数字电路讲义第三章

数字电路讲义第三章第1页，课件共62页，创作于2023年2月3.1概述主要要求：

了解逻辑门电路的作用和常用类型。

理解高电平信号和低电平信号的含义。

第2页，课件共62页，创作于2023年2月TTL即Transistor-TransistorLogicCMOS即ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor

一、门电路的作用和常用类型按功能特点不同分普通门(推拉式输出)

CMOS传输门

输出开路门三态门门电路(GateCircuit)指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分

与门

或门

非门

异或门

与非门

或非门

与或非门

按电路结构不同分

TTL

集成门电路

CMOS

集成门电路输入端和输出端都用三极管的逻辑门电路。

用互补对称MOS管构成的逻辑门电路。第3页，课件共62页，创作于2023年2月二、高电平和低电平的含义

高电平和低电平为某规定范围的电位值，而非一固定值。

高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？10高电平低电平01高电平低电平正逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定3.6V2.4V0.8V0V第4页，课件共62页，创作于2023年2月主要要求：

理解三极管的开关特性。

掌握三极管开关工作的条件。3.2

三极管的开关特性第5页，课件共62页，创作于2023年2月IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线

饱和区放大区一、三极管的开关作用及其条件

截止区uBE<UthBEC三极管截止状态等效电路uI=UIH三极管开通的条件和等效电路当输入

uI为高电平，使iB≥

IB(sat)时，三极管饱和。

uBE+-uBE

UCE(sat)0.3V0，C、E间相当于开关合上。

iB≥

IB(sat)BEUBE(sat)CUCE(sat)三极管饱和状态等效电路第6页，课件共62页，创作于2023年2月iB愈大于IB(Sat)，则饱和愈深。由于UCE(Sat)

0，因此饱和后iC基本上为恒值，iC

IC(Sat)=开关工作的条件

截止条件

饱和条件uBE＜

UthiB＞

IB(Sat)

可靠截止条件为uBE≤0

第7页，课件共62页，创作于2023年2月[例]下图电路中=50,UBE(on)=0.7V,UIH=3.6V,UIL=0.3V,为使三极管开关工作,试选择

RB值,并对应输入波形画出输出波形。解：(1)根据开关工作条件确定

RB取值uI=UIL=0.3V时,三极管满足截止条件uI=UIH=3.6V时,为使三极管饱和,应满足

iB>IB(sat)因为iB=IHB-0.7VUR所以求得RB<29k，可取标称值27k。OuItUIHUIL+5V第8页，课件共62页，创作于2023年2月(2)

对应输入波形画出输出波形OuItUIHUIL可见，该电路在输入低电平时输出高电平，输入高电平时输出低电平，因此构成三极管非门。由于输出信号与输入信号反相，故又称三极管反相器。三极管截止时，iC0，uO+5V三极管饱和时，uO

UCE(sat)0.3VOuO/Vt50.3第9页，课件共62页，创作于2023年2月IC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)上例中三极管反相器的工作波形是理想波形，实际波形为：uI从UIL正跳到UIH时，三极管将由截止转变为饱和，

iC从0逐渐增大到IC(sat)，uC从VCC逐渐减小为UCE(sat)。uI从UIH负跳到时UIL，三极管不能很快由饱和转变为截止，而需要经过一段时间才能退出饱和区。二、三极管的动态开关特性

第10页，课件共62页，创作于2023年2月IC(sat)OOOuIiCuOtttUIHUILVCCUCE(sat)0.9IC(sat)ton0.1IC(sat)toffuI正跳变到iC上升到

0.9IC(sat)所需的时间ton称为三极管开通时间。通常工作频率不高时，可忽略开关时间，而工作频率高时，必须考虑开关速度是否合适，否则导致不能正常工作。uI负跳变到iC下降到

0.1IC(sat)所需的时间toff称为三极管关断时间。通常

toff>ton二、三极管的动态开关特性

开关时间主要由于电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。第11页，课件共62页，创作于2023年2月C

E

B

SBD

B

C

E

在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称SBD)。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高

①没有电荷存储效应②SBD的导通电压只有0.4V而非0.7V，因此UBC=0.4V时，SBD便导通，使

UBC钳在0.4V上，降低了饱和深度。三、抗饱和三极管简介第12页，课件共62页，创作于2023年2月主要要求：

了解TTL与非门的组成。了解TTL集成逻辑门的主要参数和使用常识。3.3

TTL集成逻辑门

掌握TTL基本门的逻辑功能和主要外特性。了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。第13页，课件共62页，创作于2023年2月ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3R1R2R4R5RBRCB1C1C2E2YVCC+5V输入级中间倒相级输出级STTL系列与非门电路逻辑符号8.2k900503.5k500250V1V2V3V5V6一、TTL与非门的基本组成与外特性

(一)典型TTL与非门电路除V4外，采用了抗饱和三极管，用以提高门电路工作速度。V4不会工作于饱和状态，因此用普通三极管。输入级主要由多发射极管V1和基极电阻R1组成，用以实现输入变量A、B、C的与运算。VD1~VD3为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，VD1~VD3不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在-0.7V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对V1还有保护作用。中间级起倒相放大作用，V2集电极C2和发射极

E2同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动V3和V5。

RB、RC和V6构成有源泄放电路，用以减小V5管开关时间，从而提高门电路工作速度。输出级由V3、V4、

R4、R5和V5组成。其中

V3和V4构成复合管，与V5构成推拉式输出结构，提高了负载能力。第14页，课件共62页，创作于2023年2月电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线(三)TTL与非门的外特性及主要参数1.

电压传输特性和噪声容限输出电压随输入电压变化的特性uI较小时工作于AB段，这时V2、V5截止，V3、V4导通，输出恒为高电平，UOH3.6V，称与非门工作在截止区或处于关门状态。uI较大时工作于BC段，这时V2、V5工作于放大区，uI的微小增大引起uO急剧下降，称与非门工作在转折区。uI很大时工作于CD段，这时V2、V5饱和，输出恒为低电平，UOL

0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。

电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门电压传输特性曲线饱和区：与非门处于开门状态。截止区：与非门处于关门状态。转折区第15页，课件共62页，创作于2023年2月下面介绍与电压传输特性有关的主要参数：有关参数0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线标准高电平USH

当uO≥

USH时，则认为输出高电平，通常取USH=3V。标准低电平USL当uO≤

USL时，则认为输出低电平，通常取USL=0.3V。关门电平UOFF保证输出不小于标准高电平USH时,允许的输入低电平的最大值。开门电平UON保证输出不高于标准低电平USL时,允许的输入高电平的最小值。阈值电压UTH转折区中点对应的输入电压，又称门槛电平。USH=3VUSL=0.3VUOFFUONUTH近似分析时认为：uI>UTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uI<UTH，则与非门关闭，输出高电平UOH。第16页，课件共62页，创作于2023年2月噪声容限越大，抗干扰能力越强。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。UNL=UOFF–UIL

指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH=UIH–UON

输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限。

输入高电平噪声容限UNH输入低电平噪声容限UNL第17页，课件共62页，创作于2023年2月输入负载特性测试电路

输入负载特性曲线0uI/VR1/kUOFF1.1FNROFFRON2.输入负载特性ROFF称关门电阻。RI<ROFF时，相应输入端相当于输入低电平。对STTL系列，ROFF700。RON称开门电阻。RI>RON时，相应输入端相当于输入高电平。对STTL系列，RON2.1k。RONROFFUOFF第18页，课件共62页，创作于2023年2月[例]

下图中，已知ROFF800，RON3k，试对应输入波形定性画出TTL与非门的输出波形。(a)(b)tA0.3V3.6VO不同TTL系列，RON、

ROFF不同。相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑0。逻辑0因此Ya输出恒为高电平UOH。相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑1。逻辑1因此，可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解：图(a)中，RI=300

<ROFF800图(b)中，RI=5.1k>RON3k第19页，课件共62页，创作于2023年2月3.输出负载特性负载电流流入与非门的输出端。负载电流从与非门的输出端流向外负载。负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门IOH输入均为高电平输入有低电平输出为低电平

输出为高电平

灌电流负载拉电流负载不管是灌电流负载还是拉电流负载，负载电流都不能超过其最大允许电流，否则将导致电路不能正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用扇出系数NOL、

NOH表示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。

通常按照负载电流的流向将与非门负载分为

灌电流负载拉电流负载第20页，课件共62页，创作于2023年2月由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。输入信号UOm0.5UOm0.5UImUIm输出信号4.传输延迟时间输入电压波形下降沿0.5UIm处到输出电压上升沿0.5Uom处间隔的时间称截止延迟时间tPLH。

输入电压波形上升沿0.5UIm处到输出电压下降沿0.5Uom处间隔的时间称导通延迟时间tPHL。平均传输延迟时间tpd

tPHLtPLHtpd越小，则门电路开关速度越高，工作频率越高。0.5UIm0.5UOm第21页，课件共62页，创作于2023年2月5.

功耗-延迟积

常用功耗P和平均传输延迟时间tpd的乘积(简称功耗–延迟积)来综合评价门电路的性能，即M=Ptpd

性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的特点，然而这两者矛盾。

M又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。第22页，课件共62页，创作于2023年2月使用时需外接上拉电阻RL

即Opencollectorgate，简称OC门。

常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来的，TTL与非门的上述特性对这些门电路大多适用。二、其他功能的TTL门电路

(一)集电极开路与非门1.逻辑符号OC门第23页，课件共62页，创作于2023年2月相当于与门作用。因为Y1、Y2中有低电平时，Y为低电平；只有

Y1、Y2均为高电平时，Y才为高电平，故Y=Y1·Y2。2.应用(1)

实现线与两个或多个OC门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号相与，称为线与。

Y只有OC门才能实现线与。普通TTL门输出端不能并联，否则可能损坏器件。注意第24页，课件共62页，创作于2023年2月(2)驱动显示器和继电器等[例]下图为用OC门驱动发光二极管LED的显示电路。已知LED的正向导通压降UF=2V，正向工作电流

IF=10mA，为保证电路正常工作，试确定RC的值。解：为保证电路正常工作，应满足因此RC=270

分析：该电路只有在A、B均为高电平，使输出uO为低电平时，LED才导通发光；否则LED中无电流流通，不发光。要使LED发光，应满足

IRc

IF=10mA。第25页，课件共62页，创作于2023年2月TTLCMOSRLVDD+5V(3)实现电平转换TTL与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用OC门就可以适应负载门对电平的要求。OC门的UOL0.3V，UOH

VDD，正好符合CMOS电路UIH

VDD，UIL0的要求。

VDDRL第26页，课件共62页，创作于2023年2月综上所述，可见：(二)三态输出门1.逻辑符号只有当使能信号EN=0时才允许三态门工作，故称EN低电平有效。EN称使能信号或控制信号，A、B称数据信号。当EN=0时，Y=AB，三态门处于工作态；当EN=1时，三态门输出呈现高阻态，又称禁止态。即Tri-StateLogic门，简称TSL门。其输出有高电平态、低电平态和高阻态三种状态。第27页，课件共62页，创作于2023年2月EN即Enable功能表Z0AB1YEN使能端的两种控制方式使能端低电平有效使能端高电平有效功能表Z1AB0YENEN第28页，课件共62页，创作于2023年2月2.应用任何时刻EN1、EN2、

EN3中只能有一个为有效电平，使相应三态门工作，而其他三态输出门处于高阻状态，从而实现了总线的复用。总线(1)构成单向总线第29页，课件共62页，创作于2023年2月DIDO/DIDO00高阻态工作DIEN=0时，总线上的数据DI经反相后在G2输出端输出。(2)构成双向总线DIDO/DIDO11工作DO高阻态EN=1时，数据DO经G1反相后传送到总线上。DIDO/DIDO11工作DO高阻态EN=1时，数据DO经G1反相后传送到总线上。DIDO/DIDO第30页，课件共62页，创作于2023年2月TTL集成门的类型很多,那么如何识别它们?各类型之间有何异同?如何选用合适的门?三、TTL集成门应用要点

1.各系列TTL集成门的比较与选用用于民品用于军品具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但CT54系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。按工作温度和电源允许变化范围不同分为CT74系列CT54系列第31页，课件共62页，创作于2023年2月向高速发展向低功耗发展按平均传输延迟时间和平均功耗不同分向减小功耗-延迟积发展措施：增大电阻值措施：(1)采用SBD和抗饱和三极管；(2)采用有源泄放电路；(3)减小电路中的电阻值。其中，LSTTL系列综合性能优越、品种多、价格便宜；ALSTTL系列性能优于LSTTL，但品种少、价格较高，因此实用中多选用LSTTL。

CT74系列(即标准TTL)CT74L系列(即低功耗TTL简称LTTL)

CT74H系列(即高速TTL简称HTTL)CT74S系列(即肖特基TTL简称STTL)

CT74AS系列(即先进肖特基TTL简称ASTTL)

CT74LS系列(即低功耗肖特基TTL简称LSTTL)CT74ALS系列(即先进低功耗肖特基TTL简称LSTTL)

第32页，课件共62页，创作于2023年2月集成门的选用要点(1)实际使用中的最高工作频率fm应不大于逻辑门最高工作频率fmax的一半。(2)不同系列TTL中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速

度(平均传输延迟时间tpd)和平均功耗不同。实际使用时，高速门电路可以替换低速的；反之则不行。例如CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00xx74xx00引脚图双列直插14引脚四

2

输入与非门第33页，课件共62页，创作于2023年2月2.

TTL集成逻辑门的使用要点(1)电源电压用+5V，74系列应满足5V5%。(2)输出端的连接

普通TTL门输出端不允许直接并联使用。

三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源VCC之间应接负载电阻RL。输出端不允许直接接电源VCC或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。第34页，课件共62页，创作于2023年2月3.多余输入端的处理与门和与非门的多余输入端接逻辑1或者与有用输入端并接。接

VCC通过1~10k电阻接

VCC与有用输入端并接TTL电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。第35页，课件共62页，创作于2023年2月或门和或非门的多余输入端接逻辑0或者与有用输入端并接第36页，课件共62页，创作于2023年2月[例]欲用下列电路实现非运算，试改错。(ROFF700，RON2.1k)第37页，课件共62页，创作于2023年2月解：OC门输出端需外接上拉电阻RC5.1kΩY=1Y=0RI>RON，相应输入端为高电平。510ΩRI<ROFF，相应输入端为低电平。第38页，课件共62页，创作于2023年2月是由增强型PMOS管和增强型NMOS管组成的互补对称MOS门电路。比之TTL，其突出优点为：微功耗、抗干扰能力强。主要要求：

了解CMOS数字集成电路的应用要点。掌握CMOS与非门、或非门、开路门、三态门和传输门的电路和逻辑功能。3.4CMOS集成逻辑门

第39页，课件共62页，创作于2023年2月(二)漏极开路的CMOS门简称OD门与OC门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。Y

=

AB第40页，课件共62页，创作于2023年2月(三)CMOS传输门

C=1，C=0时，传输门开通，uO=uI；C=0，C=1时，传输门关闭，信号不能传输。TGuI/uOuO/uICC传输门逻辑符号TG即TransmissionGate的缩写传输门是一个理想的双向开关，可传输模拟信号，也可传输数字信号。第41页，课件共62页，创作于2023年2月(四)CMOS三态输出门EN=1时，输出端Y呈现高阻态。因此构成使能端低电平有效的三态门。EN=0时，Y=AEN第42页，课件共62页，创作于2023年2月三、CMOS数字集成电路应用要点

(一)CMOS数字集成电路系列CMOS4000

系列

功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围宽VDD=3~15V；工作频率低，fmax=5MHz；驱动能力差。高速CMOS系列

(又称HCMOS系列)

功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围VDD=2~6V；工作频率高，fmax=50MHz；驱动能力强。

提高速度措施：减小MOS管的极间电容。

由于CMOS电路UTH

VDD/

2，噪声容限UNL

UNH

VDD/

2，因此抗干扰能力很强。电源电压越高，抗干扰能力越强。第43页，课件共62页，创作于2023年2月民品军品VDD=2~6V

T表示与TTL兼容VDD=4.5~5.5VCC54HC/74HC系列CC54HC/74HC系列TT按电源电压不同分为按工作温度不同分为CC74系列CC54系列高速

CMOS

系列第44页，课件共62页，创作于2023年2月1.注意不同系列CMOS电路允许的电源电压范围不同，一般多用+5V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。

(二)CMOS集成逻辑门使用要点

2.闲置输入端的处理不允许悬空。

可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。第45页，课件共62页，创作于2023年2月主要要求：

了解TTL和CMOS电路的主要差异。

了解集成门电路的选用和应用。

3.5集成逻辑门电路的应用

第46页，课件共62页，创作于2023年2月一、CMOS门电路比之TTL的主要特点

注意：CMOS电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非CMOS电路的驱动能力比TTL强。实际上CMOS4000系列驱动能力远小于TTL，HCMOS驱动能力与TTL相近。功耗极低抗干扰能力强电源电压范围宽输出信号摆幅大(UOH

VDD，UOL0V)

输入阻抗高扇出系数大第47页，课件共62页，创作于2023年2月二、集成逻辑门电路的选用

根据电路工作要求和市场因素等综合决定若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用

TTL电路。目前多用74LS系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至20MHz；如工作频率较高，可选用CT74ALS系列，其工作频率一般可至50MHz。若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用

CMOS电路。其中CMOS4000系列一般用于工作频率1MHz以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS常用于工作频率20MHz以下、要求较强驱动能力的场合。第48页，课件共62页，创作于2023年2月解：三、集成逻辑门电路应用举例

[例]试改正下图电路的错误，使其正常工作。CMOS门TTL门OD门(a)(b)(c)(d)VDDCMOS门Ya=ABVDDYb=

A

+

BTTL门OD门Yc=

AVDDENYd=ABEN

=

1

时EN

=

0

时OD门&TTL门悬空≥CMOS门悬空第49页，课件共62页，创作于2023年2月可用两级电路2个与非门实现之[例]试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。解：(1)用与非门实现与门设法将Y=AB用与非式表示因为Y=AB=AB因此，用与非门实现的与门电路为Y

=

AB将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门第50页，课件共62页，创作于2023年2月可用两级电路3个与非门实现(2)用与非门实现或门因此，用与非门实现的或门电路为Y

=

A

+

B因为

Y

=

A

+

B

=

A

+

B=

A

·

B设法将

Y

=

A

+

B

用与非式表示实现A实现B第51页，课件共62页，创作于2023年2月可用两级电路3个或非门实现之。(3)用或非门实现与门设法将Y=AB用或非式表示因此，用或非门实现的与门电路为因为

Y

=

AB

=

A

·

B=

A

+

B将或非门多余输入端与有用端并联使用构成非门Y=AB第52页，课件共62页，创作于2023年2月可用两级电路2个或非门实现之(4)用或非门实现或门设法将

Y

=

A

+

B

用或非式表示因为

Y

=

A

+

B

=

A

+

B因此，用或非门实现的或门电路为Y

=

A

+

B第53页，课件共62页，创作于2023年2月[例]有一个火灾报警系统，设有烟感、温感和紫外光感三种不同类型的火灾探测器。为了防止误报警，只有当其中两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才产生报警信号，试用与非门设计产生报警信号的电路。输入输出ABCY000001010011100101110111解：(1)分析设计要求，建立真值表感三种不同类型的火灾探测器有烟感、温感和紫外光产生报警信号两种或三种探测器发出探测信号时，报警系统才与非门设计报警电路的输入信号为烟感、温感和紫外光感三种探测器的输出信号，设用

A、B、C表示，且规定有火灾探测信号时用1表示，否则用0表示。报警电路的输出用

Y表示，且规定需报警时Y为1，否则

Y为0。由此可列出真值表如右图所示11110000(2)根据真值表画函数卡诺图第54页，课件共62页，创作于2023年2月

1

1ABC01000111101

1(3)用卡诺图化简法求出输出逻辑函数的最简与或表达式，再变换为与非表达式。Y=AB+AC+BC(4)画逻辑图根据Y的与非表达式画逻辑图=AB·AC·BCABCY=AB·AC·BC第55页，课件共62页，创作于2023年2月门电路是组成数字电路的基本单元之一，最基本的逻辑门电路有与门、或门和非门。实用中通常采用集成门电路，常用的有与非门、或非门、与或非门、异或门、输出开路门、三态门和CMOS传输门等。门电路的学习重点是常用集成门的逻辑功能、外特性和应用方法。

本章小结第56页，课件共62页，创作于2023年2月在数字电路中，三极管作为开关使用。

硅NPN管的截止条件为UBE＜

0.5V，可靠截止条件为UBE≤0V，这时iB0，iC0，集电极和发射极之间相当于开关断开；饱和条件为iB≥IB(sat)，这时，硅管的UBE(sat)0.7V，UCE(sat)

0.3V，集电极和发射极之间相当于开关闭合。三极管的开关时间限制了开关速度。开关时间主要由电荷存储效应引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加速基区存储