第2章-数电-逻辑门电路-课件模板.ppt

1、第2章 逻辑门电路,2.1 概述 2.2 分立元件门电路 2.3 TTL逻辑门电路 3.4 MOS门电路 3.5 TTL电路MOS电路的接口,2.1 概述,门电路的作用：是用以实现逻辑关系的电子电路，与基本逻辑关系相对应。,门电路的主要类型：与门、或门、与非门、或非门、异或门等。,门电路的输出状态与赋值对应关系：,正逻辑：高电位对应“1”；低电位对应“0”。,混合逻辑：输入用正逻辑、输出用负逻辑；或者输入用负逻辑、输出用正逻辑。,一般采用正逻辑,负逻辑：高电位对应“0”；低电位对应“1”。,在数字电路中，对电压值为多少并不重要，只要能判断高低电平即可。,K开-VO输出高电平，对应“1” 。 K

2、合-VO输出低电平，对应“0” 。,门 (电子开关),满足一定条件时，电路允 许信号通过 开关接通 。,开门状态：,关门状态：,条件不满足时，信号通不过 开关断开 。,开关 作用,二极管,反向截止：,开关接通,开关断开,三极管（C,E),饱和区：,截止区：,开关接通,开关断开,正向导通：,2.2.1 二极管与门电路,逻辑变量,逻辑函数,( uD=0.3V ), 2.2 分立元件门电路,逻辑式：F=A B,逻辑符号：,2.2.2二极管或门,逻辑式：F=A+B,逻辑符号：,2.2.3 三极管反相器,钳位二极管,逻辑式：,逻辑符号：,2.3 TTL逻辑门电路,数字集成电路：在一块半导体基片上制作出一

3、个完整的逻辑电路所需要的全部元件和连线。使用时接：电源、输入和输出。数字集成电路具有体积小、可靠性高、速度快、而且价格便宜的特点。,TTL型电路：输入和输出端结构都采用了半导体晶体管，称之为: Transistor Transistor Logic。,2.3.1 TTL集成门电路的结构,TTL集成门电路的结构一般分为三级，即输入级、中间级和输出级。,完成信号输入放大作用,完成信号处理及耦合作用,完成驱动放大作用,1.输入级形式,C=A,C=A+B,C=AB,C=AB,2.中间级形式, 单变量分相器,对于功能不同的门，这部分电路不一样。例如TTL与非门中间级就是分相器；或非门中间级就是线与电路。

4、,分相器的逻辑表达式为：, A+B分相器,A、B中有一个为高电平,VT1、VT2必有一个饱和导通,F2必然为高电平，F1为低电平。, A+B分相器,A、B均为低电平,VT1、VT2都截止,F2必然为高电平，F1为低电平。,输入、输出的逻辑关系为：,其输出与输入变量的逻辑关系为：,根据以上分析，不难得到n个变量之(或)的分相器。,3.输出级形式,TTL集成门电路输出有四种输出形式，即(a)集电极开路输出，(b)三态门输出，(c)图腾柱输出，(d)复合管和图腾柱输出。,(a),(b),特点：具有控制VT1、VT2均截止的电路，当控制有效时，输出端F呈高阻态；当控制无效时，按逻辑门正常功能输出0，1

5、两态。,特点：要接负载电阻RL和驱动电压VCC，实现高压、大电流驱动。,3.输出级形式,TTL集成门电路输出有四种输出形式，即(a)集电极开路输出，(b)三态门输出，(c)图腾柱输出，(d)复合管和图腾柱输出。,(c),(d),特点：任何时候作为输出的两个三极管，总有一个处于截止状态，而另一个处于饱和导通状态，该电路具有较强的驱动能力。,特点：具有图腾柱输出和复合管输出的特点，有极强驱动能力。,2.3.2 集成TTL逻辑门,一、TTL与非门,输入级,输出级,中间级,T1 多发射极晶体管：实现“与”运算。,“非”,与非门,输出级,“与”,1. 任一输入为低电平（0.3V）时,0.7V,不足以让

6、T2、T5导通,0.7V,uo=5-uR2-ube3-ube43.4V 高电平！,逻辑关系：任0则1。,电位被钳 在2.1V,全反偏,1V,2. 输入全为高电平（3.4V）时,全反偏,uF =0.3V,逻辑关系：全1则0。,二、 集电极开路的与非门（OC门）,1、 问题的提出,标准TTL与非门进行与运算:,能否“线与”？,（Open Collector),TTL与非门的输出电阻很低。这时，直接线与会使电流 i 剧烈增加。,i,功耗,T4热击穿,UOL ,与非门2：,不允许直接“线与”,与非门1 截止,与非门2 导通,UOH,UOL,与非门1：,问题：TTL与非门能否直接线与？,集电极悬空,应用

7、时输出端要接一上拉负载电阻 RL 。,2、OC门结构,特点：RL 和UCC 可以外接。,3、 OC门可以实现“线与”功能。,OC门输出并联的接法及逻辑图,三、 三态输出门电路,E 控制端,1、结构,2、工作原理,1） 控制端E=0时的工作情况：,2） 控制端E=1时的工作情况：,功能表,3、三态门的符号及功能表,功能表,三态门主要作为TTL电路与总线间的接口电路。,4、三态门的用途,工作时，E1、E2、E3分时接入高电平。,2.4 CMOS门电路,MOS电路的特点：,2. 是电压控制元件，静态功耗小。,3. 允许电源电压范围宽（318V）。,4. 扇出系数大，抗噪声容限大。,优点,1. 工艺简

8、单，集成度高。,缺点：工作速度比TTL低 。,2.4.1 NMOS门电路,一、NMOS非门,A,二、NMOS或非门,VT1、VT2为驱动管，VT3为负载管。要求RDS3远大于RDS1RDS2。只要A、B中有一个为高电平，则必有一个驱动管导通，输出F为低电平；只有A、B全为低电平时，VT1、VT2全截止，输出F才为高电平。可见电路实现了或非门功能，即：,三、NMOS与非门,VT1、VT2为驱动管，VT3为负载管。要求RDS3远大于(RDS1+RDS2)。只有A、B全为高电平时，VT1、VT2才同时导通，输出F才为低电平；若A、B中有一个为低电平，VT1、VT2至少有一管截止，输出对地不通，输出F

9、为高电平。可见电路实现了与非功能，即：,四、NMOS与或非门,VT1、VT2、VT3、VT4为驱动管，VT5为负载管。要求RDS5远大于 (RDS1+RDS2)(RDS3+RDS4)。其输出与输入变量的逻辑关系为与或非关系。即：,2.4.2 CMOS门电路,由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路为互补MOS或CMOS电路。,一、CMOS反相器,A=0,导通,UGSP=VDD,截止,F为高电平,2.4.2 CMOS门电路,由N沟道和P沟道两种MOSFET组成的电路为互补MOS或CMOS电路。,一、CMOS反相器,A=1,截止,导通,F为低电平,则输入输出的逻辑关系为：,二、CMOS传输门(T

10、G),传输门就是一种传输模拟信号的模拟开关。CMOS传输门由一个P沟道和一个N沟道增强型MOSFET并联而成。因VTP和VTN是结构对称的器件，它们的源极和漏极是可以互换的。,设它们的开启电压|VT|=2v，且输入的模拟信号的变化范围为5v到5v。为使衬底与漏源极之间的PN结任何时刻都不致正偏，故TP的衬底接5v，而TN的衬底接5v电压。,当C端接-5v时，VTN的栅压即为-5v，uI在-5v+5v范围内的任意值时，VTN均不导通。同时，VTP的栅压为+5v，VTP亦不导通。可见，当C接低电平时，开关是断开的。 为了使开关接通，可将C端接高电压+5v，uI在-5v+3v的范围内，VTN导通。同

11、时，VTP的栅压为-5v， uI在-3v+5v的范围内，VTP将导通。,由以上分析可知，当uI-3v时，仅有VTN导通，而当uI+3v时，仅有VTP导通。当uI在-3v+3v的范围内，VTN和VTP两管均导通。进一步分析还可以看到，一管导通的程度越深，另一管的导通程度则相应地减少。这是CMOS传输门的优点。,三、CMOS与非门,A、B中只要有一个为低电平，就会使两个相串连的NMOS管截止，使两个相并联的PMOS管导通，输出F为高电平。 当A、B全为高电平时，才会使两个串联NMOS管都导通，使两个并联型PMOS管都截止，输出为低电平。 则这种电路具有与非的逻辑功能，即：,四、CMOS或非门,CM

12、OS或非门如下图所示。其中VTP1、VTP2是两个串联的PMOS管，VTN1、VTN2是两个并联的NMOS管。,当输入变量A、B中只要有一个为高电平，就会使与它相连的NMOS管导通，与它相连的PMOS管截止，输出F为低电平。只有A、B全为低电平时，两个并联的NMOS管都截止，而两个串联的PMOS都导通，输出F为高电平。则这种电路具有或非功能，即：,五、CMOS与或非门,CMOS与或非门电路由三个与非门基本电路和一个反相器构成。,等效电路,六、CMOS异或门,VTP1、VTP2、VTN1、VTN2组成或非门，其输出控制着VTP5和VTN5的状态，当P=0时，VTP5导通，VTN5截止；当P=1时

13、，VTP5截止，VTN5导通。而当VTP5导通、VTN5截止时，VTP3、VTP4、VTN3、VTN4组成与非门；当VTP5截止，VTN5导通时，F通过VTN5到地。,由电路可知： 当P=0时，因VTP5导通，VTN5截止，VTP3、VTP4、VTN3、VTN4组成了与非门，则 当P=1时，由于VTP5截止，VTN5导通，则,整理上述结果，可得到电路的真值表：,七、CMOS三态门电路,三态输出门是在普通门的基础上，增加了控制端和控制电路构成。,CMOS三态门一般有三种形式：,当 =1时，VTN1截止，VTP1截止，输出F高阻抗。当 =0时，VTN1、VTP1均导通，F= ，电路处于正常工作状态

14、。 =0有效。,七、CMOS三态门电路,三态输出门是在普通门的基础上，增加了控制端和控制电路构成。,CMOS三态门一般有三种形式：,当 =1时，TG截止，F为高阻态。当 =0时，TG导通，F= ，处于正常工作状态。 =0有效。,七、CMOS三态门电路,三态输出门是在普通门的基础上，增加了控制端和控制电路构成。,CMOS三态门一般有三种形式：,当 =1时，VTP2截止，VTN1截止，输出F为高阻抗。当 =0时，VTP2导通，F= =A。电路处于正常工作。,八、CMOS漏极开路门(OD门),CMOS漏极开路门有多种多样，上图所示的是CMOS与非门的电路。这类电路有如下主要特点：输出MOS管的漏极是

15、开路的。图中虚线所示。可以实现线与功能 ，即可以把几个OD门的输出端用导线连接起来实现与运算。可以用来实现逻辑电平变换。带负载能力强。,附: 门电路的常见逻辑符号,国标,2.5 TTL电路和CMOS 电路的接口,TTL和CMOS电路的电压和电流参数各不相同，需要采用接口电路。 一般要考虑两个问题： 一是要求电平匹配，即驱动门要为负载门提供符合标准的输出高电平和低电平； 二是要求电流匹配，即驱动门要为负载门提供足够大的驱动电流。,返回,驱动门 负载门 VOH(min) VIH(min) VOL(max) VIL(max) IOH(max) nIIH(max) IOL(max) mIIL(max)

16、,表2-7 各种系列门电路的主要参数,1. TTL门驱动CMOS门,（1）电平不匹配 TTL门作为驱动门，它的UOH2.4V,UOL0.5V； CMOS门作为负载门，它的UIH3.5V，UIL1V。 可见，TTL门的UOH不符合要求。 （2）电流匹配 CMOS电路输入电流几乎为零，所以不存在问题。,（3）解决电平匹配问题,图2-33 TTL门驱动CMOS门, 外接上拉电阻RP 在TTL门电路的输出端外接一个上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时）,选用电平转换电路(如CC40109) 若电源电压不一致时可选用电平转换电路。 CMOS电路的电源电压可选318V； 而TTL电

17、路的电源电压只能为5V。, 采用TTL的OC门实现电平转换。 若电源电压不一致时也可选用OC门实现电平转换。,2. CMOS门驱动TTL门,（1）电平匹配 CMOS门电路作为驱动门，UOH5V，UOL0V； TTL门电路作为负载门，UIH2.0V，UIL0.8V。 电平匹配是符合要求的。,（2）电流不匹配 CMOS门电路4000系列最大允许灌电流为0.4mA， TTL门电路的IIS1.4 mA， CMOS4000系列驱动电流不足。,（3）解决电流匹配问题,CMOS电路常用的是4000系列和54HC/74HC系列产品，后几位的序号不同，逻辑功能也不同。, 选用CMOS缓冲器 比如，CC4009的驱动电流可达4 mA。 选用高速CMOS系列产品 选用CMOS的54HC/74HC系列产品可以直接驱动TTL电路。,表2-8 常用集成门电路(TTL系列）,表2-8 常用集成