逻辑门电路培训课件

第2章逻辑门电路2.1概述2.2半导体二极管和三极管的开关特性2.3最简单的与、或、非门电路2.4TTL集成逻辑门电路2.5CMOS集成逻辑门电路2.6集成逻辑门的应用2.7本章小结第2章逻辑门电路2.1概述12.1概述主要要求：

了解逻辑门电路的作用和常用类型。

理解高电平信号和低电平信号的含义。

2.1概述主要要求：了解逻辑门电路的作用和常用类型。22.1概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门（DTL、TTL）MOS集成门NMOSPMOSCMOS2.1概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路分立3正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0

在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。2.1概述一、正逻辑与负逻辑正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑02.1概述4VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。

2.1概述二、逻辑电平105V0V0.8V2V高电平下限低电平上限实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件VI控制开关S的断、通情况。2.1概述二、逻辑电平1055逻辑电平高电平UH：输入高电平UIH输出高电平UOH低电平UL：输入低电平UIL输出低电平UOL逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。2.1概述逻辑电平高电平UH：2.1概述6主要要求：

理解二极管、三极管的开关特性。

掌握二极管、三极管开关工作的条件。2.2二极管和三极管的开关特性主要要求：理解二极管、三极管的开关特性。掌握二极管、三极7一、二极管伏安特性2.2半导体二极管和三极管的开关特性门坎电压Uth反向击穿电压二极管的单向导电性：①外加正向电压（>Uth），二极管导通，导通压降约为0.7V；②外加反向电压，二极管截止。uD(V)

iD(mA)

0.7V2.2.1半导体二极管的开关特性一、二极管伏安特性2.2半导体二极管和三极管的开关特性门坎8利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL－－－开关闭合二、二极管开关特性2.2半导体二极管和三极管的开关特性假定：UIH=VCC，UIL=0当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH－－－开关断开利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制92.2半导体二极管和三极管的开关特性一、双极型三极管结构2.2.2双极型三极管的开关特性因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。NPN型PNP型2.2半导体二极管和三极管的开关特性一、双极型三极管结构2102.2半导体二极管和三极管的开关特性二、双极型三极管输入特性双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以b,e间的回路作为输入回路，c,e间的回路作为输出回路。输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。2.2半导体二极管和三极管的开关特性二、双极型三极管输入特11实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。假定：UIH=VCC，UIL=0理解高电平信号和低电平信号的含义。五、漏极开路的CMOS门电路（OD）5CMOS集成门电路ube>uT，ubc<0；解：①G1输出为低电平时，可以驱动N1个同类门；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。理解二极管、三极管的开关特性。④74LS：低功耗肖特基系列；6集成逻辑门的应用2半导体二极管和三极管的开关特性2半导体二极管和三极管的5CMOS集成门电路⑤74AS：先进肖特基系列；三态门的电路结构和逻辑符号（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。3最简单的与、或、非门电路联时的输入噪声容限为：3最简单的与、或、非门电路2.2半导体二极管和三极管的开关特性三、双极型三极管输出特性放大区：发射结正偏，集电结反偏；ube>uT，ubc<0；起放大作用。截止区：发射结、集电极均反偏，ubc<0V，ube<0V；一般地，ube<0.7V时，ib0V，ic0V；即认为三极管截止。饱和区：发射结、集电极均正偏；ube>VT，ubc>VT；深度饱和状态下，饱和压降UCEs约为0.2V。实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电122.2半导体二极管和三极管的开关特性四、双极型三极管开关特性利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作状态。当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH－开关断开假定：UIH=VCC，UIL=0当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL－开关闭合2.2半导体二极管和三极管的开关特性四、双极型三极管开关特13MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。2.2半导体二极管和三极管的开关特性一、MOS管结构2.2.3MOS管的开关特性NMOS管电路符号PMOS管电路符号MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称142.2半导体二极管和三极管的开关特性二、MOS管开关特性NMOS管的基本开关电路当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH－开关断开当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL－开关闭合选择合适的电路参数，则可以保证2.2半导体二极管和三极管的开关特性二、MOS管开关特性N152.3最简单的与、或、非门电路一、二极管与门Y=AB2.3最简单的与、或、非门电路一、二极管与门Y=AB16二、二极管或门Y=A+B2.3最简单的与、或、非门电路二、二极管或门Y=A+B2.3最简单的与、或、非门电路17逻辑门电路培训课件18主要要求：

了解TTL非门的组成和工作原理。了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识。2.4

TTL集成逻辑门

掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性。主要要求：了解TTL非门的组成和工作原理。了19

A

R1

4kW

T1

T2

T4

T5

R4

R3

1KW

130W

+Vcc

R2

1.6KW

Y

D1

D2

输入级中间级输出级2.4TTL集成门电路TTL非门典型电路一、74系列门电路推拉式输出级作用：降低功耗，提高带负载能力AR14kWT1T2T4T5R4R31K20TTL与非门典型电路区别：T1改为多发射极三极管。2.4TTL集成门电路TTL与非门典型电路区别：T1改为多发射极三极管。2.4T21TTL或非门典型电路区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。2.4TTL集成门电路TTL或非门典型电路区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共226集成逻辑门的应用（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。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。二、集成逻辑门电路的选用4mA/20µA＝20④74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列门电路标准规定：（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。或非门、与或非门的处理74LS系列门电路前后级低电平输出电流IOL，max＝8mA如图是用来驱动发光二极管的电路。负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL－开关闭合3最简单的与、或、非门电路放大区：发射结正偏，集电结反偏；如工作频率较高，可选用CT74ALS系列，其工作频率一般可至50MHz。五、漏极开路的CMOS门电路（OD）输出端可以并接，实现“线与”功能；二、74S系列门电路74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBD组合而成。SBD的正向压降约为0.3V，使晶体管不会进入深度饱和，其Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间，提高了开关速度。抗饱和三极管2.4TTL集成门电路6集成逻辑门的应用二、74S系列门电路74S系列23三、TTL系列门电路①74：标准系列；②74H：高速系列；③74S：肖特基系列；④74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗—延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗—延迟积越小，门电路的综合性能就越好。⑤74AS：先进肖特基系列；④74ALS：先进低功耗肖特基系列。2.4TTL集成门电路三、TTL系列门电路①74：标准系列；②74H：高速系列；③24逻辑门电路培训课件25与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门2.4TTL集成门电路与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门2.4TTL26四、TTL门电路的重要参数1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。测试电路电压传输特性低电平输入电压UIL，max＝0.8V高电平输入电压UIH，min＝2V低电平输出电压UOL，max＝0.5V高电平输出电压UOH，min＝2.7V74LS系列门电路标准规定：2.4TTL集成门电路四、TTL门电路的重要参数1.电压传输特性：输出电压跟随输入27实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。2.输入噪声容限

高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH表示：低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示：UNL=UIL,max－UILUNH=UIH－UIH,min2.4TTL集成门电路实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入281输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO输入低电平噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V－0.5V=0.3VUNH=2.7V－2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V2.4TTL集成门电路1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHU293.扇出系数扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流IOH和IOL均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。计算：①输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1；②输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2；③扇出系数＝min（N1，N2）。低电平输入电流IIL，max＝-0.4mA高电平输入电流IIH，max＝20µA低电平输出电流IOL，max＝8mA高电平输出电流IOH，max＝-0.4mA74LS系列门电路标准规定：2.4TTL集成门电路3.扇出系数扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。30例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。解：①G1输出为低电平时，可以驱动N1个同类门；应满足IOL≥N1·|IIL|②G1输出为高电平时，可以驱动N2个同类门；③N＝min（N1,N2）＝20N1

≤

IOL

/|IIL|＝8mA/0.4mA＝20应满足|IOH|≥N2·IIHN2

≤|IOH|/IIH＝0.4mA/20µA＝202.4TTL集成门电路例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类31五、集电极开路的门电路（OC门）Y&AB&CD&Y&AB&CD“线与”推拉式输出级并联1.“线与”的概念2.4TTL集成门电路五、集电极开路的门电路（OC门）Y&AB&CD&Y&AB&32普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路的三极管结构。OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。2.OC门的电路结构和逻辑符号2.4TTL集成门电路普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解333.OC门的“线与”功能2.4TTL集成门电路3.OC门的“线与”功能2.4TTL集成门电路34①当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的UOH，min值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：4.外接上拉电阻RU的计算方法2.4TTL集成门电路①当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证35逻辑门电路培训课件36例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL－开关闭合假定：UIH=VCC，UIL=0（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）ube>uT，ubc<0；74LS系列门电路标准规定：输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min②74HC系列－－高速CMOS系列。N2≤|IOH|/IIH＝0.四、CMOS或非门（P串N并）（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。三态门的电路结构和逻辑符号2半导体二极管和三极管的开关特性高电平输入电流IIH，max＝20µA若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用

TTL电路。3最简单的与、或、非门电路三、集成逻辑门电路应用举例若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用

CMOS电路。高电平输出电压UOH，min＝2.2半导体二极管和三极管的开关特性5.OC门的应用①实现线与。可以简化电路，节省器件。②实现电平转换。如图所示，可使输出高电平变为10V。③用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。2.4TTL集成门电路例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类37六、三态输出门电路（TS门）1.三态门的电路结构和逻辑符号功能表EN=0EN=1Y高阻态输出有三种状态：高电平、低电平、高阻态。控制端或使能端2.4TTL集成门电路六、三态输出门电路（TS门）1.三态门的电路结构和逻辑符号功38高电平有效低电平有效两种控制模式：2.4TTL集成门电路高电平有效低电平有效两种控制模式：2.4TTL集成门电路392.三态门的应用①数据总线结构只要控制各个门的EN端轮流为1，且任何时刻仅有一个为1，就可以实现各个门分时地向总线传输。②实现数据双向传输

EN=1，G1工作，G2高阻，A经G1反相送至总线；EN=0，G1高阻，G2工作，总线数据经G2反相从Y端送出。2.4TTL集成门电路2.三态门的应用①数据总线结构②实现数据双向传输2.4TT40七、TTL门电路多余输入端的处理1.与非门的处理“1”悬空2.或非门、与或非门的处理“0”2.4TTL集成门电路七、TTL门电路多余输入端的处理1.与非门的处理“1”悬空241（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个μW，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。2.5CMOS集成门电路CMOS电路的特点：常用CMOS逻辑门器件系列：①4000系列；②74HC系列－－高速CMOS系列。（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。2.5CMO42一、MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；输入高电平，NMOS管导通。输入低电平，PMOS管导通；输入高电平，PMOS管截止。2.5CMOS集成门电路一、MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；输入低电平43二、CMOS非门2.5CMOS集成门电路二、CMOS非门2.5CMOS集成门电路44CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特性CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性，因而其噪声容限大，抗干扰能力强。2.5CMOS集成门电路CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特性CM45三、CMOS与非门（P并N串）2.5CMOS集成门电路三、CMOS与非门（P并N串）2.5CMOS集成门电路46（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。2二极管和三极管的开关特性负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用

CMOS电路。理解二极管、三极管的开关特性。①4000系列；UNH=UIH－UIH,min（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。如图是用来驱动发光二极管的电路。①利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OC门、OD门和传输门。放大区：发射结正偏，集电结反偏；功耗—延迟积越小，门电路的综合性能就越好。①C＝0、，TN和TP截止，相当于开关断开。3MOS管的开关特性③扇出系数＝min（N1，N2）。（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。三态门的电路结构和逻辑符号门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。6集成逻辑门的应用2半导体二极管和三极管的开关特性六、三态输出门电路（TS门）七、CMOS三态输出门四、CMOS或非门（P串N并）2.5CMOS集成门电路（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。四、CMOS或47特点：需外接上拉电阻。应用：与OC门类似，输出端可以并接，实现“线与”功能；实现电平转换。五、漏极开路的CMOS门电路（OD）2.5CMOS集成门电路特点：需外接上拉电阻。五、漏极开路的CMOS门电路（OD）248六、CMOS传输门和双向模拟开关①C＝0、，TN和TP截止，相当于开关断开。②C＝1、，TN和TP导通，相当于开关接通，uo＝ui。由于T1、T2管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用。2.5CMOS集成门电路六、CMOS传输门和双向模拟开关①C＝0、49七、CMOS三态输出门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。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。②时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。1.CMOS三态门之一2.5CMOS集成门电路七、CMOS三态输出门电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种50①时，TG截止，输出端呈现高阻态。②时，TG导通，。2.CMOS三态门之二2.5CMOS集成门电路①时，TG截止，输出端呈现高阻态512.6集成逻辑门的应用主要要求：

了解TTL和CMOS电路的主要差异。

了解集成门电路的选用和应用。

2.6集成逻辑门的应用主要要求：了解TTL和CM52一、CMOS门电路比TTL的主要特点

功耗极低抗干扰能力强电源电压范围宽输出信号摆幅大(UOH

VDD，UOL0V)

输入阻抗高扇出系数大注意：CMOS电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非CMOS电路的驱动能力比TTL强。实际上CMOS4000系列驱动能力远小于TTL，HCMOS驱动能力与TTL相近。一、CMOS门电路比TTL的主要特点功耗极低抗干53二、集成逻辑门电路的选用

若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用

CMOS电路。其中CMOS4000系列一般用于工作频率1MHz以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS常用于工作频率20MHz以下、要求较强驱动能力的场合。若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用

TTL电路。目前多用74LS系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至20MHz；如工作频率较高，可选用CT74ALS系列，其工作频率一般可至50MHz。二、集成逻辑门电路的选用若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选54三、集成逻辑门电路应用举例

[例]试改正下图电路的错误，使其正常工作。CMOS门TTL门OD门(a)(b)(c)(d)解：VDDCMOS门Ya=ABYb=

A

+

BTTL门OD门Yc=

AYd=ABEN

=

1

时EN

=

0

时VDD三、集成逻辑门电路应用举例[例]试改正下图电路的错误，使55性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。③TTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。了解TTL和CMOS电路的主要差异。放大区：发射结正偏，集电结反偏；74LS系列门电路前后级五、漏极开路的CMOS门电路（OD）性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。HCMOS常用于工作频率20MHz以下、要求较强驱动能力的场合。2半导体二极管和三极管的开关特性2半导体二极管和三极管的开关特性例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。一、MOS管的开关特性（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。双极型集成门（DTL、TTL）当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL－开关闭合高电平输入电压UIH，min＝2V扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。低电平输出电流IOL，max＝8mA应满足IOL≥N1·|IIL|2半导体二极管和三极管的5CMOS集成门电路理解二极管、三极管的开关特性。放大区：发射结正偏，集电结反偏；输入高电平，NMOS管导通。推拉式输出级作用：降低功耗，提高带负载能力注意：CMOS电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非CMOS电路的驱动能力比TTL强。6集成逻辑门的应用六、三态输出门电路（TS门）扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。⑤74AS：先进肖特基系列；若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用

CMOS电路。负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0三态门的电路结构和逻辑符号（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。输出端可以并接，实现“线与”功能；5CMOS集成门电路当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH－开关断开（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。②时，TG导通，。目前多用74LS系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至20MHz；③TTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。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。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。①4000系列；门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。三态门的电路结构和逻辑符号目前多用74LS系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至20MHz；②外加反向电压，二极管截止。扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。⑤74AS：先进肖特基系列；负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0因此，以b,e间的回路作为输入回路，c,e间的回路作为输出回路。输出信号摆幅大(UOHVDD，UOL0V)放大区：发射结正偏，集电结反偏；当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL－开关闭合特点：需外接上拉电阻。性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。①时，TG截止，输出端呈现高阻态。2.7本章小结

①利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OC门、OD门和传输门。②随着集成电路技术的飞速发展，分立元件的数字电路已被集成电路所取代。③TTL电路的优点是开关速度较高，抗干扰能力较强，带负载的能力也比较强，缺点是功耗较大。④CMOS电路具有制造工艺简单、功耗小、输入阻抗高、集成度高、电源电压范围宽等优点，其主要缺点是工作速度稍低，但随着集成工艺的不断改进，CMOS电路的工作速度已有了大幅度的提高。性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。低电56第2章逻辑门电路2.1概述2.2半导体二极管和三极管的开关特性2.3最简单的与、或、非门电路2.4TTL集成逻辑门电路2.5CMOS集成逻辑门电路2.6集成逻辑门的应用2.7本章小结第2章逻辑门电路2.1概述572.1概述主要要求：

了解逻辑门电路的作用和常用类型。

理解高电平信号和低电平信号的含义。

2.1概述主要要求：了解逻辑门电路的作用和常用类型。582.1概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路分立元件门电路集成门电路双极型集成门（DTL、TTL）MOS集成门NMOSPMOSCMOS2.1概述门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。门电路分立59正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑0负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0

在数字系统的逻辑设计中，若采用NPN晶体管和NMOS管，电源电压是正值，一般采用正逻辑。若采用的是PNP管和PMOS管，电源电压为负值，则采用负逻辑比较方便。今后除非特别说明，一律采用正逻辑。2.1概述一、正逻辑与负逻辑正逻辑：用高电平表示逻辑1，用低电平表示逻辑02.1概述60VI控制开关S的断、通情况。S断开，VO为高电平；S接通，VO为低电平。

2.1概述二、逻辑电平105V0V0.8V2V高电平下限低电平上限实际开关为晶体二极管、三极管以及场效应管等电子器件VI控制开关S的断、通情况。2.1概述二、逻辑电平10561逻辑电平高电平UH：输入高电平UIH输出高电平UOH低电平UL：输入低电平UIL输出低电平UOL逻辑“0”和逻辑“1”对应的电压范围宽，因此在数字电路中，对电子元件、器件参数精度的要求及其电源的稳定度的要求比模拟电路要低。2.1概述逻辑电平高电平UH：2.1概述62主要要求：

理解二极管、三极管的开关特性。

掌握二极管、三极管开关工作的条件。2.2二极管和三极管的开关特性主要要求：理解二极管、三极管的开关特性。掌握二极管、三极63一、二极管伏安特性2.2半导体二极管和三极管的开关特性门坎电压Uth反向击穿电压二极管的单向导电性：①外加正向电压（>Uth），二极管导通，导通压降约为0.7V；②外加反向电压，二极管截止。uD(V)

iD(mA)

0.7V2.2.1半导体二极管的开关特性一、二极管伏安特性2.2半导体二极管和三极管的开关特性门坎64利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制的开关。当uI=UIL时，D导通，uO=0.7=UOL－－－开关闭合二、二极管开关特性2.2半导体二极管和三极管的开关特性假定：UIH=VCC，UIL=0当uI=UIH时，D截止，uo=VCC=UOH－－－开关断开利用二极管的单向导电性，相当于一个受外加电压极性控制652.2半导体二极管和三极管的开关特性一、双极型三极管结构2.2.2双极型三极管的开关特性因有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型三极管。NPN型PNP型2.2半导体二极管和三极管的开关特性一、双极型三极管结构2662.2半导体二极管和三极管的开关特性二、双极型三极管输入特性双极型三极管的应用中，通常是通过b,e间的电流iB控制c,e间的电流iC实现其电路功能的。因此，以b,e间的回路作为输入回路，c,e间的回路作为输出回路。输入回路实质是一个PN结，其输入特性基本等同于二极管的伏安特性。2.2半导体二极管和三极管的开关特性二、双极型三极管输入特67实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。假定：UIH=VCC，UIL=0理解高电平信号和低电平信号的含义。五、漏极开路的CMOS门电路（OD）5CMOS集成门电路ube>uT，ubc<0；解：①G1输出为低电平时，可以驱动N1个同类门；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。理解二极管、三极管的开关特性。④74LS：低功耗肖特基系列；6集成逻辑门的应用2半导体二极管和三极管的开关特性2半导体二极管和三极管的5CMOS集成门电路⑤74AS：先进肖特基系列；三态门的电路结构和逻辑符号（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。3最简单的与、或、非门电路联时的输入噪声容限为：3最简单的与、或、非门电路2.2半导体二极管和三极管的开关特性三、双极型三极管输出特性放大区：发射结正偏，集电结反偏；ube>uT，ubc<0；起放大作用。截止区：发射结、集电极均反偏，ubc<0V，ube<0V；一般地，ube<0.7V时，ib0V，ic0V；即认为三极管截止。饱和区：发射结、集电极均正偏；ube>VT，ubc>VT；深度饱和状态下，饱和压降UCEs约为0.2V。实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电682.2半导体二极管和三极管的开关特性四、双极型三极管开关特性利用三极管的饱和与截止两种状态，合理选择电路参数，可产生类似于开关的闭合和断开的效果，用于输出高、低电平，即开关工作状态。当uI=UIL时，三极管截止，uO=Vcc=UOH－开关断开假定：UIH=VCC，UIL=0当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL－开关闭合2.2半导体二极管和三极管的开关特性四、双极型三极管开关特69MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）由于只有多数载流子参与导电，故也称为单极型三极管。2.2半导体二极管和三极管的开关特性一、MOS管结构2.2.3MOS管的开关特性NMOS管电路符号PMOS管电路符号MOS管是金属—氧化物—半导体场效应管的简称702.2半导体二极管和三极管的开关特性二、MOS管开关特性NMOS管的基本开关电路当uI=UIL时，MOS管截止，uO=VDD=UOH－开关断开当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL－开关闭合选择合适的电路参数，则可以保证2.2半导体二极管和三极管的开关特性二、MOS管开关特性N712.3最简单的与、或、非门电路一、二极管与门Y=AB2.3最简单的与、或、非门电路一、二极管与门Y=AB72二、二极管或门Y=A+B2.3最简单的与、或、非门电路二、二极管或门Y=A+B2.3最简单的与、或、非门电路73逻辑门电路培训课件74主要要求：

了解TTL非门的组成和工作原理。了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识。2.4

TTL集成逻辑门

掌握集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性。主要要求：了解TTL非门的组成和工作原理。了75

A

R1

4kW

T1

T2

T4

T5

R4

R3

1KW

130W

+Vcc

R2

1.6KW

Y

D1

D2

输入级中间级输出级2.4TTL集成门电路TTL非门典型电路一、74系列门电路推拉式输出级作用：降低功耗，提高带负载能力AR14kWT1T2T4T5R4R31K76TTL与非门典型电路区别：T1改为多发射极三极管。2.4TTL集成门电路TTL与非门典型电路区别：T1改为多发射极三极管。2.4T77TTL或非门典型电路区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共同的输出级。2.4TTL集成门电路TTL或非门典型电路区别：有各自的输入级和倒相级，并联使用共786集成逻辑门的应用（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。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。二、集成逻辑门电路的选用4mA/20µA＝20④74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列门电路标准规定：（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。或非门、与或非门的处理74LS系列门电路前后级低电平输出电流IOL，max＝8mA如图是用来驱动发光二极管的电路。负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。当uI=UIH时，三极管深度饱和，uo=USEs=UOL－开关闭合3最简单的与、或、非门电路放大区：发射结正偏，集电结反偏；如工作频率较高，可选用CT74ALS系列，其工作频率一般可至50MHz。五、漏极开路的CMOS门电路（OD）输出端可以并接，实现“线与”功能；二、74S系列门电路74S系列又称肖特基系列。采用了抗饱和三极管，或称肖特基晶体管，是由普通的双极型三极管和肖特基势垒二极管SBD组合而成。SBD的正向压降约为0.3V，使晶体管不会进入深度饱和，其Ube限制在0.3V左右，从而缩短存储时间，提高了开关速度。抗饱和三极管2.4TTL集成门电路6集成逻辑门的应用二、74S系列门电路74S系列79三、TTL系列门电路①74：标准系列；②74H：高速系列；③74S：肖特基系列；④74LS：低功耗肖特基系列；74LS系列成为功耗延迟积较小的系列。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。性能比较好的门电路应该是工作速度既快，功耗又小的门电路。因此，通常用功耗和传输延迟时间的乘积(简称功耗—延迟积)来评价门电路性能的优劣。功耗—延迟积越小，门电路的综合性能就越好。⑤74AS：先进肖特基系列；④74ALS：先进低功耗肖特基系列。2.4TTL集成门电路三、TTL系列门电路①74：标准系列；②74H：高速系列；③80逻辑门电路培训课件81与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门2.4TTL集成门电路与门Y=AB=AB或门Y=A+B=A+B异或门2.4TTL82四、TTL门电路的重要参数1.电压传输特性：输出电压跟随输入电压变化的关系曲线。测试电路电压传输特性低电平输入电压UIL，max＝0.8V高电平输入电压UIH，min＝2V低电平输出电压UOL，max＝0.5V高电平输出电压UOH，min＝2.7V74LS系列门电路标准规定：2.4TTL集成门电路四、TTL门电路的重要参数1.电压传输特性：输出电压跟随输入83实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入电平UI偏离规定值。为了保证电路可靠工作，应对干扰的幅度有一定限制，称为噪声容限。2.输入噪声容限

高电平噪声容限是指在保证输出低电平的前提下，允许叠加在输入高电平上的最大噪声电压(负向干扰)，用UNH表示：低电平噪声容限是指在保证输出高电平的前提下，允许叠加在输入低电平上的最大噪声电压(正向干扰)，用UNL表示：UNL=UIL,max－UILUNH=UIH－UIH,min2.4TTL集成门电路实际应用中，由于外界干扰、电源波动等原因，可能使输入841输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHUIL,maxUOL,maxUNL11uIuO输入低电平噪声容限：UNL=UIL,max－UOL,max输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min74LS系列门电路前后级联时的输入噪声容限为：UNL=0.8V－0.5V=0.3VUNH=2.7V－2.0V=0.7V5V2.7V0.5V0V5V2V0.8V0V2.4TTL集成门电路1输出0输出1输入0输入UOH,minUIH,minUNHU853.扇出系数扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。要求：前级门在输出高、低电平时，要满足其输出电流IOH和IOL均大于或等于N个后级门的输入电流的总和。计算：①输出为高电平时，可以驱动同类门的数目N1；②输出为低电平时，可以驱动同类门的数目N2；③扇出系数＝min（N1，N2）。低电平输入电流IIL，max＝-0.4mA高电平输入电流IIH，max＝20µA低电平输出电流IOL，max＝8mA高电平输出电流IOH，max＝-0.4mA74LS系列门电路标准规定：2.4TTL集成门电路3.扇出系数扇出系数N是指门电路能够驱动同类门的数量。86例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。解：①G1输出为低电平时，可以驱动N1个同类门；应满足IOL≥N1·|IIL|②G1输出为高电平时，可以驱动N2个同类门；③N＝min（N1,N2）＝20N1

≤

IOL

/|IIL|＝8mA/0.4mA＝20应满足|IOH|≥N2·IIHN2

≤|IOH|/IIH＝0.4mA/20µA＝202.4TTL集成门电路例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类87五、集电极开路的门电路（OC门）Y&AB&CD&Y&AB&CD“线与”推拉式输出级并联1.“线与”的概念2.4TTL集成门电路五、集电极开路的门电路（OC门）Y&AB&CD&Y&AB&88普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解决这个问题的方法就是把输出极改为集电极开路的三极管结构。OC门电路在工作时需外接上拉电阻和电源。只要电阻的阻值和电源电压的数值选择得当，就可保证输出的高、低电平符合要求，输出三极管的负载电流又不至于过大。2.OC门的电路结构和逻辑符号2.4TTL集成门电路普通的TTL门电路不能将输出端直接并联，进行线与。解893.OC门的“线与”功能2.4TTL集成门电路3.OC门的“线与”功能2.4TTL集成门电路90①当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证输出的高电平不低于规定的UOH，min值，上拉电阻不能过大，其最大值计算公式：4.外接上拉电阻RU的计算方法2.4TTL集成门电路①当n个前级门输出均为高电平，即所有OC门同时截止时，为保证91逻辑门电路培训课件92例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类门电路。当uI=UIH时，MOS管导通，uo=0=UOL－开关闭合假定：UIH=VCC，UIL=0（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor）ube>uT，ubc<0；74LS系列门电路标准规定：输入高电平噪声容限：UNH=UOH,min－UIH,min②74HC系列－－高速CMOS系列。N2≤|IOH|/IIH＝0.四、CMOS或非门（P串N并）（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。三态门的电路结构和逻辑符号2半导体二极管和三极管的开关特性高电平输入电流IIH，max＝20µA若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用

TTL电路。3最简单的与、或、非门电路三、集成逻辑门电路应用举例若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用

CMOS电路。高电平输出电压UOH，min＝2.2半导体二极管和三极管的开关特性5.OC门的应用①实现线与。可以简化电路，节省器件。②实现电平转换。如图所示，可使输出高电平变为10V。③用做驱动器。如图是用来驱动发光二极管的电路。2.4TTL集成门电路例：如图，试计算74LS系列非门电路G1最多可驱动多少个同类93六、三态输出门电路（TS门）1.三态门的电路结构和逻辑符号功能表EN=0EN=1Y高阻态输出有三种状态：高电平、低电平、高阻态。控制端或使能端2.4TTL集成门电路六、三态输出门电路（TS门）1.三态门的电路结构和逻辑符号功94高电平有效低电平有效两种控制模式：2.4TTL集成门电路高电平有效低电平有效两种控制模式：2.4TTL集成门电路952.三态门的应用①数据总线结构只要控制各个门的EN端轮流为1，且任何时刻仅有一个为1，就可以实现各个门分时地向总线传输。②实现数据双向传输

EN=1，G1工作，G2高阻，A经G1反相送至总线；EN=0，G1高阻，G2工作，总线数据经G2反相从Y端送出。2.4TTL集成门电路2.三态门的应用①数据总线结构②实现数据双向传输2.4TT96七、TTL门电路多余输入端的处理1.与非门的处理“1”悬空2.或非门、与或非门的处理“0”2.4TTL集成门电路七、TTL门电路多余输入端的处理1.与非门的处理“1”悬空297（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。（2）CMOS带负载的能力比TTL电路强。（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。（4）CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个μW，中规模集成电路的功耗也不会超过100μW。（5）CMOS集成电路的集成度比TTL电路高。（6）CMOS电路容易受静电感应而击穿，在使用和存放时应注意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应根据需要接地或接高电平。2.5CMOS集成门电路CMOS电路的特点：常用CMOS逻辑门器件系列：①4000系列；②74HC系列－－高速CMOS系列。（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。2.5CMO98一、MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；输入高电平，NMOS管导通。输入低电平，PMOS管导通；输入高电平，PMOS管截止。2.5CMOS集成门电路一、MOS管的开关特性输入低电平，NMOS管截止；输入低电平99二、CMOS非门2.5CMOS集成门电路二、CMOS非门2.5CMOS集成门电路100CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特性CMOS反相器的传输特性接近理想开关特性，因而其噪声容限大，抗干扰能力强。2.5CMOS集成门电路CMOS非门电压传输特性CMOS非门电流传输特性CM101三、CMOS与非门（P并N串）2.5CMOS集成门电路三、CMOS与非门（P并N串）2.5CMOS集成门电路102（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。2二极管和三极管的开关特性负逻辑：用低电平表示逻辑1，用高电平表示逻辑0若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用

CMOS电路。理解二极管、三极管的开关特性。①4000系列；UNH=UIH－UIH,min（3）CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在3～18V，抗干扰能力比TTL电路强。如图是用来驱动发光二极管的电路。①利用半导体器件的开关特性，可以构成与门、或门、非门、与非门、或非门、与或非门、异或门等各种逻辑门电路，也可以构成在电路结构和特性两方面都别具特色的三态门、OC门、OD门和传输门。放大区：发射结正偏，集电结反偏；功耗—延迟积越小，门电路的综合性能就越好。①C＝0、，TN和TP截止，相当于开关断开。3MOS管的开关特性③扇出系数＝min（N1，N2）。（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。三态门的电路结构和逻辑符号门电路是用以实现逻辑关系的电子电路。6集成逻辑门的应用2半导体二极管和三极管的开关特性六、三态输出门电路（TS门）七、CMOS三态输出门四、CMOS或非门（P串N并）2.5CMOS集成门电路（1）CMOS电路的工作速度比TTL电路的低。四、CMOS或103特点：需外接上拉电阻。应用：与OC门类似，输出端可以并接，实现“线与”功能；实现电平转换。五、漏极开路的CMOS门电路（OD）2.5CMOS集成门电路特点：需外接上拉电阻。五、漏极开路的CMOS门电路（OD）2104六、CMOS传输门和双向模拟开关①C＝0、，TN和TP截止，相当于开关断开。②C＝1、，TN和TP导通，相当于开关接通，uo＝ui。由于T1、T2管的结构形式是对称的，即漏极和源极可互易使用，因而CMOS传输门属于双向器件，它的输入端和输出端也可互易使用。2.5CMOS集成门电路六、CMOS传输门和双向模拟开关①C＝0、105七、CMOS三态输出门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。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。②时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。1.CMOS三态门之一2.5CMOS集成门电路七、CMOS三态输出门电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种106①时，TG截止，输出端呈现高阻态。②时，TG导通，。2.CMOS三态门之二2.5CMOS集成门电路①时，TG截止，输出端呈现高阻态1072.6集成逻辑门的应用主要要求：

了解TTL和CMOS电路的主要差异。

了解集成门电路的选用和应用。

2.6集成逻辑门的应用主要要求：了解TTL和CM108一、CMOS门电路比TTL的主要特点

功耗极低抗干扰能力强电源电压范围宽输出信号摆幅大(UOH

VDD，UOL0V)

输入阻抗高扇出系数大注意：CMOS电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非CMOS电路的驱动能力比TTL强。实际上CMOS4000系列驱