合肥工业大学 数电课件 三 逻辑门电路

三逻辑门电路 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 2TTL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 1TTL 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 1TTL 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 UIH UON 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 VNH VOH min VIH min VNL VIL 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IOH 400 A 0 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IOL 8mA 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 IOL 8mA 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 ui UT T2不导通 输出高电平 R增大时 R ui ui UT时 输出低电平 计算临界电阻值 即 当R 1 45k 时 可以认为输入为 1 当R 1 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 1 s 原有的逻辑功能还符合吗 3 2 3TTL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 OpenCollector 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 5MOS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 3 18V 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 1MOS管的开关特性 1 MOS管的基本开关电路 当vI vGS VGS th 时 MOS管工作在截止区 只要RD ROFF v0 VOH VDD 当vI vGS VGS th 时 MOS管处于导通状态 只要RD RON v0 VOL 0 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 2NMOS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 2NMOS逻辑电路 1 NMOS 非 门电路 gm1 gm2 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 3CMOS逻辑电路 Complementary SymmetryMOS 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 00 1 01 1 10 1 11 0 工作原理 00 1 01 0 10 0 11 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0 10V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 0 7V 导通 3 10V 导通 4 CMOS传输门电路 可见ui在0 10V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 0 10V 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5V 5 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