电子科技大学成都学院

1、2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1 1数字逻辑数字逻辑机械工业出版社机械工业出版社电子科技大学成都学院计算机系2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院2 2学习要点学习要点l掌握各种掌握各种TTLTTL门电路和门电路和CMOSCMOS门电路的逻辑功能。门电路的逻辑功能。l理解理解TTLTTL门电路的主要参数及门电路的主要参数及TTLTTL电路与电路与CMOSCMOS电路电路的主要差异。的主要差异。l了解二极管、双极型晶体管和了解二极管、双极型晶体管和MOSMOS管的开关特性。管的开关特性。l了解门电路的使用常识，集电极开路

2、门、三态门、了解门电路的使用常识，集电极开路门、三态门、传输门等电路及功能。传输门等电路及功能。第第3 3章章 集成门电路集成门电路2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院3 3第第3 3章章 集成门电路集成门电路2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院4 4概述概述集集成成门门电电路路双极型晶体管逻辑电路双极型晶体管逻辑电路MOS管集成电路管集成电路晶体管晶体管晶体管逻辑电路晶体管逻辑电路(TTL)射极耦合逻辑电路射极耦合逻辑电路(ECL)高阈值逻辑电路高阈值逻辑电路(HTL)集成注入逻辑电路集成注入逻辑电路(I2L)按沟道类型

3、按沟道类型N沟道沟道P沟道沟道按工作类型按工作类型耗尽型耗尽型增强型增强型按栅极材料分按栅极材料分铝栅铝栅硅栅硅栅根据规模大小可以分为小、中、大、超大规模集成电路根据规模大小可以分为小、中、大、超大规模集成电路1 1、集成门电路的分类、集成门电路的分类2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院5 52、基本概念、基本概念获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑逻辑0和和1： 电子电路中用高、低电平来表示。电子电路中用高、低电平来表示。逻辑

4、门电路逻辑门电路(门电路门电路)：用以实现基本和常用逻辑运算的：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路电子电路。基本和常用门电路：与门、或门、非门（反相器）、基本和常用门电路：与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。与非门、或非门、与或非门和异或门等。2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院6 63 3、正逻辑与负逻辑、正逻辑与负逻辑正逻辑正逻辑：用高电平用高电平 H H 表示逻辑值表示逻辑值“1”，用低电平，用低电平 L L 表示逻辑值表示逻辑值“0”。 负逻辑负逻辑：用高电平用高电平 H H 表示逻辑值表示逻辑值“0”，用低电平用低电平

5、 L L 表示逻辑值表示逻辑值“1”。ABF与门电路 用电平表示与门用正逻辑描述与门，结果为与运算。用负逻辑描述与门，结果为或运算。结论：正逻辑下的与门结论：正逻辑下的与门 ，在，在负逻辑下却实现或逻辑运算。负逻辑下却实现或逻辑运算。注意：不管是正逻辑还是负逻辑，电平关系是一样的。注意：不管是正逻辑还是负逻辑，电平关系是一样的。2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院7 7总结：总结： 正逻辑的正逻辑的或或门门 ，在，在负逻辑中实现负逻辑中实现与与运算；运算； 正逻辑的正逻辑的非非门门 ，在，在负逻辑中仍然实现负逻辑中仍然实现非非运算。运算。 为便于区分采用何种

6、逻辑，在逻辑符号的输入端上加一个小圆圈表为便于区分采用何种逻辑，在逻辑符号的输入端上加一个小圆圈表示负逻辑下的门电路符号。示负逻辑下的门电路符号。 常用逻辑门的正逻辑和负逻辑符号对照表：常用逻辑门的正逻辑和负逻辑符号对照表：1或门与门与门或门 1与非门 1或非门 1或非门与非门=1异或门=同或门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院8 83.2 半导体元件的半导体元件的开关特性开关特性2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院9 9 + ui RL +uo D开关电路 IF 0.5 0.7iD(mA) uD(V)伏安特性UBR0

7、+ 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ui0V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。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。Ui0.5V时，二极管导通。二极管的开关特性二极管的开关特性正极负极uD 2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1010晶体管的开关特性晶体管的开关特性2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1111Q2ui iB

8、 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截止状态截止状态饱和状态饱和状态iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V饱和区饱和区截止区截止区放放大大区区2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院121210kui iB eRb b+VCC=+5ViC uo Rc1k c=50ui=0.3V时，

9、因为时，因为uBE0.5V，iB=0，三极管工作在截止状态，三极管工作在截止状态，ic=0。因为。因为ic=0，所以输出电压：，所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：时，三极管导通，基极电流：因为因为0iBIBS=0.094mA，三极管工，三极管工作在饱和状态。作在饱和状态。输出电压：输出电压：uoUCES0.3V2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1313 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

10、截止状态截止状态uiUTuo0场效应管的开关特性场效应管的开关特性2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院14143.3 分立元件门电路分立元件门电路2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1515二极管与门二极管与门+VCC(+5V) R 3k Y D1A D2B5V0VABY &A BY0 00 11 01 10001Y=AB2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1616A D1B D2 5V 0V YR3kABY 1A BY0 00 11 01 10111Y=A+B二极管或门二极管或

11、门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1717 A =30 +5V Y 电路图 1 逻辑符号 A Y 1k 4.3k uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5V uA5V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 . 05Bi三极管临界饱和时的基极电流为：mA16. 01303 . 05BSIAY0110AY 晶体管非门晶体管非门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1818AA1电路图逻辑符号YYGSDB+VDD+10V RD20

12、k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 2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院1919复合门电路复合门电路由与门和非门连接而成由与门和非门连接而成RCA+UCCRBYBRVD1VD2(a) DTL 与非门电路&ABY(c) 逻辑符号ABY&1(b) 等效电路ABY 2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院20

13、20由或门和非门连接而成由或门和非门连接而成RCA+UCCRBYBVD1VD2(a) DTL 或非门电路R1ABY(c) 逻辑符号ABY11(b) 等效电路BAY2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院21213.4 TTL集成门电路集成门电路2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院2222T4 +VCC(+5V) b1 A BR13kT3T2T1Y R4100+VCC(+5V)T5 A BTTL与非门电路T1的等效电路D3c1R13kR2750R3360R53kD1D2TTLTTL与非门与非门2022-5-62022-5-6电子

14、科技大学成都学院电子科技大学成都学院2323 输入信号不全为1：如uA=0.3V， uB=3.6V R4100T4 A BR13kT3T2T1Y+VCC(+5V)T5R2750R3360R53k0.7V0.7V+-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：输输出出Y为为高高电电平。平。uY50.70.73.6V2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院2424T4ABR13kT3T2T1YR4100+VCC(+5V)T5R2750 R3360 R53k0.7V0.7V+-+-0.3V+-0.3V3

15、.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。2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院2525BAYA BY0 00 11 01 11110功能表真值表逻辑表达式逻辑表达式2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院262674LS00 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 7VC

16、C 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内含内含4个个2输入与非门，输入与非门，74LS20内含内含2个个4输入与非门。输入与非门。2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院2727 14 13 12 11 10 9 874LS04 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND6 反相器 74LS04 的引脚排列图T4AR13kT3T2T1Y

17、R4100+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 1 1、TTLTTL非门非门其他功能的其他功能的TTLTTL门电路门电路2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院2828 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

18、A、B中只要有一个为1，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。BAY2 2、TTLTTL或非门或非门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院2929 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+VCCT5R2

19、R3R5T2T1R1TTL 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。DCBAY3 3、TTLTTL与或非门与或非门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院30304 4、与门、与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B115 5、或门、或门AB1YY=A+B=A+B6 6、异或门、异或门AB&11YBABABABABABABABABAY)()(AB=1Y20

20、22-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院3131OC 与非门的电路结构AB+VCCYR YABCD&OC 门线与图+VCCR Y1 Y2 T1 T2 T3 uB1为解决一般为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。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=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。BAY外接电阻R的取值范围为：ILOLOLCCmIIUVmaxIHOHOHCCmInIUVminR1 1、OC门门TTLTTL集电极开路门和三态门集电极开路门和三态门2022-5-62022-

21、5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院32322 2、TSLTSL门门国标符号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。电路的输出有高阻态、高电平和低电平电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。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。2022-5-62022-5-6电

22、子科技大学成都学院电子科技大学成都学院3333应应用：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：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：构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，任何时刻只允许一个TSL门处于工作状态，其它TSL门均处于高阻状态。2022-5-62022-5-6电子科技大学

23、成都学院电子科技大学成都学院3434TTLTTL系列集成电路系列集成电路74：标准系列，前面介绍的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

24、，是应用最广的系列。主要参数主要参数2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院3535TTLTTL与非门主要参数与非门主要参数（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

25、，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fmax：超过此频率电路就不能正常工作。2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院3636（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

26、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：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。2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院37373.5 CMOS集成门电路集成门电路20

27、22-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院3838CMOS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 2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院3939BY+VD DATP 1TN 1TN 2TP 2BAYA、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

28、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。CMOS与非门与非门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院4040BY+VDDATN1TP2TN2TP1BAY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。CMOS或或非门非门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院414

29、1与门与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B11或门或门AB1YY=A+B=A+B2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院4242&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与或非门与或非门DCBADCBAYDCBAY2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院4343&ABY&BABABABABABAYCMOS异或门异或门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都

30、学院4444CMOSCMOS漏极开路门、三态门和传输门漏极开路门、三态门和传输门&1YAB+VDDRD外接AB&Y(a) 电路(b) 符号ABY1、CMOS OD门门2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院4545CMOS TSL门门11ENAETP2TP1 YTN1TN2AEY+VDD(a) 电路(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。2022-5-62022-5-6电子科技大学成都学院电子科技大学成都学院4646C+VDDTGuiuiuouoTPTNCCC(a) 电路(b) 符号CMOS 传输门传输门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T