数字电路与逻辑设计-第三章 逻辑门电路

第 3 章 逻辑门电路,介绍各种门电路的功能及特点，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。 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。,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。,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”。,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,1. 二极管的开关特性,相当于开关断开,相当于开关闭合,3V,0V,3V,0V,2. 三极管的开关特性,3V,0V,uO 0,相当于开关断开,相当于开关闭合,uO UCC,3V,0V,3.1 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”。,0V,0V,3V,满足什么逻辑关系？,表达式？,逻辑符号？,“与”,想一想：,3.1.2 二极管或门电路,1. 电路,0V,3V,3V,2. 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+C,3.1.3 三极管“非” 门电路,“0”,“1”,1. 电路,“0”,“1”,例：根据输入波形画出输出波形,A,B,有“0”出“0”，全“1”出“1”,有“1”出“1”，全“0”出“0”,&,A,逻辑式：,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。,3.2 TTL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。,3.2.1 TTL“与非”门电路,1. 电路,多发射极三极管,“与”,“非”,(1) 输入全为高电平“1”(3.6V)时,2. 工作原理,4.3V,T2、T5饱和导通,钳位2.1V,E结反偏,截止,负载电流（灌电流）,输入全高“1”,输出为低“0”,1V,2. 工作原理,1V,T2、T5截止,负载电流（拉电流）,(2) 输入端有任一低电平“0”(0.3V),输入有低“0”输出为高“1”,流过 E结的电流为正向电流,5V,“与非”逻辑关系,“与非”门,3.2.1 TTL“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。,电压传输特性,测试电路,阈值电压UT=1.4v,C,D,E,(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UOL,（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,D,E,低电平噪声容限电压UNL保证输出高电平电压不低于额定值90%的条件下所允许叠加在输入低电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。UNL=UOFF UIL,允许叠加干扰,（3）噪声容限门电路抗干扰能力,UOFF,UOFF是保证输出为额定高电平的90%时所对应的最大输入低电平电压。,0.9UOH,输入低电平电压UIL,输入高电平电压UIH,高电平噪声容限电压UNH保证输出低电平电压的条件下所允许叠加在输入高 电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。UNH=UIHUON,允许叠加干扰,UON,UON是保证输出为额定低电平时所对应的最小输入高电平电压。,（3）噪声容限门电路抗干扰能力,VNHVOH(min)-VIH(min),VNLVIL(max)-VOL(max),其中VIH(min)VON,其中VIL(max)VOFF,G1,G2,本书输入端噪声容限示意图,（4）输入输出特性,前后级之间电流的联系存在两种情况 （1）前级输出为 高电平 （2）前级输出为 低电平,前级输出为 高电平时,前级,后级,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,级间电流：流入前级，记为IOL ，约 1.4mA 。称为灌电流。,灌电流的计算,说明：TTL门电路的负载电流IOH（输出端为高电平的负载电流）、IOL（输出端为低电平的负载电流），主要由晶体管的材料和工艺所决定的，由厂家告知的，从输出极的原理图上是分析不出IOH、IOL的大小的。,看一实例,右图是某同学设计的0、1信号指示器。发光二极管亮表示1，暗表示0。,A=1，Y=0，输出低电平，发光二极管中没有电流流过，暗（不亮）！A=0，Y=1，输出高电平3.6V，发光二极管中有电流流过，亮！,对吗？,不对！,其实不然，如果采用六反相器74CS04，六个反相器中的一个接成上面的电路，那么无论A=0还是1，发光二极管都不会亮。为什么？！因为发光二极管发光的电流是5mA左右，而74CS04的IOH400A0.4mA，即其输出高电平时所能提供的负载电流只有0.4mA，与发光二极管发光所需的电流差一个数量级。,已知74CS04的IOL8mA（负号表示与IOH方向相反，这里是流进，前者是流出） ,怎样连接，才能达到理想的效果 ？,Y,IOL,+5V,IOL8mA（负号表示与IOH方向相反，这里是流进，前者是流出）,(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。,前级输出为 高电平时：,前级输出为低电平时：,有关电流的技术参数,输入端通过电阻R接地,问题：这时，输入是“1”还是“0”？,R 较小时：uiUT ， T2不导通，输出高电平。,R增大时：Ruiui=UT时，输出低电平。,计算临界电阻值：,即：当R1.45k时，可以认为输入为“1”； 当R1.45k时，可以认为输入为“0”。,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. 输入端并联使用。,(6) 平均传输延迟时间 tpd,tpd1,tpd2,TTL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=1s，原有的逻辑功能还符合吗？,3.2.3 TTL集电极开路门,一、 问题的提出,标准TTL与非门进行与运算:,能否“线与”？,（Open Collector),TTL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,UOH,UOL,与非门1：,问题：TTL与非门能否直接线与？,集电极悬空,应用时输出端要接一上拉负载电阻 RL 。,二、OC门结构,特点：RL 和UCC 可以外接。,OC门的特点：,1.输出端可直接驱动负载,2.几个输出端可直接相联,“0”,“0”,实现了线与,“线与”功能分析：,分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。 F1、F2、F3全截止，则F=1 。,F=F1F2F3,外接电阻RC的选择。,（1）计算OC门负载的电阻最大值,当所有OC门同时截止时，v0=VOH.为保证VOH不低于规定值，RL不能选的过大。,OC门输出端数目,负载门输入端数目,（2）计算OC门负载电阻的最小值,当只有一个OC门导通时，为了保证流入导通OC门的电流不超过最大允许的负载电流ILM，RL不能选的太小。,负载门数目,IL,注意：若负载门为或非门，则m应为输入端数。,3.2.4 三态门,“0”,1.工作原理,导通,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。,“1”,1.工作原理,截止, 0 高阻,表示任意态,2三态门的主要应用,（1）TTL与总线之间接口，实现分时传输,可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。,(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。,1,0,D1,3.5 MOS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 。,3.5.1 MOS管的开关特性,1、MOS管的基本开关电路,当vI=vGSVGS(th)时，MOS管工作在截止区,只要RDVGS(th)时，MOS管处于导通状态, 只要RDRON , 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,3.5.2 NMOS逻辑电路,1. NMOS“非”门电路,ui=“1”,ui=“0”,T2（负载管）,T1 (驱动管）,UGS= UDS UT导通,有源负载,(非线性电阻),3.5.2 NMOS逻辑电路,1. NMOS“非”门电路,gm1gm2,T1的导通电阻 T2的导通电阻,“1”,导通,“0”,“0”,“1”,截止,即：T1的导通管压降 T2的导通管压降,2. NMOS“与非”门电路,“1”,“0”,全“1”,3. NMOS“或非”门电路,“0”,全“0”,“1”,3.5.3 CMOS逻辑电路 ：Complementary -Symmetry MOS(互补对称式MOS),1.CMOS“非”门电路,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”,2. CMOS与非门,工作原理,0 0 1,0 1 1,1 0 1,1 1 0,工作原理,0 0 1,0 1 0,1 0 0,1 1 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,（1）电路:栅极接互补的控制信号,（2）工作原理,设：,可见ui在010V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。,（07V）,导通,（310V）,导通,4.CMOS传输门电路,可见ui在010V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。,（010V）,4.CMOS传输门电路,开关电路,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,想一想：,CMOS传输门能实现双向传输吗？为什么？,如何构造CMOS三态门？,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5V5%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; （c） 与使用 输入端并联,与非门、与门 与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,或非门、或门 或非门多余输入端的三种处理方法如图所示,CMOS集成电路使用注意事项 TTL电路使用注意事项， 一般对CMOS电路也适用。 因CMOS电路容易产生栅极击穿问题，所以要特别注意 以下几点： (1) 避免静电损失。 存放CMOS电路不能用塑 料袋，要用金属将管脚短接起来或用金属盒屏蔽。工作台应当用金属材料覆盖并应良好接地。焊接时，电烙铁壳应接地。 ,(2) 多余输入端的处理方法。 CMOS电路的输入阻抗高，易受外界干扰的影响，所以CMOS电路的多余输入端不允许悬空。多余输入端应根据逻辑要求或接电源VDD（与非门、 与门），或接地（或非门、或门），或与其他输入端连接。 ,由于MOS管是电压控制元件，其输入端通过电