逻辑门电路(精)

第三章逻辑门电路§3.1逻辑门电路的一般特性§3.3集成门电路§3.4逻辑门电路运用中的几个实际问题§3.2半导体器件的开关特性§3.5抗干扰措施内容要求了解逻辑电路的一般特性；了解MOS管和BJT管的开关特性；驾驭典型CMOS和TTL门的逻辑功能、外部特性、主要参数和运用方法；了解一些特殊门电路的逻辑功能；了解实际应用中的若干问题和抗干扰措施；§3.1逻辑门电路的一般特性逻辑器件的数据手册一般供应门电路的电压传输特性、输入和输出高、低电压、噪声容限、传输延迟时间和功耗等技术参数。一、输入和输出的高、低电平不同系列的逻辑电路，输入和输出对应的电压范围也不同。74HC系列CMOS门（工作电压为5V时）：输入电压：VIH：3.5~5.0VVIH(min)VIL：0~1.5VVIL(max)输出电压（所带负载不同，对应电压值也不同）：–CMOS负载：VOH：4.9~5.0V

VOL：0~0.1V–TTL负载：VOH：3.84~5.0V

VOL：0~0.33V

VOH(min)、VOL(max)二、噪声容限表示门电路的抗干扰实力。允许叠加在工作信号上的最大噪声幅度，称为噪声容限。噪声幅度不超过输入电平的最小值和最大值时，不会引起电路输出状态的变更。噪声容限值越大，抗干扰实力越强。11vOvI驱动门负载门VNHVNL输入高电平噪声容限：VNH=VOH(min)-VIH(min)输入低电平噪声容限：VNL=VIL(max)-VOL(max)三、扇入、扇出系数前后级之间电流的联系。？扇入系数Ni—输入端的个数

扇出系数No—驱动同类门的个数有两种状况：拉电流和灌电流

前级输出为高电平常前级后级流出前级电流IOH（拉电流）拉电流负载拉电流负载：负载电流从“与非门”流向外电路。

拉电流状况：当驱动门的输出为高电平常，将有电流IOH从驱动门拉出而流至负载门，当负载门的个数增多时，必将引起输出高电压的降低，但不得低于标准高电压。前级输出为低电平常前级后级流入前级的电流IOL(灌电流)灌电流负载灌电流负载：负载电流从外电路流入“与非门”灌电流状况：当驱动门的输出端为逻辑0，负载门产生灌电流。负载门的个数增加会引起VOL上升，因此负载门的个数不得超过确定限度。特殊提示：逻辑门电路的数据手册中不给出扇出系数，必需通过计算或试验得出。设计时留有余地，保证电路或系统正常运行。实际工程中，若IOH和IOL不相等，则NOL≠NOH通常取二者中的最小值。对于CMOS门电路，所带负载类型不同时，扇出系数不同。当负载为CMOS门时，其输入电容不容忽视。例：计算下列状况的CMOS门电路的扇出系数。1、负载为CMOS门。1）保证其输出高电平为4.9V。此时IOH=-20uA，IOL=20uA，IIH=1uA，IIL=-1uA；（负号表示从器件流出，正号表示流入器件）2）允许其输出电平降至TTL门的3.84V。此时，IOH=-4mA，IOL=4mA，IIH=1uA，IIL=-1uA；解：1）NOH=NOL=20/1=202）NOH=NOL=4000/1=4000注：实际不行能，负载门的输入电容充放电会影响门电路的开关速度。2、负载为TTL门（74HCT系列与其兼容）。若为74LS系列TTL门：IOH=IOL=4mA，而IIH=0.02mA，IIL=0.4mA。解：1）NOH=IOH/IIH=4/0.02=200

NOL=IOL/IIL=4/0.4=10则，扇出系数为10。§3.2半导体器件的开关特性

对应于有触点开关的“断开”和“闭合”。1、二极管正向导通，相当于开关闭合。反向截止，相当于开关断开。2、三极管3、MOS管(场效应管）场效应管与晶体管的比较

双极型三极管单极型场效应管电流控制电压控制控制方式电子和空穴两种载流子同时参与导电载流子电子或空穴中一种载流子参与导电类型

NPN和PNPN沟道和P沟道放大参数

rce很大

rds很大

输出电阻输入电阻较低较高热稳定性差好制造工艺较复杂简单，成本低对应电极

B—E—C

G—S—D§3.3集成门电路◆半导体三极管又称双极型三极管（BJT），由若干BJT、二极管和电阻构成的集成门电路称为TTL逻辑门电路。◆集成逻辑门主要有CMOS系列和TTL系列两大类，目前CMOS系列已成为占主导地位的逻辑器件。◆CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）系列集成逻辑门电路由NMOS管和PMOS管构成。CMOS集成电路的性能特点微功耗—单门静态功耗在毫微瓦（nw）数量级。高噪声容限—一般在40%电源电压以上。宽工作电压范围—电源电压一般为1.5~18伏。高逻辑摆幅—CMOS电路输出高、低电平的幅度达到全电：逻辑“1”为VDD，逻辑“0”为VSS。高输入阻抗—CMOS电路的输入阻抗大于108Ω,一般可达1010Ω。高扇出实力—CMOS电路的扇出实力大于50。低输入电容—CMOS电路的输入电容一般不大于5PF。宽工作温度范围—陶瓷封装为-55℃~125℃；塑封为–40℃~85℃。TTL和COMS电路比较：1）TTL电路是电流限制器件，而CMOS电路是电压限制器件。

2）TTL电路的速度快，传输延迟时间短(5-10ns)，但是功耗大。

COMS电路的速度慢，传输延迟时间长(25-50ns),但功耗低。COMS电路本身的功耗与输入信号的脉冲频率有关，频率越高，芯片越热，这是正常现象。

3）COMS电路的锁定效应：

COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流始终在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很简洁烧毁芯片。防卫措施：

1）在输入端和输出端加钳位电路，使输入和输出不超过规定电压。

2）芯片的电源输入端加去耦电路，防止VDD端出现瞬间的高压。

3）在VDD和外电源之间加限流电阻，即使有大的电流也不让它进去。

4）当系统由几个电源分别供电时，开关要按下列依次：开启时，先开启COMS电路得电源，再开启输入信号和负载的电源；关闭时，先关闭输入信号和负载的电源，再关闭COMS。几种常用的特殊门1、CMOS传输门TG由于CMOS的漏极和源极可以互换，因此传输门的输入和输出端可以互换运用，即为双向器件。电路符号逻辑功能：既可用于模拟电路也可以用于数字电路。以数字电路为例：C=1（或=0）时传输门接通，VO=VI。C=0（或=1）时传输门关闭，入、出阻断。传输门的特点：①既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号。当C的凹凸电平分别为VDD和0V时，传输门可传输0~VDD之间的信号。②VO、VI端可以互换，信号既可以从左向右传送，也可以从右向左传送。几种常用的特殊门2、漏极开路门（OD）、集电极开路门（OC）逻辑功能：与非逻辑符号：应用：工程中，输出进行“线与”，须要接上拉电阻。一般的CMOS和TTL门电路不能进行线与。限流其取值应保证IOL不超过IOL(max)。因此，取值不能过小。几个并联OD门，对于输出高电平的驱动门，流过截止管的漏电流IOZ可以忽视。VDD—直流电源电压VOL(max)—驱动器件VOL最大值IOL(max)—驱动器件IOL最大值IIL(total)—灌电流总值，IIL(total)=nIIL

n为与非负载门数目（或非负载门输入端数目）RP取值应保证VOH不小于VOH(min)，因此，取值不能过大。

VDD—直流电源电压VOH(min)—驱动器件VOH最小值IOZ(total)—全部驱动门输出高电平常的漏电流总合IIH(total)—全部驱动门输入高电平常的电流总和IIH(total)=nIIHn为接入OD门的输入端的数目例：设3个ODCMOS与非门作线与连接，驱动一个TTL系列反相器和一个3输入与非门，试确定一个合适的上拉电阻RP。已知VDD=5V，IOZ=5uA。查数据手册知，CMOS门参数：TTL门参数：当OD门输出为低电平常：当OD门输出为低电平常：几种常用的特殊门3、三态门逻辑状态：高电平、低电平、高阻态（禁止态）逻辑符号：逻辑功能：当E=0时，输出F端处于高阻状态。

&ABFEN当E=1时，电路执行正常与非功能。限制端功能表０１０三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路用途：E1E2E3公用总线ENENEN几种常用的特殊门4、BicMOS门接受双极型BJT管作为CMOS电路的输出级(P99),结合了MOS管的功耗低和双极型管速度快、驱动力强的优势。5、射极耦合逻辑门电路射极连接在一起的电路结构，是一种非饱和型高速数字集成电路，传输速度快，但制造工艺要求高、功耗大，逻辑摆幅小、噪声容限小，因而抗干扰实力低。§3.4逻辑门电路运用中的几个实际问题一、各种门电路之间的接口问题需考虑接受接口电路的几个因素：①逻辑门电路的扇出问题：必需能对负载器件供应灌电流最大值IOL(min)≥IIL(total)必需对负载器件供应足够大的拉电流IOH(max)≥IIH(total)②逻辑电平兼容性。驱动器件的输出电压必需处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值。VOH(min)≥VIH(min)、VOL(max)≤VIL(max)二、门电路带负载时的接口问题干脆驱动显示器件—必需串联限流电阻当门电路输出高电平常，LED发光，则当门电路输出低电平常，LED发光，则1、多余输入端的处理措施