实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路

实现基本逻辑运算和常用复合逻辑运算的电子电路与或非与非或非异或与或非与门或门非门与非门或非门异或门与或非门第三章逻辑门电路分立元件门电路和集成门电路1.分立元件门电路用分立的元器件和导线连接起来构成的门电路。2.集成门电路把构成门电路的元器件和连线，都制作在一块半导体芯片上，再封装起来。常用：CMOS和

TTL

集成门电路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小规模集成电路SSI(SmallScaleIntegration)<10门/片或<100元器件/片中规模集成电路MSI(MediumScaleIntegration)10~99门/片或100~999元器件/片大规模集成电路LSI

(LargeScaleIntegration)

100~9999门/片或1000~99999元器件/片超大规模集成电路VLSI(VeryLargeScaleIntegration)>10000门/片或>100000元器件/片第三章逻辑门电路3.1半导体二极管和三极管的开关特性3.

2基本逻辑门电路3.3TTL逻辑门3.4MOS集成门电路3.1半导体二极管和三极管的开关特性3.1.1理想开关的开关特性3.1.2半导体二极管的开关特性3.1.3晶体三极管的开关特性3.1.1理想开关的开关特性一、静态特性①断开②闭合SAKS可由二极管、三极管或MOS管实现3.1半导体二极管和三极管的开关特性SAK二、动态特性①开通时间：②关断时间：闭合）（断开断开）（闭合普通开关：静态特性好，动态特性差半导体开关：静态特性较差，动态特性好3.1.2半导体二极管的开关特性一、静态特性1.外加正向电压(正偏)二极管导通(相当于开关闭合)2.外加反向电压(反偏)二极管截止(相当于开关断开)硅二极管伏安特性阴极A阳极KPN结-AK+P区N区++++++++--------正向导通区反向截止区反向击穿区0.50.7/mA/V0D+-+-二极管的开关作用：[例]uO=0VuO=2.3V电路如图所示，试判别二极管的工作状态及输出电压。二极管截止二极管导通[解]D0.7V+-二、动态特性tt00≤ton—开通时间toff—关断时间一、静态特性NPN3.1.3晶体三极管的开关特性发射结集电结发射极emitter基极base集电极collectorbiBiCec(电流控制型)1.结构、符号和输入、输出特性(2)符号NNP(Transistor)(1)结构(3)输入特性(4)输出特性iC

/mAuCE

/V50µA40µA30µA20µA10µAiB=0024684321放大区截止区饱和区0uBE

/ViB

/µA(a)放大iB≈0,iC≈0发射结正偏,集电结反偏i

C=

iB(b)截止发射结反偏,集电结反偏(c)饱和发射结正偏,集电结正偏先求集电极临界饱和电流判断三极管饱和导通的条件三极管饱和当或(d)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.开关应用举例发射结反偏T截止发射结正偏T导通+

RcRb+VCC

(12V)+uo

iBiCTuI3V-2V2k

2.3k

放大还是饱和？饱和导通条件：+

RcRb+VCC

+12V+uo

iBiCTuI3V-2V2k

2.3k

≤因为所以二、动态特性3-2t00.9ICS0.1ICSt030.3t03.2基本逻辑门电路3.2.1二极管与门电路3.2.2二极管或门电路3.2.3晶体三极管非门电路3.2.4复合门电路uYuAuBR0D2D1+VCC+10V3.2.1二极管与门电路3V0V符号:与门（ANDgate)ABY&0V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3V真值表ABY000110110001Y=AB电压关系表uA/VuB/VuY/VD1D200033033导通导通0.7导通截止0.7截止导通0.7导通导通3.7高、低电平与正、负逻辑负逻辑正逻辑0V5V2.4V0.8V010V5V2.4V0.8V10正与门真值表正逻辑和负逻辑的对应关系：ABY000110110001ABY=AB&负或门真值表ABY111001001110AB≥1同理：正或门负与门3.2.2二极管或门电路uY/V3V0V符号:或门（ANDgate)ABY≥10V0VUD=0.7V0V3V3V0V3V3VuYuAuBROD2D1-VSS-10V真值表ABY000110110111电压关系表uA/VuB/VD1D200033033导通导通-0.7截止导通2.3导通截止2.3导通导通2.3Y=A+B一、半导体三极管非门T截止T导通3.2.3晶体三极管非门电路饱和导通条件:+VCC+5V1k

RcRbT+-+-uIuO4.3k

β=30iBiCT饱和因为所以电压关系表uI/VuO/V0550.3真值表0110AY符号函数式+VCC+5V1k

RcRbT+-+-uIuO4.3k

β=30iBiC三极管非门:AY1AY三极管非门:RcRbTVCC(+5V)uiuoD3DK3B+3V1.5k1k输入为低电平0.3V:T截止，输出为高电平。D导通，uO

=3+0.7=3.7(V)输入为高电平3.7VT饱和导通，输出为低电平，uo≈0.3V。二、半导体三极管非门的负载能力负载分类:拉电流负载和灌电流负载①灌电流负载RcRbT饱和VCC(+5V)uiuo负载门IRCICI灌IC=I灌+IRC＜ICM

RcRbT截止uiuo负载门IRCIC=0I拉VCC(+5V)②拉电流负载+VCC+5VR14k

AD2T1T2T3T4DR21.6k

R31k

R4130

Y输入级中间级输出级D1BT1—多发射极三极管e1e2bc等效电路：1.A、B只要有一个为00.3V1VT2、T4截止5VT3、D

导通3.3TTL逻辑门3.3.1TTL与非门工作原理0.7VRL3.6V+VCC+5V4k

AD2T1T2T3T4D1.6k

1k

130

Y输入级中间级输出级D1BR1R2R3R43.6V3.6V0.7V1V0.3V4.3V2.1V2.A、B均为1理论：实际：T2、T4导通T3、D

截止uO=UCES4≤0.3VTTL与非门RL+VCC+VCC+5V4k

AD2T1T2T3T4D1.6k

1k

130

Y输入级中间级输出级D1BR1R2R3R4TTL与非门整理结果：1110ABY00011011AB&3.3.2TTL与非门的主要参数1+VCC+5VuI+-uO+-AB0uO/VuI/V12341234AB段：uI<0.5V

，uB1<1.3V

，截止区3.6VBC段：C线性区D转折区E饱和区0.3VCD段：反相器的阈值电压(或门槛电压)DE段：uI>1.4V

uO=UOL≤0.3V阈值电压一.传输特性：ABCDE二.TTL“与非”门的参数电压传输特性典型值3.6V，

2.4V为合格典型值0.3V，

0.4V为合格输出高电平电压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/V01231234Ui/VABDE低电平噪声容限电压UNL—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允许叠加干扰定量说明门电路抗干扰能力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UIL01231234Ui/VUO/V输入高电平电压UIHAB高电平噪声容限电压UNH—允许叠加在输入高电平电压上的最大噪声（或干扰）电压。UNH=UIH–UON允许叠加干扰定量说明门电路抗干扰能力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。DE01231234Ui/VUO/V

指一个“与非”门能带同类门的最大数目，它表示带负载的能力。对于TTL“与非”门NO

8。输入高电平电流IIH和输入低电平电流IIL

当某一输入端接高电平，其余输入端接低电平时，流入该输入端的电流，称为高电平输入电流IIH（

A）。

当某一输入端接低电平，其余输入端接高电平时，流出该输入端的电流，称为低电平输入电流IIL（mA）。扇出系数NO传输延迟时间1uIuO50%Uom50%UimtuI0tuO0UimUomtPHL

—输出电压由高到低时的传输延迟时间。tpd—平均传输延迟时间tPLH

—输出电压由低到高时的传输延迟时间。tPHLtPLH典型值：tPHL=8ns,tPLH=12ns最大值：tPHL=15ns,tPLH=22ns3.3.3其他类型的TTL集成门电路一、集电极开路门—OC门(OpenCollectorGate)+VCC+5VR1AD2T1T2T4R2R3YD1B1.电路组成及符号+V

CCRC外接YAB&+V

CCRCOC门必须外接负载电阻和电源才能正常工作。可以线与连接V

CC根据电路需要进行选择2.OC门的主要特点线与连接举例：+VCCAT1T2T4Y1B+VCCCT

1T

2T

4Y2D+V

CCRC+V

CCRCY1AB&G1Y2CD&G2线与YY二、三态门–TSL门(Three-StateLogic)(1)使能端低电平有效1.电路组成+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3使能端(2)使能端高电平有效1ENYA&BENYA&BENEN以使能端低电平有效为例：2.三态门的工作原理PQP=1（高电平）电路处于正常工作状态：D3

截止，（Y=0或1）+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3使能端P=0(低电平)D3

导通

T2

、T4截止uQ≤1VT3、D截止输出端与上、下均断开+VCC+5VR1AT1T2T3T4DR2R3R4YB1D3可能输出状态：0、1或高阻态QP—高阻态记做

Y=Z使能端3.总结(1)使能端低电平有效(2)使能端高电平有效YA&BENYA&BENEN—高阻态—高阻态4.应用举例：(1)用做多路开关YA11EN1ENA21G1G2使能端10禁止使能01使能禁止(2)用于信号双向传输A11EN1ENA21G1G201禁止使能10使能禁止(3)构成数据总线EN1EN1EN1…G1G2GnA1A2An数据总线011…101…110…注意：任何时刻，只允许一个三态门使能，其余为高阻态。3.3.4门电路使用常识TTL系列产品及其特点14VC76543214A4Y3B3A3Y1A1B1Y2A2B2YGND&&74LS00&&&VCC4B4A4Y3B3A3Y1A1B1Y2A2B2YGND&&74LS08&&&2D2CNC2B2A2Y1A1BNC1C1D1YGND74LS20&&&VCC1A1B1Y2Y2A2BVSS&&CD4011&&&VDD4B4A4Y3Y3B3A141312111098765432176543217654321141312111098141312111098对多余输入端的处理

（a）悬空,虽然悬空相当于“1”,不影响“与门”、“与非门”的逻辑关系，但易受外界的干扰，导致电路的逻辑功能不正常，因此，多余输入端要根据实际需要作适当处理。

（b）“与门”、“与非门”的多余端可直接接到电源上；也可以将不同的输入端共用一个电阻接到电源上。对“或门”、“或非门”的多余端可以直接接地。(c)多余的输入端可以与使用的输入端并联使用

3.4MOS集成门电路3.4.1NMOS门电路1.场效应管结构和特性：(1)N沟道栅极

G漏极

DB源极

S3V4V5VuGS=6ViD/mA42643210uGS/ViD/mA43210246810uDS/V可变电阻区恒流区UTNiD开启电压UTN=2V+-uGS+-uDS衬底漏极特性转移特性uDS=6V截止区P沟道增强型MOS管与N沟道有对偶关系。(2)P沟道栅极

G漏极

DB源极

SiD+-uGS+-uDS衬底iD/mAiD/mA-2-40-1-2-3-40-10-8-6-4-2-3V-4V-5VuGS=-6V-1-2-3-4-6uGS/VuDS/V可变电阻区恒流区漏极特性转移特性截止区UTPuDS=-6V开启电压UTP=-2V参考方向2.MOS管的开关特性(1)N沟道增强型MOS管+VDD+10VRD20k

BGDSuIuO+VDD+10VRD20k

GDSuIuO开启电压UTN=2ViD+VDD+10VRD20k

GDSuIuORONRD(2)P沟道增强型MOS管-VDD-10VRD20k

BGDSuIuO-VDD-10VRD20k

GDSuIuO开启电压UTP=-2V-VDD-10VRD20k

GDSuIuOiD3.NMOS逻辑门MOS管截止2)MOS管导通（在可变电阻区）真值表0110AY+VDD+10VRD20k

BGDSuIuO1)+-uGS+-uDS故

3.实际NMOS逻辑非门1)2)4.与非门A

BT1T2F00011011截截通通截截通通1110AB&F=5.或非门A

BT1T2F00011011截截通通截截通通1000AB≥1+VDD+10VB1G1D1S1uAuYTNTPB2D2S2G2VSS+-uGSN+-uGSP3.4.2CMOS反相器一、CMOS非门1.电路组成及工作原理AY10V+10VuAuGSNuGSPTNTPuY0V<UTN<UTP截止导通10V10V>UTN>UTP导通截止0VUTN=2VUTP=-2V+10VRONPuY+VDD10VSTNTP+10VRONNuY+VDD0VSTNTP2.静态特性(1)电压传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNHAB段：uI<UTN，uO=VDD、iD

0，功耗极小。0uO/VuI/VTN截止、TP导通，BC段：TN导通，uO略下降。CD段：TN、TP均导通。DE、EF段：与

BC、AB段对应，TN、TP的状态与之相反。转折电压指为规定值时，允许波动的最大范围。UNL：输入为低电平时的噪声容限。UNH：输入为高电平时的噪声容限。=0.3VDD噪声容限：(2)电流传输特性：iD+VDDB1G1D1S1+uI-uOTNTPB2D2S2G2VSSABCDEFUTNVDDUTHUTPUNLUNH0uO/VuI/VABCDEF0iD/mAuI/VUTH电压传输特性电流传输特性AB、EF段：TN、TP总有一个为截止状态，故iD

0。CD段：TN、Tp均导通，流过两管的漏极电流达到最大值iD=iD（max)

。阈值电压：UTH=0.5VDD（VDD=3~18V）A

BTN1TP1

TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1110与非门一、CMOS与非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TP2TN2ABYuBuYAB&00100111Y=3.4.3其他类型的CMOS门电路或非门二、CMOS或非门uA+VDD+10VVSSTP1TN1TN2TP2ABYuBuYA

BTN1TP1

TN2TP2Y00011011截通截通通通通截截通截截截截通通1000AB≥100100111三、CMOS与门和或门1.CMOS与门AB&Y1+VDDVSSTP1TN1TP2TN2ABYABY&+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSS2.CMOS或门Y1+VDDB1G1D1S1ATNTPB2D2S2G2VSSAB≥1ABY≥1+VDDVSSTP1TN1TN2TP2ABY四、CMOS与或非门和异或门1.CMOS与或非门1).电路组成：&&&ABCD&≥1YABCDY12).工作原理：由CMOS基本电路(与非门和反相器)组成。五、CMOS传输门(双向模拟开关)1.电路组成：TPCVSS+VDDIO/uuOI/uuTNCIO/uuOI/uuTG2.工作原理：TN、TP均导通，TN、TP均截止，导通电阻小(几百欧姆)关断电阻大(≥109

)(TG门—TransmissionGate)六、CMOS三态门1.电路组成+VDDVSSTP2TN1TP1AYTN212.工作原理Y与上、下都断开TP2、TN2均截止Y=Z(高阻态—非1非0)TP2、TN2均导通011010控制端低电平有效(1或0)3.逻辑符号YA1EN使能端EN

七、CMOS漏极开路门(OD门—OpenDrain)1.电路组成BA&1+V

DDYBGDSTNVSSRD外接YAB&符号(1)漏极开路，工作时必须外接电源和电阻。2.主要特点(2)可以实现线与功能：输出端用导线连接起来实现与运算。YCD&P1P2+V

DDYRD(3)

可实现逻辑电平变换：(4)带负载能力强。3.4.4CMOS电路使用注意事项一、CC4000和C000系列集成电路1.CC4000系列：符合国家标准，电源电压为3

18V，功能和外部引线排列与对应序号的国外产品相同。2.C000系列：早期集成电路，电源电压为7

15V，外部引线排列顺序与CC4000不同，用时需查阅有关手册。传输延迟时间tpd标准门=100nsHCMOS=9nsHCMOS:54/74系列54/74HC(带缓冲输出)54/74HCU(不带缓冲输出)54/74HCT(与LSTTL兼容)二、高速CMOS(HCMOS)集成电路三、CMOS集成电路的主要特点(1)功耗极低。LSI：几个μW，MSI：100μW(2)电源电压范围宽。CC4000系列：VDD=3~18V(3)抗干扰能力强。输入端噪声容限=0.3VDD~0.45VDD(4)逻辑摆幅大。(5)输入阻抗极高。(6)扇出能力强。扇出系数：带同类门电路的个数，其大小反映了门电路的带负载能力。(7)集成度很高，温度稳定性好。(8)抗辐射能力强。(9)成本低。CC4000系列：≥50个≥四、CMOS

电路使用中应注意的几个问题1.注意输入端的静电防护。2.注意输入电路的过流保护。3.注意电源电压极性。5.多余的输入端不应悬空。6.输入端外接电阻的大小不会引起输入电平的变化。与门

、

与非门

：接电源或

与其他输入端并联