《电子技术基础》-8

第一节基本逻辑门

一、逻辑电路基本知识1.逻辑状态的表示方法用数字符号0和1表示相互对立的逻辑状态，称为逻辑0和逻辑1。常见的对立逻辑状态如表8一1所示

2.高、低电平规定用高电平、低电平来描述电位的高低。高低电平不是一个固定值，而是一个电平变化范围，如图8-1所示。在集成逻辑门电路中规定:3.正、负逻辑规定正逻辑:用1表示高电平，用0表示低电平的逻辑体制。如图8-1(a)所示。下一页返回第一节基本逻辑门二、基本逻辑门电路1.与逻辑1)与逻辑关系如图8-2所示，开关A与B串联在回路中，两个开关都闭合时，信号灯发亮。若其中任一个开关断开，信号灯就不会亮。这里开关A、B的闭合与信号灯亮的关系称为逻辑与，一也称为逻辑乘。因此与逻辑可概括为:只有当决定一个事件的所有条件都成立时，事件才会发生，这种逻辑关系称为与逻辑关系。如果用Y来表示某一个事件的发生与否，用A和B分别表示决定这个事件发生的两个条件，那么与逻辑可表示为:上一页下一页返回第一节基本逻辑门2.或逻辑1)或逻辑关系如果把图8-2中的开关A,B改为并联再和电灯连接起来，开关控制电路如图8-4所示，显然，灯亮的条件是:开关A或B至少有一个闭合。所以这种灯亮与开关闭合的关系是“或”逻辑，因此或逻辑可概括为:在决定一个事件发生的几个条件中，只要其中一个或者一个以上的条件成立，事件就会发生，这种电路关系称为或逻辑关系。或逻辑可表示为:2)或门电路二极管或门电路如图8-5(a)所示上一页下一页返回第一节基本逻辑门

由以上分析可知，这个电路只要输入信号中有一个为高电平时，输出就为高电平，因此讨输出获得高电平而言，输入信号和输出信号之间具有或逻辑关系。逻辑式为Y=A十B，逻降符号如图8-5(b)所示。

3.非逻辑和非门1)非逻辑关系如图8-6所示，要使电灯通电，开关A必须断开，所以这个电路就电灯通电与开关闭合而言符合非逻辑关系，故非逻辑可概括为:在事件中，结果总是和条件呈相反状态，这种逻辑关系称为非逻辑关系。非逻辑可表示为:上一页下一页返回第一节基本逻辑门y=A2)非门电路三极管非门电路如图8-7(a)所示。工作原理如下:非门的真值表如表8-4所示:上一页返回第二节复合逻辑门一、与非门将一个与门和一个非门连接起来，就构成了一个与非门，其逻辑表达式为:在与门输出端加上一个小圆圈，就构成了与非门的逻辑符号，如图8-8所示与非门真值表如表8-5所示:二、或非门在或门后面接一个非门，就构成或非门。其逻辑表达式为:在或门输出端加一小圆圈，就变成了或非门的逻辑符号，如图8-9所示。或非门真值表如表8-6所示:下一页返回第二节复合逻辑门

三、与或非门把两个(或两个以上)与门的输出端接到一个或非门的各个输入端，就构成了与或非门。其逻辑表达式为:两个与门与一个非门组合成其逻辑符号，如图8-10所示四、异或门异或门是一种能实现“异或”运算的i}辑申路。其i}辑袭汰式为:异或门的逻辑符号如图8-11所示:上一页下一页返回第二节复合逻辑门异或门的真值表如表8-7所示:五、同或门同或门是一种能实现“同或”运算的逻辑电路。其逻辑表达式为:同或门的逻辑符号如图8-12所示:同或门的真值表如表8-8所示:六、oc门常见的TTL与非门不能把它们的输出端并联使用，推拉式电路结构也不能满足驱动较大电流且高电压负载的要求。所以为了克服上述局限性的方法就是把输出级改为集电极开路的三极管结构，做成集电极开路的门电路(OC门)。其逻辑符号如图8一13所示:上一页下一页返回第二节复合逻辑门OC门在实际工作时要在输出的集电极和电源之间加接负载电阻，只要负载电阻和电源的数值选择得当，则可满足不同输出电平的需要，且OC门输出管设计尺寸较大时，可以承受较大的电流和电压。故OC门可用来驱动大电流高电压负载。OC门最大的特点是可以实现“线与”，即可把多个OC门的输出直接相连实现“与”功能，如图8-14所示:

七、三态门TTL三态输出门是在普通的门电路上附加控制电路而构成的。所谓“三态”，即输出不仅有“0","1”两种状态，还有第三态，即高阻态。三态门的逻辑符号如图8-15所示，三态门的使能端是高电平有效，当EN=1时，三态门按照与非门电路工作，输出为高电平1或者低电平0两种状态;当EN=0时，三态门输出呈高阻态。三态门的使能端一也可以是低电平有效。上一页下一页返回第二节复合逻辑门

三态与非门最重要的用途就是可向一条导线上轮流传送几组不同的数据和控制信号，如图8-16所示，这种方式在计算机中被广泛采用。但需要指出，为了保证接在同一条总线上的许多三态门能正常工作，一个必要条件是，任何时间里最多只有一个门处于工作状态，否则就有可能发生几个门同时处于工作状态，而使输出状态不正常的现象。上一页返回第三节数字逻辑电路系列

一、TTL数字集成系列TTL电路以双极型晶体管为开关元件，所以又称双极型集成电路。双极型数字集成电路是利用电子和空穴两种不同极性的载流子进行电传导的器件。它具有速度高(开关速度快)、驱动能力强等优点，但其功耗较大，集成度相对较低

1.CT74系列的子系列1)74系列74系列是最早的产品，是TTL的中速器件。与国产CT1000系列对应，现在还在使用。2)74H系列下一页返回第三节数字逻辑电路系列74H系列是74系列的改进型。在电路结构上，输出级采用了复合管结构，但电路的功耗比较大，日前已不再使用3)745系列2.国内外TTL系列产品对照国内外TTL系列产品对照见表8-9.3.使用TTL集成电路应注意的事项(1)TTL集成电路的电源电压不能高于+5.5V使用，不能将电源与地颠倒错接，否则将会因为过大电流而造成器件损坏。(2)电路的各输入端不能直接与高于+5.5V和低于一0.5V的低内阻电源连接，因为低内阻电源能提供较大的电流，导致器件过热而烧坏上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(3)除三态和集电极开路的电路外，输出端不允许并联使用。

(4)输出端不允许与电源或地短路。否则可能造成器件损坏。但可以通过电阻与地相连，提高输出电平

(5)在电源接通时，不要移动或插入集成电路，因为电流的冲击可能会造成其永久性损坏

(6)多余的输入端最好不要悬空。虽然悬空相当于高电平，并不影响与非门的逻辑功能，但悬空容易受干扰，有时会造成电路的误动作，在时序电路中表现更为明显。因此，多余输入端一般不采用悬空办法，而是根据需要处理。上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列

二、CMOS数字集成系列

MOS电路又称场效应集成电路，属于单极型数字集成电路。单极型数字集成电路中只利用一种极性的载流子(电子或空穴)进行电传导。它的主要优点是输入阻抗高、功耗低、抗干扰能力强且适合大规模集成。特别是其主导产品CMOS集成电路有着特殊的优点，如静态功耗几乎为零，输出逻辑电平可为UDD或队Uss上和下降时间处于同数量级等，因而CMOS集成电路产品已成为集成电路的主流之一。

1.CMOS数字集成电路的特点

(1)静态功耗低。在UDD=5V时，中规模电路的静态功耗小于100uW。上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(2)电源电压范围宽。CC4000系列的CMOS门电路的电源电压范围为3一18V。因此使用该种器件时，电源电压灵活方便，甚至未加稳压的电源也可使用。

(3)输入阻抗高。CMOS电路的输入端均有保护二极管和串联电阻构成的保护电路，在正常工作范围内，保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄漏电流

(4)带负载能力强。在低频工作时，一个输出端可驱动50个以上的CMOS器件的输入端。

(5)抗干扰能力强。CMOS电路抗干扰能力是指电路在干扰噪声的作用下，能维持电路原来的逻辑状态并正确进行状态的转换。上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(6)逻辑摆幅大。空载时的输出高电平UOH=Udd输出低电平UOL=USS(7)稳定性好，具有较强的抗辐射能力。

2.CMOS逻辑门电路的系列

(1)基本的COMS—4000系列。这是早期的CMOS集成逻辑门产品，工作电源电压为3一18V。优点是功耗低、噪声容限大、扇出系数大等;缺点是工作速度比较低，平均传输延迟时间为几十纳秒，最高工作频率小于5MHz(2)高速的CMOS—HC系列。74HCCOMS系列是高速COMS系列集成电路，具有74LS系列的工作速度和CMOS系列固有的低功耗及工作电源电压范围宽的特点。74HC系列工作电源电压范围为2一6V，平均传输延迟时间小于10ns，最高工作频率可达50MHz上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(3)与TTL兼容的高速CMOS—HCT系列。HCT系列的主要特点是与TTL器件电压兼容，它的电源电压范围为4.5-5.5V，输入电压参数为队uIH(min)=2.6V,uIL(max)=0.8V，与TTL完全相同。(4)先进的CMOS一AC(ACT)系列。该系列的工作频率得到了继续提高，同时保持了CMOS超低功耗的特点。其中ACT系列与TTL器件电压兼容，电源电压范围为4.55.5V。国内外CMOS系列集成电路对照见表8-10.3.使用CMOS电路的注意事项CMOS集成电路由于输入电阻很高，因此极易接受静电电荷。为了防止产生静电击穿，生产CMOS时，在输入端都要加上标准保护电路，但这并不能保证绝对安全，因此使用CMOS集成电路时，必须采取以下预防措施。上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(1)存放CMOS集成电路时要屏蔽，一般放在金属容器中，也可以用金属箔将引脚短路。

(2)CMOS集成电路可以在很宽的电源电压范围内提供正常的逻辑功能，但电源的上限电压(即使是瞬态电压)不得超过电路允许极限值，电源的下限电压(即使是瞬态电压)不得低于系统工作所必需的电源电压最低值呱In，更不得低于队、。

(3)焊接CMOS集成电路时，一般用20W内热式电烙铁，而且烙铁要有良好的接地线。一也可以利用电烙铁断电后的余热快速焊接。禁止在电路通电的情况下焊接。

(4)为了防止输入端保护二极管因正向偏置而引起损坏，输入电压必须处在UDD和USS、之间即USS<U1<UDD上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(5)调试CMOS电路时，如果信号电源和电路板用两组电源，则刚开机时应先接通电路板电源，后开信号源电源。关机时则应先关信号源电源，后断电路板电源。即在CMOS本身还没有接通电源的情况下，不允许有输入信号输入。

(6)多余输入端绝对不能悬空。否则不但容易受外界噪声干扰，而且输入电位不定，破坏了正常的逻辑关系，也消耗不少的功率。因此，应根据电路的逻辑功能需要分别情况

(7)输入端连接长线时，由于分布电容和分布电感的影响，容易构成LC振荡，可能使输入保护二极管损坏，因此必须在输入端串接一个10一20kSL的保护电阻R}上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(8)CMOS电路装在印刷电路板上时，印刷电路板上总有输入端，当电路从机器中拔出时，输入端必然出现悬空，所以应在各输入端上接人限流保护电阻。如果要在印刷电路板上安装CMOS集成电路，则必须在与它有关的其他元件安装之后再装CMOS电路，避免CMOS器件输入端悬空。

(9)插拔电路板电源插头时，应该注意先切断电源，防止在插拔过程中烧坏CMOS的输入端保护二极管。三、TTL与CMOS集成电路性能比较具有相同逻辑功能的TTL集成电路和CMOS集成电路由于电路结构不同，性能上也有很大差异。具体比较如下:(1)CMOS集成电路的输入阻抗很高，可达lOxSL以上，且在频率不高的情况下，电路的带负载能力比TTL集成电路强。上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(2)CMOS集成电路的导通电阻比TTL集成电路的导通电阻大得多，所以CMOS集成电路的工作速度比TTL集成电路慢。

(3)CMOS集成电路的电源电压范围为3一18V，这使它的输出电压摆幅大，因此其干扰能力比TTL集成电路强，这与严格限制电源电压的TTL集成电路要优越得多。

(4)由于CMOS集成电路静态时栅极电流几乎为0，因此该电路功耗比TTL电路功耗小。

(5)由于CMOS集成电路内部电路功耗小，发热量小，所以CMOS集成电路集成度比TTL集成电路集成度高。(6)CMOS集成电路的稳定性能好，抗辐射能力强，可在特殊情况下工作。上一页下一页返回第三节数字逻辑电路系列(7)由于C