集成逻辑门电路讲课教案

1、集成逻辑门电路S为受控开关，当二极管、三极管截为受控开关，当二极管、三极管截止时相当于止时相当于S断开，输出为高电平。断开，输出为高电平。当二极管、三极管导通时，相当于当二极管、三极管导通时，相当于S闭合，输出为低电平。闭合，输出为低电平。 第一节第一节 二极管、三极管的开关特性二极管、三极管的开关特性 能够实现各种基本逻辑关系的电路称为能够实现各种基本逻辑关系的电路称为门电路门电路。二值逻辑变。二值逻辑变量量1和和0在电路中是两种截然相反的状态，靠二极管、三极管开关在电路中是两种截然相反的状态，靠二极管、三极管开关的闭合和断开来控制和实现的，所以门电路也称的闭合和断开来控制和实现的，所以门电

2、路也称开关电路开关电路。 + 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 时的等效电路uououi0V时，二极管截止如同开关断开，uo0V。ui5V时，二极管导通，如同0.7V的电压源，uo4.3V。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。二极管的反向恢复时间限制了二极管的开关速度。Ui0.5V时，二极管导通。2 2、三、三极管的开关特性极管的开关特性Q2ui iB e Rb biC (mA) 直流负载线 VCC Rc 0+VC

3、CiC 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=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V饱和区截止区放大区3 3、场效应、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uiUTuo01 1、二

4、极管与门二极管与门+VCC(+5V) R 3k Y D1A D2B5V0VuA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0.7V0.7V0.7V5V导通 导通导通 截止截止 导通截止 截止A BY0 00 11 01 10001Y=AB第二节第二节 基本逻辑门电路基本逻辑门电路A D1B D2 5V 0V YR3k2 2、二极管或门二极管或门uA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0V4.3V4.3V4.3V截 止 截 止截 止 导 通导 通 截 止导 通 导 通A BY0 00 11 01 10111Y=A+BA =40+5V Y电路图1逻辑符号AY

5、1k4.3k3 3、三极管非门三极管非门uA0V时，三极管截止，iB0，iC0，输出电压uYVCC5VuA5V时，三极管导通。基极电流为：iBIBS，三极管工作在饱和状态。输出电压uYUCES0.3V。mA1mA3 . 47 . 05Bi三极管临界饱和时的基极电流为：mA16. 01303 . 05BSIAY0110AY 2.3 TTL2.3 TTL集成逻辑门电路集成逻辑门电路T4 A BR13kT3T2T1Y R4100+VCC(+5V)T5 A BTTL与非门电路R2750R3360R53k1 1、TTL与非门与非门输入信号不全为1：如uA=0.3V， uB=3.6V R4100T4 A

6、BR13kT3T2T1Y+VCC(+5V)T5R2750R3360R53k0.7V0.7V+-3.6V0.3V1V则uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4导通忽略iB3，输出端的电位为：输出Y为高电平。uY50.70.73.6VT4ABR13kT3T2T1YR4100+VCC(+5V)T5R2750 R3360 R53k0.7V0.7V+-+-0.3V+-0.3V3.6V3.6V输入信号全为1：如uA=uB=3.6V2.1V则uB1=2.1V，T2、T5导通，T3、T4截止输出端的电位为： uY=UCES0.3V输出Y为低电平。BAYuA uBuY0.3V 0.3V0.3V

7、3.6V3.6V 0.3V3.6V 3.6V3.6V3.6V3.6V0.3VA BY0 00 11 01 11110功能表功能表真值表真值表逻辑表达式逻辑表达式74LS00 的引脚排列图VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14 13 12 11 10 9 874LS20 1 2 3 4 5 6 7VCC 2A 2B NC 2C 2D 2Y 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND74LS20 的引脚排列图 14 13 12 11 10 9 874LS00 1 2 3 4 5 6 774LS00内含4个2输入与非门，74LS20内含2个4输入

8、与非门。 14 13 12 11 10 9 874LS04 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND6 反相器 74LS04 的引脚排列图T4AR13kT3T2T1YR4100+VCCT5R2750R3360R53kTTL 反相器电路A=0时，T2、T5截止，T3、T4导通，Y=1。A=1时，T2、T5导通，T3、T4截止，Y=0。AY TTL非门 14 13 12 11 10 9 874LS02 1 2 3 4 5 6 7VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A 1Y 1B 1A 2Y 2B 3A GND74LS02

9、的引脚排列图T4ABR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T2T1R1TTL 或非门电路BAYTTL或非门 14 13 12 11 10 9 874LS51 1 2 3 4 5 6 7VCC 2B 2C 2D 2E 2F 2Y 2A 1A 1B 1C 1D 1Y GND74LS51 的引脚排列图T4ABCDR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T2T1R1TTL 与或非门电路DCBAYTTL与或非门与门ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B11或门AB1YY=A+B=A+B异或门AB&11YBABABABABABABABABAY)()(AB=1Y2

10、、集电极开路、集电极开路 “与非与非” 门电路门电路(OC门门)OC 与非门的电路结构AB+VCCYR YABCD&OC 门线与图+VCCR Y1 Y2 T1 T2 T3 uB1问题的提出：为解决一般TTL与非门不能线与而设计的。A、B不全为1时，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接电阻R后：A、B全为1时，uB1=2.1V，T2、T3饱和导通，Y=0。BAY外接电阻R的取值范围为：ILOLOLCCmIIUVmaxIHOHOHCCmInIUVminROC门&Y1Y2Y3YOC门实现门实现“线与线与”功能功能Y=Y1Y2Y3UCCRL“线与线与”输出端直接相连输出端直接

11、相连返回目录返回目录3、 三态输出门电路（三态输出门电路（TS门）门）三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。何为高阻状态？悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为，故称为高阻状态。测电压为0V，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为0A。(1)电路结构：增加了控制输入端（Enable）。 1）三态门的电路结构(2)工作原理：01截止YAB EN = 0时，时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。10导通1.0V1.0V截止截止悬空当EN = 1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。控制端高电平有效的三态门2) 逻辑符号控制端低电平有效的三态门用“”表示输出为三态

12、。高电平有效低电平有效3）三态门的主要应用实现总线传输要求各门的控制端要求各门的控制端ENEN轮流轮流为高电平，且在任何时刻只有为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。一个门的控制端为高电平。如有如有8 8个门，则个门，则8 8个个ENEN端的端的波形应依次为高电平，如下所波形应依次为高电平，如下所示。示。4 4、TTL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，平均功耗P10mW。74H：高速系列高速系列，是在74系列基础上改进得到的，其典型电路与非门的平均

13、传输时间tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列肖特基系列，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。5. TTL门电路的使用知识门电路的使用知识 1多余或暂时不用的输入端尽量不悬空，可按以下方法处理：（1 1）与其它输入端并联使用。）与其它输入端并联使用。 （2 2）将与门、与非门的多余输入端接电源；将或门、）将与

14、门、与非门的多余输入端接电源；将或门、或非门的多余输入端接地。或非门的多余输入端接地。 (1) (1) 在每一块插板的电源线上，并接几十在每一块插板的电源线上，并接几十FF的低频去的低频去耦电容和耦电容和0.010.01 0.047F0.047F的高频去耦电容，以防止的高频去耦电容，以防止TTLTTL电路的电路的动态尖峰电流产生的干扰。动态尖峰电流产生的干扰。 (2) (2) 整机装置应有良好的接地系统。整机装置应有良好的接地系统。2 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。CMOS OD门、门、TSL门及传输门门及传输门&1YAB+VDDRD外接AB&Y(a)

15、电路(b) 符号ABYCMOS OD门2.4 CMOS2.4 CMOS集成逻辑门电路集成逻辑门电路CMOS TSL门11ENAETP2TP1 YTN1TN2AEY+VDD(a) 电路(b) 符号E=1时，TP2、TN2均截止，Y与地和电源都断开了，输出端呈现为高阻态。E=0时，TP2、TN2均导通，TP1、TN1构成反相器。可见电路的输出有高阻态、高电平和低电平3种状态，是一种三态门。C+VDDTGuiuiuouoTPTNCCC(a) 电路(b) 符号CMOS 传输门C0、 ，即C端为低电平（0V）、 端为高电平（VDD）时， TN和TP都不具备开启条件而截止，输入和输出之间相当于开关断开一样

16、。C1、 ，即C端为高电平（VDD）、 端为低电平（0V）时，TN和TP都具备了导通条件，输入和输出之间相当于开关接通一样，uoui。1C0CCC使用集成电路时的注意事项（1）对于各种集成电路，使用时一定要在推荐的工作条件范围内，否则将导致性能下降或损坏器件。（2）数字集成电路中多余的输入端在不改变逻辑关系的前提下可以并联起来使用，也可根据逻辑关系的要求接地或接高电平。TTL电路多余的输入端悬空表示输入为高电平；但CMOS电路，电路，多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作多余的输入端不允许悬空，否则电路将不能正常工作。（3）TTL电路和电路和CMOS电路之间一般不能直接连接，而需利用电

17、路之间一般不能直接连接，而需利用接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的接口电路进行电平转换或电流变换才可进行连接，使前级器件的输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得输出电平及电流满足后级器件对输入电平及电流的要求，并不得对器件造成损害对器件造成损害。 在数字系统中，往往出现在数字系统中，往往出现CMOSCMOS电路和电路和TTLTTL电路混合使用的情况，这就需要处理电路混合使用的情况，这就需要处理好两种门电路之间前后连接的问题；有时也需要特殊处理门电路和驱动电流较大好两种门电路之间前后连接的问题；有时也需要特殊处理门电路和驱动电流较大的负载之间的连接问题，这

18、就是所谓的的负载之间的连接问题，这就是所谓的接口问题接口问题。 在前后连接的两级中，称前级为驱动级，后级为负载级，驱动级应为负载级在前后连接的两级中，称前级为驱动级，后级为负载级，驱动级应为负载级提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流，即应同时满足下列各式：提供合乎标准的高、低电平和足够的驱动电流，即应同时满足下列各式： 驱动门驱动门 负载门负载门U UOH(min) OH(min) U UIH(min)IH(min)U UOL(max) OL(max) U UIL(max)IL(max) I IOH(max) OH(max) nInIIH(max)IH(max) I IOL(max) OL

19、(max) mImIIL(max)IL(max)其中其中n n和和m m分别为负载电流中分别为负载电流中I IIHIH、I IILIL的个数，如图所示。的个数，如图所示。驱动门与负载门的连接2.5 2.5 不同类型门电路的接口不同类型门电路的接口一、用用TTLTTL电路驱动电路驱动CMOSCMOS电路电路 用用TTLTTL电路驱动电路驱动40004000系列和系列和74HC74HC系列系列CMOSCMOS电路电路用接入上拉电阻提高用接入上拉电阻提高TTLTTL电路输电路输出的高电平出的高电平在在TTL电路的输出端与电源之间接入上拉电阻电路的输出端与电源之间接入上拉电阻RU2. 2. 用用TTL

20、TTL电路驱动电路驱动74HCT74HCT系列系列CMOSCMOS电路电路 TTL TTL电路的输出可以满足电路的输出可以满足74HCT74HCT系列的所有输入要求，接口时系列的所有输入要求，接口时无需另加任何元器件，只要将无需另加任何元器件，只要将TTLTTL电路的输出端直接与电路的输出端直接与 74HCT74HCT电电路输入端连接起来就可以了。路输入端连接起来就可以了。二二 用用CMOSCMOS电路驱动电路驱动TTLTTL电路电路 1. 1. 用用40004000系列系列CMOSCMOS电路驱动电路驱动7474系列系列TTLTTL电路。电路。 （1 1） 将同一封装内的将同一封装内的CMO

21、SCMOS门并联使用，以扩大输出低电平门并联使用，以扩大输出低电平时的带负载能力，如图所示。时的带负载能力，如图所示。将将CMOSCMOS门电路并联以提高带负载能力门电路并联以提高带负载能力 （2 2）将）将CMOSCMOS输出端增加一级输出端增加一级CMOSCMOS驱动器（如驱动器（如40104010、40107 40107 等），等），4010740107输出低电平时输出低电平时I IOLOL16mA,16mA,能驱动能驱动1010个个54/7454/74系列的系列的 TTLTTL门。若找不到合适的驱动器，可用三极管放大器来实现电流门。若找不到合适的驱动器，可用三极管放大器来实现电流的扩展

22、，如图所示。的扩展，如图所示。(a)(a)通过通过CMOSCMOS驱动器驱动驱动器驱动TTLTTL电路电路 (b)(b)通过电流放大器驱动通过电流放大器驱动TTLTTL电路电路2. 2. 用用40004000系列系列CMOSCMOS电路驱动电路驱动74LS74LS系列系列TTLTTL电路电路 如果负载门如果负载门74LS74LS只有一个，可直接用只有一个，可直接用40004000系列系列CMOSCMOS电路驱电路驱动动74LS74LS系列系列TTLTTL电路。如果所带负载门个数电路。如果所带负载门个数 m 1,m 1,则仍需要用则仍需要用上面讲的办法去接口。上面讲的办法去接口。3. 3. 用用

23、74HC/74HCT74HC/74HCT系列系列CMOSCMOS电路驱动电路驱动TTLTTL电路电路 无论负载门是无论负载门是7474系列系列TTLTTL电路还是电路还是74LS74LS系列系列TTLTTL电路，都可电路，都可以直接用以直接用74HC74HC或或74HCT74HCT系列系列 CMOSCMOS门驱动。门驱动。 三、门电路带负载时的接口电路三、门电路带负载时的接口电路 当用门电路驱动执行性负载时，应根据负载的要求进行正确的接口。当用门电路驱动执行性负载时，应根据负载的要求进行正确的接口。1 1、用门电路直接驱动显示器件、用门电路直接驱动显示器件 在数字电路中，往往需要用发光二极管来

24、显示传输的信息，如简单的逻在数字电路中，往往需要用发光二极管来显示传输的信息，如简单的逻辑器件的状态，七段数码显示，图形符号显示等等。在每种情况下均须接口辑器件的状态，七段数码显示，图形符号显示等等。在每种情况下均须接口电路将数字信号转换为模拟信号进行显示。电路将数字信号转换为模拟信号进行显示。2. 2. 机电性负载接口机电性负载接口 如控制电动机的位置和转速，继电器的接通与断开，流体系统中的阀门如控制电动机的位置和转速，继电器的接通与断开，流体系统中的阀门的开通和关闭，自动生产线中的机械手多参数控制等。以继电器的接口电路的开通和关闭，自动生产线中的机械手多参数控制等。以继电器的接口电路为例来说明。为例来说明。 一般情况下，需要