第二章集成逻辑门电路

1、（2-1）电子技术电子技术数字电路部分数字电路部分第二章第二章 门电路门电路（2-2）第二章第二章 集成逻辑门电路集成逻辑门电路 2.1TTL门电路门电路 2.2 CMOS门电路门电路 2.3 各类门电路应注意的事项各类门电路应注意的事项 2.4可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列（2-3）数字集成电路的集成度数字集成电路的集成度一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数一块芯片中含有等效逻辑门或元器件的个数小规模集成电路小规模集成电路 SSI(Small Scale Integration) 10 门门/ /片片或或 100 10 000 门门/ /片片或或 100 000 元器件元器件/ /片片（2-

2、4）2. 1 TTL 集成门电路集成门电路（TransistorTransistor Logic）1 1、电路结构、电路结构+VCC(5V)R1uIuo4k AD1T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1 保护二极管保护二极管 防止输入电压过低。防止输入电压过低。当当 uI uB uE现在现在 : uE uB uC ，即，即 发射结反偏发射结反偏 集电结正偏集电结正偏 倒置放大倒置放大02. 0 i iii = i ib =(1+ i )ib4.3Vc e 3.6 V1.4V0.7V2.1V V6 . 3 )2(IHI Uu（2-7）1.

3、4V+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6 . 3 IHI UuT T1 1 倒置放大状态倒置放大状态mA 725. 011BCCB1 - - RuVimA74. 0)1(B1iB2 ii 假设假设 T T2 2 饱和导通饱和导通 V14BECES2C2 uuuT3 、D 均截止均截止mA 2.5 2C2CCCS2 - - RuVI( (设设1 4 = 20) )mA 125. 02CS2BS2 IIBS2B2B2 , mA 74. 0Iii 则则T T2 2 饱和的假设成立饱和的假设成立0.3ViB21VICS2iB10.7V2.1

4、V思考：思考：D 的作用？的作用？若无若无 D D，此时，此时 T T3 3 可以可以导通，电路将不能实现导通，电路将不能实现正常的逻辑运算正常的逻辑运算因为因为3.6 ViE1（2-8）+VCC(5V)R1uIuo4k AT1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y V6 . 3IHI UuT T1 1 倒置放大状态倒置放大状态T T2 2 饱和，饱和，T T3 3 、D D 均截止均截止3.6 2.1 1.4 0.7 1 T T4 4 的工作状态：导通的工作状态：导通放大还是放大还是饱和？饱和？R3E2B4iii- - mA 24. 3CS2B2E2 IiimA 0.717 .

5、 03E23 RuiRmA 2.54 iB2ICS2iB1iE1iE2iB4iR3又因为又因为 T T3 3、D D 均截止，即均截止，即0 0BS4CS4 II、BS4B4 Ii T T4 4 深度饱和深度饱和：uO = UCES4 0.3V（无外接负载）无外接负载）若外接负载若外接负载 R RL L ： BS4CS4 II O4 Tu的饱和程度的饱和程度RL+VCC0.3 所以所以（2-9）3. 3. 电压传输特性：电压传输特性：)(IOufu 1+VCC+5VuI+ +- -uO+ +- -A B0uO /VuI /V12341234AB 段：段：uI 0.5 V ， uB1 1.4 V

6、 ，T2 、T4 饱和饱和导通，导通， T T3 3 、D D 截止截止。uO = UOL 0.3 V阈值电压阈值电压（2-10）4. 输入端噪声容限输入端噪声容限uIuO1G1G21min IHUmax ILUNHUNLUOHUOLUmin OHUmax OLUIHUILU输出高电平输出高电平 V4 . 2min OH U典型值典型值 = 3.6 V 输出低电平输出低电平 V4 . 0max OL U典型值典型值 = 0.3 V 输入高电平输入高电平 V0 . 2min IH U典型值典型值 = 3.6 V 输入低电平输入低电平 V8 . 0max IL U典型值典型值 = 0.3 V UN

7、H 允许叠加的负向噪声电压的最大值允许叠加的负向噪声电压的最大值G2 输入高电平时的输入高电平时的噪声容限：噪声容限：V4 . 0IHminmin OHNH - - UUUUNL 允允许叠加的正向噪声电压的最大值许叠加的正向噪声电压的最大值G G2 2 输入低电平时的输入低电平时的噪声容限噪声容限：V4 . 0max OLILmaxNL - - UUU（2-11）2.1.2 TTL2.1.2 TTL反相器动态特性反相器动态特性传输延迟时间传输延迟时间1uIuO 50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL 输出电压由高到输出电压由高到 低时的传输延迟低时的传输延迟 时间。时间。

8、t tpdpd 平均传输延迟时间平均传输延迟时间2PLHPHLpdttt tPLH 输出电压由低到输出电压由低到 高时的传输延迟高时的传输延迟 时间。时间。tPHLtPLH典型值典型值： tPHL= 8 ns , tPLH= 12 ns最大值最大值： tPHL= 15 ns , tPLH= 22 ns（2-12）+VCC+5VR14k AD2T1T2T3T4DR21.6k R31k R4130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BT1 多发射极三极管多发射极三极管e1e2bc等效电路：等效电路：1 1. A. A、B B 只要有一个为只要有一个为 0 0 0.3V1V V1 V)7 .

9、 03 . 0( B1 uT2 、 T4截止截止5VT3 、 D 导通导通 V3.6 V)7 . 07 . 05(O - - - u V3 . 0BA uu V6 . 3 , V3 . 0BA uu V3 . 0 , V6 . 3BA uu2.1.3 2.1.3 其他类型的其他类型的TTLTTL辑门电路辑门电路一、一、TTL TTL 与非门与非门0.7VRL3.6V（2-13）+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V2.1V2. A、B 均为均为 1 V6 . 3

10、BA uu理论：理论： V3 . 4 V)7 . 06 . 3( B1 u实际：实际： V1 . 2 V)7 . 03( B1 uT T2 2 、T T4 4 导通导通T T3 3 、D D 截止截止uO = UCES4 0.3VTTL TTL 与非门与非门RL+VCC（2-14）+VCC+5V4k AD2T1T2T3T4D1.6k 1k 130 Y输入级输入级中间级中间级输出级输出级D1BR1R2R3R4TTL TTL 与非门与非门整理结果：整理结果：1110ABY00011011ABY ABY&（2-15）二、二、TTL TTL 或非门或非门+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4

11、DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 输入级输入级中间级中间级输出级输出级1.1.A A、B B只要有一个为只要有一个为 1 1 V6 . 3BA uu V6 . 3 , V3 . 0BA uu V3 . 0 , V6 . 3BA uuT2 、 T4 饱和饱和T2 、T3 、 D 截止截止uO = 0.3V2.1V1V0.3V3.6V0.3VRL+VCC（2-16）2.2.A A、B B 均为均为 0 0 V3 . 0BA uui iB1B1、i i B1B1分别流入分别流入T T1 1、T T 1 1 的发射极的发射极T T2 2 、T T 2 2均截止均截止则则 T T4 4 截止截止

12、T T3 3 、D D 导通导通 V3.6 V)7 . 07 . 05(O - - - u+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 0.3 V0.3 ViB1i B1RL输入级输入级中间级中间级输出级输出级TTL TTL 或非门或非门5V1V1V3.6V（2-17）整理结果：整理结果：1000ABY00011011BAY ABY1+VCC+5VR1AD1T1T2T3T4DR2R3R4YR 1BD1 T1 T2 输入级输入级中间级中间级输出级输出级TTL 或非门或非门（2-18）3 3、集电极开路门集电极开路门OC OC 门门(Open Collector

13、 Gate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B 1. 1. 电路组成及符号电路组成及符号+V CCRC外外接接YAB&+V CCRCOC OC 门必须外接负载电阻门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。和电源才能正常工作。AB可以线与连接可以线与连接V V CC CC 根据电路根据电路需要进行选择需要进行选择 2. OC 2. OC 门的主要特点门的主要特点（2-19）线与连接举例：线与连接举例：21YYY CDAB CDAB +VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT 1T 2T 4Y2D+V CCRC+V CCRCABY1AB&G1Y2CD&G2线与线

14、与YCDY（2-20）三、输出三态门三、输出三态门 TSLTSL门门(Three - State Logic)(1) (1) 使能端低电平有效使能端低电平有效1. 1. 电路组成电路组成+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3EN使能端使能端(2) (2) 使能端高电平有效使能端高电平有效1ENYA &ENBENYA&BENEN（2-21）以使能端低电平有效为例：以使能端低电平有效为例：2. 2. 三态门的工作原理三态门的工作原理PQ时时 0 ENP = 1（高电平）（高电平）电路处于正常工作电路处于正常工作状态：状态： D D3 3 截止截止，BAPBAY

15、 （Y = 0 或或 1）+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3EN使能端使能端（2-22）P = 0 ( (低电平低电平) )D3 导通导通时时 1 EN T2 、T4截止截止uQ 1 VT3、D 截止截止输出端与上、下均断开输出端与上、下均断开+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3EN可能输出状态：可能输出状态：0、1 或高阻态或高阻态QP 高阻态高阻态记做记做 Y = Z使能端使能端（2-23）3.3.应用举例：应用举例：(1) (1) 用做多路开关用做多路开关YA1EN1EN1ENA21G1G2使能端使能端10禁止禁止使能使能1A 01使能使

16、能禁止禁止2A 时时 0 EN时时 1 EN（2-24）(2) (2) 用于信号双向传输用于信号双向传输A1EN1EN1ENA21G1G2时时 1 EN2A 1A 时时 0 EN01禁止禁止使能使能10使能使能禁止禁止（2-25）(3) (3) 构成数据总线构成数据总线EN1EN1EN1G1G2Gn1EN2ENnENA1A2An数据总线数据总线011101110 注意：注意：任何时刻，只允许一个三态门使能，任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。其余为高阻态。（2-26）5 57474LSLS系列系列为低功耗肖特基系列。为低功耗肖特基系列。6 67474ASAS系列系列为先进肖特基系列，

17、为先进肖特基系列，它是它是7474S S系列的后继产品。系列的后继产品。7 77474ALSALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列，功耗肖特基系列，是是74LS74LS系列的后继产品。系列的后继产品。2.1.4 TTL2.1.4 TTL电路的改进系列电路的改进系列1 17474系列系列为为TTLTTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTLTTL器件。器件。2 27474L L系列系列为低功耗为低功耗TTLTTL系列，又称系列，又称LTTLLTTL系列。系列。3 37474H H系列系列为高速为高速TTLTTL系列。系列。4 47474S S系列系列为肖特基为肖特基TT

18、LTTL系列，进一步提高了速度。如图示。系列，进一步提高了速度。如图示。（2-27）1.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抗干扰功耗低功耗低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抗干扰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抗干扰功耗低功耗低低低( (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

19、强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474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2.2 数字集成数字集成CMOS门电路简介门电路简介（2-28）2.2.1 CMOS反相器反相器UCCST2DT1AFNMOS管管PMOS管管CMOS电路电路（2-29）+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+ +- -uGSN+ +- -uGSP2. 5 CMOS 门电路门电路2.5.1 CMOS2.5.1 CMOS反相器的工作原理反相器的工作原理AY 一、电路组成及工作原理一、电路组成及

20、工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0 V UTN UTN UTP导通导通截止截止0 VUTN = 2 VUTP = - - 2 V+10VRONPuY +VDD10VSTNTP+10VRONNuY +VDD0VSTNTP（2-30）二、二、电压传输特性和电流传输电压传输特性和电流传输特性特性1.1.电压传输特性电压传输特性：)(IOufu iD+VDDB1G1D1S1+ +uI - -uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB 段：段：uI Ron（2.5 k ）输入由输入由 0 1在一定范围内，在一定范围内，Ri的改的改变不

21、会影响输入电平变不会影响输入电平输入端输入端 悬空悬空即即 Ri = 输入为输入为 “1” 不允许不允许多余输入多余输入端的处理端的处理1. 与门、与非门接电源；或门、或非门接地。与门、与非门接电源；或门、或非门接地。2. 与其它输入端并联。与其它输入端并联。（2-39） 是数字电路中的基本开关元件，一般都工作在开关是数字电路中的基本开关元件，一般都工作在开关状态。状态。1. 1. ：是不可控的，利用其开关特性可是不可控的，利用其开关特性可构成二极管构成二极管与门与门和和或门或门。2. 2. ：是一种用电流控制且具有放大特性是一种用电流控制且具有放大特性的开关元件，的开关元件， 利用三极管的饱和导利用三极管的饱和导通与截止特性可构成通与截止特性可构成 非门非门 和其它和其它 TTLTTL 集成门电路集成门电路。3. 3. ：是一种具有