数字电子技术（第五版）课件 2.4 基本逻辑运算-逻辑门电路

数字电子技术（第五版）★课程名称

数字电路与

逻辑设计2024/3/123第二章基本逻辑运算及集成逻辑门2.1基本的逻辑运算2.2常用的复合逻辑2.3正负逻辑2.4集成逻辑门2.1基本的逻辑运算2.2常用的复合逻辑2.3正负逻辑2.4集成逻辑门2024/3/1242.4集成逻辑门电路TTL与非门OC门和三态门MOS集成逻辑门集成逻辑门使用中的实际问题2024/3/125集成电路：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基片上的产品。逻辑集成电路（数字集成电路）：

完成的功能是逻辑功能或数字功能。最简单的数字集成电路——集成逻辑门。DIPBGAQFPSOJSOPLCCUVEPROM集成逻辑门2024/3/126集成逻辑门分类双极性晶体管逻辑门单极性绝缘栅场效应管逻辑门（MOS）：二极管三极管逻辑DTL(Diode-TransistorLogic)晶体管晶体管逻辑TTL(Transistor-TransistorLogic)高阈值逻辑HTL(HighThreshold)射极耦合逻辑ECL(Emitter-CoupledLogic)集成注入逻辑I2L(IntegratedInjectionLogic)P沟道增强型MOS管逻辑门PMOSN沟道增强型MOS管逻辑门NMOSCMOS门

(PMOS和NMOS门构成的互补电路门

(ComplementarySymmetryMOSLogic)组成的有源器件集成逻辑门2024/3/127目前数字系统中普遍使用TTL和CMOS集成电路。TTL集成电路工作速度高、驱动能力强，但功耗大、集成度低；

MOS集成电路集成度高、功耗低。

超大规模集成电路基本上都是MOS集成电路，其缺点是工作速度略低。目前已生产了BiCMOS器件，它由双极型晶体管电路和MOS型集成电路构成，能够充分发挥两种电路的优势，缺点是制造工艺复杂。但是现在采用小尺寸的CMOS电路，速度同样、甚至更快。集成逻辑门集成逻辑门分类2024/3/128小规模集成电路(SSI-SmallScaleIntegration)：

每片组件内包含10~100个元件(或几十个等效门)中规模集成电路(MSI-MediumScaleIntegration)：

每片组件内含100~1000个元件(或上百个等效门)大规模集成电路(LSI-LargeScaleIntegration)：

每片组件内含1000~100000个元件(或几千～几万个等效门)

超大规模集成电路(VLSI-VeryLargeScaleIntegration)：

每片组件内含100000以上个元件(或十万个以上等效门)集成逻辑门分类集成逻辑门2024/3/1292.4.1三极管-三极管逻辑门电路(TTL)一、TTL与非门工作原理输入级输出级中间级实现“与”运算c、e极输出极性相反的电平。用于控制T4、T5的工作状态。实现非运算，T4、T5总一个截至、一个饱和。集成逻辑门2024/3/1210输入全部接高电平

（UIH＝3.6V）3.6V3.6V3.6V2.1V1.4V1.0V0.7V0.3V0.3V(5V)T1：倒置工作二、功能分析(1)T2：饱和T3：导通T4：截止T5：饱和集成逻辑门2024/3/1211输入端有一个或多个接低电平0.3V3.6V3.6V1.0V5.0V3.6V(5V)T1：深饱和T2：截止T3：微饱和T4：导通T5：截止4.3V集成逻辑门二、功能分析(2)2024/3/12122.4.2TTL与非门的特性电压传输特性输入特性输入负载特性输出特性是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线输入电流与输入电压之间的关系曲线输入端通过电阻R接地，T1管的基流流过R产生电压UI，UI与R间的关系是指输出电压跟随输出电流变化的关系曲线集成逻辑门2024/3/1213电压传输特性：是指输出电压跟随输入电压变化的关系曲线，即UO=f(uI)函数关系，它可以用图所示的曲线表示。电压传输特性集成逻辑门2024/3/1214输入特性：是指输入电流与输入电压之间的关系曲线，即II=f(uI)的函数关系。输入特性集成逻辑门典型的输入特性曲线2024/3/1215输入负载特性输入负载特性TTL与非门输入负载TTL与非门输集成逻辑门2024/3/1216输出特性TTL与非门输出低电平的输出特性集成逻辑门2024/3/1217TTL与非门输出高电平时的输出特性集成逻辑门输出特性2024/3/1218输出高电平UOH、输出低电平UOL输入高电平UIH

、输入低电平UIL平均传输延迟时间tpd开门电平UON、关门电平UOFF扇入系数Ni

、扇出系数NO空载功耗(空载导通功耗PON、空载截止功耗POFF)输入短路电流IIS、输入漏电流

IIH噪声容限UNH、UNL最大灌电流IOLmax

、最大拉电流

IOHmax功耗延迟积

M最小负载电阻RLmin2.TTL与非门的参数集成逻辑门2024/3/1219TTL与非门的参数输出高电平UOH：与非门至少一个输入端接低电平时的输出电压。2.4～3.6V，标准值3V。

输出低电平UOL：与非门输入端接高电平时的输出电压。

0～0.5V，标准值0.3V。输入高电平UIH、输入低电平UIL：

一般UIH

＞2V、UIL≤0.8V开门电平UON

：允许输入高电平的最小值。1.4～1.8V。

关门电平UOFF

：允许输入低电平的最大值。0.8～1V。集成逻辑门2024/3/1220TTL与非门的参数扇入系数Ni

：是指门的输入端数。一般≤5，最多不超过8

扇出系数NO：是指一个门能驱动同类型门的个数。

一般≥8。平均传输延迟时间tpd

：当输入端接入信号，到输出端输出信号所需要的时间。

等于：（导通延迟时间＋截止延迟时间）/2。

TTL门典型为3～40ns。集成逻辑门2024/3/12212.4.3集电极开路与非门及三态与非门两个TTL门的输出端不能直接并接在一起。因为当两个门并接时，若一个门输出为高电平，另一个门输出低电平，就会有一个很大的电流从截止门的V4管流到导通门的V5管(见图)。这个电流不仅会使导通门的输出低电平抬高，而且会使它因功耗过大而损坏。集成逻辑门2024/3/1222

集电极开路门和三态门是允许输出端直接并联在一起的两种TTL门，并且用它们还可以构成线与逻辑及线或逻辑。集电极开路与非门（OC）电路常用符号国标符号集成逻辑门2024/3/1223示例线与逻辑电路F=(AB)(CD)集成逻辑门2024/3/1224三态与非门三态逻辑(TSL)输出门除具有两个状态——逻辑0和逻辑1（两种状态都是低阻输出）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。真值表常用符号国标符号集成逻辑门2024/3/1225各种三态逻辑门的符号集成逻辑门2024/3/12262.4.4MOS集成逻辑门电路与双极逻辑电路相比的特点制造工艺简单，集成度和成品率较高，成本较低；工作电源允许变化范围大，功率损耗小；输入阻抗高，一般达500兆欧以上，扇出系数大；与现有的大多数的逻辑电路兼容，只要配备适当的缓冲器即可；抗干扰性能好；集成逻辑门2024/3/1227分类PMOS逻辑电路：工作速度低，采用负电源，不便与TTL电路连接，所以应用受到限制。NMOS逻辑电路：工作速度相对PMOS高，采用正电源，便与TTL电路连接，但对电容性负载的驱动能力弱。适宜做大规模集成电路，不适宜做通用型逻辑集成电路。CMOS逻辑电路：是上面两者构成的互补电路制作的。工作速度高，功耗小，并且采用正电源，便与TTL电路连接。适宜做大规模集成电路，也适宜做通用型逻辑集成电路。MOS逻辑电路的各项指标与TTL门相同，只是数值有所差异。集成逻辑门2024/3/1228TTLECLCMOS每门功耗(mW)12—2250—1000.001—0.01(静态)每门传输延迟时间(ns)10—401—540抗干扰能力中较弱强扇出系数15左右25>50电源电压(V)5-53—15门电路基本形式与非或/或非与非/或非常用集成电路性能比较集成逻辑门2024/3/1229TTL器件型号组成符号及意义第1部分第2部分第3部分第4部分第5部分型号前缀工作温度器件系列品种封装形式符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义CT中国制造54-55oC至+125oC标准阿拉伯数字器件功能W陶瓷扁平H高速B塑封扁平SN美国TEXAS公司740oC至+70oCS肖特基F全密封扁平LS低功耗肖特基D陶瓷双列直插AS先进肖特基P塑料双列直插ALS先进低功耗肖特基J黑陶瓷双列直插FAS快捷先进肖特基集成逻辑门2024/3/1230ECL、CMOS器件型号组成符号及意义第1部分第2部分第3部分第4部分型号前缀器件系列器件品种工作温度范围符号意义符号意义符号意义符号意义CC中国制造的CMOS40阿拉伯数字器件功能C0oC—70oC45E-40oC—85oCCD美国无线电公司产品日本东芝公司产品145系列符号R-55oC—85oCM-55oC—125oCTCCE中国制造的ECL集成逻辑门2024/3/12312.4.5集成逻辑门使用中的实际问题1、多余输入端的处理TTL门：输入端悬空相当于输入高电平。通常不允许悬空。与、与非门：多余输入端可输入高电平。

将其通过电阻（约几千欧）接UCC，

或大于2千欧的电阻接地。或、或非门：多余输入端可输入低电平。

将其通过小于500欧电阻接地或直接接地。与或非门：(1)多余的与门输入端全接低电平；

(2)与门的多余端输入端接高电平。集成逻辑门2024/3/1232MOS门

多余输入端不能悬空，处理方法与TTL门基本相同。

注意：由于输入端是绝缘栅极，通过一个电阻接地时，不论电阻值多大，该输入端都相当于低电平。集成逻辑门1、多余输入端的处理2024/3/12332、接口电路作用（1）通过逻辑电平的转换，把不同逻辑值的电路连接起来；

（2）或用来驱动集成电路本身驱动不了的大电流及大功率负载；

（3）也可用来切断干扰源通道，增强抗干扰能力。TTL—CMOS门的接口：凡是和TTL兼容的CMOS门可以和TTL的输出端连接，不必加外接器件。CMOS—TTL门的接口：要把输出高电平降低到TTL门所允许的范围内，又要对TTL门有足够大的驱动电路。集成逻辑门2024/3/1234例1：分析下面的TTL电路TTL门电路——存在输入短路电流IISR≤500Ω，输入视为“0”。R≥2kΩ，输入