数字电子技术（第4版） 课件 项目2　 使用基本逻辑门电路

第2单元逻辑门电路2.1概述2.3TTL门的输出结构

2.4CMOS集成门电路退出2.5集成门电路的实用知识2.2TTL门电路获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件（二、三极管、场效应管）的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑0和1：电子电路中用高、低电平来表示。高低电平的取值有一定的范围。

逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。基本的常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。2.1概述门电路常用类型：TTL、CMOS2．2．1TTL与非门

2．2TTL门电路一片集成电路内的各个逻辑门互相独立，可以单独使用，但其电源引线（电源正极Ucc和电源负极GND）是共用的。2.2.2TTL门电路电压传输特性测试

电压传输特性是指输入电压从零逐渐增加到高电平时，输出电平随输入电平变化的特性，通常用电压传输特性曲线来表示。2.2.3TTL门电路的主要参数表2.1TTL门电路的工作条件典型值最大值单位VCC供电电压4．7555．25VVIH输入高电平2VVIL输入低电平0.8VIOH高电平输出电流-0.4mAIOL低电平输出电流8mATA正常工作的温度070°C表2.2TTL门电路的电参数信号特性工作状态最小值典型值最大值单位VI输入固定电压VCC取最小值，II＝－18mA－1.5VVOH输出高电压VCC取最小值，IOH取最大值，VIL取最小值2.73.4VVOL输出低电平VCC取最小值，IOL取最大值，VIL取最小值0.350.5VVCC取最小值，IOL＝4mA0.250.4VII最大输入电压情况下的输入电流VCC取最大值，VI＝7V0.1mAIIH高电平输入电流VCC取最大值，VI＝2.7V20μAIIL低电平输入电流VCC取最大值，VI＝0.4V-0.36mAIIOS短路电流VCC取最大值-20-100mAIICCH输出高电平时的供电电流VCC取最大值0.81.6mAIICCL输出低电平时的供电电流VCC取最大值2.44.4mA（2）主要参数

①输出高电平VOH

②输出低电平VOL

③开门电平VON和关门电平VOFF

④噪声容限

典型值为3.6V典型值为0.3V典型值分别为1.5V、1.0V。VNH=VIH-VONVNL=V0FF-VIL⑤输入短路电流IIL和输入漏电流IIH

（2）主要参数

⑥输出电流I0

图2.6拉电流和灌电流⑦扇出系数NO

⑧平均传输延迟时间tpd

⑨功耗

（2）主要参数

NO=IL/IILtpd=(tpHL+tpLH)/22.2.4电路应用

利用74LS00可控制信号传送。

与非门电路选通信号2．2．5TTL与非门的改进系列

数字电路的发展，对集成电路的要求更高。集成电路的改进主要从提高工作速度、降低功耗、增强抗干扰能力等方面进行。常用的三种改进型的TTL与非门的特性2．3TTL门的输出结构

普通的TTL门电路有输出端是不允许直接连接在一起。TTL门电路的输出结构有以下三种：①推拉式结构②集电极开路输出结构即OC门

③三态输出结构

普通TTL与非门禁止输出端直接相连2.3.1集电极开路门

OC门：输出端需要外加上拉电阻然后接外加电源的集电极开路门电路，输出的高电平电压值与外加电源相同。

（2）OC门的主要用途

①线与

此电路通过输出线的相连，就实现了“与逻辑”功能，这称为“线与”。

②电平转移

OC电路的输出经负载电阻RL接向+10V电源电压VCC。这样，当电路输入低电平时输出管截止，输出高电平电压值为10V。

OC实现电平转移③用作驱动电路

OC门通常具有较大电流驱动能力。

OC门用作驱动电路2.3.2三态门(TSL门)结论：电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态。总结

三态门又称为三态输出门，它的输出端有三种状态：①门导通，输出低电平；②门截止，输出高电平；③高阻态，或称禁止态，此时输出端相当于是悬空的，即与内部电路断开。

三态门是在普通门电路的基础上加上控制电路构成的。主要改变的是电路的输出结构，不改变逻辑功能，所以任何逻辑功能门都可以有三态输出的功能。

TSL门的应用：用于控制信号的传输①作多路开关：E=0时，门G1使能，G2禁止，Y=A；E=1时，门G2使能，G1禁止，Y=B。②信号双向传输：E=0时信号向右传送，B=A；E=1时信号向左传送，A=B。③构成数据总线：让各门的控制端轮流处于低电平，总线就会轮流接受各TSL门的输出。控制端EN可作为读/写(RW)选择端。当此端为低电平时，由微处理器向存储器写入信号，数据传送从左往右；当此端为高电平时，微处理器（CPU）从存储器读出数据，数据传送从右往左。

（2）三态门的用途

利用三态门进行数据的双向传送2．4CMOS集成门电路

CMOS集成门电路是互补金属氧化物半导体器件的简称。它是利用栅源之间的电压υGS来控制漏极电流ID的一种器件。它和晶体管一样可以当作开关使用。

2.4.1常用CMOS门电路

CMOS门电路有和TTL相当功能的逻辑门，如：与门、或门、与非门、或非门、与或非门、三态门、异或门、和类似TTL的OC门的OD门（漏极开路的门电路）等，其逻辑符号和表达式与TTL门电路的完全一致。此外，CMOS传输门也是常用的CMOS门电路。

TTL门电路只能用于控制数字信号的传递，而CMOS传输门可用来控制模拟信号的传递。

图2.18CMOS模拟开关的逻辑符号1．模拟开关的种类类别

型号

名称

特点

模拟开关

CD4066四双向模拟开关

四组独立开关，双向传输

多路模拟开关

CD40518选1模拟开关

电平位移，双向传输，地址选择

CD4052双4选1模拟开关

电平位移，双向传输，地址选择

CD4053三路2组双向模拟开关

电平位移，双向传输，地址选择

CD4067单16通道模拟开关

电平位移，双向传输，地址选择

CD4097双8通道电路模拟开关

电平位移，双向传输，地址选择

CD4529双四路或单八路模拟开关

电平位移，双向传输，地址选择

2.模拟开关的应用实例2.4.2CMOS逻辑门电路的主要参数

（1）输出高电平VOH与输出低电平VOL。VOH的理论值为电源电压VDD，VOH（min）=0.9VDD；VOL的理论值为0V，VOL（max）=0.01VDD。（2）阈值电压Vth。阈值电压Vth约为VDD/2。（3）抗干扰容限。CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.50VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。其他CMOS门电路的噪声容限一般也大于0.3VDD，电源电压VDD越大，其抗干扰能力越强。（4）传输延迟与功耗。CMOS电路的功耗很小，但传输延迟较大。74HC高速CMOS系列的工作速度己与TTL系列相当。（5）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。

2.4.2CMOS逻辑门电路的主要参数

2.4.3CMOS集成门电路的应用灯光报警器电路实验2.5集成门电路的实用知识2.5.1常用集成门电路型号系列简介1、TTL门电路型号系列介绍

2.CMOS门电路型号系列介绍

3、74系列的TTL、和4000系列的CMOS门电路输入、输出参数

在该表中CMOS门电路的供电电压采用与TTL门电路相同的供电电压+5V。

2.5.2集成门电路使用注意事项

1、TTL门电路的使用注意事项：

（1）TTL电路的电源正端通常标以“VCC”，负端标以“GND”。电源正常是集成电路门电路能否正常工作的必要条件。

（2）TTL集成电路对电源电压要求比较严格，除了低电压、低功耗系列外，通常只允许在+5V±0.5V的范围内工作。

TTL与非门输入端经电阻接地1、TTL门电路的使用注意事项：

（4）TTL集成电路的输出端不允许直接接地或直接接+5V，否则将导致器件损坏。与非门多余输入端的处理或门、或非门多余输入端的处理（3）TTL门电路的多余输入端处理方法集成电路在使用集成电路时有时可能会出现多余的引脚。多余的引脚处理时主要考虑逻辑关系（1）CMOS电路的电源正端标以“VDD”，负端标以“VSS”。使用时一般将“VSS”接地。（2）由于CMOS通过上千Ω的电阻接地，仍看作低电平输入。（3）CMOS集成电路一定要先加VDD，后加输入信号；先撤去输入信号，后去掉VDD。2、CMOS集成电路的使用注意事顶

（4）CMOS集成电路的输出端不允许直接接VDD或VSS。（5）在储存和运输中，CMOS集成电路应用金属纸（如铝箔）包好，短路集成电路的管脚，装入金属盒内屏蔽。使用时，开封后要马上使用，以免静电击穿集成电路。（6）所有与CMOS电路直接接触的工具，测试设备必须可靠地接地。2、CMOS集成电路的使用注意事顶

2.5.3TTL与CMOS电路的接口技术1.TTL驱动CMOS接口电路的作用是：提高输出高电平。2.CMOS驱动TTLCMOS驱动TTL要解决的问题是增大其驱动电流。为此，可以用专门用于CMOS电路驱动TTL电路的接口电路或用晶体管衔接。

（1）利用独立电流放大器

利用三极管的电流放大作用。（2）利用专用接口电路利用专用电路如六反相缓冲器CC4009、CC4010六同相缓冲器等来直接驱动TTL负载。2.CMOS驱动TTL3、TTL和CMOS驱动外接负载

标准的TTL、CMOS的拉电流、灌电流是比较小的，对一些对电压和电流要求不大的负载，它可以直接相连。对一些需要大电压、大电流的负载，如指示灯、继电器、可控硅等，就必须在负载和集成电路之门增加驱动电路。驱动电路采用OC门或复合门等形式输出，具有很强负载能力。当这些TTL和CMOS要驱动高电压大电流显示屏，继电器、步进电机等，就必须用大功率接口电路。

想一想：在选用集成电路时，主要考虑哪些因素？

本单元学习指导

在门电路中作为开关器件的有二极管、三极管和场效应管。二极管具有单向导电性。当υD〈VTH时，二极管截止，可看作开关断开；当υD〉VTH时，二极管导通，可看作开关接通。三极管是可控的开关器件，利用管子工作于饱和状态和截止状态来对应于开关的接通和断开状态。υBE〈VTH，三极管处于截止状态，相当于开关断开；当IB〉IBS=ICS/β时，三极管进入饱和状态，相当于开关接通。

N沟道增强型MOS管，当υGS>VT时，认为开关闭合；而当υGS<VT，认为开关断开。P沟道增强型MOS管由于υGS、υDS、VT均为负值，导通条件是∣υGS∣>∣VT∣。逻辑门电路可以由分立元件构成，也可以由集成电路电路来实现。常用的集成逻辑门电路有TTL和CMOS两种。

TTL逻辑门电路的基础是TTL与非门。掌握其主要参数是正确使用门电路的基础。

本单元学习指导

本单元学习指导

CMOS集成电路电路使用的是MOS管，由于CMOS电路的最基本的逻辑单元是反相器，它是采用了N沟道管与P沟道管互补式电路，功耗小，集成度又高，其高速CMOS电路，工作速度已可与TTL电路媲美。

普通门电路采用推拉式的输出结构；OC门使用时必须通过上拉电阻外接电源，OC门可实现线与并可提高输出电压；三态门利用控制端可控制门电路处于高阻态或正常传送信号的状态，从而使门电路方便实现与传输总线的相连。

实验二

门电