第3章逻辑门电路

3.逻辑门电路3.1MOS逻辑门电路3.2

TTL逻辑门电路（略）*3.3

射极耦合逻辑门电路(自学)*3.4

砷化镓逻辑门电路(自学)3.5

逻辑描述中的几个问题3.6

逻辑门电路使用中的几个实际问题教学基本要求：1、了解半导体器件的开关特性。2、熟练掌握基本逻辑门（与、或、与非、或非、异或门）、三态门、OD门（OC门）和传输门的逻辑功能。3、学会门电路逻辑功能分析方法。4、掌握逻辑门的主要参数及在应用中的接口问题。3.1MOS逻辑门3.1.1

数字集成电路简介3.1.2

逻辑门的一般特性3.1.3

MOS开关及其等效电路3.1.4

CMOS反相器3.1.5

CMOS逻辑门电路3.1.6

CMOS漏极开路门和三态输出门电路3.1.7

CMOS传输门3.1.8

CMOS逻辑门电路的技术参数3.1.1数字集成电路简介概述:TTL电路问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，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。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同可分为两大类：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门，简称MOS门。双极性晶体管逻辑门主要有TTL门(晶体管-晶体管逻辑门)、ECL门(射极耦合逻辑门)和IIL门(集成注入逻辑门)等。单极性MOS门主要有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)和CMOS门(利用PMOS管和NMOS管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补MOS门。1、逻辑门:实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。2、逻辑门电路的分类二极管门电路三极管门电路TTL门电路MOS门电路PMOS门CMOS门逻辑门电路分立门电路集成门电路NMOS门

根据制造工艺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在开关状态。首先介绍晶体管和场效应管的开关特性。然后介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握；而各种门电路的外部特性和应用是要求重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。（1）CMOS集成电路:广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路

4000系列74HC74HCT74VHC74VHCT速度慢与TTL不兼容抗干扰功耗低74LVC74VAUC速度加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低速度两倍于74HC与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低低(超低)电压速度更加快与TTL兼容负载能力强抗干扰功耗低

74系列74LS系列74AS系列

74ALS（2）TTL集成电路:广泛应用于中大规模集成电路3.1.2逻辑门电路的一般特性1.输入和输出的高、低电平2.噪声容限3.传输延迟时间4.功耗5.延时功耗积6.扇入与扇出数正逻辑：高电平表示1，低电平表示0负逻辑：高电平表示0，低电平表示11.输入和输出的高、低电平门电路中以高/低电平表示逻辑状态的1、0。而高/低电平都允许有一定的变化范围。如74HC系列CMOS逻辑电路中，输入电压在3.5V-5.0V范围对应高电平逻辑1，而0V-1.5V范围对应低电平逻辑0。

vO

vI

驱动门G1

负载门G2

1

1

输出高电平的下限值

VOH(min)输入低电平的上限值VIL(max)输入高电平的下限值VIH(min)输出低电平的上限值

VOL(max)输出高电平+VDD

VOH(min)VOL(max)

0

G1门vO范围

vO

输出低电平

输入高电平VIH(min)

VIL(max)

+VDD

0

G2门vI范围

输入低电平

vI

详见教材70页的表3.1.2不同系列的集成电路，输入和输出为逻辑1或0所对应的电压范围也不同。一般厂家在数据手册中都给出如下4种逻辑电平参数：VNH

—当前一级门输出高电平的最小值时允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：VNL—当前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：2.

噪声容限506VNH=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。它表示门电路的抗干扰能力。

1

驱动门

vo

1

负载门

vI

噪声

类型参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或tPHL(ns)782.10.93.传输延迟时间传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，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波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间

tPHL

输出

50%

90%

50%

10%

tPLH

tf

tr

输入

50%

50%

10%

90%

4.功耗静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流ID与电源电压VDD的乘积。5.延时功耗积是速度功耗综合性的指标.延时功耗积，用符号DP表示 扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。如：一个3输入端的与非门，其扇入数NI为3。6.扇入与扇出数动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动态功耗扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。

（a)带拉电流负载当驱动门输出高电平时，将有电流IOH从驱动门拉出而流入负载门。若负载门的个数增加，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的下限值，这就限制了负载门的个数。

高电平扇出数:IOH: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(b)带灌电流负载当驱动门输出低电平时，负载电流IOL流入驱动门，它是负载门输入端电流IIL之和。当负载门的个数增加时，总的灌电流IOL将增加，同时也将引起输出低电压VOL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，驱动门所能驱动同类门的个数为：IOL

：驱动门的输出低电平电流 IIL：负载门输入端电流 一般要计算才能得到扇出数，详见教材74页。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/VTTLCT54/74＋510151501.22.23.5CT54LS/74LS＋57.52150.40.53.5HTL＋158530255077.513ECLCE10K系列－5.2225500.1550.1250.8CE100K系列－4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V＋5455×10－3225×10－32.23.45VDD=15V＋151215×10－3180×10－36.59.015高速CMOS＋581×10－38×10－31.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较3.1.3

MOS开关及其等效电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平:MOS管截止，输出高电平（1）当υI

<VT（2）当υI

>VT（a）N沟道MOS管开关电路（b）N沟道MOS管的输出特性曲线：iD=f(VDS)对应不同的VGS下的一组曲线。Vi=VGs.Vo=VDs漏极d栅极g源极s开启电压（阀值电压）：开始形成沟道时的栅极电压。Vo（Vds）与iD（漏极和源极之间的电流）之间的关系直流负载线：VGS<VT，iD=0,:iD

基本上由VGS决定，与VDS

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。(恒流区)1.MOS管的开关作用故：MOS管D-S间相当于一个由VI（vGS）控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相当于开关“闭合”，输出为低电平。MOS管截止，相当于开关“断开”，输出为高电平。a.当输入为低电平时：b.当输入为高电平时：MOS管输入波形MOS管输出波形2.MOS管的开关特性见右图：由于MOS管的中电容的存在，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。故输出电压的波形与输入端的理想波形已不一样。（上下沿变缓；滞后）1.工作原理N沟道管开启电压VGS(th)N记为VTN;P沟道管开启电压VGS(th)P记为VTP;要求满足VDDVTN+|VTP|;输入低电平为0V；高电平为VDD;（1）输入为低电平0V时；T2截止；T1导通。iD=0，=VDD;（2）输入为高电平VDD时；T1截止；T2导通。iD=0，=0V;结论：输入与输出间是逻辑非关系。3.1.4CMOS反相器104由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路称为互补MOS或CMOS电路。TPTN栅极接在一起漏极接在一起

特点：静态功耗近似为0；电源电压可在很宽的范围内选取。

在正常工作状态，T1与T2轮流导通，即所谓互补状态。

CC4000系列CMOS电路的VDD可在3－18V之间选取。AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0V

0V-10V截止导通10V10V10V

0V导通截止0V若VTN=2V，VTP=-2V，逻辑图逻辑表达式vi(A)0vO(L)1逻辑真值表10有：P沟道MOS管输出特性曲线输入高电平时的工作情况输入低电平时的工作情况TP为负载管时：VTN电压传输特性2.电压传输特性和电流传输特性T2截止，T1导通。T1截止，T2导通总有一只MOS管截止，故iD接近0值总有一个MOS管工作在饱和区，另一个管工作在可变电阻区。故iD较大功耗大阈值电压阈值电压为VDD

的一半，特性对称特点：转折区变化率大，特性更接近理想开关。输入电压为VDD/2时，iD较大，因此不应使其长期工作在CD段。在动态情况下，电路的状态会通过BE段，使动态功耗不为0；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数的主要因素。3.CMOS反相器的工作速度由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间（充电过程）与关闭时间（放电过程）是相等的。平均延迟时间：10ns。

CMOS反相器用于驱动其他MOS器件时，带电容负载。负载电容充电A

BTN1TP1

TN2TP2L00011011截止导通截止导通导通导通导通截止截止导通截止截止截止截止导通导通1110与非门1.CMOS与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&VTN=2VVTP=-2V0V10VN输入的与非门的电路?输入端增加有什么问题?3.1.5CMOS逻辑门204详见教材80页特点：N沟道管串联、P沟道管并联。L=AB或非门2.CMOS或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA

B

TN1TP1TN2TP2L00011011截止导通截止导通导通导通导通截止截止导通截止截止截止截止导通导通1000AB≥10V10VVTN=2VVTP=-2VN输入的或非门的电路的结构?输入端增加有什么问题?特点：N沟道管并联、P沟道管串联。详见教材80页3.异或门电路=A⊙B4.输入保护电路和缓冲电路

CMOS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，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。二极管保护电路静电保护二极管（1）输入端保护电路:(a)0<vI<VDD+vDF(b)vI>

VDD+vDF

二极管导通电压：vDF(c)vI

<

-

vDF

当输入电压不在正常电压范围时,二极管导通，限制了电容两端电压的增加,保护了输入电路。D1、D2截止D1导通,D2截止vG

=

VDD+vDFD2导通,D1截止vG=

-

vDF

RS和MOS管的栅极电容组成积分网络，使输入信号的过冲电压延迟且衰减后到栅极。

D2---分布式二极管(iD大)MOS管的栅极电位（2）CMOS逻辑门的缓冲电路输入、输出端加了反相器作为缓冲电路，所以电路的逻辑功能也发生了变化。或非门增加了缓冲器后的逻辑功能为与非功能。基本逻辑电路输出缓冲电路输入缓冲电路（或非门）1.CMOS漏极开路门（1）CMOS漏极开路门的提出线与是指具有高阻输出的器件（各类门电路），直接连接，自动完成“与”逻辑的功能的连接方式。即“输出短接”。线与在一定情况下会产生低阻通路，大电流有可能导致器件的损毁，并且无法确定输出是高电平还是低电平。这一问题可以采用漏极开路（OD）门来解决。

漏极开路是指CMOS门输出电路只有NMOS管，且其漏极是开路的。

3.1.6CMOS漏极开路（OD）门和三态输出门电路+VDDTN1TN2AB+VDDAB01注：普通CMOS门不能接成“线与”形式。低阻通路（2）漏极开路的与非门电路结构与逻辑符号(c)可以实现“线与”功能;+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABL电路逻辑符号(b)与非逻辑不变漏极开路门输出连接(a)工作时必须外接电源和电阻;漏极开路的符号漏极开路输出(3)上拉电阻对OD门动态性能的影响

Rp的值愈小，负载电容的充电时间常数亦愈小，因而开关速度愈快。但功耗大,且可能使输出电流超过允许的最大值IOL(max）

。电路带电容负载10CL

Rp的值大，可保证输出电流不能超过允许的最大值IOL(max）、功耗小。但负载电容的充电时间常数亦愈大，开关速度因而愈慢。

最不利的情况：只有一个OD门导通，输出为低电平；其他门截止，输出为高电平时，负载电流将全部流向导通的OD门。110为保证低电平输出OD门的输出电流不能超过允许的最大值IOL(max)且VO=VOL(max），RP不能太小（此时RP起限流作用）。(a)当VO=VOL+VDDIILRP&&&&n…&m&…kIIL（total)IOL（max)流过RP的电流（4）上拉电阻的计算506(b)当VO=VOH+VDDRP&&&&n…&m&…111IIH（total)I0Z（total)当所有OD门输出均为高电平时，为使得高电平不低于规定的VOH的最小值，则Rp的选择不能过大。故Rp的最大值Rp(max)：

全部负载门输入高电平时的输入电流总和全部驱动门输出高电平时的漏电流总和实际上，RP的值选在RP(min)和RP(max)之间。若要速度快，选RP接近RP（min)的标准值；若要电路功耗小，则选RP接近RP(max)的标准值。(详见教材86页的例3.1.1）2.三态（TSL）输出门电路利用OD门虽然可以实现线与的功能，但外接电阻的选择要受到一定的限制而不能取的太小，因此影响了工作速度。并且它省去了有源负载，使得带负载能力下降。为保持推拉式输出级的优点，又能作线与连接，人们又开发了三态输出门电路。其输出除了具有一般门的高、低电平两态外，还有高阻抗的第三状态，称为高阻态或禁止态。10011截止导通111高阻

×0输出L输入A使能EN001100截止导通010截止截止X1该电路的逻辑功能：高电平有效的同相逻辑门。除此之外，还有其他形式的电路结构。01

104

普通门的输出只有两种状态——逻辑0和逻辑1，这两种状态都是低阻输出。三态逻辑(TSL)输出门除了具有这两个状态外，还具有高阻输出的第三状态(或称禁止状态)，这时输出端相当于悬空。如下图：或非门3.1.7CMOS传输门(双向模拟开关)1.CMOS传输门电路电路逻辑符号υI

/υOυo/υIC等效电路

CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成（如下图）。由于TN和TP是对称结构的器件，它们的漏极和源极是可互换的，因而传输门的输入和输出端可以互换使用，即为双向器件。栅极控制电压为互补信号DSDS2.CMOS传输门电路的工作原理

设TP:|VTP|=2V，TN:VTN=2VI的变化范围为0V到+5V。

0V+5V0V到+5VTN截止，开关断开，不能转送信号TP截止（1）当c=0，c=1时c=0=0V，c

=1=+5V

C

TP

vO/vI

vI/vO

+5V

0V

TN

C

+5V0VVI在0-+3V的范围内b、VI在VT-VDD范围变化时,即：

VI在+2V-+5V的范围内，TP导通。故：VI在0-VDD（0-+5V）范围内变化时，至少有一只管子是导通的。使VO=VI，这相当于开关接通。TN导通a、VI由0-（VDD-VT）范围变化时，即：(2)当c=VDD，c=0时:例：传输门组成的数据选择器C=0TG1导通,TG2断开

L=XTG2导通,TG1断开

L=YC=13.传输门的应用21CMOS逻辑集成器件发展使它的技术参数从总体上来说已经达到或者超过TTL器件的水平。CMOS器件的功耗低、扇出数大，噪声容限大，静态功耗小，动态功耗随频率的增加而增加。参数系列传输延迟时间tpd/ns(CL=15pF)功耗(mW)延时功耗积(pJ)4000B751(1MHz)10574HC101.5(1MHz)1574HCT131(1MHz)13BiCMOS2.90.0003~7.50.00087~223.1.8CMOS逻辑门电路的技术参数CMOS门电路各系列的性能比较3.2TTL逻辑门（略）3.2.1

BJT的开关特性3.2.2基本BJT反相器的动态特性3.2.3

TTL反相器的基本电路3.2.4

TTL逻辑门电路3.2.5

集电极开路门和三态门3.2.6

BiMOS门电路3.5.1正负逻辑问题3.5逻辑描述中的几个问题3.5.2基本逻辑门的等效符号及其应用3.5.1正负逻辑问题1.正负逻辑的规定

01

10正逻辑负逻辑3.5逻辑描述中的几个问题正逻辑体制:将高电平用逻辑1表示，低电平用逻辑0表示负逻辑体制:将高电平用逻辑0表示，低电平用逻辑1表示

A

B

L

1

1

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

___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A

B

L

L

L

H

L

H

H

H

L

H

H

H

L

采用正逻辑___或非门采用负逻辑与非

或非负逻辑正逻辑2.

正负逻辑等效变换

与

或非

非3.5.2基本逻辑门电路的等效符号及其应用1.基本逻辑门电路的等效符号与非门及其等效符号系统输入信号中，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；高电平有效，输入端不加小圆圈。或非门及其等效符号

2.逻辑门等效符号的应用利用逻辑门等效符号，可实现对逻辑电路进行变换，以简化电路，能减少实现电路的门的种类。

控制电路3.逻辑门等效符号强调低电平有效L=0下图是一个可以控制数据传输的电路。允许信号请求信号输入、输出均为低有效的与门实际是或门的等效符号，在此用等效符号是为了强调低电平有效有效输出信号有效输入信号详见教材110-111页描述。如RE、AL都要求高电平有效，EN高电平有效如RE、AL都要求低电平有效，EN高电平有效如RE、AL都要求高电平有效，EN低电平有效可用或非门实现3.6

逻辑门电路使用中的几个实际问题3.6.1

各种门电路之间的接口问题3.6.2

门电路带负载时的接口问题（1）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，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TTL和CMOS两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：（2）驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流（属于门电路的扇出数问题）。3.6.1各种门电路之间的接口问题1.驱动器件和负载器件连接时要满足的两个条件vOvI驱动门

负载门1

1

VOH(min)vO

VOL(max)

vI

VIH(min)VIL(max)

（1）负载器件所要求的输入电压VOH(min)≥VIH(min)VOL(max)≤VIL(max)灌电流IILIOLIIL拉电流IIHIOHIIH10111…1n个01110…1n个（2）对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流

IOH(max)≥IIH(total)IOL(max)≥IIL(total)（2）驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流。

驱动电路负载电路1）VOH(min)≥VIH(min)2）VOL(max)≤VIL(max)4）IOL(max)≥IIL(total)（1）驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平；

IOH(max)≥IIH(total)3）结论：2.CMOS门驱动TTL门VOH（min)=4.9VVOL(max)=0.1VTTL门（74系列）：VIH(min)=2VVIL(max)=0.8VIOH（max)=-0.51mAIIH（max)=20AVOH(min)≥VIH(min)VOL(max)≤VIL(max)带拉电流负载输出、输入电压带灌电流负载?CMOS门(4000系列）：IOL（max)=0.51mAIIL（max)=-0.4mA，IOH(max)≥IIH(total)例

用一个74HC00与非门电路驱动一个74系列TTL反相器和六个74LS系列逻辑门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？VOH（min)=3.84V，VOL(max)=0.33VIOH（max)=-4mAIOL（max)=4mA74HC00：IIH（max)=0.04mAIIL（max)=1.6mA74系列：VIH（min)=2V，VIL(max)=0.8V&111…CMOS门74系列74LS系列74LS系列IIL（max)=-0.4mA，IIH（max)=0.02mA，VOH(min)≥VIH(min)VOL(max)≤VIL(max)总的输入电流IIL(total)=1.6mA+60.4mA=4mA灌电流情况

拉电流情况

74HC00:IOH(max)=4mA74系列反相器:IIH(max)=0.04mA74LS门：IIH(max)=0.02mA总的输入电流IIH(total)=0.04mA+60.02mA=0.16mA

74HC00:

IOL(max)=4mA74系列反相器:IIL(max)=1.6mA74LS门：IIL(max)=0.4mA故CMOS驱动TTL门电路未过载。但灌电流时刚满足条件，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CMOS门后加一个TTL系列的同相缓冲器（因其IOL(max)比CMOS的IOL(max)

大的多）作驱动器。&111…CMOS门

74系列74LS系列3.TTL门驱动CMOS门(如74HC）204VOH(min)=2.7V

VIH(min)为3.5VTTL（74LS）：CMOS（74HC）：其他参数都能满足，只有VOH(min)≥VIH(min)不满足。为解决该问题，常在TTL输出端与+5V电源之间接一个上拉电阻RP。（

IO

：TTL输出级T3截止管的漏电流）因这两个电流都很小，如RP取值不大，该项可忽略结论：

TTL驱动74HCT系列CMOS时，不需另加接口电路。即常常用74HCT系列器件当接口电路，以省去上拉电阻。1.用门电路直接驱动显示