数字电路与逻辑设计-第三章-逻辑门电路-课件

1、第 3 章 逻辑门电路 介绍各种门电路的功能及特点，掌握门电路的外部特性即引脚功能及其应用。第 3 章 逻辑门电路 概述 第 3 章 逻辑门电路 在第一章中，我们已经知道逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。 所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过。 门电路的输入和输出之间存在一定的逻辑关系(因果关系)，所以门电路又称为逻辑门电路。其主要类型有与门、或门、与非门、或非门、异或门等。 概述第 3 章 逻辑门电路 在第一章中，我们已 由电子电路实现逻辑运算时，它的输入和输出信号都是用电位（或称电平）的高低表示的。高电平和低电平都不是一个固定的数值，而是有一定的变化范围。

2、门电路的输出状态与赋值对应关系：一般采用正逻辑即高电位对应“1”；低电位对应“0”。1UCC高电平00V低电平利用管子的开关特性能够实现各种门电路。 由电子电路实现逻辑运算时，它的输入和输出信号二极管、三极管的开关特性R1. 二极管的开关特性导通截止相当于开关断开相当于开关闭合S3V0VSRRD3V0V二极管、三极管的开关特性R1. 二极管的开关特性导通截止相2. 三极管的开关特性饱和截止3V0VuO 0相当于开关断开相当于开关闭合uO UCC+UCCuiRBRCuOTuO+UCCRCECuO+UCCRCEC3V0V2. 三极管的开关特性饱和截止3V0VuO 0相当于相3.1 基本逻辑门电路3

3、.1.1 二极管“与” 门电路 1. 电路2. 工作原理输入A、B、C全为高电平“1”，输出 Y 为“1”。输入A、B、C不全为“1”，输出 Y 为“0”。0V0V0V0V0V3V+U 12VRDADCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC“与” 门逻辑状态表0V3V3.1 基本逻辑门电路3.1.1 二极管“与” 门电路 1满足什么逻辑关系？表达式？逻辑符号？“与”想一想：Y=A B C&ABYC满足什么逻辑关系？表达式？逻辑符号？“与”想一想：Y=A 3.1.2 二极管或门电路 1. 电路0V0V0V0V0V3V3V3V3V0V0

4、0000011101111011001011101011111ABYC“或” 门逻辑状态表3V3V-U 12VRDADCABYDBC2. 工作原理输入A、B、C全为低电平“0”，输出 Y 为“0”。输入A、B、C有一个为“1”，输出 Y 为“1”。3.1.2 二极管或门电路 1. 电路0V0V0V0V0V满足什么逻辑关系？表达式？逻辑符号？“或”想一想：Y=A+B+CABYC 1满足什么逻辑关系？表达式？逻辑符号？“或”想一想：Y=A+B3.1.3 三极管“非” 门电路+UCC-UBBARKRBRCYT 1 0截止饱和逻辑表达式：Y=A“0”10“1” 1. 电路“0”“1”AY“非” 门逻辑

5、状态表逻辑符号1AY3.1.3 三极管“非” 门电路+UCC-UBBARKRB例：根据输入波形画出输出波形ABY1有“0”出“0”，全“1”出“1”有“1”出“1”，全“0”出“0”&ABY1 1ABY2Y2例：根据输入波形画出输出波形ABY1有“0”出“0”，全“1R1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极管与门&ABFR1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极管与门逻辑式：&ABF逻辑符号：3.1.4 “与非” 门电路R1DR2F+12V+3V三极管非门D1D2AB+12V二极1. 体积大、工作不可靠。2. 需要不同电源。3. 各种门的输入、输出电平不匹

6、配。分立元件门电路的缺点：采用类似的方法还可以构成或非门、异或门等。数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。1. 体积大、工作不可靠。2. 需要不同电源。3. 各3.2 TTL数字集成逻辑门电路(三极管三极管逻辑门电路) TTL门电路是双极型集成电路，与分立元件相比，具有速度快、可靠性高和微型化等优点，目前分立元件电路已被集成电路替代。下面介绍集成 “与非”门电路的工作原理、特性和参数。3.2 TTL数字集成逻辑门电路(三极管三极管逻辑门电路输入级中间级输出级3.2

7、.1 TTL“与非”门电路1. 电路 T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T1E2E3E1B等效电路C多发射极三极管“与”“非”复合管形式输入级中间级输出级3.2.1 TTL“与非”门电路1. T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T1“1”(3.6V)(1) 输入全为高电平“1”(3.6V)时2. 工作原理4.3VT2、T5饱和导通钳位2.1VE结反偏截止“0”(0.3V) 负载电流（灌电流）输入全高“1”,输出为低“0”1V T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2 T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2+5V T12

8、. 工作原理1VT2、T5截止 负载电流（拉电流）(2) 输入端有任一低电平“0”(0.3V)(0.3V)“1”“0”输入有低“0”输出为高“1” 流过 E结的电流为正向电流VY 5-0.7-0.7 =3.6V5V T5Y R3R5AB CR4R2R1 T3 T4T2有“0”出“1”全“1”出“0”“与非”逻辑关系00010011101111011001011101011110ABYC“与非” 门逻辑状态表Y=A B C逻辑表达式： Y&ABC“与非”门有“0”出“1”全“1”出“0”“与非”逻辑关系0001003.2.1 TTL“与非”门的技术参数(1) 电压传输特性：输出电压 UO与输入电

9、压 Ui的关系。CDE电压传输特性测试电路01231234 Ui /VUO/V&+5VUiUoVVAB阈值电压UT=1.4v3.2.1 TTL“与非”门的技术参数(1) 电压传输特ABCDE(2)TTL“与非”门的参数电压传输特性典型值UOH =3.6V，UOH(min)=2.4V典型值UOL = 0.3V，UOL(max)= 0.4V输出高电平电压UOH输出低电平电压UOL输出高电平电压UOH和输出低电平电压UOLUO/V01231234 Ui /VABCDE(2)TTL“与非”门的参数电压传输特性典型值UO（3）噪声容限门电路抗干扰能力低电平噪声容限电压UNL高电平噪声容限电压UNH噪声容

10、限越大，抗干扰能力越强（3）噪声容限门电路抗干扰能力低电平噪声容限电压UNL高ABDE低电平噪声容限电压UNL保证输出高电平电压不低于额定值90%的条件下所允许叠加在输入低电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。UNL=UOFF UIL允许叠加干扰（3）噪声容限门电路抗干扰能力UOFF UOFF是保证输出为额定高电平的90%时所对应的最大输入低电平电压。0.9UOH输入低电平电压UIL01231234 Ui /VUO/VABDE低电平噪声容限电压UNL保证输出高电平电压不低于额输入高电平电压UIHAB高电平噪声容限电压UNH保证输出低电平电压的条件下所允许叠加在输入高 电平电压上的最大噪声（或干扰

11、）电压。UNH=UIHUON允许叠加干扰UON UON是保证输出为额定低电平时所对应的最小输入高电平电压。DE01231234 Ui /VUO/V（3）噪声容限门电路抗干扰能力输入AB高电平噪声容限电压UNH保证输出低电平电压的条件下VNHVOH(min)-VIH(min)VNLVIL(max)-VOL(max)其中VIH(min)VON其中VIL(max)VOFFG1G2本书输入端噪声容限示意图VNHVOH(min)-VIH(min)VNLVIL(m（4）输入输出特性&？前后级之间电流的联系存在两种情况 （1）前级输出为 高电平 （2）前级输出为 低电平（4）输入输出特性&？前后级之间电流的

12、联系存在两种情况前级输出为 高电平时前级后级反偏+5VR4R2R5T3T4R1T1+5V级间电流：流出前级，记为IOH（拉电流）。拉电流能力：维持UOH时，所允许的最大拉电流值。前级输出为 高电平时前级后级反偏+5VR4R2R5T3T4R前级输出为 低电平时前级后级R1T1+5V级间电流：流入前级，记为IOL ，约 1.4mA 。称为灌电流。+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级输出为 低电平时前级后级R1T1+5V级间电流：流入前级灌电流的计算饱和压降R1T1+5V+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1灌电流的计算饱和压降R1T1+5V+5VR2R13kT2R3说明：TTL门电路

13、的负载电流IOH（输出端为高电平的负载电流）、IOL（输出端为低电平的负载电流），主要由晶体管的材料和工艺所决定的，由厂家告知的，从输出极的原理图上是分析不出IOH、IOL的大小的。看一实例说明：TTL门电路的负载电流IOH（输出端为高电平的负载电流 右图是某同学设计的0、1信号指示器。发光二极管亮表示1，暗表示0。1AYIOHA=1，Y=0，输出低电平，发光二极管中没有电流流过，暗（不亮）！A=0，Y=1，输出高电平3.6V，发光二极管中有电流流过，亮！对吗？不对！ 右图是某同学设计的0、1信号指示器。发光二极 其实不然，如果采用六反相器74CS04，六个反相器中的一个接成上面的电路，那么无

14、论A=0还是1，发光二极管都不会亮。为什么？！因为发光二极管发光的电流是5mA左右，而74CS04的IOH400A0.4mA，即其输出高电平时所能提供的负载电流只有0.4mA，与发光二极管发光所需的电流差一个数量级。 已知74CS04的IOL8mA（负号表示与IOH方向相反，这里是流进，前者是流出） ,怎样连接，才能达到理想的效果 ？ 其实不然，如果采用六反相器74CS04，六个反相器1AYIOL+5VIOL8mA（负号表示与IOH方向相反，这里是流进，前者是流出）1AYIOL+5VIOL8mA（负号表示与IOH方向相反(5) 扇入扇出系数 扇入系数Ni：TTL与非门的输入个数 扇出系数No：

15、与非门电路输出能驱动同类门的个数。它用以衡量逻辑门的负载能力。 扇出系数根据负载性质不同而不同。(5) 扇入扇出系数 扇入系数Ni：TTL与非门的输入个数IiH1IiH3IOH前级输出为 高电平时：+5VR4R2R5T3T4T1前级T1T1IiH2IiH1IiH3IOH前级输出为 高电平时：+5VR4R2RT1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级IOLIiL1IiL2IiL3前级输出为低电平时：与非门的扇出系数一般是8。T1T1T1+5VR2R13kT2R3T1T5b1c1前级I有关电流的技术参数有关电流的技术参数 输入端通过电阻R接地Rui+5VFR4R2R13kT2R5R

16、3T3T4T1T5b1c1ABC问题：这时，输入是“1”还是“0”？ 输入端通过电阻R接地Rui+5VFR4R2R13kT2RR 较小时：uiUT ， T2不导通，输出高电平。R增大时：Ruiui=UT时，输出低电平。+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRuiR 较小时：uiUT ， T2不导通，输出高电平。R增大时+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABCRui计算临界电阻值：即：当R1.45k时，可以认为输入为“1”； 当R1.45k时，可以认为输入为“0”。+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1以上分析说明： 悬

17、空的输入端相当于接高电平。为了防止干扰，一般将悬空的输入端接高电平。TTL与非门在使用时多余输入端处理：1. 接高电平。2. 若悬空，UI=“1”。3. 输入端并联使用。以上分析说明： 悬空的输入端相当于接高电平。为了防止干扰，一(6) 平均传输延迟时间 tpd 50%50%tpd1tpd2 TTL的 tpd 约在 10ns 40ns，此值愈小愈好。输入波形ui输出波形uO(6) 平均传输延迟时间 tpd 50%50%tpd1tpd想一想： 在三极管构成的非门电路中，如果f=1MHZ,tpd=1s，原有的逻辑功能还符合吗？想一想： 在三极管构成的非门电路中，如果f=1M3.2.3 TTL集电极

18、开路门一、 问题的提出标准TTL与非门进行与运算:&ABEF&CD&G1&ABEF&CDG 能否“线与”？（Open Collector)3.2.3 TTL集电极开路门一、 问题的提出标准TTL+5VR4R2T3T4T5R3TTL与非门的输出电阻很低。这时，直接线与会使电流 i 剧烈增加。i功耗T4热击穿UOL 与非门2：不允许直接“线与”与非门1 截止与非门2 导通UOHUOL与非门1：i+5VR4R2T3T4T5R3问题：TTL与非门能否直接线与？+5VR4R2T3T4T5R3TTL与非门的输出电阻很低。这RLUCC集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC&符号应用时输

19、出端要接一上拉负载电阻 RL 。二、OC门结构特点：RL 和UCC 可以外接。F =ABCRLUCC集电极悬空+5VFR2R13kT2R3T1T5b1OC门的特点：1.输出端可直接驱动负载如：Y&CBAKA+24VKA2202.几个输出端可直接相联&A1B1C1Y1&A2B2C2Y2&A3B3C3Y3URLY“1”“0”“0”“0”“0”实现了线与OC门的特点：1.输出端可直接驱动负载如：Y&CBAKA+2“线与”功能分析：&UCCF1F2F3F分析：F1、F2、F3任一导通，则F=0。 F1、F2、F3全截止，则F=1 。输出级RLUCCRLT5T5T5F=F1F2F3“线与”功能分析：&U

20、CCF1F2F3F分析：F1、F2 外接电阻RC的选择。（1）计算OC门负载的电阻最大值当所有OC门同时截止时，v0=VOH.为保证VOH不低于规定值，RL不能选的过大。OC门输出端数目负载门输入端数目 外接电阻RC的选择。（1）计算OC门负载的电阻最大值当所有（2）计算OC门负载电阻的最小值当只有一个OC门导通时，为了保证流入导通OC门的电流不超过最大允许的负载电流ILM，RL不能选的太小。负载门数目IL注意：若负载门为或非门，则m应为输入端数。（2）计算OC门负载电阻的最小值当只有一个OC门导通时，为了3.2.4 三态门“0”控制端 DE T5Y R3R5AB R4R2R1 T3 T4T2

21、+5V T11.工作原理导通1V1V截止截止当控制端为低电平“0”时，输出 Y处于开路状态，也称为高阻状态。3.2.4 三态门“0”控制端 DE T5Y R3R当控制端为高电平“1”时，实现正常的“与非”逻辑关系 Y=AB“1”控制端 DE1.工作原理 T5Y R3R5AB R4R2R1 T3 T4T2+5V T1截止当控制端为高电平“1”时，实现正常的“与非”逻辑关系“1”控&YEBA逻辑符号 0 高阻0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 11 1 1 0表示任意态三态输出“与非”状态表ABEY输出高阻功能表&YEBA逻辑符号 0 高阻0 2三态门的主要应用（1）TTL与总线之间接口，

22、实现分时传输总线&A1B1EN1&A2B2EN2&A3B3EN3A1 B1可实现用一条总线分时传送几个不同的数据或控制信号。“1”“0”“0”2三态门的主要应用（1）TTL与总线之间接口，实现分时传输(2) 数据的双向传输EN=1，G1工作，G2高阻，Do经G1反相送至总线。EN=0，G2工作， G1高阻，总线数据经G2反相从Di端送出。10D1(2) 数据的双向传输EN=1，G1工作，G2高阻，Do经G3.5 MOS门电路MOS电路的特点：2. 是电压控制元件，静态功耗小。3. 允许电源电压范围宽（318V）。4. 扇出系数大，抗噪声容限大。优点1. 工艺简单，集成度高。缺点：工作速度比TT

23、L低 。3.5 MOS门电路MOS电路的特点：2. 是电压控制元3.5.1 MOS管的开关特性1、MOS管的基本开关电路当vI=vGSVGS(th)时，MOS管工作在截止区,只要RDVGS(th)时，MOS管处于导通状态, 只要RDRON , v0=VOL0.3.5.1 MOS管的开关特性1、MOS管的基本开关电路当v2、MOS管的开关等效电路由于MOS管截止时漏极和源级之间的内阻ROFF非常大，所以截止状态下的等效电路可用断开的开关代替。MOS管在导通状态下的内阻RON约在1K以内，而且与VGS的数值有关。所以需画出。(a) 截止状态(b) 导通状态2、MOS管的开关等效电路由于MOS管截止

24、时漏极和源级之间的3.5.2 NMOS逻辑电路 1. NMOS“非”门电路 0UDSID负载线ui=“1”ui=“0”uo=“0”uo=“1”UCCuiuo3.5.2 NMOS逻辑电路 1. NMOS“非”门电路等效结构UCCuiuoT2（负载管）T1 (驱动管）UGS= UDS UT导通有源负载(非线性电阻)实际结构UCCuiuo等效结构UCCuiuoT2（负载管）T1 (驱动管）UG3.5.2 NMOS逻辑电路 1. NMOS“非”门电路 gm1gm2T1的导通电阻 T2的导通电阻“1”导通“0”“0”“1”截止即：T1的导通管压降 T2的导通管压降+UDDAYT1T2负载管驱动管始终导通

25、3.5.2 NMOS逻辑电路 1. NMOS“非”门电路2. NMOS“与非”门电路 “1”“0”有“0”全“1”3. NMOS“或非”门电路 有“1”“0”全“0”“1”Y=A BY=A+B负载管+UDDBYT2T3AT1Y+UDDT3AT1BT2负载管2. NMOS“与非”门电路 “1”“0”有“0”3.5.3 CMOS逻辑电路 ：Complementary -Symmetry MOS(互补对称式MOS) 1.CMOS“非”门电路DSGSDG+UDDAYT1T2PMOS管NMOS管CMOS 管负载管驱动管(互补对称管)A=“1”时，T1导通， T2截止，Y=“0”A=“0”时，T1截止，

26、T2导通，Y=“1”Y= A3.5.3 CMOS逻辑电路 ：Complementary 2. CMOS与非门&ABF工作原理+UDDAFT2T1BT3T4SSSSGG结构0 0 10 1 11 0 11 1 0A B T1 T2 T3 T4 F2. CMOS与非门&ABF工作原理+UDDAFT2T1BTA B T1 T2 T3 T4 FABF工作原理+UDDFAT2T1BT3T4GGSSS结构0 0 10 1 0 1 0 0 1 1 0 3. CMOS或非门A B T1 T2 T3 T4 F4.CMOS传输门电路：一种控制信号能否通过的电子开关，条件满足，信号传输UDDuiT1T2CCuO控制

27、极控制极（1）电路:栅极接互补的控制信号（2）工作原理设：10V0V可见ui在010V连续变化时，至少有一个管子导通，传输门打开，（相当于开关接通） ui可传输到输出端，即uO= ui，所以COMS传输门可以传输模拟信号，也称为模拟开关。（07V）导通（310V）导通4.CMOS传输门电路：一种控制信号能否通过的电子UDDui4.CMOS传输门电路UDDuiT1T2CCuO控制极控制极0V10V可见ui在010V连续变化时，两管子均截止，传输门关断，（相当于开关断开） ui不能传输到输出端。（010V）截止截止结论 C=“1”(C=“0”)时传输门开通。C=“0”(C=“1”)时传输门关断。（

28、2）工作原理设：4.CMOS传输门电路UDDuiT1T2CCuO控制极控制极4.CMOS传输门电路TGuiuOCC逻辑符号开关电路TGuiuiCC1“1”开通TGuiuiCC1“0”关断4.CMOS传输门电路TGuiuOCC逻辑符号开关电路TGu CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。 C = 0时，TG1导通、TG2截止，uO = uI1； C = 1时，TG1截止、TG2导通，uO = uI2。 应用举例 CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。 想一想：CMOS传输门能实现双向传输吗？为什么？如何构造CMOS三态门？想一想：CMOS传输门能实现双向传输吗？如何构造CMOS三态 TTL集成门电路使用注意事项(1) 电源电压（VCC）应满足在标准值5V5%的范围内，为防干扰，电源与地之间可接滤波电容。 (2) TTL电路的输出端所接负载，不能超过规定的扇出系数，负载较大时，宜选用灌电流方式。(3) 输出端一般不允许直接