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1、第三章 逻辑门电路第1页，共77页，编辑于2022年，星期二 基本要求基本要求1、了了解解分分立立元元件件与与、或或、非非、或或非非、与与非非门门的的电电路路组组成成、工工作原理、逻辑功能及其描述方法；作原理、逻辑功能及其描述方法；2、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；、掌握逻辑约定及逻辑符号的意义；3、熟熟练练掌掌握握TTL与与非非门门典典型型电电路路的的分分析析方方法法、电电压压传传输输特特性性、输输入入特特性性、输输入入负负载载特特性性、输输出出特特性性；了了解解噪噪声声容容限限、TTL与非门性能的改进方法；与非门性能的改进方法；4、掌掌握握OC门门、三三态态门门的的工工作作原原理理和和使使
2、用用方方法法，正正确确理理解解OC门门负负载电阻的计算及线与、线或的概念；载电阻的计算及线与、线或的概念；5、掌掌握握CMOS反反相相器器、与与非非门门、或或非非门门、三三态态门门的的逻逻辑辑功功能能分分析析，CMOS反相器的电压及电流传输特性；反相器的电压及电流传输特性；6、熟练掌握、熟练掌握CMOS传输门及双向模拟开关。传输门及双向模拟开关。第2页，共77页，编辑于2022年，星期二逻辑约定逻辑约定在 电子电路中，用高、低电平分别表示二值逻辑中的0和1。各种门电路的输出与输入之间的逻辑关系，实质上反映的是用以表示两种逻辑状态的逻辑电平之间的关系。因此，在讨论逻辑关系时，必须定义两个确定的、
3、不同范围的电平来描述两个逻辑状态。逻辑电平：两个不同范围的电位称为逻辑电平，其中电位相对较高的称为逻辑高电平，用H表示；电位相对较低的称为逻辑低电平，用L表示。第3页，共77页，编辑于2022年，星期二3.1 二极管的开关特性开关器件接通状态：阻抗很小，相当于短路断开状态：阻抗很大，相当于开路二极管的开关特性表现在在正向导通与反向截止两种状态之间的转换过程。开关闭合当UaUb时，D导通开关断开当UaUb时,D截止二极管开关等效电路（理想情况下）二极管开关等效电路（理想情况下）第4页，共77页，编辑于2022年，星期二VF-VRt1t0iIF-IRtst0（a）（b）（c）viittt0.1IR
4、 VF-VD VFIF=RL RL 通常把二极管从正向导通转为反向截止所经过的转换过程称为发向恢复过程。ts 存储时间 tt 渡越时间 ts+tt 反向恢复时间 VRIR=RL 第5页，共77页，编辑于2022年，星期二二极管产生反向恢复过程的原因电荷存储效应二极管在开关转换过程中出现的反向恢复过程，实质上是由于电荷存储效应所引起的，反向恢复时间就是存储电荷消失所需要的时间。正向充电电流远大于反向放电电流，因此，反向恢复时间远大于正向导通时间。关于PN结：1 2 3 4 5第6页，共77页，编辑于2022年，星期二二极管的开通时间二极管从截止转为正向导通所需的时间称为开通时间。开通时间同反向恢
5、复时间相比是很短的，对开关速度的影响很小，以致可以忽略不计。第7页，共77页，编辑于2022年，星期二3.2 BJT的开关特性当当UbUb为高电平为高电平UIHUIH时，时，T T饱和饱和当当UbUb为低电平为低电平UILUIL时，时，T T截止截止开关闭合开关断开 三极管开关等效电路（理想情况下）三极管开关等效电路（理想情况下）1 1、BJTBJT的开关作用的开关作用BJT相当于一个由基极电流所控制的无触点开关。相当于一个由基极电流所控制的无触点开关。BJT截止时相当截止时相当于开关于开关“断开断开”，饱和时相当于开关，饱和时相当于开关“闭合闭合”。基极临界饱和电流集电极饱和电流饱和压降：0
6、.2-0.3v第8页，共77页，编辑于2022年，星期二BJT的开关时间BJT的开关过程和二极管一样，也是内部电荷“建立”和“消散”的过程。BJT饱和与截止状态的相互转换也是需要一定的时间才能完成的。对BJT开关的瞬态过程进行定量描述的几个参数延迟时间td上升时间tr存储时间ts下降时间tf开关时间：开通时间ton=td+tr关闭时间toff=ts+tf要设法减小，提高BJT开关的运用速度第9页，共77页，编辑于2022年，星期二一、二极管与门和或门电路一、二极管与门和或门电路1与门电路与门电路 3.3 3.3 基本逻辑门电路基本逻辑门电路第10页，共77页，编辑于2022年，星期二2或门电路
7、或门电路第11页，共77页，编辑于2022年，星期二二、三极管非门电路二、三极管非门电路第12页，共77页，编辑于2022年，星期二二极管与门和或门电路的缺点：二极管与门和或门电路的缺点：（2 2）负载能力差）负载能力差（1 1）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。）在多个门串接使用时，会出现低电平偏离标准数值的情况。第13页，共77页，编辑于2022年，星期二解决办法：解决办法：将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。将二极管与门（或门）电路和三极管非门电路组合起来。第14页，共77页，编辑于2022年，星期二三、三、DTL与非门电路与非门电路工作原理：工作原理：（
8、1）当当A、B、C全全接接为为高高电电平平5V时时，二二极极管管D1D3都都截截止止，而而D4、D5和和T导导通通，且且T为为饱和饱和导通导通，VL=0.3V=0.3V，即输出低电平。，即输出低电平。（2）A、B、C中只要有一个为低电平0.3V时，则VP1V，从而使D4、D5和T都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：第15页，共77页，编辑于2022年，星期二3.4 TTL逻辑门电路TTL逻辑门电路由若干BJT和电阻组成TTL电路的基本环节是带电阻负载的BJT反相器（非门）1基本BJT反相器的动态性能器件内部和负载电容，影响BJT反向器的开关速度VoCL+-
9、iCL第16页，共77页，编辑于2022年，星期二TTL反向器的基本电路反向器的基本电路 采用输入级提高工作速度采用输入级提高工作速度 采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力3.6V0.2V(VCES)输入级中间级输出级3.6V0.2V第17页，共77页，编辑于2022年，星期二TTL反向器的传输特性传输特性即Vo=f（VI）的关系曲线（光滑）3.6V2.48V0.2V0.4V1.1V 1.2V第18页，共77页，编辑于2022年，星期二1TTL与非门的基本结构与非门的基本结构TTL与非门的基本结构及工作原理与非门的基本结构及工作原理第19页，共7
10、7页，编辑于2022年，星期二第20页，共77页，编辑于2022年，星期二2 2TTL与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系（1）输入全为高电平3.6V时。实现了与非门的逻辑功能之一：输入全为高电平时，输出为低电平。T2、T3导通，VB1=0.73=2.1（V），由于T3饱和导通，输出电压为：VO=VCES30.3V这时T2也饱和导通，故有VC2=VE2+VCE2=1V。使T4和二极管D都截止。第21页，共77页，编辑于2022年，星期二第22页，共77页，编辑于2022年，星期二该发射结导通，VB1=1V。所以T2、T3都截止。由于T2截止，流过RC2的电流较小，可以忽略，所以VB4VCC=5V，
11、使T4和D导通，则有：VOVCC-VBE4-VD=5-0.7-0.7=3.6（V）实现了与非门的逻辑功能的另一方面：输入有低电平时，输出为高电平。（2）输入有低电平0.3V 时。综合上述两种情况，该电路满足与非的逻辑功能，即：第23页，共77页，编辑于2022年，星期二3.4.5 TTL与非门的技术参数1、传输特性各种类型的TTL门电路，其传输特性大同小异。第24页，共77页，编辑于2022年，星期二（1 1）输输出出高高电电平平电电压压V VOHOH在在正正逻逻辑辑体体制制中中代代表表逻逻辑辑“1”1”的的输输出出电电压压。VOH的的理理论论值值为为3.63.6V，产产品品规定输出高电压的最
12、小值规定输出高电压的最小值VOH（min）=2.4=2.4V。2、输入和输出的高低电压、输入和输出的高低电压（2）输出低电平电压VOL在正逻辑体制中代表逻辑“0”的输出电压。VOL的理论值为0.3V，产品规定输出低电压的最大值VOL（max）=0.4V。（3）输入低电平电压VIL=VI（B）=0.4V。（4）输入低电平电压VIH=VI（D）=1.2V。作业：教材84页2.4.1题 -课堂讨论教材84页2.4.2题 -课后完成第25页，共77页，编辑于2022年，星期二3、噪声容限、噪声容限表示门电路的抗干扰能力高电平的噪声容限VNH高电平（逻辑1）所对应的电压范围VNH=VOH-VIH低电平的
13、噪声容限VNL低电平（逻辑0）所对应的电压范围VNL=VIL-VOL第26页，共77页，编辑于2022年，星期二低电平噪声容限低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL（max）0.80.8V-0.4-0.4V0.40.4V高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VON2.42.4V-2.0-2.0V0.40.4VTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为一定的容差，称为噪声容限噪声容限。第27页，共77页
14、，编辑于2022年，星期二TTL与非门的带负载能力与非门的带负载能力（1 1）输入低电平电流输入低电平电流I IILIL是指当门电路的输入端接低是指当门电路的输入端接低电平时，从门电路输入端流出的电流。电平时，从门电路输入端流出的电流。可以算出：可以算出：产品规定产品规定IIL1.61.6mA。第28页，共77页，编辑于2022年，星期二（2 2）输入高电平电流）输入高电平电流I IIHIH是指当门电路的输入端接高电是指当门电路的输入端接高电平时，流入输入端的电流。有两种情况。平时，流入输入端的电流。有两种情况。寄生三极管效应：如图（a）所示。这时IIH=PIB1，P为寄生三极管的电流放大系数
15、。第29页，共77页，编辑于2022年，星期二倒置的放大状态：如图（倒置的放大状态：如图（b b）所示。这时）所示。这时I IIHIH=i iI IB1B1，i i为倒置放大的电流放大系数。为倒置放大的电流放大系数。由于p和i的值都远小于1，所以IIH的数值比较小，产品规定：IIH40uA。第30页，共77页，编辑于2022年，星期二4、扇入扇出数TTL门电路的扇入数Ni取决于其输入端的个数TTL门电路的扇出数讨论：TTL与非门驱动同类门的情况灌电流负载负载电流从外电路流入与非门拉电流负载负载电流从与非门流向外电路第31页，共77页，编辑于2022年，星期二（1 1）灌电流负载）灌电流负载带负
16、载能力带负载能力当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。N NOLOL称为输出低电平时的扇出系数。称为输出低电平时的扇出系数。当当负负载载门门的的个个数数增增加加，灌灌电电流流增增大大，会会使使T3 3脱脱离离饱饱和和，输输出出低低电电平平升升高高。因因此此，把把允允许许灌灌入入输输出出端端的的电电流流定定义义为为输输出出低低电电平电流平电流I IOLOL，产品规定产品规定IOL=16=16mA。由此可得出。由此可得出:第32页，共77页，编辑于2022年，星期二（2 2）拉电流负载。）拉电流负载。NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电
17、平时的扇出系数。产品规定产品规定IOH=0.4=0.4mA。由此可得出：。由此可得出：当当驱驱动动门门输输出出高高电电平平时时，电电流流从从驱驱动动门门拉拉出出,流流至至负载门的输入端。负载门的输入端。拉拉电电流流增增大大时时，RC4C4上上的的压压降降增增大大，会会使使输输出出高高电电平平降降低低。因因此此，把把允允许许拉拉出出输输出出端端的的电电流流定定义义为为输输出出高电平电流高电平电流I IOHOH。第33页，共77页，编辑于2022年，星期二扇入数-灌电流驱动同类门的个数NOL=IOL（驱动门）/IIL（负载门）扇出数-拉电流驱动同类门的个数NOH=IOH（驱动门）/IIH（负载门）
18、一般一般NOLNOH，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，常取两者中的较小值作为门电路的扇出系数，用用NO表示。表示。通常基本的TTL门电路扇出数约10，性能好的可达30-50第34页，共77页，编辑于2022年，星期二开关速度开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理与非门提高工作速度的原理（1）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。第35页，共77页，编辑于2022年，星期二 （2）采用了推拉式输出级，输出阻抗比较小，可迅速给负载电容充放电。第36页，共77页，编辑于2022年，星期二5 5、TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd导导通通延延迟迟时时间间tPHL从从输输入
19、入波波形形上上升升沿沿的的中中点点到到输输出出波波形形下下降降沿沿的的中中点点所经历的时间。所经历的时间。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中从输入波形下降沿的中点到输出波形上升沿的中点所经历的时间。点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd是是tPHL和和tPLH的平均值。即的平均值。即 一般一般TTL与非门传输延迟时间与非门传输延迟时间tpd的值为几纳秒十几个纳秒。的值为几纳秒十几个纳秒。第37页，共77页，编辑于2022年，星期二6、功耗静态功耗当电路没有转换时的功耗，即与非门空载时电源总电流Icc与电源电压Vcc的乘积。输出低电
20、平时的功耗：空载导通功耗空载导通功耗Pon输出高电平时的功耗：截止功耗截止功耗Poff动态功耗发生在状态转换瞬间，或电路中有电容性负载时如：TTL门电路约有5pF的输入电容，由于电容的充放电过程，将增加电路的损耗对于TTL门电路，静态功耗是主要的第38页，共77页，编辑于2022年，星期二7、延时-功耗积一种综合性指标高速度、低功耗的数字电路（系统）DP=tpdPD tpd是平均传输延迟时间PD是门电路的功耗对于TTL门电路，静态功耗是主要的第39页，共77页，编辑于2022年，星期二8、TTL集成门电路的封装74007400是是一一种种典典型型的的TTL与与非非门门器器件件，内内部部含含有有
21、4 4个个2 2输输入入端端与与非非门门，共有共有1414个引脚。引脚排列图如图所示。个引脚。引脚排列图如图所示。第40页，共77页，编辑于2022年，星期二3.4.6 TTL或非门、集电极开路门和三态门或非门、集电极开路门和三态门1、或非门、或非门第41页，共77页，编辑于2022年，星期二2、补充、补充TTL门电路的其他类型门电路的其他类型（1 1）非门）非门第42页，共77页，编辑于2022年，星期二（2）与或非门）与或非门第43页，共77页，编辑于2022年，星期二在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻辑，称为在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与
22、逻辑，称为线与线与。普通的普通的TTL门电路不能进行线与门电路不能进行线与。为此，为此，专门生产了一种可以进行线与的门电路专门生产了一种可以进行线与的门电路集电极开路门。集电极开路门。3、集电极开路门（、集电极开路门（OC门）门）第44页，共77页，编辑于2022年，星期二OC门主要有以下几方面的应用：门主要有以下几方面的应用：（2 2）实现电平转换）实现电平转换 如如右右图图所所示示，可可使使输输出出高高电电平平变变为为10V10V。（3 3）用做驱动器直接驱动较大电流的负载。）用做驱动器直接驱动较大电流的负载。如图是用来驱动发光二极管的电路。如图是用来驱动发光二极管的电路。（1 1）实现线
23、与逻辑功能）实现线与逻辑功能第45页，共77页，编辑于2022年，星期二得：得：（1）当输出低电平时，当输出低电平时，灌灌电电流流由由一一个个BJTBJT承承担担的的极极限限情情况况，RP具具有有限限流流作作用用，所所以以RP不不能能太小。太小。RP为最小值时要保证输出电压为为最小值时要保证输出电压为VOL（max），由，由OC门进行线与时，外接上拉电阻门进行线与时，外接上拉电阻RP的选择：的选择：第46页，共77页，编辑于2022年，星期二（2）当输出高电平时，当输出高电平时，虽然虽然RP具有限流作用，但具有限流作用，但RP不能太大，因为门电路存在输出、输入不能太大，因为门电路存在输出、输入
24、电容和接线电容，电容和接线电容，RP 的值越大，负载电容的充电时间常数越大，的值越大，负载电容的充电时间常数越大，影响影响OCOC门的开关速度。门的开关速度。RP为最大值时要保证输出电压为为最大值时要保证输出电压为VOH（min），由由得：得：RP（min）RPRP（max）第47页，共77页，编辑于2022年，星期二4、三态输出门（、三态输出门（TSL）与非门与非门利用OC门实现了线与功能，但 Rp取值受限，不能太小，于是影响了工作速度。省去了有源负载（电压跟随器）带负载能力下降。三态与非门三态与非门保持推拉式输出级的优点保持推拉式输出级的优点实现线与联接实现线与联接具有三种状态具有三种状态
25、高电平高电平低电平低电平高阻态（截止态）高阻态（截止态）第48页，共77页，编辑于2022年，星期二（1 1）三态输出门的结构及工作原理）三态输出门的结构及工作原理当EN=1时，G输出为0，T4、T3都截止。这时从输出端L看进去，呈现高阻，称为高阻态，或禁止态。当EN=0时，G输出为1，D1截止，相当于一个正常的二输入端与非门，称为正常工作状态。使能端低电平有效使能端高电平有效第49页，共77页，编辑于2022年，星期二三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。三态门在计算机总线结构中有着广泛的应用。（b）组成双向总线，实现信号的分时双向传送。（2 2）三态门的应用）三态门的应用（a）组成单向总
26、线，实现信号的分时单向传送.课后作业：教材84页2.4.7题第50页，共77页，编辑于2022年，星期二TTL集成逻辑门电路系列简介174系列为TTL集成电路的早期产品，属中速TTL器件。274L系列为低功耗TTL系列，又称LTTL系列。374H系列为高速TTL系列。474S系列为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。如图示。574LS系列为低功耗肖特基系列。674AS系列为先进肖特基系列，它是74S系列的后继产品。774ALS系列为先进低功耗肖特基系列，是74LS系列的后继产品。第51页，共77页，编辑于2022年，星期二3.4.7 改进型改进型TTL门电路门电路抗饱和抗饱和TTL电路电路抗饱
27、和TTL电路是目前传输速度较高的一类TTL电路采用了肖特基势垒二极管SBD钳位方法来达到抗饱和的效果，一般称为SBD TTL电路（简称STTL电路）利用金属（铝）和（N型硅）半导体相接触在交界形成势垒二极管的工作特点：同PN结一样具有单向导电性（铝硅）。AL-SiSBD的导通阈值电压较低，约0.4-0.5V，比普通硅PN结约低0.2V。势垒二极管的导电机构是多数载流子，因而电荷存储效应很小。第52页，共77页，编辑于2022年，星期二肖特基TTL与非门的典型电路第53页，共77页，编辑于2022年，星期二STTL门电路对基本TTL门电路的改进T1、T2、T3加SBD钳位电阻值减半二极管D和T4
28、变成了T4和T5组成的复合管电路每个输入端加肖特基二极管基本电路中的Re2（1K）由T6和Rc6、Rb6的组合电路代替基于上述特点，STTL有较理想的传输特性与基本TTL与非门电路的传输特性曲线相比，其C点不存在了，从B点直接下降到D点，传输特性变化非常陡直。第54页，共77页，编辑于2022年，星期二3.5 射极耦合逻辑门电路射极耦合逻辑门电路将TTL门由饱和型改成非饱和型，才能从根本上提高电路开关速度。分析教材58页图2.5.1的ECL门基本电路输入都为低输入有高时ECL门基本逻辑功能可同时具备或非/或输出，称为互补逻辑输出ECL门工作特点BJT工作在截止区或放大区，避免因工作在饱和状态而
29、产生的存储电荷问题逻辑电平的电压摆幅小，集电极输出电压变化小，利于电路转换，可采用很小的集电极电阻，输出回路时间常数小第55页，共77页，编辑于2022年，星期二3.6 CMOS逻辑门电路与TTL电路比较在TTL后开发的广泛应用的数字集成器件性能可能会超越TTL而成为占主导地位的逻辑器件工作速度可比功耗和抗干扰能力更优几乎所有超大规模存储器件，以及PLD器件都采用CMOS工艺制造，且费用较低第56页，共77页，编辑于2022年，星期二1 1逻辑关系：逻辑关系：（设（设VDD（VTN+|+|VTP|），且），且VTN=|=|VTP|）（1 1）当）当Vi=0=0V时，时，TN截止，截止，TP导通
30、。输出导通。输出VOVDD。（2 2）当）当Vi=VDD时，时，TN导通，导通，TP截止，输出截止，输出VO00V。3.6.1 CMOS反相器反相器CMOS逻辑门电路是由N沟道MOSFET和P沟道MOSFET互补而成。第57页，共77页，编辑于2022年，星期二（1 1）当当Vi2 2V，TN截截止止，TP导导通通，输输出出VoVDD=10=10V。（2 2）当当2 2VVi5 5V，TN工工作作在在饱饱和和区区，TP工作在可工作在可 变电阻区。变电阻区。（3 3）当）当Vi=5=5V，两管都工作在饱和区，两管都工作在饱和区，Vo=（VDD/2/2）=5=5V。（4 4）当）当5 5VVi8
31、8V，TP工作在饱和区，工作在饱和区，TN工作在可变电阻区。工作在可变电阻区。（5 5）当）当Vi8 8V，TP截止，截止，TN导通，输出导通，输出Vo=0=0V。可见：可见：CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压 Vth=VDD/2/22电压传输特性电压传输特性：（设：（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）第58页，共77页，编辑于2022年，星期二3 3工作速度工作速度由于CMOS非门电路工作时总有一个管子导通，所以当带电容负载时，给电容充电和放电都比较快。CMOS非门的平均传输延迟时间约为10ns。第59页，共77页，编辑于2022年，星期二2、CMOS或非门或非门3.6.2
32、 CMOS门电路门电路1、CMOS与非门与非门第60页，共77页，编辑于2022年，星期二后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：后级为与或非门，经过逻辑变换，可得：3 3、CMOS异或门电路异或门电路由两级组成，前级为或非门，输出为由两级组成，前级为或非门，输出为第61页，共77页，编辑于2022年，星期二4、带缓冲级的门电路、带缓冲级的门电路（不讲）（不讲）为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作缓冲级。下图所示为带缓冲级的二输入端与非门电路。L L=第62页，共77页，编辑于2022年，星期二当EN=1时，TP2和TN2同时截止，输出为高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。5
33、 5、CMOS三态门（不讲）三态门（不讲）工作原理：当EN=0时，TP2和TN2同时导通，为正常的非门，输出第63页，共77页，编辑于2022年，星期二3.6.3 BiCMOS反相器双极型CMOS或BiCMOS的特点利用了双极型器件的速度优势利用了MOSFET的低功耗优势1、BiCMOS反相器教材67页图2.6.10基本的BiCMOS反相器电路2、BiCMOS门电路教材67页图2.6.11 2输入端或非门电路第64页，共77页，编辑于2022年，星期二3.6.4 CMOS传输门工作原理：（设两管的开启电压VTN=|VTP|）（1）当C接高电平VDD，接低电平0V时，若Vi在0VVDD的范围变化
34、，至少有一管导通，相当于一闭合开关，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2）当C接低电平0V，接高电平VDD，Vi在0VVDD的范围变化时，TN和TP都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开。第65页，共77页，编辑于2022年，星期二3.6.5 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数1CMOS逻辑门电路的系列（1）基本的CMOS4000系列。（2）高速的CMOSHC系列。（3）与TTL兼容的高速CMOSHCT系列。第66页，共77页，编辑于2022年，星期二2 2CMOS逻辑门电路主要参数的特点逻辑门电路主要参数的特点（1）VOH（min）=0.9VDD；VOL（max）=0.01VDD
35、。所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2）阈值电压Vth约为VDD/2。（3）CMOS非门的关门电平VOFF为0.45VDD，开门电平VON为0.55VDD。因此，其高、低电平噪声容限均达0.45VDD。（4）CMOS电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；（5）因CMOS电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达50。第67页，共77页，编辑于2022年，星期二所以输出为低电平。所以输出为低电平。一、一、NMOS门电路门电路1 1NMOS非门非门3.7 NMOS逻辑门电路逻辑门电路逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1=VT2=4V，且gm1gm2）（1）当输入Vi为高电平8
36、V时，T1导通，T2也导通。因为gm1gm2，所以两管的导通电阻RDS1RDS2，输出电压为：第68页，共77页，编辑于2022年，星期二（2）当输入Vi为低电平0V时，T1截止，T2导通。所以输出电压为VOH=VDD-VT=8V，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。所以电路实现了非逻辑。2 2NMOS门电路门电路（1 1）与非门）与非门（2）或非门）或非门第69页，共77页，编辑于2022年，星期二3.8 正负逻辑问题正负逻辑的规定有两种逻辑体制：有两种逻辑体制：正逻辑与负逻辑正逻辑与负逻辑 正逻辑体制正逻辑体制规定：高电平为逻辑规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑，低电平为逻辑0。负逻辑体
37、制负逻辑体制规定：低电平为逻辑规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑，高电平为逻辑0。正负逻辑的等效变换与非或非与非非非第70页，共77页，编辑于2022年，星期二3.9 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题3.9.1 各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题TTL与与CMOS器件之间的接口问题器件之间的接口问题 两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下门提供符合要求的高低电平和足够的输入电流，即要满足下列条件：列条件：驱动门的驱动门的VOH（min）负载
38、门的负载门的VIH（min）驱动门的驱动门的VOL（max）负载门的负载门的VIL（max）驱动门的驱动门的IOH（max）负载门的负载门的IIH（总）（总）驱动门的驱动门的IOL（max）负载门的负载门的IIL（总）（总）第71页，共77页，编辑于2022年，星期二（b）用用TTL门门电电路路驱驱动动5 5V低低电电流流继继电电器器，其其中中二二极极管管D作作保保护护，用以防止过电压。用以防止过电压。3.9.2 TTL和和CMOS电路带负载时的接口问题电路带负载时的接口问题1 1对于电流较小、电平能够匹配的对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。负载可以直接驱动。（a a）用）用TTL
39、门电路驱动发光二极管门电路驱动发光二极管LED，这时只要在电路中串接一个约，这时只要在电路中串接一个约几百几百W W的限流电阻即可。的限流电阻即可。第72页，共77页，编辑于2022年，星期二2 2带大电流负载带大电流负载（a a）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器，如图（a）所示。）所示。（b b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力，如图（b）所示。）所示。第73页，共77页，编辑于2022年，星期二3.9.3 抗干扰措施抗干扰措施（2）对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接
40、地；也可以与有用的输入端并联使用。1 1、多余输入端的处理、多余输入端的处理（1）对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（13kW）接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。第74页，共77页，编辑于2022年，星期二2、去耦合滤波器用10100uF的大电容与直流电源并联滤除不需要的频率成分每一集成芯片加接一0.1uF的电容器滤除开关噪声3、接地和安装工艺正确的接地技术对于降低电路噪声是很重要的电源地和信号地分开模拟地与数字地分开第75页，共77页，编辑于2022年，星期二 本章小结本章小结 1最简单的门电路是二极管与门、或门和三极
41、管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。2目前普遍使用的数字集成电路主要有两大类，一类由NPN型三极管组成，简称TTL集成电路；另一类由MOSFET构成，简称MOS集成电路。3TTL集成逻辑门电路的输入级采用多发射极三级管、输出级采用达林顿结构，这不仅提高了门电路的开关速度，也使电路有较强的驱动负载的能力。在TTL系列中，除了有实现各种基本逻辑功能的门电路以外，还有集电极开路门和三态门。第76页，共77页，编辑于2022年，星期二4MOS集成电路常用的是两种结构。一种是NMOS门电路，另一类是CMOS门电路。与TTL门电路相比，它的优点是功耗低，扇出数大，噪声容限大，开关速度与TTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。5为了更好地使用数字集成芯片，应熟悉TTL和CMOS各个系列产品的外部电气特性及主要参数，还应能正确处理多余输入端，能正确解决不同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。第77页，共77页，编辑于2022年，星期二