数字电子技术及应用精品文稿.ppt

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1、数字电子技术及应用课件第1页，本讲稿共46页第二章第二章 逻辑门电路逻辑门电路数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第2页，本讲稿共46页目标目标在这一章里，你将学习：在这一章里，你将学习：*2.1 2.1 概述概述*2.2 2.2 半导体分立器件的开关特性半导体分立器件的开关特性*2.3 2.3 逻辑门电路逻辑门电路*2.4 TTL2.4 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路*2.5 CMOS2.5 CMOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路*2.6 2.6 不同类型门电路的接口问题不同类型门电路的接口问题*2.72.7逻辑门电路的应用逻辑门电路的应用数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第

2、3页，本讲稿共46页第二章第二章 逻辑门电路逻辑门电路 内容提要内容提要 本章主要介绍逻辑电路的基本逻辑关系和逻辑本章主要介绍逻辑电路的基本逻辑关系和逻辑门电路；门电路；TTLTTL与非门的典型电路结构、工作原理、传与非门的典型电路结构、工作原理、传输特性和主要参数；输特性和主要参数；CMOSCMOS集成逻辑门电路。集成逻辑门电路。数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第4页，本讲稿共46页2 21 1 概述概述*1 1正逻辑和负逻辑正逻辑和负逻辑 在逻辑电路中，输入输出电位的高低用电平表示，高电平在逻辑电路中，输入输出电位的高低用电平表示，高电平是一种状态，低电平是另一种状态；若高电平表

3、示有信号，用是一种状态，低电平是另一种状态；若高电平表示有信号，用1 1表示，低电平表示没有信号，用表示，低电平表示没有信号，用0 0表示，则称为正逻辑；反之若表示，则称为正逻辑；反之若低电平表示有信号，用低电平表示有信号，用1 1表示，高电平表示没有信号，用表示，高电平表示没有信号，用0 0表示，表示，则称为负逻辑。则称为负逻辑。*2 2标准高电平和标准低电平标准高电平和标准低电平 在数字电路中，高电平或低电平都是表示一定的电压范围，在数字电路中，高电平或低电平都是表示一定的电压范围，而不是一个固定不变的数值。将高电平的下限值称为标准高电而不是一个固定不变的数值。将高电平的下限值称为标准高电

4、平，用平，用U USHSH表示，低电平的上限值称为标准低电平，用表示，低电平的上限值称为标准低电平，用U USLSL表示；表示；在实际电路中应满足高电平在实际电路中应满足高电平U UH HU USHSH，低电平，低电平U UL LU USLSL。数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第5页，本讲稿共46页2 22 2 半导体分立器件的开关特性半导体分立器件的开关特性*2.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性*2.2.2 晶体管的开关特性晶体管的开关特性*2.2.3 管的开关特性管的开关特性 在数字电路中，二极管大多工作在开关状态。由于二在数字电路中，二极管大多工作在开关状态。由于二极管

5、具有单向导电特性，因此，在数字电路中它可以作为极管具有单向导电特性，因此，在数字电路中它可以作为一个电子开关使用。一个电子开关使用。数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第6页，本讲稿共46页2.2.1 2.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性*1 1二极管的静态开关特性二极管的静态开关特性 二极管的静态开关特性是指二极管在正向直流电压或反向二极管的静态开关特性是指二极管在正向直流电压或反向直流电压作用下稳定导通或截止时呈现特性。直流电压作用下稳定导通或截止时呈现特性。图图2-1 二极管的开关电路二极管的开关电路数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第7页，本讲稿共46页*2.2.

6、二极管的动态开关特性二极管的动态开关特性 二极管的动态开关特性是指信号电压突然变化时，二极管从一二极管的动态开关特性是指信号电压突然变化时，二极管从一种工作状态转换到另一工作状态时的转换特性。转换过程有两种，种工作状态转换到另一工作状态时的转换特性。转换过程有两种，即从导通到截止和从截止到导通即从导通到截止和从截止到导通 ，图，图2-22-2所示为二极管的动态开关所示为二极管的动态开关特性。特性。数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第8页，本讲稿共46页图图2-2 2-2 二极管的动态开关特性二极管的动态开关特性 由此可见，反由此可见，反向恢复时间是影响向恢复时间是影响二极管开关速度的二

7、极管开关速度的主要原因，反向恢主要原因，反向恢复时间越长，开关复时间越长，开关速度越低。速度越低。数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第9页，本讲稿共46页2.2.2 2.2.2 晶体管的开关特性晶体管的开关特性*1 1晶体管的静态开关特性晶体管的静态开关特性 晶体管的输出特性曲线有三个区域晶体管的输出特性曲线有三个区域放大区、截止区、放大区、截止区、饱和区。在数字电路中，晶体管主要工作在饱和区和截止区，饱和区。在数字电路中，晶体管主要工作在饱和区和截止区，并在截至区和饱和区之间通过放大区进行快速转换，晶体管并在截至区和饱和区之间通过放大区进行快速转换，晶体管的这种工作状态称为开关工作状

8、态。的这种工作状态称为开关工作状态。图图2-3 2-3 晶体管的开关工作状态晶体管的开关工作状态 数字电子技术及应用 高职高专 ppt 课件第10页，本讲稿共46页*2 2晶体管的动态开关特性晶体管的动态开关特性 与二极管相似，晶体管工作在开关状态时，其内部电荷与二极管相似，晶体管工作在开关状态时，其内部电荷的存储与消散都需要一定的时间，因此集电极电流的变化总的存储与消散都需要一定的时间，因此集电极电流的变化总是滞后于输入电压是滞后于输入电压u ui i 的变化，所以晶体管由截止状态变为的变化，所以晶体管由截止状态变为饱和状态或由饱和状态变为截止状态都需要一定的时间。饱和状态或由饱和状态变为截

9、止状态都需要一定的时间。如图如图2-42-4所示。所示。第11页，本讲稿共46页图图2-4 2-4 晶体管的开关时间晶体管的开关时间第12页，本讲稿共46页2.2.3 2.2.3 管的开关特性管的开关特性*1 1管的开关作用管的开关作用 管金属管金属-氧化物氧化物-半导体场效应晶体管的简称，和半导体场效应晶体管的简称，和晶体管一样可以当作开关使用。晶体管一样可以当作开关使用。图图2-5 MOS2-5 MOS管开关电路管开关电路第13页，本讲稿共46页*2 2管的开关时间管的开关时间 双极型晶体管由于饱和时有存储电荷存在，所以其开关时双极型晶体管由于饱和时有存储电荷存在，所以其开关时间较长。而间

10、较长。而MOSMOS管因为只有一种载流子参与导电，不存在存储电管因为只有一种载流子参与导电，不存在存储电荷，因此不存在存储时间，因而它的开关时间较小。用荷，因此不存在存储时间，因而它的开关时间较小。用PMOSPMOS管管也可以构成开关电路，不同的是也可以构成开关电路，不同的是PMOSPMOS管的开启电压为负值。管的开启电压为负值。第14页，本讲稿共46页2.3 2.3 逻辑门电路逻辑门电路*2.3.1 2.3.1 二极管门电路二极管门电路*2.3.2 2.3.2 晶体管门电路晶体管门电路*2.3.3 2.3.3 组合逻辑门电路组合逻辑门电路 在逻辑代数中最基本的逻辑关系有三种在逻辑代数中最基本

11、的逻辑关系有三种,即即“与与”、“或或”、“非非”，实现上述逻辑关系的电路叫逻辑门电路，简称门，实现上述逻辑关系的电路叫逻辑门电路，简称门电路电路.第15页，本讲稿共46页2.3.1 2.3.1 二极管门电路二极管门电路*1.1.二极管与门电路二极管与门电路图图2-6 2-6 二极管与门电路二极管与门电路第16页，本讲稿共46页 与门电路的输入和输出波形如图与门电路的输入和输出波形如图2-72-7所示所示.图图2-7 2-7 与门电路工作波形与门电路工作波形 第17页，本讲稿共46页*2.2.二极管或门电路二极管或门电路图图2-8 2-8 二极管或门电路二极管或门电路第18页，本讲稿共46页或

12、门电路的输入和输出波形如图或门电路的输入和输出波形如图2-9所示所示.图图2-9 2-9 或门电路工作波形或门电路工作波形第19页，本讲稿共46页2.3.2 2.3.2 晶体管门电路晶体管门电路图图2-10 2-10 晶体管非门电路晶体管非门电路a a）电路）电路 b b）逻辑符号）逻辑符号*晶体管非门电路晶体管非门电路第20页，本讲稿共46页2.3.3 2.3.3 组合逻辑门电路组合逻辑门电路*1.1.复合门复合门 (1)(1)与非门与非门 与非门是与门和非门的组合，其逻辑符号如图与非门是与门和非门的组合，其逻辑符号如图2-11a2-11a所示，逻辑表达式为所示，逻辑表达式为 (2)(2)或

13、非门或非门 或非门是或门和非门的组合，其逻辑符号如或非门是或门和非门的组合，其逻辑符号如图图2-11b2-11b所示，逻辑表达式为所示，逻辑表达式为 第21页，本讲稿共46页 (3)(3)与或非门与或非门 与或非门是与门、或门、非门的组合，其与或非门是与门、或门、非门的组合，其逻辑符号如图逻辑符号如图2-11c2-11c所示，其逻辑表达式为所示，其逻辑表达式为 (4)(4)异或门异或门 异或门电路的特点是两个输入信号相同时，异或门电路的特点是两个输入信号相同时，输出为输出为0 0，相异时输出为，相异时输出为1 1，其逻辑符号如图，其逻辑符号如图2-11d2-11d所示，逻所示，逻辑关系表达式为

14、辑关系表达式为 第22页，本讲稿共46页图图2-11 2-11 复合门逻辑符号复合门逻辑符号第23页，本讲稿共46页*2.2.正逻辑和负逻辑的相互转换正逻辑和负逻辑的相互转换 对同一电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑，而逻对同一电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑，而逻辑电路本身输出与输入的逻辑关系，并不因为采用正、负逻辑辑电路本身输出与输入的逻辑关系，并不因为采用正、负逻辑的不同而改变。但是对同一种电路，用正、负逻辑去分析的不同而改变。但是对同一种电路，用正、负逻辑去分析,它的它的逻辑功能截然不同，当然逻辑真值表也不同。逻辑功能截然不同，当然逻辑真值表也不同。正负逻辑符号如表正负逻辑符

15、号如表2-62-6所示。所示。第24页，本讲稿共46页表表2-6 2-6 正、负逻辑符号正、负逻辑符号门门 电电 路路正正 逻逻 辑辑 符符 号号负负 逻逻 辑辑 符符 号号与与 门门或或 门门非非 门门与与 非非 门门或或 非非 门门第25页，本讲稿共46页2.4 TTL2.4 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路*2.4.1 TTL2.4.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理*2.4.2 TTL2.4.2 TTL与非门的外特性及有关参数与非门的外特性及有关参数*2.4.3 2.4.3 其他类型的其他类型的TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路*2.4.4 TTL2.4.4 TTL系列数字集成

16、电路简介系列数字集成电路简介*2.4.5 TTL2.4.5 TTL门电路使用中应注意的问题门电路使用中应注意的问题 TTLTTL逻辑门电路是晶体管逻辑门电路是晶体管晶体管逻辑门电路的简称，它的输晶体管逻辑门电路的简称，它的输入级和输出级均采用晶体管。入级和输出级均采用晶体管。第26页，本讲稿共46页2.4.1 TTL2.4.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理*1.1.电路组成电路组成图图 2-16 TTL2-16 TTL集成与非门电路图及逻辑符号集成与非门电路图及逻辑符号 第27页，本讲稿共46页*2 2工作原理工作原理 当输入全为高电平时，输出为低电平；当输入端至少有当输入全为高电平

17、时，输出为低电平；当输入端至少有一个为低电平时，输出为高电平。由此可见，电路的输出与一个为低电平时，输出为高电平。由此可见，电路的输出与输入之间满足与非逻辑关系，即输入之间满足与非逻辑关系，即 第28页，本讲稿共46页2.4.2 TTL2.4.2 TTL与非门的外特性及有关参数与非门的外特性及有关参数*1 1电压传输特性电压传输特性 TTLTTL与非门电压传输特性是表示输出电压与非门电压传输特性是表示输出电压 随输入电随输入电压压 变化的一条曲线，电压传输特性曲线大致分为四段，如图变化的一条曲线，电压传输特性曲线大致分为四段，如图2-182-18：图图2-18 TTL2-18 TTL与非门的电

18、压传输特性与非门的电压传输特性第29页，本讲稿共46页*2 2主要参数主要参数输出高电平输出高电平和输出低电平和输出低电平阈值电压阈值电压关门电平关门电平和开门电平和开门电平噪声容限噪声容限、输入短路电流输入短路电流输入漏电流输入漏电流扇出系数扇出系数平均延迟时间平均延迟时间 第30页，本讲稿共46页2.4.3 2.4.3 其他类型的其他类型的TTLTTL逻辑门电路逻辑门电路*1 1集电极开路与非门（集电极开路与非门（OCOC门）门）将普通将普通TTLTTL与非门的输出级改为集电极开路的晶体管结构，与非门的输出级改为集电极开路的晶体管结构，称为集电极开路门电路，简称称为集电极开路门电路，简称O

19、COC门门(Open Collector)(Open Collector)。图图 2-202-20OCOC门电路门电路 第31页，本讲稿共46页*2 2三态输出门（三态输出门（TSLTSL门）门）三态门三态门，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态还有第三种状态高阻状态（或称禁止状态）的门电路，高阻状态（或称禁止状态）的门电路，简称简称TSL(Tristate Logic)TSL(Tristate Logic)门。门。图图2-232-23三态门三态门 第32页，本讲稿共46页2.4.42.4.4TTLTTL系列数字集成电路简介系列数字

20、集成电路简介 在我国在我国TTLTTL数字集成电路分为数字集成电路分为CT54CT54系列和系列和CT74CT74系列，两系列，两个系列具有完全相同的电路结构和电气性能参数，所不同的个系列具有完全相同的电路结构和电气性能参数，所不同的是是5454系列工作温度系列工作温度-55-55125125，为军用品；，为军用品；7474系列工作温度系列工作温度在在0 07070，为民用品。，为民用品。第33页，本讲稿共46页2.4.5 TTL2.4.5 TTL门电路使用中应注意的问题门电路使用中应注意的问题在使用在使用TTLTTL集成门电路时，应注意以下事项：集成门电路时，应注意以下事项：*1 1电源电压

21、应满足在标准值电源电压应满足在标准值5 5（110%110%）V V的范围内。的范围内。*2 2TTLTTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。*3 3具有推拉式输出结构的具有推拉式输出结构的TTLTTL门电路，不允许直接并联使用，门电路，不允许直接并联使用，三态门的输出端可以并联使用，但同一时刻只能有一个门工三态门的输出端可以并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其余处于高阻态；集电极开路门输出端可并联使用，但作，其余处于高阻态；集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端必须通过负载电阻公共输出端必须通过负载电阻R RL L与电源相接。

22、与电源相接。*4 4TTLTTL门多余输入端的处理方法门多余输入端的处理方法第34页，本讲稿共46页2.5 CMOS2.5 CMOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路*2.5.1 CMOS2.5.1 CMOS反相器反相器*2.5.2 2.5.2 其他类型的其他类型的CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路*2.5.3 CMOS2.5.3 CMOS系列数字集成电路简介系列数字集成电路简介*2.5.4 CMOS2.5.4 CMOS门电路特性及使用常识门电路特性及使用常识 目前集成逻辑门电路有两大类，一类是前面介绍的目前集成逻辑门电路有两大类，一类是前面介绍的TTLTTL门电门电路，另一类为路，另一类为CMO

23、SCMOS集成逻辑门电路，它是由增强型集成逻辑门电路，它是由增强型PMOSPMOS管和增管和增强型强型NMOSNMOS管组成的互补对称管组成的互补对称MOSMOS门电路。门电路。第35页，本讲稿共46页2.5.1 CMOS2.5.1 CMOS反相器反相器*1 1电路结构电路结构*2.2.工作原理工作原理本电路具有反相器功能，故称为非门，其逻辑表达式为本电路具有反相器功能，故称为非门，其逻辑表达式为图图2-35 CMOS2-35 CMOS反相器反相器第36页，本讲稿共46页2.5.2 2.5.2 其他类型的其他类型的CMOSCMOS逻辑门电路逻辑门电路*1.1.与非门与非门它是由两个串联的增强型

24、它是由两个串联的增强型NMOSNMOS管和两个并联的增强型管和两个并联的增强型PMOSPMOS管组成。管组成。电路的逻辑关系表达式为电路的逻辑关系表达式为图图2-36 CMOS2-36 CMOS与非门与非门 第37页，本讲稿共46页*2.2.或非门或非门它是由两个并联的增强型它是由两个并联的增强型NMOSNMOS管和两个串联的增强型管和两个串联的增强型PMOSPMOS管组成。管组成。电路的逻辑关系表达式为电路的逻辑关系表达式为图图2-372-37CMOSCMOS或非门或非门 第38页，本讲稿共46页*3.CMOS3.CMOS传输门传输门 CMOSCMOS传输门是一种传送信号的可控开关，它是由两

25、个传输门是一种传送信号的可控开关，它是由两个参数对称的参数对称的NMOSNMOS管和管和PMOSPMOS管并联而成。管并联而成。图图2-38 CMOS2-38 CMOS传输门传输门第39页，本讲稿共46页2.5.32.5.3COMSCOMS系列数字集成电路简介系列数字集成电路简介 CMOS CMOS集成电路系列主要有集成电路系列主要有CC4000CC4000系列和系列和CC54/74HCCC54/74HC系列，系列，40004000系列由于具有功耗低，噪声容限大等特点，已得到广泛系列由于具有功耗低，噪声容限大等特点，已得到广泛应用，但工作速度较慢；应用，但工作速度较慢；CC54/74HC CC

26、54/74HC系列具有较高的工作速系列具有较高的工作速度和驱动能力。度和驱动能力。第40页，本讲稿共46页2.5.4 CMOS2.5.4 CMOS门电路特性及使用常识门电路特性及使用常识 TTLTTL电路的使用注意事项，一般对电路的使用注意事项，一般对CMOSCMOS电路也适用。但因电路也适用。但因CMOSCMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点：电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点：（1 1）避免静电损坏）避免静电损坏 （2 2）多余输入端的处理方法）多余输入端的处理方法 （3 3）并联使用）并联使用 第41页，本讲稿共46页2.6 2.6 不同类型门电路的接口问

27、题不同类型门电路的接口问题*1.TTL1.TTL电路驱动电路驱动CMOSCMOS电路电路 图图2-39 TTL-CMOS2-39 TTL-CMOS电路的接口电路的接口第42页，本讲稿共46页*2 2CMOSCMOS电路驱动电路驱动TTLTTL电路电路图图 2-40 CMOS-TTL2-40 CMOS-TTL电路的接口电路的接口 第43页，本讲稿共46页2.7逻辑门电路的应用 逻辑门电路是数字电路的基本单元电路，应用单元电逻辑门电路是数字电路的基本单元电路，应用单元电路可以组成较复杂的逻辑控制电路，在生产和生活中有着路可以组成较复杂的逻辑控制电路，在生产和生活中有着广泛的应用。广泛的应用。第44

28、页，本讲稿共46页本章小结本章小结*1.1.在数字电路中，最基本的逻辑关系有与、或、非三种，对应有在数字电路中，最基本的逻辑关系有与、或、非三种，对应有与门、或门和非门三种基本逻辑门电路，利用二极管的开关特性可与门、或门和非门三种基本逻辑门电路，利用二极管的开关特性可以构成二极管与门和或门，利用晶体管的开关特性可构成非门。常以构成二极管与门和或门，利用晶体管的开关特性可构成非门。常用的复合逻辑门电路有与非门、或非门、与或非门和异或门等。用的复合逻辑门电路有与非门、或非门、与或非门和异或门等。*2.2.目前广泛使用的集成逻辑门电路有目前广泛使用的集成逻辑门电路有TTLTTL型和型和CMOSCMO

29、S型两型两类，重点应放在它们的输出与输入之间的逻辑关系和外部类，重点应放在它们的输出与输入之间的逻辑关系和外部特性上，如电压传输特性等。与特性上，如电压传输特性等。与TTLTTL集成电路相比，集成电路相比，CMOS CMOS集成电路的主要特点是功耗低，抗干扰能力强，电源电压集成电路的主要特点是功耗低，抗干扰能力强，电源电压范围宽等；主要缺点是工作速度慢，输出驱动负载能力差范围宽等；主要缺点是工作速度慢，输出驱动负载能力差等。等。第45页，本讲稿共46页本章小结本章小结*3.3.集电极开路门的输出端可并联使用，可在输出端实现线集电极开路门的输出端可并联使用，可在输出端实现线与；三态输出门可用来实

30、现总线结构，这时要求三态输出门与；三态输出门可用来实现总线结构，这时要求三态输出门实行分时使能。实行分时使能。*4.4.在使用集成逻辑门电路时，未被使用的闲置输入端应注在使用集成逻辑门电路时，未被使用的闲置输入端应注意正确连接。对于与非门闲置输入端可通过上拉电阻接正电意正确连接。对于与非门闲置输入端可通过上拉电阻接正电源，也可和已用输入端并联使用；对或非门，闲置输入端可源，也可和已用输入端并联使用；对或非门，闲置输入端可直接接地，也可和已用输入端并联使用。直接接地，也可和已用输入端并联使用。*5.5.在实际使用在实际使用TTLTTL和和CMOSCMOS数字集成电路时，除应掌握它们数字集成电路时，除应掌握它们的正确使用方法外，还应掌握不同类型电路间的接口问题。的正确使用方法外，还应掌握不同类型电路间的接口问题。第46页，本讲稿共46页