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1、第三章第三章 集成集成逻辑门电路逻辑门电路逻辑门电路-实现各种基本逻辑运算的电路。基本逻辑门电路 与门、或门、非门、与非等 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 TTL(三极管三极管三极管三极管)、CMOS TTL:工作速度高,功耗大,集成度低 标准高电平3V(2.43.6)标准低电平0.3 V(00.8)CMOS:功耗小、集成度高、速度慢.0,VDD1 表示高电平,0表示低电平 为正逻辑赋值0 表示高电平,1表示低电平 为负逻辑赋值 3.2 3.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路3.2.1 3.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性1 1二极管的静态特性二极管的静态特性(1)(1)加正向电压V VF

2、 F时，二极管导通，管压降V VD D可忽略二极管相当于一个闭合的开关。(2)(2)加反向电压V VR R时，二极管截止，反向电流I IS S可忽略。二极管相当于一个断开的开关。FKVFLRI二极管在电路中表现为一个受外加电压控制的开关。当外加电压为一脉冲信号时，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静态特性。2 2二极管开关的动态特性反向恢复时间-二极管从导通转截至所需时间。开通时间-二极管从截止转为二极管从截止转为导通需要时间。导通需要时间。开通时间比反向恢复时间要小得多，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。3.

3、2.2 三极管的开关特性 （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，对应图中的三极管工作在截止区，对应图中的A A点。点。三极管工作在截止状态的条件为三极管工作在截止状态的条件为:（2 2）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 0.70.7V V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

4、。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表示表示，有，有:3.2.2 三极管静态开关特性 饱和时的饱和时的V VCECE电压称为饱和压降电压称为饱和压降V VCESCES，其典型值为：其典型值为：V VCESCES0.30.3V V。三极管三极管工作在饱和状态的电流条件为：工作在饱和状态的电流条件为：I IB B I IBS BS 电压条件为：电压条件为：集电结和发射结均正偏集电结和发射结均正偏数字电路中三极管只工作在 截止和饱和状态,作开关使用.2 2三极

5、管的动态特性三极管开通时间t tonon:输入信号正跃变开始,到集电极电流i iC C上升到0.9I0.9ICSCS所需的时间 三极管关闭时间t toffoff:输入信号负跃变开始,到集电极电流i iC C下降到0.1I0.1ICSCS所需的时间 三极管关闭时间t toffoff 大大于开通时间,提高开关速度关键 降低饱和深度,加速存储电荷消散.3.2.3 MOS管的开关特性数字电路中MOS管作开关使用，工作在导通和截止状态.通常用增强型的通常用增强型的MOS管组成，由开启电压控制。管组成，由开启电压控制。一、二极管与门和或门电路1与门电路3.2.3 分立元件门电路 2或门电路二、三极管非门电

6、路3.2 3.2 TTL集成集成逻辑门电路逻辑门电路TTL集成逻辑门电路，由双极性三极管组成，输入输出均为三极集成逻辑门电路，由双极性三极管组成，输入输出均为三极管，称为三极管管，称为三极管-三极管逻辑门电路，简称三极管逻辑门电路，简称TTL 集成电路。集成电路。TTL 集成电路工艺成熟、参数稳定、开关速度较高，运用较早。集成电路工艺成熟、参数稳定、开关速度较高，运用较早。TTL 集成电路有许多产品系列：集成电路有许多产品系列：CT54/74通用系列；通用系列；CT54/74H高速系列；高速系列；CT54/74S肖特基系列、肖特基系列、CT54/74LS低功低功耗肖特基系列等耗肖特基系列等5大

7、系列。大系列。TTL 集成电路有各种逻辑门电路，以与非门为例介绍。集成电路有各种逻辑门电路，以与非门为例介绍。TTL 集成电路从两方面讨论：集成电路从两方面讨论：1、逻辑功能；、逻辑功能；2、电气特性。、电气特性。电气特性：电压传输特性；输入、输出负载特性；电气特性：电压传输特性；输入、输出负载特性；一、TTL与非门1TTL与非门的电路结构和工作原理与非门的电路结构和工作原理输入级：多发射极三极管 每一个发射极能各自独立形成正向偏置每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，实现与的功能的发射结，实现与的功能+V13+5VCCABCTb1R1中间级：中间级：T T2 2 集电极和发射极分别输出

8、集电极和发射极分别输出不同的逻辑电平，来驱动不同的逻辑电平，来驱动T3、T4推拉式输出级：推拉式输出级：利于提高开关速度和负载能力利于提高开关速度和负载能力2.2.工作原理工作原理（1）输入全为高电平）输入全为高电平3.6V时时T2、T3饱和导通饱和导通VB1=0.73=2.1V T3饱和导通输出电压饱和导通输出电压VO=VCES30.3VT2饱和导通，饱和导通，有有VC2=VE2+VCE2=1V使使T4和二极管和二极管D都都截止。截止。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。3.6V0.3V2.1V（2 2）当输入有低电平时，当输入有低电平时，uI=0.3V，T1发射

9、结导通，发射结导通，uB1=0.3V+0.7V=1V，T2和和T4均截止，均截止，T3和和VD导通。导通。输出高电平输出高电平uO=VCC-UBE3-UD5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3V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(3)采用采用推拉式输出级推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力利于提高开关速度和负载能力T3组成射极输出器，优点是能提高开关速度，能提高负载能力。组成射极输出器，优点是能提高开关速度，能提高负载能力。当输入高电平时，当输入高电平时，T3饱和，饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，T4和和D截截止，止，T3的集电极电流可以全

10、部用来驱动负载。的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，当输入低电平时，T3截止，截止，T3导通导通(为射极输出器为射极输出器)，其输出电，其输出电阻很小，带负载能力很强。阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，可见，无论输入如何，T3和和T4总是一管导通而另一管截止总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，这种推拉式工作方式，带负载能力很强带负载能力很强。综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：二二 TTL与非门电气特性及主要参数与非门电气特性及主要参数电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）1 1、电压传输特性：、电压传输

11、特性：输出电压输出电压uO与输入电压与输入电压uI的关系的关系曲线。曲线。2.输入输出电平 (1)输出高电平UOH下限典型值为3V。(2)输出低电平UOL 上限典型值为0.3V。(3)开门电平UON一般要求UON1.8V(4)关门电平UOFF一般要求UOFF0.8V在保证输出为额定低电平（在保证输出为额定低电平（0.3）时，允许的最小输入高电平）时，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平的数值，称为开门电平UON 与非门开通与非门开通在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平数值，称为关门电平UOFF。与非门

12、关闭。与非门关闭。(5)阈值电压UTH 电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH1.4V。(6)噪声容限（UNL和UNH）噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）UNL=UOFF-UIL UIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，则有 UNL=0.8-0.3=0.5(V)高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）UNH=UIH-UON UIH为电路输入高电平的典型值（3V）若UON=1.8V，则有 UNH=3-1.8=1.2(V

13、)3.3.输入负载特性输入负载特性输入电压输入电压VI随输入端对地外接电阻随输入端对地外接电阻RI变化的曲线，称变化的曲线，称为输入负载特性曲线。为输入负载特性曲线。在一定范围内，在一定范围内，uI随随RI的增大而升高。但当输入电压的增大而升高。但当输入电压uI达到达到1.4V以后，以后，uB1=2.1V，RI增大，由于增大，由于uB1不变，故不变，故uI=1.4V也不变。也不变。这时这时T2和和T3饱和导通，输出为低电平。饱和导通，输出为低电平。RI 较小时，关门，输出高电平；较小时，关门，输出高电平；RI 较大时，开门，输出低电平；较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI 悬空时？(1

14、)关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。(2)开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 2k。数字电路中要求输入负载电阻RI RON或RI ROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。综上所述，改变电阻综上所述，改变电阻RI时，可改变门电路的时，可改变门电路的输出状态。维持输出高电平的输出状态。维持输出高电平的RI最大值称为关门最大值称为关门电阻，用电阻，用ROFF表示，其值约为表示，其值约为700。只要只要RIROFF，与非与非门便

15、处于关闭状态。同样，维持输出门便处于关闭状态。同样，维持输出低电平的低电平的RI的最小值称为开门电阻，用的最小值称为开门电阻，用RON表示，表示，其值约为其值约为2.1K。只要只要RIRON，与非与非门便处于开门便处于开通状态。通状态。77页页 例例 3.3.14.4.输出负载特性输出负载特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。指输出电压与输出电流之间的关系曲线。(1)输出高电平时的输出特性输出高电平时的输出特性带拉电流负载带拉电流负载电流从驱动门拉出电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。流至负载门的输入端。拉电流增大时，拉电流增大时，R4上的压降增大，会使输出高电平降低。把允上的压降增大，

16、会使输出高电平降低。把允许拉出输出端的电流定义为许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流输出高电平电流IOH。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。(2)输出低电平时的输出特性输出低电平时的输出特性带灌电流负载带灌电流负载当驱动门输出低电平时，电流当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门从负载门灌入驱动门当负载门的个数增加，灌电流增大当负载门的个数增加，灌电流增大，会使，会使T3脱离饱和，输出低电平升高脱离饱和，输出低电平升高把允许灌入输出端的电流定义为把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流输出低电平电流IOLNOL称为输出低电平时的扇出系数。一般NOLNOH，常取

17、两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。3.3.2、TTL门电路的其他类型1非门2或非门 3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，称为线与线与。普通的TTL门电路不能进行线与。为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。4集电极开路门（OC门）将将T4管去掉，管去掉，T3集电极开路，构成集电极开路与非门。集电极开路，构成集电极开路与非门。集电极开路门工作时接上拉电阻，输出高电平为电源电压。集电极开路门工作时接上拉电阻，输出高电平为电源电压。可制造实现各种逻辑功能的集电极开路门。可制造实现各种逻辑功能的集电极开路门。（1）实现线与。电路如右图所示

18、，逻辑关系为:OC门的应用：（2）实现电平转换。接不同电源,在输出高电平时实现转换.如图示，可使输出高电平变为10V。（3）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。输入均为高电平,二极管发光,否则二极管熄灭.（1）三态输出门的结构及工作原理。当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。5三态输出门(TSL)门低电平有效高电平有效 三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（a）组成单向总线，组成单向总线，实实现现信

19、信号号的的分分时时多多路路单单向向传传送送.在在三三态态门门的的控控制制端端轮轮流流加加高高电电平平，同一时刻，只有一个门工作，其余为高阻，信号轮流传输。同一时刻，只有一个门工作，其余为高阻，信号轮流传输。（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。三态门的应用574LS系列为低功耗肖特基系列。674AS系列为先进肖特基系列，它是74S系列的后继产品。774ALS系列为先进低功耗肖特基系列，是74LS系列的后继产品。七、TTL集成逻辑门电路系列简介174系列为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。274L系列为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。374H系列为高速TTL系列。474S系列

20、为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。如图示。八、TTL集成逻辑门电路使用注意事项1、逻辑门电路输出端的连接:（1）一般逻辑门电路，不允许直接并联使用。（3）三态门电路，可以直接并联使用，但同一时刻只允许一个门工作，其他处于高祖状态。（4）集电极开路门，允许直接并联使用，但应接上拉电阻。（2）门电路输出端，不允许直接电源或接地。2、逻辑门闲置输入端的处理：一般不悬空处理原则：不改变逻辑状态，工作稳定（1）与非门闲置输入端，直接或通过电阻（大于1千欧）接电源。（2）与非门闲置输入端，外界干扰小，可剪断或悬空。（3）或非门闲置输入端，接地。（4）在前驱动力允许时，闲置输入端与有用端可并联。3、电源

21、电压范围：97页 4、电路安装和焊接注意：98页1逻辑关系：逻辑关系：（1）当）当Vi=0V时，时，TN截止，截止，TP导通。输出导通。输出VOVDD。（2）当）当Vi=VDD时，时，TN导通，导通，TP截止，输出截止，输出VO0V。一、CMOS非门（反相器）CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。2.3 2.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路2、由于、由于CMOS非门电路工作时总是一管导通，另一管截止，非门电路工作时总是一管导通，另一管截止，使得流过管子的电流为零，所以使得流过管子的电流为零，所以CMOS的静态功耗低。的静态功耗低。3、CMOS中的TN、TP特性对称

22、，起过渡区很窄，阈值电压UTH=1/2VDD,CMOS有很高的噪声容限，为有很高的噪声容限，为1/2VDD，抗干抗干扰能力强。扰能力强。二、其他的CMOS门电路1CMOS与非门和或非门电路（1）与非门1、管串联，作驱动管；P管并联作负载管。2、输入有低电平，管总有一个、输入有低电平，管总有一个截止，截止，P管管总有一个导通，总有一个导通，输出输出Y=1；输入全高，输入全高，管全导通，管全导通，P管全截止管全截止输出输出Y=0（2）或非门1、管并联，作驱动管；P管串联，作负载管。2、输入有高电平，管总有一个、输入有高电平，管总有一个导通，导通，P管管总有一个截止，总有一个截止，输出输出Y=0；输

23、入全低，输入全低，管全截止，管全截止，P管全导通管全导通输出输出Y=1（3）带缓冲级的门电路 为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。L=后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：2CMOS异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。3 CMOS三态门工作原理：当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出4 CMOS传输门漏极、源极分别相连，栅极由一堆互补电源控制，构成传输门。（1）当C接高电平VDD，接低电平0V时，若Vi在0VVDD的范围变化

24、，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2）当C接低电平0V，接高电平VDD，Vi在0VVDD的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。1CMOS逻辑门电路的系列（1）基本的CMOS4000系列。（2）高速的CMOSHC系列。（3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。2CMOS逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（min）=0.9VDD；VOL（max）=0.01VDD。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2）阈值电压Vth约为VDD/2。（3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。

25、因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；（5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。四、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数 MOS逻辑门电路使用注意事项逻辑门电路使用注意事项1、电源电压（1）电源电压极性不可反接（1）注意不同系列产品的电源选择（105页）2、闲置输入端的处理：闲置输入端不允许悬空与门、与非门接电源，或门、或非门接地闲置输入端一般不与使用端并联，影响工作速度。2、输出端的连接：门电路输出端，不允许直接电源或接地。同一芯片相同门电路 输入、输出端可以并联使用（106图）。（2）对于或非门及或门，多余输

26、入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。三、多余输入端的处理（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13kW W）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。本章小结本章小结 1 1最最简简单单的的门门电电路路是是二二极极管管与与门门、或或门门和和三三极极管管非非门门。它它们们是是集集成成逻辑门电路的基础。逻辑门电路的基础。2 2目目前前普普遍遍使使用用的的数数字字集集成成电电路路主主要要有有两两大大类类，一一类类由由NPNNPN型型三三极极管组成，简称管组成，简称TTLTTL集成电路；另一类由集成电路；另一

27、类由MOSFETMOSFET构成，简称构成，简称MOSMOS集成电路。集成电路。3 3TTLTTL集集成成逻逻辑辑门门电电路路的的输输入入级级采采用用多多发发射射极极三三级级管管、输输出出级级采采用用达达林林顿顿结结构构，这这不不仅仅提提高高了了门门电电路路的的开开关关速速度度，也也使使电电路路有有较较强强的的驱驱动动负负载载的的能能力力。在在TTLTTL系系列列中中，除除了了有有实实现现各各种种基基本本逻逻辑辑功功能能的的门门电电路以外，还有集电极开路门和三态门。路以外，还有集电极开路门和三态门。4 4MOSMOS集集成成电电路路常常用用的的是是两两种种结结构构。一一种种是是NMOSNMOS

28、门门电电路路，另另一一类类是是CMOSCMOS门门电电路路。与与TTLTTL门门电电路路相相比比，它它的的优优点点是是功功耗耗低低，扇扇出出数数大大，噪噪声容限大，开关速度与声容限大，开关速度与TTLTTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。接近，已成为数字集成电路的发展方向。5 5为为了了更更好好地地使使用用数数字字集集成成芯芯片片，应应熟熟悉悉TTLTTL和和CMOSCMOS各各个个系系列列产产品品的的外外部部电电气气特特性性及及主主要要参参数数，还还应应能能正正确确处处理理多多余余输输入入端端，能能正正确确解解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。