数字电路第五康华光逻辑门电路实用教案

1、13.1 MOS逻辑逻辑(lu j)门门 数字数字(shz)(shz)集成电路简介集成电路简介 逻辑门的一般逻辑门的一般(ybn)(ybn)特性特性 MOS开关开关及其等效电路及其等效电路 CMOS反相器反相器 CMOS逻辑门电路逻辑门电路 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 CMOS传输门传输门 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数第1页/共89页第一页，共89页。2数字数字(shz)(shz)集成电路简介集成电路简介概述概述: :TTLTTL电路问世几十年来，经过电路结构电路问世几十年来，经过电路结构(jigu)(jigu)的不断改进和集的不断改进和集

2、成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成电路成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成电路领域的半壁江山。领域的半壁江山。把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制把若干个有源器件和无源器件及其连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体芯片上，这样的产品叫集成电路。若它完成的做在同一块半导体芯片上，这样的产品叫集成电路。若它完成的功能是逻辑功能或数字功能，功能是逻辑功能或数字功能， 则称为逻辑集成电路或数字集成则称为逻辑集成电路或数字集成电路。最简单的数字集成电路是集成逻辑门。电路。最简单的数字集成电路是集成逻辑门。 集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不

3、同可分为两大类：集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类： 一一类是双极性晶体管逻辑门；另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑类是双极性晶体管逻辑门；另一类是单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称门，简称MOSMOS门。门。 双极性晶体管逻辑门主要有双极性晶体管逻辑门主要有TTLTTL门门( (晶体管晶体管- -晶体管逻辑门晶体管逻辑门) )、ECLECL门门( (射极耦合逻辑门射极耦合逻辑门) )和和IILIIL门门( (集成注入逻辑门集成注入逻辑门) )等。等。 单极性单极性MOSMOS门主要有门主要有PMOSPMOS门门(P(P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管构成的逻辑门管构成的逻辑门)

4、 )、NMOSNMOS门门(N(N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管构成的逻辑门管构成的逻辑门) )和和CMOSCMOS门门( (利用利用PMOSPMOS管管和和NMOSNMOS管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补MOSMOS门。门。第2页/共89页第二页，共89页。31 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实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元(dnyun)(dnyun)电路。电路。2、 逻辑逻辑(lu j)门电路的分类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PMO

5、S门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立分立(fn (fn l)l)门电路门电路集成门电路集成门电路NMOS门门第3页/共89页第三页，共89页。4 根据制造工艺(gngy)不同可分为单极型和双极型两大类。门电路中晶体管均工作门电路中晶体管均工作(gngzu)在开关状态。在开关状态。首先介绍首先介绍(jisho)晶体管和场效应管的开关特性。晶体管和场效应管的开关特性。然后介绍两类门电路。然后介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握一般掌握；而各种门；而各种门电路的电路的外部特性外部特性和和应用应用是要求是要求重点重点。当代门电路（所有数字电

6、路）均已集成化。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。第4页/共89页第四页，共89页。5（1）CMOS集成电路集成电路(jchng-dinl):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(jchng-dinl) 4000 4000系列系列(xli)(xli)74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTLTTL不兼容不兼容(jin rn(jin rn) )抗干扰抗干扰功耗低功耗低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

7、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74AS系列 74ALS（2）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第5页/共89页第五页，共89页。6逻辑逻辑(lu j)(lu j)门电路的一般特性门电路的一般特性 1. 1. 输入和输出输入和输出(shch)(shch)的高、低电平的高、低电平 2. 2. 噪声容限噪声容限 3.3.传输延迟时间传输延迟时间 4. 4. 功耗功耗 5. 5. 延时延时功耗积功耗积 6. 6. 扇入

8、与扇出数扇入与扇出数第6页/共89页第六页，共89页。7正逻辑正逻辑(lu j)(lu j)：高电平表示：高电平表示1 1，低电平，低电平表示表示0 0负逻辑负逻辑(lu j)(lu j)：高电平表示：高电平表示0 0，低电平，低电平表示表示1 11. 1. 输入输入(shr)(shr)和输出的高、低电平和输出的高、低电平第7页/共89页第七页，共89页。8 vO vI 驱动门G1 负载门G2 1 1 输出输出(shch)(shch)高电平的下限值高电平的下限值 VOH(min) VOH(min)输入输入(shr)(shr)低电平的低电平的上限值上限值 VIL(max) VIL(max)输入输

9、入(shr)(shr)高电平高电平的下限值的下限值 VIH(min)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vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI 第8页/共89页第八页，共89页。9VNH 当前一级门输出高电平的最小当前一级门输出高电平的最小值时允许负向噪声值时允许负向噪声(zoshng)电压的最大电压的最大值。值。负载负载(fzi)(fzi)门输入高电平时的噪门输入高电

10、平时的噪声容限：声容限：VNL 当前(dngqin)一级门输出低电平的最大值时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。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。它表示门电路的抗干扰能力。 1 驱动门 vo 1 负载门 vI 噪声 第9页/共89页第九页，共89页。10类型参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD

11、=1.8VtPLH或tPHL(ns)782.10.93.传输传输(chun sh)延迟时间延迟时间 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(sd)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电路电路(dinl)传输延迟时间传输延迟时间 tPHL 输出 50% 90% 50% 10% tPLH tf tr 输入 50% 50% 10% 90% 第10页/共89页第十页，共89页。114. 4. 功耗功耗( (nn ho) ho)静态功耗

12、：指的是当电路没有状态转换静态功耗：指的是当电路没有状态转换(zhunhun)(zhunhun)时的功耗，时的功耗，即门电路空载时电源总电流即门电路空载时电源总电流IDID与电源电压与电源电压VDDVDD的乘积。的乘积。5. 5. 延时延时功耗功耗( (nn ho) ho)积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：扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。取决于逻辑门的输入端的个数。如：一个如：一个3 3输入端的与非门，其扇入数输入端的与非门，其扇入数N NI I为为3 3。6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗：动态功耗：

13、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第11页/共89页第十一页，共89页。12扇出数：是指其在正常工作扇出数：是指其在正常工作(gngzu)情况下，所能带同类门电路的最大数目。情况下，所能带同类门电路的最大数目。（a)a)带拉电流带拉电流(dinli)(dinli)负载负载 当驱动门输出高电平时，将有电流当驱动门输出高电平时，将有电流IOHIOH从驱动门拉出而流入从驱动门拉出而流入负载负载(fzi)

14、(fzi)门。若负载门。若负载(fzi)(fzi)门的个数增加，总的拉电门的个数增加，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，这就限制了负载的下限值，这就限制了负载(fzi)(fzi)门的个数。门的个数。)(I)(IN负载门负载门驱动门驱动门IHOHOH 高电平高电平扇出数扇出数:IOH : :驱动门输出端的高电平电流驱动门输出端的高电平电流IIH : :负载门的输入电流。负载门的输入电流。负载门的输入电流负载门的输入电流第12页/共89页第十二页，共89页。13(b)带灌电流带灌电流(dinli)负载负载)

15、(I)(IN负负载载门门驱驱动动门门ILOLOL 当驱动门输出低电平时，负载电流当驱动门输出低电平时，负载电流IOLIOL流入驱动门，它是负载流入驱动门，它是负载门输入端电流门输入端电流IILIIL之和。当负载门的个数增加之和。当负载门的个数增加(zngji)(zngji)时，总时，总的灌电流的灌电流IOLIOL将增加将增加(zngji)(zngji)，同时也将引起输出低电压，同时也将引起输出低电压VOLVOL的升高。的升高。 故当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值时，故当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值时，驱动门所能驱动同类门的个数为：驱动门所能驱动同类门的个数为：

16、IOL ：驱动门的输出低电平电流：驱动门的输出低电平电流IIL ：负载门输入端电流：负载门输入端电流一般要计算才能得到一般要计算才能得到(d do)(d do)扇出数，详见教材扇出数，详见教材7474页。页。第13页/共89页第十三页，共89页。14电路类型电源电压/V传输延迟时间/ns静态功耗/mW功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限 输出逻辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.52150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列4

17、.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路各类数字集成电路(jchng-dinl)主要性能参数的比较主要性能参数的比较第14页/共89页第十四页，共89页。15 MOS MOS开关开关(kigun)(kigun)及其等效电路及其等效电路：MOS管工作管工作(gngzu)在可变电阻区，输出低在可变电阻区，输出低电平电平: MOS: MOS管截止管截止(jizh)(jizh)， 输出高电平输出高电平（1 1）

18、当）当I VT（a a）N N沟道沟道MOSMOS管开关电路管开关电路（b b）N N沟道沟道MOSMOS管的输出特性曲线管的输出特性曲线：i iD D = f (V = f (VDSDS) ) 对应不同的对应不同的V VGSGS下的一组曲线下的一组曲线。Vi=VGs.Vo=VDs漏极漏极d栅极栅极g源极源极s开启电压（阀值电压）：开始形成沟道时的栅极电压。开启电压（阀值电压）：开始形成沟道时的栅极电压。VoVo（V Vdsds）与）与i iD D（漏极和源极之间（漏极和源极之间的电流）之间的关系的电流）之间的关系直流负载线直流负载线：VGSVT，iD = 0, : :i iD D 基本上由基

19、本上由V VGSGS决定，决定，与与V VDSDS 关系不大关系不大: :当VDS 较低（近似为0）,VGS 一定时, 这个电阻受VGS 控制、可变。常数（电阻）DDSiV(恒流区恒流区)1.MOS1.MOS管的开关作用管的开关作用第15页/共89页第十五页，共89页。16故：故：MOS管管D-S间相当于一个间相当于一个(y )由由VI（vGS）控制的无触点开关。）控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相管工作在可变电阻区，相当于开关当于开关(kigun)“闭合闭合”，输出为低电平。，输出为低电平。MOS管截止管截止(jizh)，相当于，相当于开关开关“断开断开”，输出为高电，输出为高电

20、平。平。a.当输入为低电平时：当输入为低电平时：b.当输入为高电平时：当输入为高电平时：MOSMOS管输入波形管输入波形MOSMOS管输出波形管输出波形2.MOS2.MOS管的开关特性管的开关特性见右图：由于见右图：由于MOSMOS管的中电容的存在，管的中电容的存在，使其在导通和闭合两状态间转换时，会使其在导通和闭合两状态间转换时，会受到电容充放电过程的影响。故输出电受到电容充放电过程的影响。故输出电压的波形与输入端的理想波形已不一样。压的波形与输入端的理想波形已不一样。（上下沿变缓；滞后上下沿变缓；滞后）第16页/共89页第十六页，共89页。171.1.工作工作(gngzu)(gngzu)原

21、原理理N N沟道沟道( (u do)u do)管开启电压管开启电压VGS(th)NVGS(th)N记为记为VTN;VTN;P P沟道沟道( (u do)u do)管开启电压管开启电压VGS(th)PVGS(th)P记记为为VTP;VTP;要求满足要求满足V VDDDD V VTNTN+|V+|VTPTP|;|;输入低电平为输入低电平为0V0V；高电平为；高电平为V VDDDD; ;（1 1）输入为低电平）输入为低电平0V0V时；时；T T2 2截止；截止；T T1 1导通。导通。i iD D = 0 = 0， =V=VDDDD; ;O（2 2）输入为高电平）输入为高电平V VDDDD时；时；T

22、 T1 1截止；截止；T T2 2导通。导通。i iD D = 0 = 0， =0V;=0V;O结论：输入与输出间是逻辑非关系。结论：输入与输出间是逻辑非关系。反相器反相器由由N N沟道和沟道和P P沟道两种沟道两种MOSFETMOSFET组成的电路称为组成的电路称为互补互补MOSMOS或或CMOSCMOS电路电路。TPTN栅极接在栅极接在一起一起漏极接在漏极接在一起一起第17页/共89页第十七页，共89页。18 特点：静态功耗近似(jn s)为0；电源电压可在很宽的范围内选取。 在正常工作在正常工作(gngzu)(gngzu)状态，状态，T1T1与与T2T2轮流导通，即所谓互补状轮流导通，即

23、所谓互补状态。态。 CC4000 CC4000系列系列(xli)CMOS(xli)CMOS电电路的路的VDDVDD可在可在3 318V18V之间选取。之间选取。第18页/共89页第十八页，共89页。19AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止(jizh)导通导通10 V10 V10V 0V导通导通截止截止(jizh)0 V若若VTN = 2 V，VTP = 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)(TPTNDDVVV有：有：第19页/共89页第十九页，

24、共89页。20P沟道沟道(u do)MOS管输出特性曲线管输出特性曲线输入高电平时的工作输入高电平时的工作(gngzu)情况情况输入输入(shr)低电平时的工作情况低电平时的工作情况TP为负载管时：为负载管时：第20页/共89页第二十页，共89页。21VTN)v(fvIO 电压传输特性电压传输特性2. 2. 电压传输电压传输(chun sh)(chun sh)特性和电流传输特性和电流传输(chun sh)(chun sh)特性特性T2截止(jizh)，T1导通。T1截止(jizh)，T2导通总有一只总有一只MOSMOS管截止，故管截止，故iD接近接近0 0值值总有一个总有一个MOSMOS管工作

25、在饱和管工作在饱和区，另一个管工作在可区，另一个管工作在可变电阻区。故变电阻区。故i iD D较大较大功耗大阈值电压阈值电压为阈值电压为V VDDDD 的一半，特性对称的一半，特性对称特点：特点：转折区变化率大，特性更接近理想开关。转折区变化率大，特性更接近理想开关。输入电压为输入电压为V VDDDD/2/2时，时，i iD D较大，因此不较大，因此不应使其长期工作在应使其长期工作在CDCD段。段。 在动态情况下，电路的状态会通在动态情况下，电路的状态会通过过BEBE段，使动态功耗不为段，使动态功耗不为0 0；而且输入；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这信号频率越高，动态功耗也越大，这成

26、为限制电路扇出系数的主要因素。成为限制电路扇出系数的主要因素。第21页/共89页第二十一页，共89页。223.CMOS3.CMOS反相器的工作反相器的工作(gngzu)(gngzu)速度速度 由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间（充电由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间（充电(chng din)(chng din)过程）与关闭时间（放电过程）是相等的。平均过程）与关闭时间（放电过程）是相等的。平均延迟时间：延迟时间：10 ns10 ns。 CMOSCMOS反相器用于驱动其他反相器用于驱动其他MOSMOS器件器件(qjin)(qjin)时，带电容负载。时，带电容负载。负载电容负载电容充电

27、充电第22页/共89页第二十二页，共89页。23A 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 1.CMOS 与非门与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&VTN = 2 VVTP = 2 V0V10VN输入输入(shr)的与非门的电路的与非门的电路?输入端增加有什么输入端增加有什么(shn me)问题问题?逻辑逻辑(lu j)门门详见教材详见教材8080页页特点：特点：N

28、N沟道管串联、沟道管串联、P P沟道管并联沟道管并联。L=AB第23页/共89页第二十三页，共89页。24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 VVTP = 2 VN输入的或非门的电路输入的或非门的电路(dinl)的结构的结构?输入端增加有什么输入端增加有什么(shn me)问题问题?特点：特点：N N沟道

29、管并联沟道管并联(bnglin)(bnglin)、P P沟道管串联。沟道管串联。详见教材80页第24页/共89页第二十四页，共89页。253. 异或门电路异或门电路(dinl)BA BABAXBAL BABA BA =AB第25页/共89页第二十五页，共89页。264.4.输入输入(shr)(shr)保护电路和缓冲电路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 CMOS CMOS逻辑门通常要接输入、输出保护电路和缓冲电路，以规逻辑门通常要接输入、输出保护电路和缓冲电路，以规范电路

30、的输入和输出逻辑电平。即采用缓冲电路能统一参数，使范电路的输入和输出逻辑电平。即采用缓冲电路能统一参数，使不同不同(b tn(b tn) )内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。出特性。二极管保护二极管保护(boh)电路电路静电保护二极管静电保护二极管第26页/共89页第二十六页，共89页。27（1 1）输入端保护）输入端保护(boh)(boh)电电路路: :(a) 0 vI VDD + vDF 二极管导通电压二极管导通电压(diny)：vDF(c) vI iB0条件饱 和放 大截 止工作状态1.BJT1.BJT的开关条件的开关条件 0 iB

31、CSI CSI第43页/共89页第四十三页，共89页。442. BJT2. 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(kitng)(kitng)时间时间ton(=td+tr)ton(=td+tr)从导通到截止从导通到截止(jizh)(jizh)关闭时间关闭时间toff(= ts+tf)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互转换需要(xyo)一定的时间才能完成。一定的时间才能完成。第44页/共89页第四十四页，共89页。45CL的充、放电过程均需经历一定的时间，必然(brn)会增加输出电压O波形的上升时间和下降时间，导致基本的B

32、JT反相器的开关速度不高。基本基本BJTBJT反相器的动态反相器的动态(dngti)(dngti)性能性能若带电容若带电容(dinrng)(dinrng)负负载载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。门电路。 第45页/共89页第四十五页，共89页。46输出级输出级T3T3、D D、T4T4和和Rc4Rc4构成构成(guchng)(guchng)推拉式推拉式的输出级。用于提高的输出级。用于提高开关速度和带负载能开关速度和带负载能力。力。中间级中间级T2T2和电阻和电阻Rc2Rc2、Re2Re2组成，从组成，从T2T2的集电结和发射的集电结和发射极同时极同时(

33、tngsh)(tngsh)输出两个相位相反输出两个相位相反的信号，作为的信号，作为T3T3和和T4T4输出级的驱动信输出级的驱动信号；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) 输入输入(shr)(shr)级级 中间级中间级输出级输出级 反相器的基本电路反相器的基本电路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。用于提高电组成。用于提高电路的开关速度路的开关速度第46页/共89页第四十六页，共89页。472. TTL2. TTL反相器的工作反相器的工作(gngz

34、u)(gngzu)原理（逻辑关系、性能原理（逻辑关系、性能改善）改善） （1 1）当输入）当输入(shr)(shr)为低电平（为低电平（I = 0.2 I = 0.2 V V）mA 0251 1B1CCB1.RvVi 0 BS1 IBS1B1IiT1 深度深度(shnd)饱和饱和V 3.6V 70705DBE4B4O ).(vvvv截止导通导通截止饱和低电平T4D4T3T2T T1 1输入高电平输出输出T2 、 T3截止，截止，T4 、D导通导通第47页/共89页第四十七页，共89页。48（2）当输入）当输入(shr)为高电平（为高电平（I = 3.6 V） T2、T3饱和饱和(boh)导通导

35、通 T1:倒置的放大倒置的放大(fngd)状态。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=0.2V第48页/共89页第四十八页，共89页。49输入A输出L0110逻辑逻辑(lu j)(lu j)真值表真值表 逻辑表达式逻辑表达式 L = A 饱和截止T4低电平截止截止饱和倒置工作高电平高电平导通导通截止饱和低电平输出D4T3T2T1输入第49页/共89页第四十九页，共89页。50（3 3 ）采用输入级以提高工作）采用输入级以提高工作(gngzu)(gngzu)速度速度 当当TTL反相器反相器I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间(shn jin) T

36、2、T3管的状态变化管的状态变化(binhu)滞后于滞后于T1管，仍管，仍处于导通状态。处于导通状态。T1管管Je正偏、正偏、Jc反偏，反偏， T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流（管射极电流（1+ 1 ） iB1很快地从很快地从T2的基区抽走的基区抽走多余的存储电荷多余的存储电荷,从而加速从而加速了输出由低电平到高电了输出由低电平到高电平的转换。平的转换。 第50页/共89页第五十页，共89页。51（4 4）采用推拉式输出）采用推拉式输出(shch)(shch)级以提高开关速度和带负载能力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

37、截止，截止，T3饱和导通，其饱和电流全饱和导通，其饱和电流全部用来部用来(yn li)驱动负载驱动负载a)带负载带负载(fzi)能力能力第51页/共89页第五十一页，共89页。52当当 O O=3.6V=3.6V时时 O由低到高电平跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小使输出波形上升(shngshng)沿陡直。而当 O由高变低后， CL很快放电，输出波形的下降沿也很好。 T3 T3截止，截止，T4T4组成的电压跟随器组成的电压跟随器的输出的输出(shch)(shch)电阻很小，电阻很小，输出输出(shch)(shch)高电平稳定，高电平稳定，带负载能力也较强。带负载能力也较强。输出端接输出端接(

38、dun ji)(dun ji)负载电容负载电容CLCL时，时，b)输出级对提高开关速度的作用输出级对提高开关速度的作用第52页/共89页第五十二页，共89页。531. TTL与非门电路与非门电路(dinl)多发射极多发射极BJT T1e e bc eeb cA& BALB TTL TTL逻辑逻辑(lu j)(lu j)门电路门电路第53页/共89页第五十三页，共89页。54TTLTTL与非门电路的工作与非门电路的工作(gngzu)(gngzu)原理原理 任一输入(shr)端为低电平时:TTL与非门各级工作与非门各级工作(gngzu)状态状态 IT1T2T4T5O输入全为高电平 (3.6

39、V)倒置使用的放大状态饱和截止饱和低电平（0.2V）输入有低电平 (0.2V)深饱和截止放大截止高电平（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 输出高电平 第54页/共89页第五十四页，共89页。552. TTL或非门或非门 若若A、B中有一个中有一个(y )为高电平为高电平:若若A、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饱和饱和(boh)，输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和，将饱和，T3饱和，饱和，T4截止截止(jizh)，输出为低电平。输出为低电平。BAL 逻辑表达式逻辑表达式第55页/共89

40、页第五十五页，共89页。56vOHvOL输出为低电平输出为低电平的逻辑的逻辑(lu j)门输出级的损门输出级的损坏坏集电极开路集电极开路(kil)(kil)门和三态门电路门和三态门电路1.1.集电极开路集电极开路(kil)(kil)门电路门电路 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 第56页/共89页第五十六页，共89页。57a） 集电极开路集电极开路(kil)与非门电路与非门电路b） 使用使用(s

41、hyng)时的外电路连接时的外电路连接C） 逻辑逻辑(lu j)功功能能L = A BOC门输出端连接实现线与门输出端连接实现线与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 & & 第57页/共89页第五十七页，共89页。582. 三态与非门三态与非门(TSL ) 当当CS= 3.6V时时CS数据输入端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态与非门真值表 第58页/共89页第五十八页，共89页。59当当CS= 0.2V时时

42、CS数据输入端输出端LAB10010111011100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 ABLCS = 0_CS =1真值表真值表逻辑符号逻辑符号ABCS & L EN第59页/共89页第五十九页，共89页。60特点特点: :功耗功耗( (nn ho) ho)低、速度快、驱动力强低、速度快、驱动力强门电路门电路 I I为高电平为高电平: :MN、M1和和T2导通，导通，MP、M2和和T1截止截止(jizh)，输出，输出 O为低电平。为低电平。工作工作(gngzu)(gngzu)原理原理: :M1的导通的导通, , 迅速拉走迅速拉走T1的基区存储电的基区存储

43、电荷荷; ; M2截止截止, , MN的输出电流全部作的输出电流全部作为为T2管的驱动电流管的驱动电流, , M1 、 M2加快输加快输出状态的转换出状态的转换第60页/共89页第六十页，共89页。61 I I为低电平为低电平: :MP、M2和和T1导通，导通，MN、M1和和T2截止截止(jizh)，输出，输出 O为高电平。为高电平。T2基区的存储电荷基区的存储电荷(dinh)通过通过M2而消散。而消散。 M1 、 M2加快(ji kui)输出状态的转换电路的开关速度可得到改善M1截止，截止，MP的输出的输出电流全部作为电流全部作为T1的驱动电流。的驱动电流。第61页/共89页第六十一页，共8

44、9页。623.33.3射极耦合逻辑射极耦合逻辑(lu j)(lu j)门电路（略）门电路（略）3.43.4砷化镓逻辑砷化镓逻辑(lu j)(lu j)门电路（略）门电路（略）第62页/共89页第六十二页，共89页。63正负正负(zhn f)逻辑问题逻辑问题3.5 逻辑描述逻辑描述(mio sh)中的几中的几个问题个问题基本逻辑门的等效基本逻辑门的等效(dn xio)符号及其应用符号及其应用第63页/共89页第六十三页，共89页。64正负正负(zhn f)逻辑问题逻辑问题1. 1. 正负逻辑正负逻辑(lu j)(lu j)的规的规定定 0 01 1 1 10 0正逻辑正逻辑(lu j)(lu j

45、)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表示表示第64页/共89页第六十四页，共89页。65 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 采用采用(ciyng)正逻辑正逻辑

46、_或非门或非门采用采用(ciyng)负逻辑负逻辑与非与非 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(dn xio)变换变换 与与 或或非非 非非第65页/共89页第六十五页，共89页。66基本逻辑基本逻辑(lu j)门电路的等效符号及其应用门电路的等效符号及其应用1.基本基本(jbn)逻辑门电路的等效符号逻辑门电路的等效符号ABL LA B & B A 与非门及其等效与非门及其等效(dn xio)符号符号 B A BAL 1 系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。 低电平有效，输入端加小圆圈；高电

47、平有效，输入端不加低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有效，输入端不加小圆圈。小圆圈。BA 第66页/共89页第六十六页，共89页。67BABAL B A LAB 1 或非门及其等效或非门及其等效(dn xio)符号符号BAL & B A 第67页/共89页第六十七页，共89页。68 & B A B A ABBAL 1 L=AB BABAL B A 1 & B A L=A+B BAABL BABAL 第68页/共89页第六十八页，共89页。69 & B A L 1 & B A & B A L 1 & B A & B A L &

48、; & B A 2.逻辑门等效逻辑门等效(dn xio)符号的应用符号的应用 利用逻辑门等效符号，可实现利用逻辑门等效符号，可实现(shxin)对逻辑电路进行变换，对逻辑电路进行变换，以简化电路，能减少实现以简化电路，能减少实现(shxin)电路的门的种类。电路的门的种类。LA B & B A 第69页/共89页第六十九页，共89页。70 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0 AL1 RE3.逻辑门等效逻辑门等效(dn xio)符号强调低电平有效

49、符号强调低电平有效L=0下图是一个可以下图是一个可以(ky)控制数据传输的电路。控制数据传输的电路。允许允许(ynx)信信号号请求信号请求信号输入、输出均为低有效的与门实际是或门的等效符号，输入、输出均为低有效的与门实际是或门的等效符号，在此用等效符号是为了强调在此用等效符号是为了强调低电平有效低电平有效有效输出信号有效输出信号有效输入信号有效输入信号详见教材详见教材110-111页描述。页描述。第70页/共89页第七十页，共89页。71 RE & L G2 AL & AL G2 L RE & AL G2 L RE 如如RE、AL都要求都要求(yoqi)高电平有效，高电

50、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可用或非可用或非门实现门实现(shxin)第71页/共89页第七十一页，共89页。723.6 逻辑逻辑(lu j)门电路使用中的几个实际门电路使用中的几个实际问题问题 各种门电路之间的接口各种门电路之间的接口(ji ku)(ji ku)问问题题 门电路带负载时的接口门电路带负载时的接口(ji (ji ku)ku)问题问题第72页/共89页第七十二页，共89页。73 （1）驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入

51、电压范）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围(fnwi)，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。，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TTLTTL和和CMOSCMOS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，因而每种器件的电压和电流参数各不相同，因而(yn r)(yn r)在这两种器在这两种器件连件连接时，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载器件以下两个条件： （2）驱

52、动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流）驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流(dinli)和灌和灌电流电流(dinli)（属于门电路的扇出数问题）。（属于门电路的扇出数问题）。各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题1.1.驱动器件和负载器件连接时要满足的两个条件驱动器件和负载器件连接时要满足的两个条件第73页/共89页第七十三页，共89页。74vOvI驱动门 负载门1 1 VOH(min)vO VOL (max) vI VIH(min)VIL (max) （1）负载器件）负载器件(qjin)所要求的输入电所要求的输入电压压VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL

53、(max)第74页/共89页第七十四页，共89页。75灌电流灌电流(dinli)IILIOLIIL拉电流拉电流(dinli)IIHIOHIIH101111n个个011101n个个（2）对负载）对负载(fzi)器件提供足够大的拉电流和灌电流器件提供足够大的拉电流和灌电流 IOH(max) IIH(total)IOL(max) IIL(total)第75页/共89页第七十五页，共89页。76 （2）驱动电路必须能为负载）驱动电路必须能为负载(fzi)电路提供足够的驱动电流。电路提供足够的驱动电流。 驱动驱动(q dn)电路电路 负载电路负载电路1）VOH(min) VIH(min)2）VOL(ma

54、x) VIL(max)4） IOL(max) IIL(total) （1）驱动电路必须能为负载）驱动电路必须能为负载(fzi)电路提供合乎相应标准的高、电路提供合乎相应标准的高、低电平；低电平； IOH(max) IIH(total)3） 结论：结论：第76页/共89页第七十六页，共89页。772. CMOS门驱动门驱动(q dn)TTL门门VOH（min)=4.9V VOL(max) =0.1VTTL门（门（74系列系列(xli)）：）： VIH(min) = 2V VIL(max )= 0.8VIOH（max)=-0.51mAIIH（max)=20 AVOH(min) VIH(min)VO

55、L(max) VIL(max)带拉电流带拉电流(dinli)(dinli)负载负载输出、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(4000系列）：IOL（max)=0.51mAIIL（max)=-0.4mA，IOH(max) IIH(total)第77页/共89页第七十七页，共89页。78例例 用一个用一个(y (y )74HC00)74HC00与非门电路驱动一个与非门电路驱动一个(y (y )74)74系列系列TTLTTL反相器和六个反相器和六个74LS74LS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

56、CMOSCMOS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)=0.04mAIIL（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)第78页/共89页第七十八页，共89页。79总的输入总的输入(shr)电流电流IIL

57、(total)=1.6mA+60.4mA=4mA灌电流灌电流(dinli)情况情况 拉电流拉电流(dinli)情况情况 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)=4mA74系列反相器系列反相器: IIL(max)=1.6mA74LS门：门： IIL(max)=0.4mA 故故CMOS驱动驱动TTL门电路未过载门电路未过载。但。但灌电流灌电流时刚满足条件，而在实际设计中

58、要考虑留出一定时刚满足条件，而在实际设计中要考虑留出一定的余量，即需要增加带灌电流的能力。可在的余量，即需要增加带灌电流的能力。可在CMOS门后加一个门后加一个TTL系列的同相缓冲器（因其系列的同相缓冲器（因其IOL(max)比比CMOS的的IOL(max) 大的多大的多）作驱动器。作驱动器。&111CMOS门门 74系列系列74LS74LS系列系列第79页/共89页第七十九页，共89页。803. TTL3. TTL门驱动门驱动(q dn(q dn)CMOS)CMOS门门( (如如74HC 74HC ）VOH(min)= =2.7V VIH(min)为为3.5VTTL（74LS ）：

59、CMOS（7474HC）：其他参数都能满足，只有其他参数都能满足，只有 VOH(min) VIH(min)不满足。为解决不满足。为解决该问题，常在该问题，常在TTL输出输出(shch)端与端与+5V电源之间接一个上拉电阻电源之间接一个上拉电阻RP。（ IO ：TTL输出输出(shch)级级T3截止管的漏电流）截止管的漏电流）IHOOHn(IIRVVPDD 因这两个电流都很小，如因这两个电流都很小，如RPRP取值不大，该项可忽略取值不大，该项可忽略第80页/共89页第八十页，共89页。81结论结论(jiln)： TTL TTL驱动驱动74HCT74HCT系列系列CMOSCMOS时，不需另加接口电

60、路。即常常时，不需另加接口电路。即常常(chngchng)(chngchng)用用74HCT74HCT系列器件当接口电路，以省去上拉电阻。系列器件当接口电路，以省去上拉电阻。第81页/共89页第八十一页，共89页。821. 用门电路直接用门电路直接(zhji)驱动显示器件驱动显示器件门电路带负载门电路带负载(fzi)(fzi)时的接口电路时的接口电路LED R vI 1 DFOHIVVR DOLFCCIVVVR 门电路的输入为低电平，输出门电路的输入为低电平，输出(shch)为高电平时，为高电平时，LED发光发光当输入信号为高电平，输出为低电平时当输入信号为高电平，输出为低电平时,LED发光发光 VCC LED R vI 1 限流电阻：限流电阻：LEDLED的正向压降的正向压降LEDLED的电流的电流第82页/共89页第八十二页，共89页。83解：解：LE