电子技术基础数字部分课件第三章

1、3 逻辑门电路逻辑门电路3.1 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路*3.3 射极耦合逻辑门电路射极耦合逻辑门电路*3.4 砷化镓逻辑门电路砷化镓逻辑门电路3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题* 3.7 用用VerilogHDL描述逻辑门电路描述逻辑门电路教学基本要求：教学基本要求：1、了解半导体器件的开关特性。了解半导体器件的开关特性。2、熟练掌握熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或门）、三态门、门）、三态门、OD门（门（OC门）和传输门的逻辑功

2、能。门）和传输门的逻辑功能。3、学会门电路逻辑功能分析方法。学会门电路逻辑功能分析方法。4、掌握掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。3. 逻辑门电路逻辑门电路3.1 MOS逻辑门逻辑门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 逻辑门的一般特性逻辑门的一般特性3.1.3 MOS开关开关及其等效电路及其等效电路3.1.4 CMOS反相器反相器3.1.5 CMOS逻辑门电路逻辑门电路3.1.6 CMOS漏极开路门和三态输出漏极开路门和三态输出门电路门电路3.1.7 CMOS传输门传输门3.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参

3、数1 、逻辑门逻辑门: :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。2、 逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介1.CMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗

4、低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路3.1.1 数字集成电路简介数字集成电路简介3.1.2 逻辑门电路的一般特性逻辑门电路的一般特性1. 1. 输入和输出的高、低电平输入和输

5、出的高、低电平 vO vI 驱动门驱动门G1 负载门负载门G2 1 1 输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIH(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOL(max)输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1门门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min) VIL(max) +VDD 0 G2门门vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI P70 表表3.1.2VNH 当前级门输出高电平的最小当前级门输出高电平的

6、最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声容限：VNL 当前级门输出低电平的最大当前级门输出低电平的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2. 噪声容限噪声容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(max)在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力示门电路的抗干扰能力 1 驱动驱动门门 vo 1 负载门负载门 vI

7、 噪声噪声 类型类型参数参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或或tPHL(ns)782.10.93.传输延迟时间传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度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形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出输出 50% 90% 50% 10% tPLH tf tr 输入输入 50% 50% 10% 90% 4. 4. 功

8、耗功耗静态功耗：静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流电源总电流ID与电源电压与电源电压VDD的乘积。的乘积。5. 5. 延时延时 功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标. .延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP表示表示扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗：动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗。指的是电路在输出状态转换时的功耗。对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS

9、电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗门电路有动态功耗扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。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。（a)a)带带拉电流负载拉电流负载( (负载电流从驱动门流向外电路负载电流从驱动门流向外电路) )当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压当负载门的个数增加时，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。个数。)(I)(IN负载门负载门驱动门驱动门IHOHOH 高电平高电

10、平扇出数扇出数:IOH : :驱动门的输出端为高电平电流驱动门的输出端为高电平电流IIH : :负载门的输入电流负载门的输入电流( (拉电流拉电流) )。(b)带灌电流负载带灌电流负载( (负载电流从外电路流入驱动门负载电流从外电路流入驱动门) )(I)(IN负负载载门门驱驱动动门门ILOLOL 当负载门的个数增加时，总的灌电流当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起将增加，同时也将引起输出低电压输出低电压VOL的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输的升高。当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值。出低电平的上限值。IOL ：驱动门的输出端为低电平电流：驱动门的输出

11、端为低电平电流IIL ：负载门输入端电流之和：负载门输入端电流之和电路类型电路类型电源电电源电压压/V传输延传输延迟时间迟时间/ns静态功耗静态功耗/mW功耗延迟积功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限直流噪声容限输出逻输出逻辑摆幅辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45

12、VDD=15V151215103180 1036.59.015高速高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路 MOSMOS管有管有NMOSNMOS管和管和PMOSPMOS管两种。管两种。 当当NMOSNMOS管和管和PMOSPMOS管成对出现在电路中，且二者在工作管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为中互补，称为CMOSCMOS管管( (意为互补意为互补) )。 MOSMOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强

13、型。增强型。N N沟道沟道增强型增强型MOSMOS场效应管结构场效应管结构漏极漏极D集电极集电极C源极源极S发射极发射极E绝缘栅极绝缘栅极G基极基极B衬底衬底B 由于栅极与由于栅极与源极、漏极之间源极、漏极之间均无电接触，故均无电接触，故称绝缘栅极。称绝缘栅极。箭头方向由箭头方向由P（衬底）（衬底）指向指向N（沟道）（沟道）增强型增强型MOSMOS场效应管场效应管电极电极金属金属绝缘层绝缘层氧化物氧化物基体基体半导体半导体因此称之为因此称之为MOSMOS管管 NMOS管的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小 （1）NMOS管的开关特性 PMOS管

14、的电路符号及转移特性 (a) 电路符号 （b）转移特性D接负电源 （2）PMOS管的开关特性 导通导通电阻相当小截止3.1.3 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平: : MOS管截止，管截止， 输出高电平输出高电平当当I VTMOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的控制的无触点开关。无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区，相当于开关相当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止，管截止，相当于开关相当于开关“断开断开”输出为高电平。输出为高电平。当输入为低电平时：当输入为低电平时：

15、当输入为高电平时：当输入为高电平时：3.1.4 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止导通导通 10 V10 V 10V 0V导通导通截止截止0 VVTN = 2 VVTP = 2 V逻辑图逻辑图AL 逻辑表达式逻辑表达式vi (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10)VVVTPTNDD( 2. 电压电压传输特性和电流传输特性传输特性和电流传输特性)v(fvIO 电压传输特性电压传输特性BEBE段：转折区段：转折区转折区中点：电流最大转折区中点：电流最大 C

16、MOS CMOS反相器反相器在使用时应尽在使用时应尽量避免长期工量避免长期工作在作在BCBC、DEDE段。段。3.CMOS反相器反相器的工作速度的工作速度 由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间与关闭时间是相等的。平均延迟时间：关闭时间是相等的。平均延迟时间：10 ns。 带电容负载带电容负载A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通1110与非门与非门1.CMOS 与非门与非门vA+VDD+10

17、VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)(a)电路结构电路结构(b)(b)工作原理工作原理VTN = 2 VVTP = 2 V0V10VN个输入的与非门电路个输入的与非门电路?3.1.5 CMOS 逻辑门逻辑门输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?或非门或非门BAL 2.2.CMOS 或非门或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通1000AB10V10VVTN = 2 VVT

18、P = 2 VN输入的或非门的电路的结构输入的或非门的电路的结构?3. 异或门电路异或门电路BA BABAXBAL BABA BA 4.4.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 vi vo 采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路采用缓冲电路能统一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。具有相同的输入和输出特性。BABAL CMOS逻辑门的缓冲电路逻辑门的缓冲电路 输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电输入、输出端加了反相器

19、作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑路的逻辑功能也发生了变化。增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能功能为与非功能1 1.CMOS漏极开路门漏极开路门1.）CMOS漏极开路门的提出漏极开路门的提出输出短接，在一定情况下会产输出短接，在一定情况下会产生低阻通路，大电流有可能导生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。输出是高电平还是低电平。 3.1.6 CMOS漏极开路（漏极开路（OD）门和三态输出门电路）门和三态输出门电路 +VDDTN1TN2AB+VDDAB01C D RP VDD L A B & & （2

20、）漏极开路门的结构与逻辑符号漏极开路门的结构与逻辑符号(c) (c) 可以实现可以实现线与线与功能功能; ;CDAB CDAB +VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABLA B L 电路电路A B L & 逻辑符号逻辑符号(b)(b)与非逻辑不变与非逻辑不变RP VDD L A B 漏极开路门输出连接漏极开路门输出连接21PPL RP VDD L A B C D (a)(a)工作时必须外接电源和电阻工作时必须外接电源和电阻; ;上拉电阻上拉电阻(3) (3) 上拉电阻对上拉电阻对OD门动态性能的影响门动态性能的影响RP VDD L A B C D Rp的值愈小，负载电容的充电时间的值愈小，负

21、载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大但功耗大, ,且可能使输出电流超过允且可能使输出电流超过允许的最大值许的最大值IOL(max） 。电路带电容负载电路带电容负载1 10 0CL LRp的值大，可保证输出电流不能超的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值过允许的最大值IOL(max）、）、功耗小功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢开关速度因而愈慢。2.三态三态(TSL)输出门电路输出门电路三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。低

22、电平、高阻。何为高阻状态？何为高阻状态？悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为测电阻为，故称为高阻状态。，故称为高阻状态。测电压为测电压为0V0V，但不是接地。，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为因为悬空，所以测其电流为0A0A。1TP TN VDD L A EN & 1 1 EN A L 1 0011截止截止导通导通111高阻高阻 0 输出输出L输入输入A使能使能EN0011 10 00截止截止导通导通10截止截止截止截止X逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门0 1高阻高阻100 1(1)(1)三态门的电路结构三态门的电路结构控

23、制端高电平有效的三态门控制端高电平有效的三态门(2)逻辑符号逻辑符号控制端低电平有效的三态门控制端低电平有效的三态门用用“”表示输出表示输出为三态。为三态。高电平有效高电平有效低电平有效低电平有效(3)(3)三态门的主要应用实现总线传输三态门的主要应用实现总线传输要求各门的控制端要求各门的控制端ENEN轮流为高电平，且在轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的任何时刻只有一个门的控制端为高电平。控制端为高电平。 用三态门实现总线传输用三态门实现总线传输 如有如有8 8个门，则个门，则8 8个个ENEN端的波形应依次为高端的波形应依次为高电平，如下页所示。电平，如下页所示。3.1.7 CMOS传输

24、门传输门( (双向模拟开关双向模拟开关) ) 1 1. CMOS传输门电路传输门电路TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 电路电路vI /vO vO /vI C C T G 逻辑符号逻辑符号I / Oo/ IC等效电路等效电路由于由于VTVTP P和和VTVTN N在结构上对称，在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。互换，又称双向开关。2、CMOS传输门电路的工作原理传输门电路的工作原理 设设TP:|VTP|=2V， TN:VTN=2V I的变化范围为的变化范围为5V到到+5V。 5V+5V 5V到到+5V GSN0, T

25、P截止截止TP vI /vO TN vO /vI C C +5V 5V 1）当）当c=0， c =1时时c=0=-5V， c c =1=+5V C TP vO/vI vI/vO +5V 5V TN C +5V5V GSP= 5V (3V+5V)= 2V 10V GSN=5V (5V+3V)=(102)V b、 I= 3V5V GSNVTN, TN导通导通a、 I= 5V3VTN导通，导通，TP导通导通 GSP |VT|, TP导通导通C、 I= 3V3VIOvv 2）当）当c=1， c =0时时3.CMOS传输门传输门(双向数字开关双向数字开关) （a a）电路）电路 （b b）逻辑符号）逻辑

26、符号传输门组成的数据选择器传输门组成的数据选择器C=0TG1导通导通, TG2断开断开 L=XTG2导通导通, TG1断开断开 L=YC=14. 传输门的应用传输门的应用12CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过到或者超过TTLTTL器件的水平。器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。参数参数系列系列传输延迟时间传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗功耗(mW)延时功耗积延时功耗积

27、(pJ)4000B751 (1MHz)10574HC101.5 (1MHz)1574HCT131 (1MHz)13BiCMOS2.90.00037.50.00087223.1.8 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数CMOS门电路各系列的性能比较门电路各系列的性能比较3.1.9 NMOS逻辑门电路逻辑门电路P913.2 TTL逻辑门逻辑门3.2.1 BJT的开关特性的开关特性3.2.2 基本基本BJT反相器的动态特性反相器的动态特性3.2.3 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.2.5 集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门 (1) (

28、1) 静态特性：静态特性： 断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻R ROFFOFF = = 无无穷，电流穷，电流I IOFFOFF = 0 = 0。 闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻R RONON = 0 = 0，电压电压U = 0U = 0。 (2) (2) 动态特性：开通时间动态特性：开通时间 t tonon = 0 = 0 关断时间关断时间 t toffoff = 0= 0 理想开关的开关特性：理想开关的开关特性： 客观世界中，没有理想开关。客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静

29、态特性十分接近乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和半导体二极管、三极管和MOSMOS管做为开关使用时，管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。TTLTTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称晶体管逻辑门电路，简称TTLTTL电路。电路。3.2

30、 TTL逻辑门逻辑门3.2.1 BJT的开关特性的开关特性在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱饱和和和和截止截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。（a a）电路）电路 （b b）输出特性曲线）输出特性曲线开关等效电路(1) (1) 截止状态截止状态 条件：发射结反偏条件：发射结反偏特点：电流约为特点：电流约为0 0 (2)(2)饱和状态饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏条件：发射结正偏，集电结正偏特点：特点：U UBESBES=0.7V=0.7V，U UCESCES=0.3V/=0.3V/

31、硅硅T截止截止, vOVCEVCC，c、e极之间近似于开路极之间近似于开路vI=0V时时: T饱和饱和, vOVCE0.2V，c、e极之间近似于短路极之间近似于短路vI=5V时时:2. BJT的开关时间的开关时间从截止到导通从截止到导通开通开通时间时间ton(=td+tr)从导通到截止从导通到截止关闭时间关闭时间toff(= ts+tf)BJT饱和与截止两种状态的相饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。互转换需要一定的时间才能完成。输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T

32、2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电结和发射的集电结和发射极同时输出两个相极同时输出两个相位相反的信号，作位相反的信号，作为为T T3 3和和T T4 4输出级的输出级的驱动信号；驱动信号； Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1K W VCC(5V) 输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 3.2.3 TTL反相器的基本反相器的基本电路电路1. 1. 电路组成电路组成输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提组成。用于提高电路的开关速度高电路的开关速度2. TTL反相器的工作原理（逻辑

33、关系、性能改善）反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善） （1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平（ I I = 0.2 V）T1 深度饱和深度饱和V 3.6V 70705DBE4B4O ).(vvvv截止截止导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平T4D4T3T2T1输入输入高电平高电平输出输出T2 、 T3截止，截止，T4 、D导通导通0.2V0.9V3.6V（2）当输入为高电平（）当输入为高电平（ I = 3.6 V） T2、T3饱和导通饱和导通 T1:倒置的放大状态。倒置的放大状态。 T4和和D截止。截止。使输出为低电平使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.2V3.6V2.

34、1V0.2V输入输入A输出输出L0110逻辑真值表逻辑真值表 逻辑表达式逻辑表达式 L = A 饱和饱和截止截止T4低电平低电平截止截止截止截止饱和饱和倒置工作倒置工作高电平高电平高电平高电平导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平输出输出D4T3T2T1输入输入（4）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当当 O=0.2V时时当输出为低电平时，当输出为低电平时，T4截截止，止，T3饱和导通，其饱和饱和导通，其饱和电流全部用来驱动负载电流全部用来驱动负载.当当 O O= =3.6V时时 T T3 3截止，截止，T T4 4组成的电压跟组成的电

35、压跟随器的输出电阻很小，输随器的输出电阻很小，输出高电平稳定，带负载能出高电平稳定，带负载能力也较强。力也较强。 可见，无论输入如何，可见，无论输入如何，VTVT3 3和和VTVT4 4总是一管导通而另一总是一管导通而另一管截止。管截止。 这种这种推拉式推拉式工作方式，带负载能力很强。工作方式，带负载能力很强。 当输出端接有电容性当输出端接有电容性负载时负载时, T3 和和T4饱和导通电饱和导通电阻很小阻很小, 则对电容充、放电则对电容充、放电时间常数很小，开关速度时间常数很小，开关速度得以提高得以提高.1. TTL与非门电路与非门电路多发射极多发射极BJT T1e e bc eeb cA&

36、BALB3.2.4 TTL逻辑门电路逻辑门电路TTL与非门与非门电路的工作原理电路的工作原理 任一输入端为低电平时任一输入端为低电平时: :TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 IT1T2T4T3 O输入全为高电输入全为高电平平 (3.6V)倒置使用的放大倒置使用的放大状态状态饱和饱和截止截止饱和饱和低电平低电平（0.2V）输入有低电平输入有低电平 (0.2V)深饱和深饱和截止截止放大放大截止截止高电平高电平（3.6V）当全部输入端为高电平时：当全部输入端为高电平时： 输出低电平输出低电平 输出高电平输出高电平 2. TTL或非门或非门 若若A、B中有一个为高电平中有一个为高电平:若若A

37、、B均为低电平均为低电平:T2A和和T2B均将截止，均将截止，T3截止。截止。 T4和和D饱和导通，饱和导通，输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和导通，将饱和导通，T3饱和导通，饱和导通，T4截止，截止，输出为低电平。输出为低电平。BAL 逻辑表达式逻辑表达式vOHvOL输出为低电平输出为低电平的逻辑门输出的逻辑门输出级的损坏级的损坏3.2.5 集电极开路门和三态门电路集电极开路门和三态门电路1.1.集电极开路门电路集电极开路门电路 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 VCC(5V) Rb1 4k

38、Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 a） 集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路b） 使用时的外电路连接使用时的外电路连接C） 逻辑功能逻辑功能L = A BOC门输出端连接实现门输出端连接实现线与线与VCC T1 Re2 Rc2 Rc4 Rb1 T2 T3 T4 D A B L VCC T1 Re2 Rc2 Rb1 T2 T3 A B L VCCC D RP VDD L A B & & 2. 三态与非门三态与非门(TSL ) 当当EN= 3.6V时时EN数据输入端数据输入端输出端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态

39、与非门真值表 当当EN= 0.2V时时EN数据输入端数据输入端输出端输出端L LAB10010111011100高阻高阻高电平高电平使能使能高阻状态高阻状态与非逻辑与非逻辑 ZL ABLEN = 0_EN =1真值表真值表逻辑符号逻辑符号ABEN & L EN3.5.1 正负逻辑问题正负逻辑问题3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题3.5.2 基本逻辑门的等效符号及其应用基本逻辑门的等效符号及其应用3.5.1 正负逻辑问题正负逻辑问题1. 1. 正负逻辑的规定正负逻辑的规定 0 01 1 1 10 0正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题正逻辑体制正

40、逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑1 1表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑0 0表示表示负逻辑体制负逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑0 0表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑1 1表示表示 A B L 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 _与非门与非门A B L 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 某电路输入与输出电平表某电路输入与输出电平表A B L L L H L H H H L H H H L 采用正逻辑采用正逻辑_或非门或非门采用负逻辑采用负逻辑与非与非 或非或非负逻辑负逻辑 正逻辑正逻辑2. 正负逻辑等效正负逻辑等效变换变换 与与 或或非非

41、 非非3.5.2 基本逻辑门电路的等效符号及其应用基本逻辑门电路的等效符号及其应用1、 基本逻辑门电路的等效符号基本逻辑门电路的等效符号ABL LA B & B A 与非门及其等效符号与非门及其等效符号 B A BAL 1 利用摩根定律对基本逻辑运算进行变换，可以得到不同形利用摩根定律对基本逻辑运算进行变换，可以得到不同形式的表达式。式的表达式。输入端的小圆圈表示先对输入信号进行输入端的小圆圈表示先对输入信号进行非非运算。运算。BA BABAL B A LAB 1 或非门及其等效符号或非门及其等效符号BAL & B A & B A B A ABBAL 1 L=AB BABAL B A 1 &

42、B A L=A+B BAABL BABAL & B A L 1 & B A & B A L 1 & B A & B A L & & B A 逻辑门等效符号的应用逻辑门等效符号的应用 利用逻辑门等效符号，可实现对逻辑电路进行变换，利用逻辑门等效符号，可实现对逻辑电路进行变换，以简化电路，能减少实现电路的门的种类。以简化电路，能减少实现电路的门的种类。LA B & B A RE & 1 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IC L EN AL G1 G2 控制电路控制电路AL REL0 AL1 RE逻辑门等效符号强调低电平有效逻辑门等效符

43、号强调低电平有效L=0 RE & L G2 AL & AL G2 L RE & AL G2 L RE 如如RE、AL都要求高电平有效，都要求高电平有效，EN高电平有效高电平有效如如RE、AL都要求低电平有效，都要求低电平有效，EN高电平有效高电平有效如如RE、AL都要求高电平有效，都要求高电平有效，EN低电平有效低电平有效 低电平有效，输入端低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有效，加小圆圈；高电平有效，输入端不加小圆圈。输入端不加小圆圈。3.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题3.6.1 各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题3.6.2 门电路带负载时的接

44、口问题门电路带负载时的接口问题1) 驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。压范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。 在数字电路或系统的设计中，往往将在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和和CMOS两种两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：接时，要满足驱动器件和负

45、载器件以下两个条件：2) 驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流灌电流（属（属于门电路的扇出数问题）；于门电路的扇出数问题）；3.6.1 各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题vOvI驱动门驱动门 负载门负载门1 1 VOH(min)vO VOL (max) vI VIH(min)VIL (max ) 负载器件所要求的输入电压负载器件所要求的输入电压VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)灌电流灌电流IILIOLIIL拉电流拉电流IIHIOHIIH101111n个个011101n个个对负载器件提供足够大的

46、拉电流和灌电流对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流 IOH(max) IIH(total)IOL(max) IIL(total)驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平 驱动电路驱动电路 负载电路负载电路1、 VOH(min) VIH(min)2、 VOL(max) VIL(max)4、 IOL(max) IIL(total) IOH(max) IIH(total)3、1、 CMOS门驱动门驱动TTL门门VOH（min)=4.9V VOL(max)

47、 =0.1VTTL门（门（74系列）系列）： VIH(min) = 2V VIL(max )= 0.8VIOH（max)=-0.51mAIIH（max)=20 AVOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)带拉电流负载带拉电流负载输出、输入电压输出、输入电压带灌电流负载带灌电流负载?T3 VCC VDD T4 R1 R2 R3 T1 T2 CMOS门门(4000系列）：系列）：IOL（max)=0.51mAIIL（max)=-0.4mA，IOH(max) IIH(total)例例 用一个用一个74HC00与非门电路驱动一个与非门电路驱动一个74系列系列TTL反反相器和六

48、个相器和六个74LS系列逻辑门电路。试验算此时的系列逻辑门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？门电路是否过载？VOH（min)=3.84V， VOL(max) =0.33VIOH（max)=-4mAIOL（max)=4mA 74HC00：IIH（max)=004mAIIL（max)=1.6mA74系列：系列：VIH（min)=2V， VIL(max) =0.8V&111CMOS门门74系列系列74LS74LS系列系列74LS系列系列IIL（max)=-0.4mA，IIH（max)=0.02mA，VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)总的输入电流总的输入电流IIL(total)=1.6mA+6 0.4mA=4mA灌电流情况灌电流情况 拉电流情况拉电流情况 74HC00: IOH(max)=4mA74系列反相器系列反相器: IIH(max)=0.04mA74LS门：门： IIH(max)=0.02mA总的输入电流总的输入电流IIH(total)=0.04mA+6 0.02mA=0.16mA 74HC00: IOL(max)=4mA