第-3-章-逻辑门电路讲解课件

第3章逻辑门电路

介绍各种门电路的功能及特点，重点掌握门电路的外部特性即引脚功能及其应用。概述

第3章逻辑门电路

在第一章中，我们已经知道逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。

门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。其主要类型有与门、或门、与非门、或非门、异或门等。

所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。由电子电路实现逻辑运算时，它的输入和输出信号都是用电位（或称电平）的高低表示的。高电平和低电平都不是一个固定的数值，而是有一定的变化范围。门电路的输出状态与赋值对应关系：一般采用正逻辑即高电位对应“1”；低电位对应“0”。1UCC高电平00V低电平利用管子的开关特性能够实现各种门电路。二极管、三极管的开关特性R1.二极管的开关特性导通截止相当于开关断开相当于开关闭合S3V0VSRRD3V0V2.三极管的开关特性饱和截止3V0VuO

0相当于开关断开相当于开关闭合uO

UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V3.1基本逻辑门电路3.1.1二极管“与”门电路1.电路2.工作原理输入A、B、C全为高电平“1”，输出Y为“1”。输入A、B、C不全为“1”，输出Y为“0”。0V0V0V0V0V3V+U12VRDADCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC“与”门逻辑状态表0V3V满足什么逻辑关系？表达式？逻辑符号？“与”想一想：Y=ABC&ABYC3.1.2二极管或门电路

1.电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V00000011101111011001011101011111ABYC“或”门逻辑状态表3V3VU-12VRDADCABYDBC2.工作原理输入A、B、C全为低电平“0”，输出Y为“0”。输入A、B、C有一个为“1”，输出Y为“1”。满足什么逻辑关系？表达式？逻辑符号？“或”想一想：Y=A+B+CABYC>13.1.3三极管“非”门电路+UCC-UBBARKRBRCYT10截止饱和逻辑表达式：Y=A“0”10“1”1.电路“0”“1”AY“非”门逻辑状态表逻辑符号1AY例：根据输入波形画出输出波形ABY1有“0”出“0”，全“1”出“1”有“1”出“1”，全“0”出“0”&ABY1>1ABY2Y2R1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极管与门逻辑式：&ABF逻辑符号：3.1.4“与非”门电路1.体积大、工作不可靠。2.需要不同电源。3.各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点：采用类似的方法还可以构成或非门、异或门等。数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。3.2TTL数字集成逻辑门电路(三极管—三极管逻辑门电路)

TTL门电路是双极型集成电路，与分立元件相比，具有速度快、可靠性高和微型化等优点，目前分立元件电路已被集成电路替代。下面介绍集成“与非”门电路的工作原理、特性和参数。输入级中间级输出级3.2.1TTL“与非”门电路1.电路T5Y

R3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT1E2E3E1B等效电路C多发射极三极管“与”“非”复合管形式T5Y

R3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT1“1”(3.6V)(1)输入全为高电平“1”(3.6V)时2.工作原理4.3VT2、T5饱和导通钳位2.1VE结反偏截止“0”(0.3V)负载电流（灌电流）输入全高“1”,输出为低“0”1VT5YR3R5AB

CR4R2R1T3T4T2+5VT12.工作原理1VT2、T5截止负载电流（拉电流）(2)输入端有任一低电平“0”(0.3V)(0.3V)“1”“0”输入有低“0”输出为高“1”流过E结的电流为正向电流VY

5-0.7-0.7

=3.6V5V有“0”出“1”全“1”出“0”“与非”逻辑关系00010011101111011001011101011110ABYC“与非”门逻辑状态表Y=ABC逻辑表达式：Y&ABC“与非”门3.2.2TTL“与非”门的技术参数(1)电压传输特性：输出电压UO与输入电压Ui的关系。CDE电压传输特性测试电路01231234Ui/VUO/V&+5VUiUoVVABABCDE(2)TTL“与非”门的参数电压传输特性典型值UOH

=3.6V，UOH(min)=2.4V典型值UOL

=

0.3V，UOL(max)=

0.4V输出高电平电压UOH输出低电平电压UOL输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOLUO/V01231234Ui/V（3）噪声容限——门电路抗干扰能力低电平噪声容限电压UNL高电平噪声容限电压UNH噪声容限越大，抗干扰能力越强ABDE（3）噪声容限——门电路抗干扰能力01231234Ui/VUO/V输出低电平,典型值UOL

=

0.3VUOL(max)=

0.4V输入高电平：典型值UIH

=3.6VUIH(min)=2V=UON输出高电平：典型值UOH

=3.6VUOH(min)=2.4V输入低电平,典型值UIL

=

0.3VUIL(max)=

0.8V=UOFF（3）噪声容限——门电路抗干扰能力111输出1输入0输出0输入VoVoVIVIUOH(min)UONVNHVNH=UOH(min)-UON=2.4-2=0.4VUOL(max)UOFFVNLVNL=UOFF-UOL(max)=0.8-0.4=0.4V（4）输入、输出负载特性&&？前后级之间电流的联系分两种情况讨论：

（1）前级输出为高电平时（2）前级输出为低电平时前级输出为高电平时前级后级反偏+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V级间电流：流出前级，记为IOH（拉电流）。拉电流能力：维持UOH时，所允许的最大拉电流值。前级输出为低电平时前级后级R1T1+5V级间电流：流入前级，记为IOL

，约1.4mA。称为灌电流。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1灌电流的计算饱和压降R1T1+5V+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1有关电流的技术参数(5)扇入扇出系数扇入系数Ni：TTL与非门的输入个数扇出系数No：与非门电路输出能驱动同类门的个数。它用以衡量逻辑门的负载能力。

扇出系数根据负载性质不同而不同。IiH1IiH3IOH前级输出为高电平时：+5VR4R2R5T3T4T1前级T1T1IiH2T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为低电平时：与非门的扇出系数一般是10。(6)平均传输延迟时间tpd50%50%tpd1tpd2TTL的tpd约在10ns~40ns，此值愈小愈好。输入波形ui输出波形uO想一想：在三极管构成的非门电路中，如果f=1MHZ,tpd=1µs，原有的逻辑功能还符合吗？3.2.3TTL集电极开路门一、问题的提出标准TTL与非门进行与运算:&ABEF&CD&G1&ABEF&CDG能否“线与”？（OpenCollector)+5VR4R2T3T4T5R3TTL与非门的输出电阻很低。这时，直接线与会使电流i剧烈增加。i

功耗

T4热击穿UOL

与非门2：

不允许直接“线与”与非门1截止与非门2导通UOHUOL与非门1：i+5VR4R2T3T4T5R3问题：TTL与非门能否直接线与？RCUCC集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号应用时输出端要接一上拉负载电阻RC。二、OC门结构特点：RC

和UCC

可以外接。F=ABC“线与”功能分析：&&&UCCF1F2F3F分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。F1、F2、F3全截止，则F=1。输出级RLUCCRLT5T5T5

F=F1F2F33.2.4三态门“0”控制端DET5Y

R3R5AB

R4R2R1T3T4T2+5VT11.工作原理导通1V1V截止截止当控制端为低电平“0”时，输出Y处于开路状态，也称为高阻状态。当控制端为高电平“1”时，实现正常的“与非”逻辑关系Y=A•B“1”控制端DE1.工作原理T5Y

R3R5AB

R4R2R1T3T4T2+5VT1截止&YEBA逻辑符号

0

高阻0

0

1

1

0

1

11

1

0

111

1

10

表示任意态三态输出“与非”状态表ABEY输出高阻功能表2．三态门的主要应用（1）TTL与总线之间接口，实现分时传输总线&A1B1EN1&A2B2EN2&A3B3EN3A1

B1可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。“1”“0”“0”(2)数据的双向传输EN=1，G1工作，G2高阻，Do经G1反相送至总线。EN=0，G2工作，G1高阻，总线数据经G2反相从Di端送出。10D13.5MOS门电路MOS电路的特点：2.是电压控制元件，静态功耗小。3.允许电源电压范围宽（318V）。4.扇出系数大，抗噪声容限大。优点1.工艺简单，集成度高。缺点：工作速度比TTL低。3.5.1MOS管的开关特性1、MOS管的基本开关电路当vI=vGS<VGS(th)时，MOS管工作在截止区,只要RD<<ROFF,v0=VOHVDD.当vI=vGS>VGS(th)时，MOS管处于导通状态,只要RD>>RON,v0=VOL0.2、MOS管的开关等效电路由于MOS管截止时漏极和源级之间的内阻ROFF非常大，所以截止状态下的等效电路可用断开的开关代替。MOS管在导通状态下的内阻RON约在1K以内，而且与VGS的数值有关。所以需画出。(a)截止状态(b)导通状态3.5.2NMOS逻辑电路NMOS“非”门电路(1)原理0UDSID负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”UCCuiuo(2)实际NMOS“非”门电路

gm2>>gm1

T2的导通电阻<<T1的导通电阻“1”导通“0”“0”“1”截止即：T2的导通管压降<<T1的导通管压降+UDDAYT2T1负载管驱动管始终导通2.NMOS“与非”门电路“1”“0”有“0”全“1”3.NMOS“或非”门电路有“1”“0”全“0”“1”Y=ABY=A+B负载管+UDDBYT2T3AT1Y+UDDT3AT1BT2负载管3.5.3CMOS逻辑电路：

(互补对称式MOS)

1.CMOS“非”门电路DSGSDG+UDDAYT1T2PMOS管NMOS管CMOS管负载管驱动管(互补对称管)A=“1”时，T1导通，T2截止，Y=“0”A=“0”时，T1截止，T2导通，Y=“1”Y=A2.CMOS与非门&ABF工作原理+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构00

101

110

111

0ABT1T2T3T4FABT1T2T3T4F

ABF工作原理+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构00

××101

×

×

0

10×

×

0

11××

0

3.CMOS或非门4.CMOS传输门电路：一种控制信号能否通过的电子开关，条件满足，信号传输UDDuiT1T2CCuO控制极控制极（1）电路:栅极接互补的控制信号（2）工作原理设：10V0V可见ui在3~10V连续变化时，至少有一个管子导通，传输门打开，（相当于开关接通）ui可传输到输出端，即uO=ui，所以COMS传输门可以传输模拟信号，也称为模拟开关。导通（3~10V）导通4.CMOS传输门电路UDDuiT1T2CCuO控制极控制极0V10V可见ui在3~10V连续变化时，两管子均截止，传输门关断，（相当于开关断开）ui不能传输到输出端。（3~10V）截止截止结论C=“1”(C=“0”)时传输门开通。C=“0”(C=“1”)时传输门关断。（2）工作原理设：4.CMOS传输门电路TGuiuOCC逻辑符号开关电路TGuiuiCC1“1”开通TGuiuiCC1“0”关断CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。C=0时，TG1导通、TG2截止，uO=uI1；C=1时，TG1截止、TG2导通，uO=uI2。应用举例

TTL集成门电路使用注意事项

(1)电源电压（VCC）应满足在标准值5V±5%的范围内，为防干扰，电源与地之间可接滤波电容。(2)TTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数，负载较大时，宜选用灌电流方式。(3)输出端一般不允许直接接电源或地，也不可并接（特殊电路除外）(4)注意TTL门多余输入端的处理方法。3.6数字集成电路使用中应注意的问题

(a)接电源;(b)通过R

接电源;

与非门、与门与非门多余输入端的三种处理方法如图所示

（c）与使用输入端并联或非门、或门或非门多余输入端的三种处理方法如图所示

(a)接地;(b)通过R

接地;

（c）与使用输入端并联以上分析说明：悬空的输入端相当于接高电平。为了防止干扰，一般将悬空的输入端接高电平。TTL与非门在使用时多余输入端处理：1.接高电平。2.若悬空，UI=“1”。3.输入端