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1、EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT概述概述第第 2 章逻辑门电路章逻辑门电路二极管、三极管的开关特性二极管、三极管的开关特性TTL 集成逻辑门集成逻辑门CMOS 集成逻辑门集成逻辑门集成逻辑门的应用集成逻辑门的应用本章小结本章小结最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT2.1 概概 述述主要要求：主要要求： 了解逻辑门电路的作用和常用类型。了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。理解高电平信号和低电平信号的含义。 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT TTL 即即 Transistor-Transistor Log

2、ic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分按功能特点不同分 普通门普通门( (推拉式输出推拉式输出) ) CMOS传输门传输门 输出输出开路门开路门 三态门三态门 门电路门电路 (Gate Circuit) 指用以实现基本逻辑关系和指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分 与门与门 或门或门 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非

3、门 与或非门与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分 TTL 集成门电路集成门电路 CMOS 集成门电路集成门电路 输入端和输出端都用输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。 用互补对称用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。管构成的逻辑门电路。 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT二、获得高低电平的方法及高电平和二、获得高低电平的方法及高电平和低电平的含义低电平的含义 获得高、低电平的基本原理获得高、低电平的基本原理EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定范围的电位值，而非一固定值。的电位值，而非一固定值。 高电平信号是多大

4、的信号？低高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？电平信号又是多大的信号？10高电平高电平低电平低电平01高电平高电平低电平低电平正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定由门电路种类等决定 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT主要要求：主要要求： 理解二极管、理解二极管、三极管的开关特性。三极管的开关特性。 掌握二极管、三极管开关工作的条件。掌握二极管、三极管开关工作的条件。 2.2二极管和二极管和三极管的开关特性三极管的开关特性EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT2.2.1 半导体二极管的开关特性半导体二极管的开关特性二极管开关电路二极管开关电路 真值表真值表

5、uiuo0101逻辑电平逻辑电平ui/Vuo/V00.31350.711.73.75EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT三极管为什么能用作开关？三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？怎样控制它的开和关？ 当输入当输入 uI 为低电平，使为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。时，三极管截止。 iB 0，iC 0，C、E 间相当间相当于开关断开。于开关断开。 三极管关断的条件和等效电路三极管关断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线负载线临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区一、三极管的开关作用及其条件一、三极管的开关作用及

6、其条件 截止区截止区uBE UthBEC三极管三极管截止状态截止状态等效电路等效电路uI=UILuBE+ +- -Uth为门限电压为门限电压2.2.2半半导导体体三三极极管管的的开开关关特特性性EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITIC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区一、三极管的开关作用及其条件一、三极管的开关作用及其条件 uI 增大增大使使 iB 增大，增大，从而工作点上移，从而工作点上移， iC 增增大，大，uCE 减小。减小。截止区截止区uBE Uth时，三极管开始导通，时，三极管开始导通，iB 0，三极管工作

7、于放大，三极管工作于放大导通状态。导通状态。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITIC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱饱和和区区放大区放大区一、三极管的开关作用及其条件一、三极管的开关作用及其条件 截止区截止区uBE IB(sat)因为因为 iB =IHB 0.7 VURBBV .92V 7 . 06 . 3RR CCCB(sat)RVI mA 1 . 0k 150V 5 所以求得所以求得 RB ton二、三极管的动态开关特性二、三极管的动态开关特性 开关时间主要由于开关时间主要由于电电荷存储效应荷存储效应引起，要提高引起，要提高开关速度

8、，必须降低三极开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。储电荷的消散。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITC E B SBD B C E 在普通三极管的基极和集电极之间并在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管接一个肖特基势垒二极管( (简称简称 SBD) ) 。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高抗饱和三极管的开关速度高 没有电荷存储效应没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有的导通电压只有 0.4 V 而非而非 0.7 V， 因此因此 UBC = 0.4 V 时，时，SBD 便导通，使便导通，使 UBC 钳在钳在 0.4 V 上，降低了饱

9、和深度。上，降低了饱和深度。三、三、抗饱和三极管简介抗饱和三极管简介EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT图2.3.1 二极管与门返回返回 真值表真值表逻辑电平逻辑电平ABY001101010001A/V B/V Y/V003303030.70.70.73.72.3.1 二极管与门二极管与门2.3 最简单的与、或、非门电路最简单的与、或、非门电路缺点：输出电平发生偏移缺点：输出电平发生偏移EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT2.3.2 二极管或门二极管或门图2.3.2 二极管或门返回返回逻辑电平逻辑电平A/V B/V Y/V0033030302.32.32.3 真值表真值表ABY001101

10、010111缺点：输出电平发生偏移缺点：输出电平发生偏移EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT2.3.3三极管非门三极管非门图2.3.3 三极管非门（反相器）返回返回 真值表真值表AY0110R2 和和VEE的作用：保证输入为低电平时三极的作用：保证输入为低电平时三极管可靠截止；输入为高电平时，保证三极管管可靠截止；输入为高电平时，保证三极管工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零。工作在深度饱和状态，使输出电平接近于零。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT主要要求：主要要求： 了解了解 TTL 与非门的组成和工作原理。与非门的组成和工作原理。了解了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。

11、集成逻辑门的主要参数和使用常识。2.4TTL 集成逻辑门集成逻辑门 掌握掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。基本门的逻辑功能和主要外特性。了解了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITV1V2V3V5V62.4.12.4.1TTL 反相器的电路结构和工作原理反相器的电路结构和工作原理 一、电路结构一、电路结构 输入级主要由三极管输入级主要由三极管 T1 、基极电基极电阻阻 R1 和钳位二极管和钳位二极管D1组成。组成。 D1 为输入钳位二极管，用以抑制为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输输

12、入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，入时，D1 不工作，当输入的负极性干不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在导通，输入端负电压被钳在 - -0.7 V上，上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对这不但抑制了输入端的负极性干扰，对 V1 还有保护作用。还有保护作用。 中间级起倒相放大作中间级起倒相放大作用，用，T2 集电极集电极 C2 和发射极和发射极 E2 同时输出两个逻辑电平同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动相反的信号，分别驱动 T3和和 T5。 输出级输出级由由 T3、D2、 R4和和V5组成。组成。其中

13、其中 V3 ，与，与 V5 构成推拉构成推拉式输出结构，式输出结构，提高了负载提高了负载能力。能力。 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 输入端为低电平时，输入端为低电平时，输出高电平。输出高电平。 输入低电平端对应的发射结输入低电平端对应的发射结导通，导通，uB1= 0.7 V + 0.2 V = 0.9 V这时这时 T2、T5 截止。截止。 T2 截止使截止使 T1 集电极等效电阻很大，使集电极等效电阻很大，使V2 截止使截止使 uC2 VCC = 5 V，因此，输入有低电平时，因此，输入有低电平时，输出为高电平。输出为高电平。( (二二) )TTL 反相器的工作原理反相器的工作原理（

14、设输入（设输入V VIHIH=3.4V=3.4V，V VILIL=0.2V=0.2V） )(0216. 0)106 . 1 (205)(221mArREREIbcCCCBS)( 1415111mARUVIBCCBIB1 I B1(sat) ，T1 深度饱和。深度饱和。oBuRI2424DBECCoUUVu)(6 . 37 . 07 . 052424VUURIVuDBEBCCoEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT因此，因此，T1 发射结反偏而集电极正偏，发射结反偏而集电极正偏，称称处于倒置放大状态。处于倒置放大状态。 输入为高电平时，输入为高电平时，输出低电平输出低电平 VCC 经经 R1 使

15、使 T1 集电结和集电结和 T2、T5 发射结导通，使发射结导通，使uB1 = 2.1 V。2. TTL反相器的工作原理反相器的工作原理 对于对于T2，)(03855. 0) 16 . 1 (505)(322mARRVICCBS)(725. 041 . 2511112mARUVIIIBCCBCB T2 饱和。饱和。 uC2 = UCE2(sat) + uBE5 = 0.3 V + 0.7 V = 1 V使使 T4 导通，而导通，而 D2 截止截止，则，则)(5 . 26 . 14222mARUVICCCC)(225. 35 . 2725. 0222mAIIICBEEXIT 逻辑门电路逻辑门电路

16、EXIT 因此，输入均为高电平时，输出为低电平。因此，输入均为高电平时，输出为低电平。 对于对于T5， D2截止使截止使 T5 的等效集电的等效集电极电阻很大，使极电阻很大，使 IB5 IB5(sat) ，因此，因此 V5 深度饱和。深度饱和。TTL 电路输入端悬电路输入端悬空时相当于输入高电平。空时相当于输入高电平。注意注意综上所述综上所述,该电路实现了与非逻辑功能该电路实现了与非逻辑功能,即即ABCY 55CCCBSRVI)(225. 27 . 0225. 33525mARUIIBEEB T5饱和，饱和，uo = UCE5(sat) 0.3 V 输出为低电平输出为低电平EXIT 逻辑门电路

17、逻辑门电路EXIT电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线( (三三) ) TTL 反相器的外特性及主要参数反相器的外特性及主要参数 1. 电压传输特性电压传输特性和噪声容限和噪声容限 输出电压随输入电压变化的特性输出电压随输入电压变化的特性 uI 较小时工作于较小时工作于AB 段，段，这时这时 T2、T5 截止，截止，T4、D2 导通，输出恒为高电平，导通，输出恒为高电平，UOH 3.6V，称与非门工，称与非门工作在截止区或处于关门状作在截止区或处于关门状态。态

18、。 uI 较大时工作于较大时工作于 BC 段，这时段，这时 T2、T5 工作于工作于放大区，放大区， uI 的微小增大的微小增大引起引起 uO 急剧下降，称与急剧下降，称与非门工作在转折区。非门工作在转折区。 uI 很大时工作于很大时工作于 CD 段，段，这时这时 T2、T5 饱和，输出恒为饱和，输出恒为低电平，低电平，UOL 0.3V，称与非，称与非门工作在饱和区或处于开门状门工作在饱和区或处于开门状态。态。 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT下面介绍与下面介绍与电压传输特电压传输特性有关的主要参数：性有关的主要参数：有关参数有关参数 0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.

19、02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线电压传输特性曲线标准高电平标准高电平 USH 当当 uO USH 时，则认为输出高时，则认为输出高电平，通常取电平，通常取 USH = 3 V。 标准低电平标准低电平 USL当当 uO USL 时，则认为输出低时，则认为输出低电平，通常取电平，通常取 USL = 0.3 V。 关门电平关门电平 UOFF保证输出保证输出不小于不小于标准高电平标准高电平USH 时时,允许的输入低电平的最大值。允许的输入低电平的最大值。开门电平开门电平 UON保证输出保证输出不高于不高于标准低电平标准低电平USL 时时,允许的输入高电平的最小值。允许的输入高电平的最小值。

20、阈值电压阈值电压 UTH转折区中点对应的输入电压，转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。又称门槛电平。USH = 3VUSL = 0.3VUOFFUONUTH近似分析时认为：近似分析时认为：uI UTH，则与非门开通，则与非门开通， 输出低电平输出低电平UOL；uI UTH，则与非门关闭，则与非门关闭， 输出高电平输出高电平UOH。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT噪声容限越大，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。 指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。UNL = UOFF UIL 指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。指输入高电平时

21、，允许的最大负向噪声电压。UNH = UIH UON 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为值称为噪声容限噪声容限。 输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限 UNH输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限 UNLEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT2 输入特性输入特性返回返回图2.4.4 TTL反相器的输入端等效电路b）-0.6Vvi6V时，输入电流将随输入电压的增加而时，输入电流将随输入电压的增加而迅速增大，甚至达到击穿电流值，因此迅速增大，甚至达到击穿电流值，因此TT

22、L门门电路的输入电压一般应限制在电路的输入电压一般应限制在5.5V以下。以下。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT3. 输入负载特性输入负载特性 当用当用TTL与非门组成一些较复杂的逻辑电路时，有时需与非门组成一些较复杂的逻辑电路时，有时需要在信号与输入端或输入端与地之间接一电阻。有电流要在信号与输入端或输入端与地之间接一电阻。有电流流过流过RI，必然产生电压降，将必然产生电压降，将vi随随RI的变化而变化的关的变化而变化的关系曲线叫做门电路的输入负载特性。系曲线叫做门电路的输入负载特性。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITROFF 称关门电阻。称关门电阻。RI RON 时，相应输入端相当

23、时，相应输入端相当于输入高电平。对于输入高电平。对 STTL 系列，系列，RON 2.1 k 。a）RI变化使变化使T2管未导通以前，管未导通以前，RI增大，增大，vi增大。使增大。使vi=0.7V时的时的RI称称为关门电阻，记为为关门电阻，记为ROFF。b） vi0.7V以后，以后，vi仍随仍随RI的的增大而增大。增大而增大。c） vi1.4以后，以后，T5管开始导通，管开始导通，UB1被钳位在被钳位在2.1V， 此后此后vi不再不再随随RI的增大而增大。此时的的增大而增大。此时的RI称称为开门电阻为开门电阻EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT输入负载特性测试电路输入负载特性测试电路 输入

24、负载特性输入负载特性曲线曲线0uI /VR1/k UOFF1.1FNROFFRONRONROFFUOFFEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 例例 下图中，已知下图中，已知 ROFF 800 ，RON 3 k ，试对应，试对应 输入波形定性画出输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。与非门的输出波形。( (a) )( (b) )tA0.3 V3.6 VO不同不同 TTL 系列，系列， RON、 ROFF 不同。不同。相应输入端相当于输入低电平，相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 0 。逻辑逻辑0因此因此 Ya 输出恒为高电平输出恒为高电平 UOH 。相应输入端相

25、当于输入高电平，相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 1 。逻辑逻辑1AAYb 1因此，可画出波形如图所示。因此，可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解：图解：图( (a) )中，中，RI = 300 RON 3 k EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT实际应用实际应用a）若将两个）若将两个TTL门电路经过门电路经过一个电阻串接，这个电阻的阻一个电阻串接，这个电阻的阻值不能大于值不能大于ROFF。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT4. 输出特性输出特性负载电流流入与负载电流流入与非门的输出端。非门的输出端。 负载电流从与非门负载电流从与非门的输出端流向外

26、负载。的输出端流向外负载。负载电流流入驱动门负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门负载电流流出驱动门IOH输入均为输入均为高电平高电平 输入有输入有低电平低电平 输出为低电平输出为低电平 输出为高电平输出为高电平 灌电流负载灌电流负载拉电流负载拉电流负载 不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用实用中常用扇出系数扇出系数 NOL 表示电路负载能力。表示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个

27、数。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。 通常按照负通常按照负载电流的流向将载电流的流向将与非门负载分为与非门负载分为 灌电流负载灌电流负载 拉电流负载拉电流负载 输出电压输出电压uo随输出电流随输出电流iL的变化而变化的关系曲线。的变化而变化的关系曲线。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITa）输出低电平时的输出特性）输出低电平时的输出特性输入高电平时，输出低电平。输入高电平时，输出低电平。此时此时T1倒置使用，倒置使用，T2、T5饱和，饱和，T4、D2至少有一个截止。至少有一个截止。UoL=iLrc

28、e5，UoL随着随着iL的增加而增大，的增加而增大，iL增大到使增大到使UoL超过超过UoLmax时，驱动门的逻辑关系就出错了。时，驱动门的逻辑关系就出错了。 iL与与负载门的多少有关负载门的多少有关, iL=nIIL。因此，输出高电平因此，输出高电平时带负载能力是有限的。时带负载能力是有限的。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT输出低电平时的输出特性如下所示。输出低电平时的输出特性如下所示。每个门的输出低电平特性都可以测出。每个门的输出低电平特性都可以测出。根据根据iL=nIILiLmax，可以算出带负载门的个数可以算出带负载门的个数n。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITb）输出高电平

29、时的输出特性）输出高电平时的输出特性输入低电平时，输出高电平。输入低电平时，输出高电平。此时此时T1深度饱和，深度饱和，T2、T5截止，截止，T4饱饱和，和，Uo=UoH=Vcc-UR2-UBE4-UD2=Vcc-UR4-UCES4-UD2，当当IL较小时，较小时，T4处处于临界饱和状态，于临界饱和状态，IL增大，增大，UR4增大，增大，但但UCES4下降，输出下降，输出电压能基本保持不电压能基本保持不变。当变。当IL增大到某增大到某一数值以后，一数值以后，T4进进入饱和，入饱和，UCES4基基本不变，但本不变，但UR4仍随仍随着着IL增大而增大。增大而增大。因此因此UOH随随IIL增加增加而

30、线性下降。在实而线性下降。在实际使用时，应将际使用时，应将IL限制在限制在400uA以下以下。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT每个门的输出高电平特性也可以测出。每个门的输出高电平特性也可以测出。输出高电平时的输出特性如下所示。输出高电平时的输出特性如下所示。扇出系数扇出系数 NOL 表示电路负载能力。取上面求出的两个表示电路负载能力。取上面求出的两个n的小者。的小者。根据根据iL=nIIH RON ，相应输入，相应输入端为高电平。端为高电平。510 RI UGS(th)N +UGS(th)P且且 UGS(th)N =UGS(th)P UGS(th)N增强型增强型 NMOS 管开启电压管开

31、启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB NMOS 管的衬底接管的衬底接电路最低电位，电路最低电位，PMOS管的衬底接最高电位，管的衬底接最高电位，从而从而保证衬底与漏源间保证衬底与漏源间的的 PN 结始终反偏。结始终反偏。.uGSN+- -增强型增强型 PMOS 管开启电压管开启电压uGSP+- -UGS(th)PuGSN UGS(th)N 时，增强型时，增强型 NMOS 管导通管导通uGSN UGS(th)N 时，增强型时，增强型 NMOS 管截止管截止OiDuGSUGS(th)N增强型增强型 NMOS 管管转移特性转移特性 时时, 增强型增强型 PMOS 管导通管导通 时时, 增

32、强型增强型 PMOS 管截止管截止OiDuGSUGS(th)P增强型增强型 PMOS 管管转移特性转移特性PGS(th)GSPUu PGS(th)GSPUu AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB( (一一) )电路基本结构电路基本结构 UIL = 0 V，UIH = VDDEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITAuIYuOVDDSGDDGSVP衬底衬底 BVN衬底衬底 B( (二二) )工作原理工作原理 ROFFNRONPuO+VDDSDDS导通电阻导通电阻 RON 截止电阻截止电阻 ROFFRONNROFFPuO+VDDSDDS可见该电路构成可见该电路构成 CMOS 非门，又称非门，又

33、称 CMOS 反相器。反相器。无论输入高低，无论输入高低，VN、VP 中总有一管截止，使静态漏中总有一管截止，使静态漏极电流极电流 iD 0。因此。因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。反相器静态功耗极微小。 输入为低电平，输入为低电平，UIL = 0V 时，时，uGSN = 0V UGS(th)N , VN 导通，导通，VP 截止，截止，PGS(th)DDDDGSPV0UVVu 输入为低电平输入为低电平 UIL = 0 V 时，时，uGSN = 0V UGS(th)N ， VN 截止，截止，VP 导通，导通，PGS(th)DDSPGPV0UVuu GSPuuO VDD , 为高电平。为高电平

34、。UIH = VDDuO 0 V ，为低电平。，为低电平。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT二、其他功能的二、其他功能的 CMOS 门电路门电路 ( (一一) )CMOS 与非门和或非门与非门和或非门 1. . CMOS 与非门与非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY 每个输入端对应一每个输入端对应一对对 NMOS 管和管和PMOS 管。管。NMOS 管为驱动管，管为驱动管，PMOS 管为负载管。输管为负载管。输入端与它们的栅极相连。入端与它们的栅极相连。与非门结构特点：与非门结构特点：驱动管相串联驱动管相串联，负载管相并联负载管相并联。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITABVDD

35、VPBVPAVNAVNBY CMOS 与非门工作原理与非门工作原理11导通导通导通导通截止截止截止截止0 驱动管均导通，驱动管均导通， 负载管均截止，负载管均截止， 输出为低电平。输出为低电平。 当输入均为当输入均为 高电平时：高电平时： 低电平输入端低电平输入端相对应的驱动管截相对应的驱动管截止，负载管导通，止，负载管导通，输出为高电平。输出为高电平。 当输入中有当输入中有 低电平时：低电平时：ABVDDVPBVPAVNAVNBY0截止截止导通导通1因此因此 Y = ABEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT2. . CMOS 或非门或非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY或非门结构特点

36、：或非门结构特点：驱动管相并联驱动管相并联，负载管相串联负载管相串联。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITYABuOuIVDD1漏极开路的漏极开路的CMOS与非与非门电路门电路( (二二) )漏极开路的漏极开路的 CMOS 门门简称简称 OD 门门 与与 OC 门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。Y = AB构成与门构成与门 构成输构成输出端开出端开路的非路的非门门需外接上需外接上拉电阻拉电阻 RDEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITC、C 为互补为互补控制信号控制信号 由一对参数对称一致的增由一对参数对称一致的增强型强型 NMOS

37、管和管和 PMOS 管并联管并联构成。构成。 PMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN( (三三) )CMOS 传输门传输门 工作原理工作原理 MOS 管的漏极和源极结构对称，管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此可互换使用，因此 CMOS 传输门的传输门的输出端和输入端也可互换。输出端和输入端也可互换。 uOuIuIuO 当当 C = 0V，uI = 0 VDD 时，时，VN、VP 均截止，输出与输入之间呈现高均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。电阻，相当于开关断开。 uI 不能传输到输出端，称传输门不能传输到输出端，称传输门

38、关闭。关闭。CC 当当 C = VDD，uI = 0 VDD 时，时，VN、VP 中至少有一管导通，输出与输入中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。之间呈现低电阻，相当于开关闭合。 uO = uI，称传输门开通。，称传输门开通。 C = 1，C = 0 时，传输门开通，时，传输门开通，uO = uI； C = 0，C = 1 时，传输门关闭，信号不能传输。时，传输门关闭，信号不能传输。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITPMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN 传输门是一个理想的传输门是一个理想的双向开关，双向开关，可传

39、输模拟信号可传输模拟信号，也可传输，也可传输数字信号数字信号。TGuI/uOuO/uICC传输门逻辑符号传输门逻辑符号 TG 即即 Transmission Gate 的缩写的缩写 ( (三三) )CMOS 传输门传输门 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 在反相器基础上串接在反相器基础上串接了了 PMOS 管管 VP2 和和 NMOS 管管 VN2，它们的栅极分别，它们的栅极分别受受 EN 和和 EN 控制。控制。( (四四) )CMOS 三态输出门三态输出门 AENVDDYVP2VP1VN1VN2低电平使能的低电平使能的 CMOS 三态输出门三态输出门工作原理工作原理001导通导通导通

40、导通Y=A110截止截止截止截止Z EN = 1 时，时，VP2、VN2 均截止，输出端均截止，输出端 Y 呈现高呈现高阻态。阻态。 因此构成使能端低因此构成使能端低电平有效的三态门。电平有效的三态门。 EN = 0 时，时，VP2 和和 VN2 导通，呈现低电阻，不影导通，呈现低电阻，不影响响 CMOS 反相器工作。反相器工作。 Y = AENEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT三、三、CMOS 数字集成电路应用要点数字集成电路应用要点 ( (一一) )CMOS 数字集成电路系列数字集成电路系列 CMOS4000 系列系列 功耗极低、抗干扰能力强；功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围宽电源

41、电压范围宽 VDD = 3 15 V；工作频率低，工作频率低，fmax = 5 MHz；驱动能力差驱动能力差。高速高速CMOS 系列系列( (又称又称 HCMOS 系列系列) ) 功耗极低、抗干扰能力强；电功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围源电压范围 VDD = 2 6 V；工作频率高，工作频率高，fmax = 50 MHz；驱动能力强。驱动能力强。 提高速度措施：减小提高速度措施：减小MOS 管的极间电容。管的极间电容。 由于由于CMOS电路电路 UTH VDD / 2，噪声容限，噪声容限UNL UNH VDD / 2，因，因此抗此抗干扰能力很强。电干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能源电

42、压越高，抗干扰能力越强。力越强。EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT民品民品 军品军品 VDD = 2 6 V T 表示与表示与 TTL 兼容兼容VDD = 4.5 5.5 V CC54HC / 74HC 系列系列CC54HC / 74HC 系列系列 TT按按电源电压电源电压不同分为不同分为 按工作温度不同分为按工作温度不同分为 CC74 系列系列 CC54 系列系列 高速高速 CMOS 系列系列EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT1. 注意不同系列注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同，电路允许的电源电压范围不同， 一般多用一般多用 + + 5 V。电源电压越高，抗干扰能力也

43、越强。电源电压越高，抗干扰能力也越强。 ( (二二) )CMOS 集成逻辑门使用要点集成逻辑门使用要点 2. 闲置输入端的处理闲置输入端的处理 不允许悬空。不允许悬空。 可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。 与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT主要要求：主要要求： 了解了解 TTL 和和 C

44、MOS 电路的主要差异。电路的主要差异。 了解了解集成门电路的选用和应用。集成门电路的选用和应用。 3.5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT一、一、CMOS 门门电路比之电路比之 TTL 的主要特点的主要特点 注意：注意：CMOS 电路的扇出系数大是由于其负载门电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非并非 CMOS 电电路的驱动能力比路的驱动能力比 TTL 强。强。实际上实际上 CMOS4000 系列驱动系列驱动能力远小于能力远小于 TTL，HCMOS 驱动能力与驱动能力与 TTL 相

45、近。相近。 功耗极低功耗极低 抗干扰能力强抗干扰能力强 电源电压范围宽电源电压范围宽 输出信号摆幅大输出信号摆幅大( (UOH VDD，UOL 0 V) ) 输入阻抗高输入阻抗高 扇出系数大扇出系数大 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT二、集成逻辑门电路的选用二、集成逻辑门电路的选用 根据电路工作要求和市场因素等综合决定根据电路工作要求和市场因素等综合决定 若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用 TTL 电路。电路。目前多用目前多用 74LS 系列，它的功系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至耗较小，工作频率一般可用至 20 MHz；如工作频率较高，可选用

46、如工作频率较高，可选用 CT74ALS 系列，系列，其工作频率一般可至其工作频率一般可至 50 MHz。 若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用 CMOS 电路。电路。其中其中 CMOS4000 系列一般用于系列一般用于工作频率工作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的以下、驱动能力要求不高的场合；场合；HCMOS 常用于工作频率常用于工作频率 20 MHz 以下、以下、要求较强驱动能力的场合。要求较强驱动能力的场合。 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT解：解：三、集成逻辑门电路应用举例三、集成逻辑门电路应用举例 例例 试改正下图电路的错误，使其正常工

47、作。试改正下图电路的错误，使其正常工作。CMOS 门门TTL 门门OD 门门(a)(b)(c)(d)VDDCMOS 门门Ya = ABVDDYb = A + BTTL 门门OD 门门Yc = AVDDENYd=ABEN = 1 时时EN = 0 时时OD 门门&TTL 门门悬空悬空CMOS 门门悬空悬空EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT可用两级电路可用两级电路 2 个与非门实现之个与非门实现之 例例 试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。解：解：( (1) ) 用与非门实现与门用与非门实现与门设法将设法将 Y = AB 用与非式表示用与非式

48、表示因为因为 Y = AB = AB因此，用与非门实现的与门电路为因此，用与非门实现的与门电路为Y = AB将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT可用两级电路可用两级电路 3 个与非门实现个与非门实现( (2) ) 用与非门实现或门用与非门实现或门因此，用与非门实现的或门电路为因此，用与非门实现的或门电路为Y = A + B因为因为 Y = A + B = A + B = A B设法将设法将 Y = A + B 用与非式表示用与非式表示实现实现 A实现实现 BEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT可用两级电路可

49、用两级电路 3 个或非门实现之。个或非门实现之。( (3) ) 用或非门实现与门用或非门实现与门设法将设法将 Y = AB 用或非式表示用或非式表示因此，用或非门实现的与门电路为因此，用或非门实现的与门电路为因为因为 Y = AB = A B = A + B将或非门多余输入端与将或非门多余输入端与有用端并联使用构成非门有用端并联使用构成非门Y = ABEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT可用两级电路可用两级电路 2 个或非门实现之个或非门实现之( (4) ) 用或非门实现或门用或非门实现或门设法将设法将 Y = A + B 用或非式表示用或非式表示因为因为 Y = A + B = A + B

50、因此，用或非门实现的或门电路为因此，用或非门实现的或门电路为Y = A + BEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 例例 有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。输输 入入输输 出出A B CY0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01

51、 1 1解：解：( (1) ) 分析设计要求，建立真值表分析设计要求，建立真值表感三种不同类型的火灾探测器感三种不同类型的火灾探测器有烟感、温感和紫外光有烟感、温感和紫外光产生报警信号产生报警信号两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才与非门设计与非门设计 报警电路的输入信号为烟感、温感报警电路的输入信号为烟感、温感和紫外光感三种探测器的输出信号，设和紫外光感三种探测器的输出信号，设用用 A、B、C 表示，且规定有火灾探测信表示，且规定有火灾探测信号时用号时用 1 表示，否则用表示，否则用 0 表示。表示。 报警电路的输出用报警电路的输出用 Y 表示

52、，且规表示，且规定需报警时定需报警时Y 为为 1 ，否则，否则 Y 为为 0。由此可列出真值表如右图所示由此可列出真值表如右图所示11110000( (2) ) 根据根据真值表画函数卡诺图真值表画函数卡诺图EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT 1 1ABC0100 0111 10 1 1( (3) ) 用卡诺图化简法求用卡诺图化简法求出输出逻辑函数的最出输出逻辑函数的最简与或表达式，再变简与或表达式，再变换为与非表达式。换为与非表达式。Y = AB + AC + BC( (4) ) 画逻辑图画逻辑图根据根据 Y 的与非表达式画逻辑图的与非表达式画逻辑图=AB AC BCABCY=AB AC

53、BCEXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT门电路是组成数字电路的基本单元之一，最基门电路是组成数字电路的基本单元之一，最基本的逻辑门电路有与门、或门和非门。实用中本的逻辑门电路有与门、或门和非门。实用中通常采用集成门电路，常用的有与非门、或非通常采用集成门电路，常用的有与非门、或非门、与或非门、异或门、输出开路门、三态门门、与或非门、异或门、输出开路门、三态门和和 CMOS 传输门等。门电路的传输门等。门电路的学习重点是常学习重点是常用集成门的逻辑功能、外特性和应用方法。用集成门的逻辑功能、外特性和应用方法。 本章小结本章小结EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXIT在数字电路中，三极管作为开关使

54、用。在数字电路中，三极管作为开关使用。硅硅 NPN 管管的截止条件为的截止条件为 UBE 0.5 V ，可可靠截止条件为靠截止条件为 UBE 0 V，这时这时 iB 0，iC 0，集集电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件为为 iB IB(sat) ，这时，硅管的这时，硅管的 UBE(sat) 0.7 V，UCE(sat) 0.3 V，集电极和发射极之间相当于开集电极和发射极之间相当于开关闭合。关闭合。 三极管的三极管的开关时间限制了开关速度。开关开关时间限制了开关速度。开关时间主要由电荷存储效应引起，要提高开关速时间主要由电荷存储效应引起，要提高开关

55、速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。电荷的消散。 EXIT 逻辑门电路逻辑门电路EXITTTL 数字集成电路主要有数字集成电路主要有 CT74 标准系列、标准系列、CT74L 低功耗系列、低功耗系列、CT74H 高速系列、高速系列、CT74S 肖特基系列、肖特基系列、CT74LS 低功耗肖特基低功耗肖特基系列、系列、CT74AS 先进肖特基系列和先进肖特基系列和 CT74ALS先进低功耗肖特基系列。其中，先进低功耗肖特基系列。其中，CT74L 系列系列功耗最小，功耗最小，CT74AS 系列工作频率最高。系列工作频率最高。 通常用功耗通常用功耗 - - 延迟积来综合评价门电路性能。延迟积来综合评价门电路性能。 CT74LS 系列功