第三章(集成逻辑门)

1、3 集成逻辑门集成逻辑门门电路：门电路：实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。高、低电平用高、低电平用0、1两种逻辑状态表示。两种逻辑状态表示。正逻辑正逻辑 - 高电平表示为：高电平表示为：“1”，低电平表示为：，低电平表示为：“0”负逻辑负逻辑 - 高电平表示为：高电平表示为：“0”，低电平表示为：，低电平表示为：“1”逻辑门分类逻辑门分类:利用晶体二极管利用晶体二极管,三极管三极管,MOS管的开关管的开关状态表示逻辑状态表示逻辑”1”和和”0: 3.1 3.1 二极管与三极管的开关特性二极管与三极管的开关特性3.1.1 3.1.1 二极管的开关

2、特性二极管的开关特性 理想开关如右图所示。理想开关如右图所示。 晶体二极管是由PN结构成，具有单向导电的特性。在开关电路近似的分析中，二极管可以当作一个理想开关来分析。 1. 1.二极管稳态开关特性二极管稳态开关特性 (1) (1)二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 (2) (2)二极管开关等效电路二极管开关等效电路开关闭合当UaUb时，D导通当UaUb时,D截止开关断开 + ui=0V RL +uo Dui=0V时的等效电路 + + 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

3、的电压源，uo4.3V。 (3) (3)与理想开关差异与理想开关差异 (1) (1)开关应用电路开关应用电路/ /理想特性理想特性 2. 2.二极管瞬态开关特性二极管瞬态开关特性 二极管在电路中表现为一个二极管在电路中表现为一个受外加电压受外加电压vi控制的开关控制的开关。当外。当外加电压加电压vi为一脉冲信号时，二极为一脉冲信号时，二极管将随着脉冲电压的变化在管将随着脉冲电压的变化在“开开”态与态与“关关”态之间转换。这个转态之间转换。这个转换过程就是二极管开关的换过程就是二极管开关的动态特动态特性性。 (2) (2)实际波形特性实际波形特性 过程及时间过程及时间 （结电容充放电、存储电荷结

4、电容充放电、存储电荷） (3) (3)提高速度措施提高速度措施(1) (1) 二极管与门二极管与门 2. 工作原理工作原理Da DbDa DbU UY YU UA U UB B0 0 0 0 0 3v 0 3v 3v 03v 03v 3v3v 3v3. 真值表真值表（状态表）（状态表）4. 输出函数式输出函数式Y=AB 5. 5. 逻辑符号逻辑符号&Y YA BA B0 O0 O0 10 11 01 01 11 1Y Y0 00 00 01 1导通导通 导通导通导通导通导通导通导通导通 导通导通截止截止截止截止0.7V0.7V0.7V0.7V0.7V0.7V3.7v3.7vAB1. 电

5、路组成电路组成（以二输入为例）（以二输入为例）+V+VCCCCR RA AB BDaDaDbDb设：设：VCCCC= =5V5V，U UIHIH= =3v3v,U,UILIL= =0v0v二极管正向压降二极管正向压降0.7V0.7V。 3.3.二极管开关应用电路二极管开关应用电路 Y1. 1. 电路组成电路组成( (以二输入为例以二输入为例) ) 2. 2. 工作原理工作原理U UA A U UB B0 00 00 3v0 3v3v 03v 03v 3v3v 3v3.3.真值表真值表A BA B0 00 00 10 11 01 01 11 1Y Y0 01 11 11 1 4. 4.输出函数式

6、输出函数式Y=A+BY=A+B5.5.逻辑符号逻辑符号截止截止 截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通导通导通 导通导通Da DbDa DbU UY Y2.3v2.3v2.3v2.3v2.3v2.3vY YAB1 10 0(2)(2) 二极管或门二极管或门二极管与门和或门电路的缺点二极管与门和或门电路的缺点（1 1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。值的情况。（2 2）负载能力差）负载能力差 3.1.2 三极管三极管的开关特性的开关特性1 1三极管的三种工作状态三极管的三种工作状态 （1 1）截止状态：）截止状态：当当V VI I

7、小于三极管发射结死区电压时，小于三极管发射结死区电压时，I IB BI ICBOCBO00，I IC CI ICEOCEO00，V VCECEV VCCCC，三极管工作在截止，三极管工作在截止区，对应图区，对应图1.4.51.4.5（b b）中的）中的A A点。点。 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压。于死区电压。 此时，若调节此时，若调节R Rb b，则，则I IB B，I IC C，V VCECE，工作点沿着，工作点沿着负载线由负载线由A A点点BB点点CC点点DD点向上移动。在此期间，三点向上移动。在此期间，三极管工作在放大

8、区，极管工作在放大区， 其特点为其特点为I IC CIIB B。 三极管三极管工作在放大状态的条件为：工作在放大状态的条件为：发射结正偏，集电结发射结正偏，集电结反偏反偏 （2 2）放大状态：）放大状态：当当V VI I为正值且大于死区电压时，为正值且大于死区电压时，三极管三极管导通。有导通。有 bIbBEIBRVRVVI 若再减小若再减小R Rb b，I IB B会继续增加，但会继续增加，但I IC C已接近于最大值已接近于最大值 V VCCCC/ /R RC C，不会，不会再增加，再增加，三极管三极管进入饱和状态。饱和时的进入饱和状态。饱和时的V VCECE电压称为饱和压降电压称为饱和压降

9、V VCESCES，其典型值为：其典型值为：V VCESCES0.30.3V V。 三极管三极管工作在饱和状态的电流条件为：工作在饱和状态的电流条件为：I IB B I IBSBS 电压条件为：电压条件为：集电结和发射结均正偏集电结和发射结均正偏。 （3 3）饱和状态：）饱和状态：保持保持V VI I不变，继续减小不变，继续减小R Rb b，当，当V VCECE 0.70.7V V时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应时，集电结变为零偏，称为临界饱和状态，对应图（图（b b）中的）中的E E点。此时的集电极电流称为集电极饱和点。此时的集电极电流称为集电极饱和电流，用电流，用I ICSCS表

10、示表示，基极电流称为基极临界饱和电流，基极电流称为基极临界饱和电流，用用I IBSBS表示表示，有，有: :CCCC0.7V-RVRVICCCSCCCCSBSRVII NPN型三极管截止、放大、饱和3 种工作状态的特点工作状态截 止放 大饱 和条 件iB00iBIBSiBIBS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集电极电流iC0iCiBiCICSce间电压uCEVCCuCEVCCiCRcuCEUCES0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合当Ub为高电平UIH时，T饱和当Ub为低电平UIL时，T截止开关闭合开关断开三极管开关等效电路三

11、极管开关等效电路（理想情况下）（理想情况下）2.三极管稳态开关特性三极管稳态开关特性RbRc+VCCbce截止状态饱和状态iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V等效电路等效电路3.三极管瞬态开关特性三极管瞬态开关特性offontt,开关特性图开关特性图3-1-13，开关时间；，开关时间；影响因素：三极管结构（结电容）；饱和、截止深度等。影响因素：三极管结构（结电容）；饱和、截止深度等。-V-VEEEEVccVcc3.3. 真值表真值表A A0 01 1Y Y1 10 04.4.输出函数式输出函数式 Y = AY = A 5.

12、5.逻辑符号逻辑符号1 1A AY Y2.工作原理工作原理注：注：为了保证在输入低电平时三极为了保证在输入低电平时三极 管可靠截止，常将电路接管可靠截止，常将电路接成上图形式。由于接入了负电源成上图形式。由于接入了负电源VEEEE，即使输入低电平信号稍，即使输入低电平信号稍大于零，也能使三极管的基大于零，也能使三极管的基 极为负电位，使三极管可靠截止，极为负电位，使三极管可靠截止，输出为高电平。输出为高电平。1 1、电路原理图电路原理图UaUa0 03v3vT T截止截止饱和饱和U UY Y0 04. 4. 三极管非门三极管非门CBAL3.2 TTL集成逻辑门集成逻辑门1.DTL与非门工作原理

13、：与非门工作原理：该电路满足与非逻辑关系，即：该电路满足与非逻辑关系，即：ABCL+VDDD123DD1R23CC（+5V）R1RcT45P3k1k4.7k2 TTL集成逻辑门类型集成逻辑门类型,系列系列1 17474系列系列为为TTLTTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTLTTL器件。器件。2 274H74H系列系列为高速为高速TTLTTL系列。系列。3 374S74S系列系列为肖特基为肖特基TTLTTL系列，进一步提高了速度。如图系列，进一步提高了速度。如图示。示。474LS系列系列为低功耗肖特基系列。为低功耗肖特基系列。574AS系列系列为先进肖特基系列，为先进肖

14、特基系列，它是它是74S系列的后继产品。系列的后继产品。674ALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列，功耗肖特基系列，是是74LS系列的后继产品。系列的后继产品。3.2.1 TTL与非门的基本结构及工作原理与非门的基本结构及工作原理1TTL与非门的基本结构与非门的基本结构+V13（ +5V）CCABCTb1R1输入级输入级倒相级倒相级 输出级输出级T T1 1T T2 2T T3 3T T4 4Y2 2工作原理工作原理（1 1）输入全为高电平）输入全为高电平3.63.6V时。时。 T2 2、T3 3导通，导通，VB1 1=0.7=0.73=2.13=2.1（V ），），由于由于T3 3饱

15、和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：VO O= =VCES3CES30.30.3V这时这时T2 2也饱和导通，也饱和导通，故有故有VC2C2= =VE2E2+ + VCE2CE2=1=1V。使使T4 4和二极管和二极管D都截止。都截止。实现了与非门的逻辑实现了与非门的逻辑功能之一：功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。+VV3.6（ +5V）CCRACBTTTRT1KRb11243c2c4e2Ro2.1V1.4V0.7V1V0.3V倒置状态饱和饱和截止截止4k1.6k130（2）输入有低电平）输入有低电平0.3V 时：时：v 该

16、发射结导通，该发射结导通，V VB1=1VB1=1V。所以所以T2T2、T3T3都截止都截止。由于由于T2T2截止截止，流流过RC2RC2的电流较小的电流较小，可以忽略，所以可以忽略，所以V VB4B4V VCC=5VCC=5V ，使T4T4和和D D导通，导通，则有：则有：vV VOOV VC CC C- -V VBE4-BE4-V VD=5-0.7-D=5-0.7-0.7=3.60.7=3.6（V V）v实现了与非门的逻辑功能的实现了与非门的逻辑功能的另一方面：另一方面：v 输入有低电平时，输入有低电平时，v 输出为高电平。输出为高电平。v（3）结论）结论 该电路满足与非的该电路满足与非的

17、逻辑功能，即：逻辑功能，即：CBAL+VV0.3V3.6Ro1301c2c43BACCT2RCRRT4b1TT4ke21V5V3.6V饱和截止截止导通导通4.3V1.6k1k3 3电路特点电路特点3.2.2 TTL与非门的主要外部特性及参数与非门的主要外部特性及参数外部特性外部特性: : 传输特性传输特性 输入特性输入特性 输出特性输出特性（1 1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。（提高速度提高速度）1、TTL与非门的电压传输特性与非门的电压传输特性 Vo=f（Vi）l(1)传输曲线传输曲线:（1 1）输出高电

18、平电压输出高电平电压V VOHOH在正逻辑体制中代表逻辑在正逻辑体制中代表逻辑“1”1”的输出电压。的输出电压。VOH的理论值为的理论值为3.63.6V，产品规定输出高电压值，产品规定输出高电压值VOH=3=3V（额定值额定值）。）。（2 2）输出低电平电压输出低电平电压V VOLOL在正逻辑体制中代表逻辑在正逻辑体制中代表逻辑“0”0”的输出电压。的输出电压。VOL的理论值为的理论值为0.30.3V，产品规定输出低电压值，产品规定输出低电压值VOL=0.35=0.35V（额定值）（额定值）。（3 3）关门电平电压关门电平电压V VOFFOFF是指输出电压下降到是指输出电压下降到额定高电平额定

19、高电平的的90%时对应的输入电压。时对应的输入电压。即即输入低电压的最大值。在产品输入低电压的最大值。在产品手册中常称为手册中常称为输入低电平电压输入低电平电压，用，用VIL（max）表示。产品规定表示。产品规定VIL（max）=0.8=0.8V。l(2)主要参数主要参数:（4 4）开门电平电压开门电平电压V VONON是指输出电压下降到是指输出电压下降到VOL（max）时对应时对应的输入电压。的输入电压。即即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输输入高电平电压入高电平电压，用，用VIH（min）表示。产品规定：表示。产品规定：VIH（min）=1.8=

20、1.8V。（5 5）阈值电压阈值电压V Vthth电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。分界线。 近似地：近似地：VthVOFFVON 即即ViVth，与非门关门，输出高电平；，与非门关门，输出高电平； ViVth，与非门开门，输出低电平。，与非门开门，输出低电平。 Vth又常被形象化地称为又常被形象化地称为门槛电压门槛电压。Vth的值为的值为1.31.3V1.1.V。(6) 输入端的噪声容限输入端的噪声容限低电平噪声容限低电平噪声容限 VN

21、LVOFF- -VIL0.80.8V-0.3-0.3V0.50.5V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVIH- -VON3.63.6V-1.8-1.8V1.81.8VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为信号允许一定的容差，称为噪声容限噪声容限。2 2TTLTTL与非门输入特性与非门输入特性l（1 1）曲线）曲线: :电流方向电流方向+V0.3V3.6VV12313123R1c23BACCT2RCRTb1Te21V1.

22、4V0.7ViB1iB1o4k1.6k1k等效简化电路如图等效简化电路如图：输入简化电路如图：输入简化电路如图：近似分析时，常用近似分析时，常用I IISIS来代替。来代替。 I IISIS 是是输入短路输入短路（UIL=0）时的）时的 电流。电流。7474系列门电路的每个输入端的系列门电路的每个输入端的I IIH IH 40A40A。+V+VCCCCR R1 1T T1 1U UILILI IILIL截止截止+V+VCCCCR R1 1T T1 1U UIHIHI IIHIH导通导通be2be2 be4be4l(2)(2)参数参数（1 1）输入低电平电流输入低电平电流I IILIL 是指当门

23、电路的输入端接低电平，是指当门电路的输入端接低电平，从门电路输入端流出的电流。从门电路输入端流出的电流。 （2 2）输入高电平电流输入高电平电流I IIHIH是指当门电是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。电流。（3 3）输入负载特性）输入负载特性 (4)(4)多余输入端处理多余输入端处理（2）对于或非门及或门，多余输）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并地；也可以与有用的输入端并联使用。联使用。（1 1）对于与非门及与门，多余输入）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接

24、电源端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（正端，或通过一个上拉电阻（1 13 3kW W）接电源正端；在前级驱动）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。入端并联使用。V&CCBA&AB（a）（b）1ABBA（a）（b）13. TTL3. TTL与非门输出特性与非门输出特性 +VV+VV123123D123123D（+5V）CCc4o截止T3T4导通导通R充电CLc4CC（+5V）o导通3T4T截止截止R放电CL（a）（b）(1)(1)输出为低电平时输出为低电平时（U U0 0 = = U U0L0L0.35V

25、)0.35V)由于由于T T4 4管的导通电阻为管的导通电阻为R RONON，所以，所以，U UOLOL= =I IOLOLR RONON。保证保证 U UOLOL0.35v0.35v，I IOLOL（maxmax）: :最大灌流最大灌流+V+VCCCCT T1 1截止截止导通导通U UOLOL+V+VCCCCT T3 3T T4 4+V+VCCCCT T1 1驱动门驱动门负载门负载门I IILILI IILILI IOLOL I IOLOL0.35/R RONON+V+VCCCCT T3 3T T4 4R RC3C3由于由于T T3 3管的导通电阻为管的导通电阻为R RON ON ，所以：，

26、所以： U UOH OH V VCC CC - -N N2 2I IIH IH ( (R RC3C3+ +R RONON)- )- 0.7v0.7v为了保证为了保证U UOHOH2.7v2.7v， IOH（max）: :最大拉流最大拉流(2)(2)输出端为高电平时输出端为高电平时 ( (U U0 0 = = U UOH OH 2.7v)2.7v)导通导通截止截止U UOHOH驱动门驱动门负载门负载门I IIHIHI IIHIHI IOHOH+V+VCCCCT T1 1+V+VCCCCT T1 14. TTL4. TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间t tpdpd导通延迟时间导通延迟时间t

27、PHL从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的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。中点所经历的时间。截止延迟时间截止延迟时间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。中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd是是tPHL和和tPLH的平均值。即的平均值。即 2PHLPLHpdttt一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。 （1 1）灌电流负载）灌电流负载ILOLOLIIN5 5带负载能力带负载能力N NOLOL称为输出低电平

28、时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。+V+V13D12312313截止3饱和CC（+5V）TTR截止4c4RCC4Kb1b14KR输出低电平IILIILIOLC3I= 当驱动门输出低电平当驱动门输出低电平时，电流时，电流（ II L ）从从负载门灌入驱动门。负载门灌入驱动门。 当负载门的个数增加，当负载门的个数增加，灌电流增大，会使灌电流增大，会使T T3 3脱离饱和，输出低电脱离饱和，输出低电平升高。平升高。 把允许灌入输出端的把允许灌入输出端的电流定义为电流定义为输出低电输出低电平电流平电流I IOLOL，产品规定产品规定I IOLOL=16mA=16mA。IHOHOHIIN（2 2

29、）拉电流负载。）拉电流负载。 NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定IOH=0.4=0.4mA。 当驱动门输出高电平时，电当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出流从驱动门拉出, ,流至负载流至负载门的输入端（门的输入端（I IIHIH）。）。 拉电流增大时，拉电流增大时，RC4C4上的压上的压降增大，会使输出高电平降降增大，会使输出高电平降低。低。把允许拉出输出端的电流定义把允许拉出输出端的电流定义为为输出高电平电流输出高电平电流I IOHOH。一般一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用扇出系数，用NO

30、表示。表示。+V+V1231312313DRCCR3导通b14K截止T（+5V）b1Tc4R4CC4K导通输出高电平IIHIIHOHE4=II7 7、TTLTTL与非门与非门/ /应用举例应用举例74007400是一种典型的是一种典型的TTLTTL与非门器件，内部含有与非门器件，内部含有4 4个个2 2输入端输入端与非门，共有与非门，共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。个引脚。引脚排列图如图所示。3.2.3 TTL3.2.3 TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1 1非门非门L+V123123D12313ATTT123Re21AL=A(a)(b)Rc2RCCRTc4b142 2或非门或非

31、门 L+V123123D1312312313AL=A+B(a)(b)CC4TR3TT1AT2AT1BT2BR1BR1AR2R43ABB13 3与或非门与或非门+VL12312313D13 123123CC4TR3T1AT2AT1BT2BTR1BR1AR24R3AB11A2B24集电极开路门（集电极开路门（ OC门）门）(1)(1)线与问题线与问题 在数字系统中，有些场合需要将门电在数字系统中，有些场合需要将门电路的输出端并联使用，即路的输出端并联使用，即“线与线与”。Y=0Y=0(2)(2)OC OC 门门解决上述问题的办法：解决上述问题的办法： 需要线与时，用需要线与时，用OC OC 门门。

32、线与线与电流大电流大损坏损坏T T4 4T T3 3T T4 4G G1 1+V+VCCCC导通导通导通导通截止截止截止截止1 10 0T T3 3T T4 4G G2 2+V+VCCCCI IILIL1 1）结构结构T T1 1T T2 2T T4 4Y Y+V+VCCCCA AB B但推拉式输出的门电路不能并联。但推拉式输出的门电路不能并联。 例如例如，如图所示情形时，如图所示情形时,门电路会损坏。门电路会损坏。2）逻辑符号）逻辑符号（以（以OCOC与非门为例）与非门为例）& &A AB BY Y (3) OC 门的使用门的使用使用使用OCOC门时，应外接上拉电阻门时，应外

33、接上拉电阻R RL L和电源和电源V VCCCC。(4) (4) 线与输出函数式线与输出函数式线与线与Y= ABY= ABCD CD 若电路如图：若电路如图：Y YR RL L+V+VCCCC则：则：( (与非与）与非与）（与或非）（与或非）= AB+CD= AB+CDR RL L的大小应根据公式计算，的大小应根据公式计算，通常在通常在1 1 2K2KW W之间。之间。V VCCCC的数值根据的数值根据U UOHOH的需要选定；的需要选定；& &C CD D& &A AB BOCOC门主要有以下几方面的应用：门主要有以下几方面的应用：v（1 1）实现线与。）实现

34、线与。 v电路如右图所示，逻辑关电路如右图所示，逻辑关系为系为: : (2)实现电平转换。实现电平转换。如图示，可使输出电如图示，可使输出电平提高平提高（3 3）用做驱动器。）用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的如图是用来驱动发光二极管的电路。电路。+10V&OV+5V&270+VBA&DC&PRCCLLL12（1）当输出高电平时，当输出高电平时， RP不能太大。不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由由OC门进行线与时，外接上拉电阻门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：的选择：得：得：+V&RCCPVOH

35、IIHIIHIIHnm&（2）当输出低电平时，当输出低电平时，RP不能太小。不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由由所以：所以： RP（min）RPRP（max）+V&RPCCOLVIILILIn&m&IOL（1 1）三态输出门的结构及工作原理。）三态输出门的结构及工作原理。当当EN=0=0时，时，G输出为输出为1 1，D1 1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。称为正常工作状态。当当EN=1时，时，G输出为输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端都截止。这

36、时从输出端L看进去，呈现看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。高阻，称为高阻态，或禁止态。5 5三态输出门三态输出门+VL123123D123D13ABT1b1R3TR4CCTTc2R2VRc2e2c4pEN11G&ENABL&ENABL三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。 （a）组成单向总线，）组成单向总线，实现信号的分时单向传送实现信号的分时单向传送. .（b）组成双向总线，）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。实现信号的分时双向传送。（2 2）三态门的应用）三态门的应用AEN&BAEN&BAEN&BE

37、NENEN111222333总线G1G2G3EN1总线DDIO1EN/IDDOGG12EN5 57474LS系列系列为低功耗肖特基系列。为低功耗肖特基系列。6 67474AS系列系列为先进肖特基系列，为先进肖特基系列，它是它是7474S系列的后继产品。系列的后继产品。7 77474ALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列，功耗肖特基系列，是是74LS系列的后继产品。系列的后继产品。七、七、TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介1 17474系列系列为为TTLTTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTLTTL器件。器件。2 274L74L系列系列为低功耗为低功

38、耗TTLTTL系列，又称系列，又称LTTLLTTL系列。系列。3 374H74H系列系列为高速为高速TTLTTL系列。系列。4 474S74S系列系列为肖特基为肖特基TTLTTL系列，进一步提高了速度。如图系列，进一步提高了速度。如图示。示。3.4 3.4 MOS逻辑门电路逻辑门电路 3.4.1 3.4.1 M OSOS管开关等效电路管开关等效电路（理想情况下）（理想情况下）当当U UGSGS2v时，时，当当U UGS2vGS-2vGS-2v时时, ,（等效开关图同上）（等效开关图同上）T TN N 截止截止1 1、NM OS OS 管开关等效电路管开关等效电路T TN N导通：导通：T TP

39、 P导通：导通：T TP P截止：截止： iD(mA) 0uDS(V)0 UT uGS(V)iD(mA)uGS=10V8V6V4V2V工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiUTuo0所以输出为低电平。所以输出为低电平。3.4.2 NMOS门电路门电路1 1NMOS非门非门逻辑关系：（设两管的开启电压为逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1T1= =VT2T2=4=4V，且，且gm1 1gm2 2 ）（1 1）当输入）当输入Vi为高电平为高电平8 8V时，时，T1 1导通，导通，T2 2也导通。因为也导通。因为gm1 1gm2

40、 2，所以两管的导通电阻所以两管的导通电阻RDS1DS1RDS2DS2，输出电压为：，输出电压为： VVVTTDD21(+12V)ioVVV1DD2T(+12V)TioVVDS2DS1R(100200k)DD(+12V)R(310k)o（2 2）当输入）当输入V Vi i为低电平为低电平0V0V时，时，T T1 1截止，截止，T T2 2导通。所以输出导通。所以输出电压为电压为V VOHOH= =V VDDDD- -V VT T=8V=8V，即输出为高电平。，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。所以电路实现了非逻辑。2 2NMOS门电路门电路（1 1）与非门）与非门（2）或非门）或非门AL=

41、ABVB1TDD3T(+12V)T2BVL= A+ BADD(+12V)3T2TT13.5 3.5 CMOS门电路门电路基本电路用基本电路用T TP P管和管和T TN N管构成。管构成。输入脉冲幅度通常为输入脉冲幅度通常为V VDDDD。V VA A0V0VT TP P T TN NU UY YV VDDDD真值表真值表A A0 01 1Y Y1 10 0表达式表达式Y Y= =A A0 0VDDV VDDDD截止截止截止截止导通导通导通导通0 03.5.1 3.5.1 CMOS反向器的工作原理反向器的工作原理一一. . 电路结构电路结构二二. .工作原理工作原理T TP P+V+VDDDD

42、A AT TN NY YG G S S D D 3.5.2 3.5.2 CMOSCMOS反向器的外部特性反向器的外部特性 当当U UI I V VDDDD/2 /2 时时, , = U U0L0L 0 0当当U UI I V VDDDD/2 /2 时时, , = U U0H0H V VDDDDU U0 0U U0 0其阈值电平其阈值电平V VTHTH = = V VDDDD/2/2V VDDDD/2/2V VDDDDV VDDDD/2/2V VDDDD0 0V VI IV VO O1. 1. 电压传输特性电压传输特性由于由于CMOSCMOS反向器的栅极和衬底之间有反向器的栅极和衬底之间有SiO

43、SiO2 2绝缘绝缘层，层，所以所以CMOSCMOS反向器正常工作时，有反向器正常工作时，有I II I= =I IG G=0=0成成立。立。但绝缘层非常薄，极易击穿但绝缘层非常薄，极易击穿 , 所以，制作所以，制作CMOSCMOS器件时，器件时， 集成了集成了“输入保护电路输入保护电路”, , 以保护绝缘层不被击穿。以保护绝缘层不被击穿。输入保护措施是有限度的，输入保护措施是有限度的，使用时还必须注意器件的使用时还必须注意器件的 正确使用方法。正确使用方法。2. 2. 输入特性输入特性由于由于U UGSGS越大，越大，T TN N管的导通电阻管的导通电阻R RONON就就越小，越小，(1)(

44、1)低电平输出特性低电平输出特性U U0 0= =U U0L0L时时: :在同样的在同样的I IOLOL值下，值下，V VDDDD越高，越高， 使使T TN N管导通时的管导通时的U UGSGS就越大，就越大，其其R RONON就越小，就越小，U UOLOL也就越低。也就越低。+V+VDDDDT TN NT TP PU UIHIHU UOLOLI IOLOLR RL LI IOLOL从负载电路注入从负载电路注入T TN N管。（管。（灌流灌流）T TN N管导通，管导通，T TP P管截止，管截止，V VDDDD=5V=5V10V10V15V15VU UOLOLO OI IOLOL3. 3.

45、输出特性输出特性在在VDD一定时，一定时， IOL UOL ，所以，所以IOL（max）(2)(2)高电平输出特性高电平输出特性由于由于U UGSGS越负，越负， T TP P管的导通电阻管的导通电阻R RONON就就越小，越小，U U0 0= =U U0H0H时：时：所以：在同样的所以：在同样的I IOHOH值下，值下， V VDDDD越高，越高， 使使T TP P管导通时的管导通时的U UGSGS就越负，其就越负，其R RONON就越就越小，小，V VOHOH也就越高。也就越高。T TN NT TP P+V+VDDDDU UILILU UOHOHI IOHOHR RL LI IOHOH从从

46、T TP P管流向负载电路。（管流向负载电路。（拉流拉流）T TP P管导通，管导通，T TN N管截止，管截止，U UOHOHO OI IOHOHV VDDDDV VDDDD=5V=5V10V10V15V15V在在VDD一定时，一定时， IOH UOH ，所，所以以IOH（max）3.5.4 3.5.4 CMOS逻辑门逻辑门一一. 与非门（以二输入为例）与非门（以二输入为例）1 1、 组成组成两两T TP P管在上，管在上，并联并联；两两T TN N管在下，管在下，串联串联；2 2、工作原理工作原理只有当只有当AB同为同为1、 使串联的使串联的T TN N管同时导通时管同时导通时 ，输出才为

47、输出才为0，其它情况输出为其它情况输出为1。A BA B0 00 00 10 11 01 01 11 1T T3 3P P T T1 1P P T T2 2N N T T4 4N NY YB BA A功能特点：功能特点： 3 3、输出逻辑表达式输出逻辑表达式1 11 11 10 0通通通通通通通通通通通通通通通通止止止止止止止止止止止止止止止止T1T1T3T3+V+VDDDDY YT2T2T4T4A AB BY=AY=AB BY=AY=AB B二、二、 CMOS或非门（以二输入为例）或非门（以二输入为例）3 3、输出逻辑表达式：输出逻辑表达式：Y=AY=AB B1 1、 组成组成两两T TP

48、P管在上，管在上，串联串联；两两T TN N管在下，管在下，并联并联；2 2、工作原理工作原理只有当只有当AB同为同为0、 使串联的使串联的T TP P管同时导通时管同时导通时 ，输出才为输出才为1，其它情况输出为其它情况输出为0。功能特点：功能特点：A BA B0 00 00 10 11 01 01 11 1T T3 3P P T T1 1P P T T2 2N N T T4 4N NY YB BA A通通止止通通止止通通通通止止止止止止止止通通通通止止通通止止通通1 10 00 00 0B BA AT3T3T1T1T2T2T4T4V VDDDDY Y=A+B=A+B为了克服上述缺点，可在门

49、电路的输入、输出端增设为了克服上述缺点，可在门电路的输入、输出端增设“缓冲器缓冲器”。 CMOS门电路的优点门电路的优点：电路结构简单：电路结构简单CMOS门电路的缺点门电路的缺点：1 1）输出电阻）输出电阻R RO O的大小，受输入端状态的影响的大小，受输入端状态的影响2 2）输出电平）输出电平U UOLOL、U UOHOH，受输入端数目的影响，受输入端数目的影响缓冲器可由缓冲器可由CMOS非门非门组成。组成。增加缓冲器后，电路的逻辑功能将改变：增加缓冲器后，电路的逻辑功能将改变：& &1 11 11 1A AB BY Y1 11 11 1A AB BY Y11Y=A+BY=

50、A+BY=AY=AB B=A=AB B=A+B=A+B三三. .带缓冲级的带缓冲级的CMOS门电路门电路1.1.CMOS传输门（传输门（TGTG）组成和逻辑符号组成和逻辑符号当当C C=0=0时，时，C C=1=1时，时，当当C C=1=1，时，时C C=0=0时，时，T T1 1、T T2 2总有一个导电，传输门导通。总有一个导电，传输门导通。如同如同TTLTTLOC门，门，CMOS OD门，门，可用来实现可用来实现“线与逻辑线与逻辑”。工作时，要求工作时，要求U UI I在在0 0 V VDDDD之间变化。之间变化。CMOSCMOS传输门是双向输入和输出器件，两端可以互易使用。传输门是双向

51、输入和输出器件，两端可以互易使用。C CT T2 2T T1 1V VDDDDV VI I/V/VO OV VO O/V/VI IC CTGTGC CV VI I/V/VO OV VO O/V/VI IC C四四. . OD门（漏极开路的门电路）门（漏极开路的门电路）3.5.33.5.3 CMOS传输门传输门T T1 1、T T2 2截止，传输门截止。截止，传输门截止。2.2. CMOS传输门应用举例传输门应用举例利用利用CMOS传输门传输门和和CMOS非门非门可可以组成各种复杂的逻辑电路。以组成各种复杂的逻辑电路。当当C C=0=0时，时，SW截止；截止；CMOS双向模拟开关双向模拟开关的组

52、成和符号：的组成和符号：CMOS 三态门电路结构三态门电路结构举例举例见下页见下页例如做例如做模拟开关，模拟开关，用来传输模拟信号，用来传输模拟信号，这是一般的逻辑门无法实现的。这是一般的逻辑门无法实现的。TGTGC CV VI I/V/VO OV VO O/V/VI I1 1SWSWC CV VI I/V/VO OV VO O/V/VI I六六. . CMOS三态输出门（三态输出门（TSTS门）门）当当C=1C=1时时，SW导通。导通。例例1 1、 电路结构见图工作原理输出逻辑表达式和图形符号：Y =A高阻 CMOS三态输出门（三态输出门（TSTS门）举例门）举例0 01 01 1T1P T

53、1P T2N T2N 1 0高阻高阻YENENAEN A通止通止止通止通通通止止通通止止（EN=0 时）（EN=1时）0 1例例2.2. 电路结构见图工作原理0 01 01 1B1110T1P T2N T2NY高阻高阻 0 1ENB 输出逻辑表达式和图形符号：Y =A高阻高阻EN A止止止通通通通止止止通通（EN=1时）（EN=0时）0 1例例3.3.电路结构见图电路结构见图工作原理TGY0 01 01 1输出逻辑表达式和图形符号：Y=A （EN=0时）高阻（EN=1时）EN A0 1导通截止截止导通高阻高阻011 1CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1 1）基本的）基本的CMOS40

54、004000系列。系列。（2 2）高速的）高速的CMOSHC系列。系列。（3 3）与）与TTL兼容的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点逻辑门电路主要参数的特点（1 1）VOH（min）=0.9=0.9VDD； VOL（max）=0.01=0.01VDD。所以所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2 2）阈值电压）阈值电压Vth约为约为VDD/2/2。（3 3）CMOS非门的关门电平非门的关门电平VOFF为为0.450.45VDD，开门电平，开门电平VON为为0.550.55VDD。因此，。因此，其高、低电平噪声容限均达其高、低电平噪声容限均达0.450.45VDD。（4 4）CMOS电路的功耗很小，一般小于电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；门；（5 5）因）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达5050。四、四、 CMOS逻辑门电路的系列及主要参数逻辑门电路的系列及主要参数（b）用）用TTL门电路驱动门电路驱