数电课件 逻辑门电路

第二章逻辑门电路2.2TTL逻辑门电路2.3MOS逻辑门电路2.4集成逻辑门电路的应用2.5正负逻辑及逻辑符号的变换2.1基本逻辑门电路2.1基本逻辑门电路一、二极管与门和或门电路1．与门电路输入输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011输入0001输出

与逻辑真值表

2．或门电路输入输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5V0101BLA0011输入0111输出

或逻辑真值表二、三极管非门电路输入输出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01输入10输出非逻辑真值表二极管与门和或门电路的缺点：（1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。（2）负载能力差。解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。电平转移二极管三、DTL与非门电路工作原理：

（1）当A、B、C全接为高电平5V时，二极管D1～D3都截止，而D4、D5和T导通，且T为饱和导通，VL=0.3V，即输出低电平。（2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP≈1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：2.2TTL逻辑门电路一、TTL与非门的基本结构及工作原理1．TTL与非门的基本结构早期的DTL门电路，由于速度较慢，现在很少用一、TTL与非门的基本结构2．TTL与非门的逻辑关系（1）输入全为高电平3.6V时。

T2、T3饱和导通，实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。由于T2饱和导通，VC2=1V。T4和二极管D都截止。由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES3≈0.3V该发射结导通，VB1=1V。T2、T3都截止。（2）输入有低电平0.3V时。实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。忽略流过RC2的电流，VB4≈VCC=5V。由于T4和D导通，所以：VO≈VCC-VBE4-VD

=5-0.7-0.7=3.6（V）综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：二、TTL与非门的开关速度1．TTL与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。脉冲信号从饱和状态到截止状态瞬间，T1饱和，集电极电流很大（2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。T3、T4始终都有一个导通，输出阻抗比较小。对于容性负载充放电时间比较短。2．TTL与非门传输延迟时间tpd导通延迟时间tPHL——从输入波形上升沿的中点到输出波形下降沿的中点所经历的时间。一般TTL与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒～十几个纳秒。截止延迟时间tPLH——从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间tpd：

取平均值。越小越好，越小开关速度越快三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力1．电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）ABCDE电压传输特性：输出电压和输入电压的关系（1）输出高电平电压VOH——在正逻辑体制中代表逻辑“1”的输出电压。VOH的理论值为3.6V，产品规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4V。2．几个重要参数（2）输出低电平电压VOL——在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。（3）关门电平电压VOFF——是指输出电压下降到VOH（min）时对应的输入电压。即输入低电压的最大值。在产品手册中常称为输入低电平电压，用VIL（max）表示。产品规定VIL（max）=0.8V。（4）开门电平电压VON——是指输出电压上升到VOL（max）时对应的输入电压。即输入高电压的最小值。在产品手册中常称为输入高电平电压，用VIH（min）表示。产品规定VIH（min）=2V。（5）阈值电压Vth——电压传输特性的过渡区所对应的输入电压，即决定电路截止和导通的分界线，也是决定输出高、低电压的分界线。近似地：Vth≈VOFF≈VON≈

1.４TTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。3．抗干扰能力同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为噪声容限。低电平噪声容限

VNL＝VOFF-VOL（max）＝0.8V-0.4V＝0.4V高电平噪声容限

VNH＝VOH（min）-VON＝2.4V-2.0V＝0.4V四、TTL与非门的带负载能力产品规定IIL＜1.6mA。1．输入低电平电流IIL与输入高电平电流IIH

（1）输入低电平电流IIL——是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：②倒置的放大状态：

IIH=βiIB1，βi为倒置放大的电流放大系数。（2）输入高电平电流IIH——是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。

有两种情况:

①寄生三极管效应：

IIH=βPIB1，βP为寄生三极管的电流放大系数。由于βp和βi的值都远小于1，所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH＜40uA。2．带负载能力当负载门的个数增加，灌电流增大，会使T3脱离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，产品规定IOL=16mA。由此可得出:（1）灌电流负载——当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。NOL称为输出低电平时的扇出系数。（1）灌电流负载——当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。2．带负载能力当负载门的个数增加，灌电流增大，输出低电平升高。NOL称为输出低电平时的扇出系数。最高带10个门当达到VOL（max）=0.4V时，允许灌入输出端的电流定义为输出低电平电流IOL，产品规定IOL=16mA。由此可得出:&oVRL拉电流&oVRL灌电流+VCC“0”“1”注意T3脱离饱和，进入放大，集电极电位上升，低电平最高0.4V

NOH称为输出高电平时的扇出系数。产品规定:IOH=0.4mA。由此可得出：

拉电流增大时，RC4上的压降增大，会使输出高电平降低(VT3C=Vcc-IOH*Rc4-0.3V-0.7V)。因此，把允许拉出输出端的电流定义为输出高电平电流IOH。

（2）拉电流负载——当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉出,流至负载门的输入端。

一般NOL≠NOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用NO表示。五、TTL与非门举例——74007400是一种典型的TTL与非门器件，内部含有4个2输入端与非门，共有14个引脚。引脚排列图如图所示。六、TTL门电路的其他类型1．非门将前述三个输入端改为一个输入端，即由与非门改为非门2．或非门0101BLA0011输入1000输出

或非逻辑真值表加入T1B、T2B和R1B，与T1A、T2A和R1A完全一样，组成另一输入端，相互对称3．与或非门&≥1A1A2B1B2L在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为线与。普通的TTL门电路不能进行线与。为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路——集电极开路门。4．集电极开路门（OC门）灌入T3的电流近似(5-1.3)/130=30mA>16mA,一方面使得T3脱离饱和，另方面能烧毁130（1）实现线与。

OC门主要有以下几方面的应用：逻辑关系为:(+5V)因为集电极开路，使用时必须外接一个电阻，Rp的选择需要计算（后述），一般为1K左右。（2）实现电平转换。如图示，可使输出高电平变为10V。5V0.3V3.6VOC门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：得：VCC-VOH（min）=IIHRP（max）

由：（1）当输出高电平时，

RP不能太大。RP为最大值时要保证输出电压为VOH（min）。（2）当输出低电平时

所以：RP（min）＜RP＜RP（max）由：RP不能太小。RP为最小值时要保证输出电压为VOL（max）。得：当EN=0时，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。当EN=1时，D1导通，T4D、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。5．三态门（TSL门)低电平有效（1）三态输出门的结构及工作原理。GEN1L+V123123D13D123e2Vc2Bc4RRc2TA141CCTTRRT3b1p2EN控制端ENABL00010111011101××高阻去掉非门G，则EN=1时，为工作状态，EN=0时，为高阻态。

EN=1为工作状态的三态门（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。（2）三态门的应用三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（a）组成单向总线——实现信号的分时单向传送。七、TTL集成逻辑门电路的改进电路1、采用了抗饱和三极管2、将Re2用“有源泄放电路代替”。3、输出级采用了达林顿结构。4、输入端加了保护二极管。TTL数字集成电路型号的命名法示例：（1）(2)(3)(4)(5)

CT74LS00P塑料双列直插封装器件系列：低功耗肖特基温度范围：0℃~+70℃中国制造的TTL类器件品种：四2输入与非门SN74S195J黑陶瓷双列直插封装器件品种：4位并行移位寄存器器件系列：肖特基温度范围：0℃~+70℃美国TEXAS公司（1）(2)(3)(4)(5)第1部分第4部分型号前缀工作温度范围器件系列器件品种封装形式符号意义符号意义符号意义符号意义符号意义标准W陶瓷扁平H高速B塑封扁平CT中国制造的TTL类54-55℃~+125℃S肖特基F全密封扁平LS低功耗肖特基D陶瓷双列直插AS先进肖特基P塑料双列直插SN美国TEXAS公司740℃~+70℃ALS先进低功耗肖特基阿拉伯数字器件功能J黑陶瓷双列直插第2部分第3部分第5部分

2.10电路如图题所示，试用表格方式列出各门电路的名称，输出逻辑表达式以及当ABCD=1001时，各输出函数的值。

MOS管的工作原理(模拟书)

BJT是一种电流控制元件(iB~iC)，工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。

场效应管（简称FET）是一种电压控制器件(uGS~iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因此它是单极型器件。FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点，得到了广泛应用。FET分类：

绝缘栅场效应管(MOS管)结型场效应管增强型耗尽型P沟道N沟道P沟道N沟道P沟道N沟道一.N沟道增强型MOS管

绝缘栅型场效应管(MetalOxide

SemiconductorFET)，简称MOSFET。分为：

增强型N沟道、P沟道耗尽型N沟道、P沟道

1.N沟道增强型MOS管的结构4个电极：漏极D，源极S，栅极G和衬底B。符号：2、工作原理

再增加uGS→纵向电场↑→将P区少子电子聚集到P区表面→形成导电沟道，如果此时加有漏源电压，就可以形成漏极电流id。①栅源电压uGS的控制作用当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的二极管，在d、s之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。当uGS＞0V时→纵向电场→将靠近栅极下方的空穴向下排斥→耗尽层。

定义：开启电压（UT）——刚刚产生沟道所需的栅源电压UGS。

N沟道增强型MOS管的基本特性：

uGS＜UT，管子截止，uGS＞UT，管子导通。uGS越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作用下，漏极电流ID越大。

②漏源电压uDS对漏极电流id的控制作用

当uGS＞UT，且固定为某一值时，来分析漏源电压VDS对漏极电流ID的影响。（设UT=2V，uGS=4V）

（a）uds=0时，id=0。（b）uds↑→id↑；同时沟道靠漏区变窄。（c）当uds增加到使ugd=UT时，沟道靠漏区夹断，称为预夹断。（d）uds再增加，预夹断区加长，uds增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，id基本不变。3、特性曲线

四个区：（a）可变电阻区（预夹断前）。

①输出特性曲线：iD=f(uDS)uGS=const（b）恒流区也称饱和区（预夹断后）。

（c）夹断区（截止区）。

（d）击穿区。可变电阻区恒流区截止区击穿区

可根据输出特性曲线作出移特性曲线。例：作uDS=10V的一条转移特性曲线：UT

②转移特性曲线：iD=f(uGS)uDS=const

一个重要参数——跨导gm：gm=iD/uGS

uDS=const(单位mS)

gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。

在转移特性曲线上，gm为的曲线的斜率。在输出特性曲线上也可求出gm。2.N沟道耗尽型MOSFET

在栅极下方的SiO2层中掺入了大量的金属正离子。所以当uGS=0时，这些正离子已经感应出反型层，形成了沟道。

定义：夹断电压（UP）——沟道刚刚消失所需的栅源电压uGS。特点：

当uGS=0时，就有沟道，加入uDS，就有iD。当uGS＞0时，沟道增宽，iD进一步增加。

当uGS＜0时，沟道变窄，iD减小。

3、P沟道耗尽型MOSFETP沟道MOSFET的工作原理与N沟道MOSFET完全相同，只不过导电的载流子不同，供电电压极性不同而已。这如同双极型三极管有NPN型和PNP型一样。4.MOS管的主要参数（1）开启电压UT（2）夹断电压UP（3）跨导gm：gm=iD/uGSuDS=const

（4）直流输入电阻RGS——栅源间的等效电阻。由于MOS管栅源间有sio2绝缘层，输入电阻可达109～1015。2.3MOS逻辑门电路所以输出为低电平。一、NMOS门电路1．NMOS非门逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1＞＞gm2）（1）当输入Vi为高电平8V时，T1导通，T2也导通。因为gm1＞＞gm2，所以两管的导通电阻RDS1＜＜RDS2，输出电压为：（2）当输入Vi为低电平0V时，2．NMOS门电路（1）与非门

T1截止，T2导通。

VO=VDD-VT=8V=VOH

，即输出为高电平。

所以电路实现了非逻辑。0101BLA0011输入1110输出

与非真值表（2）或非门0101BLA0011输入1000输出

或非真值表LAVB1TDD5T(+12V)T2CD3TT4L=AB+CD举例：与或非门NMOS优点:结构简单，逻辑功能比较容易分析。缺点：（1）高电平是VDD-开启电压，不够理想（2）低电平是相当于两个电阻分压，不足够低二、CMOS非门

CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。

1．逻辑关系：（设VDD＞（VTN+|VTP|），且VTN=|VTP|）（1）当Vi=0V时，TN截止，TP导通。输出VO≈VDD。（2）当Vi=VDD时，TN导通，TP截止，输出VO≈0V。2．电压传输特性：CMOS门电路的阈值电压Vth=VDD/2（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）（2）当2V＜Vi＜5V，TN工作在饱和区，TP工作在可变电阻区。TP导通更充分，等效电阻小于TN，输出电压大于5V（3）当Vi=5V，两管都工作在饱和区，

Vo=（VDD/2）=5V。（4）当5V＜Vi＜8V，

TP工作在饱和区，

TN工作在可变电阻区。（5）当Vi＞8V，TP截止，

TN导通，Vo=0V。

（1）当Vi＜2V，TN截止，TP导通，

Vo≈VDD=10V。3．工作速度由于CMOS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。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。三、其他的CMOS门电路1．CMOS与非门和或非门电路（1）与非门（2）或非门TN管串联，TP管并联TN管并联，TP管串联

为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。

（3）带缓冲级的门电路

后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：2．CMOS异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为3．CMOS三态门当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。ENAL001101×高阻4．CMOS传输门

工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|＝2V，VDD=10V）（1）当C接高电平VDD，为低电平0V时，若Vi在0V～VDD的范围变化，（2）当C接低电平0V，为高电平VDD，Vi在0V～VDD的范围变化时，二氧化硅至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。0V10V2V8VTN导通TP导通CVi/VoVo/Vi对于(1)传输模拟信号，又称模拟开关四、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数1．CMOS逻辑门电路的系列（1）基本的CMOS——4000系列。（2）高速的CMOS——HC系列。（3）与TTL兼容的高速CMOS——HCT系列。CMOS逻辑门电路的主要特点：1、电源电压允许范围大，CC4000系列为3~18V；C000系列为5~15V。因此它们输出高低电平摆幅大，抗干扰能力强，其噪声容限可达30%VDD，而TTL门的噪声容限只有0.4V。2、因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。3、CMOS门工作时总是一管导通另一管截止，因而其功耗极小。当VDD=5V时，CMOS电路的静态功耗分别是：门电路类为2.5~5uW；缓冲器和触发器类为5~20uW。4、MOS管是多数载流子受控导电器件，所以温度稳定性好，抗辐射能力强。特别适用于航天，卫星和核试验条件下工作的装置。CMOS器件型号组成符号意义CC4025M

温度范围：-55℃~+125℃器件品种：3输入与非门器件系列中国制造CMOS器件示例：(1)(2)(3)(4)第1部分第2部分第3部分第4部分器件前缀器件系列器件品种工作温度范围符号意义符号意义符号意义符号意义CC中国制造的CMOS类型C0℃~70℃CD美国无线电公司产品E-40℃~85℃TC日本东芝公司产品R-55℃~85℃CE中国制造的ECL类型4045145系列符号阿拉伯数字器件功能M-55℃~125℃集成电路集成度的区分：1.小规模集成电路SSI

（SmallScaleIntegration），10门以下/片。2.中规模集成电路MSI

（MediumScaleIntegration），100门以下/片。3.大规模集成电路LSI

（LargeScaleIntegration），1000门以上/片。4.超大规模集成电路VLSI（ＶeryLargeScaleIntegration），10000门以上/片)2.4集成逻辑门电路的应用一、TTL与CMOS器件之间的接口问题

两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：

驱动门的VOH（min）≥负载门的VIH（min）驱动门的VOL（max）≤负载门的VIL（max）驱动门的IOH（max）≥负载门的IIH（总）驱动门的IOL（max）≥负载门的IIL（总）1．TTL门驱动CMOS门

（2）如果TTL和CMOS器件采用的电源电压不同，则应使用OC门，同时使用上拉电阻RP。+VCC&+VDD&TTLCMOS(5V)(3—15V)LRP+VCC&(5V)AB主要考虑电平匹配问题（1）当都采用5V电源时，一般电平可以匹配。如果不匹配（如TTL的VOH(min)为2.4V，而CMOS74HC系列的VIH(min)为3.5V），这时可接一上拉电阻RP，一般取值几百欧~几K

。

也可在CMOS门的输出端与TTL门的输入端之间加一CMOS驱动器，如图所示。2．CMOS门驱动TTL门