A、B 全为高电平时，TN1和 TN2才会都导通，TP1和 TP2才会都截止，输出 Y才会为低电平。CMOS 或非门只要输入 A、B 当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出 Y为低电平。只有当 A、B 全为低电平时，TP1和 TP2才会都导通，TN1和 TN2才会都截止，输出 Y才会为高电平。2、漏极开路的 CMOS 门（OD 门）和 TTL 电路中的 OC 门一样，CMOS 门电路中也有漏极开路的门电路，即 OD 门。下图所示和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 为二输入漏极开路的与非缓冲/驱动器，也具有与非功能，其逻辑符号亦在下图标示出，与 OC 门符号相同。3、CMOS 传输门 电路结构与逻辑符号 工作原理 C0 时，即 C 端为低电平（0V）、端为高电平（VDD）时，TN和 TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。C1 时，即 C 端为高电平（VDD）、端为低电平（0V）时，TN和 TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。4、CMOS 三态输出门电路及逻辑符号如图所示。，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平 3 种状态，是一种三态门。和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 5、CMOS 异或门（略）三、高速 CMOS 门电路四、CMOS 数字集成电路的特点与系列 1、特点（1）CMOS 电路的工作速度比 TTL 电路的低。（2）CMOS 带负载的能力比 TTL 电路强。（3）CMOS 电路的电源电压允许范围较大，约在 318V，抗干扰能力比 TTL 电路强。（4）CMOS 电路的功耗比 TTL 电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过 100W。（5）CMOS 集成电路的集成度比 TTL 电路高。（6）CMOS 电路适合于特殊环境下工作。（7）CMOS 电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是 CMOS 电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。2、系列（1）CMOS4000 系列（2）高速 CMOS 电路系列 3、CMOS4000 系列和 HCMOS 系列的比较 五、CMOS 集成逻辑门的使用注意事项 （1）关于电源等：对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）关于输入端：CMOS 电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）关于输出端：输出端不允许直接与电源 VDD或与地（VSS）相连。本章小结 利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OC 门、OD门和传输门。随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。TTL 电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。CMOS 电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS 电路的工作速度已有了大幅度的提高。和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集学习好资料 欢迎下载 和分别来表示电子电路中的高低电平的逻辑赋值方式称为正逻辑目前在数字技术中大都采用正逻辑工作若用低高电平来表示则称为负逻辑本课程采用正逻辑获得高低电平的基本方法利用半导体开关元件的导通截止即开关两种工作状管晶体管逻辑电路简称电路及射极耦合逻辑电路简称电路另一种是由管组成的单极型集成电路例如逻辑电路和互补简称逻辑电路分立元件门电路二极管的开关特性三极管的开关特性型三极管截止放大饱和种工作状态的特点工作状态资料欢迎下载集电极电流间电压间等效电阻很大相当开关断开可变很小相当开关闭合二极管门电路二极管与门二极管或门截止截止截止导通导通截止导通导通学习好资料欢迎下载三极管非门组合逻辑门电路与非门电路或非门电路集