杨志忠数电(第3版)3-逻辑门电路

第3章集成逻辑门电路,3.1概述,常用的逻辑门电路:,一、门电路的作用和常用类型,按电路结构不同分,按功能特点不同分,输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。,用互补对称MOS管构成的逻辑门电路。,CMOS即ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor,TTL即Transistor-TransistorLogic,一、门电路的作用和常用类型,高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。,由门电路种类等决定,二、高电平和低电平的含义,在TTL门电路中，在2.43.6V范围内的电压都称为高电平，标准高电平USH常取3V；在00.8V范围内的电压都称为低电平，标准低电平USL常取0.3V。,二、高电平和低电平的含义,3.2基本逻辑门电路,3.2.1二极管的开关特性,当输入uI为高电平UIH时，二极管正向导通，可等效为一个具有0.7V压降的闭合开关。,一、二极管的静态开关特性,当输入uI为低电平UIL时，二极管反向截止，相当于开关断开。,一、二极管的静态开关特性,3.2.1二极管的开关特性,输入脉冲电压波形,二、二极管的动态开关特性,实际电流波形,当输入uI为低电平，使uBEUth时，三极管开始导通，iB0，三极管工作于放大导通状态。,饱和区,放大区,截止区,三极管截止状态等效电路,uI=UIH,三极管开通的条件和等效电路,当输入uI为高电平，使iBIB(sat)时，三极管饱和。,uBEUCE(sat)0.3V0，C、E间相当于开关合上。,三极管饱和状态等效电路,一、三极管的静态开关特性,iB愈大于IB(sat)，则饱和愈深。,由于UCE(sat)0，因此饱和后iC基本上为恒值，即iCIC(sat)=,开关工作的条件,例下图电路中=50,UBE(sat)=0.7V,UIH=3.6V,UIL=0.3V,为使三极管开关工作,试选择RB值,并对应输入波形画出输出波形。,解：(1)根据开关工作条件确定RB的取值,uI=UIL=0.3V时,三极管满足截止条件,uI=UIH=3.6V时,为使三极管饱和,应满足iBIB(sat),所以求得RBton。,二、三极管的动态开关特性,开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。,没有电荷存储效应SBD的导通电压只有0.4V而非0.7V，因此UBC=0.4V时，SBD便导通，使UBC钳在0.4V上，降低了饱和深度。,在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称SBD)。,三、抗饱和三极管,一、MOS管的静态开关特性,3.2.3MOS管的开关特性,当uGSUGS(th)时，NMOS管导通，漏极电流iD=VDD/(RD+RON)，如其导通电阻RDRON，则输出uO0V，这时，NMOS管相当于开关接通。,uI从0V正跃到高电平VDD时，NMOS管经过ton时间延迟后由截止转为导通。,uI从高电平VDD负跃到0V时，NMOS管经过toff时间延迟后由导通转为截止。,二、MOS管的动态开关特性,一、二极管与门电路,3.2.4分立元件门电路,逻辑表达式Y=AB,一、二极管与门电路,3.2.4分立元件门电路,使能端：与门任一输入端都可作使能端。,使能端B的信号可控制A端的输入信号能否通过与门传送到Y输出端。,二、二极管或门电路,逻辑表达式Y=A+B,3.2.4分立元件门电路,三、非门电路,3.2.4分立元件门电路,3.3TTL集成逻辑门,3.3.1TTL与非门,一、TTL与非门的工作原理,输入级由多发射极管V1和电阻R1组成，用以实现输入变量A、B的与运算。VD1和VD2为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，VD1和VD3不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在-0.7V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对V1还有保护作用。,一、TTL与非门的工作原理,中间级由V2和R2、R3组成。V2集电极和发射极分别输出两个不同逻辑电平的信号，分别驱动V3和V5。,3.3.1TTL与非门,一、TTL与非门的工作原理,输出级由V3、V4、V5和R4、R5组成。其中V3和V4组成的复合管和V5分别由V2的集电极和发射极输出两个不同的逻辑电平控制。因此V3、V4和V5工作在两个相反的状态。,3.3.1TTL与非门,输入端有低电平时，输出高电平。,输入低电平端对应的发射结导通，uB1=0.7V+0.3V=1V，,因此，V2、V5截止。,0.3V3.6V,一、TTL与非门的工作原理,V3、V4处于导通状态。uY=5V-0.7V-0.7V=3.6V电路输出为高电平。,V2截止使uC2VCC=5V，,VCC经R1使V1集电结和V2、V5发射结导通，使uB1=2.1V。因此，V1发射结反偏而集电极正偏，称处于倒置放大状态。这时V2、V5饱和。,输入端都为高电平时，输出低电平。,3.6V3.6V,一、TTL与非门的工作原理,uC2=UCE2(sat)+uBE5=0.3V+0.7V=1V,使V3导通，而V4截止。,uY=UCE5(sat)0.3V电路输出为低电平。,因此，输入均为高电平时，输出为低电平。该电路实现了与非逻辑功能，即。,二、TTL与非门电气特性,1.电压传输特性,门电路输出电压随输入电压变化的特性。,二、TTL与非门电气特性,1.电压传输特性,二、TTL与非门电气特性,1.电压传输特性,二、TTL与非门电气特性,1.电压传输特性,二、TTL与非门电气特性,1.电压传输特性,二、TTL与非门电气特性,2.阈值电压、关门电压、开门电压和噪声容限,噪声容限越大，抗干扰能力越强。,指输出为额定高电平的90%时，允许在输入低电平上叠加的正向噪声电压。UNL=UOFFUIL,指输出额定低电平时，允许在输入高电平上叠加的负向噪声电压。UNH=UIHUON,噪声容限UN又称抗干扰能力，表示门电路在输入电压上允许叠加多大的噪声电压下仍能正常工作。,2.阈值电压、关门电压、开门电压和噪声容限,3.输入负载特性,为了保证与非门关闭，RI增大到使uI上升到UOFF值时所对应的RI值，称关门电阻（ROFF）。只要RIRON，与非门就处于开通状态。,输入电压随输入端对地电阻变化的特性。,逻辑0,图(b)中，RI=5.6kRON=2k，相当于输入高电平1，,逻辑1,解：图(a)中，RI=470UGS(th)N+UGS(th)P且UGS(th)N=UGS(th)P,3.4.1CMOS反相器,二、工作原理,uOVDD为高电平。,二、工作原理,uO0V，为低电平。,可见该电路构成CMOS非门，又称CMOS反相器。,无论输入电平高低，VN、VP中总有一管截止，使静态漏极电流iD0。因此CMOS反相器静态功耗极微小。,二、工作原理,3.4.2其他功能的CMOS门电路,一、CMOS与非门和或非门,1.CMOS与非门,CMOS与非门的工作原理,CMOS与非门的工作原理,2.CMOS或非门,输入中有高电平时，输出为低电平；输入全为低电平时，输出为高电平；,二、漏极开路的CMOS门,简称OD门,与OC门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。,需外接上拉电阻RD,由一对参数对称一致的增强型NMOS管和PMOS管并联构成。,三、CMOS传输门,MOS管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此CMOS传输门的输出端和输入端也可互换。,当C=VDD，uI=0VDD时，VN、VP中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。,即uO=uI，称传输门开通。,三、CMOS传输门,工作原理,三、CMOS传输门,工作原理,uI不能传输到输出端，称传输门关闭，输出高阻。,传输门是一个理想的双向开关，可传输模拟信号，也可传输数字信号。,TG即TransmissionGate的缩写,三、CMOS传输门,四、CMOS三态输出门,四、CMOS三态输出门,工作原理,四、CMOS三态输出门,工作原理,因此构成使能端低电平有效的三态门。,3.4.3高速CMOS门电路,MOS管存在较大的极间电容，这是CMOS4000系列门电路开关速度不高的原因。因此，要提高MOS管的开关速度就必须设法减小MOS管的极间电容。为此，需要减少MOS管的导电沟道长度，缩小MOS管的几何尺寸，从而提高开关速度。,3.4.4CMOS数字集成电路的系列,一、CMOS数字集成电路系列,提高速度措施：减小MOS管的极间电容。,由于CMOS电路UTHVDD/2，噪声容限UNLUNHVDD/2，因此抗干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能力越强。,民品,军品,VDD=26V,T表示与TTL兼容VDD=4.55.5V,HCMOS电路比CMOS4000系列具有更高的工作频率和更强的驱动负载的能力。其中CMOS4000系列一般用于工作频率1MHz以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS常用于工作频率20MHz以下、要求较强驱动能力的场合。,HCMOS电路保留了CMOS4000系列低功耗、高抗干扰能力的优点，已达到CT54/CT74LS的水平。,二、CMOS4000系列和HCMOS系列的比较,1.注意不同系列CMOS电路允许的电源电压范围不同，一般多用+5V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。,2.CMOS电路的电源电压极性不可接反，否则，可能会造成电路永久性失效。,3.在进行CMOS电路实验，或对CMOS数字系统进行调试、测量时，应先接入直流电源，后接入信号源；使用结束时，应先关信号源，后关直流电源。,一、电源电压,3.4.5CMOS集成逻辑门的使用注意事项,1.闲置输入端不允许悬空。,2.对于与门和与非门，闲置输入端应接正电源或高电平；对于或门和或非门的闲置输入端应接地或低电平。,3.4.5CMOS集成逻辑门的使用注意事项,闲置输入端不宜与使用输入端并联使用，因为这样会增大输入电容，从而使电路的工作速度下降。但在工作速度很低的情况下，允许输入端并联使用。,二、闲置输入端的处理,1.输出端不允许直接与电源VDD或地（VSS）相连。,为提高电路的驱动能力，可将同一集成芯片上相同门电路的输入端、输出端并联使用。,3.4.5CMOS集成逻辑门的使用注意事项,当CMOS电路输出端接大容量的负载电容时，为保证流过管子的电流不超过允许值，需在输出端和电容之间串接一个限流电阻。,三、输出端的连接,焊接时，电烙铁必须接地良好，必要时，可将电烙铁的电源插头拔下，利用余热焊接。,集成电路在存放和运输时，应放在导电容器或金属容器内。,3.4.5CMOS集成逻辑门的使用注意事项,组装、调试时，应使所有的仪表、工作台面等有良好的接地。,四、其他注意事项,3.5TTL电路与CMOS电路的接口,在数字系统中，经常会出现TTL电路与CMOS电路的接口问题，必须正确处理好它们之间的连接。如图，无论是TTL电路驱动CMOS电路，还是CMOS电路驱动TTL电路，驱动门必须为负载门提供符合要求的高电平、低电平和足够的驱动电流，也就是说，必须同时满足下列各式：,驱动门负载门UOH(min)UIH(min)UOL(max)UIL(max)IOH(max)NOHIIH(max)IOL(max)NOLIIL(max),3.5.1TTL电路驱动CMOS电路,TTL电路输出低电平，满足驱动CMOS电路输入的要求，而输出高电平的下限值小于CMOS电路输入高电平的下限值，它们之间不能直接驱动。因此，应设法提高TTL电路输出高电平的下限值，使其大于CMOS电路输入高电平的下限值。,在TTL电路输出接一个上拉电阻RU,一、TTL电路驱动CMOS4000系列电路,TTL电路输出和CMOS电路输入端之间接入一个CMOS电平转换器。,二、TTL电路驱动74HCT高速CMOS电路,高速CMOS电路CC74HCT系列在制造时已考虑到和TTL电路的兼容问题，它的输入高电平UIH（min)=2V，而TTL电路输出的高电平UOH（min)=2.7V，因此，TTL电路的输出端可直接与高速CMOS电路CC74HCT系列的输入端相连，不需要另外再加其他器件。,3.5.2CMOS电路驱动TTL电路,CMOS4000系列电路输出的高、低电平都满足要求，但由于TTL电路输入低电平电流较大，而CMOS4000系列电路输出低电平电流却很小，灌电流负载能力很差，不能向TTL提供较大的低电平电流。因此，应设法提高CMOS4000系列电路输出低电平电流的能力。,将同一芯片上的多个CMOS并联作驱动门。,在CMOS电路输出端和TTL电路输入端之间接入CMOS驱动器。,一、CMOS4000系列驱动TTL电路,二、高速CMOS电路驱动TTL电路,高速CMOS电路的电源电压VDD=VCC=5V时，CC74HC和CC74HCT系列电路的输出端和TTL电路的输入端可直接相连。,例试改正下图中所示电路的错误，使其正常工作。,VDD,集成逻辑门电路应用举例,用两级电路、2个与非门来实现,例试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。,解：(1)用与非门实现与门,设法将Y=AB用与非-与非式表示,因此，用与非门实现的与门电路为,用两级电路、3个与非门来实现。,(2)用与非门实现或门,因此，用与非门实现的或门电路为,Y=A+B,设法将Y=A+B用与非-与非式表示。,用两级电路、3个或非门实现之。,(3)用或非门实现与门,设法将Y=AB用或非或非式表示,因此，用或非门实现的与门电路为,将或非门多余输入端与有用端并联使用构成非门,用两级电路、2个或非门实现之,(4)用或非门实现或门,设法将Y=A+B用或非或非式表示,因此，用或非门实现的或门电路为,Y=A+B,例有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。,解：(1)分析设计要求，建立真值表,报警电路的输入信号为烟感、温感和紫外光感三种探测器的输出信号，设用A、B、C表示，且规定有火灾探测信号时用1表示，否则用0表示。,报警电路的输出用Y表示，且规定需报警时Y为1，否则Y为0。,由此可列出真值表如右图所示。,(2)根据真值表画函数卡诺图,根据Y的与-非表达式画逻辑图,1,1,1,1,(3)用卡诺图化简法求出输出逻辑函数的最简与-或表达式，再变换为与非-与非表达式。,Y=AB,+AC,+BC,(4)画逻辑图,Y,门电路是组成数字电路的基本单元之一，最基本的逻辑门电路有与门、或门和非门。实用中通常采用集成门电路，常用的有与非门、或非门、与或非门、异或门、输出开路门、三态门和CMOS传输门等。门电路的学习重点是常用集成门的逻辑功能、外特性和应用方法。,本章小结,在数字电路中，三极管作为开关使用。硅NPN管的截止条件为UBE0.5V，可靠截止条件为UBE0V，这时iB0，iC0，集电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件为iBIB(sat)，这时，硅NPN管的UBE(sat)0.7V，UCE(sat)0.3V，集电极和发射极之间相当于开关闭合。,三极管的开关时间限制了开关速度。开关时间主要由电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散，为此，需采用抗饱和三极管。,TTL数字集成电路主要有CT74标准系列、CT74L低功耗系列、CT74H高速系列、CT74S肖特基系列、CT74LS低功耗肖特基系列、CT74AS先进肖特基系列和CT74ALS先进低功耗肖特基系列。其中，CT74L系列功耗最小，CT74AS系列工作频率最高。,通常用功耗-延迟积来综合评价门电路性能。,CT74LS系列功耗-延迟积很小、性能优越、品种多、价格便宜，实用中多选用之。ALSTTL系列性能更优于LSTTL，但品种少、价格较高。,CMOS数字集成电路主要有CMOS4000系列和HCMOS系列。CMOS4000系列工作速度低，负载能力差，但功耗极低、抗干扰能力强，电源电压范围宽，因此，在工作频率不高的情况下应用很多。CC74HC和CC74HCT两个系列的工作频率和负载能力都已达到TTL集成电路CT74LS的水平，但功耗、抗干扰能力和对电源电压变化的适应性等比CT74LS更优越。因此，CMOS电路在数字集成电路中，特别是大规模集成电路应用更广泛，已成为数字集成电路的发展方向。,应用集成门电路时，应注意：,TTL电路只能用5V(74系列允许误差5%)；CMOS4000系列可用315V；HCMOS系列可用26V；HCT系列用4.55.5V。一般情况下，CMOS门多用5V，以便与TTL电路兼容。,(1)电源电压的正确使用,(2)输出端的连接,开路门的输出端可并联使用实现线与，还可用来驱动需要一定功率的负载。,三态输出门的输出端也可并联，用来实现总线结构，但三态输出门必须分时使能。使用三态门时，需注意使能端的有效电平。,普通门(具有推拉式输出结构)的输出端不允许直接并联实现线与。,(3)闲置输入端的处理,(4)信号的正确使用,TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平，CMOS电路多余输入端不允许悬空。,CMOS电路多余输入端与有用输入端的并接仅适用于工作频率很低的场合。,数字电路中的信号有高电平和低电平两种取值，高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。门电路种类不同，高电平和低电平的允许范围也不同。,或门和或非门,与门和与非门,多余输入端接地或与有用输入端并接,多余输入端接正电源或与有