ch3逻辑门电路

1、3 逻辑门电路逻辑门电路3.1 逻辑门电路简介逻辑门电路简介3.2 MOS逻辑门电路逻辑门电路3.5 TTL逻辑门电路逻辑门电路3.7 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题3.8 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题1逻辑功能的实现逻辑功能的实现利用半导体器件的开关特性利用半导体器件的开关特性逻辑门：逻辑门： 实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路二极管二极管门电路门电路三极管三极管门电路门电路MOS门电路门电路TTL门电路门电路

2、PMOS门门NMOS门门CMOS门门21.CMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰强抗干扰强功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰强抗干扰强功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰强抗干扰强功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 747

3、4系列系列74LS系列系列74AS系列系列 74ALS2.TTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路3.1 逻辑门电路简介逻辑门电路简介3MOS管是金属管是金属氧化物氧化物半导体场效应管的简称。（半导体场效应管的简称。（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）N沟道增强型沟道增强型 ( (NMOS) )3.2.1 MOS管及其开关特性管及其开关特性N沟道耗尽型沟道耗尽型 ( (NMOS) )P沟道增强型沟道增强型 ( (PMOS) )P沟道耗尽型沟道耗尽型 ( (PMOS) )3.2 基本基本C

4、MOS逻辑门电路逻辑门电路4输出特性：输出特性：VGS一定的情况下，一定的情况下，iD与与VDS之间的关系。之间的关系。截止区：截止区：VGSVT， VDSV(BR)DS后，后，iD将随将随VDS增加而急剧增加，应避免此增加而急剧增加，应避免此种情况，以免损坏管子。种情况，以免损坏管子。5：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平: : MOS管截止，管截止， 输出高电平输出高电平当当I VT场效应场效应管的开关特性管的开关特性6MOS管相当于一个由管相当于一个由vGS控制的控制的无触点开关。无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，管工作在可变电阻区，相当于开关相当于开

5、关“闭合闭合”，输出为低电平。输出为低电平。MOS管截止，管截止，相当于开关相当于开关“断开断开”输出为高电平。输出为高电平。当输入为低电平时：当输入为低电平时：当输入为高电平时：当输入为高电平时：73.2.2 CMOS 反相器反相器1.1.工作原理工作原理AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止导通导通 10 V10 V 10V 0V导通导通截止截止0 VVTN = 2 VVTP = - - 2 V逻辑图逻辑图AL 逻辑表达式逻辑表达式vi (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10)VVVTPTNDD(

6、 8（1）当）当Vi2V，TN截止，截止，TP导通，输出导通，输出VoVDD=10V。（2）当）当2VVi5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。 （3）当）当Vi=5V，两管都工作在饱和区，两管都工作在饱和区， Vo=（VDD/2）=5V。（4）当）当5VVi8V， TP工作在饱和区，工作在饱和区， TN工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。（5）当）当Vi8V，TP截止，截止， TN导通，输出导通，输出Vo=0V。 可见：可见： CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压 Vth=VDD/22 2电压传输特性电压传输特性：（设（设: V VDDDD=10V

7、=10V， V VTNTN=|=|V VTPTP|=2V|=2V）95 5工作速度工作速度由于由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平非门的平均传输延迟时间约为均传输延迟时间约为10ns。10A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通1110与非门与非门1.CMOS 与与非门非门vA+VDD+10V

8、TP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&(a)(a)电路结构电路结构(b)(b)工作原理工作原理VTN = 2 VVTP = - - 2 V0V10VN输入的与非门的电路输入的与非门的电路?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?3.2.3 其他基本其他基本CMOS 逻辑门逻辑门11或非门或非门BAL 2.2.CMOS 或或非门非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通1000AB

9、10V10VVTN = 2 VVTP = - - 2 VN输入的或非门的电路的结构输入的或非门的电路的结构?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?12例例3.2.1 异或门电路异或门电路BA BABAXBAL BABA BA 13VVCCV0VDDTNTPi/Voo/ViCCTGVi/VoVoV/i模拟信号：TP和TN的衬底分别接+5V和-5V，输入信号的范围（-5V+5V）数字信号：TP和TN的衬底分别接+5V和0V， 输入信号的范围（0+5V）3.2.4 CMOS传输门传输门14工作原理工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|=VT=2V，VDD=+5V）VVCCV0VDDTNT

10、Pi/Voo/Vi（1 1）当）当C C接低电平接低电平0V0V，C C接高电平接高电平V VDDDD，V Vi i在在0V0VV VDDDD的范围变化时，的范围变化时，T TN N和和T TP P都都截止，输出呈高阻状态，输入电压不能传到输出端，相当于开关断开。截止，输出呈高阻状态，输入电压不能传到输出端，相当于开关断开。 （2 2）当）当C C接高电平接高电平V VDDDD，C C接低电平接低电平0V0V时，若时，若0V0VV Vi i（V VDDDD-V-VTNTN），），T TN N导通；导通；若若|V|VTPTP|V|Vi iVVDDDD，T TP P导通。即导通。即V VI I在在

11、0V0VV VDDDD的范围变化时，至少有一管导通，的范围变化时，至少有一管导通，输出与输入之间呈低电阻，将输入电压传到输出端，输出与输入之间呈低电阻，将输入电压传到输出端，Vo=VVo=Vi i，相当于开关闭，相当于开关闭合。合。C接高电平时，接高电平时，传输门工作传输门工作15传输门的应用传输门的应用图图3.2.21图图3.2.22163.3.1.CMOS逻辑门的保护和缓冲电路逻辑门的保护和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 vi vo 3.3 CMOS逻辑门电路的不同输出结构及参数逻辑门

12、电路的不同输出结构及参数17（1 1）输入端保护电路）输入端保护电路: :(1) 0 vI VDD + vDF 二极管导通电压：二极管导通电压：vDF(3) vI iB0条件条件饱饱 和和放放 大大截截 止止工作状态工作状态BJT的开关条件的开关条件 0 iB CSI CSI392. BJT的开关特性的开关特性从截止到导通从截止到导通开通时间开通时间 ton(=td+tr)建立基区电荷以形成饱和电流建立基区电荷以形成饱和电流从导通到截止从导通到截止关闭时间关闭时间 toff(= ts+tf)基区电荷消散所需要的时间基区电荷消散所需要的时间BJT饱和与截止两种状态的相饱和与截止两种状态的相互转换

13、需要一定的时间才能完成。互转换需要一定的时间才能完成。40CL的充、放电过程均需经历一定的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压的时间，必然会增加输出电压 O波波形的上升时间和下降时间，导致基形的上升时间和下降时间，导致基本的本的BJT反相器的开关速度不高。反相器的开关速度不高。基本基本BJT反相器的动态性能反相器的动态性能若带电容负载若带电容负载因此，为了改善其动态性能，增加若干因此，为了改善其动态性能，增加若干元器件构成元器件构成TTL反相器的基本电路。反相器的基本电路。 41输出级输出级T3、D、T4和和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开

14、关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电极和发射的集电极和发射极同时输出两个相极同时输出两个相位相反的信号，作位相反的信号，作为为T T3 3和和T T4 4输出级的输出级的驱动信号；驱动信号； Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1K W VCC(5V) 输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 3.5.2 TTL反相器的基本电路反相器的基本电路1. 1. 电路组成电路组成输入级输入级T1和电阻和电阻Rb1组成。用于提组成。用于提高电路的开关速度高

15、电路的开关速度422. TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善） （1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平（ I I = 0.2 V）截止截止导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平T4D4T3T2T1输入输入高电平高电平输出输出mA 0251 1B1CCB1.RvVi - - BS1B1Ii T1 深度饱和深度饱和V 3.6V 70705DBE4B4O - - - - - - ).(vvvvT2 、 T3截止，截止，T4 、D导通导通43（2）当输入为高电平（）当输入为高电平（ I = 3.6 V） T2、T3饱和导通饱和导通 T1:倒置的放大

16、状态。倒置的放大状态。 T4和和D截止。截止。使输出为低电平使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.2V44输入输入A输出输出L0110逻辑真值表逻辑真值表 逻辑表达式逻辑表达式 L = A 饱和饱和截止截止T4低电平低电平截止截止截止截止饱和饱和倒置工作倒置工作高电平高电平高电平高电平导通导通导通导通截止截止饱和饱和低电平低电平输出输出D4T3T2T1输入输入45（3 ）采用输入级以提高工作速度）采用输入级以提高工作速度 当当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间 T2、T3管的状态变化滞管的状态变化滞后于后于T1管，仍处于导通管，仍处于导通状态。状态。T1管管Je

17、正偏、正偏、Jc反偏，反偏， T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流（管射极电流（1+ 1 ） iB1很快地从很快地从T2的基区抽的基区抽走多余的存储电荷走多余的存储电荷,从而从而加速了输出由低电平到加速了输出由低电平到高电平的转换。高电平的转换。 46（4）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当当 O=0.2V时时当输出为低电平时，当输出为低电平时，T4截止，截止，T3饱和导通，其饱和电流全饱和导通，其饱和电流全部用来驱动负载部用来驱动负载a)带负载能力带负载能力47当当 O O= =3.6V时时 O由低到高电平跳变的瞬间，由低到

18、高电平跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小使充电，其时间常数很小使输出波形上升沿陡直。而当输出波形上升沿陡直。而当 O由高变低后，由高变低后， CL很快放电，很快放电，输出波形的下降沿也很好。输出波形的下降沿也很好。 T T3 3截止，截止，T T4 4组成的电压跟随组成的电压跟随器的输出电阻很小，输出高器的输出电阻很小，输出高电平稳定，带负载能力也较电平稳定，带负载能力也较强。强。输出端接负载输出端接负载电容电容CL时时，b)输出级对提高开关速度的作用输出级对提高开关速度的作用3.7.1 正负逻辑问题正负逻辑问题3.7 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题3.7.2 基本逻辑门的等效符号

19、及其应用基本逻辑门的等效符号及其应用483.7.1 正负逻辑问题正负逻辑问题1. 1. 正负逻辑的规定正负逻辑的规定 0 01 1 1 10 0正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑3.7 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题正逻辑体制正逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑1 1表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑0 0表示表示负逻辑体制负逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑0 0表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑1 1表示表示49 A B L 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 _与非门与非门A B L 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 某电路输入与输出电平表某

20、电路输入与输出电平表A B L L L H L H H H L H H H L 采用正逻辑采用正逻辑_或非门或非门采用负逻辑采用负逻辑与非与非 或非或非负逻辑负逻辑 正逻辑正逻辑2. 正负逻辑等效正负逻辑等效变换变换 与与 或或非非 非非503.7.2 基本逻辑门的等效符号及其应用基本逻辑门的等效符号及其应用1、 基本逻辑门电路的等效符号基本逻辑门电路的等效符号ABL LA B & B A 与非门及其等效符号与非门及其等效符号 B A BAL 1 系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有

21、效，输入端不加低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有效，输入端不加小圆圈。小圆圈。BA 51BABAL B A LAB 1 或非门及其等效符号或非门及其等效符号BAL & B A 52 & B A B A ABBAL 1 L=AB BABAL B A 1 & B A L=A+B BAABL BABAL 53 & B A L 1 & B A & B A L 1 & B A & B A L & & B A 2、逻辑门等效符号的应用、逻辑门等效符号的应用利用逻辑门等效符号，可实现对逻辑电路进行变换，利用逻辑门等效符号，可实

22、现对逻辑电路进行变换，以简化电路，能减少实现电路的门的种类。以简化电路，能减少实现电路的门的种类。LA B & B A 54 RE & 1 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IC L EN AL G1 G2 控制电路控制电路AL REL0 AL1 RE3、逻辑门等效符号强调低电平有效、逻辑门等效符号强调低电平有效L=055 RE & L G2 AL & AL G2 L RE & AL G2 L RE 如如RE、AL都要求高电平有效，都要求高电平有效，EN高电平有效高电平有效如如RE、AL都要求

23、低电平有效，都要求低电平有效，EN高电平有效高电平有效如如RE、AL都要求高电平有效，都要求高电平有效，EN低电平有效低电平有效563.8 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题3.8.1 各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题3.8.2 门电路带负载时的接口问题门电路带负载时的接口问题571)驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值（属于围，包括高、低电压值（属于电压兼容性电压兼容性的问题）。的问题）。在数字电路或系统的设计中，往往将在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和和C

24、MOS两种器件两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：2)驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流灌电流（属（属于门电路的于门电路的扇出数扇出数问题）；问题）；3.8.1 各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题58vOvI驱动门驱动门 负载门负载门1 1 VOH(min)vO VOL

25、 (max) vI VIH(min)VIL (max ) 负载器件所要求的输入电压负载器件所要求的输入电压VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)59灌电流灌电流IILIOLIIL拉电流拉电流IIHIOHIIH101111n个个011101n个个对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流 IOH(max) IIH(total)IOL(max) IIL(total)60驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流 驱动电路驱动电路 负载电路负载电路1、）、）VOH(min) VIH(min)2、）、

26、）VOL(max) VIL(max)3、）、）IOL(max) IIL(total)驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平 IOH(max) IIH(total)4、）、）612、 CMOS门驱动门驱动TTL门门VOH（min)=4.9V VOL(max) =0.1VTTL门（门（74系列）系列）： VIH(min) = 2V VIL(max )= 0.8VIOH（max)=-0.51mAIIH（max)=20 AVOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)带拉电流负载带拉电流负载输出、输入电压输出、输入

27、电压带灌电流负载带灌电流负载?T3 VCC VDD T4 R1 R2 R3 T1 T2 CMOS门门(4000系列）：系列）：IOL（max)=0.51mAIIL（max)=-0.4mA，IOH(max) IIH(total)62例例 用一个用一个74HC00与非门电路驱动一个与非门电路驱动一个74系列系列TTL反反相器和六个相器和六个74LS系列逻辑门电路。试验算此时的系列逻辑门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？门电路是否过载？VOH（min)=3.84V， VOL(max) =0.33VIOH（max)=-4mAIOL（max)=4mA 74HC00：IIH（max)=0.04mA

28、IIL（max)=1.6mA74系列：系列：VIH（min)=2V， VIL(max) =0.8V&111CMOS门门74系列系列74LS74LS系列系列74LS系列系列IIL（max)=-0.4mA，IIH（max)=0.02mA，VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)63总的输入电流总的输入电流IIL(total)=1.6mA+6 0.4mA=4mA灌电流情况灌电流情况 拉电流情况拉电流情况 74HC00: IOH(max)=4mA74系列反相器系列反相器: IIH(max)=0.04mA74LS门：门： IIH(max)=0.02mA总的输入电流总的

29、输入电流IIH(total)=0.04mA+6 0.02mA=0.16mA 74HC00: IOL(max)=4mA74系列反相器系列反相器: IIL(max)=1.6mA74LS门：门： IIL(max)=0.4mA驱动电路能为负载电路提供足够的驱动电流驱动电路能为负载电路提供足够的驱动电流&111CMOS门门 74系列系列74LS74LS系列系列643. 3. TTL门驱动门驱动CMOS门门(如如74HC ）VOH(min)= =2.7V VIH(min)为为3.5VTTL（74LS ）： CMOS（7474HC）：式式2、3、4、都能满足，但式、都能满足，但式1 1 VOH(min) VIH(min)不满足不满足（ IO ：TTL输出级输出级T3截止管的漏电流）截止管的漏电流）IHOOHn(IIRVVPDD - - 651. 用门电路直接驱动显示器件用门电路直接驱动显示器件3.8.2 门电路带负载