数字逻辑基础逻辑门电路组合逻辑电路

1、数字逻辑基础逻辑门电路组合逻辑电路获得高、低电平的基本方法：利用半导体开关元件的导通、截止（即开、关）两种工作状态。逻辑0和1： 电子电路中用高、低电平来表示。2.1 2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性逻辑门电路：用以实现基本和常用逻辑运算的电子电路。简称门电路。基本和常用门电路有与门、或门、非门（反相器）、与非门、或非门、与或非门和异或门等。二极管符号：正极负极uD + ui RL +uo D开关电路 IF 0.5 0.7iD(mA) uD(V)伏安特性UBR0 + ui=0V RL +uo Dui=0V时的等效电路 + + ui=5V RL +uo D 0.7Vui=5V 时的等效电

2、路uououi0V时，二极管截止，如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如同的电压源，uo。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。Ui时，二极管截止，iD=0。Ui时，二极管导通。10 ViVoKVccR只要能判断高只要能判断高低电平即可低电平即可K开开-Vo=1, 输出高电平输出高电平K合合-Vo=0, 输出低电平输出低电平可用三极可用三极管代替管代替R1R2AF+VccuAtuFt+Vcc0.3V三极管的开关特性：三极管的开关特性： 三三极管的开关特性极管的开关特性 NPN 型三极管截止、放大、饱和3 种工作状态的特点工作状态截 止放 大饱 和条 件iB00iBIBSiBI

3、BS偏置情况发射结反偏集电结反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集电极电流iC0iCiBiCICSce间电压uCEVCCuCEVCCiCRcuCEUCES0.3V工作特点ce间等效电阻很大，相当开关断开可变很小，相当开关闭合Q2ui iB e Rb biC (mA) 直流负载线 VCC Rc 0+VCCiC uo工作原理电路输出特性曲线80A60A40A20AiB=00 UCES VCC uCE(V) 0 0.5 uBE(V)输入特性曲线iB(A)Q1Q Rc cRbRc+VCCbce截止状态饱和状态iBIBSui=UILuo=+VCCui=UIHuoRbRc+VCCbce0.7V0.3

4、V饱和区截止区放大区 10k ui iB e Rb b +VCC=+5V iC uo Rc 1k c =50 ui时，因为uBE，iB=0，三极管工作在截止状态，ic=0。因为ic=0，所以输出电压：ui=1V时，三极管导通，基极电流：因为0iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压：uoUCES二极管与门二极管与门FD1D2AB+12VuA uB uF 0V 0V 0.3V 0V 3V 0.3V 3V 0V 0.3V 3V 3V 3.3V 设二极管的饱和压降设二极管的饱和压降为伏。为伏。 2.3 分立元件门电路分立元件门电路 二极管或门二极管或门uA uB uF 0V 0V -0.3V 0V

5、 3V 2.7V 3V 0V 2.7V 3V 3V 2.7V FD1D2AB-12VR1DR2AF+12V +3V三极管非门三极管非门uA uF 3V 0.3 0V 3.3 嵌位二极管嵌位二极管（三极管的饱和压降（三极管的饱和压降假设为伏）假设为伏）R1DR2F+12V +3V三极管非门三极管非门D1D2AB+12V二极管与门二极管与门与非门与非门1. 体积大、工作不可靠。体积大、工作不可靠。2. 需要不同电源。需要不同电源。3. 各种门的输入、输出电平不匹配。各种门的输入、输出电平不匹配。分立元件门电路的缺点分立元件门电路的缺点2.4.1 TTL与非门的基本原理与非门的基本原理与分立元件电路

6、相比，集成电路具与分立元件电路相比，集成电路具有体积小、可靠性高、速度快的特点，有体积小、可靠性高、速度快的特点，而且输入、输出电平匹配，所以早已广而且输入、输出电平匹配，所以早已广泛采用。根据电路内部的结构，可分为泛采用。根据电路内部的结构，可分为DTL、TTL、HTL、MOS管管集成门电集成门电路等。路等。 2.4 TTL集成门电路集成门电路TTL与非门的内部结构与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCCBAF 1. 任一输入为低电平（）时任一输入为低电平（）时“0”1V不足以让不足以让T2、T5导通导通三个三个PN结结导通需导通需2.1V+5VF

7、R4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC +5VFR4R2R13kR5T3T4T1b1c1ABC1. 任一输入为低电平（）时任一输入为低电平（）时“0”1Vuouo=5-uR2-ube3-ube4高电平！高电平！ 2. 输入全为高电平（）时输入全为高电平（）时“1”全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在全反偏全反偏 1V截止截止+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 2. 输入全为高电平（）时输入全为高电平（）时+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uFABCF 一、电压传输特性一、电压传输特性2.4.2 TTL与非

8、门的特性和技术参数与非门的特性和技术参数测试电路测试电路&+5Vuiu0u0(V)ui(V)123UOH(3.4V)UOL(0.3V)传输特性曲线传输特性曲线u0(V)ui(V)123UOH“1”UOL(0.3V)阈值阈值UT理想的传输特性理想的传输特性输出高电平输出高电平输出低电平输出低电平1. 输出高电平输出高电平UOH、输出低电平、输出低电平UOL UOH 2.4V UOL 0.4V 便认为合格。便认为合格。 典型值典型值UOH=3.4V UOL 0.3V 。 2. 阈值电压阈值电压UTuiUT时，认为时，认为ui是高电平。是高电平。UT二、输入、输出负载特性二、输入、输出负载特

9、性&？1. 前后级之间电流的联系前后级之间电流的联系R1T1+5V前级输出为前级输出为 高电平时高电平时前级前级后级后级反偏反偏前级流出前级流出电流电流IOH（拉电流）（拉电流）+5VR4R2R5T3T4 前级输出为前级输出为 低电平时低电平时R1T1+5V前级前级后级后级流入前级的电流入前级的电流流IOL 约约 1.4mA (灌电流灌电流)+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1 1155RbeTTIOL结压降的压降 mA4 . 137 . 03 . 05 灌电流的计算灌电流的计算饱和饱和名称及符号名称及符号 含义含义 输入低电平电流输入低电平电流 IiL 输入为低电平时流入输输入

10、为低电平时流入输入端的电流入端的电流-1 .4mA。 输入高电平电流输入高电平电流 IiH 输入为高电平时流入输输入为高电平时流入输入端的电流入端的电流几十几十A。 IOL及其极限及其极限 IOL（max） 当当 IOL IOL(max)时时，输出输出不再是低电平。不再是低电平。 IOH及其极限及其极限 IOH (max) 当当 IOH IOH(max)时时， 输出输出不再是高电平。不再是高电平。 关于电流的技术参数关于电流的技术参数2. 扇出系数扇出系数N0与门电路输出驱动同类门的个数与门电路输出驱动同类门的个数+5VR4R2R5T3T4T1前级前级T1T1IiH1IiH3IiH2IOH前级

11、输出为前级输出为 高电平时高电平时例如：例如： +5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为前级输出为 低电平时低电平时 输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：输出低电平时，流入前级的电流（灌电流）：21iLiLOLIII输出高电平时，前级流出的电流（拉电流）：输出高电平时，前级流出的电流（拉电流）：21iHiHOHIII一般与非门的扇出系数为一般与非门的扇出系数为10。 由于由于IOL、IOH的限制，每个门电路输出端所的限制，每个门电路输出端所带门电路的个数，称为扇出系数。带门电路的个数，称为扇出系数。OLOLILINI3. 输入端通过电阻输入

12、端通过电阻R接地的情况接地的情况Rui输入端输入端“1”,“0”？+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC R较小时较小时R较小时，较小时，uiUT 相当输入低电平相当输入低电平，所以，所以输出为高电平。输出为高电平。Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC )5(11beiURRRuRR33 . 4R增大增大Ruiui UT时，输入变高，输出变时，输入变高，输出变低电平。低电平。RR33 . 4)V(4 . 1R临界临界 Rui+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC 1. 悬空的输入端相当于接高电平。悬空的

13、输入端相当于接高电平。2. 为了防止干扰，可将悬空的输入为了防止干扰，可将悬空的输入端接高电平。端接高电平。4. 平均传输时间平均传输时间tuiotuoo50%50%tpd1tpd2平均传输时间平均传输时间)(2121pdpdpdttt传输时间一传输时间一般为纳秒数般为纳秒数量级量级一、一、 集电极开路的与非门（集电极开路的与非门（OC门）门）集电极悬空集电极悬空无无T3,T4+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC T3T4 2.4.3 其它类型的其它类型的TTL门电路门电路符号符号应用时输出端要接一上拉负载电阻应用时输出端要接一上拉负载电阻RLRLUCC+5VFR2R13kT2R

14、3T1T5b1c1ABC ILOLOLCCmIIUVmaxIHOHOHCCmInIUVminR1. OC门可以实现门可以实现“线与线与”功能功能&UCCF1F2F3FF=F1F2F3RL输出级输出级 UCCRLT5T5T5 FF=F1F2F3?任一导通任一导通F=0UCCRLF1F2F3F 全部截止全部截止F=1F=F1F2F3?所以：所以：F=F1F2F3UCCRLF1F2F3F 2. 负载电阻负载电阻RL和电源和电源 UCC可以根据情况选可以根据情况选择择&J+30V 220VJ如如RL用继电器线圈（用继电器线圈（J）替代，可以）替代，可以实现对其它电路的控制。实现对其它电

15、路的控制。1. 如何确定上拉电阻如何确定上拉电阻RL?（RL(max) RL(min)）参考：教材参考：教材P52和和P53，阎石，阎石数字电子数字电子技术基础技术基础P802. 一般的一般的TTL与非门与非门能否能否线与？线与？参考：教材参考：教材P51倒数第六行，倒数第六行， 杨福生杨福生电子技术电子技术P320二、二、 三态门三态门E-控制端控制端+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB DEE 01截止截止ABF +5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB DEE 10导通导通截止截止截止截止高阻态高阻态+5VFR4R2R1T2R5R3T3T4T1T5AB DEE

16、 &ABFE符号符号输出高阻输出高阻0E1EABF 功能表功能表低电平起作用低电平起作用&ABFE符号符号输出高阻输出高阻1E0EABF 功能表功能表高电平起作用高电平起作用三态门主要作为三态门主要作为TTL电路与总线间电路与总线间的接口电路的接口电路用途：用途：E1、E2、E3轮流轮流接入高电平，将接入高电平，将不同数据（不同数据（A、B、C）分时送）分时送至总线。至总线。E1E2E3公用总线公用总线 ABCTTL系列集成电路及主要参数系列集成电路及主要参数TTL系列集成电路74：标准系列，前面介绍的TTL门电路都属于74系列，其典型电路与非门的平均传输时间tpd10ns，平

17、均功耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均传输时间tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列产品具有最佳的综合性能，是TTL集成电路的主流，是应用最广的系列。TTL与非门主要参数（1）输出高电平UOH：TTL与非门的一个或几个输入为低电平时的输出电平。产品规范值UOH，标准高电平USH。（2）高电平输出电流IO

18、H：输出为高电平时，提供给外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出高电平下降。IOH表示电路的拉电流负载能力。（3）输出低电平UOL：TTL与非门的输入全为高电平时的输出电平。产品规范值UOL，标准低电平USL。（4）低电平输出电流IOL：输出为低电平时，外接负载的最大输出电流，超过此值会使输出低电平上升。IOL表示电路的灌电流负载能力。（5）扇出系数NO：指一个门电路能带同类门的最大数目，它表示门电路的带负载能力。一般TTL门电路NO8，功率驱动门的NO可达25。（6）最大工作频率fmax：超过此频率电路就不能正常工作。（7）输入开门电平UON：是在额定负载下使与非门的输出电平达到标准低电平

19、USL的输入电平。它表示使与非门开通的最小输入电平。一般TTL门电路的UON (UIH。（8）输入关门电平UOFF：使与非门的输出电平达到标准高电平USH的输入电平。它表示使与非门关断所需的最大输入电平。一般TTL门电路的UOFF(UIL。（9）高电平输入电流IIH：输入为高电平时的输入电流，也即当前级输出为高电平时，本级输入电路造成的前级拉电流。（10）低电平输入电流IIL：输入为低电平时的输出电流，也即当前级输出为低电平时，本级输入电路造成的前级灌电流。（11）平均传输时间tpd：信号通过与非门时所需的平均延迟时间。在工作频率较高的数字电路中，信号经过多级传输后造成的时间延迟，会影响电路的

20、逻辑功能。（12）空载功耗：与非门空载时电源总电流ICC与电源电压VCC的乘积。2.6.1 CMOS反相器反相器0UDSID负载线负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”uiuoUCCRDS 2.6 CMOS逻辑门电路逻辑门电路一、场效应一、场效应管的开关特性管的开关特性 iD(mA) 0uDS(V)0 UT uGS(V)iD(mA)uGS=10V8V6V4V2V工作原理电路转移特性曲线输出特性曲线uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止状态uiUTuo0AA1电路图逻辑符号YYGSDB+VDD+10V RD20k当uA0V时，由于uGSuA0V，小于开

21、启电压UT，所以MOS管截止。输出电压为uYVDD10V。当uA10V时，由于uGSuA10V，大于开启电压UT，所以MOS管导通，且工作在可变电阻区，导通电阻很小，只有几百欧姆。输出电压为uY0V。AY 二、二、CMOS反相器反相器UCCST2DT1AFNMOS管管PMOS管管CMOS电路电路1 1、CMOS非门非门uA+VDD+10VTPTN+VDD+10V+VDD+10VSSRONPRONN10V0V(a) 电路(b) TN截止、TP导通(c) TN导通、TP截止uYuYuY（1）uA0V时，TN截止，TP导通。输出电压uYVDD10V。（2）uA10V时，TN导通，TP截止。输出电压u

22、Y0V。AY 2.6.2 2.6.2 CMOS门电路门电路1、CMOS与非门BY+VDDATP1TN1TN2TP2BAYA、B当中有一个或全为低电平时，TN1、TN2中有一个或全部截止，TP1、TP2中有一个或全部导通，输出Y为高电平。只有当输入A、B全为高电平时，TN1和TN2才会都导通，TP1和TP2才会都截止，输出Y才会为低电平。BY+VDDATN1TP2TN2TP12、CMOS或非门BAY只要输入A、B当中有一个或全为高电平，TP1、TP2中有一个或全部截止，TN1、TN2中有一个或全部导通，输出Y为低电平。只有当A、B全为低电平时，TP1和TP2才会都导通，TN1和TN2才会都截止，输出Y才会为高电平。与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B11或门AB1YY=A+B=A+B&1&1 & 1ABCDABCDABCDYYY(a) 由