电子技术主讲教师 傅颖

电子技术主讲教师：傅颖项目九逻辑门电路2.分立元件门电路1.1电子开关特性1.2常用逻辑门理想开关的开关特性：静态特性：理想开关断开时，无论UAK在多大范围内变化，其等效电ROFF=∞，通过理想开关S的电流IOFF=0。理想开关闭合时，无论流通其中的电流在多大范围内变化，其等效电阻RON=0，电压UAK=0。动态特性：开通时间tON=0，即理想开关S由断开状态转换到闭合状态不需要时间，可以瞬间完成。关断时间tOFF=0，即理想开关S由闭合状态转换到断开状态也不需要时间，可以瞬间完成。理想开关S显然在客观世界中不存在。常见的机械开关、继电器、接触器等，在一定电压和电流的范围内，静态特性与理想开关十分接近，但动态特性较差，根本满足不了数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。而由二极管、三极管构成的电子开关，其静态特性不如机械开关，但它们的动态特性却是机械开关无法比拟的，因此广泛应用于数字电路中。1.1

电子开关特性ASK理想开关IOFF=0UAK+-IONUAK=0+-ASK理想开关tON=0tOFF=0半导体二极管的开关特性利用二极管“正向导通、反向阻断”的单向导电性，在数字电路中常用做电子开关使用。电子开关的“通”态用数字“1”表示，“断”态用数字“0”表示。显然，电子开关的通、断状态在数字电路中属于二值的逻辑变量。（1）正向特性当电路的输入电压为低电平，且VCC-ui大于二极管的导通压降UT时，二极管正向导通。由于二极管导通时正向电阻很小，因此正向电流急剧增长，此时的VD相当于具有压降UT的闭合电子开关。（2）反向特性当二极管开关电路的输入电压为高电平，即VCC-ui<UT时，二极管反向偏置呈截止状态。截止状态下二极管呈现很大的电阻，电流基本不能通过约等于0，此时二极管相当一个断开的电子开关。工程实际中，通常在二极管开关电路中串接一只限电阻R，以防止电流突然增大时造成二极管烧坏。二极管开关电路二极管开关电路1.1

电子开关特性半导体二极管的动态特性动态特性，指二极管在导通与截止两种状态转换过程中的特性。二极管正偏导通时呈现的电阻很小，正向导通电流几乎立即达到最大值。因此正向导通时间一般可忽略不计。二极管从正向导通到反向截止所需要的时间称为反向恢复时间。当二极管突然由正向偏置变为反向偏置时，开始时空间电荷区依然很窄，二极管电阻仍很小，所以反向电流很大，经过一定的时间tS后，PN结两侧存储的载流子显著减少，空间电荷区逐渐变宽，反向电流慢慢减小至反向饱和电流时，二极管截止。二极管两端脉冲电压0ut0it

开通时间极短！动态波形tS1.1

电子开关特性开关时间开通时间和反向恢复时间二者之和称为二极管的开关时间。因反向恢复时间远大于正向导通所需要的时间，故在开关二极管的使用参数上往往只给出反向恢复时间来作为二极管的开关时间。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。但是在实际应用中，开关二极管的开关速度是相当快的，硅开关二极管的反向恢复时间只有几纳秒，即使是锗开关二极管，也不过几百纳秒。0ut0it开关时间tS1.1

电子开关特性静态特性模拟电路中，晶体管是放大电路的核心元件必须工作在放大区；数字电路中，晶体管作为开关元件则主要工作在饱和区和截止区：晶体管处于饱和状态时，相当于一个闭合的电子开关，晶体管工作在截止状态时，相当于一个断开的电子开关。当输入电压为高电平3V时，晶体管饱和导通，饱和状态下晶体管的输出电压uCE≤0.3V，即电源VCC供出的+5V电压几乎全部加在小灯泡RC两端，小灯泡点亮。此时，晶体管相当于一个闭合的电子开关，其等效电路如图（b）所示。当输入电压为低电平0V时，晶体管截止，截止状态下由于晶体管无传输和放大，因此小灯泡不亮，晶体管的输出电压uCE=+5V。此时，晶体管相当于一个断开的电子开关，其等效电路如图（c）所示。1.1

电子开关特性动态特性接通时间tON是指从ui上升沿开始至ic上升到0.9ICmax时所经历的时间。关断时间tOFF是从输入电压ui的下降跳变沿至ic下降到0.1Icmax时所经历的时间。接通时间和关断时间合称三极管的开关时间。三极管的开关时间长短，决定了三极管的开关速度。tui

0tic03Vt1t2tONtOFFICmax1.1

电子开关特性逻辑门由开关元件构成的逻辑电路，工作时状态像门一样按照一定条件和规律打开或关闭，被称为逻辑门。逻辑门开—允许信号通过；逻辑门关——信号被阻断。逻辑门是构成组合逻辑电路的基本单元，在数字电路中应用十分广泛。与门结构由二极管、电阻构成的逻辑电路，工作时按照一定条件和规律实现与逻辑功能的电路称为与门。分析与门电路的工作原理时，电路中的二极管均视为理想二极管：即二极管正向导通时相当一个0值电阻，二极管截止时相当一个∞电阻。1.2常用逻辑门VD1VD2＋VCCRVD3ABCF工作原理①与门输入至少有一个为低电平0时；与门电路实现了输入有0，输出为0的与逻辑功能。②与门输入全部为高电平3V时：与门电路实现了输入全1，输出为1的与逻辑功能。VD1VD2＋VCCRVD3ABCF0V3V0V3V3V0V反偏截止！3V3V与门电路图符号

&1.2常用逻辑门或门结构由二极管和电阻构成的、具有“有1出1，全0出0”或逻辑功能的电路称为或门。或门电路的输入至少是两个，输出为一个。为方便于或门工作过程的分析，电路中的二极管均按理想二极管处理：导通时电阻为0值，截止时电阻为∞。ABF－VCC1.2常用逻辑门工作原理①或门输入只要有一个为高电平1时；或门电路可实现输入有1，输出为1的或逻辑功能。②或门输入全部为低电平0时：或门电路可实现输入全0，输出为0的或逻辑功能。或门电路图符号

≥1AVD2B－VCCRF3V0V3V反偏截止！0V0V0VVD11.2常用逻辑门非门结构由三极管、电阻构成的逻辑电路，工作时按照一定条件和规律实现非逻辑功能的电路。非门中的三极管，工作状态只有导通和截止，当三极管导通时，非门打开信号通过，当三极管截止时，非门关断→信号不能通过。非门电路的三极管可以是双极型晶体管，也可以是MOS管。VTRC-VBB+VCCRB1RB21.2常用逻辑门工作原理①非门输入为高电平时：非门电路实现了输入为1，输出为0的非逻辑功能。②非门输入为低电平0V时：非门电路实现了输入为0，输出为1的非逻辑功能。AF3V0V截止！0V非门电路图符号VTRC-VBB+VCCRB1RB2饱和导通ICS

1IC=0≈VCC1.2常用逻辑门复合逻辑门与门和非门可构成“与非”门。“与非”门是“与”门的非，因此：有0出1；全1出0。“或非”门是“或”门的非，因此：有1出0；全0出1。F

&AB

1F与门非门F

&AB与非门图符号F

≥1AB

1F或门和非门可构成“或非”门或门非门F

≥1AB或非门图符号1.2常用逻辑门复合逻辑门两个与门和或门、非门可构成“与或非”门。“与或非”门的逻辑函数表达式为：与或非门图符号

&AB

1F与门或门

&CD与门

≥1非门F

&AB

&CD

≥11.2常用逻辑门复合逻辑运算——异或逻辑当决定某事件的两个条件一个具备、另一个不具备时，结果就会发生，两个条件都具备或都不具备时，结果不会发生，这种因果关系叫做异或逻辑。由“异或”逻辑真值表可看出，异或逻辑功能可描述为：相同出0，相异出1。“异或”逻辑电路异或逻辑真值表ABF000011101110+－USR0FAB1.2常用逻辑门当决定某事件的两个条件全都具备或全都不具备时，结果就会发生，两个条件只有1个具备时，结果不会发生，这种因果关系叫做同或逻辑。由“同或”逻辑真值表可看出，同或逻辑功能可描述为：相同出1，相异出0。显然，同或是异或的非。用逻辑函数式表示这种关系：“同或”逻辑电路同或逻辑真值表ABF001010100111+－USR0FAB1.2常用逻辑门复合逻辑门异或门的功能用逻辑函数表示为：同或门的功能用逻辑函数表示为：F

=1AB异或门的图符号F

=1AB同或门的图符号1.2常用逻辑门思考题132分立元件构成的基本逻辑门中，与门电路和或门电路突出的不同点是哪些？原理分析的方法相同吗？三种基本的逻辑门有哪些？试述它们的逻辑功能。复合门的逻辑功能有哪些？双极型晶体管构成的反相器电路可作为非门使用，MOS管反相器能否做为非门？1.2常用逻辑门集成逻辑门集成电路简称IC。常见的数字集成电路为图示双列直插式芯片。集成芯片就象确定了输入和输出的“黑盒子”，其内部可能是非常复杂的电路。但对使用者而言，只要掌握查阅器件资料的方法，了解其逻辑功能并能正确使用即可。

1.2常用逻辑门结构组成-输入级的形式

输入级中间级输出级输入输出ABF+VCCVD1VD2RABF-VCCVD1VD2R由二极管与门、或门构成的输入电路1.2常用逻辑门结构组成-输入级通常用来完成TTL集成逻辑门对输入信号的放大作用

输入级中间级输出级输入输出ABF+VCCVD1VD2RABF-VCCVD1VD2R具有单发射极或双发射级构成的三极管输入电路1.2常用逻辑门结构组成-中间级的作用是对传输信号起耦合传递作用并作相应处理①当输入级传送的信号为高电平时；②当输入级传送的信号为低电平时。F2=AF1=A+12VAR1R2饱和导通ICS低电平高电平IES截止！IC=0低电平高电平高电平低电平输入级中间级输出级输入输出1.2常用逻辑门结构组成-输出级的作用是完成TTL集成门对信号的输出并驱动负载动作输入级中间级输出级输入输出

射极输出形式三态门输出形式图腾结构输出形式复合管图腾输出形式1.2常用逻辑门电路组成-典型TTL与非门多个发射极的发射结可看作是多个钳位二极管，其作用是限制输入端可能出现的负极性干扰脉冲。输入级中的多发射极晶体管可看作由多个晶体管的集电极和基极并联构成，作为TTL与非门的输入端。VTl的引入，不但加快了晶体管VT2储存电荷的消散，提高了TTL与非门的工作速度，而且实现“与”逻辑功能。R4R3R5R2R1ABC3kΩ+VCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFVT1VT2VT3VT4VT5(uo)(ui)1.2常用逻辑门电路组成-典型TTL与非门中间级又称为倒相极，其作用是从VT2的集电极和发射极同时输出两个相位相反的信号，作为输出级中三极管VT3和VT5的驱动信号，同时控制VT4和VT5工作在两个截然相反的两种状态，以满足输出级互补工作的要求。三极管VT2还可将前级电流放大以供给VT5足够的基极电流。R4R3R5R2R1ABC3kΩ+VCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFVT1VT2VT3VT4VT5(uo)(ui)1.2常用逻辑门电路组成-典型TTL与非门由晶体管VT3、VT4、VT5和电阻R4、R5组成推拉式的互补输出电路。VT5导通时VT4截止，VT5截止时VT4导通。由于采用了推挽输出(又称图腾输出)，该电路不仅增强了带负载能力，还提高了工作速度。R4R3R5R2R1ABC3kΩ+VCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFVT1VT2VT3VT4VT5(uo)(ui)1.2常用逻辑门TTL与非门的工作原理①输入端至少有一个为低电平时的工作情况。显然VT1的集电结反偏，导致VT2、VT5截止。VT2截止时的集电极电位：V2C≈VCC=5VVT2管集电极+5V的电位足以使VT3、VT4导通并处于深度饱和状态。因R2和IB3都很小，均可忽略不计，所以：实现了有0出1的与非功能。低电平对应的PN结导通，VT1的基极电位被固定0.3+0.7=1V。3.6V0.3VR4R3R5R2R1ABC3kΩ+VCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFVT1VT2VT3VT4VT5(uo)(ui)0.3V3.6V3.6V1V1.4V5V3.6V1.2常用逻辑门TTL与非门的工作原理②输入端全部为高电平时的工作情况。VT2管深度饱和后，其发射极电流在电阻R3上产生的压降又为VT5管提供足够的基极电流使VT5管饱和导通，从而使与非门输出F点的电位等于VT5管的饱和输出典型值F=0.3V。显然VT1处于倒置工作状态，此时集电结做为发射结使用。倒置情况下，VT1可向VT2基极提供较大电流。实现了全1出0的与非功能。3.6V0.3VR4R3R5R2R1ABC3kΩ+VCC750Ω100Ω300Ω3kΩ5VFVT1VT2VT3VT4VT5(uo)(ui)3.6V3.6V3.6V2.1V1.4V深度饱和深度饱和0.3V1.2常用逻辑门典型TTL与非门TTL与非门参数的测试要在一定条件下进行，一般要遵守的原则有：不用的输入端应悬空；输出高电平时不带负载；输出低电平时输出端应接规定的灌电流负载。UOH是被测与非门的一个输入端接地、其余输入端开路时，输出端的电压值。一般74系列的TTL与非门输出高电平的典型值为3.6V（产品规格为＞3V）。uo/Vui/V1231234ABCDEuo/Vui/V1231234ABCDEUOH输出高电平1.2常用逻辑门TTL与非门主要参数典型TTL与非门UOL是被测与非门一输入端接1.8伏、其余输入端开路、负载接380Ω等效电阻时，测得输出端的电压值。典型值是0.3V（产品规格为<0.35V）。关门电平UOFF：输出为0.9UOH时所对应的输入电压称关门电平UOFF。典型值为1V（产品规格为<0.8V）。TTL与非门主要参数uo/Vui/V1231234ABCDEUOL输出低电平TTL与非门主要参数uo/Vui/V1231234ABCDEUOFF1.2常用逻辑门典型TTL与非门开门电平UON：输出为0.35V时所对应的输入电压称开门电平UON。典型值为1.4V（产品规格为＞1.8V）。除此之外，还有阈值电压UTH和扇出系数NO等。uo/Vui/V1231234ABCDEUON1.2常用逻辑门集电极开路的TTL与非门OC门的电路形式R1ABCR2+5VVT1VT2R3VT5F(uo)(ui)VT3VT4R4R5RL+VS图符号&1.2常用逻辑门OC门可实现与非功能①当OC门输入全为高电平时实现了全1出0的与非功能；②OC门输入只要有一个为低电平时实现了有0出1的与非功能。工作原理R1ABCR2+5VVT1VT2R3VT5F(uo)(ui)RL+VS0.3V3.6V3.6V3.6V0.3V+VS

1.2常用逻辑门为什么开发OC门普通的TTL与非门不允许直接驱动供电电压高于+5V的负载，而实际应用中经常会碰到这种情况；实际应用中有时还需要把若干个与非门的输出直接连在一起实现多个信号的与逻辑关系，具有图腾结构的TTL与非门无法做到。集电极开路的与非门—OC门的开发解决了上述问题。OC门可实现线与功能：FABF1&CDF2&RL+VS线与1.2常用逻辑门OC门可用于数字系统接口部分的电平转换OC门可用来直接驱动负载ABF&RL+12VABF&＋VS1.2常用逻辑门三态门（TSL）三态门简称作TSL门，是在普通TTL与非门的基础上，加上使能控制信号和控制电路构成的。ENVD2VD1R1.2常用逻辑门三态门的真值表三态门使能端无效时，具有与非门功能；若使能端有效，则将无论输入如何，输出均为高阻态。ENABF10011011110111100××高阻态1.2常用逻辑门利用三态门可以实现总线结构图示总线结构中，只要工作时控制各个三态门的门控端EN轮流为有效态，而且任何时候仅有一个为有效态，各三态门的输出信号在公共传输总线上就会轮流输送而互不干扰。1.2常用逻辑门利用三态门还可以实现数据的双向传输当EN为有效态时，G1工作而G2为高阻态，数据D0经G1反相后送到总线上去；当EN为无效态时，G2工作而G1为高阻态，来自总线的数据经G2反相后由D1送出。另外，三态门还可做成单输入、单输出的总线驱动器。1.2常用逻辑门TTL集成电路的改进系列为了提高电路的工作速度和降低功耗，在74系列的基础上，人们相继研制出了一系列改进型TTL集成电路。改进措施：一是在输出级采用了达林顿结构，这种结构进一步减小了门电路输出高电平时的输出电阻，从而提高了对负载电容的充电速度。二是将所有电阻的阻值降低了几乎一半，电阻的减小不仅缩短了电路中各结点电位上的上升时间和下降时间，也加速了三极管的开关过程。1.2常用逻辑门肖特基肖特基三极管的开启电压很低，当肖特基二极管构成的集电结进入正向偏置时首先导通，将正向电压钳位在0.3~0.4V，从而有效地制止了三极管进入深度饱和，大大提高了集成电路的开关速度。但是，74S系列由于采用抗饱和三极管和减小了电路中的电阻，使得电路的功耗加大，导致电路输出低电平的升高，一般达0.5V左右。因此，实用中也不太理想。为降低功耗，大幅度地降低了集成电路内部各个电阻的阻值，同时将R5原来接地的一端改接到输出端，改进后的74LS系列集成电路的功耗仅为74系列的五分之一，74H系列的十分之一。为了缩短传输延迟时间，提高开关工作速度，在采用肖特基抗饱和三极管的基础上又进一步改进，使得74LS系列集成电路的传输延迟时间只有74系列的五分之一，74S系列的三分之一。在不同系列的TTL器件当中，只要器件型号的后几位数码相同，则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全一样。1.2常用逻辑门TTL集成逻辑门的使用注意事项①集成电路又称为有源器件，加电才能工作。同一芯片可能集成多个门，但各门均共源、共地。连接时电源的正极和地端不允许接反，为防止干扰，通常应在电源输入端接入10μF～100μF的滤波电容。②数字逻辑电路和强电控制电路要分别接地，避免强电控制电路在地线上产生干扰。③在电源接通时，严禁插拔集成电路，因为电流的冲击可能造成集成芯片的永久性损坏。1.2常用逻辑门输入引脚①TTL集成电路芯片的输入端口为与逻辑关系时，多余的输入端可以悬空或通过一只1kΩ～10kΩ的电阻接电源正极，在前级驱动能力允许时，也可并接到一个已被使用的高电平输入端上。②TTL门输入端口为或逻辑关系时，闲置的输入端可以接低电平或直接接地，在前级驱动能力允许时，也可并接到一个已被使用的低电平输入端上。③对于与或非门中不使用的与门，该与门至少有一个输入端接地。1.2常用逻辑门输出引脚①输出端不允许直接与电源或地相接，否则可能使输出级的管子因电流过大而损坏。输出端可通过上拉电阻与电源正极相连，使输出高电平提升。②多个图腾结构的TTL与非门，输出端不能直接并联。③OC门的输出端可以并联使用以实现线与逻辑。OC门的公共输出端和电源正极之间应接负载电阻。④当集成电路的输出端接容性负载时，应在电容之前接≥2.7k的限流大电阻，避免在开机的瞬间，出现较大的冲击电流烧坏电路。1.2常用逻辑门输出引脚1.TTL与非门如有多余输入端能不能与“地”相接？TTL或非门如有多余输入端能不能与5V电源相接或悬空？2.试述图腾结构的TTL与非门和OC门的主要区别是什么？3.三态门和普通TTL与非门有什么不同？主要应用在什么场合？4.何谓“线与”？哪一种逻辑门能实现“线与”逻辑？5.试通过实验记录。用内阻为20kΩ/V的万用表测量74LS00集成芯片中的一个门，在下列各种情况下：（1）其它输入端悬空；（2）其它输入端接5V电源；（3）其它输入端有一个接地；（4）其它输入端有一个接0.3V。测量该集成逻辑门上一个悬空输入端的电压，观察测量值为多少V？1.2常用逻辑门MOS集成逻辑门CMOS门的基本单元主要有反相器和传输门。①当ui＝0V为低电平时反相器电路实现了输入为0，输出为1的非门逻辑功能。②当ui＝VDD为高电平时反相器电路实现了输入为1，输出为0的非门逻辑功能。若使导电沟道形成，VDD必须大于两管的开启电压之和。1.2常用逻辑门VDD0V截止！导通！VDD0V截止！导通！CMOS传输门工作原理：①当控制端CP为高电平1时，传输门导通，数据从输入端传输到输出端。②当控制端CP为低电平0时，传输门关闭，禁止传输数据。一个PMOS管和一个NMOS管并联后，可构成一个CMOS传输门。1.2常用逻辑门漏极开路的OD门与TTL集成OC门类似，该电路是具有与非功能的特殊与非门，具有“线与”逻辑功能。而且当输出低电平小于0.5V时，它可吸收50mA的灌电流。同样，OD门可在电路中用作电平转换。电路组成1.2常用逻辑门CMOS三态门CMOS三态输出门是在CMOS反相器的基础上串接了PMOS管VTP和NMOS管VTN组成的。CMOS三态门的功能与TTL三态门功能类似，当使能端有效时，它相当于一个反相器，当使能端处无效态时，它的输出对“地”和对电源VDD都呈高阻态。电路组成1.2常用逻辑门高速CMOS集成门为了提高CMOS集成逻辑门的开关速度和负载能力，人们设法减少MOS管的导电沟道长度和缩小MOS管的几何尺寸、并加大导电沟道宽度，以减小MOS管的极间电容和提高漏极电流。目前主要有CC54HC/CC74HC和CC54HCT/CC74HCT两个子系列，它们的逻辑功能、外引脚排列与同型号的TTL电路相同。高速CMOS逻辑门子系列型号中的T表示与TTL电路兼容，其电源电压为4.5～5.5V，输入电平与74LSTTL系列逻辑门相同。1.2常用逻辑门CMOS逻辑门特点CMOS逻辑门静态功耗非常小，仅有几个μW，因此使用CMOS集成门制作的设备成本低。CMOS门集成度高，由于只有多子导电，所以热稳定性好、抗辐射能力强。CMOS电路的电源电压允许范围宽。约为3~18V，十分方便于电路电源电压的选择。CMOS电路的逻辑摆幅大。VOL=0V，VOH≈VDD。输入阻抗极高，通常可达108Ω。CMOS电路的抗干扰能力强，适合于特殊环境下工作。扇出能力强，带同类门电路的个数多。低频时CMOS门几乎不考虑扇出能力问题；高频下扇出系数与工作频率有关。1.2常用逻辑门CMOS逻辑门的使用注意事项①CMOS集成电路的电源电压极性不能接反，否则会造成电路永久性失效。②CMOS集成门电路的电源电压选择得越高，电压的抗干扰能力就越强，但是，电源电压的选择最大不允许超过极限值18V。为防止通过电源引入干扰信号，应根据具体情况对电源进行去耦和滤波。1.2常用逻辑门CMOS逻辑门的使用注意事项-输入引脚①注意输入端的静电保护。开机时应先接通电路板电源，后开信号源电源；关机时先关信号源电源，再断开电路板电源。严禁带电插拔器件。②CMOS集成电路闲置不用的输入端不能悬空；与门和与非门闲置输入端应接高电平；或门和或非门的闲置输入端应接地。通常闲置输入端不宜与使用输入端并联使用。CMOS逻辑门的使用注意事项-输出引脚①同一芯片上的CMOS门在输入相同时，为增大负载能力，输出端可以并联使用；输出端不允许与电源或地端直接相连，否则造成输出级的MOS管因过电流而损坏；为保证管子不因大电流而烧损，应在输出端和电容之间串接一个限流电阻。②CMOS集成电路应注意输入电路的过流保护。1.2常用逻辑门思考题1.CMOS反相器、CMOS漏极开路的OD门和CMOS三态门，它们的输出端可以并联使用吗？为什么？2.CMOS传输门具有哪些用途？3.CMOS集成电路具有什么特点？4.为什么说CMOS集成电路比TTL集成电路的静态功耗低？抗干扰能力强？5.为什么说CMOS集成电路比TTL集成电路的静态功耗低？抗干扰能力强？集成逻辑门使