集成逻辑门及其基本应用

集成逻辑门及其基本应用第一页，共四十页，2022年，8月28日一、TTL门电路的主要参数及使用规划

1.TTL与非门电路的主要参数

静态功耗PD

指与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积，即

PD=ICCVCC (2-3-1)式中，ICC为与非门的所有输入端悬空、输出端空载时，电源提供的电流。一般ICC≤10mA，PD≤50mW。第二页，共四十页，2022年，8月28日

输出高电平VOH

指与非门有一个以上的输入端接地时的输出电平值。一般VOH≥3.5V，称为逻辑“1”。输出低电平VOL

指与非门全部输入端为高电平时的输出电平值。一般VOL≤0.4V，称为逻辑“0”。扇出系数NO

为与非门在输出为低电平VOL时，能够驱动同类门的最大数目。测试时，NO可由下式计算：

NO=IOL/IIS (2-3-2)式中，IIS为输入短路电流，是指一个输入端接地、其余输入端悬空、输出端空载时，从接地输入端流出的电流。一般IIS≤1.6mA；IOL为输出端为低电平时允许灌入的最大电流，一般IOL≤16mA。第三页，共四十页，2022年，8月28日

平均传输延迟时间tpd

是表征器件开关速度的参数。当与非门的输入为一方波时，其输出波形的上升沿和下降沿均有一定的延迟时间，设上升沿延迟时间为tPLH，下降沿延迟时间为tPHL，则平均传输延迟时间tpd可用式(2-3-3)表示。tpd的数值很小，一般为几纳秒至几十纳秒。

tpd=(tPLH+tPHL)/2

(2-3-3)

直流噪声容限VNH和VNL

指输入端所允许的输入电压变化的极限范围。输入端为高电平状态时的噪声容限

VNH=VOHmin–VIHmin (2-3-4)

输入端为低电平状态时的噪声容限

VNL=VILmax–VOLmax (2-3-5)

通常VOHmin=2.4V，VIHmin=2.0V，VILmax=0.8V，

VOmax=0.4V，所以VNH和VNL一般约为400mV。

第四页，共四十页，2022年，8月28日2.TTL器件的使用规则

电源电压+VCC

只允许在+5V±10%范围内，超过该范围可能会损坏器件或使逻辑功能混乱。

电源滤波

TTL器件的高速切换，会产生电流跳变，其幅度约4mA~5mA。该电流在公共走线上的压降会引起噪声干扰，因此，要尽量缩短地线以减小干扰。可在电源端并接1个100F的电容作为低频滤波及1个0.01F~0.1F的电容作为高频滤波。输出端的连接

不允许输出端直接接+5V或接地。对于100pF以上的容性负载，应串接几百欧姆的限流电阻，否则会导致器件损坏。除集电极开路(OC)门和三态(TS)门外，其它门电路的输出端不允许并联使用，否则，会引起逻辑混乱或损坏器件。第五页，共四十页，2022年，8月28日

输入端的连接

输入端可以串入1只1k~10k电阻与电源连接或直接接电源电压+VCC来获得高电平输入。直接接地为低电平输入。或门、或非门等TTL电路的多余的输入端不能悬空，只能接地，与门、与非门等TTL电路的多余输入端可以悬空(相当于接高电平)，但因悬空时对地呈现的阻抗很高，容易受到外界干扰，所以可将它们直接接电源电压+VCC或与其它输入端并联使用，以增加电路的可靠性，但与其它输入端并联时，从信号获取的电流将增加。

第六页，共四十页，2022年，8月28日

二、CMOS门电路的主要参数及使用规则

1.CMOS与非门电路的主要参数

电源电压+VDDCMOS门电路的电源电压+VDD的范围较宽，一般在+5V~+15V范围内均可正常工作，并允许波动±10%。静态功耗PDCMOS的PD与工作电源电压+VDD的高低有关，但与TTL器件相比，PD的大小则显得微不足道(约在微瓦量级)。

输出高电平VOH

VOH≥VDD–0.5V为逻辑“1”。

第七页，共四十页，2022年，8月28日

输出低电平VOL

VOL≤VSS+0.5V为逻辑“0”(VSS=0V)。

扇出系数NOCMOS电路具有极高的输入阻抗，极小的输入短路电流IIS，一般IIS≤0.1A。输出端灌入电流IOL比TTL电路的小很多，在+5V电源电压下，一般IOL≤500A。但是，如果以这个电流来驱动同类门电路，其扇出系数将非常大。因此，在工作频率较低时，扇出系数不受限制。但在高频工作时，由于后级门的输入电容成为主要负载，扇出系数将受到限制，一般NO=10~20。平均传输延迟时间tpdCMOS电路的平均传输延迟时间比TTL电路的长得多，通常tpd200ns。第八页，共四十页，2022年，8月28日直流噪声容限VNH和VNLCMOS器件的噪声容限通常以电源电压+VDD的30%来估算，当+VDD=+5V时，VNHVNL=1.5V，可见CMOS器件的噪声容限比TTL电路的要大得多，因此，抗干扰能力也强得多。提高电源电压+VDD是提高CMOS器件抗干扰能力的有效措施。第九页，共四十页，2022年，8月28日2.CMOS器件的使用规则

电源电压

电源电压不能接反，规定+VDD接电源正极，VSS接电源负极(通常接地)。输出端的连接

输出端不允许直接接+VDD或地，除三态门外，不允许两个器件的输出端连接使用。输入端的连接

输入端的信号电压Vi应为VSS≤Vi≤VDD，超出该范围会损坏器件内部的保护二极管或绝缘栅级，可在输入端串接一只限流电阻(10k~100k)。所有多余的输出端不能悬空，应按照逻辑要求直接接+VDD或VSS(地)。工作速度不高时允许输入端并联使用。

第十页，共四十页，2022年，8月28日其它

①测试CMOS电路时，应先加电源电压+VDD，后加输入信号；关机时应先切断输入信号，后断开电源电压+VDD；所有测试仪器的外壳必须良好接地。②CMOS电路具有很高的输入阻抗，易受外界干扰、冲击和出现静态击穿，故应存放在导电容器内；焊接时电烙铁外壳必须接地良好，必要时可以拔下烙铁电源，利用余热焊接。

第十一页，共四十页，2022年，8月28日三、集成逻辑门的基本应用

按照逻辑功能可以将集成逻辑门分为反相器、与非门、集电极开路(简称OC)与非门、或非门、缓冲/驱动器、组合逻辑门及具有三态输出的逻辑门等。

第十二页，共四十页，2022年，8月28日1.门电路构成的时钟源

(a)TTL门电路构成的脉冲时钟源

Ro为门电路内部等效电阻，一般为几百欧姆。输出频率可从几赫兹至几兆赫兹变化，改变电容C实现频率粗调，调节RP实现频率细调。

第十三页，共四十页，2022年，8月28日1D2D3D4D010001111100工作原理：初始态，设1D输入为0，则各D的两端电压如图所示，此时C充电，左端电压达到UOH时，1D输入为1，电容C反向充电，左端电压达到UOL时，1D输入为0，电路工作情况重复。产生方波如上图。第十四页，共四十页，2022年，8月28日

晶体管T接成射极跟随器，可使输出级与前级隔离，电位器电阻RP变化几十千欧也不会影响电路的工作状态。因此，该电路具有输出频率范围宽、输出波形好、带负载能力强的优点。

第十五页，共四十页，2022年，8月28日2.门电路构成的触发器

用门电路可以构成RS触发器、单稳态触发器等，右图为基本RS触发器。

它具有复位(清“0”)和置位(置“1”)的功能，开关S置于1时Q=0，S置于2时Q=1，而且开关S的切换不会引起Q端的抖动，因此，该电路常用作去抖动开关电路。

第十六页，共四十页，2022年，8月28日

右图为由基本RS触发器构成的单稳态触发电路，可用作常明灯的控制电路或报警电路。

工作原理：在触发脉冲没有来到时，R=1，S=0，Q=1，发光二极管D亮，电容Ct经Rt充电，直到S=1。Q仍维持1不变，D始终保持亮，故称常明灯。如果负脉冲来到，R=0，S=1，则D灭,电容Ct放电，直到S=0。当R=1，S=0时，D又恢复亮状态。灯灭的时间t=0.7RtCt。

第十七页，共四十页，2022年，8月28日4.集电极开路(OC)门和三态(TS)门的应用

集电极开路(OC)与非门和三态(TS)输出门都具有“线与”的功能，即它们的输出端可以直接相连。

对于集电极开路的与非门，因其输出端是悬空的，使用时一定要在输出端与电源之间接一电阻RL，其值根据应用条件决定。

第十八页，共四十页，2022年，8月28日

右图为n个OC门“线与”驱动TTL门电路的情况。分析表明，外接电阻RL的最大值RLmax和最小值RLmin的表达式n个OC门线与式中，VOHmin=2.4V，

IOH=100A，IIH=50A

第十九页，共四十页，2022年，8月28日VOLmax=0.4V，

IOL=8mA，IIL=0.4mA，

m为负载门输入端总个数。

用OC与非门实现“与或非”逻辑功能比采用普通与非门要经济得多，

第二十页，共四十页，2022年，8月28日图2.3.5一级OC门代替三级“与非门”

(a)

(b)

(a)三级“与非门”

(b)一级OC门

用一级OC门可代替三级与非门，不仅器件少而且速度大大提高。一般取RLmin＜RL＜RLmax。

第二十一页，共四十页，2022年，8月28日

三态(TS)输出与非门与普通与非门电路不同之处在于多了一个控制端(又称禁止端或使能端EN)，如图所示。当控制端为高电平时，输出端断开，呈现高阻状态，或称“悬挂”。当控制端为低电平时，输出等于输入。将三态缓冲驱动器的输出端直接并联到一条公共总线上，当它们的控制端C轮流为低电平时，可将各组数据轮流地传送到总线上。

三态门用于数据传输

第二十二页，共四十页，2022年，8月28日集成电路定时器555及其基本应用

学习要求

掌握集成电路定时器555构成的单稳态触发器、自激多谐振荡器及施密特触发器的工作原理与应用电路的设计方法。熟练安装与测试各实验电路，独立完成所布置的实验设计与制作任务。

第二十三页，共四十页，2022年，8月28日一、555的内部结构及性能特点

555定时器的电压范围较宽，在+3V~+18V范围内均能正常工作，其输出电压的低电平VoL0，高电平VOH+VCC，可与其它数字集成电路(CMOS、TTL等)兼容，而且其输出电流可达到100mA，能直接驱动继电器。555的输入阻抗极高，输入电流仅为0.1A，用作定时器时，定时时间长而且稳定。555的静态电流较小，一般为80A左右。

第二十四页，共四十页，2022年，8月28日三极管T起开关控制作用

A1为反相比较器

A2为同相比较器

比较器的基准电压由电源电压+VCC及内部电阻的分压比决定

RS触发器具有复位控制功能，可控制T的导通与截止

第二十五页，共四十页，2022年，8月28日二、555组成的基本电路及应用

单稳态触发器及其应用多谐振荡器及其应用

RS触发器和施密特触发器的应用第二十六页，共四十页，2022年，8月28日1.

单稳态触发器及其应用

接通电源设T截止

+VCC通过R向C充电

当vC上升到（2/3）VCC时反相比较器A1翻转,输出低电平

RS触发器复位,输出端vo为“0”

则三极管T导通，C经T迅速放电，输出端为零保持不变

如果负跳变触发脉冲vi由②端输入

当vi下降到VCC/3时同相比较器A2翻转，输出低电平

RS触发器置位,输出端vo为“1”,则三极管T截止

电源+VCC经R再次向C充电,以后重复上述过程

第二十七页，共四十页，2022年，8月28日1.

单稳态触发器及其应用工作波形如图所示,其中,Vi为输入触发脉冲,VC为电容C两端的电压,Vo为输出脉冲,tp为延时脉冲的宽度,分析表明:

tp=RCln31.1RC

触发脉冲的周期T应大于tp才能保证每个负脉冲起作用

第二十八页，共四十页，2022年，8月28日(1)

触摸开关电路

无触发脉冲输入时，555的输出vo为“0”，发光二极管D不亮

当用手触摸金属片M时,相当于②端输入一负脉冲,555的内部比较器A2翻转,使输出vo变为高电平“1”,发光二极管亮,直至电容C上的电压充到VC=2VCC/3为止

C1为高频滤波电容，以保持VCC的基准电压稳定，一般取0.01F

C2用来滤除电源电流跳变引入的高频干扰，一般取0.01F~0.1F

触摸开关电路可以用于触摸报警、触摸报时、触摸控制等。电路输出信号的高低电平与数字逻辑电平兼容

第二十九页，共四十页，2022年，8月28日(2)

分频电路

设输入信号vi为一列脉冲串，第一个负脉冲触发2端后，输出vo变为高电平，电容C开始充电如果RC>>Ti，由于vC未达到VCC，vo将一直保持为高电平，T截止。这段时间内，输入负脉冲不起作用当vC达到2VCC/3时，输出vo很快变为低电平，下一个负脉冲来到，输出又上跳为高电平，电容C又开始充电,如此周而复始输出脉冲的延迟时间tp=1.1RC

输出脉冲的周期To=NTi

分频系数N主要由延迟时间tp决定，由于RC时间常数可以取得很大，故可获得很大的分频系数第三十页，共四十页，2022年，8月28日2.

多谐振荡器及其应用

接通电源，设三极管T截止

+VCC经外接电阻R1、R2向电容C充电当C上的电压vC上升到2VCC/3时，比较器A1翻转输出低电平，RS触发器复位，输出vo为“0”，则三极管T导通C经R2和T放电，当vC下降到VCC/3时，比较器A2翻转输出低电平，RS触发器置位，输出vo变为“1”，T又截止，C又开始充电电容C的放电时间t1与充电时间t2分别为

t1=R2Cln20.7R2C

t2=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C

输出脉冲的频率第三十一页，共四十页，2022年，8月28日(1)

时钟脉冲发生器

555组成的多谐振荡器可以用作各种时钟脉冲发生器，如图所示为脉冲频率可调的矩形脉冲发生器

改变电容C可获得超长时间的低频脉冲

调节电位器RP可得到任意频率的脉冲如秒脉冲，1kHz、10kHz等标准脉冲

由于电容C的充放电回路时间常数不相等，所以所示电路的输出波形为矩形脉冲，矩形脉冲的占空比随频率的变化而变化

第三十二页，共四十页，2022年，8月28日(1)

时钟脉冲发生器占空比可调的时钟脉冲发生器

接入两只二极管D1、D2后，电容C的充放电回路分开放电回路为D2、RB、内部三极管T及电容C，放电时间t10.7RBC

充电回路为RA、D1、C，充电时间t20.7RAC输出脉冲的频率

调节电位器RP可以改变输出脉冲的占空比,但频率不变。如果使RA=RB,则可获得对称方波

第三十三页，共四十页，2022年，8月28日(2)

通断检测器

若探头A、B接通，则电路为一多谐振荡器，输出脉冲经扬声器发声

如果A、B断开，则电路不产生振荡，扬声器无声

声音的高低由R1、R2、C决定。由式(2-5-6)可以计算该电路的工作频率

通断检测器电路的应用十分广泛，如检测电路的通断、水位报警等

第三十四页，共四十页，2022年，8月28日(3)

手控蜂鸣器

该电路可以用作电子门铃、医院病床用呼叫等

电路的振荡是通过控制555的复位端④实现的

按下S，④端接高电平,电路产生振荡输出音频信号，扬声器发声

松开S后，电容C3通过R3放电，直到复位端④变为低电平时电路停振

R3、C3为延时电路，改变它们的值可以改变延迟时间

第三十五页，共四十页，2022年，8月28日3.RS触发器和施密特触发器的应用

基本RS触发器R端为正脉冲触发(S端的电平高于VCC/3)时，当R端电平达到2Vcc/3时555输出为低电平,即vo为“0”,称为复位

当S端为负脉冲触发，(R端的电平高于2VCC/3)S端电平达到Vcc/3时555输出为高电平,即vo为“1”,称为置位

第三十六页，共四十页，2022年，8月28日3.RS触发器和施密特触发器的应用若将R，S相连接，则可构成施密特触发器2VCC/3称为施密特触发器的正向阈值电压,VCC/3称为施密特触发器的负向阈值电压,两者的差值称为滞后电压

正向阈值电压可以通过外加电压进行改变，如图中⑤脚接一可调节的直流