《电工与电子技术》 课件 贾贵玺 第11、12章 直流稳压电源、数字逻辑基础和门电路

第11章直流稳压电源11.1单相整流电路11.2滤波电路11.3稳压电路直流稳压电源本章学习直流电源的组成，直流、滤波、稳压电路的功能、工作原理和输出波形、电压和电流平均值等参数的计算，元器件的选择等。稳压电路的种类，串联型稳压电路的组成和原理，以及集成稳压器的应用。RL+Uo-+CRVS第11章|

直流稳压电源概述

直流稳压电源的作用就是将电压较高的交流电转换成电子设备需要的低压直流电，其应用极为广泛，包括电子仪器、各种家用电器等，图11-1所示为部分常用的直流电源。图11-1

直流电源的应用a）实验室用直流电源b）开关直流电源c）笔记本电脑电源d）手机充电器a）b）c）d）

直流稳压电源通常由变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四个部分组成，其基本结构和各部分输出的电压波形如图

11-2所示。220V交流降压脉动波直流稳定直流变压器整流电路滤波电路稳压电路图11-2

直流电源的组成第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路11.1单相整流电路11.1.1单相半波整流电路

交流电—大小和方向随时间做周期性变化

直流电—大小和方向不随时间变化。

脉动波—大小随时间变化，方向不变。

利用二极管的单向导电性，将交流电转化脉动波，称为整流。图11-3a为单相半波整流电路，设VD为理想二极管，输入为220V交流电，经过变压器（Tr）降压后为ui，其表达式为：输入电压正半周（

uI>0，上正、下负），VD导通，相当于短路，如图11-3b

所示，产生电流iO，在负载上得到电压

uO输入电压负半周（uI

<0，上负、下正），VD截止，相当于开路，如图11-3c所示，uO

为0V。1.单相半波整流电路VDTrRL+uO-+uI-220V+uD-a）TrRL+uO-+uI-iOVD短路输入正半周b）图11-3

半波整流电路a）实际电路b）输入电压正半周c）输入电压负半周VD开路输入负半周TrRL+uO--uI+c）第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路

2.

波形分析与参数计算

图

11-4a

所示为变压器二次电压，即整流电路输入电压ui波形，幅值为

uI

正半周（0~π），二极管导通（相当于短路），输出电压uO、输出电流iO、二极管端电压uD为分别为

ui

负半周（

π~2π），二极管截止（相当于开路），输出电压uO、输出电流iO、二极管端电压uD为分别为

整流电路的输出电压为单向脉动波，见图

11-4b所示。脉动波又称为“脉动直流电”，即从交流电转换为平滑直流电的中间过渡波形。脉动电压的幅值与输入电压相同，平均值为输出电流的平均值即二极管通过的平均电流（图11-4c）：二极管截止时（图11-4d）所承受的最高反向电压为：图11-4

单相半波整流波形a）输入电压b）输出电压c）输出电流d）二极管反向电压uItπ2π0a）uOtπ2π0b）iOtπ2π0c）uDtπ2π0d）第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路

【例11-1】单相半波整流电路如图11-5所示，已知负载电阻RL=30

，直流电压表V

读数为45V，求：直流电流表A和交流电压表V1的读数。

【例11-2】单相半波整流电路如图11-5所示，如果负载电阻和输出电压与【例11-1】相同，如何选择整流二极管VD？

解：直流电压表V

的读数即输出电压平均值，直流电流表A

的读数即输出电流平均值，交流电压表V1的读数为变压器二次电压有效值，三者关系为：

解：二极管所通过的平均电流即二极管指标之一的“最大整流电流”，根据最大整流电流和最高反向电压选择合适的二极管。VDTrRL+uI-220V+uD-AVV1图11-5

例11-1、例11-2电路第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路11.1.2单相全波整流电路

半波整流电路的缺点：只利用了输入交流电压的一半，不仅电源效率低，输出脉动波的平均值低（仅0.45U），而且输出电压脉动较大。实际应用中多采用全波整流电路，全波直流电路包括单相双半波整流电路和桥式全波整流电路。1.单相双半波整流电路

双半波整流电路如图11-6a所示，可视为上下两个具有公共负载

RL

的单相半波整流电路叠加。Tr为二次侧绕组中心抽头的变压器，得到两个大小相等、极性相同的电压

uI1和

uI2，在输入电压的正、负半周内，分别作用于上、下两个半波整流电路。输入电压正半周，uI1和uI2为上正、下负，VD1导通、VD2截止，产生电流i1流过RL，得到输出电压uO1，见图11-6b所示。输入电压负半周，uI1和uI2为上负、下正，VD2导通、VD1截止，产生电流i2

流过RL，得到输出电压uO2，见图11-6c

所示。VD1导通i1VD2导通i2图11-6

单相双半波整流a）实际电路b）输入电压正半周c）输入电压负半周VD1RL+uI1-+uD1-VD2+uD2-+uI1-Tr220Va）RL+uI1-+uI2-Tr220Vb）RL-uI1+Tr220V-uI2+c）第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路单相双半波整流电路的波形与参数分析

图

11-7a

所示为变压器二次电压uI1和uI2的

波形。

输入电压正半周（0~π），VD1导通，电流iO1在负载上得到电压uO1，VD2端电压uD2为ui2和uO1的叠加，即：

输入电压负半周（π~2π），VD2截止，电流iO2在负载上得到电压uO2，VD1端电压uD1为uI1和uO2的叠加，即：

输出电压、电流及二极管反向电压波形见图

11-7b、c、d所示。

输出电流平均值:

全波整流输出电压平均值为半波整流输出电压平均值的2

倍，即:

因两个二极管轮流导通，各导通半个周期，所以二极管输出电流平均值为IO的一半，即：

这个电路的缺点是：需要中间抽头的变压器，而且二极管承受的最高反向电压过高，是半波整流的两倍，即：uI1、

uI2tπ2π0a）uOt0b）iOt0c）uDt0d）图11-7

单相双半波整流波形a）输入电压b）输出电压c）输出电流d）二极管反向电压第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路2.单相桥式整流电路

图11-8所示电路，四个二极管（VD1~VD4）组成电桥，所以称为桥式整流电路。输入电压正半周，uI

上正、下负，VD1和VD3导通、产生电流iO1流过RL，产生输出电压uO1，

VD2和VD4截止，承受反向电压。其参数为：输入电压负半周，uI

上负、下正，VD2和VD4

导通、VD1和VD3

截止。产生电流iO2流过RL，得到输出电压uO2，见图11-8c所示。

特点：输出电压平均值比较高，二极管承受的最高反向电压为同时避免采用中间抽头的变压器，所以得到广泛的应用。单相桥式整流电路输出电压、电流的波形和参数与单相双半波电路的输出电压、电流完全相同，即VD1RL+

uO

-Tr220V+uI-VD2VD3VD4图11-8

桥式全波直流电路VD1导通RLTr220V+uI-VD3导通+

uO1-输入正半周iO1-

uO1+Tr220V-uI+VD2导通VD4导通RL输入负半周iO2第11章|

直流稳压电源11.1单相整流电路

整流电桥的简化画法及集成化

图11-9a

所示的整流电桥，根据其四个二极管的方向，可以用图11-9b所示的简化画法代替。

【例11-3】单相桥式全波整流电路如图11-11所示，已知负载电阻RL=12

，负载电压UO=18V，交流电压为220V，如何选用二极管和变压器的变比？

解：输入电压正半周，VD1和VD3导通，产生电流i1；输入电压

负半周，VD2和VD4导通，产生电流i2，在负载上得到全波电压，其参数为：

查晶体管手册，可以选择2CZ55B，最大整流电流1A，最高反向工作电压50V

将4

个二极管集成在一个硅片上，只引出两个交流电压输入端和两个直流输出端，即集成化的整流电桥，如图11-10所示，中间为交流输入，两端为直流输出。图11-10

集成整流电桥RL+uO-Tr220V+uI-图11-11

例11-3电路VD4VD1VD2VD3图11-9

整流电桥的简化画法a）整流电桥b）简化画法a）

b）第11章|

直流稳压电源11.2滤波电路11.2.1电容滤波电路

整流电路的输出是单向脉动波，除直流分量外，还包括交流分量。对电子仪器和自动控制设备来说，这样的整流电压不宜用做直流电源，因此，必须在整流电路的输出端加上滤波电路，滤去其中的交流成分，成为平滑的、接近于理想的直流电压，常用的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复合滤波。图11-12为在半波整流路接电容滤波C（电容值较大的电解电容），图11-13为输入和输出电压波形。

rD为二极管导通电阻，阻值很小，所以充电很快；

当uI下降时，二极管截止，电容向负载放电，放电时间常数为当uI

上升时，二极管导通，电容充电，充电时间常数为直到下个周期输入上升再次充电，在C上得到近似直流的电压半波整流滤波电路输出电压平均值为VDTrRL+uO-+uI-220V+uD-+C电容滤波图11-12

半波整流电容滤波uit0a）图11-13

电容滤波波形a）输入电压波形b）输出电压波形uOtπ2π0b）充电放电放电充电第11章|

直流稳压电源11.2滤波电路通过半波和全波整流滤波电路的比较，得出以下结论：

全波整流滤波充电频率更高（半个周期一次），所以电压平均值更高。

放电时间常数越大，波形越平滑，越接近理想直流，一般要求：

RL+uO-Tr380V+uI-图11-14

桥式整流滤波电路+C2rD为两个二极管导通电阻，充电很快；

当ui下降时，电容向负载放电，放电很慢，其时间常数为因为是全波整流，所以半个周期后输入上升再次充电，在C上得到近似直流的电压。见图11-15所示。全波整流滤波电路输出电压平均值为：当ui上升时，两个二极管导通，电容充电，充电时间常数为图11-14为桥式全波整流电路接电容C滤波器。图11-16为不同时间常数下虚拟示波器显示的滤波电路输出波形，当RLC=2.5T

时电压已经比较理想。RLC=1.0TRLC=1.5TRLC=2.5T图11-16

不同时间常数下滤波电路输出波形uo=uCtT/20放电放电放电充电充电充电图11-15

桥式整流滤波电路输出波形T电容滤波第11章|

直流稳压电源11.2滤波电路11.2.2电感滤波电路

电感滤波电路如图11-17所示，即在整流电路与负载电阻之间串联滤波电感

L，由于在电流变化时电感线圈中将产生自感电动势来阻止电流的变化，使电流脉动趋于平缓，起到滤波作用。

电感滤波适用于负载电流较大的场合，缺点是制作复杂、体积大、笨重且存在电磁干扰。11.2.3复合滤波电路

为了满足较高的滤波要求，常釆用电容和电感共同组成的

π型复合滤波电路，其电路形式如图11-18a所示，这种滤波电路适用于负载电流较大、要求输出电压脉动较小的场合。

在负载较轻时，经常釆用电阻替代笨重的电感，构成如图11-178b所示的滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压，但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，故只适用于负载电流较小的场合。电感滤波RL+uO-Tr220V+uI-b）RCRC

复合滤波+C+C图11-18桥式整流复合滤波电路a）LC复合滤波b）RC复合滤波RL+uO-Tr220V+uI-图11-16桥式整流电感滤波电路LRL+uO-Tr220V+uI-a）LCLC复合滤波+C+C第11章|

直流稳压电源11.3.1稳压管稳压电路

11.3稳压电路

交流电经整流、滤波以后得到直流电压，但由于电网电压的不稳定（允许波动10%）及负载的变化，使输出电压不稳定。当输出电压的稳定性不能满足负载要求时，就应该增加稳压电路，保证输出电压基本稳定。

图11-19所示为桥式整流电容滤波稳压管稳压电路，稳压部分工作原理见第8章：8.3.3

稳压管的基本应用【例11-4】图11-19所示电路，要求输出为10V，已知RL=10Ω，试选择稳压管、滤波电容、整流电桥及变压器变比。解：UO=UZ=10V，查手册，可选2CW58，其稳定电压UZ为（9.2~10.5）V滤波电容的选择有两个指标：耐压>2UC=50V，电容值为：要求稳压管稳压电路输入电压为输出电压的（2~3）倍，如果选择2.5倍，则电容电压UC为2.5x10=25VRL+UO-Tr220V/50Hz+uI-图11-19

桥式电容整流滤波稳压管稳压电路+CRVS稳压管稳压电路+UZ-UC第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路11.3.2串联型稳压电路

串联型稳压电路

图11-20所示电路，利用串联在输入和输出之间的晶体管（VT2）作为电压调节器件，所以称为串联型稳压电路，其关系为：

电路分为五个部分：

（1）采样环节：由R1、RP、R2组成，采样电压UF为：

（2）基准环节：稳压管VS的稳定电压，即基准电压UZ

（3）比较放大：晶体管VT2

（4）调整环节：晶体管VT1当输入电压变化、通过输出电压和采样电压的变化，与基准电压比较，通过VT2，调节VT1的UCE1，补偿UI

的变化，保证了输出电压

的基本稳定。

设输入电压因波动而增加，有如下自动稳压过程：图11-20

串联型稳压电路VSR3R1R2RPR4VT1VT2RL第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路

【例11-5】图11-21为串联型稳压电路的采样部分，已知：求：

（1）输出电压的调节范围

（2）输入电压Ui=25V且波动10%，如果要求调整管VT1的

UCE1在5V~20V范围内，通过计算判断是否符合要求？R1R2RP图11-21

采样电路第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路11.3.3集成稳压电路

将串联型稳压电路集成化，即利用半导体集成工艺把全部元件集中制作在一小片硅片上，就构成集成稳压器。集成稳压器又分为固定输出和可调输出两种。

1.三端固定式集成稳压器

常用的三端固定式集成稳压器78XX和79XX系列，其符号和外形见图11-22所示，其中1为输入端、2

为输出端、3

为公共端。

W78XX系列：输出正电压，XX即输出电压值。

如W7805：输出为+

5V

W7812，输出为+12VW79XX系列：输出为负电压，XX即输出电压值。

如W7905，输出为-5V

W7912，输出为-

12VW78XX123123图11-22

三端固定式集成稳压器a）常见外形b）符号a）b）第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路（1）基本应用

图11-23为三端固定式集成稳压器的基本应用，如果要求输出稳定电压为15V，则选择W7815，两端可加小容量电容，其中电容

Ci用于消除输入端引线过长时的电感效应，防止自激振荡的产生，一般在（0.1~1）μF之间；电容

Co用来改善稳压器在负载电流瞬时变动时，引起的输出电压波动，可选择

1μF。

为保证调整晶体管工作在线性区，对输入和输出间电压差（即调整管的UCE1

）有最低和最高的要求，查手册：W7815最高输入电压为35V，输入与输出间最低电压差为2V，一般设为5V。所以，UIMAX=35V，UIMIN=15+2=17V（2）扩大输出的应用

如果要求输出电压超过三端集成稳压器的规定值时，可以通过外接稳压管电路提高输出电压。图11-24所示电路中，输出电压为W7805的输出（5V）与稳压管的稳压值UZ之和，实现输出超过5V的稳定电压。W7815123CiCo+UO-+UI-图11-23

三端固定式集成稳压器的基本应用图11-24

W78XX系列扩大输出电压的应用W7805123CiCo+UO-+UI-即：输入电压UI在17V~35V之间时，W7815

可以保证输出电压稳定在15V左右。第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路（3）输出电压可调的电路图11-25所示电路，运算放大器工作在电压跟随器的状态，所以图11-25W78XX系列实现输出电压可调的电路123Ci+Ui-R1R2RP∞++-W78XX【例11-6】设集成稳压器为W7812，R1=R2=4kΩ、

RP

=2kΩ，则：（4）输出正、负电压的电路图11-26所示电路，将W7812和W7912组合连接，同时得到±12V的输出电压。图11-26

W78XX和W79XX系列实现正、负电压输出的电路W7812W7912220V+ui1-+12V-+-12V-+ui2-++C1C2CoCo输入正半周，ui1上正下负，电流→C1

→W7812→地→返回。输出为+12V；ui2

上正下负，电流→地→C2

→W7912→返回，输出-12V。输入负半周，ui1上负下正，电流→地→C2

→W7912→返回，输出为-12V；ui2也是上负下正，电流→C1

→W7812→地→返回，输出+12V。第11章|

直流稳压电源11.3稳压电路（5）三端可调集成稳压器图11-27为三端可调集成稳压器LM317的符号，除输入、输出端外，公共端为调整端，基本应用电路见图11-28所示。图11-28

LM317的基本应用+UO-C3LM317C2C1VD1VD2RPR1+UI-输入输出调整输出端与调整端间固定参考电压为：调整输出输入图11-27

三端可调式集成稳压器LM317a）符号

b）外形a）

b）LM317输出输入调整其他元件的作用：VD1：

防止出现输入端短路时，C3通过稳压器输入端放电而损坏稳压器；VD2

：防止输出端对地短路时，C2上的电压会通过调整端放电损坏稳压管。C1：消振作用

C2：用来提高纹波抑制比。C3：用来减小容性负载产生的阻尼振荡。第8

章半导体器件本章小结直流稳压电源由变压器、整流、滤波和稳压四部分组成。利用半导体二极管的单向导电性构成整流电路，可以将交流电转换为单向脉动电压，整流电路分为半波整流和全波整流，其输出平均值不同。常用桥式全波整流电路。滤波电路可以滤除整流电路输出的单向脉动电压中的交流分量，使输出接近平滑的直流电。常用的是电容滤波电路，也可以用电感或复合滤波电路。稳压管二极管稳压电路，利用稳压管反向特性调节电流，限流电阻调节电压，保证输出电压基本不变。适用于输出电流较小、输出电压固定、稳压要求不高的场合。

串联型稳压电路由调整管、取样电路、比较放大电路和基准源组成，通过取样电路和基准源的比较、经过放大后控制调整管的电压，即通过负反馈的调节,使输出电压达到基本稳定。适用于输出电流较大,输出电压可以调节,适用于对稳压准确度要求高、对效率要求不高的场合。

稳压器包括三端固定式和三端可调式，是目前最常用的稳压器件。第12章数字逻辑基础和门电路12.1数字电路基础12.2基本逻辑关系及其门电路12.3TTL门电路12.4CMOS门电路12.5逻辑代数基础数字逻辑基础和门电路

数字电路又称逻辑电路，逻辑门电路是最基本的逻辑单元电路。本章首先讨论数字系统中的数值和码值、逻辑代数的基本概念和基本理论；然后介绍各种类型和各种逻辑功能的门电路，从应用的角度介绍逻辑代数的基础知识，运算规则和基本定律，在此基础上学习逻辑函数的基本表示形式及其化简方法。&&&&&第12章|

数字逻辑基础和门电路12.1数字逻辑基础模拟信号与数字信号

模拟信号：随时间连续变化的信号，如正弦波（图12-1a所示），用来模拟各种物理量。如声音信号通过话筒、图像信号通过摄像机均可转换为电信号，可视为模拟信号。

以正弦信号为例，其参数包括有效值、幅值、平均值、周期、初相位、失真度等。12.1.1脉冲信号和数字电路

数字信号：离散的，断续的信号，即脉冲信号，如矩形波（图12-1b

所示），只有高电平和低电平两个状态，在数字逻辑中分别用

1和0

表示。

以矩形脉冲为例，一般高电平（1状态）>3V、低电平（0状态）<0.3V。

数字电路：处理数字信号的电路，其特点是晶体管工作在开关状态（饱和和截止）、利用信号的有无（电平的高低）来表示

1

和

0这样的数字信息

。数字运算采用二进制数，基础是逻辑代数。数字电路的研究包括逻辑分析和逻辑设计。010101图12-1

模拟信号和数字信号a）模拟信号b）数字信号tUOa）tUOb）第12章|

数字逻辑基础和门电路12.1数字逻辑基础

12.1.3数制和码制

数制

数制是进位计数制，数字电路中常用的数制有二进制、十进制、十六进制等。十进制：0~9十个数字，逢十进一。十进制数可以表示为：

其中，i

为各数码的位置，为正负整数，10

i

称为权位，如个、十、百、千、万…

。例如，十进制数2346.78可展开为二进制：0~1两个数字，逢二进一。二进制数可表示为：

二进制数权位为2

i，例如，二进制数1101.01可展开

十六进制：0~9、A、B、C、D、E、F十六个数字符号，其中A~F

代表10~15，逢十六进一，其权位为16i

。

十六进制可表示为：例如，十六进制数56F可展开为第12章|

数字逻辑基础和门电路12.1数字逻辑基础

2.数制之间的相互转换

（1）二进制、十六进制转换为十进制：按权位展开后相加即可。

（2）二进制转换为十六进制

将二进制数每4位分为一组（整数和小数部分分别分组），不足四位的在整数的最高位前和小数最低位后加

0

补足，然后每组用等值的十六进制码替代，即得十六进制数。

【例12-3】将（1011101.101001）2

转换为十六进制。【例12-1】将二进制数1101.01转换为十进制数

解：按权位展开后相加【例12-2】将十六进制数56F

转换为十进制数

解：按权位展开后相加解：将二进制数分组第12章|

数字逻辑基础和门电路12.1数字逻辑基础

（3）十进制转换为二进制

整数部分：

采用“除基取余法”，用目标数制的基数（2）去除十进制数，第一次相除所得余数为二进制数的最低位K0，将所得商再除以2，反复执行上述过程，直到商为

0，所得余数为二进制的最高位Kn-1。小数部分：采用“乘基取整法”，用目标数制的基数（2）去乘十进制数，第一次相乘结果的整数部分为目的数的最高位

Kn-1

，将其小数部分再乘基数依次记下整数部分，反复进行下去，直到小数部分为“0”，或满足要求的精度为止。

【例12-5】将（0.723）10转换为二进制（保留小数点后6位）。

计算过程和结果见右式。【例12-4】将（29）10转换为二进制，计算过程与结果见右式。

第12章|

数字逻辑基础和门电路12.1数字逻辑基础

【例12-6】将十进制数6479.12

转换为

8421码还有一种无权码—余三码，相当于对应的8421码加

3，余3码与十进制数的对应关系见表12-1所示。将十进制数转换为BCD

码，就是将十进制的10

个数，分别用四位二进制表示。应用最广泛的是8421码，是一种有权码，其权位分别,见表12-1所示。【例12-7】将十进制数6479.12转换为余3

码为解：解：3.码制

用二进制表示数字或符号的编码方法称为码制，十进制数不能直接应用于数字电路，用二进制表示十进制的编码方法称为“二-十进制码”，即BCD码。第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.2基本逻辑关系及其门电路12.2.1与逻辑及与门电路

一个事件的有关条件全部具备时，该事件才能发生。称为“与”逻辑关系。图12-2所示电路中，只有两个开关A

与

B

全闭合时，灯（F）才亮，即与逻辑关系，有以下表示方式：

1.逻辑表达式

图12-2中，A、B

为逻辑变量，定义闭合为1、断开为0；F为逻辑函数，定义灯亮为1、灭为0。其逻辑关系称为“与运算”或“逻辑乘”，其逻辑表达式为：2.真值表表示逻辑关系全部变量的组合和对应的函数值的表格，称为真值表。A、B两个变量的取值，应该有22=4种组合，见表12-2所示。3.逻辑符号（逻辑图）

在数字电路中，实现与逻辑运算的电路称“与门”，其逻辑符号如图12-3所示。表12-2

与逻辑真值表&图12-3与门符号AF图12-2

与逻辑电路╳B第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.2

基本逻辑关系及其门电路

图12-4

二极管与门图12-4中，

VDA、VDB

为理想二极管。输入端或高电平（3V），或为低电平（0V）。

如果VA和VB均为3V，两个二极管都导通，输出VF为3V（1状态）；

如果VA和VB中有一个为0V，则二极管一个导通、另一个截止，输出VF为0V（0状态）。如果VA和VB均为为0V，两个二极管都导通，输出VF为0V（0状态）。

结论：只有当所有输入端全为高电平时，输出才为高电平，这是一个两变量的二极管与门电路。【例12-8】图12-5所示三输入与门，输入信号ABC如图12-6所示，对应画出输出信号F

的波形。

解：定义高电平为1、低电平为1，即输入ABC全为高电平时，输出F

才为高电平，否则

F为低电平，F波形见图12-6所示。图12-5三输入与门&tAOtBOtCOtFO图12-6例12-8输入/输出波形1111I000I010I100I1114.二极管与门电路12.2.2或逻辑及或门电路

当一个事件的有关条件至少具备一个时，事件就会发生，称为“或”逻辑关系。图12-7所示电路中，两开关A、B并联，只要开关A

或

B

闭合时，灯（F）就会亮。2.真值表两变量或运算的真值表，见表12-3所示。

1.逻辑表达式

图12-7中电路的逻辑关系称为“或运算”，或“逻辑加”，其逻辑表达式为：3.逻辑符号（逻辑图）

图12-8为或门逻辑符号≥1图12-8

或门符号第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.2基本逻辑关系及其门电路

表12-3

或逻辑真值表图12-7

或逻辑电路╳FAB

第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.2基本逻辑关系及其门电路

图12-9中，

VDA、VDB

为理想二极管。输入端或为高电平（3V），或为低电平（0V）。

如果VA和VB均为3V，两个二极管都导通，输出VF为3V（1状态）；

如果VA和VB中一个3V，另一个为0V，二极管一个导通另一个截止，输出VF为3V（1状态）。如果VA和VB均为为0V，两个二极管都导通，输出VF为0V（0状态）。

结论：至少一个输入端为高电平时，输出就为高电平，这是一个两变量的二极管或门电路。【例12-9】图12-10所示三输入或门，输入电压波形见图12-11所示，对应画出输出端波形。解：三个输入中只要有一个为高电平（1），输出就为高电平（1），即：输出全为低电平（0）时，输出才为低电平（0），否则输出为高电平（1）。图12-10三输入或门≥1图12-9

二极管或门0000tFOtAOtBOtCO图12-11

例12-9输入/输出波形4.二极管或门电路000I011I101I111第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.2基本逻辑关系及其门电路

12.2.3非逻辑及非门电路

所谓“非”即否定。图12-12所示电路中，开关

A

闭合，灯两端短路，灯

F

反而熄灭，开关

A

断开，灯

F

才亮，则

F

与

A

之间为“非”的逻辑关系。╳F图12-12

非逻辑电路“非”逻辑的表达式为“非”逻辑的真值表见表12-4所示。非门的逻辑符号见12-13所示。表12-4非逻辑真值表1图12-13非门符号图12-14

三极管非门图12-14所示为晶体管非门电路，当

A端输入为高电平时（VA=3V），晶体管饱和，若忽略其饱和压降，则有

当

A端输入为低电平时（如VA=0V），－VBB由R1、R2分压，三极管基极为负电位，发射结反偏而截止，故有VA为0V时三极管截止VF为VCCVA为3V时三极管饱和VF为0V结论：相当于反相器，即非门AI第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.2基本逻辑关系及其门电路

12.2.4复合逻辑门电路

与门、或门和非门是三种基本逻辑门，可以组合为多种复合逻辑门。

1.与非门由与门和非门组成，其逻辑图和逻辑符号见图12-15所示，逻辑表达式为：

2.或非门由或门和非门组成，其逻辑图和逻辑符号见图12-16所示，逻辑表达式为：图12-15与非门的组成和逻辑符号a）逻辑图b）逻辑符号&&1a）

b）1≥1≥1图12-16或非门的组成和逻辑符号a）逻辑图b）逻辑符号a）

b）表12-5为与非和或非逻辑的真值表表12-5与非/或非逻辑真值表第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.2基本逻辑关系及其门电路

3.与或非门由与门、或门和非门组成，其逻辑图和逻辑符号见图12-17所示，有ABCD四个变量，24=16种输入变量的组合。其特点是：AB

=11或CD=11时，F=0；其他组合，F=1。真值表见表12-6所示。≥1&

4.异或门所谓“异或”运算，其逻辑功能是：两个输入相同时，输出为0；不同时，输出为1，按此逻辑要求作出真值表，见表12-7所示。表12-7异或逻辑真值表根据逻辑式可画出其逻辑图，图12-18为异或门逻辑符号。或根据真值表写出逻辑式，当A为0、B为1，或A为1、B为0时，F=1，即=1图12-18异或门符号1≥1&&图12-17与或非门的组成和逻辑符号a）逻辑图b）逻辑符号a）

b）逻辑表达式为：表12-6与或非逻辑真值表第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.3TTL

集成门电路12.3.1TTL与非门

图12-19所示电路，VT1为多发射极晶体管，相当于二极管与门。VT3

和VT4

组成复合管，与VT5构成互补对称输出。

当输入端AB全为高电平（3V）时:

当输入端AB不全为高电平（至少一个输入为0V）时结论：其逻辑功能为晶体管与非门（见表12-8），因与门和非门部分均为晶体管，又称为晶体管-晶体管逻辑电路（TTL电路）IC2AB全为1IB2饱和饱和截止截止F=0表12-8TTL与非门状态表截止截止饱和饱和AB不全为1F=1AB图12-19

TTL与非门电路IB1第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.3TTL集成门电路

TTL与非门的电压传输特性

TTL与非门的输出电压uO和输入电压uI关系称为电压传输

特性，其测量电路见图12-20所示，将两个输入端连接，逐渐增加输入电压并测量输出电压，得到输入=输出特性曲线，如图12-21所示。图12-20电压传输特性测量&图12-21

TTL与非门电压传输特性ABCDE主要参数:特性曲线分析：第12章

数字逻辑基础和逻辑门电路

12.3TTL门电路12.3.2集电极开路逻辑门（OC门）

集电极开路的逻辑门是一种特殊的TTL集成门电路。图12-22为集电极开路与非门的电路原理，图12-23为逻辑符号，与普通

TTL

与非门电路的不同，去掉了复合管VT3、VT4，使

VT5的集电极（接输出F）处于开路状态，故称为集电极开路与非门（OC门）。

工作时，需在输出端

F外接负载和电源。线与图12-22

集电极开路与非门电路原理ABF工作时外接电源和负载&图12-23

OC门逻辑符号多个OC门的输出可以通过导线直接相连，相当于与门，称为“线与”，如图12-24

所示。&&&图12-24

OC门的线与电路集电极开路第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.3TTL集成门电路

12.3.3三态输出逻辑门

FAB图12-25

三态输出与非门DEI3UB3三态输出逻辑门：简称三态门，其输出除高电平（1）和低电平（0）外，还有第三种状态—高阻态。图12-25为三态输出与非门的电路原理。

如果VT3

导通，VT4

截止，输出为高电平（F=1）；

如果VT4

导通，VT3

截止，输出为低电平（F=0）

E

=0时，二极管导通，I3=0，UB3=0，VT3和VT4

均截止，称为高阻态。

与普通TTL与非门相比，增加一个使能控制端E，内部通过二极管控制VT3基极。E

=1时，二极管截止，电路相当于普通TTL与非门。1图12-26

三态输出与非门逻辑符号表12-9为三态输出与非门的真值表，图12-26为逻辑符号。

表12-9三态输出与非门功能表第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.3TTL集成门电路

常用的几种三态门

图12-27为三态输出非门，其中使能控制端（E）的○表示低电平有效，即E=1

时高阻，E=0

时正常工作，

图12-27

三态输出非门1图12-28为三态输出缓冲器，使能控制端仍为低电平有效，即E=1

时高阻。E=0

时正常工作，输出与输入相等，即：

1图12-28

三态输出缓冲器【例12-10】分析图12-29逻辑电路的功能解：图中上面的三态缓冲器，使能端0有效；下面的三态缓冲器，使能端1有效。

当E=0时，上面缓冲器工作，下面缓冲器高阻，信号从A

→B当E=1时，下面缓冲器工作，上面缓冲器高阻，信号从B

→A图12-29

例12-10电路（三态收发器）11E=0时B=AE=1时A=B结论：通过E

端控制信号的双向传输，称为三态收发器。

第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.3TTL集成门电路

【例12-11】分析图12-32逻辑电路的功能解：三个三态输出与非门，使能端1

有效，输出共接同一数据总线。

根据E1~E3的不同，有选择的将各路信号通过总线传输，见表12-10所示。

图12-32

例12-11逻辑电路111总线【例12-12】写出图12-33各逻辑门的输出表达式，分析输入悬空端的影响。解：

图a）与非门，一个输入端悬空，相当于1，所以输出为图b）与非门，两个输入端连接，所以输出为图c）与非门，一个悬空端接电源（1），所以输出为图d）或非门，悬空端接地（0），所以输出为表12-10例12-11功能表图12-33例12-12逻辑门&a）&b）&c）≥1d）E1E2E3=010F=A2B2第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.4MOS集成门电路1.CMOS反相器

图12-34所示电路，由两个双极型晶体管（MOS管）组成，其中：

VT1为P

沟道增强型绝缘栅场效应管（PMOS管），开启电压UGS<0；VT2

为N

沟道增强型绝缘栅场效应管（NMOS管），开启电压UGS>0。

PMOS管和NMOS管共同组成驱动管，称为CMOS电路。

输入为高电平（A=

1）时，VT2导通、VT1截止，

输出为低电平（F=0）；

输入为低电平（A=

0）时，VT1导通、VT2

截止，

输出为高电平（F=1）。

即：输出与输入反相，即CMOS反相器，又称CMOS非门。图12-34CMOS非门原理与逻辑符号GSS1第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.4MOS集成门电路

2.CMOS传输门

图12-35a所示电路，VF1为P沟道增强型场效应管（PMOS）；

VF2为N沟道增强型场效应管（NMOS）。两个MOS管参数对称，CL为负载。

两个漏极（D）和两个源极（S）分别连接，作为输入/输出端，分别接A

和B，两个栅极（G极）分别接互补的控制信号，即：当控制信号C

为低电平（0时），VF1和VF2均处于截止状态，相当于开关断开。当控制信号C

为高电平（1时），VF1和VF2均处于饱和导通状态，相当于开关闭合。逻辑信号传输方向为：

结论：这是可控的一个双向开关，又称为传输门（TransmissionGate-TG），即可传递模拟信号，也可传递数字信号。图12-35b为传输门的逻辑符号。图12-35CMOS传输门a)电阻组成b）逻辑符号UI/UOUI/UOb）G1G2CLUI/UOUI/UOABa）

第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.5逻辑代数基础12.5.1逻辑函数及其表示方法

逻辑代数中用字母

A、B、C

…表示逻辑变量，逻辑变量的取值只有逻辑0和逻辑1两种可能，代表着事物对立的两个方面，如灯的点亮和熄灭，开关的接通和断开，电位的高和低，晶体管的饱和和截止等等。逻辑变量函数例如其中结论：

n

个变量，其取值有2n

种组合。第12章|

数字逻辑基础与逻辑门电路12.5逻辑代数基础

【例12-13】图12-36电路，用不同方法表示其逻辑关系。

图12-36

例12-7电路╳F

A

B

C

解：电路中有三个开关作为输入变量（ABC），其取值组合有8个，灯（F）为输出函数

。

（3）逻辑图

根据逻辑式画出逻辑图，见图12-37所示。≥1&&&F111ABC图12-37

例12-13逻辑图（1）真值表

根据电路功能写出真值表，见表12-11所示）

表12-11例12-13真值表逻辑函数是用来描述逻辑电路输出与输入的逻辑关系，逻辑函数可以真值表、逻辑式和逻辑图表示。

（2）逻辑式将真值表