数字电路郭建才主讲-第三章

1、 逻辑门电路逻辑门电路 概述概述 第第 3 章逻辑门电路章逻辑门电路 三极管的开关特性三极管的开关特性 TTL 集成逻辑门集成逻辑门 CMOS 集成逻辑门集成逻辑门 集成逻辑门的应用集成逻辑门的应用 本章小结本章小结 逻辑门电路逻辑门电路 3.1 概概 述述 主要要求：主要要求： 了解逻辑门电路的作用和常用类型。了解逻辑门电路的作用和常用类型。 理解高电平信号和低电平信号的含义。理解高电平信号和低电平信号的含义。 逻辑门电路逻辑门电路 TTL 即即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即即 Complementary Metal-Oxide-Semiconduct

2、or 一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分按功能特点不同分 普通门普通门 ( (推拉式输出推拉式输出) ) CMOS 传输门传输门 输出输出 开路门开路门 三态门三态门 门电路门电路 (Gate Circuit) 指用以实现基本逻辑关系和指用以实现基本逻辑关系和 常用复合逻辑关系的电子电路。常用复合逻辑关系的电子电路。 是构成数字电路的基本单元之一是构成数字电路的基本单元之一 按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分 与门与门 或门或门 非门非门 异或门异或门 与非门与非门 或非门或非门 与或非门与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分 TTL 集成门电路集成门电路

3、 CMOS 集成门电路集成门电路 输入端和输出端都用输入端和输出端都用 三极管的逻辑门电路。三极管的逻辑门电路。 用互补对称用互补对称 MOS 管构成的逻辑门电路。管构成的逻辑门电路。 逻辑门电路逻辑门电路 二、高电平和低电平的含义二、高电平和低电平的含义 高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定范围的电位值，而非一固定值。的电位值，而非一固定值。 高电平信号是多大的信号？低高电平信号是多大的信号？低 电平信号又是多大的信号？电平信号又是多大的信号？ 1 0 高电平高电平 低电平低电平 0 1 高电平高电平 低电平低电平 正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制 由门电路种类等决定由门

4、电路种类等决定 3.6V 2.4V 0.8V 0V 逻辑门电路逻辑门电路 主要要求：主要要求： 理解理解三极管的开关特性。三极管的开关特性。 掌握三极管开关工作的条件。掌握三极管开关工作的条件。 3.2三极管的开关特性三极管的开关特性 逻辑门电路逻辑门电路 IC(sat) Q A uCEUCE(sat) O iC M N IB(sat) T S 临界饱和线临界饱和线 饱饱 和和 区区 放大区放大区 一、三极管的开关作用及其条件一、三极管的开关作用及其条件 截止区截止区 uBE IB(sat) 因为因为 iB = IH B 0.7 VU R BB V .92V 7 . 06 . 3 RR C C

5、C B(sat) R V I mA 1 . 0 k 150 V 5 所以求得所以求得 RB ton 二、三极管的动态开关特性二、三极管的动态开关特性 开关时间主要由于开关时间主要由于电电 荷存储效应荷存储效应引起，要提高引起，要提高 开关速度，必须降低三极开关速度，必须降低三极 管饱和深度，加速基区存管饱和深度，加速基区存 储电荷的消散。储电荷的消散。 逻辑门电路逻辑门电路 C E B SBD B C E 在普通三极管的基极和集电极之间并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接一个肖特基势垒二极管( (简称简称 SBD) ) 。 B C SBD 抗饱和三极管的开关速度高抗饱和

6、三极管的开关速度高 没有电荷存储效应没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有的导通电压只有 0.4 V 而非而非 0.7 V， 因此因此 UBC = 0.4 V 时，时，SBD 便导通，使便导通，使 UBC 钳在钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。上，降低了饱和深度。 三、三、抗饱和三极管简介抗饱和三极管简介 逻辑门电路逻辑门电路 主要要求：主要要求： 了解了解 TTL 与非门的组成。与非门的组成。 了解了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。集成逻辑门的主要参数和使用常识。 3.3TTL 集成逻辑门集成逻辑门 掌握掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。基本门的逻辑功能和主要外特

7、性。 了解了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。 逻辑门电路逻辑门电路 A B C V1V2 V3 V4 V5 V6 VD1VD2VD3 R1R2 R4 R5 RB RC B1 C1 C2 E2 Y VCC +5V 输入级输入级中间倒相级中间倒相级输出级输出级 STTL系列与非门电路系列与非门电路 逻辑符号逻辑符号 8.2 k 900 50 3.5 k 500 250 V1V2 V3 V5 V6 一、一、TTL 与非门的基本组成与外特性与非门的基本组成与外特性 ( (一一) )典型典型 TTL 与非门电路与非门电路 除除V4外，采外，采 用了抗饱和三极用

8、了抗饱和三极 管，用以提高门管，用以提高门 电路工作速度。电路工作速度。 V4不会工作于饱不会工作于饱 和状态，因此用和状态，因此用 普通三极管。普通三极管。 输入级主要由多发射极管输入级主要由多发射极管 V1 和基和基 极电阻极电阻 R1 组成，用以实现输入变量组成，用以实现输入变量 A、 B、C 的与运算。的与运算。 VD1 VD3 为输入钳位二极管，用以为输入钳位二极管，用以 抑制输入端出现的负极性干扰。正常信抑制输入端出现的负极性干扰。正常信 号输入时，号输入时，VD1 VD3不工作，当输入的不工作，当输入的 负极性干扰电压大于二极管导通电压时，负极性干扰电压大于二极管导通电压时， 二

9、极管导通，输入端负电压被钳在二极管导通，输入端负电压被钳在 - -0.7 V上，这不但抑制了输入端的负极性干上，这不但抑制了输入端的负极性干 扰，对扰，对 V1 还有保护作用。还有保护作用。 中间级起倒相放大作中间级起倒相放大作 用，用，V2 集电极集电极 C2 和发射极和发射极 E2 同时输出两个逻辑电平同时输出两个逻辑电平 相反的信号，分别驱动相反的信号，分别驱动 V3 和和 V5。 RB、RC 和和 V6 构成有构成有 源泄放电路，用以减小源泄放电路，用以减小 V5 管开关时间，从而提高门管开关时间，从而提高门 电路工作速度。电路工作速度。 输出级输出级 由由 V3、V4、 R4、R5和

10、和V5 组成。其中组成。其中 V3 和和 V4 构构 成复合管，成复合管， 与与 V5 构成推构成推 拉式输出结拉式输出结 构，提高了构，提高了 负载能力。负载能力。 逻辑门电路逻辑门电路 电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路 0 uO/V uI/V 0.3 1.0 2.0 3.0 3.6 1.02.0 A CD B UOH UOL STTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线 ( (三三) ) TTL 与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 1. 电压传输特性电压传输特性和噪声容限和噪声容限 输出电压随输入电压变化的特性输出电压随输入电压变化的特性 uI 较小时工作于较

11、小时工作于AB 段，段， 这时这时 V2、V5 截止，截止，V3、V4 导通，输出恒为高电平，导通，输出恒为高电平， UOH 3.6V，称与非门工，称与非门工 作在截止区或处于关门状作在截止区或处于关门状 态。态。 uI 较大时工作于较大时工作于 BC 段，这时段，这时 V2、V5 工作于工作于 放大区，放大区， uI 的微小增大的微小增大 引起引起 uO 急剧下降，称与急剧下降，称与 非门工作在转折区。非门工作在转折区。 uI 很大时工作于很大时工作于 CD 段，段， 这时这时 V2、V5 饱和，输出恒为饱和，输出恒为 低电平，低电平，UOL 0.3V，称与非，称与非 门工作在饱和区或处于开

12、门状门工作在饱和区或处于开门状 态。态。 电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路 0 uO/V uI/V 0.3 1.0 2.0 3.0 3.6 1.02.0 A CD B UOH UOL STTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线 饱和区：与非门饱和区：与非门 处于开门状态。处于开门状态。 截止区：与非门截止区：与非门 处于关门状态。处于关门状态。 转折区转折区 逻辑门电路逻辑门电路 下面介绍与下面介绍与电压传输特电压传输特 性有关的主要参数：性有关的主要参数： 有关参数有关参数 0 uO/V uI/V 0.3 1.0 2.0 3.0 3.6 1.02.0 A CD B UOH

13、UOL 电压传输特性曲线电压传输特性曲线 标准高电平标准高电平 USH 当当 uO USH 时，则认为输出高时，则认为输出高 电平，通常取电平，通常取 USH = 3 V。 标准低电平标准低电平 USL 当当 uO USL 时，则认为输出低时，则认为输出低 电平，通常取电平，通常取 USL = 0.3 V。 关门电平关门电平 UOFF 保证输出保证输出不小于不小于标准高电平标准高电平USH 时时,允许的输入低电平的最大值。允许的输入低电平的最大值。 开门电平开门电平 UON 保证输出保证输出不高于不高于标准低电平标准低电平USL 时时,允许的输入高电平的最小值。允许的输入高电平的最小值。 阈值

14、电压阈值电压 UTH 转折区中点对应的输入电压，转折区中点对应的输入电压， 又称门槛电平。又称门槛电平。 USH = 3V USL = 0.3V UOFFUONUTH 近似分析时认为：近似分析时认为： uI UTH，则与非门开通，则与非门开通， 输出低电平输出低电平UOL； uI UTH，则与非门关闭，则与非门关闭， 输出高电平输出高电平UOH。 逻辑门电路逻辑门电路 噪声容限越大，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。 指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。 UNL = UOFF UIL 指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。指输入高电平时

15、，允许的最大负向噪声电压。 UNH = UIH UON 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许 值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许 值称为值称为噪声容限噪声容限。 输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限 UNH 输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限 UNL 逻辑门电路逻辑门电路 输入负载特性测试电路输入负载特性测试电路 输入负载特性输入负载特性曲线曲线 0 uI /V R1/k UOFF 1.1 F N ROFFRON 2. 输入负载特性输入负载特性 ROFF 称关门电阻。称关门电阻。RI RON 时，相应输

16、入端相当时，相应输入端相当 于输入高电平。对于输入高电平。对 STTL 系列，系列，RON 2.1 k 。 RONROFF UOFF 逻辑门电路逻辑门电路 例例 下图中，已知下图中，已知 ROFF 800 ，RON 3 k ，试对应，试对应 输入波形定性画出输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。与非门的输出波形。 ( (a) )( (b) ) t A 0.3 V 3.6 V O 不同不同 TTL 系列，系列， RON、 、 ROFF 不同。 不同。 相应输入端相当于输入低电平，相应输入端相当于输入低电平， 也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 0 。 逻辑逻辑0 因此因此 Ya 输出恒为高电

17、平输出恒为高电平 UOH 。 相应输入端相当于输入高电平，相应输入端相当于输入高电平， 也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 1 。 逻辑逻辑1 AAYb 1 因此，可画出波形如图所示。因此，可画出波形如图所示。 Yb t O Ya t UOH O 解：图解：图( (a) )中，中，RI = 300 RON 3 k 逻辑门电路逻辑门电路 3. 输出输出负载特性负载特性 负载电流流入与负载电流流入与 非门的输出端。非门的输出端。 负载电流从与非门负载电流从与非门 的输出端流向外负载。的输出端流向外负载。 负载电流流入驱动门负载电流流入驱动门 IOL 负载电流流出驱动门负载电流流出驱动门 IOH

18、输入均为输入均为 高电平高电平 输入有输入有 低电平低电平 输出为低电平输出为低电平 输出为高电平输出为高电平 灌电流负载灌电流负载 拉电流负载拉电流负载 不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载 电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致 电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。 实用中常用实用中常用扇出系数扇出系数 NOL 、 NOH表示电路负载能力。表示电路负载能力。 门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。 通常按照负通常按照负 载电流的流向将载

19、电流的流向将 与非门负载分为与非门负载分为 灌电流负载灌电流负载 拉电流负载拉电流负载 逻辑门电路逻辑门电路 由于三极管存在开关时间，元、器件由于三极管存在开关时间，元、器件 及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩 形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。 输入信号输入信号 UOm0.5 UOm 0.5 UImUIm 输出信号输出信号 4. 传输延迟时间传输延迟时间 输入电压波形下降沿输入电压波形下降沿 0.5 UIm 处到输出电压上升沿处到输出电压上升沿 0.5 Uom 处间隔的时间称处间隔的时间称截止延迟时间截止延迟时间 tPL

20、H。 输入电压波形上升沿输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿处到输出电压下降沿 0.5 Uom 处间隔的时间称处间隔的时间称导通延迟时间导通延迟时间 tPHL L。 平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd 2 PLHPHL pd tt t tPHLtPLH tpd 越小，则门电越小，则门电 路开关速度越高，工路开关速度越高，工 作频率越高。作频率越高。 0.5 UIm 0.5 UOm 逻辑门电路逻辑门电路 5. 功耗功耗- -延迟积延迟积 常用功耗常用功耗 P 和平均传输延迟时间和平均传输延迟时间 tpd 的乘积的乘积( (简称简称 功耗功耗 延迟积延迟积) )来来综合评价

21、门电路的性能，即综合评价门电路的性能，即 M = P tpd 性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的 特点，然而这两者矛盾。特点，然而这两者矛盾。 M 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。 逻辑门电路逻辑门电路 使用时需使用时需外接外接 上拉电阻上拉电阻 RL 即即 Open collector gate，简称简称 OC 门。门。 常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与 或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来或非门和异或门等。它们都是在与非门基础

22、上发展出来 的，的，TTL 与非门的上述特性对这些门电路大多适用。与非门的上述特性对这些门电路大多适用。 二、其他功能的二、其他功能的 TTL 门电路门电路 ( (一一) )集电极开路与非门集电极开路与非门 1. 逻辑符号逻辑符号 OC门门 逻辑门电路逻辑门电路 相当于与门作用。相当于与门作用。 因为因为 Y1、Y2 中有低电中有低电 平时，平时，Y 为低电平；只有为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，均为高电平时，Y 才为高电平，故才为高电平，故 Y = Y1 Y2。 2. 应用应用 ( (1) ) 实现线与实现线与 两个或多个两个或多个 OC 门的输出端直接相连，门的输出端直接相连，

23、相当于将这些输出信号相与，称为线与。相当于将这些输出信号相与，称为线与。 Y 只有只有 OC 门才能实现线与。普通门才能实现线与。普通 TTL 门输出端不能并联，否则可能损坏器件。门输出端不能并联，否则可能损坏器件。 注意注意 CDABCDABY 逻辑门电路逻辑门电路 ( (2) )驱动显示器和继电器等驱动显示器和继电器等 例例 下图为用下图为用 OC 门驱动发光二极管门驱动发光二极管 LED 的显示电路。的显示电路。 已知已知 LED 的正向导通压降的正向导通压降 UF = 2V，正向工作电流，正向工作电流 IF = 10 mA，为保证电路正常工作，试确定，为保证电路正常工作，试确定 RC

24、的值。的值。 解解：为保证电路正常工作，应满足为保证电路正常工作，应满足 F C OLF V5 C I R UU IR mA 10 V 3 . 0V 2V 5 C R 即即 因此因此RC = 270 分析：分析： 该电路只有在该电路只有在 A、B 均为均为 高电平，使输出高电平，使输出 uO 为低电平时，为低电平时， LED 才导通发光；否则才导通发光；否则 LED 中无电流流通，不发光。中无电流流通，不发光。 要使要使 LED 发光，应满足发光，应满足 IRc IF = 10 mA。 逻辑门电路逻辑门电路 TTLCMOS RL VDD+5 V ( (3) )实现电平转换实现电平转换 TTL

25、与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不 同种类门电路的高低电平标准不一样。应用同种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC 门就门就 可以适应负载门对电平的要求。可以适应负载门对电平的要求。 OC 门的门的 UOL 0.3V，UOH VDD，正好符合，正好符合 CMOS 电路电路 UIH VDD，UIL 0的要求。的要求。 VDD RL 逻辑门电路逻辑门电路 综上所述，可见：综上所述，可见： ( (二二) )三态输出门三态输出门 1. 逻辑符号逻辑符号 只有当使能信号只有当使能信号 EN = 0 时才允许三态门工作，故称时才允许三态门工作，故称 EN 低电

26、平有效低电平有效。 EN 称使能信号或控制信号，称使能信号或控制信号， A、B 称数据信号。称数据信号。 当当 EN = 0 时，时，Y = AB， 三态门处于工作态；三态门处于工作态； 当当 EN = 1 时，三态门输出呈时，三态门输出呈 现高阻态，又现高阻态，又称称禁止态。禁止态。 即即 Tri- -State Logic 门，门， 简称简称 TSL 门。其输出有高门。其输出有高 电平态、低电平态和高阻电平态、低电平态和高阻 态三种状态。态三种状态。 逻辑门电路逻辑门电路 EN 即即 Enable 功能表功能表 Z0 AB1 YEN 使能端的两种控制方式使能端的两种控制方式 使能端低电平有

27、效使能端低电平有效使能端高电平有效使能端高电平有效 功能表功能表 Z1 AB0 YEN EN 逻辑门电路逻辑门电路 2. 应用应用 任何时刻任何时刻 EN1、EN2、 EN3 中只能有一个为有效电平，中只能有一个为有效电平， 使相应三态门工作，而其他三使相应三态门工作，而其他三 态输出门处于高阻状态，从而态输出门处于高阻状态，从而 实现了总线的复用。实现了总线的复用。 总线总线 ( (1) )构成单向总线构成单向总线 逻辑门电路逻辑门电路 DI DO/DI DO 0 0 高阻态高阻态 工作工作 DI EN = 0 时，时， 总线上的数据总线上的数据 DI 经反相后在经反相后在 G2 输输 出端

28、输出。出端输出。 ( (2) )构成双向总线构成双向总线 DI DO/DI DO 1 1 工作工作 DO 高阻态高阻态 EN = 1 时，时， 数据数据 DO 经经 G1 反相后传送到反相后传送到 总线上。总线上。 DI DO/DI DO 1 1 工作工作 DO 高阻态高阻态 EN = 1 时，时， 数据数据 DO 经经 G1 反相后传送到反相后传送到 总线上。总线上。 DI DO/DI DO 逻辑门电路逻辑门电路 TTL 集成门的类型很多集成门的类型很多, ,那么那么 如何识别它们如何识别它们? ?各类型之间有何异各类型之间有何异 同同? ?如何选用合适的门如何选用合适的门? ? 三、三、T

29、TL 集成门应用要点集成门应用要点 1. . 各系列各系列 TTL 集成门的比较与选用集成门的比较与选用 用于民品用于民品 用于军品用于军品 具有完全相同的电路结构和电气性能具有完全相同的电路结构和电气性能 参数，但参数，但 CT54 系列更适合在温度条件恶系列更适合在温度条件恶 劣、供电电源变化大的环境中工作。劣、供电电源变化大的环境中工作。 按工作温度和电源允许变化范围不同分为按工作温度和电源允许变化范围不同分为 CT74 系列系列 CT54 系列系列 逻辑门电路逻辑门电路 向高速向高速 发展发展 向低功向低功 耗发展耗发展 按平均传输延迟时间和平均功耗不同分按平均传输延迟时间和平均功耗不

30、同分 向减小向减小 功耗功耗 - - 延迟积延迟积 发展发展 措施：增大电阻值措施：增大电阻值 措施：措施： ( (1) ) 采用采用 SBD 和抗饱和三极管；和抗饱和三极管； ( (2) ) 采用有源泄放电路；采用有源泄放电路； ( (3) ) 减小电路中的电阻值。减小电路中的电阻值。 其中，其中，LSTTL 系列综合性能优越、品种多、系列综合性能优越、品种多、 价格便宜；价格便宜； ALSTTL 系列性能优于系列性能优于 LSTTL，但品，但品 种少、价格较高，因此种少、价格较高，因此实用中多选用实用中多选用 LSTTL。 CT74 系列 系列( (即标准即标准 TTL ) ) CT74L

31、 系列系列 ( (即低功耗即低功耗 TTL 简称简称 LTTL) ) CT74H 系列系列 ( (即高速即高速 TTL 简称简称 HTTL) ) CT74S 系列系列 ( (即肖特基即肖特基TTL 简称简称 STTL) ) CT74AS 系列系列 ( (即先进肖特基即先进肖特基TTL 简称简称 ASTTL) ) CT74LS 系列系列 ( (即低功耗肖特基即低功耗肖特基TTL 简称简称 LSTTL) ) CT74ALS 系列系列 ( (即先进低功耗肖特基即先进低功耗肖特基TTL 简称简称 LSTTL) ) 逻辑门电路逻辑门电路 集成门的选用要点集成门的选用要点 ( (1) )实际使用中的最高工

32、作频率实际使用中的最高工作频率 fm 应不大于逻辑门最高工作应不大于逻辑门最高工作 频率频率 fmax 的一半。的一半。 ( (2) )不同系列不同系列 TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通中，器件型号后面几位数字相同时，通 常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速 度度( (平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd ) )和平均功耗不同。实际使用和平均功耗不同。实际使用 时，时， 高速门电路可以替换低速的；反之则不行。高速门电路可以替换低速的；反之则不行。 例如例如 CT7400 CT74L00 CT74H00 CT74S00 C

33、T74LS00 CT74AS00 CT74ALS00 xx74xx00 引脚图引脚图 双列直插双列直插 14 引脚引脚 四四 2 输入与非门输入与非门 逻辑门电路逻辑门电路 2. TTL 集成逻辑门的使用要点集成逻辑门的使用要点 ( (1) )电源电压用电源电压用 + 5 V， 74 系列应满足系列应满足 5 V 5% 。 ( (2) )输出端的连接输出端的连接 普通普通 TTL 门输出端不允许直接并联使用。门输出端不允许直接并联使用。 三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有 一个门工作，其他门输出处于高阻状态。一个门工作，其他门输出处于高

34、阻状态。 集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和 电源电源 VCC 之间应接负载电阻之间应接负载电阻 RL。 输出端不允许直接接电源输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。或直接接地。 输出电流应小于产品手册上规定的最大值。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。 逻辑门电路逻辑门电路 3. 多余输入端的处理多余输入端的处理 与门和与非门的多余输入端接逻辑与门和与非门的多余输入端接逻辑 1 或者与有用输入端并接。或者与有用输入端并接。 接接 VCC 通过通过 1 10 k 电阻接电阻接 VCC 与有用输入端并接与有用输入端并接 TTL 电路输

35、入端悬空时相当于输入高电平，电路输入端悬空时相当于输入高电平， 做实验时与门和与非门等的做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，多余输入端可悬空， 但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。 逻辑门电路逻辑门电路 或门和或非门的多余输入端接逻辑或门和或非门的多余输入端接逻辑 0 或者与有用输入端并接或者与有用输入端并接 逻辑门电路逻辑门电路 例例 欲用下列电路实现非运算，试改错。欲用下列电路实现非运算，试改错。 ( (ROFF 700 ，RON 2.1 k ) 逻辑门电路逻辑门电路 解：解： OC 门输出门输出 端需外接端需外接 上拉电阻上拉电阻 R

36、C 5.1k Y = 1Y = 0 RI RON ，相应输入，相应输入 端为高电平。端为高电平。 510 RI ROFF ，相应，相应 输入端为低电平。输入端为低电平。 逻辑门电路逻辑门电路 是由增强型是由增强型 PMOS 管和增强型管和增强型 NMOS 管组成管组成 的互补对称的互补对称 MOS 门电路。比之门电路。比之 TTL，其突出优点，其突出优点 为：微功耗、抗干扰能力强。为：微功耗、抗干扰能力强。 主要要求：主要要求： 了解了解 CMOS 数字集成电路的应用要点。数字集成电路的应用要点。 掌握掌握CMOS 与非门、或非门、开路门、与非门、或非门、开路门、 三态门和传输门的电路和逻辑功

37、能。三态门和传输门的电路和逻辑功能。 3.4CMOS 集成逻辑门集成逻辑门 逻辑门电路逻辑门电路 ( (二二) )漏极开路的漏极开路的 CMOS 门门 简称简称 OD 门门 与与 OC 门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。 Y = AB 逻辑门电路逻辑门电路 ( (三三) )CMOS 传输门传输门 C = 1，C = 0 时，传输门开通，时，传输门开通，uO = uI； C = 0，C = 1 时，传输门关闭，信号不能传输。时，传输门关闭，信号不能传输。 TG uI/uOuO/uI C C 传输门逻辑符号传输门逻辑符号 TG 即即 Tra

38、nsmission Gate 的缩写的缩写 传输门是一个理想的传输门是一个理想的双向开关，双向开关， 可传输模拟信号可传输模拟信号，也可传输，也可传输数字信号数字信号。 逻辑门电路逻辑门电路 ( (四四) )CMOS 三态输出门三态输出门 EN = 1 时，输出端时，输出端 Y 呈现高阻态。呈现高阻态。 因此构成使能端低因此构成使能端低 电平有效的三态门。电平有效的三态门。 EN = 0 时，时， Y = A EN 逻辑门电路逻辑门电路 三、三、CMOS 数字集成电路应用要点数字集成电路应用要点 ( (一一) )CMOS 数字集成电路系列数字集成电路系列 CMOS4000 系列系列 功耗极低、

39、抗干扰能力强；功耗极低、抗干扰能力强； 电源电压范围宽电源电压范围宽 VDD = 3 15 V； 工作频率低，工作频率低，fmax = 5 MHz； 驱动能力差驱动能力差。 高速高速CMOS 系列系列 ( (又称又称 HCMOS 系列系列) ) 功耗极低、抗干扰能力强；电功耗极低、抗干扰能力强；电 源电压范围源电压范围 VDD = 2 6 V； 工作频率高，工作频率高，fmax = 50 MHz； 驱动能力强。驱动能力强。 提高速度措施：减小提高速度措施：减小 MOS 管的极间电容。管的极间电容。 由于由于CMOS电路电路 UTH VDD / 2，噪声容限，噪声容限 UNL UNH VDD /

40、 2，因，因 此抗此抗干扰能力很强。电干扰能力很强。电 源电压越高，抗干扰能源电压越高，抗干扰能 力越强。力越强。 逻辑门电路逻辑门电路 民品民品 军品军品 VDD = 2 6 V T 表示与表示与 TTL 兼容兼容 VDD = 4.5 5.5 V CC54HC / 74HC 系列系列 CC54HC / 74HC 系列系列 TT 按按电源电压电源电压不同分为不同分为 按工作温度不同分为按工作温度不同分为 CC74 系列系列 CC54 系列系列 高速高速 CMOS 系列系列 逻辑门电路逻辑门电路 1. 注意不同系列注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同，电路允许的电源电压范围不同，

41、一般多用一般多用 + + 5 V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。电源电压越高，抗干扰能力也越强。 ( (二二) )CMOS 集成逻辑门使用要点集成逻辑门使用要点 2. 闲置输入端的处理闲置输入端的处理 不允许悬空。不允许悬空。 可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容， 使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。 与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平； 或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。 逻辑门电路逻辑门电路

42、主要要求：主要要求： 了解了解 TTL 和和 CMOS 电路的主要差异。电路的主要差异。 了解了解集成门电路的选用和应用。集成门电路的选用和应用。 3.5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 逻辑门电路逻辑门电路 一、一、CMOS 门门电路比之电路比之 TTL 的主要特点的主要特点 注意：注意：CMOS 电路的扇出系数大是由于其负载门电路的扇出系数大是由于其负载门 的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非并非 CMOS 电电 路的驱动能力比路的驱动能力比 TTL 强。强。实际上实际上 CMOS4000 系列驱动系列驱动 能力远小于能力远小于 TTL，HCM

43、OS 驱动能力与驱动能力与 TTL 相近。相近。 功耗极低功耗极低 抗干扰能力强抗干扰能力强 电源电压范围宽电源电压范围宽 输出信号摆幅大输出信号摆幅大( (UOH VDD，UOL 0 V) ) 输入阻抗高输入阻抗高 扇出系数大扇出系数大 逻辑门电路逻辑门电路 二、集成逻辑门电路的选用二、集成逻辑门电路的选用 根据电路工作要求和市场因素等综合决定根据电路工作要求和市场因素等综合决定 若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用 TTL 电路。电路。目前多用目前多用 74LS 系列，它的功系列，它的功 耗较小，工作频率一般可用至耗较小，工作频率一般可用至 20 MHz

44、； 如工作频率较高，可选用如工作频率较高，可选用 CT74ALS 系列，系列， 其工作频率一般可至其工作频率一般可至 50 MHz。 若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用 CMOS 电路。电路。其中其中 CMOS4000 系列一般用于系列一般用于 工作频率工作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的以下、驱动能力要求不高的 场合；场合；HCMOS 常用于工作频率常用于工作频率 20 MHz 以下、以下、 要求较强驱动能力的场合。要求较强驱动能力的场合。 逻辑门电路逻辑门电路 解：解： 三、集成逻辑门电路应用举例三、集成逻辑门电路应用举例 例例 试改正下图电

45、路的错误，使其正常工作。试改正下图电路的错误，使其正常工作。 CMOS 门门TTL 门门OD 门门 (a)(b)(c)(d) VDD CMOS 门门 Ya = AB VDD Yb = A + B TTL 门门 OD 门门 Yc = A VDD EN Yd= A B EN = 1 时时 EN = 0 时时 OD 门门 & TTL 门门 悬空悬空 CMOS 门门 悬空悬空 逻辑门电路逻辑门电路 可用两级电路可用两级电路 2 个与非门实现之个与非门实现之 例例 试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。 解：解：( (1) ) 用与非门实现与门用与非门实现与门设

46、法将设法将 Y = AB 用与非式表示用与非式表示 因为因为 Y = AB = AB 因此，用与非门实现的与门电路为因此，用与非门实现的与门电路为 Y = AB 将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门 逻辑门电路逻辑门电路 可用两级电路可用两级电路 3 个与非门实现个与非门实现 ( (2) ) 用与非门实现或门用与非门实现或门 因此，用与非门实现的或门电路为因此，用与非门实现的或门电路为 Y = A + B 因为因为 Y = A + B = A + B = A B 设法将设法将 Y = A + B 用与非式表示用与非式表示 实现实现 A 实现实现

47、B 逻辑门电路逻辑门电路 可用两级电路可用两级电路 3 个或非门实现之。个或非门实现之。 ( (3) ) 用或非门实现与门用或非门实现与门设法将设法将 Y = AB 用或非式表示用或非式表示 因此，用或非门实现的与门电路为因此，用或非门实现的与门电路为 因为因为 Y = AB = A B = A + B 将或非门多余输入端与将或非门多余输入端与 有用端并联使用构成非门有用端并联使用构成非门 Y = AB 逻辑门电路逻辑门电路 可用两级电路可用两级电路 2 个或非门实现之个或非门实现之 ( (4) ) 用或非门实现或门用或非门实现或门 设法将设法将 Y = A + B 用或非式表示用或非式表示

48、因为因为 Y = A + B = A + B 因此，用或非门实现的或门电路为因此，用或非门实现的或门电路为 Y = A + B 逻辑门电路逻辑门电路 例例 有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光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。产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。 输输 入入输输 出出 A B CY 0 0 0 0 0 1 0

49、1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 解：解：( (1) ) 分析设计要求，建立真值表分析设计要求，建立真值表 感三种不同类型的火灾探测器感三种不同类型的火灾探测器 有烟感、温感和紫外光有烟感、温感和紫外光 产生报警信号产生报警信号 两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才 与非门设计与非门设计 报警电路的输入信号为烟感、温感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，设和紫外光感三种探测器的输出信号，设 用用 A、B、C 表示，且规定有火灾探测信表示，且规定有火灾探测信 号时用号时用 1 表示，否则

50、用表示，否则用 0 表示。表示。 报警电路的输出用报警电路的输出用 Y 表示，且规表示，且规 定需报警时定需报警时Y 为为 1 ，否则，否则 Y 为为 0。 由此可列出真值表如右图所示由此可列出真值表如右图所示 1 1 1 1 0 0 0 0 ( (2) ) 根据根据真值表画函数卡诺图真值表画函数卡诺图 逻辑门电路逻辑门电路 1 1 A BC 0 1 00 0111 10 1 1 ( (3) ) 用卡诺图化简法求用卡诺图化简法求 出输出逻辑函数的最出输出逻辑函数的最 简与或表达式，再变简与或表达式，再变 换为与非表达式。换为与非表达式。 Y = AB + AC + BC ( (4) ) 画逻辑

51、图画逻辑图 根据根据 Y 的与非表达式画逻辑图的与非表达式画逻辑图 =AB AC BC A B C Y =AB AC BC 逻辑门电路逻辑门电路 门电路是组成数字电路的基本单元之一，最基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、三态门门、与或非门、异或门、输出开路门、三态门 和和 CMOS 传输门等。门电路的传输门等。门电路的学习重点是常学习重点是常 用集成门的逻辑功能、外特性和应用方法。用集成门的

52、逻辑功能、外特性和应用方法。 本章小结本章小结 逻辑门电路逻辑门电路 在数字电路中，三极管作为开关使用。在数字电路中，三极管作为开关使用。 硅硅 NPN 管管的截止条件为的截止条件为 UBE 0.5 V ，可可 靠截止条件为靠截止条件为 UBE 0 V，这时这时 iB 0，iC 0，集集 电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件 为为 iB IB(sat) ，这时，硅管的这时，硅管的 UBE(sat) 0.7 V， UCE(sat) 0.3 V，集电极和发射极之间相当于开集电极和发射极之间相当于开 关闭合。关闭合。 三极管的三极管的开关时间限制了开关速度

53、。开关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，加速基区存储度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储 电荷的消散。电荷的消散。 逻辑门电路逻辑门电路 TTL 数字集成电路主要有数字集成电路主要有 CT74 标准系列、标准系列、 CT74L 低功耗系列、低功耗系列、CT74H 高速系列、高速系列、 CT74S 肖特基系列、肖特基系列、CT74LS 低功耗肖特基低功耗肖特基 系列、系列、CT74AS 先进肖特基系列和先进肖特基系列和 CT74ALS 先进低功耗肖特基系列。其中，先进低功耗肖特基系列。其中，CT74L 系列系列 功耗最小，功耗最小，CT74AS 系列工作频率最高。系列工作频率最高。 通常用功耗通常用功耗 - - 延迟积来综合评价门电路性能。延迟积来综合评价门电路性能。 CT74LS 系列功耗系列功耗- -延迟积很小、性能优越、延迟积很小、性能优越、 品种多、价格便宜，实用中多选用之。品种多、价格便宜，实用中多选用之。 ALSTTL 系列性能更优于