第2章逻辑门电路详解.ppt

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1、http:/ 逻辑门电路 http:/ 逻辑门电路 n2.1半导体二极管、三极管和MOS管的开关特性 n2.2TTL集成门电路n2.3 CMOS集成门电路http:/ 2.1.1 半导体二极管的开关特性 1开关作用（静态特性）n在图2.1.2（a）中，当输入电压ui为高电平UIH时，二极管VD导通，二极管VD可等效为一个闭合开关（两端电压约为0.7V），见图2.1.2(b)。n当输入电压ui为低电平UIL，且小于0V时，二极管VD受反向电压截止，其反向电流极小，二极管呈现很高的电阻。这时，二极管VD可等效为一个断开的开关，见图2.1.2(c)。http:/ （a）电路图 （b）输入高电平等效电

2、路 （c）输入低电平等效电路图2.1.2 二极管开关电路及其等效电路ui+RuVD=0.7V+ui=UIH+Rui=UIL+R（b）实际电流波形（a）输入脉冲电压波形图2.1.3 二极管的开关特性iVDILIHooUILUIHuitttrrhttp:/ 2.1.2 半导体三极管的开关特性半导体三极管的开关特性 1 1开关作用（静态特性）开关作用（静态特性）当输入电压为低电平当输入电压为低电平u ui i=U UILIL时，三极管截止。等效电路如图时，三极管截止。等效电路如图2.1.5(a)2.1.5(a)。当输入电压为高电平当输入电压为高电平u ui i=U UIHIH时时 ，三极管饱和。等效

3、电路如图，三极管饱和。等效电路如图2.1.5(b)2.1.5(b)。（a）截止状态 （b）饱和导通状态 图2.1.5 三极管开关状态等效电路VCCuoui=UILRCcebRB+uoUCE(sat)UBE(sat)+VCCui=UIHRCcebRB+http:/ 2开关时间参数（动态特性）开关时间参数（动态特性）n开通时间(ton)：三极管由截止到饱和导通所需要的时间，称为开通时间.n关断时间(toff)：三极管由饱和导通到截止所需要的时间，称为关断时间.如图2.1.6所示UCE(sat)VCCuottttofftontftstrtd0.9IC(sat)0.1IC(sat)IC(sat)iCo

4、oouiUILUIH 图2.1.6 三极管开关特性(a)输入脉冲电压波形（b）iC电流波形（c）实际输出电压波形http:/ MOS管的开关特性 1开关作用（静态特性）n当时uiUGS(th)N时，NMOS管工作在截止状态。等效电路如图2.1.7（b）所示。n当时uiUGS(th)N时，漏极D与源极S间导通，导通电阻很小，等效电路如图2.1.7（c）所示。uoBSui IGIDGRDDVDDuoSuiUGS(th)NuoGRDDVDD（a）MOS管的开关电路 (b)截止时等效电路 （c）导通时等效电路 图2.1.7 MOS管的开关电路及等效电路http:/ n关断时间oo(a)输入脉冲电压波形

5、tofftonttiDui （b）实际电流波形图2.8 MOS管的开关特性http:/ TTL集成门电路2.2.1 TTL与非门 1TTL与非门的工作原理(1)电路结构：如图2.2.1所示：多发射极晶体管V1和电阻R1构成输入级。其功能是对输入变量A、B、C实现与运算。晶体管V2和电阻R2、R3构成中间级，晶体管V3、V4、V5和电阻R4、R5构成输出级。(2)工作原理：当输入端至少有一端接低电平时，输出为高电平；当输入端全部接高电平时，输出为低电平。电路的输出和输入之间满足与非逻辑关系。http:/ （b）逻辑符号 图2.2.1 典型的TTL与非门电路http:/ 1 1 1 1 1 1 0

6、 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Y A B C 输出输出 输输 入入表表2.2.1 TTL与非门真值表与非门真值表http:/ 2TTLTTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性nAB段：ui1.4V。V5饱和导通，V4截止。uo=UOL0.3V，属于与非门的开门状态。BA UIL UOFF UON UIH2.01.0UNLC ui/V32.50.51o1.52uo/V3.04.0DE 图2.10 TTL与非门的电压传输特性UNHhttp:/ ui i随输入端对地外接电阻随输入端对地外接电阻R RI I变化的曲线变化的曲线,

7、称为输入负载特称为输入负载特 性。性。图图2.2.32.2.3（b b）是）是 TTLTTL与非门的输入负载特性与非门的输入负载特性 （a）电路图 （b）输入负特性 图2.11 TTL与非门的输入负载特性VCC=5VV1BE2uiR12.8KRIBE51.4RI/K3.01.0o2.0ui/Vhttp:/ 4输出负载特性输出负载特性输出负载特性是指输出电压输出负载特性是指输出电压u uo o随负载电流随负载电流i iL L变化的特性曲线。变化的特性曲线。图图2.2.42.2.4为输出低电平时的输出等效电路及输出负载特性；图为输出低电平时的输出等效电路及输出负载特性；图2.2.52.2.5为输出

8、高为输出高电平时的输出等效电路及输出负载特性。电平时的输出等效电路及输出负载特性。3020UOLVCC饱和V5RLIOL=iL0.5IOL/mA100UOL/V(a)等效电路图 (b)输出负载特性 图2.2.4 输出低电平时的输出等效电路 及输出负载特性(a)等效电路 (b)输出负载特性 图2.2.5 输出高电平时的输出等效电路 及输出负载特性UOHR5VCCRLV3V4R4IOH=iL1.02.03.0IOH/mA3010o20UOH/Vhttp:/ http:/ TTL集电极开路与非门1集电极开路与非门（OC与非门）的结构特点 OC与非门的电路特点是其输出管的集电极开路。使用时必须外接上拉

9、电阻RL与电源相连。多个OC与非门输出端相连时，可以共用一个上拉电阻。2工作原理 如图2.2.10所示，OC与非门接上上拉电阻RL后，当输入中有低电平时，V2、V5均截止，Y端输出高电平(UOHVCC2)。当其输入全是高电平时，V2、V5均导通，只要RL取值适当，V5就 可以达到饱和，使Y端输出低电平(UOL0.3V)。OC与非门外接上拉电阻RL后，就是一个与非门。http:/ (b)国标符号 图2.2.10 OC门电路http:/ TTL三态门 1工作原理 图2.2.11是三态与非门的电路和逻辑符号。n当EN0时，三极管V6截止，其集电极电位UC6为高电平，使V1中与V6集电极相连的发射结也

10、截止，由于和二极管VD的N区相连的PN结全截止，故VD截止。这时三态门和普通与非门完全一样，完成与非功能。三态门工作在选通状态。n当EN1时，三极管V6饱和导通，其集电极电位UC6为低电平，所以 VD导通。使VC2被钳位在1V左右，致使V4截止。同时，UC6 使V1管发射极之一为低电平，所以V2、V5也同时截止。因而输出端相当于悬空或开路。这时三态门相对于负载呈现高阻抗，我们称这种状态为高阻态或悬浮状态，也叫禁止状态。http:/ （a）电路 (c)EN=1有效值的逻辑符号 图2.2.11 三态门TTL与非门电路及符号ENABY&ABY&ENENEN(b)EN=0有效值的逻辑符号http:/

11、1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 Y EN A B 表表2.2.2 三三态门态门真真值值表表http:/ 2常见的常见的TTLTTL三态门及其逻辑符号三态门及其逻辑符号AY1ENAY1ENABY&ENABY&EN 三态缓冲门 三态倒相门 三态与门 三态与门 （a）低电平有效三态门ENAY1ENENAY1ENENABY&ENENABY&EN 三态缓冲门 三态倒相门 三态与门 三态与门 （b）高电平有效三态门 图2.2.12 各种三态门的逻辑符号ENENENENhttp:/ TTL集成电路及其应用1.TTL产品简介

12、（a）74LS00管脚图 (b)74LS20管脚图 图2.2.13 74LS00、74LS20管脚图1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND14 13 12 11 10 9 81 2 3 4 5 6 7VCC 4B 4A 4Y 3B 3A 3Y&VCC 2D 3C 2B NC 2A 2Y1A 1B NC 1C 1D 1Y GND14 13 12 11 10 9 81 2 3 4 5 6 7&http:/ W B F D P J 器器 件件 功功 能能阿阿位位伯伯数数字字标标准准高速高速肖特基肖特基低功耗肖特基低功耗肖特基先先进进肖特基肖特基先先进进低功耗低功耗肖特基肖特基快捷肖特基快捷肖特基

13、HSLSASALSFAS-55+125 OC0+70OC5474中国制造的中国制造的TTL类类美国美国TEXAS公司公司CTSN意意义义符号符号意意义义符号符号意意义义符号符号意意义义符号符号意意义义符号符号封装形式封装形式器件品种器件品种器件系列器件系列工作温度符号范工作温度符号范围围型号前型号前级级第五部分第五部分第四部分第四部分第三部分第三部分第二部分第二部分第一部分第一部分表表2.2.3 TTL器件型号器件型号组组成的符号及意成的符号及意义义http:/ 451255035最高工作最高工作频频率率/MHz9.53610每每门传输门传输延延时时/ns2192210每每门门功耗功耗/mW3

14、.43.43.33.3逻辑摆逻辑摆幅幅/V0.50.50.40.4UOL(max)/V2.52.52.42.4UOH(min)/V5555电电源源电压电压/VCT74LS系列系列CT74S系列系列CT74H系列系列CT74系列系列 电电路型号路型号 参数名称参数名称 表表2.2.4 TTL各系列门集成门电路主要性能指标各系列门集成门电路主要性能指标http:/ 2TTLTTL集成电路的应用集成电路的应用 (1)OC(1)OC的应用的应用YnY3Y2Y1RCVCC&E1D1&E2D2&E3D3&EnDnya&Ayb&BYVCC&AB&CDRL图2.2.14 用OC门实现线与 图2.2.15 OC

15、门实现总线传输http:/ （b）驱动干簧继电器电路 (C)驱动脉冲变压器电路 图2.2.16 OC与非门驱动发光二极管、干簧继电器和脉冲变压器电路VCC&VCC&VDVCC&RLCVCC&uiuouiuo（a）驱动电容电路 （b）输入、输出波形图 图 2.2.17 OC与非门驱动电容电路和输入、输出波形http:/ 2）三态门的应用）三态门的应用总线A1B1EN1&ENA3B3EN3&ENA2B2EN2&EN D1DoEN1ENG11ENG2Do/D1总线 图2.2.18 用三态输出门构成单向总线 图2.2.19 用三态输出门构成双向总线http:/ 3TTLTTL集成电路的使用注意事项集成

16、电路的使用注意事项(1)(1)电源电压应满足在标准值电源电压应满足在标准值5V105V10的范的范围。围。(2)TTL(2)TTL电路的输出端所接负载，不能超过规电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数。定的扇出系数。(3)(3)注意注意TTLTTL门多余输入端的处理方法。门多余输入端的处理方法。与非门。与非门多余输入端的三种处理方与非门。与非门多余输入端的三种处理方法如图法如图2.2.202.2.20所示。所示。或非门。或非门多余输入端的三种处理方或非门。或非门多余输入端的三种处理方法如图法如图2.2.212.2.21所示。所示。http:/ (a)接电源 (b)通过R接电源 (c)与使

17、用输入端并联 图 2.2.20与非门多余输入端的处理方法VCC&uiuoVCC&uiuoVCC&uiuo (a)接地 (b)通过R接地 (c)与使用输入端并联 图2.2.21 或非门多余输入端的处理方法VCC1uiuoRVCC1uiuoVCC1uiuohttp:/ CMOS集成门电路 MOS集成门电路具有工艺简单、集成高度高，抗干扰能力强、功耗低等优点，所以MOS集成门电路的发展十分迅速。MOS集成门电路是采用MOS管作为开关元件的数字集成电路。MOS门有PMOS、NMOS和CMOS三种类型，PMOS电路工作速度低且采用负电压，不便与TTL电路相连；NMOS电路工作速度比PMOS电路要高、集成

18、度高，便于和TTL电路相连，但带电容负载能力较弱；CMOS电路又称互补MOS电路，它突出的优点是静态功耗低、搞干扰能力强、工作稳定性好、开关速度高，是性能较好且应用较广泛的一种电路。http:/ CMOS2.3.1 CMOS与非门与非门BAVP2VP1VN1VN2VDDY 图2.3.1 CMOS与非门http:/ 在图2.3.1中，VN1和VN2是两个串联的增强型NMOS管，用作驱动管；Vp1和Vp2是两个并联的增强型PMOS管，用作负载管。Vp1和VN1为一对互补管，它们的栅极作为输入端A；Vp2和VN2作为一对互补管，它们的栅极相连作为输入端B；Vp2和VN1的漏极相连作为输出端。VN1的

19、衬底与VN2的源极、衬底相连后，共同接地。2.工作原理n当两个输入端A、B均输入低电平时，VN1和VN2都截止，Vp1和Vp2同时导通，输出高电平，Y1。n当输入端A为低电平，B为高电平时，VN1截止，Vp1导通，输出高电平，Y1。n当输入端A为高电平，B为低电平时，VN2截止，Vp2导通，输出高电平，Y1。n当两个输入端A、B均输入高电平时，VN1和VN2同时导通，Vp1和Vp2都截止，输出低电平，Y0。n综上所述，输出Y和输入A、B之间是与非逻辑关系。http:/ 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 Y A B 表表2.3.1 CMOS与非与非门门真真值值表表http:/ CMOS

20、漏极开路与非门n和TTL电路中的OC门一样，CMOS门电路中也有漏集开路的门电路，即OD门。n图2.3.2所示是CMOS漏极开路与非门的电路图和逻辑符号。输出MOS管的漏极是开路的，工作时必须外接电阻RD和电源VDD2，方可实现的与非逻辑关系。若不外接电阻RD和电源VDD2，则电路不能工作。n工作原理如下：n当两个输入端A、B均输入高电平时，MOS管导通，漏极输出低电平。n当两个输入端A、B至少有一个输入低电平时，MOS管截止，漏极输出高电平 http:/ (a)电路图 (b)逻辑符号 图2.3.2 漏极开路输出的CMOS与非门1YuoVDD1http:/ CMOS2.3.3 CMOS三态门三

21、态门n如图2.3.3所示，是CMOS三态倒相门的电路图和逻辑符号。A是信号输入端，Y是输出端，是控制信号端，也叫做使能端。n工作原理如下：n当 =1时，即为高电平时，VP2、VN2均截止，Y 与地和电源都断开，输出端呈现为高阻状态。n当 =0时，即为低电平0V时，VP2、VN2均导通，VP1、VN1构成反相器，。即A=0时，Y=1；A=1时，Y=0。http:/ (a)电路图 (b)逻辑符号 图2.3.3 CMOS三态门及其逻辑符号AENVP2VN2VN1VP1VDDY11 1 0高阻状高阻状态态001 0 1 Y A EN表2.3.2 三态门真值表http:/ CMOS集成电路及其应用 1C

22、OMS集成电路产品简介n CMOS逻辑门器件有三大系列：4000系列、74C系列和硅-氧化铝系列。前两个系列产品应用很广，而硅-氧化铝系列因价格昂贵目前尚未普及。n（1）4000系列n表2.3.3列出了4000系列CMOS器件型号组成符号及意义。n表2.3.4列出了国外主要生产公司的产品代号。n（2）74C系列n74C系列有：普通74C系列、高速CMOS74HC/HCT系列及先进的CMOS74AC/ACT系列。其中，74HCT和74ACT系列可直接与TTL相兼容。它们的功能及管脚设置均与TTL74系列一致。此系列器件型号组成符号及意义参照表2.2.3。http:/ CMOS器件型号器件型号组组

23、成符号及意成符号及意义义http:/ 部分国外公司部分国外公司CMOS产产品代号品代号http:/ (1)用CMOS电路驱动TTL电路 (2)用TTL电路驱动CMOS电路3CMOS集成电路使用注意事项 TTL电路的使用注意事项，一般对CMOS也适用。因CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意以下几点：(1)避免静电损失。存放CMOS电路不能用塑料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并良好接地。焊接时，电烙铁盒应接地。(2)多余输入端的处理方法。CMOS电路的输入阻抗高，易受外界干扰的影响，所以CMOS电路的多余输入端不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源，或接地，或与其它输入端连接。http:/