数字电路逻辑设计第三章集成逻辑门.ppt

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1、F1=ABF2=A+BABF=1F=AF=A B B内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路是什么样的，如何实现相应的逻辑功能？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？内部电路不同，逻辑功能相同，如何正确使用？知 识 回 顾 在数字集成电路的发展过程中,同时存在着两种器件的发展。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)。另一种是由MOS管组成的单极型集成电路,例如NMOS逻辑电路和互补MOS(简称CMOS)逻辑电路。TTL系列逻辑电路出现在19世纪60年代,它在此之前占据了数字集成电路的主导地位.随着计算技术和半导体技术的发展,19世纪80年

2、代中期出现了CMOS电路。虽然它出现晚一些,但因为它有效地克服了TTL和ECL集成电路中存在的单元电路结构复杂,器件之间需要外加电隔离,以及功耗大,影响电路集成密度提高的严重缺点,因而在向大规模和超大规模集成电路的发展中,CMOS集成电路已占有统治地位,而且这一优势将继续延伸。内 容 概 述集集成成逻逻辑辑门门双极型集成逻辑门双极型集成逻辑门MOS集成逻辑门集成逻辑门按器件类型分按器件类型分PMOSNMOSCMOS按集成度分按集成度分SSI（100以下以下个等效门）个等效门）MSI（10103 3个等效门）个等效门）LSI（10104 4个等效门）个等效门）VLSI（10104 4个以上等效门

3、）个以上等效门）本章内容本章内容基本逻辑门的基本逻辑门的基本结构基本结构、工作原理工作原理以及以及外部特性外部特性TTL、ECLI2L、HTL 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路3.3 TTL集成逻辑门集成逻辑门3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性晶体二极管开关特性:晶体二极管是由晶体二极管是由晶体二极管是由晶体二极管是由PNPN结构成，具有单向导电的特结构成，具有单向导电的特结构成，具有单向导电的特结构成，具有单

4、向导电的特性。在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作性。在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作性。在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作性。在近似的开关电路分析中，晶体二极管可以作为一个理想开关来分析；为一个理想开关来分析；为一个理想开关来分析；为一个理想开关来分析；在严格的电路分析中或者在高速开关电路中，在严格的电路分析中或者在高速开关电路中，在严格的电路分析中或者在高速开关电路中，在严格的电路分析中或者在高速开关电路中，晶体二极管则不能当作一个理想开关。晶体二极管则不能当作一个理想开关。晶体二极管则不能当作一个理想开关。晶体二极管则不能当作一个理想开关。注意注意注意注意数字电路中的二

5、极管与三极管数字电路中的二极管与三极管一、二极管伏安特性一、二极管伏安特性3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性(a)(a)二极管电路表示二极管电路表示(b)(b)二极管伏安特性二极管伏安特性(1)(1)加正向电压加正向电压V VF F时，二极管导通，管压降时，二极管导通，管压降V VD D可忽略。可忽略。二极管相当于一个闭合的开关。二极管相当于一个闭合的开关。二、二极管的开关特性二、二极管的开关特性1 1二极管的静态特性二极管的静态特性3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性 可可见见，二二极极管管在在电电路路中中表表现现为为一一个个受受外外加加电电压压vi控控制制的的开开关关。当当外外加

6、加电电压压vi为为一一脉脉冲冲信信号号时时，二二极极管管将将随随着着脉脉冲冲电电压压的的变变化化在在“开开”态态与与“关关”态态之之间间转转换换。这这个个转转换换过程就是二极管开关的过程就是二极管开关的动态特性动态特性。(2)(2)加反向电压加反向电压V VR R时，二极管截止，反向电流时，二极管截止，反向电流I IS S可忽略。可忽略。二极管相当于一个断开的开关。二极管相当于一个断开的开关。2 2二极管开关的动态特性二极管开关的动态特性 给二极管电路加入给二极管电路加入一个方波信号，电流的一个方波信号，电流的波形怎样呢？波形怎样呢？ts为为存存储储时时间间，tt称称为为渡渡越越时时间间，tr

7、ets十十tt称称为为反向恢复时间反向恢复时间。反向恢复时间：反向恢复时间：t treret ts s十十t tt t产生反向恢复过程的原因：产生反向恢复过程的原因：反向恢复时间反向恢复时间t trere就是存储电荷消散所需要的时间。就是存储电荷消散所需要的时间。同理，二极管从截止转为正向导通也需要时间，这段同理，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，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。一般可以忽略不计。三、三、晶体晶体晶体晶体三极管的开关特性三极管的开关特性基本单管共射电路基本单管共射电路基本单管共射电路基本

8、单管共射电路单管共射电路传输特性单管共射电路传输特性单管共射电路传输特性单管共射电路传输特性1.1.三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性三、三极管三、三极管的开关特性的开关特性三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态 （1 1）截止状态：）截止状态：当当V VI I小于三极管发射结死区电压时，小于三极管发射结死区电压时，I IB BI ICBOCBO00，I IC CI ICEOCEO00，V VCECEV VCCCC，三极管工作在截止区，对应图，三极管工作在截止区，对应图1.4.51.4.5（b b）中的）中的A A点。点。三极管工作在截止状态的条件为：发

9、射结反偏或小于死区电压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 此此时时，若若调调节节R Rb b，则则I IB B，I IC C，V VCECE，工工作作点点沿沿着着负负载载线线由由A A点点BB点点CC点点DD点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，点向上移动。在此期间，三极管工作在放大区，其特点为其特点为I IC CIIB B。三极管工作在放大状态的条件为：三极管工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏 （2 2）放大状态：）放大状态：当当V VI I为正值且大于死区电压时，三极管导通。有为正值且大于死区电压时，三极管导通。有 若若再再减减小小

10、R Rb b，I IB B会会继继续续增增加加，但但I IC C已已接接近近于于最最大大值值V VCCCC/R RC C，不不会会再再增增加加，三三极极管管进进入入饱饱和和状状态态。饱饱和和时时的的V VCECE电电压压称称为为饱饱和和压压降降V VCESCES，其其典典型型值为：值为：V VCESCES0.3V0.3V。三极管工作在饱和状态的电流条件为：三极管工作在饱和状态的电流条件为：I IB B I IBS BS 电压条件为：集电结和发射结均正偏电压条件为：集电结和发射结均正偏（3 3）饱饱和和状状态态：保保持持V VI I不不变变，继继续续减减小小R Rb b，当当V VCECE 0.

11、7V0.7V时时，集集电电结结变变为为零零偏偏，称称为为临临界界饱饱和和状状态态，对对应应图图（b b）中中的的E E点点。此此时时的的集集电电极极电电流流称称为为集集电电极极饱饱和和电电流流，用用I ICSCS表表示示，基基极极电电流流称称为为基基极极临界饱和电流，用临界饱和电流，用I IBSBS表示，有表示，有:解：解：根据饱和条件根据饱和条件IBIBS解题。解题。例例1.4.1 电电路路及及参参数数如如图图1.4.6所所示示，设设输输入入电电压压VI=3V，三三极极管管的的VBE=0.7V。（1 1）若）若6060，试试判断判断三极管三极管是否是否饱饱和，并求出和，并求出IC和和VO的值

12、的值。（2）将）将RC改为改为6.8kW W，重复以上计算。，重复以上计算。IBIBS 三极管饱和。IB不变，仍为0.023mA IBIBS 三极管处在放大状态。（3）将）将RC改为改为6.8kW W，再将，再将Rb改为改为60kW W，重复以上计算。，重复以上计算。由由上上例例可可见见，Rb、RC、等等参参数数都都能能决决定三极管是否饱和。定三极管是否饱和。则该电路的饱和条件可写为：则该电路的饱和条件可写为：即即在在VI一定（要保证发射结正偏）和一定（要保证发射结正偏）和VCC一定的条件下，一定的条件下，Rb越小，越小，越大，越大，RC越大，三极管越容易饱和。越大，三极管越容易饱和。在数字电

13、路中总是合理在数字电路中总是合理地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。地选择这几个参数，使三极管在导通时为饱和导通。IBS0.029 mAIBIBS 三极管饱和。2 2三极管的动态特性三极管的动态特性（1 1）延迟时间延迟时间t td d 从输入信号从输入信号v vi i正跳变的瞬间开始，到集电极正跳变的瞬间开始，到集电极电流电流i iC C上升到上升到0.10.1I ICSCS所需的时间所需的时间 （2 2）上升时间上升时间t tr r集电极电流从集电极电流从0.10.1I ICSCS上升到上升到0.90.9I ICSCS所需的时间。所需的时间。开通时间开通时间:（3 3）存储时间存

14、储时间t ts s从输入信号从输入信号v vi i下跳变的瞬间开始，到集电极电流下跳变的瞬间开始，到集电极电流i iC C下降到下降到0.90.9I ICSCS所需的时间。所需的时间。（4 4）下降时间下降时间t tf f集电极电流从集电极电流从0.90.9I ICSCS下降到下降到0.10.1I ICSCS所需的时间。所需的时间。关断时间关断时间:3.1 3.1 晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性晶体管的开关特性一、二极管与门和或门电路一、二极管与门和或门电路1与门电路与门电路 3.2 3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路 2或门电路或门电路二、三极管非门电路二、三极管非门电路

15、二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：（1 1）在在多多个个门门串串接接使使用用时时，会会出出现现低低电电平平偏偏离离标标准准数数值值的情况。的情况。（2 2）负载能力差）负载能力差解决办法：解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。三、三、DTL与非门电路与非门电路工作原理：工作原理：（1）当当A、B、C全全接接为为高高电电平平5V时时，二二极极管管D1D3都都截截止止，而而D4、D5和和T导通，且导通，且T为为饱和饱和导通导通，VL=0.3V=0.3V，即输出低电平。，即输出低电平。（2）A、B、C中中只

16、只要要有有一一个个为为低低电电平平0.3V时时，则则VP1V，从从而而使使D4、D5和和T都截止，都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：所以该电路满足与非逻辑关系，即：3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路 3.3 3.3 TTL逻辑门电路逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理与非门的基本结构及工作原理1TTL与非门的基本结构与非门的基本结构输输入入级级由由多多发发射射极极晶晶体体管管T1和和基基极极电电组组R1组组成成，它它实实现现了了输输入入变变量量A、B、C的的与与运运算算中间级由中间级由T2、R2和和R3组成，组成，T2的集电极

17、和的集电极和发射极可以分别提供发射极可以分别提供两个相位相反的信号两个相位相反的信号.输出级：由输出级：由T3、T4、D组成推拉式输出结构。组成推拉式输出结构。具有较强的负载能力具有较强的负载能力2 2TTL与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系（1 1）输入全为高电平）输入全为高电平3.63.6V时。时。T2 2、T3 3导通，导通，VB1 1=0.73=2.1=0.73=2.1（V ），），由于由于T3 3饱和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：VO O=VCES3CES30.30.3V这时这时T2 2也饱和导通，也饱和导通，故有故有VC2C2=VE2E2+VCE2CE2=1=1V。使使T4

18、 4和二极管和二极管D都截止。都截止。实现了与非门的逻辑功能之一：实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。2.1V0.3V该该发发射射结结导导通通，VB1 1=1=1V。所所以以T2 2、T3 3都都截截止止。由由于于T2 2截截止止，流流过过RC2 2的的电电流较小，可以忽略，所以流较小，可以忽略，所以VB4B4VCCCC=5=5V ，使，使T4 4和和D导通，则有：导通，则有：VO OVC CC C-VBE4BE4-VD D=5-0.7-0.7=3.6=5-0.7-0.7=3.6（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：实现了与非门的逻辑功能

19、的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平输入有低电平时，输出为高电平。综合上述两种情况，综合上述两种情况，该电路满足与非的该电路满足与非的逻辑功能，即：逻辑功能，即：（2 2）输入有低电平）输入有低电平0.30.3V 时。时。1V5V3.6V二、二、TTL与非门的开关速度与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。（2 2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。2 2TTL与非门传输延迟时

20、间与非门传输延迟时间tpd导导通通延延迟迟时时间间tPHL从从输输入入波波形形上上升升沿沿的的中中点点到到输输出出波波形形下下降降沿沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd是是tPHL和和tPLH的平均值。的平均值。即即 一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。三、三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力与非门的电压传输特性及抗干扰能力

21、1电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）1 1、电压传输特性电压传输特性TTL“TTL“与与非非”门门输输入入电电压压V VI I与与输输出出电电压压V VO O之之间间的的关关系系曲曲线线，即即 V VO O=f=f（V VI I）。）。截截止止区区当当V VI I0.6V0.6V，V Vb1b11.3V1.3V时时，T T2 2、T T3 3截截止止，输输出出高高电电平平V VOH OH=3.6V=3.6V线线 性性 区区 当当 0.6VV0.6VVI I1.3V1.3V，0.7VV0.7VV b2b21.4V1.4V时时，T T2 2导导通通，T T3 3仍仍截截止止，V

22、VC2C2随随V Vb2b2升升高高而而下下降降，使使V VO O下降下降转折区转折区饱和区饱和区三、三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力与非门的电压传输特性及抗干扰能力（1 1）输输出出高高电电平平电电压压V VOHOH在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“1”“1”的的输输出出电电压压。VOH的理论值为的理论值为3.63.6V，产品规定输出高电压的最小值，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4=2.4V。（2 2）输输出出低低电电平平电电压压V VOLOL在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“0”“0”的的输输出出电电压压。VOL的理论值为的理论值为0.3

23、0.3V，产品规定输出低电压的最大值，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4=0.4V。（3 3）关关门门电电平平电电压压V VOFFOFF是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOH（min）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入低低电电压压的的最最大大值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入低低电电平平电电压压，用用VIL（max）表示。产品规定表示。产品规定VIL（max）=0.8=0.8V。（4 4）开开门门电电平平电电压压V VONON是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOL（max）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入高高电电压压的的最最小小

24、值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入高高电电平平电电压压，用用VIH（min）表示。产品规定表示。产品规定VIH（min）=2=2V。（5 5）阈阈值值电电压压V Vthth电电压压传传输输特特性性的的过过渡渡区区所所对对应应的的输输入入电电压压，即即决决定定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：近似地：VthVOFFVON 即即ViVth，与非门关门，输出高电平；，与非门关门，输出高电平；ViVth，与非门开门，输出低电平。，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为又常被形象化地称为门槛电

25、压门槛电压。Vth的值为的值为1.31.3V1.1.V。2几个重要参数几个重要参数VoffVOHVonVOL低电平噪声容限低电平噪声容限 VNLVOFF-VIL0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVIH-VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限噪声容限。3 3抗干扰能力抗干扰能力四、四、TTL与

26、非门的带负载能力与非门的带负载能力1 1输入低电平电流输入低电平电流IIL与输入高电平电流与输入高电平电流IIH（1 1）输入低电平电流输入低电平电流IIL是指当门电路的输入端接低是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定IIL1.61.6mA。（2 2）输入高电平电流输入高电平电流I IIHIH是指当门电路的输入端接高电是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。平时，流入输入端的电流。有两种情况。寄生三极管效应：如图（寄生三极管效应：如图（a）所示。）所示。这时这时IIH=P PIB1B

27、1，P P为寄生三极管的为寄生三极管的电流放大系数。电流放大系数。由于由于p和和i的值都远小于的值都远小于1 1，所以所以IIH的数值比较小，产品规定：的数值比较小，产品规定：IIH4040uA。倒置的放大状态：如图（倒置的放大状态：如图（b）所）所示。这时示。这时IIH=iIB1B1，i为倒置为倒置放大的电流放大系数。放大的电流放大系数。（1 1）灌电流负载）灌电流负载2 2带负载能力带负载能力当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当当负负载载门门的的个个数数增增加加，灌灌电电流流增增大大，会会使使T3 3脱脱离离饱饱和和，输输出出低低电

28、电平平升升高高。因因此此，把把允允许许灌灌入入输输出出端端的的电电流流定定义义为为输输出出低低电电平平电电流流I IOLOL，产产品品规规定定IOL=16=16mA。由此可得出由此可得出:N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。（2 2）拉电流负载。）拉电流负载。NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：。由此可得出：当当驱驱动动门门输输出出高高电电平平时时，电电流流从从驱驱动动门门拉拉出出,流流至至负载门的输入端。负载门的输入端。拉拉电电流流增增大大时时，RC4C4上上的的压压降降增增大大

29、，会会使使输输出出高高电电平平降降低低。因因此此，把把允允许许拉拉出出输输出出端端的的电电流流定定义为义为输出高电平电流输出高电平电流I IOHOH。一一般般NOLNOH，常常取取两两者者中中的的较较小小值值作作为为门门电电路路的的扇扇出出系系数数，用用NO表示。表示。五、五、TTL与非门举例与非门举例7400740074007400是是一一种种典典型型的的TTL与与非非门门器器件件，内内部部含含有有4 4个个2 2输输入入端端与非门，共有与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。个引脚。引脚排列图如图所示。六、六、TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1 1非门非门2或非门或非门 3与

30、或非门与或非门 在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为称为线与线与。普通的普通的TTL门电路不能进行线与门电路不能进行线与。为此，为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。集电极开路门。4集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）TTL与非门电路与非门电路（一）（一）OCOC门的结构门的结构RLVC集电极开路与非门（集电极开路与非门（OC门）门）当当输输入入端端全全为为高高电电平平时时，T2、T5导导通通，输出输出F为低电平；为低电平；输输入入端端有有一一个个为

31、为低低电电平平时时，T2、T5截截止止，输输出出F高高电电平平接接近近电电源源电电压压VC。OC门完成门完成“与非与非”逻辑功能逻辑功能逻辑符号：逻辑符号：输出逻辑电平：输出逻辑电平：低电平低电平0.3V高电平为高电平为VC（5-30V）ABF（二）（二）OC门实现门实现“线与线与”逻辑逻辑FRLVC相当于相当于“与门与门”逻辑等效符号逻辑等效符号 负载电阻负载电阻RL的选择的选择（自看）（自看）（三）（三）OC门应用门应用-电平转换器电平转换器OC门门需需外外接接电电阻阻，所所以以电电源源VC可可以以选选5V30V，因因此此OC门门作作为为TTL电电路路可可以以和和其其它它不不同同类类型型不

32、不同同电电平平的的逻逻辑电路进行连接。辑电路进行连接。TTL电电路路驱驱动动CMOS电路图电路图CMOS电电源源电电压压VDD =5V时时，一一般般的的TTL门门可可以直接驱动以直接驱动CMOS门门CMOS电电 路路 的的 VDD=5V18V，特特 别别 是是VDD VCC时时，必必须须选选用用集集电电极极开开路路（OC门门）TTL电路电路分别用分别用TTL“TTL“与非与非”门和门和OCOC门，实现函数门，实现函数画出逻辑电路图。画出逻辑电路图。解：解：请同学画出实现电路！请同学画出实现电路！第三章 集成逻辑门5 5、三态逻辑门（、三态逻辑门（TSLTSL）（一）三态门工作原理三态门工作原理

33、非门，是三态门非门，是三态门的状态控制部分的状态控制部分E使能端使能端六管六管TTL与非门与非门增加部分增加部分当当 E=0时时，T4输输出出高高电电平平VC=1，D2截截止止，此此时时后后面面电路执行正常与非功能电路执行正常与非功能F=AB；101V1V输出输出F端处于高阻状态记为端处于高阻状态记为Z。T6、T7、T9、T10均截止均截止Z当当 E=1时，时，第三章 集成逻辑门除除具具有有TTL“与与非非”门门输输出出高高、低低电电平平状状态态外外，还还有有第第三三种种输输出出状状态态 高阻状态高阻状态，又称，又称禁止态或失效态禁止态或失效态使使能能端端的的两两种种控控制制方方式式低电平使能

34、低电平使能高电平使能高电平使能三态门的逻辑符号三态门的逻辑符号ABF EFAB E（二）（二）三态门的应用三态门的应用1.三态门广泛用于数据总线结构三态门广泛用于数据总线结构 任何时刻只能任何时刻只能有一个控制端有有一个控制端有效，即只有一个效，即只有一个门处于数据传输，门处于数据传输，其它门处于禁止其它门处于禁止状态。状态。总线总线（二）（二）三态门的应用三态门的应用2.数据的双向传输数据的双向传输 当当E=0时时，门门1工工作作，门门2禁禁止止，数据从数据从A送到送到B；E=1时时，门门1禁禁止止，门门2工工作作，数数据据从从B送到送到A。5.5.7474LS系系列列为为低低功功耗耗肖肖特

35、特基基系系列。列。6 67474AS系列系列为先进肖特基系列，为先进肖特基系列，它是它是7474S系列的后继产品。系列的后继产品。7 77474ALS系系列列为为先先进进低低功功耗耗肖肖特特基系列，是基系列，是74LS系列的后继产品。系列的后继产品。七、七、TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介1 17474系列系列为为TTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTL器件。器件。2 27474L系列系列为低功耗为低功耗TTL系列，又称系列，又称LTTL系列。系列。3 37474H系列系列为高速为高速TTL系列。系列。4 47474S系列系列为肖特基为肖特基TTL系列

36、，进一步提高了速度。如图示。系列，进一步提高了速度。如图示。3.3 TTL逻辑门电路逻辑门电路NMOSNMOS反相器反相器NMOSNMOS门电路门电路CMOSCMOS门电路门电路 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路 MOS管的开关特性管的开关特性数字逻辑电路中的数字逻辑电路中的MOSMOS管均是增强型管均是增强型MOSMOS管，它具有以下特点：管，它具有以下特点：当当|UGS|UT|时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合时，管子导通，导通电阻很小，相当于开关闭合 当当|UGS|UT|时，管子截止，相当于开关断开时，管子截止，相当于开关断开设设电电源源电电压压VDD=10V，开启电压

37、开启电压VT1=VT2=2V1.A输入高电平输入高电平VIH=8V时，时，2.A输入低电平输入低电平VIL=0.3V时，时，电路执行逻辑非功能电路执行逻辑非功能工作管工作管负载管负载管T1、T2均均导导通通，输输出出为为低低电平电平VOL 0.3V;T1截截止止T2导导通通，电电路路输输出出高高电电平平VOH=VDD-VT2=8V。3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路工作原理：工作原理：T1和和T2都导通，输出低电平都导通，输出低电平;2.当输出端有一个为低电平时，当输出端有一个为低电平时，与与低低电电平平相相连连的的驱驱动动管管就就截截止止，输出高电平。输出高电平。电路电路“与非与非”

38、逻辑功能：逻辑功能：注：注：增增加加扇扇入入，只只增增加加串串联联驱驱动动管管的的个个数数，但但扇扇入入不不宜宜过过多多，一一般不超过般不超过3。11通通通通01.当两个输入端当两个输入端A和和B均为高电平时均为高电平时01止通1 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路负载管负载管工作管工作管串联串联(一）CMOS反相器反相器PMOSNMOS衬衬底底与与漏漏源源间间的的PNPN结结始始终终处处于于反反偏偏，NMOSNMOS管管的的衬衬底底总总是是接接到到电电路路的的最最低低电电位位，PMOSPMOS管管的的衬衬底底总总是是接到电路的接到电路的最高电位最高电位柵柵极极相相连连做输入端做输入端

39、漏极相连漏极相连做输出端做输出端电电源源电电压压V VDDDDV VT1T1+|V+|VT2T2|，V VDDDD适适用用范范围围较较大大可可在在3 318V18V，V VT1T1-NMOS-NMOS的开启电压的开启电压V VT2T2-PMOS-PMOS的开启电压的开启电压工作原理：工作原理：1 1、输入为低电平输入为低电平V VIL IL=0V=0V时时V VGS1GS1V VT1T1T T1 1管截止管截止|V|VGS2GS2|V VT2 T2 电电路路中中电电流流近近似似为为零零（忽忽略略T T1 1的的截截止止漏漏电电流流）,V,VDDDD主主要要降降落落在在T T1 1上，输出为高电

40、平上，输出为高电平V VOHOHVVDDDDT T2 2导通导通2 2、输输入入为为高高电电平平V VIHIH =V VDDDD时时，T T1 1通通T T2 2止止，V VDDDD主主要要降降在在T T2 2上上，输输出为低电平出为低电平V VOLOL0V0V。实现逻辑实现逻辑“非非”功能功能 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路(二）CMOS传输门传输门栅栅极极控控制制电电压压为为互互补补信信号号，如如C=0，C=VDD工作原理：工作原理：当当C=0VC=0V，C=V C=VDDDD时时T TN N和和T TP P均均截截止止，V VI I由由0 0V VDDDD变变化化时时，传传输

41、输门门呈呈现现高高阻阻状状态态，相相当当于于开开关关断断开开，C CL L上上的的电电平平保保持持不不变变，这这种种状状态态称称为为传传输输门门保保存信息存信息当当C=VC=VDDDD，C=0V C=0V时，时，V VI I在在V VT TV VDDDD范范围围变变化化时时T TP P导通导通即即V VI I在在0 0V VDDDD范范围围变变化化时时，T TN N、T TP P中中至至少少有有一一只只管管子子导导通通，使使V VO O=V=VI I，这这相相当当于于开开关关接接通通，这这种种状状态态称称为为传传输输门门传输信息传输信息V VI I由由0 0（V VDDDD-V-VT T）范范

42、围变化时围变化时T TN N导通导通 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路(二）CMOS传输门传输门工作原理：工作原理：1.1.当当C C 为为低低电电平平时时，T TN N、T TP P截截止止传传输输门门相相当当于于开开关关断断开开，传传输输门门保保存信息，存信息，2.2.当当C C为为高高电电平平时时，T TN N、T TP P中中至至少少有有一一只只管管子子导导通通，使使V VO O=V=VI I，这这相相当当于于开开关关接接通通，传传输输门门传输信息。传输信息。由此可见传输门相当由此可见传输门相当于一个理想的开关，且是一个双向开关。于一个理想的开关，且是一个双向开关。逻辑符号逻

43、辑符号输入输入输出输出门门控控制制信号信号 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路(三）CMOS模拟开关模拟开关电路图电路图控控制制模模拟拟信信号号传传输输的一种电子开关，的一种电子开关，通通与与断断是是由由数数字字信信号控制的号控制的反相器的输入和输出反相器的输入和输出提供传输门两个反相提供传输门两个反相控制信号（控制信号（C C和和C C）传输门传输门1.电路结构电路结构2.逻辑符号逻辑符号逻辑符号 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路（四）（四）CMOS门电路门电路1.与非门与非门二输入二输入“与非与非”门电路结构如图门电路结构如图当当A A和和B B为高电平时为高电平时:1两

44、个串联的两个串联的NMOS TNMOS T1 1、T T2 2通通通通止止止止0101通通止止通通1止止当当A A和和B B有有一一个个或或一一个个以以上上为低电平时为低电平时:电路输出高电平电路输出高电平输出低电平输出低电平 电路实现电路实现“与非与非”逻辑功能逻辑功能两两 个个 并并 联联 的的PMOSPMOS管管T T3 3、T T4 4每每个个输输入入端端与与一一 个个 NMOS管管和和一一个个PMOS管的栅极相连管的栅极相连 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路2.“异或异或”门门由三个由三个CMOSCMOS反相器和反相器和一个一个CMOSCMOS传输门组成传输门组成传传输输门

45、门的的控控制信号制信号A、A当当A=B=0A=B=0时时00110TGTG断断开开，则则C=B=1C=B=1，F=C=0F=C=0。TG断开断开当当A=B=1A=B=1时，时，11TG接通110TGTG接接通通，C=B C=B=1=1，反反相相器器2 2的的两两只只MOSMOS管管都都截止，输出截止，输出 F=0F=0。输入端输入端A A和和B B相同相同得得：输输入入端端A A和和B B相相同同，输出输出 F=0F=0（四）（四）CMOS门电路门电路 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路2.“异或异或”门门 输入端输入端A A和和B B不同不同当当A=1A=1，B=0B=0时时10TG

46、TG导通导通001输出输出 F=1当当A=0A=0，B=1B=1时时01TGTG断开断开101输出输出 F=1得得：输输入入端端A A和和B B不不同同，输出输出 F=1F=1（四）（四）CMOS门电路门电路 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路2.“异或异或”门门 输入端输入端A A和和B B不同不同输出输出 F=1 输入端输入端A A和和B B相同相同输出输出 F=0F=0由由此此可可知知：该该电电路路实实现现的的是是“异异或或”的的逻逻辑功能。辑功能。（四）（四）CMOS门电路门电路 3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路1.1.功功耗耗小小：CMOSCMOS门门工工作作时时，

47、总总是是一一管管导导通通另另一一管管截截止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小止，因而几乎不由电源吸取电流其功耗极小;2.2.CMOSCMOS集集成成电电路路功功耗耗低低内内部部发发热热量量小小，集集成成度度可可大大大提高大提高;3.3.抗抗幅幅射射能能力力强强，MOSMOS管管是是多多数数载载流流子子工工作作，射射线线辐辐 射对多数载流子浓度影响不大射对多数载流子浓度影响不大;4.4.电电压压范范围围宽宽：CMOSCMOS门门电电路路输输出出高高电电平平V VOH OH V VDDDD，低电平，低电平V VOL OL 0V;0V;5.5.输输出出驱驱动动电电流流比比较较大大：扇扇出出能能力力

48、较较大大，一一般般可可以大于以大于50;50;6.6.在在使使用用和和存存放放时时应应注注意意静静电电屏屏蔽蔽，焊焊接接时时电电烙烙铁应接地良好铁应接地良好.3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路1 1CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1 1）基本的）基本的CMOS40004000系列。系列。（2 2）高速的）高速的CMOSHC系列。系列。（3 3）与）与TTL兼容的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点逻辑门电路主要参数的特点（1 1）VOH（min）=0.9=0.9VDD；VOL（max）=0.01=0.01VDD。所以所以CMOS门电路

49、的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2 2）阈值电压）阈值电压Vth约为约为VDD/2/2。（3 3）CMOS非非门门的的关关门门电电平平VOFF为为0.450.45VDD，开开门门电电平平VON为为0.550.55VDD。因因此此，其高、低电平噪声容限均达其高、低电平噪声容限均达0.450.45VDD。（4 4）CMOS电路的功耗很小，一般小于电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；门；（5 5）因）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达5050。五、五、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数逻辑门

50、电路的系列及主要参数TTLTTL与与CMOSCMOS接口接口CMOS CMOS 与与TTLTTL接口接口 3.5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 TTL TTL和和CMOSCMOS电路带负载时的接口问题电路带负载时的接口问题CMOS同同TTL电电源源电电压压相相同同都都为为5V，则则两两种种门门可可直直接连接。接连接。提高提高TTL门电路的门电路的输出高电平，阻值输出高电平，阻值由几百到几千欧姆由几百到几千欧姆注：注：TTL门门电电路路高高电电平平典典型型值值只只有有3.4V，CMOS电电路路的的输输入入高高电电平平要要求求高高于于3.5V。因因此此在在TTL门门电电路路输输出出端端