第二章门电路

1、第第2 2章章 门电路门电路逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。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。构成门电路的基本元件是晶体二极管、三极管(工作在截止区或饱和区)和MOS管（工作在截止区或可变电阻区），它们都具有开关特性，在输入电压的控制下，电路中的晶体管可以截止或导通，截止时相当于开关的断开状态，导通时相当于开关的闭合状态。获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即关、开）两种工作状态。逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。以输出的高电平表示逻辑1，以低电平表示逻辑0，则称这种表示方法为正逻辑。

2、反之，若以输出的高电平表示0，而以低电平表示1，则称这种表示方法为负逻辑。开关开关S S断开时，断开时，v vo o为高电平为高电平开关开关S接通时，接通时，vo为低电平为低电平通过输入信号通过输入信号vI控制二极管控制二极管或三极管工作在截止和饱和或三极管工作在截止和饱和导通两个状态，即二极管或导通两个状态，即二极管或三极管起到开关三极管起到开关S的作用。的作用。2.1 半导体器件的开关特性半导体器件的开关特性1 1、二极管的开关特性二极管的开关特性二极管符号：正极负极 uD 晶体二极管由PN结构成，它具有单向导电性，即外加正向电压时导通，外加反向电压时截止，相当于一个受外加电压极性控制的开

3、关。用用vI的高、低电平控的高、低电平控制二极管的开关状态，制二极管的开关状态，在输出端得到相应的在输出端得到相应的高、低电平输出信号。高、低电平输出信号。实际二极管的特性实际二极管的特性) 1(eTSVvIi) 1(eTSVvIi二极管的三种近似模型二极管的三种近似模型 在大多数二极管开关电路中，外加电在大多数二极管开关电路中，外加电源电压较低而外接电阻较大，因此经常采源电压较低而外接电阻较大，因此经常采用恒压降模型用恒压降模型 Diode + ui RL + uo D 开关电路 IF 0.5 0.7iD(mA) uD(V)伏安特性UBR0 + ui=0V RL +uo Dui=0V时的等效

4、电路 + + ui=5V RL +uo D 0.7Vui=5V 时的等效电路uououi0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。Ui0.5V时，二极管导通。2 2、三、三极管的开关特性极管的开关特性2 2、三、三极管的开关特性极管的开关特性Q2ui iB e Rb biC (mA) 直流负载线 VCC Rc 0+VCCiC uo工作原理电路输出特性曲线80A60A40A20AiB=00 UCES VCC uCE(V) 0 0.5 uBE(V)输入特性曲线iB(A)Q1Q Rc cRbRc+VCCbce截止状态饱和状态iBIBSui

5、=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V饱和区截止区放大区 10k ui iB e Rb b +VCC=+5V iC uo Rc 1k c =50 ui=0.3V时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uoUCES0.3V3 3、场效应、场效应管的开关特性管的开关特性 iD(mA) 0uDS(V)0 UT uGS(V)iD(mA)uGS=10V8V6V4V2VN沟道增强型FET工作原理电路转移特性曲线输

6、出特性曲线uiuOGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiUTuo0内容回顾内容回顾: :电子电路中如何获得高、低输出电平？电子电路中如何获得高、低输出电平？二极管二极管: :晶体二极管晶体二极管单向导电性单向导电性当当vI=VIH时，时，D截止，截止， vO=VCC当当vI=VIL时，时，D导通，导通， vO=0反向截止反向截止正向导通正向导通内容回顾内容回顾: :三极管（截止区或饱和区三极管（截止区或饱和区) ,) ,从而在输出端获得高、低从而在输出端获得高、低电平电平当当vI=VIH时，三极管导通，时，三极管导通， vO=0当当vI=VIL时，三极管截止，时，三

7、极管截止， vO=VCC内容回顾内容回顾: :MOSMOS管（截止区或可变电阻区管（截止区或可变电阻区) ,) ,从而在输出端获得高、从而在输出端获得高、低电平低电平当当vI=VIH时，时，MOS管导通，管导通， vO=0当当vI=VIL时，时，MOS管截止，管截止， vO=VDD工作原理电路uiuOGDSRD+VDD2.2 分立元件门电路分立元件门电路1 1、二极管与门二极管与门+VCC(+5V) R 3k Y D1A D2B5V0VABY &uA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0.7V0.7V0.7V5V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止A BY0 00

8、11 01 10001Y=ABA D1B D2 5V 0V YR3k2 2、二极管或门二极管或门ABY 1uA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0V4.3V4.3V4.3V截 止 截 止截 止 导 通导 通 截 止导 通 导 通A BY0 00 11 01 10111Y=A+B A =30 +5V Y 电路图 1 逻辑符号 A Y 1k 4.3k 3 3、三极管非门三极管非门uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。mA1mA3 . 47 . 05B

9、i三极管临界饱和时的基极电流为：mA16. 01303 . 05BSIAY0110AY AA1电路图逻辑符号YYGSDB+VDD+10V RD20k当uA0V时，由于uGSuA0V，小于开启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。当uA10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY0V。AY 2.3 TTL集成门电路集成门电路集成电路（集成电路（Integrated Circuit,Integrated Circuit,简称简称ICIC）：）：19611961年美国德克萨斯年美国德克萨斯仪器公司

10、率先将数字电路的元器件和连线制作在同一硅片上。仪器公司率先将数字电路的元器件和连线制作在同一硅片上。集成电路的分类：集成电路的分类：小规模集成电路（小规模集成电路（Small Scale Integration,简称简称SSI）中规模集成电路（中规模集成电路（Medium Scale Integration,简称简称MSI）大规模集成电路（大规模集成电路（Large Scale Integration,简称简称LSI）超大规模集成电路（超大规模集成电路（Very Large Scale Integration,简称简称VLSI）TTLTTL集成电路：这类型电路的输入端和输出端均为三极管结构，所

11、集成电路：这类型电路的输入端和输出端均为三极管结构，所以称为三极管以称为三极管- -三极管逻辑电路（三极管逻辑电路（Transistor-Transistor Logic,Transistor-Transistor Logic,简称简称TTLTTL电路电路) )CMOSCMOS集成电路：这类型电路中的集成电路：这类型电路中的MOSMOS管通常同一时刻有两种工作状管通常同一时刻有两种工作状态，导通或截止，即所谓互补状态，所以称为互补对称式金属态，导通或截止，即所谓互补状态，所以称为互补对称式金属- -氧氧化物化物- -半导体电路（半导体电路（Complementary-SymmeteryComp

12、lementary-Symmetery Metal-Oxide- Metal-Oxide-Semiconductor Circuit,Semiconductor Circuit,简称简称CMOSCMOS电路）电路）T4 +VCC(+5V) b1 A BR13kT3T2T1Y R4100+VCC(+5V)T5 A BTTL与非门电路T1的等效电路D3c1R13kR2750R3360R53kD1D22.3 TTL集成门电路集成门电路1 1、TTL与非门与非门输入信号不全为1：如uA=0.3V， uB=3.6V R4100T4 A BR13kT3T2T1Y+VCC(+5V)T5R2750R3360R

13、53k0.7V0.7V+-3.6V0.3V1V则uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4导通忽略iB3，输出端的电位为：输出Y为高电平。uY50.70.73.6VT4ABR13kT3T2T1YR4100+VCC(+5V)T5R2750 R3360 R53k0.7V0.7V+-+-0.3V+-0.3V3.6V3.6V输入信号全为1：如uA=uB=3.6V2.1V则uB1=2.1V，T2、T5导通，T3、T4截止输出端的电位为： uY=UCES0.3V输出Y为低电平。BAYuA uBuY0.3V 0.3V0.3V 3.6V3.6V 0.3V3.6V 3.6V3.6V3.6V3.6V

14、0.3VA BY0 00 11 01 11110功能表功能表真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式74LS00 的引脚排列图VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14 13 12 11 10 9 874LS20 1 2 3 4 5 6 7VCC 2A 2B NC 2C 2D 2Y 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND74LS20 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 874LS00 1 2 3 4 5 6 774LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入与非门。No Connect (不与IC内部连接 )SN SN 54

15、/74系列系列( (SN制造厂商制造厂商- 美国德克萨斯公司，德州仪器美国德克萨斯公司，德州仪器(Texas Instruments)，简称，简称TI，是全球领先的半导体公司，为，是全球领先的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理现实世界的信号处理提供创新的数字信号处理(DSP)及模拟器及模拟器件技术。除半导体业务外，还提供包括教育产品和数字光源处件技术。除半导体业务外，还提供包括教育产品和数字光源处理解决方案理解决方案(DLP)。TI总部位于美国得克萨斯州的达拉斯。总部位于美国得克萨斯州的达拉斯。 )CT 54/74系列系列(CT制造厂商制造厂商-国产国产TTL电路电路, C

16、T 54/74系列系列-标准标准通用系列，国内沿用的是通用系列，国内沿用的是T1000系列，与国际上的系列，与国际上的SN 54/74系系列相当列相当)54/7454/74系列的区别主要在于工作环境温度范围和电源允许的系列的区别主要在于工作环境温度范围和电源允许的变化范围不同，变化范围不同，P106P106，所以，所以54一般是军用系列，一般是军用系列，74一般是民一般是民用系列。用系列。TITI公司最初生产的公司最初生产的TTLTTL电路取名为电路取名为SN54/74SN54/74系列，我们称它为系列，我们称它为TTLTTL基本系列。（后来在高速基本系列。（后来在高速CMOSCMOS集成电路

17、中沿用了这种命集成电路中沿用了这种命名方法。）名方法。）TTL数字集成电路CMOS数字集成电路SN SN 54/74系列系列-基本系列，后来为基本系列，后来为了满足提高工作速度和降低功耗了满足提高工作速度和降低功耗的需要，继的需要，继54/74系列之后又相继系列之后又相继生产了生产了74H、74L、74S、74LS、74AS、74ALS、74F等改进系列等改进系列40004000系列，系列，74HC74HC、74HCT74HCT、74AHC74AHC、74AHCT74AHCT、74LVC74LVC、74ALVC74ALVC系列，系列， 54/74是是TI公司产品的标志，公司产品的标志，“HC”

18、是不同系列的名称，后面是不同系列的名称，后面的数码（例如的数码（例如74HC04）04表示表示器件具体的逻辑功能，在这里表器件具体的逻辑功能，在这里表示这个器件是示这个器件是“六反相器六反相器”（即（即其中有六个同样的反相器），只其中有六个同样的反相器），只要器件名称中最后的数码相同，要器件名称中最后的数码相同，它们的逻辑功能就是一样的。它们的逻辑功能就是一样的。 74LS04和74HC042.TTL非门、或非门、与或非门、与门、或门及异或门非门、或非门、与或非门、与门、或门及异或门 14 13 12 11 10 9 874LS04 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6

19、A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND6 反相器 74LS04 的引脚排列图T4AR13kT3T2T1YR4100+VCCT5R2750R3360R53kTTL 反相器电路A=0时，T2、T5截止，T3、T4导通，Y=1。A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。AY TTL非门 14 13 12 11 10 9 874LS02 1 2 3 4 5 6 7VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A 1Y 1B 1A 2Y 2B 3A GND74LS02 的引脚排列图T4ABR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T2T1R1TTL 或非门电路A、B中只要有一个为1，

20、即高电平，如A1，则iB1就会经过T1集电结流入T2基极，使T2、T5饱和导通，输出为低电平，即Y0。AB0时，iB1、iB1均分别流入T1、T1发射极，使T2、T2、T5均截止，T3、T4导通，输出为高电平，即Y1。BAYTTL或非门 14 13 12 11 10 9 874LS51 1 2 3 4 5 6 7VCC 2B 2C 2D 2E 2F 2Y 2A 1A 1B 1C 1D 1Y GND74LS51 的引脚排列图T4ABCDR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T2T1R1TTL 与或非门电路A和B都为高电平（T2导通）、或C和D都为高电平（T2导通）时，T5饱和导通、T4截

21、止，输出Y=0。A和B不全为高电平、并且C和D也不全为高电平（T2和T2同时截止）时，T5截止、T4饱和导通，输出Y=1。DCBAYTTL与或非门与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B11或门AB1YY=A+B=A+B异或门AB&11YBABABABABABABABABAY)()(AB=1Y3 3、OC门及门及TSL门门OC 与非门的电路结构AB+VCCYR YABCD&OC 门线与图+VCCR Y1 Y2 T1 T2 T3 uB1问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：A、B全为1时，uB1=2.

22、1V，T2、T3饱和导通，Y=0。BAY外接电阻R的取值范围为：ILOLOLCCmIIUVmaxIHOHOHCCmInIUVminROC门TSL门国标符号T4AR13kT3T2T1YR4100+VCC(+5V)T5R2750R3360R53kAE&ENYED电路结构E0时，二极管D导通，T1基极和T2基极均被钳制在低电平，因而T2T5均截止，输出端开路，电路处于高阻状态。结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。E1时，二极管D截止，TSL门的输出状态完全取决于输入信号A的状态，电路输出与输入的逻辑关系和一般反相器相同，即：Y=A，A0时Y1，为高电平；A1时Y0，为低电平。TSL门的

23、应用：G1总线ABE1ENY1EN1AE1ENB1EN1 1ENE1 A1 1ENE2 A2 1ENEn An(a) 多路开关(b) 双向传输(c) 单向总线G1G2G1G2G2Gn作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B 。构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，即任何时刻只让一个TSL门处于工作状态，而其余TSL门均处于高阻状态，这样总线就会轮流接受各TSL门的输出。4 4、TTL系列集成电路及主要参数系列集成电路及主要参数TTL系列集成电路74：标准系列，前面介

24、绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平均功耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。TTL与非门主要参数（1）输出高电平UOH：TTL与非门的一个或几个输入为

25、低电平时的输出电平。产品规范值UOH2.4V，标准高电平USH2.4V。（2）高电平输出电流IOH：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。（3）输出低电平UOL：TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL0.4V，标准低电平USL0.4V。（4）低电平输出电流IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。（5）扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般TTL门电路NO8，功率驱动门的NO可达25。（6）最大工作频率

26、fmax：超过此频率电路就不能正常工作。（7）输入开门电平UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般TTL门电路的UON1.8V。（8）输入关门电平UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般TTL门电路的UOFF0.8V。（9）高电平输入电流IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。（10）低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。（11）平均传输时间tpd：

27、信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的逻辑功能。（12）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。2.4 CMOS集成门电路集成门电路1 1、CMOS非门非门uA+VDD+10VTPTN+VDD+10V+VDD+10VSSRONPRONN10V0V(a) 电路(b) TN截止、TP导通(c) TN导通、TP截止uYuYuY（1）uA0V时，TN截止，TP导通。输出电压uYVDD10V。（2）uA10V时，TN导通，TP截止。输出电压uY0V。AY 2 2、CMOS与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异

28、或门与非门、或非门、与门、或门、与或非门和异或门CMOS与非门BY+VDDATP1TN1TN2TP2BAYA、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。BY+VDDATN1TP2TN2TP1CMOS或非门BAY只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平

29、。与门ABAB&1AB&YABA+B11或门AB1Y&1&1 & 1ABCDABCDABCDYYY(a) 由与非门和反相器构成(b) 由与门和或非门构成(c) 逻辑符号CMOS与或非门DCBADCBAYDCBAYY=AB=ABY=A+B=A+B&ABY&CMOS异或门BABABABABABAY3 3、CMOS OD门、门、TSL门及传输门门及传输门&1YAB+VDDRD外接AB&Y(a) 电路(b) 符号ABYCMOS OD门漏极开路输出(Open-Drain Output)CMOS TSL门Three-state Logic 11ENAETP2TP1 YTN1TN2AEY+VDD(a) 电路

30、(b) 符号E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。C+VDDTGuiuiuouoTPTNCCC(a) 电路(b) 符号CMOS 传输门C0、 ，即C端为低电平（0V）、 端为高电平（VDD）时， TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样。C1、 ，即C端为高电平（VDD）、 端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。1C0CCC4 4、CMOS数字电路的特点及使用时的注意事项数字电路的特点及使用时的注意事项（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL