逻辑运算与集成逻辑门电路讲解

1、Page ? 1 逻辑运算与集成逻辑门电路 研发中心 硬件研发部 严俊 Page ? 2 逻辑门电路的主要电气参数 4 逻辑运算 集成逻辑门电路 常用集成逻辑门系列 3 逻辑门电路使用中的几个实际问题 5 Page ? 3 与运算 ?决定某一事件发生的全部条件同时具 备时，该事件才能发生，只要有一个 条件不具备，该事件就不发生。 ?Y=A B=AB=A AND B = A&B A B Y 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 逻辑运算逻辑运算 国标符号 国际标准符号 与逻辑真值表与逻辑真值表 Page ? 4 与逻辑关系表达方式及逻辑运算规律 与逻辑电路图 Y=A?B 与逻辑表达式

2、与逻辑符号 与逻辑运算规律 0 000 101 001 11? ? ?0A=0 1A= A AA=A Page ? 5 或运算 ?决定某一事件发生的所有条件中，只要有一 个或一个以上条件具备，该事件就会发生， 只有当所有条件都不具备时，该事件才不发 生。 ?Y = A+B = A OR B A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Page ? 6 非运算 ?条件不具备，结果发生； ?条件具备，结果不发生。 AYNOT A ? ? A Y 0 1 1 0 Page ? 7 复合逻辑运算 与非 BAY? Page ? 8 复合逻辑运算 与非 R 1 b U CC e1e2e3c

3、 ABC R 1 VD 1 VD 2 VD 3 e1 e2 e3 c A B C VD 4 P1 b UCC (b) U CC 5 V b1 V2 3 k c1 e1 e2 e3 A B C V 1 750 R 2 R 4 3 k 360 100 R 5 V 3 V 4 V 5 F U O (a) c2 R 1 R 3 典型的TTL与非门电路 (a) 电路原理图； (b) 多射极晶体管的等效电路 Page ? 9 复合逻辑运算 与非 （3）晶体管V3、V4、V5和电阻R4、R5构成输出级，它们的功能是 非运算。 在正常工作时，V4和V5总是一个截止，另一个饱和。 电路结构 （1）输入级的功能是

4、对输 入变量A、B、C实现“与 运算” 。 （2）晶体管V2和电阻R2、 R3构成中间级，其集电极 和发射极各输出一个极性 相反的电平，分别用来控 制晶体管V4和V5的工作状 态。 Page ? 10 或非 BAY? Page ? 11 与或非 CDABY? Page ? 12 异或 BAY? A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 BABA ? Page ? 13 同或 ABBA ? A B Y 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 Y= A B B A? ? Page ? 14 逻辑门电路：用来实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的电子 电路统称为逻辑门电路。 基本

5、和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、 或非门、与或非门和异或门等。 逻辑门是构成所有数字电路的基本单元电路。目前在数字电 路中用的最多的是CMOS电路和TTL电路两种类型。 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 集成逻辑门分类： 双极性晶体管逻辑门 单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称MOS门。 双极性晶体管逻辑门主要有TTL门(晶体管-晶体管逻辑门)、 ECL门(射极耦合逻辑门)和I2L门(集成注入逻辑门)等 单极性MOS门主要有PMOS门(P沟道增强型MOS管构成的 逻辑门)、NMOS门(N沟道增强型MOS管构成的逻辑门)和 CMOS门(利用PMOS管和NMOS管构成的互补电路构成的 门

6、电路，故又叫做互补MOS门 Page ? 15 图 2.2.2 四 2 输入与非门74LS00 常用逻辑门常用逻辑门 基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非 门、与或非门和异或门等。 Page ? 16 其它形式的逻辑门 集电极开路门（OC门）/漏极开路门（OD门） TTL工艺：OC门（Open Collector Gate） CMOS工艺：OD门（Open Drain Gate） BAY? OC/OD门 Page ? 17 CDABYYY? 21 ILOL OLCC L ImI VV R ? ? ? (max) min）（ IHOH OHCC L mInI VV R ?

7、? ? ）（max VCC A B C D RL m 个个 输输 入入 端 端 n 个个 OC 门 门 线与线与 m 个个 与与 非非 门 门 OC/OD门 (1) 输出并联使用，实现线与运算 (2) 需要在输出端与电源之间外接上拉电阻RL Page ? 18 AYEN? 时，0 三态门 呈高阻态。时，YEN1? 三态门的用途：总线连接 图2.2.9 三态非门的逻辑符号 三态门实现双向传送 利用三态门可以实现信号的可控双向传送， 如图. 当G=0时，门1选通，门2禁止，信号由A传 送到B；当G=1时，门1禁止，门2选通，信 号由B传送到A。 Page ? 19 TTL集成逻辑门系列 常用集成逻

8、辑门系列常用集成逻辑门系列 74系列的工作环境温度规定为070度，电源电压工作范围为5V5%。 54系列的工作环境温度为-55+125度，电源电压工作范围为 5V10%。 1）74系列标准通用系列。为TTL集成电路的早期产品，属中速 TTL器件。国产型号为CT54/74系列（与国际上SN54/74系列相当，国 内沿用的部标型号是T1000系列）。 2）74H系列高速TTL系列。是在74系列基础上改进得到的。速 度提高了，但功耗也增加了。国产型号为CT54H/74H系列（与国际上 SN54H/74H系列相当，国内沿用的部标型号是T2000系列）。 3）74L系列低功耗TTL系列，也是在74系列基

9、础上改进得到的。 功耗降低了，但工作速度也降低了。 Page ? 20 4）74S系列肖特基TTL系列，是在74H系列基础上改进得到的，使 电路的工作速度和功耗均得到了改善。国产型号为CT54S/74S系列（与 国际上SN54S/74S系列相当，国内沿用的部标型号是T3000系列）。 5）74LS系列为低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得 到的。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流产 品，是目前应用最广的系列。国产型号为CT54LS/74LS系列（与国际 上SN54LS/74LS系列相当，国内沿用的部标型号是T4000系列）。 6）74AS系列为先进肖特基系列。7

10、4AS(Advanced SchottkyTTL)系 列是为了进一步缩短传输延迟时间而设计的改进系列。它的电路结构与 74LS系列相似，但是电路中采用了很低的电阻阻值，从而大大提高了 工作速度。 TTL集成逻辑门系列 Page ? 21 8）74F系列速度和功耗介于74AS和74ALS之间，广泛应用于速 度要求较高的TTL逻辑电路。在过去相当长的一段时间里，74LS系 列曾经是TTL的主流系列。有人预测在不远的将来74ALS系列将取 代74LS系列而成为TTL电路的主流产品。 7）74ALS系列为先进低功耗肖特基系列。74ALS(Advanced Lowpower Schottky TTL)系

11、列是为了获得更小的延迟-功耗积而设计 的改进系列，它的延迟-功耗积是TTL电路所有系列中最小的一种。 为了降低功耗，电路中采用了较高的电阻阻值。同时，通过改进生 产工艺缩小了内部各个器件的尺寸，获得了减小功耗、缩短延迟时 间的双重效果。 TTL集成逻辑门系列 Page ? 22 1）4000系列基本的CMOS系列。4000系列是最早投放市场的CMOS 集成电路产品，随后发展为4000B系列，它具有功耗低、工作电压范围 宽、抗干扰能力强的特点。由于受当时制造工艺水平的限制，其工作速 度较慢（延迟时间达100 ns左右），带负载能力弱，与TTL不兼容。因此， 目前它已基本上被后来出现的HCHCT系

12、列产品所取代。 2）74HC/HCT系列高速CMOS系列。与4000系列相比，其工作速度 快（传输延迟时间缩短到了10ns左右，仅为4000系列的十分之一）、带 负载能力强。 3）74 AHCAHCT系列改进的高速CMOS系列。改进后的这两种 系列其工作速度能达到74HC和74HCT系列的两倍，而且带负载能力也 提高了近一倍。同时AHCAHCT系列产品又能与HCHCT系列产品 兼容，这就为系统的器件更新带来了很大方便。因此，AHCAHCT 系列是目前比较受欢迎的、应用最广的CMOS器件。就像HC与HCT系 列的区别一样，AHC与AHCT系列的区别也主要表现在工作电压范围 和对输入电平的要求不同

13、上。 CMOS集成逻辑门系列 Page ? 23 4）74LVC/ALVC系列低压CMOS系列。LVC系列不仅能工作在 1.653.6 V的低电压下，而且传输延迟时间也缩短至3.8ns。同时，它 又能提供更大的负载电流。此外，LVC的输入可以接受高达5V的高电 平信号，能很容易地将5V电平的信号转换为3.3V以下的电平信号，而 LVC系列提供的总线驱动电路又能将3.3V以下的电平信号转换为5V的 输出信号，这就为3.3V系统与5V系统之间的连接提供了便捷的解决方 案。 ALVC系列是TI公司于1994年推出的改进的低压CMOS(Advanced Low-Voltage CMOS)逻辑系列。AL

14、VC在LVC基础上进一步提高了工作 速度，并提供了性能更加优越的总线驱动器件。LVC和ALVC是目前 CMOS电路中性能最好的两个系列，可以满足高性能数字系统设计的 需要。尤其在移动式的便携电子设备(如笔记本电脑、移动电话、数码 相机等)中，LVC和ALVC系列的优势更加明显。 Page ? 24 逻辑门电路的主要电气参数逻辑门电路的主要电气参数 电压传输特性 TTL门电路的电压传输特性 阈值电压V TH约为1.4V。 输出高电平约为3.4V。 输出低电平约为0.2V， Page ? 25 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性 CMOS反相器阈值电压V TH约为 。 输出高电平约为 。

15、输出低电平约为0V。 2 DD V DD V Page ? 26 输入、输出特性 名 称 CMOS TTL 74HC 74HCT 74LS 74ALS 输入高电平电流最大值 /mA 0.001 0.001 0.02 0.02 输入低电平电流最大值 /mA -0.001 -0.001 -0.4 -0.1 输出高电平电流最大值 /mA CMOS负载 -0.02 -0.02 -0.4 -0.4 TTL负载 -4 -4 输出低电平电流最大值 /mA CMOS负载 0.02 0.02 8 8 TTL负载 4 4 ）（axmOL I ）（maxOH I ）（maxIL I ）（maxIH I Page ?

16、 27 当TTL反相器的输入端对地接一个56千欧以上的大电阻或悬空时 （Rp为无穷大），输入端和接逻辑高电平是等效的。 但对CMOS门电路，由于输入端电流很小（近似等于0），当输入 端经过一个电阻Rp接地时，不管电阻的阻值有多大，其端电压都 近似为0，因此输入端都相当于接低电平。 输入、输出特性 Page ? 28 输入和输出的高、低电平 各种系列TTL门电路（7400）的输入、输出电平值 参数名称和符号 系 列 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F 输入低电平最大值 /V 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 0.8 输出低电平最大值 /V 0.4 0.5 0.5 0.5

17、0.5 0.5 输入高电平最小值 /V 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 输出高电平最小值 /V 2.4 2.7 2.7 2.7 2.7 2.7 ）（maxIL V ）（maxOL V ）（minIH V ）（minOH V Page ? 29 各种系列CMOS门电路的输入、输出电平值（以7404为例） 参数名称和符号 74HC04 74HCT04 74AHC04 74AHCT04 74LVC04 74ALVC04 电源电压范围 /V 26 4.5 5.5 25.5 4.55.5 1.65 3.6 1.653.6 输入低电平最大值 /V 1.35 0.8 1.35 0.8 0.8

18、 0.8 输出低电平最大值 /V 0.33 0.33 0.44 0.44 0.55 0.55 输入高电平最小值 /V 3.15 2 3.15 2 2 2 输出高电平最小值 /V 4.4 4.4 4.4 4.4 2.2 2.0 DD V ）（maxIL V ）（maxOL V ）（minIH V ）（minOH V 输入和输出的高、低电平 Page ? 30 高电平 噪声容限V NH 噪声容限 低电平 噪声容限V NL VVV 9 . 05 . 34 . 4 (min)IHminOHNH ? ? ）（ (max)OLmaxILNL VVV? ）（ =2.4-2.0=0.4V =0.8-0.4=0

19、.4V 74系列TTL门电路的噪声容限： (min)minIHOHNH VVV? ）（ (max)maxOLILNL VVV? ）（ 74HC系列CMOS门电路的噪声容限： (min)minIHOHNH VVV? ）（ (max)maxOLILNL VVV? ）（ =4.4-3.15=1.25V =1.35-0.33=1.02V Page ? 31 扇入数与扇出数（带负载能力） 门电路的扇入数取决于它的输入端的个数，例如一个3输入端的与非门， 其扇入数NI=3。 门电路的扇出数是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大 数目(反映了门电路的带负载能力)。 1) 带拉电流负载 （负载门） （

20、驱动门） IH OH OH I I N? 2) 带灌电流负载 （负载门） （驱动门） L OL OL I I I N? Page ? 32 74HCT系列与TTL兼容，如果CMOS所带负载为74LS系列的TTL门电 路，此时IOH=IOL=4 mA，而IIH=0.02 mA，IIL=0.4 mA，根据上式可计 算出高电平输出时的扇出数： 200 02 . 0 4 ? IH OH OH I I N 低电平输出时的扇出数： 10 4 . 0 4 ? IL OL OL I I N 根据上述两种情况的计算，取数值小的为扇出数，即CMOS最多可 接74LS系列TTL门电路的输入端10个。 Page ?

21、33 传输延迟时间 传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲 （波形）的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长时间。 导通延迟时间tPHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点 所经历的时间。 一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。 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的中点 所经历的时间。 2 PHLPLH pd tt t ? ? 与非门的平均传输延迟时间tpd： Page ? 34 各种系列TTL门电路（以7400）的传输延迟时间 参数名称和符号 系 列 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F 平均传输

22、延迟时间tpd/ns 9 3 9.5 1.7 4 3 各种系列CMOS门电路（以7404）的传输延迟时间 参数名称和符号 74HC0 4 74HCT04 74AHC0 4 74AHCT 04 74LVC04 74ALVC 04 平均传输延迟时 间tpd/ns 9 14 5.3 5.5 3.8 2 传输延迟时间 Page ? 35 功耗 CMOS电路的动态功耗与转换频率和电源电压的平方成正比。当工 作频率比较高时，CMOS门的功耗可能会超过TTL电路。在设计 CMOS 电路时，尽量选用低电源电压器件，例如3.3V供电电源 74LVC系列或1.8V供电电源74AUC系列，以降低功率损耗。 功耗-延

23、时积 Dpd PtDP ? 空载功耗 输出端不接负载时，门电路消耗的功率叫空载功耗。 动态功耗 门电路的输出状态由UOH变为UOL(或相反)时， 门电路 消耗的功率。 静态功耗 门电路的输出状态不变时，门电路消耗的功率。 静态功耗又分为截止功耗和导通功耗。 截止功耗POFF 门输出高电平时消耗的功率； 导通功耗PON 门输出低电平时消耗的功率。导通功耗大于截止功 耗。 作为门电路的功耗指标通常是指空载导通功耗。TTL门的功 耗范围为122 mW。 Page ? 36 各种系列TTL门电路的主要性能参数 参数名称和符号 系 列 74 74S 74LS 74AS 74ALS 74F 传输延迟时间

24、tpd/ns 9 3 9.5 1.7 4 3 功耗/mW 10 19 2 8 1.2 4 延迟-功耗积DP/pJ 90 57 19 13.6 4.8 12 各种系列CMOS门电路（7400）的主要性能参数 参数名称和符号 系 列 4000B 74HC 74HCT BiMOS 传输延迟时间 tpd/ns(CL=15pF) 75 10 13 2.9 功耗/mW 1(1MHz) 1.5(1MHz) 1(1MHz) 0.00037.5 延迟-功耗积DP/pJ 75 10 13 0.008722 Page ? 37 逻辑门电路使用中的几个实际问题 CMOS集成电路的主要特点和使用注意事项 1. CMOS

25、集成电路的主要特点 1）功耗极低。CMOS集成电路静态功耗非常小，例如在VDD=5V时， 门电路的功耗只有几个W，即使是中规模集成电路，其功耗也不会超过 100W。 2）电源电压范围宽。例如CC4000系列，VDD=318V。 3）抗干扰能力强。输入端噪声容限典型值可达到0.45VDD。 4）逻辑摆幅大(输出高低电平的差值)。VOL=0V，VOHVDD。 5）输入阻抗极高。输入电阻可达100M。 6）扇出能力强。在低频时，CMOS电路几乎不考虑扇出能力问题；高 频工作时，扇出数与工作频率有关。 Page ? 38 7）集成度很高，温度稳定性好。由于CMOS电路功耗极低，内部发 热量很少，所以集

26、成度可以做得非常高。CMOS电路的结构是互补对 称的，当外界温度变化时，有些参数可以互相补偿，因此，其特性的 温度稳定性好，在很宽的温度范围内都能正常工作。例如陶瓷金属封 装的电路，工作温度范围为-55度C+125度；塑料封装的电路，工 作温度范围是-40度+85度。 8）抗辐射能力强。因为MOS管是靠多数载流子运动导电的器件， 射线对多数载流子浓度影响很小，所以CMOS电路抗辐射能力强。 9）成本低。CMOS电路集成度很高，功耗很低，因此，用CMOS 集成电路制作的设备，成本比较低。 CMOS集成电路的主要特点和使用注意事项 Page ? 39 2. CMOS电路使用注意事项 1）注意输入端

27、的静电保护 (1)不用的输入端不要悬空，以免拾取脉冲干扰。 (2)在储存和运输CMOS器件时不要使用易产生静电高压的化工 材料和化纤织物包装，最好采用金属屏蔽层作包装材料。 (3)在组装和调试时，所有仪器、工作台、和电烙铁必须可靠接 地。焊接CMOS管时，最好先拔掉电源，利用余热进行快速焊接。 2）注意输入保护电路的过流保护 因为CMOS电路的输入阻抗很高，栅极与衬底之间存在着以SiO2 为介质的输入电容，所以，在它上面极易产生很高的感应电压，致 使绝缘层永久性击穿而损坏器件。 在目前生产的CMOS门中都已采用了各种形式的输入保护电路。 3） 注意电源电压极性，防止输出端短路。 CMOS集成电

28、路的主要特点和使用注意事项 Page ? 40 TTL电路与CMOS电路的接口 图2.5.1 驱动门与负载门的连接 驱动门 负载门 驱动门 负载门 (min)minIHOH VV? ）（ (max)maxILOL VV? ）（ (max)maxIHOH nII? ）（ (max)maxILOL mII? ）（ 图2.5.2 各种 CMOS 与TTL 系列门电路的输出、输入电平 Page ? 41 1.用TTL电路驱动CMOS电路 1）用TTL电路驱动4000系列和74HC系列CMOS电路 图2.5.2 各种CMOS与TTL系列门电路的输出、输入电平 (min)minIHOH VV? ）（ (m

29、ax)maxILOL VV? ）（ (max)maxIHOH nII? ）（ (max)maxILOL mII? ）（ ）（ IHOUDDOH nIIRVV? TTL电路与CMOS电路的接口 Page ? 42 名 称 CMOS TTL 74HC 74HCT 74LS 74ALS 输入高电平电流最大值 /mA 0.001 0.001 输入低电平电流最大值 /mA -0.001 -0.001 输出高电平电流最大值 /mA -0.4 -0.4 输出低电平电流最大值 /mA 8 8 ）（ axmOL I ）（maxOH I ）（maxIL I ）（maxIH I TTL电路与CMOS电路的接口 Pa

30、ge ? 43 2）用TTL电路驱动74HCT和74AHCT系列CMOS门电 路 图2.5.2 各种CMOS与TTL系列门电路的输出、输入电平 (min)minIHOH VV? ）（ (max)maxILOL VV? ）（ (max)maxIHOH nII? ）（ (max)maxILOL mII? ）（ TTL电路与CMOS电路的接口 Page ? 44 2.用CMOS电路驱动TTL电路 图2.5.2 各种CMOS与TTL系列门电路的输出、输入电平 (min)minIHOH VV? ）（ (max)maxILOL VV? ）（ (max)maxIHOH nII? ）（ (max)maxILOL mII? ）（ TTL电路与CMOS电路的接口 Page ? 45 名 称 CMOS TTL 74HC 74HCT 74LS 74ALS 输入高电平电流最大值 /mA 0.02 0.02 输入低电平电流最大值 /mA -0.4 -0.1 输出高电平电流最大值 /mA TTL负载 -4 -4 输出低电平电流最大值 /mA TTL负载 4 4 ）（axmOL I ）（maxOH I ）（maxIL I ）（maxIH I TTL电路与CMOS电路的接口 Page ?