第2章 逻辑门电路

1、第2章逻辑门电路2.1TTL集成门电路2.2其他类型的双极型集成电路2.3CMOS集成门电路2.4逻辑门电路使用中的几个实际问题2.5正负逻辑问题2.1TTL集成门电路2.1.1晶体管的开关特性2.1.2TTL与非门电路的结构与工作原理2.1.3TTL与非门电路的主要外部特性及参数2.1.4其他类型的TTL门电路2.1.5TTL集成逻辑门电路系列2.1.1晶体管的开关特性1.晶体管的稳态开关特性2.晶体管的动态开关时间1.晶体管的稳态开关特性图2-1晶体管开关电路及输出特性a) 开关电路b) 输出特性1.晶体管的稳态开关特性（2-1）2.晶体管的动态开关时间图2-2晶体管的动态开关特性2.1.

2、2TTL与非门电路的结构与工作原理1.电路结构2.工作原理1.电路结构图2-3TTL三输入与非门a) 典型电路b) 逻辑图形符号2.工作原理表2-1TTL与非门逻辑关系A()B()C()Y()0(02V)0(02V)0(02V)1(36V)0(02V)0(02V)1(36V)1(36V)0(02V)1(36V)0(02V)1(36V)0(02V)1(36V)1(36V)1(36V)1(36V)0(02V)0(02V)1(36V)1(36V)0(02V)1(36V)1(36V)1(36V)1(36V)1(36V)0(02V)2.1.3TTL与非门电路的主要外部特性及参数1.电压传输特性2.输入噪

3、声容限3.静态输入特性4.输入端负载特性5.静态输出特性6.传输延迟特性1.电压传输特性(1)输出高电平电压VOH(2)输出低电平电压VOL(3)关门电平电压VOFF(4)开门电平电压VON(5)阈值电压VTH1.电压传输特性图2-4TTL与非门电压传输特性a) 测试电路b) 电压传输特性曲线(1)输出高电平电压VOH输出高电平电压指与非门工作在截止区时对应的输出电压值，VOH的典型值为3.6V，产品手册一般规定输出高电平的最小值VOH(min)=2.4V，即大于2.4V的输出电压就可称为输出高电压VOH。(2)输出低电平电压VOL输出低电平电压指与非门工作在饱和区时对应的输出电压值，VOL的

4、典型值为0.2V，产品手册一般规定输出低电平的最大值VOL(max)=0.4V，即小于0.4V的输出电压就可称为输出低电压VOL。(3)关门电平电压VOFF关门电平电压指输出电压下降到VOH(min)时对应的输入电压。显然只要VIVOFF，VO就是高电压，所以VOFF就是输入低电平电压的最大值，用VIL(max)表示。从电压传输特性曲线上看，VIL(max)1.3V，产品手册一般规定VIL(max)=0.8V。(4)开门电平电压VON开门电平电压指输出电压上升到VOL(max)时对应的输入电压。显然只要VIVON，VO就是低电压，所以VON就是输入高电平电压的最小值，用VIH(min)表示。从

5、电压传输特性曲线上看，VIH(min)略大于1.3V，产品手册一般规定VIH(min)=2V。(5)阈值电压VTH阈值电压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。VTH是一个很重要的参数，在近似分析和估算时，常把它作为决定与非门工作状态的关键值，即VIVTH，与非门关门，输出高电平；VIVTH，与非门开门，输出低电平。VTH的典型值为1.31.V。2.输入噪声容限图2-5噪声容限示意图a) 驱动门与负载门b) 噪声容限定义3.静态输入特性(1)输入低电平电流IIL(2)输入高电平电流IIH3.静态输入特性图2-6TTL与非门输入特性a) 测试电路b) 电压传输特性曲线(1)

6、输入低电平电流IIL(1)输入低电平电流IIL图2-7TTL与非门输入电流a) 输入低电平电流b) 输入高电平电流(2)输入高电平电流IIH输入高电平电流IIH是指输入端接高电平时所流入的电流，如图2-7b所示。该电流就是TTL门电路输入级晶体管VT1发射结的反向漏电流。输入高电平电流IIH很小，74系列门电路每个输入端的IIH值一般在40A以下。4.输入端负载特性图2-8TTL与非门输入端负载特性a) 测试电路b) 等效电路c)特性曲线4.输入端负载特性（2-7）（2-8）（2-10）（2-9）4.输入端负载特性图2-9TTL门输入端接负载电阻a) 接小电阻b) 接大电阻5.静态输出特性(1

7、)低电平输出特性(2)高电平输出特性(3)扇入、扇出系数(1)低电平输出特性图2-10TTL与非门低电平输出特性a) 灌电流负载b) 低电平输出特性(2)高电平输出特性图2-11TTL与非门高电平输出特性a) 拉电流负载b) 高电平输出特性(3)扇入、扇出系数6.传输延迟特性(1)传输延迟时间(2)交流噪声容限(3)电源特性(1)传输延迟时间图2-13TTL与非门传输延迟时间(1)传输延迟时间(2)交流噪声容限如上所述，TTL与非门对输入信号的响应总是有一定延时的，输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出改变状态。如果干扰脉冲持续的时间很短，甚至输出状态还未来得及变化，干扰脉

8、冲就消失了，显然这样的脉冲信号对电路的逻辑状态毫无影响。(3)电源特性TL集成门电路的工作电源一般是+5V，允许波动范围10%。TTL与非门在关门状态和开门状态时电源提供的电流是不同的。空载情况下，门电路分别工作于开门状态和关门状态时功耗的均值称为平均功耗。TTL与非门的平均功耗一般在10mW左右。2.1.4其他类型的TTL门电路1.非门2.或非门3.与或非门4.集电极开路输出门(OC门)5.三态输出门1.非门图2-14TTL非门a) 典型电路b) 逻辑图形符号2.或非门图2-15TTL或非门a) 典型电路b) 逻辑图形符号2.或非门图2-16TTL与或非门a) 典型电路b) 逻辑图形符号3.

9、与或非门图2-17两个TTL门电路推拉式输出级直接连接4.集电极开路输出门(OC门)(1)实现电平转换(2)驱动不同的负载(3)实现“线与”4.集电极开路输出门(OC门)图2-18集电极开路的与非门a) 典型电路b) 逻辑图形符号(1)实现电平转换在数字系统的应用中，经常需要电平转换，例如将TTL电平转换为CMOS电平、高阈值TTL(HTL)电平等，常用OC门来实现。如图2-19所示，把上拉电阻RL接到电源VCC上，这样在OC门输入普通的TTL电平，通过改变电源VCC的值，就可以改变输出VO高电平的值，实现TTL电平到其他类型电路电平的转换。(2)驱动不同的负载图2-19OC门实现电平转换电路

10、(2)驱动不同的负载图2-20OC门驱动发光二极管电路(3)实现“线与”(3)实现“线与”图2-21OC门实现线与(3)实现“线与”图2-22OC门外接上拉电阻的选择a) 仅一个OC门处于开门状态b) 所有OC门处于关门状态(3)实现“线与”5.三态输出门(1)三态门原理(2)三态门的应用(1)三态门原理图2-23三态输出门a)电路b) 使能高电平有效逻辑图形符号c) 使能低电平有效逻辑图形符号(2)三态门的应用图2-24三态门总线结构a) 单向总线结构b) 双向总线结构2.1.5TTL集成逻辑门电路系列TTL门电路系列主要是依据美国TI公司的产品命名的，基本系列分为74系列和54系列，两者具

11、有完全相同的电路结构和电气性能参数，主要区别在于工作温度范围和电源电压工作范围。通常把74系列称为民品，其工作温度范围规定为0+70，电源电压工作范围为5(15%)V；而54系列称为军品，其工作温度范围规定为-55+125，电源电压工作范围为5(110%)V。2.2其他类型的双极型集成电路1. ECL电路2. I2L电路1. ECL电路由于TTL门中晶体管工作于饱和状态，开关速度受到了一定限制。只有改变电路的工作方式，从饱和型变为非饱和型，才能从根本上提高开关速度。发射极耦合逻辑(ECL)电路，也称电流开关型逻辑(CML)电路，就是一种非饱和型高速度数字集成电路。这种电路具有开关速度快、带负载

12、能力强、内部噪声低等优点；主要缺点是噪声容限小、电路功耗大、输出电平受温度影响大。该电路常用于高速中、小规模集成电路中。2. I2L电路集成注入逻辑(I2L )的电路简单，其基本结构是由一个NPN型多集电极晶体管和一个PNP型恒流源负载组成的反相器。由于I2L电路的驱动电流是由PNP晶体管的发射极注入的，所以称为集成注入逻辑。它的功耗低，集成度高，电路的每个基本逻辑单元占的芯片面积很小，工作电流不超过1nA,因而其集成度可达500门/mm2以上(一般TTL电路集成度约为20门/mm2)。2.3CMOS集成门电路2.3.1MOS管的开关特性2.3.2CMOS反相器(非门)的结构与工作原理2.3.

13、3CMOS反相器的主要外部特性及参数2.3.4其他类型的CMOS门电路2.3.5CMOS逻辑门电路系列2.3.1MOS管的开关特性图2-25MOS管开关电路a) 原理电路b) 结构电路2.3.2CMOS反相器(非门)的结构与工作原理图2-26CMOS反相器a) 基本电路结构b) 逻辑图形符号2.3.3CMOS反相器的主要外部特性及参数1.传输特性2.输入噪声容限3.静态输入特性4.静态输出特性5.动态特性6.扇出系数1.传输特性图2-27CMOS反相器的传输特性a) 电压传输特性b) 电流传输特性2.输入噪声容限从2-27a所示的CMOS反相器电压传输特性曲线上可以看出，当输入电压从低电平略有

14、升高时，输出的高电平状态并不立刻改变。同样，在输入电压从高电平略有降低时，输出的低电平状态也并不立刻改变。因此，和TTL反相器类似，同样存在一个允许的噪声容限，即保证输出高、低电平基本不变的条件下，允许输入电平有一定的波动范围。3.静态输入特性图2-2874HC系列CMOS反相器a) 输入保护电路b) 输入特性3.静态输入特性图2-29CMOS反相器低电平输出特性a) 工作状态b) 输出特性4.静态输出特性(1)低电平输出特性(2)高电平输出特性(1)低电平输出特性当VIH= VDD时，CMOS反相器的VTN导通，VTP截止，输出低电平VOL，其工作状态如图2-29a所示。该状态下负载电流IO

15、L为灌电流，输出电平VOL随着IOL增加而提高；又因为VTN的VGSN越大导通内阻越小，所以在同样的IOL值下VDD越高，VTN导通时的VGSN越大，VOL越低，如图2-29b所示。(2)高电平输出特性图2-30CMOS反相器高电平输出特性a) 工作状态b) 输出特性(2)高电平输出特性输出特性当VIL= 0时，CMOS反相器的VTP导通，VTN截止，输出高电平VOH，其工作状态如图2-30a所示。该状态下负载电流IOH为拉电流，输出电平VOH随着IOH增加而下降；又因为VTP的VGSP越负导通内阻越小，所以在同样的IOH值下VDD越高，VTP导通时的VGSP越负，VOH下降得越少，如图2-3

16、0b所示。5.动态特性(1)传输延迟时间(2)交流噪声容限(3)动态功耗(1)传输延迟时间图2-31CMOS反相器传输延迟时间(2)交流噪声容限和TTL反相器一样，CMOS电路的交流噪声容限也远大于直流噪声容限。这是由于负载电容和MOS管寄生电容的存在，输入信号状态变化时必须有足够的变化幅度和作用时间才能使输出改变状态。当输入信号为窄脉冲，而且脉冲宽度接近于门电路传输延迟时间的情况下，为使输出状态改变，所需要的脉冲信号幅度将远大于直流输入信号的幅度。因此，反相器对窄脉冲的噪声容限(交流噪声容限)远高于直流噪声容限，且传输延迟时间越长，交流噪声容限越大。(3)动态功耗6.扇出系数因CMOS电路有

17、极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，一般额定扇出系数可达50。但必须指出的是，扇出系数是指驱动CMOS电路的个数，若就灌电流负载能力和拉电流负载能力而言，CMOS电路远远低于TTL电路。2.3.4其他类型的CMOS门电路1.与非门2.或非门3.异或门4.输入、输出缓冲电路5.漏极开路输出门(OD门)6.三态门7.CMOS传输门1.与非门图2-32CMOS两输入与非门a) 基本电路结构b) 逻辑图形符号1.与非门图2-33CMOS两输入或非门a) 基本电路结构b) 逻辑图形符号2.或非门图2-33a所示为两输入CMOS或非门的基本电路结构，它由两个串联的P沟道增强型MOS管VTP1、VTP2和两个

18、并联的N沟道增强型MOS管VTN1、VTN2组成。该电路中，仅当A=B=0时，VTP1和VTP2同时导通，VTN1和VTN2同时截止，Y=1；而当A、B当中只要有一个高电平，则VTP1和VTP2至少有一个截止，VTN1和VTN2至少有一个导通，Y=0。因此，该电路实现了或非门逻辑功能，即Y=(A+B)，逻辑图形符号如图2-33b所示。3.异或门图2-34CMOS异或门a) 基本电路结构b) 逻辑图形符号4.输入、输出缓冲电路图2-35带缓冲级的CMOS与非门a) 基本电路结构b) 逻辑电路及图形符号5.漏极开路输出门(OD门)图2-36OD输出的与非门a) 电路结构b) 逻辑图形符号6.三态门

19、图2-37三态输出的CMOS反相器a) 电路结构b) 逻辑图形符号7.CMOS传输门图2-38CMOS传输门a) 电路结构b) 逻辑图形符号7.CMOS传输门图2-39CMOS双向模拟开关a) 电路结构b) 逻辑图形符号2.3.5CMOS逻辑门电路系列CMOS集成电路诞生于20世纪60年代末，经过制造工艺的不断改进，它的技术参数从总体上说，已经达到或接近TTL的水平，其中功耗、噪声容限、扇出系数等参数优于TTL。CMOS集成电路主要有4000系列、HC/HCT系列、AHC/AHCT系列、LVC系列、ALVC系列等。2.4逻辑门电路使用中的几个实际问题2.4.1集成门电路使用注意事项2.4.2门

20、电路之间的接口2.4.3门电路带其他负载时的接口2.4.4抗干扰措施2.4.1集成门电路使用注意事项1.TTL门电路使用注意事项2.CMOS门电路使用注意事项1.TTL门电路使用注意事项1)TTL电路的电源一般均采用+5V，纹波及稳定度通常要求应不大于10%，甚至有的要求应不大于5%，即电源电压应限制在5V0.5V(或5V0.25V)以内。2)输入端不能直接与高于+ 5.5V或低于-0.5V的低内阻电源连接，否则会因为低内阻电源供给较大电流而烧坏器件。3)输出端不允许与电源或地短接，必要时必须通过串接电阻与电源连接，以提高输出电平。4)插入或拔出集成电路时，务必切断电源，否则会因电源冲击而造成

21、永久损坏。2.CMOS门电路使用注意事项1)CMOS门电路的电源工作范围较宽，但要符合工作电压上下限要求。2)输入高电平不得高于VDD+ 0.5V，低电平不得低于-0.5V，输入端的电流一般应限制在1mA以内。3)与TTL门电路一样，输出端不允许与电源或地短接，必要时必须通过串接电阻与电源连接，以提高输出能力。4)测试CMOS电路时，如果信号电源和电路供电采用两组电源，则在上电时应先接通电路供电电源，后开信号电源；断电时先关信号电源，后关电路供电电源。2.4.2门电路之间的接口1.TTL门驱动CMOS门2.CMOS门驱动TTL门3.低电压CMOS门电路及接口1.TTL门驱动CMOS门(1)TT

22、L门驱动74HC和74AHC系列(2)TTL门驱动74HCT系列和74AHCT系列(1)TTL门驱动74HC和74AHC系列图2-40TTL驱动CMOS时的接口a) 电源电压都为5V时的接口b) 电源电压不同时的接口(2)TTL门驱动74HCT系列和74AHCT系列当都采用5V电源时，CMOS门的VOH(min)大于TTL门的VIH(min)，CMOS门的VOL(max)小于TTL门的VIL(max)，两者电压参数相容。但是CMOS门的IOH、IOL参数较小，所以，这时主要考虑CMOS门的输出电流是否满足TTL输入电流的要求。2.CMOS门驱动TTL门【例2-2】一个74HC00与非门电路能否

23、驱动四个7400与非门？能否驱动四个74LS00与非门？解：74系列门的IIL=1.6mA，74LS系列门的IIL=0.4mA，四个74门的IIL(总)=41.6mA=6.4mA，四个74LS门的IIL(总)=40.4mA=1.6mA。而74HC系列门的IOL=4mA，所以不能驱动四个7400与非门，可以驱动四个74LS00与非门。图2-41CMOS驱动TTL门接口电路3.低电压CMOS门电路及接口为了减小功耗，半导体厂家推出了供电电压分别为3.3V、2.5V、1.8V等一系列低电压集成逻辑电路。在同一系统中采用不同电压的逻辑器件，需要考虑不同逻辑器件之间的接口问题。2.4.3门电路带其他负载时的接口图2-42门电路带小电流负载a) 驱动发光二极管b) 驱动低电流继电器2.4.3门电路带其他负载时的接口图2-43门电路带大电流负载a) 门电路并联使用b) 加驱动晶体管2.4.4抗干扰措施1.多余输入端的处理2.去耦合滤波电容1.多余输入端的处理1)对于与非门及与门，多余输入端应接高