[工学]正负逻辑问题.doc

第七节正负逻辑问题1.正负逻辑的规定在逻辑电路中，输入和输出一般都用电平来表示。若用H和L分别表示高、低电平，则门电路的功能可用下表所示的电平表来描述。但是，这个门体现了什么逻辑关系尚不清楚，因为还未确切说明电平与逻辑状态之间的隶属关系。这种关系可由人们任意地加以规定。如令H=l，L=0，则称之为正逻辑体制，于是很容易由上表导出下表。显然，后者表示正逻辑与非门的真值表。与此相反，若令H=0，L=1，则称之为负逻辑体制。据此 ，由本例可得出负逻辑或非门的真值表，如下表所示。对于同一电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。正逻辑和负逻辑两种体制不牵涉到逻辑电路本身的结构问题，但根据所选正负逻辑的不同，即使同一电路也具有不同的逻辑功能。本书如无特殊说明，一律采用正逻辑，即规定高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。2.正负逻辑的等效变换一般用正逻辑函数描述电路，在过渡到负逻辑时，只需按下列方式互换各种运算： 第八节逻辑门电路使用中的几个实际问题以上讨论了几种逻辑门电路特别是重点地讨论了 TTL和CMOS两种电路。在具体的应用中可以根据要求来选用何种器件。器件的主要技术参数有传输延迟时间、功耗、噪声容限，带负载能力等，据此可以正确地选用一种器件或两种器件混用。下面对几个实际问题，如不同门电路之间的接口技术，门电路与负载之间的匹配等进行讨论。一、各种门电路之间的接口问题在数字电路或系统的设计中，往往由于工作速度或者功耗指标的要求，需要采用多种逻辑器件混合使用 ，例如，TTL和CMOS两种器件都要使用。由前面几节的讨论已知，每种器件的电压和电流参数各不相同，因而需要采用接口电路，一般需要考虑下面三个条件： 1.驱动器件必须能对负载器件提供灌电流最大值。2.驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流。3.驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高。低电压值。其中条件和，属于门电路的扇出数问题，已在第四节作过详细的分析。条件属于电压兼容性的问题。其余如噪声容限、输入和输出电容以及开关速度等参数在某些设计中也必须予以考虑。下面分别就CMOS门驱动TTL 门或者相反的两种情况的接口问题进行分析。1.CMOS门驱动TTL门在这种情况下，只要两者的电压参数兼容，不需另加接口电路，仅按电流大小计算出扇出数即可。下图表示CMOS门驱动TTL门的简单电路 。当CMOS门的输出为高电平时，它为TTL负载提供拉电流，反之则提供灌电流。例2.9.174HC00与非门电路用来驱动一个基本的TTL反相器和六个74LS门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？解：（1）查相关手册得接口参数如下：一个基本的TTL门电路，IIL1.6mA，六个74LS门的输入电流IIL60.4mA2.4mA。总的输入电流IIL(total)1.6mA2.4mA4mA。（2）因74HC00门电路的IOLIIL4mA，所驱动的TTL门电路未过载。2. TTL门驱动CMOS门此时TTL为驱动器件，CMOS为负载器件。由手册可知，当TTL输入为低电平时 ，它的输出电压参数与CMOS HC的输入电压参数是不兼容的。例如，LSTTL的VOH(min)为2.7V，而HC CMOS的VIH(min)为3.5V。为了克服这一矛盾，常采用如上图所示的接口措施。由图可知，用上拉电阻Rp接到VDD可将TTL的输出高电平电压升到约5V，上拉电阻的值取决于负载器件的数目以及TTL和CMOS的电流参数。当TTL驱动CMOHCT时，由于电压参数兼容 ，不需另加接口电路。基于这一情况，在数字电路设计中 ，也常用CMOSHCT当作接口器件，以免除上拉电阻。二、门电路带负载时的接口电路 1.用门电路直接驱动显示器件在数字电路中，往往需要用发光二极管来显示信息的传输，如简单的逻辑器件的状态，七段数码显示，图形符号显示等。在每种情况下均需接口电路将数字信息转换为模拟信息显示。下图(a)表示CMOS反相器74HC04驱动一发光二极管LED，电路中串接了一限流电阻R以保护LED。限流电阻的大小可分别按下面两种情况来计算。当图中门电路的输入为低电平时，输出为高电平，于是反之，当LED接人电路的情况如上图(b)所示时，门电路的输入信号应为高电平，输出为低电平，故有以上两式中，IDLED的电流，VFLED的正向压降，VOH和VOL为门电路的输出高、低电平电压，常取典型值。2.机电性负载接口在工程实践中，往往会遇到用各种数字电路以控制机电性系统的功能，如控制电动机的位置和转速，继电器的接通与断开，流体系统中的阀门的开通和关闭，自动生产线中的机械手多参数控制等。下面以继电器的接口电路为例来说明。在继电器的应用中，继电器本身有额定的电压和电流参数。一般情况下，需用运算放大器以提升到必须的数一模电压和电流接口值。对于小型继电器，可以将两个反相器并联作为驱动电路，如下图所示。三、抗干扰措施在利用逻辑门电路（TTL或CMOS）作具体的设计时，还应当注意下列几个实际问题：1.多余输入端的处理措施集成逻辑门电路在使用时，一般不让多余的输入端悬空，以防止干扰信号引人。对多余输入端的处理以不改变电路工作状态及稳定可靠为原则。对于TTL与非门，一般可将多余的输入端通过上拉电阻（13k）接电源正端，也可利用一反相器将其输入端接地，其输出高电位可接多余的输入端。对于CMOS电路，多余输入端可根据需要使之接地（或非门）或直接接VDD（与非门）。2.去耦合滤波器数字电路或系统往往是由多片逻辑门电路构成，它们是由一公共的直流电源供电。这种电源是非理想的，一般是由整流稳压电路供电，具有一定的内阻抗。当数字电路运行时，产生较大的脉冲电流或尖峰电流，当它们流经公共的内阻抗时，必将产生相互的影响，甚至使逻辑功能发生错乱。一种常用的处理方法是采用去耦合滤波器，通常是用10100uF 的大电容器与直流电源并联以滤除不需的频率成分。除此以外，对于每一集成芯片还加接0.luF的电容器以滤除开关噪声。3.接地和安装工艺正确的接地技术对于降低电路噪声是很重要的。这方面可将电源地与信号地分开，先将信号地汇集在一点，然后将二者用最短的导线连在一起，以避免含有多种脉冲波形（含尖峰电流）的大电流引到某数字器件的输入端而导致系统正常的逻辑功能失效。此外，当系统中兼有模拟和数字两种器件时，同样需将二者的地分开，然后再选用一个合适共同点接地，以免除二者之间的影响。必要时，也可设计模拟和数字两块电路板，各备直流电源，然后将二者恰当的地连接在一起。在印刷电路板的设计或安装中，要注意连线尽可能短，以减少接线电容而导致寄生反馈有可能引起寄生振荡。有关这方面技术问题的详细介绍，可参阅有关文献。集成数字电路的数据手册，也提供某些典型电路应用设计，亦是有益的参考资料。 此外，CMOS器件在使用和储藏过程中要注意静电感应导致损伤的问题。静电屏蔽是常用的防护措施。本章小结在双极型逻辑门电路中，不论哪一种逻辑门电路，其中的关键器件是二极管和 BJT。影响它们的开关速度的主要因素是器件内部的电荷存储和消散的时间。利用二极管和 BJT可构成简单的逻辑与、或、非门电路。逻辑非门（反相器）电路的主要技术参数为扇出数、噪声容限、传输延迟时间及功耗和功耗一延迟时间积等。TTL逻辑门电路是当前应用较广泛的门电路之一，电路的基础是NPN型BJT反相器。TTL反相器的输入级由BJT构成 ，它可能工作在饱和、截止、放大和倒置放大等种模式，取决于反相器的输入和输出的状态。TTL反相器输出级常用推拉式结构实现 ，其特点是输出阻抗低，带负载能力强。无论输入级还是输出级均有利于提高开关速度。如将 TTL反相器的输入 BJT改为多发射极结构便可构成与非门电路。利用肖特基二极管可以构成抗饱和TTL电路 ，同时在驱动级引入有源下拉电路可以提高工作速度。在TTL逻辑门电路中，为了实现线与的逻辑功能,可以采用或非门、集电极开路门和三态门来实现。ECL逻辑门电路是以差分放大电路为基础的，因为它不工作到BJT的饱和区，因而它的开关速度是众多逻辑门电路中最高的。其缺点是功耗较大，噪声容限低。CMOS逻辑门电路是由互补的增强型N沟道和P沟道MOSFET构成，它是目前应用较广泛的另一种逻辑门电路。与TTL门电路相比 ，它的优点是功耗低，扇出数大（指带同类门负载），噪声容限亦大，开关速度与TTL接近，有取代TTL之趋势 。BiMOS是取MOS和ECL两者的优势，其开关速度较高，功耗亦低。NMOS逻辑门电路结构简单，易于集成化，因而在大规模集成电路中应用较多。采用NMOS、