第二章 集成逻辑门.

1、 数 字 电 子 技 术第二章第二章 集成逻辑门集成逻辑门 概述概述TTL集成逻辑门集成逻辑门 MOS集成逻辑门集成逻辑门 集成逻辑门电路的使用集成逻辑门电路的使用集成逻辑门电路应用举例集成逻辑门电路应用举例本章内容本章内容本章要点n了解CMOS、TTL集成逻辑门电路的工作原理、外特性。n理解TTL参数的意义。n掌握线与的概念。n熟悉各种门电路的功能。n掌握各种门电路的应用。技能目标n会用波形图分析电路。n能够对CMOS、TTL集成逻辑门电路外特性参数进行测量。n掌握集成逻辑门电路的使用。n掌握OC门负载电阻的计算。 数 字 电 子 技 术.1 概述逻辑门电路的定义逻辑门电路的定义能够实现各种

2、逻辑运算的单元电路通称为逻辑门电路 逻辑门电路按电路结构不同分以下二种逻辑门电路按电路结构不同分以下二种：分立元件门电路分立元件门电路 ：集成门电路 集成门电路按内部有源器件的不同分为两大类集成门电路按内部有源器件的不同分为两大类 一类是双极型晶体管集成电路， 另一类是单极型MOS集成电路 2.2 TTL集成逻辑门TTL 是晶体管-晶体管逻辑电路的英文缩写，在双极型集成逻辑门电路中应用最为广泛。其符号构成如下：nCT 54/74 LS 00 C Pn 产品制造单位：CT为中国制造的TTL型；SN为美国TI公司制造。国际通用系列：54系列为军品；74系列为民品。系列规格：空白为标准系列；H为高速

3、系列；S为肖特基系列；LS为低功耗肖特基系列；AS为先进的肖特基系列；ALS为先进的低功耗肖特基系列。其中，LS系列的功耗-延迟积很小，性能优良，品种多，价格便宜，是TTL集成电路的主要产品。功能编号。如7400为四个2输入与非门。温度：C在74系列中出现，为070；M为54系列中出现，为-55125。封装形式：D为多层陶瓷双列直插封装；J为黑瓷低熔玻璃双列直插封装；P为塑料双列直插封装；F为多层陶瓷扁平封装。 数 字 电 子 技 术2.2.1 TTL与非门的工作原理与非门的工作原理典型的TTL与非门电路如图2-1所示。图2-1 典型的TTL与非门的电路 数 字 电 子 技 术电路结构电路结构

4、 图2-1是CT54/74H系列与非门的典型电路。它由输入级、中间级和输出级三个部分组成。 工作原理工作原理TTL与非门有两种工作模式，即输入有低电平时输出为高电平；输入全为高电平时输出为低电平 综上所述，当电路输入端有一个或多个为低电平时，输综上所述，当电路输入端有一个或多个为低电平时，输出为高电平；输入全为高电平时输出为低电平，符合出为高电平；输入全为高电平时输出为低电平，符合“与非与非”的逻辑要求，即逻辑表达式为的逻辑要求，即逻辑表达式为ABY总结总结 数 字 电 子 技 术2.2.2 TTL与非门的特性与非门的特性外特性即电路在外部所表现的电压和电流特性 TTL与非门的主要电气特性与非

5、门的主要电气特性 .电压传输特性及参数电压传输特性及参数 电压传输特性是指输出电压随输入电压变化的关系曲线，即 ouIu如图2-2所示，给出了TTL与非门电压传输特性曲线。该曲线大致可以分为四个区域。 数 字 电 子 技 术图2-2 TTL与非门电压传输特性（）截止区（）截止区（AB段）段）（）线性区（段）（）线性区（段）3.02.01.002.03.00.51.5uI/Vuo/VACBDEUSHUSLUTH2CuIuBC段，0.6V 1.3V，这时T1仍处于正向饱和导通，T2开始导通，并工作在放大区，因为 1.3V，所以T5依然截止T2集电极电压 及 随 的上升而线性下降，因此该段称为线性区

6、。IuouIuAB段， 0.6V，这时T1饱和导通，所以 1.3V，T2和T5都截止，T3、T4导通，输出高电平3.4V。在TTL电路中通常用T5的状态表器件的状态，因此该段称为截止区。Iu1Bu 数 字 电 子 技 术（）转折区（段）（）转折区（段）（）饱和区（段）（）饱和区（段）CD段， 1.3V继续上升，只要 稍有增加，T5开始饱和导通，输出电压 迅速降到0.3V，该段称为转折区。 IuIuouDE段，1.4V，这时 约为2.1V，所以T2和T5同时处于导通状态，T3、T4截止。虽然 继续升高，但 为低电平0.3V不再变化，该段称为饱和区。Iu1BuIuouTTL门电路的输入、输出有效电

7、平如图2-3所示。可见在实际TTL门电路中高低电平的大小是允许在一定范围内变化的。 由电压传输特性可得由电压传输特性可得TTL与非门相应的参数与非门相应的参数 输出逻辑电平： UOH(max) UOH(min)/ USH UOL(max)/ USL UOL(min) 有效的高电平输出（逻辑 1） 无效输出 有效的低电平输出（逻辑 0） +5V +2.4V +0.4V +0V 输入逻辑电平： UIH(max) UIH(min)/UON UIL(max)/ UOFF UIL(min) 有效的高电平输入（逻辑 1） 无效输入 有效的低电平输入（逻辑 0） +5V +2V +0.8V +0V 图2-3

8、 TTL门电路的输入、输出有效电平 数 字 电 子 技 术（1）标准输出高电平和标准输出低电平 SHULSU（2）开门电平电压和关门电平电压 NOUFFOU（3）阈值电压 THU（4）输入端噪声容限 和NHUNLU（5）平均传输延迟时间 pdt 数 字 电 子 技 术2输入特性及参数输入特性及参数（1）输入端有低电平时（2）输入端全为高电平时IiTTL与非门的输入特性是指输入电压 和输入电流 的关系曲线，也称输入伏安特性。典型的输入特性如图2-4所示。图中输入电流以流入输入端为正方向。IuIi图2-4 TTL与非门的输入特性 （ a） （b） 图2-5 TTL与非门输入负载特性 （a）外接电阻

9、接地的电路 （b）TTL与非门输入负载特性如图2-5（a）所示。输入端所接电阻 变化时引起的输入电压变化的曲线称为输入负载特性， iR 数 字 电 子 技 术3输出特性及参数输出特性及参数（1）输出电压为低电平（2）输出电压为高电平（3）扇出系数0N图2-6 TTL与非门的输出特性（a）输出电压为低电平 （b）输出电压为高电平TTL与非门的输出特性是指输出电压随输出（负载）电流变化的特性曲线，即 曲线，其中 输出电流规定输入电流为正方向。如图2-6（a）、（b）所示。)(00ifu ISOmax0IIN 0N越大，与非门的带负载能力越强，TTL集成门电路一般要求 8。0N注注 数 字 电 子

10、技 术2.2.3 TTL逻辑门系列逻辑门系列1CT54/74系列系列2CT54/74H系列系列3CT54/74S系列系列4CT54/74LS系列系列CT54/74CT54/74系列相当于旧型号CT1000系列，为标准型（基本型）系列 CT54/74H系列相当于旧型号的CT2000系列，为高速系列。 CT54/74SCT54/74S系列相当于旧型号CT3000CT3000系列，又称STTL系列，为肖特基系列。 图2-7 抗饱和三极管 数 字 电 子 技 术三态输出门是在普通TTL与非门电路的基础上附加控制电路而构成。是指电路除了输出高电平和低电平两个状态以外，还有第三个状态即高阻状态(也称禁止状

11、态或失效态)。如图所示为三态输出与非门的电路及逻辑符号，EN为控制端，也称使能端，A、B为输入端，Y为输出端。其工作原理如下： 三态输出与非门（高电平有效）的电路及逻辑符号2.2.4 三态门（三态门（TSL) 数 字 电 子 技 术该三态输出与非门的真值表如表所示。 EN A B Y 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 X X 1 1 1 0 高阻 三态输出与非门的真值表三态输出与非门的真值表 数 字 电 子 技 术 三态输出与非门（低电平有效）的电路及逻辑符号 注意：三态电路仍是二值逻辑电路，高阻状态并无逻辑值，仅表示电路与其它电路无关联而已。如图所示为该三态输出门的电路及逻

12、辑符号， 为控制端（低电平有效）。EN 数 字 电 子 技 术2 2）三态门的应用）三态门的应用三态门的一个重要用途就是实现多个数据或控制信号的总线（ ）传输，如图所示。 BUSA1B1EN1ENA2B2EN2ENA3B3EN3EN数据总线三态门的总线应用另外，利用三态门还可以实现数据的双向传输，如图所示。 用三态门实现数据的双向传输当EN=1时，G1工作，G2处于高阻状态，则数据D0经门G1反相送到数据总线上；当EN=0时，G1处于高阻状态，G2工作，则总线上的数据由门G2反相后在D1端输出。 数 字 电 子 技 术2.2.5 集电极开路门集电极开路门TTL与非门直接并联1Y 如图所示，在一

13、个门（ ）输出高电平，另一个门（ ）输出低电平时，将有一个很大的电流同时流经两个门的输出级，到导通门的T5管，这个电流会远远超过正常的工作电流，不仅会引起逻辑混乱，严重时还会因功耗过大使电路烧坏。 2Y 数 字 子 技 术因此因此不允许把两个或两个以上的TTL门电路的输出端直接并接在一起。为了能将两个或两个以上的TTL门电路的输出端直接并接在一起，可以采用集电极开路的与非门，简称为（Open Collector Gate）OC门。 如图（a）、（b）所示为OC门的电路结构及逻辑符号。（a） （b）集电极开路与非门的电路和图形符号 （a）集电极开路与非门的电路 （b）图形符号 数 字 电 子 技

14、 术OC门的电路特点:是输出管T5的集电极开路，故有集电极开路门之称。这种门电路使用时需要外接负载电阻 RL（负载电阻又称作上拉电阻），来代替普通TTL与非门的T3、T4。在电路正常工作时，上拉电阻RL须接通电源。所以只要上拉电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就既能保证输出的高、低电平符合要求，而且不会使三极管的负载电流过大而烧坏。 CD2YABY2Y1Y2Y1YAB 如图所示是两个OC门电路输出端并联的情况。根据TTL与非门的工作原理可知 = ，= ，而且，现将 和 两条输出线直接接在一起，不难得出，Y和 、之间的逻辑关系为 = = 这种连接方式称为“线与”，在逻辑图中用虚方框表示。1Y2

15、YCD1Y(b)(a) 两个OC门输出端并联的接法及逻辑图 (a)OC门输出端并联的接法 (b)逻辑图 数 字 电 子 技 术 数 字 电 子 技 术（1）上拉电阻的计算 IHOHSHCCLmInIUVR(max)当所有的OC门同时截止时，输出电压为高电平，如图 (a)所示为保证输出高电平不小于标准值 ， L不应选得太大，所以可得 L的最大值为：SHURROC门上拉电阻的计算 （a）OC门上拉电阻的最大值 外接电源电压；CCVOHI是每个OC门输出级三极管截止时的漏电流 是负载门每个输端的高电平输入电流 IHI 数 字 电 子 技 术R当OC门中只有一个输出级三极管导通时，输出电压为低电平，如

16、图 (b)所示。 这时，负载电流全部流入导通的那一个OC门，为确保流入导通的OC门电流不致超过最大允许的电流 ，则 L不应选得太小，所以可得 RL的最小值为：LMIILLMSLCCLImIUVR(min)RRRL(min) L L(max)综合以上两种情况，综合以上两种情况， L的选取应的选取应满足下式满足下式：R一般为了减少负载电流的 影响， L值应选接近 L(min)的值。 RR注意注意 （b）OC门上拉电阻的最小值 数 字 电 子 技 术（2）OC门的应用门的应用1）实现“线与”功能 2）实现电平转换 3）用做驱动器OC门实现电平转换 OC门驱动发光二极管 数 字 电 子 技 术2.3

17、2.3 MOS集成逻辑门集成逻辑门1：MOS逻辑门电路是继TTL之后发展起来的另一种被广泛应用的数字集成电路2：MOS属于单极性集成电路，它包括由NMOS管组成的NMOS电路，由PMOS管组成的PMOS电路以及由这两种管子组成的互补MOS电路，即CMOS电路。 2.3.1 2.3.1 CMOS反相器反相器 1）电路结构如图所示的是CMOS反相器的基本电路结构为有源负载反相器。 CMOS反相器电路2）工作原理 数 字 电 子 技 术1.电压传输特性典型CMOS反相器的电压传输特性如图所示。 CMOS反相器的电压传输特性由 电 压 传 输 特 性 可 知 ，CMOS反相器状态转换时，电压的变化率大

18、，且阈值电压高。所以，CMOS门的抗干扰能力较强，CMOS反相器接近于理想开关。2.3.2 CMOS逻辑门的特性CMOS门电路的输入、输出有效电平如图所示 输出逻辑电平： UOH(max) UOH(min) UOL(max) UOL(min) 有效的高电平输出（逻辑 1） 无效输出 有效的低电平输出（逻辑 0） +5V +4.9V +0.1V +0V 输入逻辑电平： UIH(max) UIH(min) UIL(max) UIL(min) 有效的高电平输入（逻辑 1） 无效输入 有效的低电平输入（逻辑 0） +5V +3.5V +1.5V +0V TTL门电路的输入、输出有效电平CMOS门电路

19、， 0, 与TTL门电路相比，更接近理想开关特性，并且噪声容限即抗干扰能力高于TTL门电路。 OH(min)UDDVOL(max)U2. 输入特性CMOS门电路的输入阻抗极高，输入电压在0之间时，输入电流近似为零，因此CMOS门电路的输入端经电阻接入/接地时，输入电压不变。 3. 输出特性CMOS门电路的输入电流小，因此CMOS门电路的扇出系数较大，有的可达几百几千。 数 字 电 子 技 术2.3.3 2.3.3 其它的其它的CMOS逻辑门逻辑门1 1与非门与非门如图所示为二输入CMOS与非门电路。 CMOS与非门电路 CMOS或非门电路2或非门或非门3三态门门4漏极开路门门 数 字 电 子技

20、 术5 5传输门传输门同CMOS反相器一样，CMOS传输门也是构成各种CMOS逻辑电路的一种基本单元电路。如图（a）所示为CMOS传输门的电路结构，它是由一个NMOS管TN和一个PMOS管TP并联而成，TP管的源极（或漏极）和TN管的漏极（或源极）连在一起作输入端，TP管的漏极（或源极）和TN管的源极（或漏极）连在一起作输出端，两个栅极是一对控制端，分别接C、 ，使用时总是加互补的控制电压。如图（b）所示为其逻辑符号图。C(a)传输门电路 (b)逻辑符号CMOS传输门的电路结构及逻辑符号 数 字 电 子 技 术双向模拟开关双向模拟开关CMOS传输门的另一个重要用途是作模拟开关。模拟开关是用来控

21、制模拟信号传输的一种电子开关，它的通断是用数字信号控制的。模拟开关是由CMOS传输门和CMOS反相器组成的，其逻辑符号如图所示。 模拟开关的电路及其逻辑符号注意：当c=1（高电平）时，模拟开关接通，c=0（低电平）时，模拟开关断开。 数 字 电 子 技 术 2.3.4 2.3.4 CMOS逻辑门系列逻辑门系列CMOS逻辑门器件有三大系列：4000系列、74C系列和硅氧化铝系列。前两个系列被广泛应用，而硅氧化铝系列因价格昂贵目前尚未普及。下面介绍前两种系列的特点。14000系列系列工作电源电压范围宽为318V，选择电源的余地比较大，电源设计要求比较低。而且功耗低，噪声容限、扇出系数等参数都优于T

22、TL逻辑门。该系列电路的缺点是工作速度比较低，平均传输延迟时间为几十ns，最高工作频率小于5MHZ。 数 字 电 子 技 术2 274C系列系列74C系列有：普通74C系列、高速COMS74HC/HCT系列及先进的COMS74AC/ACT系列。而且，高速COMS74HCT和74ACT系列可直接与TTL相兼容。该系列电路主要从制造工艺上作了改进，使其大大提高了工作速度，平均传输延迟时间小于10ns，最高工作频率可达50MHZ，并且保持了4000系列功耗低噪声容限大等优点。2.4 集成逻辑门电路的使用2.4.1 集成逻辑门电路使用应注意的问题n1. 电源TTL电路工作电压范围为4.755.25V，

23、不能高于5.5V。CMOS的4000系列电压范围为315V，最大不超过18V；HC系列电压在26V之间，HCT系列在4.55.5V之间，最大不超过7V。不能将电源与地颠倒错接，否则会造成器件损坏。在安装、插拔器件时，必须切断电源，严禁带电操作。 n2. 输入端TTL电路输入端外接电阻有特殊要求，不符合要求会造成逻辑错误。CMOS电路输入端外接电阻无要求。TTL电路输入端可以悬空，悬空为高电平。CMOS电路输入端不允许悬空，必须按要求接电源或地。 n3. 输出端除OC、OD门以外，其它门电路的输出端不允许并联，也不允许与电源或地相连，否则会损坏器件。 数 字 电 子 技 术4. 4. 集成逻辑门

24、电路芯片中多余输入端的处理集成逻辑门电路芯片中多余输入端的处理 方法1：悬空。 这种方法只针对于TTL门电路，而且当外界干扰较小时可采用，但是CMOS电路不允许使用该种方法。 方法2：将多余端与无效电压相联。 对于与和与非门：多余端接高电平（即接电源） 对于或和或非门：多余端接低电平（即接地）方法3：将多余端与有用输入端并联。5. 5. 防静电防静电（CMOS 器件）2.4.2 集成逻辑门电路接口1. 标准TTL电路驱动CMOS4000系列 TTL电路输出高电平下限值为2.7V，不能满足CMOS电路输入高电平下限值为3.5V的要求，两者不能匹配。解决方法有下列两种： 当VCC VDD时，可在T

25、TL的输出端与电源之间接入提升电阻Rp，可将输出高电平提高到5V左右。当VDD VCC时，为了防止TTL输出级过电压，可以将TTL电路改为输出端耐压较高的OC门（或增加一级OC门接口）。n2. 用CMOS4000系列电路驱动TTL电路当用CMOS电路驱动TTL电路时，需扩大CMOS电路输出低电平时吸收负载电流的能力，具体可采用以下两种方法：在CMOS电路的输出端增加一级CMOS驱动器。 采用三极管放大器来实现电流扩展。 2.4.3 数字封装类型及其他逻辑门系列1. 数字封装类型 (a)封闭（晶体管外壳） (b)扁平封装 (c)DIP封装 (d)SMT封装2. 其他逻辑门系列 数 字 电 子 技 术2.5 2.5