《逻辑门电路》课件.ppt

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1、第二章第二章 逻辑门电路逻辑门电路2.1 2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路2.2 2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路2.3 2.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路2.4 2.4 集成集成逻辑门电路的应用逻辑门电路的应用2.5 2.5 正负逻辑及逻辑符号的变换正负逻辑及逻辑符号的变换編輯編輯編輯編輯:白新林白新林白新林白新林1一、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 2.1 2.1 基本逻辑门电路基本逻辑门电路输输 入入输出输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V0V0V5V0101BLA0011输输 入入0001输出输出 与逻辑真值表与逻

2、辑真值表2 2或门电路或门电路输输 入入输出输出VA（V）VB（V）VL（V）0V0V5V5V0V5V0V5V0V5V5V5V0101BLA0011输输 入入0111输出输出 或逻辑真值表或逻辑真值表3二、三极管非门电路二、三极管非门电路输输 入入输输 出出VA（V）VL（V）0V5V5V0VLA01输输 入入10输输 出出非逻辑真值表非逻辑真值表4二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：（1 1）在在多多个个门门串串接接使使用用时时，会会出出现现低低电电平平偏偏离离标标准准数数值值的情况。的情况。（2 2）负载能力差。）负载能力差。5解决办法：解决办法：将将二二极极管管与与门

3、门（或或门门）电电路路和和三三极极管管非非门门电电路路组合起来。组合起来。6三、三、DTL与非门电路与非门电路工作原理：工作原理：（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导通，且导通，且T为为饱和饱和导通导通，VL，即输出低电平。，即输出低电平。（2）A、B、C中中只只要要有有一一个个为为低低电电平平V时时，则则VP1V，从从而而使使D4、D5和和T都截止，都截止，VL=VCC=5V，即输出高电平。，即输出高电平。所以该电路满足与非逻辑关系，即：所以该电路满足与非逻辑关系，即：72.2 2.2 TTL逻辑门电路逻辑门电路一、T

4、TL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1TTL与非门的基本结构与非门的基本结构8TTL与非门的基本结构与非门的基本结构92 2TTL与非门的逻辑关系与非门的逻辑关系（1 1）输入全为高电平）输入全为高电平V时。时。T2 2、T3 3饱和导通，饱和导通，实现了与非门的逻实现了与非门的逻辑功能之一：辑功能之一：输入全为高电平时，输入全为高电平时，输出为低电平输出为低电平。由于由于T2 2饱和导通，饱和导通，VC2C2=1=1V。T4 4和二极管和二极管D都截止。都截止。由于由于T3 3饱和导通，输出电压为：饱和导通，输出电压为：VO O=VCES3CES3V10该发射结导通，该发

5、射结导通，VB1 1=1=1V。T2 2、T3 3都截止。都截止。（2 2）输入有低电平）输入有低电平V 时。时。实现了与非门的逻辑实现了与非门的逻辑功能的另一方面：功能的另一方面：输入有低电平时，输入有低电平时，输出为高电平输出为高电平。忽略流过忽略流过RC2 2的电流，的电流，VB4B4VCCCC=5=5V 。由于由于T4 4和和D导通，所以：导通，所以：VO OVC CC C-VBE4BE4-VD D （V）综综合合上上述述两两种种情情况况，该该电电路路满满足足与与非非的的逻辑功能，即：逻辑功能，即：11二、二、TTL与非门的开关速度与非门的开关速度1TTL与非门提高工作速度的原理与非门

6、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。）采用多发射极三极管加快了存储电荷的消散过程。12（2 2）采采用用了了推推拉拉式式输输出出级级，输输出出阻阻抗抗比比较较小小，可可迅迅速速给负载电容充放电。给负载电容充放电。132 2TTL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中点所经历的时间。的中点所经历的时间。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。截止延迟时间截止延迟时间tPLH从输入波形下降

7、沿的中点到输出波形上升沿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。的中点所经历的时间。与非门的传输延迟时间与非门的传输延迟时间tpd：14三、三、TTL与非门的电压传输特性及抗干扰能力与非门的电压传输特性及抗干扰能力1电压传输特性曲线：电压传输特性曲线：Vo=f（Vi）ABCDE15（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V，产产品品规规定定输输出出高高电电压压的的最最小小值值VOH（min）V。（2 2）输输出出低低电电平平电电压压V VOLOL在在正正逻逻辑辑

8、体体制制中中代代表表逻逻辑辑“0”“0”的的输输出出电电压压。VOL的的理理论论值值为为V，产产品品规规定定输输出出低低电电压压的的最最大大值值VOL（max）V。（3 3）关关门门电电平平电电压压V VOFFOFF是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOH（min）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入低低电电压压的的最最大大值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为输输入入低低电电平平电电压压，用用VIL（max）表表示示。产产品品规规定定VIL（max）V。2几个重要参数几个重要参数16（4 4）开开门门电电平平电电压压V VONON是是指指输输出出电电压压下下降降到到VOL（m

9、ax）时时对对应应的的输输入入电电压压。即即输输入入高高电电压压的的最最小小值值。在在产产品品手手册册中中常常称称为为 输输 入入 高高 电电 平平 电电 压压，用用 VIH（min）表表 示示。产产 品品 规规 定定VIH（min）=2=2V。（5 5）阈阈值值电电压压V Vthth电电压压传传输输特特性性的的过过渡渡区区所所对对应应的的输输入入电电压压，即即决决定定电电路路截截止止和和导导通通的的分分界界线线，也也是是决决定定输输出出高高、低低电压的分界线。电压的分界线。近似地：近似地：VthVOFFVON 即即ViVth，与非门关门，输出高电平；，与非门关门，输出高电平；ViVth，与非

10、门开门，输出低电平。，与非门开门，输出低电平。Vth又常被形象化地称为又常被形象化地称为门槛电压门槛电压。Vth的值为的值为V1.1.V。17低电平噪声容限低电平噪声容限 VNLVOFF-VOL（max）VVV高电平噪声容限高电平噪声容限 VNHVOH（min）-VONVVVTTL门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。门电路的输出高低电平不是一个值，而是一个范围。3 3抗干扰能力抗干扰能力同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的同样，它的输入高低电平也有一个范围，即它的输入信号允许一定的容差，称为容差，称为噪声容限噪声容限。18四、四、TTL与非门的带负载能力与非门

11、的带负载能力1 1输入低电平电流输入低电平电流IIL与输入高电平电流与输入高电平电流IIH（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电平时，从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。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IILmA。19（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。平时，流入输入端的电流。有两种情况有两种情况:寄生三极管效应：寄生三极管效应：IIH=P PIB1B1，P P为寄生三极管的电流放大系数。为寄生三极管的电流放大系

12、数。由于由于p和和i的值都远小于的值都远小于1 1，所以所以IIH的数值比较小，产品规定：的数值比较小，产品规定：IIH4040uA。倒置的放大状态：倒置的放大状态：IIH=iIB1B1，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。20（1 1）灌电流负载）灌电流负载当驱动门输出当驱动门输出低电平时，电流从负载门灌入驱动门。低电平时，电流从负载门灌入驱动门。2 2带负载能力带负载能力 当负载门的个数增加，当负载门的个数增加，灌电流增大，会使灌电流增大，会使T3 3脱脱离饱和，输出低电平升离饱和，输出低电平升高。因此，把允许灌入高。因此，把允许灌入输出端的电流定义为输出端的电流定义为输

13、输出低电平电流出低电平电流I IOLOL，产品产品规定规定IOL=16=16mA。由此可。由此可得出得出: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。21（2 2）拉电流负载）拉电流负载当驱动门当驱动门输出高电平时，电流从驱动门拉输出高电平时，电流从驱动门拉出出,流至负载门的输入端。流至负载门的输入端。NOH称为称为输出高电平时的扇出系数输出高电平时的扇出系数。产品规定产品规定:IOHmA。由此可得出：由此可得出：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

14、定义义为为输输出出高高电电平平电电流流I IOHOH。一一般般NOLNOH，常常取取两两者者中中的的较较小小值值作作为为门门电电路路的的扇出系数，用扇出系数，用NO表示。表示。22五、五、TTL与非门举例与非门举例7400740074007400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4 4个个2 2输输入入端端与非门，共有与非门，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。23六、六、TTL门电路的其他类型门电路的其他类型1 1非门非门242或非门或非门253与或非门与或非门26 在工程实践中，有时需要将几个门的输出端并联使用，以实现与逻在

15、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。4集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）27（1 1）实现线与。）实现线与。逻辑关系为逻辑关系为: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。如图示，可使输出高电平变为如图示，可使输出高电平变为1010V。（3 3）用做驱动器。）用做驱动器。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

16、电路。28（1）当输出高电平时，当输出高电平时，RP不能太大。不能太大。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）。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：得：得：VCC-VOH（min）=IIHRP（max）由：由：29（2）当输出低电平时当输出低电平时 所以：所以：RP（min）RPRP（max）由：由：得：得：RP不能太小。不能太小。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）。30（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。当当EN=0=0时时，G输输出出为为1 1，D

17、1 1截截止止，相相当当于于一一个个正正常常的的二二输输入入端端与与非非门门，称为正常工作状态。称为正常工作状态。当当EN=1时时，G输输出出为为0，T4、T3都都截截止止。这这时时从从输输出出端端L看看进进去去，呈呈现现高阻，称为高阻态，或禁止态。高阻，称为高阻态，或禁止态。5 5三态门三态门去去掉掉非非门门G G，则则EN=1时时，为为工工作状态，作状态，EN=0时，为高阻态。时，为高阻态。31三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。（a）组成单向总线）组成单向总线实现信号的分时单向传送。实现信号的分时单向传送。（b）组成双向总线，）组成双向总线，实

18、现信号的分时双向传送。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32七、七、TTL集成逻辑门电路系列简介集成逻辑门电路系列简介1 17474系列系列为为TTL集成电路的早期产品，属中速集成电路的早期产品，属中速TTL器件。器件。2 27474L系列系列为低功耗为低功耗TTL系列，又称系列，又称LTTL系列。系列。3 37474H系列系列为高速为高速TTL系列。系列。4 47474S系列系列为肖特基为肖特基TTL系列，进一步提高了速度。系列，进一步提高了速度。7474S系列的几点改进：系列的几点改进：（1 1）采用了抗饱和三极管）采用了抗饱和三极管335 57474LS系系列列

19、为为低低功功耗耗肖肖特基系列。特基系列。6 67474AS系系列列为为先先进进肖肖特特基系列，基系列，7 77474ALS系列系列为先进低为先进低功耗肖特基系列。功耗肖特基系列。（2 2）将）将Re2Re2用用“有源泄放电路代替有源泄放电路代替”。（3 3）输出级采用了达林顿结构。）输出级采用了达林顿结构。（4 4）输入端加了三个保护二极管。）输入端加了三个保护二极管。7474S系列的几点改进：系列的几点改进：（1 1）采用了抗饱和三极管）采用了抗饱和三极管34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2.3 2.3 MOS逻辑门电路逻辑门电路逻辑关

20、系：（设两管的开启电压为逻辑关系：（设两管的开启电压为VT1T1=VT2T2=4=4V，且，且gm1 1gm2 2）（1 1）当当输输入入Vi为为高高电电平平8 8V时时，T1 1导导通通，T2 2也也导导通通。因因为为gm1 1gm2 2，所以两管的导通电阻，所以两管的导通电阻RDS1DS1RDS2DS2，输出电压为：，输出电压为：35（2 2）当输入）当输入Vi为低电平为低电平0 0V时，时，2 2NMOS门电路门电路（1 1）与非门）与非门 T1 1截止，截止，T2 2导通。导通。VO=VDD-VT=8=8V=VOH，即输出为高电平。，即输出为高电平。所以电路实现了非逻辑。所以电路实现了

21、非逻辑。0101BLA0011输输 入入1110输出输出 与非真值表与非真值表36（2）或非门）或非门0101BLA0011输输 入入1000输出输出 或非真值表或非真值表371 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。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。二、二、CMOS非门非门 CMOS逻逻辑辑门门电电路路是是由由N沟沟道道MOSFET和和P沟沟道道MOSFET互互补而成。补而成。38（1 1）当

22、）当Vi2 2V，TN截止，截止，TP导通，导通，VoVDD=10=10V。2电压传输特性：电压传输特性：CMOS门电路的阈值电压门电路的阈值电压Vth=VDD/2/2（设（设:VDD=10V，VTN=|VTP|=2V）（2 2）当）当2 2VVi5 5V，TN工作在饱和区，工作在饱和区，TP工作工作 在可变电阻区。在可变电阻区。（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 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

23、导通，导通，Vo=0=0V。393 3工作速度工作速度 由由于于CMOS非非门门电电路路工工作作时时总总有有一一个个管管子子导导通通，所所以以当当带带电电容容负负载载时时，给给电电容容充充电电和和放放电电都都比比较较快快。CMOS非非门门的的平平均传输延迟时间约为均传输延迟时间约为1010ns。40（2）或非门）或非门三、其他的三、其他的CMOS门电路门电路1 1CMOS与非门和或非门电路与非门和或非门电路（1）与非门）与非门41（3）带缓冲级的门电路）带缓冲级的门电路 为了稳定输出高低电平，可在输入输出端分别加反相器作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。缓冲级。42后级

24、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：2 2CMOS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43当当EN=1=1时，时，TP2 2和和TN2 2同时截止，输出为同时截止，输出为高阻状态高阻状态。所以，这是一个低电平有效的三态门。所以，这是一个低电平有效的三态门。3 3 CMOS三态门三态门当当EN=0=0时，时，TP2 2和和TN2 2同时导通，同时导通，为为正常的非门，正常的非门，输出输出444 CMOS传输门传输门 工作原理：（设两管的开启电压工作原理：（设两管的开启电压VTN=|=|VTP|）（1 1）当当C接接高

25、高电电平平VDD，接接低低电电平平0 0V时时，若若Vi在在0 0VVDD的的范范围围变变化化，至少有一管导通，至少有一管导通，相当于一闭合开关相当于一闭合开关，将输入传到输出，即，将输入传到输出，即Vo=Vi。（2 2）当当C接接低低电电平平0 0V，接接高高电电平平VDD，Vi在在0 0VVDD的的范范围围变变化化时时，TN和和TP都截止，输出呈高阻状态，都截止，输出呈高阻状态，相当于开关断开相当于开关断开。451 1CMOS逻辑门电路的系列逻辑门电路的系列（1 1）基本的）基本的CMOS40004000系列。系列。（2 2）高速的）高速的CMOSHC系列。系列。（3 3）与）与TTL兼容

26、的高速兼容的高速CMOSHCT系列。系列。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 1）VOH（min）VDD；VOL（max）VDD。所以所以CMOS门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。门电路的逻辑摆幅（即高低电平之差）较大。（2 2）阈值电压）阈值电压Vth约为约为VDD/2/2。（3 3）CMOS非非门门的的关关门门电电平平VOFF为为VDD，开开门门电电平平VON为为VDD。因因此此，其其高、低电平噪声容限均达高、低电平噪声容限均达VDD。（4 4）CMOS电路的功耗很小，一般小于电路的功耗很小，一般小于1 mW/门；门；（5 5）因）因CMOS电路有极高

27、的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达电路有极高的输入阻抗，故其扇出系数很大，可达5050。四、四、CMOS逻辑门电路的系列及主要参数逻辑门电路的系列及主要参数46一、一、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，即要满足下列条件：足下列条件：驱动门的驱动门的VOH（min）负载门的负载门的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（ma

28、x）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）2.4 2.4 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 47（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，用以防止过电压。护，用以防止过电压。二、二、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、电平能够匹配对于电流较小、电平能够匹配的负载可以直接驱动。的负载可以直接驱动。（a a）用）用TTL门电路驱动发光二极门电路驱动发光二极管管LED，这时只要在电路中串接，这时只要在电路中串接一个约几百一个

29、约几百W W的限流电阻即可。的限流电阻即可。482 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。）可将同一芯片上的多个门并联作为驱动器。（b b）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力。）也可在门电路输出端接三极管，以提高负载能力。49 （2 2）对对于于或或非非门门及及或或门门，多多余余输输入入端端应应接接低低电电平平，比比如如直直接接接接地地；也也可可以以与与有用的输入端并联使用。有用的输入端并联使用。三、多余输入端的处理三、多余输入端的处理 （1 1）对于与非门及与门，）对于与非门及与门，多余输入端应接多余输入端应接高电平高电平。如。如直接接电源正端，在

30、前级驱直接接电源正端，在前级驱动能力允许时，也可以与有动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使用。用的输入端并联使用。503 3一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。一端消去或加上小圆圈，同时将相应变量取反，其逻辑关系不变。2 2任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。任一条线一端上的小圆圈移到另一端，其逻辑关系不变。2.5 2.5 混合逻辑中逻辑符号的变换混合逻辑中逻辑符号的变换1 1逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。逻辑图中任一条线的两端同时加上或消去小圆圈，其逻辑关系不变。51 本章小结本章小结1 1最简单的门电路是二极管与门、或门

31、和三极管非门。它们是集最简单的门电路是二极管与门、或门和三极管非门。它们是集成逻辑门电路的基础。成逻辑门电路的基础。2 2目目前前普普遍遍使使用用的的数数字字集集成成电电路路主主要要有有两两大大类类，一一类类由由NPNNPN型型三三极极管管组成，简称组成，简称TTLTTL集成电路；另一类由集成电路；另一类由MOSFETMOSFET构成，简称构成，简称MOSMOS集成电路。集成电路。3 3TTLTTL集集成成逻逻辑辑门门电电路路的的输输入入级级采采用用多多发发射射极极三三级级管管、输输出出级级采采用用达达林林顿顿结结构构，这这不不仅仅提提高高了了门门电电路路的的开开关关速速度度，也也使使电电路路

32、有有较较强强的的驱驱动动负负载载的的能能力力。在在TTLTTL系系列列中中，除除了了有有实实现现各各种种基基本本逻逻辑辑功功能能的的门门电电路路以以外外，还有集电极开路门和三态门。还有集电极开路门和三态门。4 4MOSMOS集集成成电电路路常常用用的的是是两两种种结结构构。一一种种是是NMOSNMOS门门电电路路，另另一一类类是是CMOSCMOS门门电电路路。与与TTLTTL门门电电路路相相比比，它它的的优优点点是是功功耗耗低低，扇扇出出数数大大，噪噪声声容容限限大，开关速度与大，开关速度与TTLTTL接近，已成为数字集成电路的发展方向。接近，已成为数字集成电路的发展方向。5 5为为了了更更好好地地使使用用数数字字集集成成芯芯片片，应应熟熟悉悉TTLTTL和和CMOSCMOS各各个个系系列列产产品品的的外外部部电电气气特特性性及及主主要要参参数数，还还应应能能正正确确处处理理多多余余输输入入端端，能能正正确确解解决决不不同同类型电路间的接口问题及抗干扰问题。类型电路间的接口问题及抗干扰问题。52