数字电路与系统 （第4版） 课件【ch02】逻辑门电路

逻辑门电路第二章集成电路科学与工程系列教材数字电路与系统(第4版)概述0101概述用于实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路统称为门电路(GateCircuits)。常用的逻辑门电路主要有与门(AND)、或门(OR)和非门(NOT)，以及与非门(NAND)、或非门(NOR)、异或门(XOR)、同或门(XNOR)等。在数字电路中，通常用高电平(H)、低电平(L)分别表示二值逻辑的真(1)和假(0)两种状态。如果以输出的高电平表示逻辑1，以低电平表示逻辑0，则称这种表示方法为正逻辑。反之，若以输出的高电平表示0，而以低电平表示1，则称这种表示方法为负逻辑。01概述逻辑门电路种类繁多，按是否集成来分类，可分为分立元件逻辑门电路和集成逻辑门电路。集成电路按照其内部有源器件的不同又可以分为两类:双极型晶体管集成电路(BipolarIntegratedCircuits)和绝缘栅场效应管集成电路(MOSIntegratedCircuits)。其中，以TTITransistor-TransistorLogic)为代表的双极型晶体管集成电路和以CMOS(ComplementaryMetalOxideSemicondutor)为代表的绝缘栅场效应管集成电路，广泛应用到计算机、工业控制、消费电子等领域。逻辑门电路介绍0202逻辑门电路介绍基本逻辑门电路1.与门实现与运算功能的逻辑器件称为与门，每个与门有两个或两个以上的输入端和一个输出端，两输入端的与门逻辑符号如图2.2(a)所示。02逻辑门电路介绍基本逻辑门电路2.或门实现或运算逻辑功能的逻辑器件称为或门。每个或门有两个或两个以上的输入端和一个输出端，两个输入端或门的逻辑符号如图2.2(b)所示。3.非门实现非门逻辑运算功能的逻辑器件称为非门，非门也称为反相器，每个非门有一个输入端和一个输出端，其逻辑符号如图2.2(c)所示。02逻辑门电路介绍复合逻辑门电路从理论上讲，由与、或、非三种基本门电路可以实现任何逻辑功能，但在实际应用中,为了提高门电路的抗干扰能力、负载能力等，通常将一些复合逻辑采用集成电路一起实现成为复合逻辑门电路。最常用的复合逻辑门电路有与非门、或非门、与或非门和异或门、同或门，它们的逻辑符号如图2.3所示。02逻辑门电路介绍最大项与最小项的关系1.与非门实现与运算后再进行非运算的复合逻辑电路称为与非门。与非门有两个或两个以上的输入端，两个输入端与非门的逻辑符号如图2.3(a)所示。2.或非门实现或运算后再进行非运算的复合逻辑电路称为或非门。或非门有两个或两个以上的输入端，两个输入端或非门的逻辑符号如图2.3(b)所示。复合逻辑门电路02逻辑门电路介绍最大项与最小项的关系3.与或非门与、或、非三种运算的复合运算的实现电路称为与或非门，其逻辑符号如图2.3(c)所示，真值表如表2.6所示。4.异或门异或逻辑指两输入端取值不同时，输出为1:当两个输入端取值相同时，输出为0。实现异或逻辑的门电路称为异或门。异或门有且只有两个输入端，一个输出端，其逻辑符号如图2.3(d)所示。复合逻辑门电路02逻辑门电路介绍02逻辑门电路介绍最大项与最小项的关系02逻辑门电路介绍5.同或门异或运算之后再进行非运算，则称为同或运算，其逻辑是指两输入端取值相同时，输出为1;两输入取值不同时，其输出为0。同或门有且只有两个输入端，一个输出端，其逻辑符号如图2.3(e)、(f)所示。同或门的真值表如表2.8所示。复合逻辑门电路TTL逻辑门电路0303TTL逻辑门电路TTL与非门TTL与非门和TTL非门结构相同，只有输入端个数的差别，是TTL门电路中电路结构最简单的一种。74系列与非门的典型电路如图2.4所示。03TTL逻辑门电路TTL与非门1.工作原理TTL与非门只要有一个输入端为低电平，输出即为高电平，只有所有输入端均为高电平时，输出才为低电平。03TTL逻辑门电路TTL与非门2.电压传输特性TTL与非门的输出电压F随输入电压4的变化关系曲线称为电压传输特性曲线，如图2.7所示，大体可分为4个段区。(1)AB段。(2)BC段。(3)CD段。(4)DE段。03TTL逻辑门电路3.关门电平、开门电平和输入端噪声容限(1)关门电平Voff:为保证与非门输出高电平时的最高输入电平值称为关门电平Voff，

。(2)开门电平Von:为保证与非门输出低电平时的最低输入电平值称为开门电平,。(3)噪声容限:在保证逻辑门完成正常逻辑功能的情况下，逻辑门输入端所能承受的最大干扰电压值。TTL与非门03TTL逻辑门电路1.TTL与非门的输入负载特性图2.8(a)所示为与非门输入端接入负载电阻R的电路。当Ri在一定范围内增大时，由于输入电流流经Ri会产生压降，其上电压也随之增大，反映两者之间关系变化的曲线称为输入负载特性曲线，如图2.8(b)所示。TTL与非门的电气特性03TTL逻辑门电路2.TTL与非门的输入伏安特性输入伏安特性是指输入电流随输入电压变化的特性。TTL与非门的电气特性03TTL逻辑门电路3.TTL与非门的输出特性(1)灌流负载能力。TTL与非门输出为低电平时带灌流负载的等效电路如图2.10(a)所示。TTL与非门的电气特性03TTL逻辑门电路(2)拉流负载能力。TTL与非门输出高电平时带同类TTL与非门负载的等效电路如图2.11(a)所示。4.传输门延迟我们把输出电压波形滞后于输入电压波形的时间称为传输延迟时间。传输延迟时间是衡量门电路工作速度的重要指标，可以从产品的数据手册中查找到。TTL与非门的电气特性03TTL逻辑门电路其他类型TTL门电路1.TTL非门与非门是通用逻辑电路，即可以用其实现各种逻辑运算。但实际应用中为提高可靠性还有其他TTL门电路直接以集成电路形式实现。2.或非门74系列或非门电路如图2.13所示。03TTL逻辑门电路其他类型TTL门电路03TTL逻辑门电路其他类型TTL门电路3.与或非门将图2.13或非门电路中的每个输入端改成多发射极三极管，就得到图2.14所示的与或非门电路。4.异或门TTL异或门电路结构如图2.15所示。5.集电极开路的门电路(OC门)使门电路的输出端能够直接并联使用，可以把TTL与非门电路的推拉式输出极改为三极管集电极开路输出，称为集电极开路(OpenCollector)与非门，简称OC门。03TTL逻辑门电路其他类型TTL门电路03TTL逻辑门电路6.三态门(TSL门)三态(ThreeStateLogic，TSL)门是指门的输出端不仅有高、低电平两种状态，还有悬空(对地高阻抗)状态。其他类型TTL门电路MOS门电路0404MOS门电路1.NMOS反相器(非门)NMOS反相器逻辑电路如图2.26所示，它有两个MOS管，T1为负管，T2为开关管(也称驱动管)。2.NMOS与非门NMOS与非门逻辑电路如图2.27所示。NMOS门电路04MOS门电路3.NMOS或非门NMOS或非门逻辑电路如图2.28所示，T1是负载管，始终导通，T2、T3是并联的驱动管，其功能表见表2.12。NMOS门电路04MOS门电路1.CMOS非门CMOS电路04MOS门电路2.CMOS与非门CMOS电路04MOS门电路3.CMOS或非门CMOS电路04MOS门电路4.CMOS三态门5.CMOS传输门CMOS电路04MOS门电路(1)功耗小。(2)电路电源电压取值范围大。(3)抗干扰能力强。(4)工作速度已接近TTL。(5)负载能力强。CMOS电路特点04MOS门电路1.CMOS电路使用注意事项(1)包装、运输和存储CMOS器件时，不宜接触化纤材料的制品，最好用防静电材料包装;(2)组装、调试CMOS电路时，所有工具、仪表、工作台、服装、手套等应注意接地或防静电。(3)CMOS电路不用的输入端一定不能悬空。集成电路使用注意事项04MOS门电路1.CMOS电路使用注意事项(4)CMOS电路中有输入保护钳位二极管，为防止其过流损坏，对于低内阻信号源，要加限流电阻。(5)CMOS电路输出端不允许接E或地，不同芯片的输出端不能并接。2.TTL数字集成电路使用注意事项(1)电源。TTL电路采用+5V电源，一般要求电源电压稳定度在正负5%以内。为防止千扰要在电源和地之间接入滤波电容。集成电路使用注意事项04MOS门电路2.TTL数字集成电路使用注意事项(2)输出端的连接。TTL电路输出端不允许直接接电源或地。三态门输出可以并联使用,但任一时刻只允许一个门处于工作状态，其他门处于高阻状态。OC门输出端可以并接使用其他TTL门电路不允许输出端并接使用。(3)TTL电路不用的输入端的处理。集成电路使用注意事项TTL与CMOS电路的连接0505TTL与CMOS电路的连接在一个数字电路系统中，若同时采用TTL和CMOS电路，必然会遇到TTL与CMOS电路连接的问题。两种不同类型的集成电路，在连接时应满足一定的条件，否则必须通过接口电路进行电平或电流的变换之后才能连接，而相互连接就可能存在匹配问题。门电路在连接时，前面的称为驱动门，后面的称为负载门。驱动门必须能为负载门提供符合要求的高、低电平和足够的输入电流。电压匹配。驱动门的输出端高电平一定要大于负载门的输入高电平;驱动门的输出低电平一定要小于负载门的输入低电平。电流匹配。驱动门的输出电流一定要大于负载门的输入电流。05TTL与CMOS电路的连接表2.17列出了TTLCT1000系列、TTLCT4000系列和CMOSCC4000系列有关电压和电流的参数，供TTL与CMOS电路接口时参考。TTL、CMOS常用芯