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1、数字电路逻辑门电路2022/10/11第1页，共104页，编辑于2022年，星期六复习复习请回忆实现与、或、非逻辑的开关电路形式？它们有何共同特点？开关电路与逻辑电路是如何联系起来的？2022/10/12第2页，共104页，编辑于2022年，星期六2.1 2.1 二极管及三极管的开关特性二极管及三极管的开关特性 数字电路中的晶体二极管、三极管和MOS管工作在开关状态。导通状态：相当于开关闭合截止状态：相当于开关断开。逻辑变量两状态开关：在逻辑代数中逻辑变量有两种取值：0和1；电子开关有两种状态：闭合、断开。半导体二极管、三极管和MOS管，则是构成这种电子开关的基本开关元件。2022/10/13
2、第3页，共104页，编辑于2022年，星期六(1)静态特性：断开时，开关两端的电压不管多大，等效电阻ROFF=无穷，电流IOFF=0。闭合时，流过其中的电流不管多大，等效电阻RON=0，电压UAK=0。(2)动态特性：开通时间ton=0关断时间toff=0理想开关的开关特性：2022/10/14第4页，共104页，编辑于2022年，星期六客观世界中，没有理想开关。乒乓开关、继电器、接触器等的静态特性十分接近理想开关，但动态特性很差，无法满足数字电路一秒钟开关几百万次乃至数千万次的需要。半导体二极管、三极管和MOS管做为开关使用时，其静态特性不如机械开关，但动态特性很好。2022/10/15第5
3、页，共104页，编辑于2022年，星期六2.1.1 二极管的开关特性二极管的开关特性 1.1.静态特性及开关等效电路正向导通时UD(ON)0.7V（硅）0.3V（锗）RD几几十相当于开关闭合图2-1 二极管的伏安特性曲线2022/10/16第6页，共104页，编辑于2022年，星期六反向截止时反向饱和电流极小反向电阻很大（约几百k）相当于开关断开图2-1 二极管的伏安特性曲线2022/10/17第7页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-2 二极管的开关等效电路(a)导通时 (b)截止时图2-1 二极管的伏安特性曲线开启电压理想化伏安特性曲线2022/10/18第8页，共104页，编辑于
4、2022年，星期六2.动态特性：若输入信号频率过高，二极管会双向导通，失去单向导电作用。因此高频应用时需考虑此参数。二极管从截止变为导通和从导通变为截止都需要一定的时间。通常后者所需的时间长得多。反向恢复时间tre：二极管从导通到截止所需的时间。一般为纳秒数量级（通常tre 5ns）。2022/10/19第9页，共104页，编辑于2022年，星期六2.1.2 三极管的开关特性三极管的开关特性 1.静态特性及开关等效电路在数字电路中，三极管作为开关元件，主要工作在饱和和截止两种开关状态，放大区只是极短暂的过渡状态。图2-3三极管的三种工作状态（a）电路（b）输出特性曲线2022/10/110第1
5、0页，共104页，编辑于2022年，星期六开关等效电路(1)截止状态 条件：发射结反偏特点：电流约为0 2022/10/111第11页，共104页，编辑于2022年，星期六(2)饱和状态条件：发射结正偏，集电结正偏特点：UBES=0.7V，UCES=0.3V/硅2022/10/112第12页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-4三极管开关等效电路(a)截止时(b)饱和时2022/10/113第13页，共104页，编辑于2022年，星期六2.三极管的开关时间（动态特性）图2-5 三极管的开关时间开启时间ton 上升时间tr延迟时间td关闭时间toff下降时间tf存储时间ts2022/10
6、/114第14页，共104页，编辑于2022年，星期六(1)开启时间ton 三极管从截止到饱和所需的时间。ton=td+tr td：延迟时间 tr：上升时间(2)关闭时间toff三极管从饱和到截止所需的时间。toff=ts+tf ts：存储时间（几个参数中最长的；饱和越深越长）tf：下降时间toff ton。开关时间一般在纳秒数量级。高频应用时需考虑。2022/10/115第15页，共104页，编辑于2022年，星期六门电路的概念：实现基本和常用逻辑运算的电子电路，叫逻辑门电路。实现与运算的叫与门，实现或运算的叫或门，实现非运算的叫非门，也叫做反相器，等等。分立元件门电路和集成门电路:分立元件
7、门电路：用分立的元件和导线连接起来构成的门电路。简单、经济、功耗低，负载差。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，便构成了集成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。2.2 2.2 基本逻辑门电路基本逻辑门电路2022/10/116第16页，共104页，编辑于2022年，星期六2.2.1 二极管与门电路二极管与门电路 1.1.电路2.2.工作原理A、B为输入信号（+3V或0V）F 为输出信号VCC+12V表2-1电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V2022/10/117第17页，共104
8、页，编辑于2022年，星期六用逻辑1 1表示高电平（此例为+3V+3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.7V0.7V）ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABF000010100111表2-2 二极管与门的真值表A A、B B全1，F F才为1。可见实现了与逻辑2022/10/118第18页，共104页，编辑于2022年，星期六5.5.逻辑符号6.6.工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）7.7.逻辑表达式FA B图2-6二极管与门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形2022/10/119第19页，共104页，编辑于202
9、2年，星期六 2.2.2 二极管或门电路二极管或门电路 1.1.电路2.2.工作原理电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）F为输出信号2022/10/120第20页，共104页，编辑于2022年，星期六4.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可见实现了或逻辑3.逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1 1表示高电平（此例为+2.3V+2.3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0V0V）ABF000011101111A A、B B有1，F F就1。表2-2 二极管或门的真值表2022/10
10、/121第21页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-7 二极管或门（a）电路（b）逻辑符号（c）工作波形5.5.逻辑符号6.6.工作波形7.7.逻辑表达式FA+B2022/10/122第22页，共104页，编辑于2022年，星期六 2.2.3 关于高低电平的概念及状态赋值关于高低电平的概念及状态赋值电位指绝对电压的大小；电平指一定的电压范围。高电平和低电平：在数字电路中分别表示两段电压范围。例：上面二极管与门电路中规定高电平为3V，低电平0.7V。又如，TTL电路中，通常规定高电平的额定值为3V，但从2V到5V都算高电平；低电平的额定值为0.3V，但从0V到0.8V都算作低电平。1.1
11、.关于高低电平的概念 2022/10/123第23页，共104页，编辑于2022年，星期六2.逻辑状态赋值 在数字电路中，用逻辑0和逻辑1分别表示输入、输出高电平和低电平的过程称为逻辑赋值。经过逻辑赋值之后可以得到逻辑电路的真值表，便于进行逻辑分析。2022/10/124第24页，共104页，编辑于2022年，星期六 2.2.4 非门（反相器）非门（反相器）图2-8 非门(a)电路 （b）逻辑符号1.1.电路2.2.工作原理A、B为输入信号（+3.6V或0.3V）F为输出信号AF0.3V+VCC3.6V0.3V2022/10/125第25页，共104页，编辑于2022年，星期六3.逻辑赋值并规
12、定高低电平用逻辑1 1表示高电平（此例为+3.6V+3.6V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.3V0.3V）4.真值表AF0.3V+VCC3.6V0.3VAF0110表2-4 三极管非门的真值表A与F相反可见实现了非逻辑Y=A2022/10/126第26页，共104页，编辑于2022年，星期六 2.2.5 关于正逻辑和负逻辑的概念关于正逻辑和负逻辑的概念 正逻辑体系：用1表示高电平，用0表示低电平。负逻辑体系：用1表示低电平，用0表示高电平。1.1.正负逻辑的规定 2.2.正负逻辑的转换对于同一个门电路，可以采用正逻辑，也可以采用负逻辑。本书若无特殊说明，一律采用正逻辑体制。同一个门电路，对
13、正、负逻辑而言，其逻辑功能是不同的。2022/10/127第27页，共104页，编辑于2022年，星期六ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V正与门相当于负或门二极管与门电路用正逻辑ABF000010100111正与门用负逻辑负或门ABF1111010110002022/10/128第28页，共104页，编辑于2022年，星期六2.3.1TTL反相器的工作原理反相器的工作原理 2.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数反相器的电压传输特性及参数2.3 TTL2.3 TTL反相器反相器2.3.4 TTL反相器的其它参数反相器的其它参数2.3.3TTL反相器的输入
14、特性和输出特性反相器的输入特性和输出特性2022/10/129第29页，共104页，编辑于2022年，星期六2.3 TTL2.3 TTL反相器反相器TTL集成逻辑门电路的输入和输出结构均采用半导体三极管，所以称晶体管晶体管逻辑门电路，简称TTL电路。TTL电路的基本环节是反相器。简单了解TTL反相器的电路及工作原理，重点掌握其特性曲线和主要参数（应用所需知识）。2022/10/130第30页，共104页，编辑于2022年，星期六2.3.1 TTL反相器的工作原理反相器的工作原理1.电路组成图2-9 TTL反相器的基本电路 2022/10/131第31页，共104页，编辑于2022年，星期六(1
15、)输入级NPN当输入低电平时，uI=0.3V，发射结正向导通，uB1=1.0V当输入高电平时，uI=3.6V，发射结受后级电路的影响将反向截止。uB1由后级电路决定。NNP2022/10/132第32页，共104页，编辑于2022年，星期六(2)中间级反相器VT2实现非逻辑反相输出同相输出向后级提供反相与同相输出。输入高电压时饱和输入低电压时截止2022/10/133第33页，共104页，编辑于2022年，星期六(3)输出级（推拉式输出）VT3为射极跟随器低输入高输入饱和截止低输入高输入截止导通2022/10/134第34页，共104页，编辑于2022年，星期六2.工作原理（1）当输入高电平时
16、，uI=3.6V，VT1处于倒置工作状态，集电结正偏，发射结反偏，uB1=0.7V3=2.1V，VT2和VT4饱和，输出为低电平uO=0.3V。2.1V0.3V3.6V2022/10/135第35页，共104页，编辑于2022年，星期六（2）当输入低电平时，uI=0.3V，VT1发射结导通，uB1=0.3V+0.7V=1V，VT2和VT4均截止，VT3和VD导通。输出高电平uO=VCC-UBE3-UD5V-0.7V-0.7V=3.6V1V3.6V0.3V2022/10/136第36页，共104页，编辑于2022年，星期六(3)采用推拉式输出级利于提高开关速度和负载能力VT3组成射极输出器，优点
17、是既能提高开关速度，又能提高负载能力。当输入高电平时，VT4饱和，uB3=uC2=0.3V+0.7V=1V，VT3和VD截止，VT4的集电极电流可以全部用来驱动负载。当输入低电平时，VT4截止，VT3导通(为射极输出器)，其输出电阻很小，带负载能力很强。可见，无论输入如何，VT3和VT4总是一管导通而另一管截止。这种推拉式工作方式，带负载能力很强。2022/10/137第37页，共104页，编辑于2022年，星期六2.3.2 TTL反相器的电压传输特性及参数反相器的电压传输特性及参数 电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。图2-10 TTL反相器电路的电压传输特性截止区线性区转折
18、区饱和区1.1.曲线分析曲线分析VT4截止，称关门VT4饱和，称开门2022/10/138第38页，共104页，编辑于2022年，星期六2.结合电压传输特性介绍几个参数(1)输出高电平UOH典型值为3V。(2)输出低电平UOL典型值为0.3V。2022/10/139第39页，共104页，编辑于2022年，星期六(3)开门电平UON一般要求UON1.8V(4)关门电平UOFF一般要求UOFF0.8V在保证输出为额定低电平的条件下，允许的最小输入高电平的数值，称为开门电平UON。在保证输出为额定高电平的条件下，允许的最大输入低电平的数值，称为关门电平UOFF。UOFFUON2022/10/140第
19、40页，共104页，编辑于2022年，星期六(5)阈值电压UTH电压传输特性曲线转折区中点所对应的uI值称为阈值电压UTH（又称门槛电平）。通常UTH1.4V。(6)噪声容限（UNL和UNH）噪声容限也称抗干扰能力，它反映门电路在多大的干扰电压下仍能正常工作。UNL和UNH越大，电路的抗干扰能力越强。2022/10/141第41页，共104页，编辑于2022年，星期六UOFFUNLUILUONUNHUIH2022/10/142第42页，共104页，编辑于2022年，星期六低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）UNL=UOFF-UILUIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，
20、则有UNL=0.8-0.3=0.5(V)高电平噪声容限（高电平负向干扰范围）UNH=UIH-UON UIH为电路输入高电平的典型值（3V）若UON=1.8V，则有UNH=3-1.8=1.2(V)2022/10/143第43页，共104页，编辑于2022年，星期六2.3.3 TTL反相器的输入特性和输出特性反相器的输入特性和输出特性 1.输入伏安特性输入电压和输入电流之间的关系曲线。图2-11 TTL反相器的输入伏安特性（a）测试电路 （b）输入伏安特性曲线2022/10/144第44页，共104页，编辑于2022年，星期六两个重要参数：(1)输入短路电流IIS当uI=0V时，iI从输入端流出。
21、iI=(VCCUBE1)/R1=(50.7)/4 1.1mA(2)高电平输入电流IIH当输入为高电平时，VT1的发射结反偏，集电结正偏，处于倒置工作状态，倒置工作的三极管电流放大系数反很小(约在0.01以下)，所以iI=IIH=反iB2IIH很小，约为10A左右。2022/10/145第45页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-12 输入负载特性曲线（a）测试电路 （b）输入负载特性曲线 TTL反相器的输入端对地接上电阻RI 时，uI随RI 的变化而变化的关系曲线。2.输入负载特性2022/10/146第46页，共104页，编辑于2022年，星期六在一定范围内，uI随RI的增大而升高。
22、但当输入电压uI达到1.4V以后，uB1=2.1V，RI增大，由于uB1不变，故uI=1.4V也不变。这时VT2和VT4饱和导通，输出为低电平。虚框内为TTL反相器的部分内部电路 2022/10/147第47页，共104页，编辑于2022年，星期六RI不大不小时，工作在线性区或转折区。RI较小时，关门，输出高电平；RI较大时，开门，输出低电平；ROFFRONRI 悬空时？2022/10/148第48页，共104页，编辑于2022年，星期六(1)关门电阻ROFF 在保证门电路输出为额定高电平的条件下，所允许RI 的最大值称为关门电阻。典型的TTL门电路ROFF 0.7k。(2)开门电阻RON在保
23、证门电路输出为额定低电平的条件下，所允许RI 的最小值称为开门电阻。典型的TTL门电路RON 2k。数字电路中要求输入负载电阻RIRON或RIROFF，否则输入信号将不在高低电平范围内。振荡电路则令ROFFRIRON使电路处于转折区。2022/10/149第49页，共104页，编辑于2022年，星期六3.输出特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线。(1)输出高电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出高电平会降低。图2-13 输出高电平时的输出特性（a）电路 （b）特性曲线拉电流负载2022/10/150第50页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-14输出低电平时的输出特性（a）
24、电路 （b）特性曲线(2)输出低电平时的输出特性负载电流iL不可过大，否则输出低电平会升高。一般灌电流在20 mA以下时，电路可以正常工作。典型TTL门电路的灌电流负载为12.8 mA。灌电流负载2022/10/151第51页，共104页，编辑于2022年，星期六 2.3.4 TTL反相器的其它参数反相器的其它参数 1.平均传输延迟时间tpd平均传输延迟时间tpd表征了门电路的开关速度。tpd=（tpLH+tpHL）/2图2-15 TTL反相器的平均延迟时间 2022/10/152第52页，共104页，编辑于2022年，星期六2 TTL门电路主要参数的典型数据表2-5 74系列TTL门电路主要
25、参数的典型数据参数名称典型数据导通电源电流ICCL10 mA截止电源电流ICCH5 mA输出高电平UOH3 V输出低电平UOL0.35 V输入短路电流IIS2.2 mA输入漏电流IIH70A开门电平UON1.8 V关门电平UOFF0.8 V平均传输时间tpd30 ns2022/10/153第53页，共104页，编辑于2022年，星期六2.4.3 三态输出门电路（三态输出门电路（TSL门）门）2.4.1 TTL与非门与非门 2.4.2 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）2.4 2.4 其它类型其它类型TTLTTL门电路门电路 2022/10/154第54页，共104页，编辑于2022年，星
26、期六2.4.1 TTL与非门与非门 每一个发射极能各自独立形成正向偏置的发射结，并可使三极管进入放大或饱和区。图2-16 多发射极三极管1TTL与非门的电路结构及工作原理 有0.3V箝位于1.0V全为3.6V集电结导通2022/10/155第55页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-17三输入TTL与非门电路(a)电路 (b)逻辑符号全1输出0有0输出11V2.1V2022/10/156第56页，共104页，编辑于2022年，星期六 为了提高工作速度，降低功耗，提高抗干扰能力，各生产厂家对门电路作了多次改进。74系列与54系列的电路具有完全相同的电路结构和电气性能参数。其不同之处见下表
27、所示。系列系列参数参数74系列系列54系列系列工作环境温度工作环境温度070OC-55125OC电源电压工作范围电源电压工作范围5V5%5V10%2 2TTLTTL门电路的改进系列门电路的改进系列2022/10/157第57页，共104页，编辑于2022年，星期六表2-6不同系列TTL门电路的比较系列参数54/74标准54H/74H高速54S/74S肖特基tpd/ns1064P/门/mw1022.520系列参数54LS/74LS低功耗肖特基54ALS/74ALS低功耗肖特基高速tpd/ns104P/门/mw21其中LS系列的综合性能(功耗延迟积)较优，价格较ALS系列优越，因此得到了较广的应用
28、。2022/10/158第58页，共104页，编辑于2022年，星期六对于不同系列的TTL器件，只要器件型号的后几位数码一样，则它们的逻辑功能、外形尺寸、引脚排列就完全相同。例如，7420、74H20、74S20、74LS20都是四输入双与非门，都采用14条引脚双列直插式封装，而且各引脚的位置也是相同的。2022/10/159第59页，共104页，编辑于2022年，星期六2.4.2 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）为何要采用集电极开路门呢？推拉式输出电路结构存在局限性。首先，输出端不能并联使用。若两个门的输出一高一低，当两个门的输出端并联以后，必然有很大的电流同时流过这两个门的输出级，
29、而且电流的数值远远超过正常的工作电流，可能使门电路损坏。而且，输出端也呈现不高不低的电平，不能实现应有的逻辑功能。2022/10/160第60页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-18推拉式输出级并联的情况01很大的电流不高不低的电平：1/0?2022/10/161第61页，共104页，编辑于2022年，星期六其次，在采用推拉式输出级的门电路中，电源一经确定（通常规定为5V），输出的高电平也就固定了（不可能高于电源电压5V），因而无法满足对不同输出高电平的需要。集电极开路门（简称OC门）就是为克服以上局限性而设计的一种TTL门电路。2022/10/162第62页，共104页，编辑于20
30、22年，星期六 (1)电路结构：输出级是集电极开路的。1集电极开路门的电路结构 (2)逻辑符号：用“”表示集电极开路。图2-19 集电极开路的TTL与非门（a）电路 （b）逻辑符号集电极开路2022/10/163第63页，共104页，编辑于2022年，星期六(3)工作原理：当VT3饱和，输出低电平UOL0.3V；当VT3截止，由外接电源E通过外接上拉电阻提供高电平UOHE。因此，OC门电路必须外接电源和负载电阻，才能提供高电平输出信号。2022/10/164第64页，共104页，编辑于2022年，星期六(1)OC门的输出端并联，实现线与功能。RL为外接负载电阻。图2-20 OC门的输出端并联实
31、现线与功能 Y1Y2Y000010100111Y1=AB Y2=CD2.OC2.OC门的应用举例门的应用举例2022/10/165第65页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-21用OC门实现电平转换的电路（2）用OC门实现电平转换2022/10/166第66页，共104页，编辑于2022年，星期六2.4.3 三态输出门电路（三态输出门电路（TS门）门）三态门电路的输出有三种可能出现的状态：高电平、低电平、高阻。何为高阻状态？悬空、悬浮状态，又称为禁止状态。测电阻为，故称为高阻状态。测电压为0V，但不是接地。因为悬空，所以测其电流为0A。2022/10/167第67页，共104页，编辑于
32、2022年，星期六(1)电路结构：增加了控制输入端（Enable）。1三态门的电路结构(2)工作原理：01截止YABEN=0时，时，电路为正常的与非工作状态，所以称控制端低电平有效。2022/10/168第68页，共104页，编辑于2022年，星期六10导通1.0V1.0V截止截止悬空当EN=1时，门电路输出端处于悬空的高阻状态。2022/10/169第69页，共104页，编辑于2022年，星期六控制端高电平有效的三态门(2)逻辑符号控制端低电平有效的三态门用“”表示输出为三态。高电平有效低电平有效2022/10/170第70页，共104页，编辑于2022年，星期六2三态门的主要应用实现总线传
33、输要求各门的控制端EN轮流为高电平，且在任何时刻只有一个门的控制端为高电平。图2-23 用三态门实现总线传输 如有8个门，则8个EN端的波形应依次为高电平，如下页所示。2022/10/171第71页，共104页，编辑于2022年，星期六2022/10/172第72页，共104页，编辑于2022年，星期六2.5.1 CMOS反相器反相器 2.5.2 其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路 2.5 CMOS2.5 CMOS 门电路门电路2.6.3 TTL门电路和门电路和CMOS门电路的相互连接门电路的相互连接 2.6.1 CMOS门电路的使用知识门电路的使用知识 2.6.2 TTL门电路的使用知
34、识门电路的使用知识 2.6 CMOS2.6 CMOS门电路和门电路和TTLTTL门电路门电路的的使用知识及相互连接使用知识及相互连接本章小结本章小结 2022/10/173第73页，共104页，编辑于2022年，星期六MOS门电路：以MOS管作为开关元件构成的门电路。MOS门电路，尤其是CMOS门电路具有制造工艺简单、集成度高、抗干扰能力强、功耗低、价格便宜等优点，得到了十分迅速的发展。2.5 CMOS 门电路门电路2022/10/174第74页，共104页，编辑于2022年，星期六2.5.1 CMOS反相器反相器1MOS管的开关特性MOS管有NMOS管和PMOS管两种。当NMOS管和PMOS
35、管成对出现在电路中，且二者在工作中互补，称为CMOS管(意为互补)。MOS管有增强型和耗尽型两种。在数字电路中，多采用增强型。2022/10/175第75页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-24NMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接正电源截止导通导通电阻相当小（1）NMOS管的开关特性 2022/10/176第76页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-25PMOS管的电路符号及转移特性(a)电路符号（b）转移特性D接负电源（2）PMOS管的开关特性 导通导通电阻相当小截止2022/10/177第77页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-26CM
36、OS反相器PMOS管负载管NMOS管驱动管开启电压|UTP|=UTN，且小于VDD。2CMOS反相器的工作原理 （1）基本电路结构2022/10/178第78页，共104页，编辑于2022年，星期六 （2）工作原理图2-26CMOS反相器UIL=0V截止导通UOHVDD当uI=UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，uO=UOHVDD 2022/10/179第79页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-26CMOS反相器UIH=VDD截止UOL 0V当uI=UIH=VDD，VTN导通，VTP截止，uO=UOL0V导通2022/10/180第80页，共104页，编辑于2022年，星期六 （
37、3）逻辑功能实现反相器功能（非逻辑）。（4）工作特点VTP和VTN总是一管导通而另一管截止，流过VTP和VTN的静态电流极小（纳安数量级），因而CMOS反相器的静态功耗极小。这是CMOS电路最突出的优点之一。2022/10/181第81页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-27 CMOS反相器的电压传输特性和电流传输特性3 电压传输特性和电流传输特性AB段：截止区i iD D为0BC段：转折区阈值电压UTHVDD/2转折区中点：电流最大CMOS反相器在使用时应尽量避免长期工作在BC段。CD段：导通区2022/10/182第82页，共104页，编辑于2022年，星期六4.CMOS电路的优
38、点（1）微功耗。CMOS电路静态电流很小，约为纳安数量级。（2）抗干扰能力很强。输入噪声容限可达到VDD/2。（3）电源电压范围宽。多数CMOS电路可在318V的电源电压范围内正常工作。（4）输入阻抗高。（5）负载能力强。CMOS电路可以带50个同类门以上。（6）逻辑摆幅大。（低电平0V，高电平VDD）2022/10/183第83页，共104页，编辑于2022年，星期六2.5.2 其它类型的其它类型的CMOS门电路门电路 负载管串联（串联开关）1 CMOS或非门 驱动管并联（并联开关）图2-28 CMOS或非门 A、B有高电平，则驱动管导通、负载管截止，输出为低电平。10截止导通2022/10
39、/184第84页，共104页，编辑于2022年，星期六 该电路具有或非逻辑功能,即Y=A+B当输入全为低电平，两个驱动管均截止，两个负载管均导通，输出为高电平。00截止导通12022/10/185第85页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-29 CMOS与非门该电路具有与非逻辑功能，即 Y=AB2CMOS与非门 负载管并联（并联开关）驱动管串联（串联开关）2022/10/186第86页，共104页，编辑于2022年，星期六 （1）电路结构C和C是一对互补的控制信号。由于VTP和VTN在结构上对称，所以图中的输入和输出端可以互换，又称双向开关。3 CMOS传输门图2-30CMOS传输门（
40、a）电路 （b）逻辑符号2022/10/187第87页，共104页，编辑于2022年，星期六若C=1（接VDD)、C=0（接地），当0uI(VDD|UT|)时，VTN导通；当|UT|uIVDD时，VTP导通；uI在0VDD之间变化时，VTP和VTN至少有一管导通，使传输门TG导通。（2）工作原理（了解）若C=0（接地)、C =1（接VDD），uI在0VDD之间变化时，VTP和VTN均截止，即传输门TG截止。2022/10/188第88页，共104页，编辑于2022年，星期六（3）应用举例图2-31 CMOS模拟开关CMOS模拟开关：实现单刀双掷开关的功能。C=0时，TG1导通、TG2截止，uO
41、=uI1；C=1时，TG1截止、TG2导通，uO=uI2。2022/10/189第89页，共104页，编辑于2022年，星期六图2-32 CMOS三态门(a)电路 (b)逻辑符号当EN=0时，TG导通，F=A；当EN=1时，TG截止，F为高阻输出。CMOS三态门2022/10/190第90页，共104页，编辑于2022年，星期六2.6.1 CMOS门电路的使用知识门电路的使用知识 1输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保护电路，给使用者带来很大方便。但是，这种保护还是有限的。由于CMOS电路的输入阻抗高，极易产生感应较高的静电电压，从而击穿MOS管栅极极薄的绝缘层，造成器件的永久损坏。
42、为避免静电损坏，应注意以下几点：2.6 CMOS门电路和门电路和TTL门电路的门电路的使用知识及相互连接使用知识及相互连接2022/10/191第91页，共104页，编辑于2022年，星期六 （1）所有与CMOS电路直接接触的工具、仪表等必须可靠接地。（2）存储和运输CMOS电路，最好采用金属屏蔽层做包装材料。2多余的输入端不能悬空。输入端悬空极易产生感应较高的静电电压，造成器件的永久损坏。对多余的输入端，可以按功能要求接电源或接地，或者与其它输入端并联使用。2022/10/192第92页，共104页，编辑于2022年，星期六2.6.2 TTL门电路的使用知识门电路的使用知识 1多余或暂时不用
43、的输入端不能悬空，可按以下方法处理：（1）与其它输入端并联使用。（2）将不用的输入端按照电路功能要求接电源或接地。比如将与门、与非门的多余输入端接电源，将或门、或非门的多余输入端接地。2022/10/193第93页，共104页，编辑于2022年，星期六 (1)在每一块插板的电源线上，并接几十F的低频去耦电容和0.010.047F的高频去耦电容，以防止TTL电路的动态尖峰电流产生的干扰。(2)整机装置应有良好的接地系统。2 电路的安装应尽量避免干扰信号的侵入，保证电路稳定工作。2022/10/194第94页，共104页，编辑于2022年，星期六2.6.3 TTL门电路和门电路和CMOS 门电路门
44、电路的相互连接的相互连接 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。2022/10/195第95页，共104页，编辑于2022年，星期六1.TTL门驱动CMOS门门（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。2022/10/196第96页，共104页，编
45、辑于2022年，星期六（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）2022/10/197第97页，共104页，编辑于2022年，星期六选用电平转换电路(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。2022/10/198第98页，共104页，编辑于2022年，星期六2.CMOS门驱动TTL门（1）电平匹配 CMOS门电路
46、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。2022/10/199第99页，共104页，编辑于2022年，星期六（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。2022
47、/10/1100第100页，共104页，编辑于2022年，星期六表2-7 各种系列门电路的主要参数2022/10/1101第101页，共104页，编辑于2022年，星期六表2-8 常用集成门电路(TTL系列）型号名称主要功能74LS00四2输入与非门74LS02四2输入或非门74LS04六反相器74LS05六反相器OC门74LS08四2输入与门74LS13双4输入与非门施密特触发74LS308输入与非门74LS32四2输入或门74LS644-2-3-2输入与或非门74LS13313输入与非门74LS136四异或门OC输出74LS365六总线驱动器同相、三态、公共控制74LS368六总线驱动器反
48、相、三态、两组控制2022/10/1102第102页，共104页，编辑于2022年，星期六表2-8 常用集成门电路(CMOS系列）型号名称主要功能CC4001四2输入或非门CC4011四2输入与非门CC4030四异或门CC4049六反相器CC4066四双向开关CC4071四2输入或门CC4073三3输入与门CC4077四异或非门CC40788输入或/或非门CC40862-2-2-2输入与或非门可扩展CC4097双8选1模拟开关CC4502六反相器/缓冲器三态、有选通端2022/10/1103第103页，共104页，编辑于2022年，星期六本章小结本章小结 门电路是构成各种复杂数字电路的基本逻辑单元，掌握各种门电路的逻辑功能和电气特性，对于正确使用数字集成电路是十分必要的。本章介绍了目前应用最广泛的TTL和CMOS两类集成逻辑门电路。在学习这些集成电路时，应把重点放在它们的外部特性上。外部特性包含两个内容，一个是输出与输入间的逻辑关系，即所谓逻辑功能；另一个是外部的电气特性，包括电压传输特性、输入特性、输出特性等。本章也讲一些集成电路内部结构和工作原理，但目的是帮助读者加深对器件外特性的理解，以便更好地利用这些器件。2022/10/1104第104页，共104页，编辑于2022年，星期六