数字电子技术02-逻辑门电路课件

1、第2章 逻辑门电路 集成电路把若干个器件及其连线，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体基片上的产品。数字集成电路（逻辑集成电路）完成逻辑功能或数字功能的集成电路。集成逻辑门最简单的数字集成电路。7400引脚配置及DIP封装外形图本章教学要求熟练掌握常用门电路的符号及逻辑功能；了解TTL与非门的工作原理；熟悉TTL、CMOS集成逻辑门的外部特性、主要参数和使用方法；理解集电极开路门和三态门的主要特点及应用；了解ECL的特点。 正逻辑高电平UOH “真” (1)；低电平UOL“假” (0)。负逻辑与上相反高电平UOH “假” (0)；低电平UOL“真” (1)。逻辑电平（ UOH和UOL）因逻辑

2、器件内部结构不同而异;UOH和UOL的差值愈大，电路可靠性越高。正负逻辑获得高低电平的原理输入信号Ui控制晶体管起到开关S的作用：开关S断开时，输出电压UO为高电平；开关S导通时，输出电压UO为低电平；输入、输出电压的高低电平都是一个范围1. 按集成度分类一、逻辑门电路的分类名称缩写元件集成度等效门实例小规模集成电路(Small Scale Integration)SSI10100个1020个逻辑门、触发器等中规模集成电路(Medium Scale Integration)MSI1001000个20100个译码器、MUX、加法器、计数器大规模集成电路(Large Scale Integrati

3、on)LSI1000100000个1001000个RAM、ROM、微处理器、单片机、DSP、ASIC等超大规模集成电路(Large Scale Integration)VLSI100000个以上1000个以上2.按基本结构分类 TTL门(晶体管-晶体管逻辑门)ECL门(射极耦合逻辑门)I2L门(集成注入逻辑门)PMOS门(P沟道增强型MOS管构成的逻辑门) NMOS门(N沟道增强型MOS管构成的逻辑门)CMOS门(利用PMOS管和NMOS管构成的互补电路）双极型逻辑门单极型逻辑门3.按逻辑门电路的型号分类（TI）4000系列HC/HCT(高速系列)A HC/AHCT、 VHC/VHCT(改进高

4、速系列) LVC (低压系列)ALVC(改进低压系列)SN54/74系列74H(高速系列)74L(低功耗系列)74S (肖特基系列) 74AS (改进肖特基系列)74LS(低功耗肖特基系列) 74LS(低功耗肖特基系列)74F (快速系列)TTL门CMOS 门54系列军用型：尺寸小、功耗小、可靠性高、工作温度范围大（-55+125 ）74系列民用型，低成本改进型，工作温度（0+70 ）P:39P:484.按逻辑功能分类与门或门非门与非门或非门与或非门异或门同或门5.按结构分类OC门（集电极开路输出门）TS门（三态输出门）CMOS门TTL门普通结构门特殊结构门OD门（漏极开路输出门）TG门（CM

5、OS传输门）TS门（三态输出门）TTL电路具有速度快、驱动能力强的特点。缺点，是功耗比较大，只能做成小规模和中规模集成电路 。CMOS集成电路最突出的优点在于功耗极低，所以非常适合于制作大规模集成电路。随着CMOS制作工艺的不断进步，无论在工作速度还是在驱动能力上，CMOS电路都已经可与TTL电路比拟。因此，CMOS电路将逐渐取代TTL电路而成为数字集成电路的主流产品。 1. 二极管、三极管逻辑门二极管与门二极管或门三极管非门二、分立门电路和集成门电路功能分析双极型三极管的开关等效电路截止时饱和导通时关门状态开门状态2. TTL与非门OC门在使用时输出端必须外接一个电阻到+VCC，称为上拉电阻

6、3. 集电极开路输出门(OC门)OC门 “线与”OC门并联电路等效逻辑电路(b)BADCFF1F2&(a)&ABCD门2门1F1F2线与FRCICC4. 漏极开路输出门(OD门)5. 三态输出门（TS门）EN = 1正常的与非门EN = 0禁止状态输出端相当于悬空三态门与负载之间 无信号联系注意禁止状态不是逻辑状态三态门不是三值逻辑门三态门的图形符号低电平有效：高电平有效：三态缓冲门三态倒相门三态与门三态与非门三态门的应用在公用通道（总线）上轮流传送信息实现输入输出双向传输端口输出G=0输入G=1【例】写出下图电路的输出函数表达式，画出对应所示输入波形的输出波形。 解 由图可见，当E=0时，上

7、端三态门工作，下端三态门处于高阻状态， ；当E=1时，下端三态门工作，上端三态门处于高阻状态， 。由此可得F的综合表达式为： ，F对应的输出波形如图所示。 6. CMOS传输门及双向模拟开关当C=0，C=1时，TG门截止；当C=1，C=0时，TG门导通； 外特性：指的是电路在外部表现出来的各种特性。外部特性包含两个内容：输出与输入间的逻辑关系，即逻辑功能；外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。 三、TTL集成门电路的主要外部特性及参数直流电源电压输入 / 输出逻辑电平输入 / 输出电流扇出系数传输延时功耗 参数引线排列从左下角 开始,逆时针计算 缺口标记17814绝大多数右下

8、角GND绝大多数左上角Vcc74LS00是在一个封装内有四个相同的与非门。其外形如图所示。正视图74LS00封装和引脚241. 标准TTL门的输入 / 输出逻辑电平 输入低电平时噪声容限：输入高电平时噪声容限：【例】74系列门电路中，输入输出电平典型参数为：VIL(max) =0.8V，VIH(min) =2.0V，VOL(max) =0.4V，VOH(min) =2.4V，因此可以计算出VNL=0.4V，VNH=0.4V。导通延迟时间tpHL从输入端接入高电平开始，到输出端输出低电平为止，所经历的时间；截止延迟时间tpLH从输入端接入低电平开始，到输出端输出高电平为止，所经历的时间平均传输延

9、迟时间tpdTTL与非门的延迟时间 UIUOAAtpHLBBtpLH)(21pLHpHLpdttt+=272. 扇入和扇出系数“拉电流”工作状态 :（相对驱动门来说的)“灌电流”工作状态: 扇入系数：指一个门电路所能允许的输入端个数。扇出系数：一个门电路所能驱动的同类门电路输入端的最大数目。 【例】在如图所示的由74系列TTL与非门组成的电路中，计算门G1能驱动多少同样的与非门。要求G1输出的高、低电平满足VOH3.2V，VOL0.4V。与非门的输入电流为IIL-1.6mA，IIH40A。VOL0.4V时输出电流最大值为IOL（max）=16mA，VOH3.2V时输出电流最大值为IOH（max

10、）=-0.4mA。G1的输出电阻忽略不计。灌电流工作时：拉电流工作时：3. 电压传输特性 TTL与非门电压传输特性是指在某一输入端接可调直流电源，其余输入端接高电平情况下，输出电压VO随输入电压VI变化的曲线。AB段（截止区）BC段（线性区）CD段（转折区）DE段（饱和区）根据电压传输特性，可以求出TTL非门几个重要参数:输入高电平VIH和输入低电平VIL 、输出高电平VOH和输出低电平VOL 、开门电平VON和关门电平VOFF 、阈值电压VTH等。VOHVOLVONVOH(min)VOL(max)VOFFVTHV IL（max） V IH（min） VILVIH关门状态开门状态B【例】根据电

11、压传输特性，求出TTL非门几个重要参数:输入高电平VIH和输入低电平VIL 、输出高电平VOH和输出低电平VOL 、开门电平VON和关门电平VOFF 、阈值电压VTH等。4. 输入端负载特性TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。ROFF关门电阻RON 开门电阻uI为输入低电平uI为输入高电平数字电路中要求输入负载电阻RIRON或RIROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。(1) 关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF

12、0.9k。 (2) 开门电阻RON 在保证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路数字电路中要求输入负载电阻RIRON或RIROFF ，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令 ROFF RI RON使电路处于转折区。【例】以下电路均为TTL电路，ROFF0.9k，RON 3.6k。 试写出各电路的输出表达式。51UIHF130kUILF21MF3510 AF4X悬空F6A10KF551UIHF1=130kUILF2=11MF3=A510 AF4=1X悬空F6=AA10KF5=0【例】以下电路均为TTL电路，ROFF0.9k，RON 3.6k。

13、 试写出各电路的输出表达式。解：1、电压传输特性、电流传输特性四、CMOS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ABCDEF0UNLUNHU= UDDTUDD（a）电压传输特性12UoUi理想情况下：输出高电平UOHUDD，输出低电平UOL0 输入高电平UIHUDD，输入低电平UIL0高电平噪声容限UNH低电平噪声容限UNL输出状态转换的阀值电压UTUDD 2.输入噪声容限结论：可以通过提高VDD来提高噪声容限提高噪声容限的方法？3.静态输入特性 CMOS门电路的输入阻抗非常大。 优点：几乎不吸收电流。一般

14、来说，高电平输入电流IIH1A，低电平输入电流IIL1A。 缺点：容易接收干扰甚至损坏门电路。 措施：输入级一般都加了保护电路。 根据静态输入特性讨论：CMOS门电路多余引脚的处理 将2输入的CMOS逻辑门转换成CMOS反相器（非门），其中的一个引脚多余，请分析以下4种处理方法是否正确。结论：CMOS门电路多余引脚不能悬空；输入引脚接一电阻到地相当于输入低电平。 ZXZ1KVDDX1KZX悬空ZX(a)(b)(c)(d )灌电流（sinking current）VOL1VDD负载当门电路输出低电平时即开门时 当门电路输出高电平时，即关门时 拉电流（sourcing current）VOH1VD

15、D负载4. 静态输出特性扇出系数因CMOS电路有极高的输入阻抗，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。灌电流工作时：拉电流工作时：五、逻辑门电路使用中的几个实际问题 1. 集成门电路使用注意事项 2. 门电路之间的接口 3. 门电路带其他负载时的接口 4. 抗干扰措施1.集成门电路使用注意事项 (1) TTL门电路使用注意事项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5V0.25

16、V)以内。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。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。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永久损坏。(2) CMOS门电路使用注意事项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。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。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。测试CMOS电路时，如果信号电源和电路供

17、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.门电路之间的接口（1）驱动能力： 驱动门为负载门提供足够大的灌电流和拉电流 驱动门与负载门电流之间的驱动应满足： IOH(max)nIIH(max) ， IOL(max)mIIL(max) （n和m是负载电流的个数）接口电路应考虑的问题（2）电平匹配： 驱动门的输出电压应在负载门所要 求的输入电压范围内。 驱动门与负载门之间的逻辑电平应满足： UOH(min)UIH(min)， UOL(max)UIL(max)。(1)TTL门驱动74HC和74AHC系列图2-40TTL驱动CMOS时的接口a

18、) 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。(3) CMOS门驱动TTL门CMOS驱动TTL门接口电路(4) 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

19、要考虑不同逻辑器件之间的接口问题。将CMOS门电路并联以提高带负载能力通过电流放大器驱动TTL电路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) 加驱动晶体管对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。(1)多余输入端的处理对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13kW）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。4.抗干扰措施(2) 去耦合滤波电容数字电路或系统通常是由多种或多片逻辑芯片构成，由公共的直流电源供电。在电路高低电平状态转换时，产生较大的脉冲电流和尖峰电流，它们流经公共的电源，由于电源有一定的内阻抗，必将在芯片间产生一定的影响，甚至可能导致逻辑错误。采用去耦合滤波电容 在直流电源与地之间接10100F的大电容，滤除电源波动而产生的干扰信号。 对每一个集成芯片的电源与地之间接一个0.1F的电容以滤除开关噪声。各类逻辑门的性能比较