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1、数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路 门电路是构成组合逻辑电路的基本单门电路是构成组合逻辑电路的基本单元，学习中留意理解各种基本逻辑门的元，学习中留意理解各种基本逻辑门的工作原理和逻辑功能。工作原理和逻辑功能。学习目的与要求数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路3.1 基本逻辑门基本逻辑门 基本逻辑关系有三种：与逻辑、或逻辑和非逻辑。实现上述逻辑关系的基本逻辑门相应为与门与门、或门或门和非门非门。（1)“与”门 当门电路用二极管、晶体管和电阻等分立元件构成时，称为分立元件门电路。目前电
2、子工业的飞速发展和集成电路的日新月异，分立元件门电路几乎都被集成门电路所取代。但是，为了更好地理解和驾驭基本逻辑门电路的工作原理和逻辑功能，我们仍用分立元件的门电路剖析基本逻辑门的电路组成及逻辑功能。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路D1A AD2B BUCCRF F“与与”门电路 一个“与”门的输入端至少为两个，输出端只有一个。输入中只要有一个为低电平输入中只要有一个为低电平0 0时，该低电平二极管就会快速导时，该低电平二极管就会快速导通，输出通，输出F F将被钳位到低电平将被钳位到低电平0 0；其余为高电平的输入端，其端子其余为高电
3、平的输入端，其端子上串接的二极管呈截止态。上串接的二极管呈截止态。输入全部为高电平UCC时，输入端上串接的二极管同时截止，输出F被钳位在高电平“1 1”。“与与”门逻辑电路图符号F F&AB留意：分析过程中与门电路输入留意：分析过程中与门电路输入端上串接的二极管，都是按志向端上串接的二极管，都是按志向二极管处理的，即导通后管压降二极管处理的，即导通后管压降为为0V(0V(实际硅管实际硅管0.7V0.7V，锗管，锗管0.3V)0.3V)。0VUCC0.3V0.3V反偏截止！反偏截止！反偏截止！反偏截止！UCCUCCUCC数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑
4、门电路逻辑门电路（2)“或”门D1A AD2B B0VRF F“或或”门电路 一个“或”门的输入端也是至少为两个，其输出端只有一个。输入中只要有一个为高电平输入中只要有一个为高电平+UCC时，串接其上的二极管则快速导通，时，串接其上的二极管则快速导通，输出输出F将被钳位到高电平将被钳位到高电平1；其余为；其余为低电平的输入端，其端子上串接的低电平的输入端，其端子上串接的二极管呈截止态。二极管呈截止态。输入全部为低电平0V时，输入端上串接的二极管同时截止，输出F被钳位在低电平“0 0”。“或或”门逻辑电路图符号F F 1 1 1 1AB留意：电路中二极管的极性画法留意：电路中二极管的极性画法留意
5、：电路中二极管的极性画法留意：电路中二极管的极性画法和与门电路的区分，全部管子都和与门电路的区分，全部管子都和与门电路的区分，全部管子都和与门电路的区分，全部管子都是依据志向二极管处理的。是依据志向二极管处理的。是依据志向二极管处理的。是依据志向二极管处理的。3V0V3V3V反偏截止！反偏截止！反偏截止！反偏截止！0V0V0V0V数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路（3)“非”门T TRCUBB+UCCRB1RB2A AF F“非非”门电路 输入变量A 为高电平常，三极管饱和导通，输出F为低电平；当输入变量A 为低电平常，三极管截止，输出
6、F 由RC拉至高电平。3V0.3V0.3V饱和导通饱和导通饱和导通饱和导通0V+UCC截止不通截止不通截止不通截止不通 由图可看出，一个“非非”门的输入端只有一个只有一个，输出端也只有一个。“非非”门逻辑路图符号F F 1 1A A非非非非符号符号数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路3.2 TTL集成门电路 分立元件门电路：元件多、体积大、连线、焊点多，电路牢靠性差集成门电路：体积小、重量轻、功耗小、速度快、牢靠性高、而且成本较低、价格便宜，特别便利于安装和调试。按导电类型和开关元件的不同，集成门电路可分为双极型集成逻辑门，例如：TTL电
7、路 和单极型（或MOS型）集成逻辑门，例如：CMOS电路两大类。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路两种常用的TTL与非门集成电路芯片管脚排列图(a)74LS00与非门芯片管脚排列图与非门芯片管脚排列图 电源电源 1 2 3 4 5 6 7&14 13 12 11 10 9 8 地地&1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 电源电源 地地(b)74LS20与非门芯片管脚排列图与非门芯片管脚排列图 型号中74是指标准型系列TTL芯片；L指低功耗；S表示肖特基。其中74LS00中包含四个2输入的与非门；74LS20包
8、括两个4输入的与非门。芯片中的电源电源线和“地地”线均为公用。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路(1)TTL与非门的内部结构 逻辑电路的输入端和输出端都接受了半导体晶体管，称之为Transistor-Transistor-Logic(晶体管-晶体管-逻辑电路)，简称为TTL，TTL集成逻辑门是目前应用最广泛的集成电路。3.6V3.6V0.3V0.3VR4R3R5R2R1A AB BC C3K+UCC7501003003K5VF FT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5(U0)(Ui)1)TTL与非门输入级输入级输入
9、级输入级中间级中间级中间级中间级输出级输出级输出级输出级TTLTTL与非门内部电路组成结构图与非门内部电路组成结构图数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路R4R3R5R2R1A AB BC C3K+UCC7501003003K5VF FT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5(U0)(Ui)输入级由多放射极晶体管T1和电阻R1组成。所谓多放射极晶体管，可看作由多个晶体管的集电极和基极分别并接在一起，而放射极作为逻辑门的输入端。多个放射极的放射结可看作是多个钳位二极管，其作用是限制输入端可能出现的负极性干扰脉冲。Tl的引入
10、，不但加快了晶体管T2储存电荷的消散，提高了TTL与非门的工作速度，而且实现“与”逻辑作用。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路R4R3R5R2R1A AB BC C3K+UCC7501003003K5VF FT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5(U0)(Ui)中间级由电阻R2，R3和三极管T2组成。中间级又称为倒相极，其作用是从T2的集电极和放射极同时输出两个相位相反的信号，作为输出极里的三极管T3和T5的驱动信号，同时限制输出级的T4、T5管工作在截然相反的两个状态，以满足输出级互补工作的要求。三极管T2还可将
11、前级电流放大以供应T5足够的基极电流。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路R4R3R5R2R1A AB BC C3K+UCC7501003003K5VF FT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5(U0)(Ui)输出级由晶体管T3、T4和T5，电阻R4和R5组成推拉式的互补输出电路。T5导通时T4截止，T5截止时T4导通。由于接受了推挽输出(又称图腾输出)，该电路不仅增加了带负载实力，还提高了工作速度。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路工作原理工作原理R4R3R
12、5R2R1A AB BC C3K+UCC7501003003K5VF FT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5(U0)(Ui)输入端至少有一个为低电平常的工作状况：0.3V3.6V3.6V3.6V0.3V低电平对应的PN结导通，T1的基极电位被固定在0.3+0.7=1V上。1V1V0.3V0.3V5V5V明显T1的集电结反偏，导致T2、T5截止。T2截止时的集电极电位：V2CUCC=5V深度饱和深度饱和 T2管集电极+5V的电位足以使T3、T4导通并处于深度饱和状态。因R2和IB3都很小，均可忽视不计，所以与非门输出端F点的电位：VFUCCIB3R2UBE3UBE4500
13、.70.73.6V3.6V3.6V实现了有0出1的与非功能数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路输入端全部为高电平常的工作状况：R4R3R5R2R1A AB BC C3K+UCC7501003003K5VF FT T1 1T T2 2T T3 3T T4 4T T5 5(U0)(Ui)3.6V3.6V3.6V3.6V0.3V由“地地”经T2、T5管的发射结电位升至1.4V，经T1集电结升为2.1V。2.1V2.1V1.4V1.4V明显T1处于倒置工作状态，此时集电结做为放射结运用。倒置状况下，T1可向T2基极供应较大电流。深度饱和深度饱和
14、T2管深度饱和后，其放射极电流在电阻R3上产生的压降又为T5管供应足够的基极电流使T5管饱和导通，从而使与非门输出F点的电位等于T5管的饱和输出典型值：F=0.3V0.3V0.3V实现了全1出0的与非功能深度饱和深度饱和数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路 UOL是被测与非门一输入端接1.8伏、其余输入端开路、负载接380欧的等效电阻时，输出端的电压值。典型值0.3VTTL与非门的外特性和主要参数U U0H0HUILU U0L0LUIHA AB BC CD DE Eu0/Vui/V1231234TTL与非门参数的测试要在确定条件下进行，一
15、般要遵守的原则有：不用的输入端应悬空(悬空端子为高电平“1”)；输出高电平常不带负载；输出低电平常输出端应接规定的灌电流负载。TTL与非门外特性TTL与非门主要参数输出高电平输出高电平U0H是被测TTL与非门一个输入端接地、其余输入端开路时的输出端电压值。典型值3.6V关门电平UOFF：输出为0.9UOH时，所对应的输入电压称为关门电平UOFF。典型值为1V开门电平UON：输出为0.35V时，所对应的输入电压称为开门电平UON。典型值为1.4V。其余参数看课本。UON输出低电平输出低电平UOFF关门电平关门电平开门电平开门电平数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑
16、设计逻辑门电路逻辑门电路(2)集电极开路的TTL与非门(OCOC门门门门)去掉一般TTL与非门中的T3、T4管，让T5管的集电极开路，即构成集电极开路的“与非”门。R5T T3 3 T T4 4R4R1A AB BC CR2+5VT T1 1T T2 2R3T T5 5F F(U0)(Ui)RC+UC OC门在运用时要外接一个电源UC和一个电阻RCOC门的特点是输出门门的特点是输出门T5的的集电极开路集电极开路。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路R1A AB BR2+5VT T1 1T T2 2R3T T5 5F FRC+UC当OC门输
17、入全为高时，T2和T5导通饱和，输出F为低电平0.3V0.3V0.3VOC门输入有一个为低时，T2、T5截止，输出F为高电平UC U UC C OC门同样可实现门同样可实现与非与非功能功能OC门的逻辑电路图符号门的逻辑电路图符号A AB BF F&OC门可实现门可实现“线与线与”逻辑逻辑A AB BF F1 1&C CD DF F2 2&F F“线与线与”逻辑功能逻辑功能R RCCU UCC可实现可实现“与或非与或非”逻辑运算逻辑运算数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路左图所示即利用OC门把输输出的高电平转换为出的高电平转换为12V12V
18、电路 上述分析可知，OC门具有“线与线与”功能，并且在线与的过程中实现了输出对输入的与或非逻辑运算。OC门还可用于数字系统接口部分的电平转换。ABF F&RC12VOC门还可以用来驱动指示灯、驱动指示灯、继电器继电器等，如左图所示电路。ABF F&UC数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路（3)三态门 三态门与一般TTL与非门相比，只是多出了一个电阻和两个二极管。三态门限制端EN=1时，二极管D2截止，相当于限制端放弃限制权，此时三态门相当于一个一般与非门，输出由输入端A、B确定。三态门电路分析三态门电路分析 三态门限制端EN=0(有效态)
19、时，限制端行使限制权，此时T1饱和，其基极电位约为1V，使T2、T5截止，同时D2导通使T3、T4也截止。这时从外往输入端看进去，电路呈现高阻态。由于电路在EN=1时输出有高、低电平两种状态；在EN=0时输出为高阻态，共呈三种状态，因此称为三态门。D2R5T T3 3T T4 4R4R1A AB BR2+UCCT T1 1T T2 2R3T T5 5F FENENRD1数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路三态门真值表B BA AF F0 01 11 11 10 01 10 01 11 11 11 10 0ENEN1 11 11 10 0
20、高阻态高阻态高阻态高阻态0 0 三态门逻辑图符号ABE/DE/DF FENEN&利用三态门可以实现总线结构利用三态门可以实现总线结构 图示为三态门总线结构图。用图示为三态门总线结构图。用一根总线轮番传送几个不同的数一根总线轮番传送几个不同的数据或限制信号时，让连接在总线据或限制信号时，让连接在总线上的全部三态门限制端轮番处于上的全部三态门限制端轮番处于高电平，任何时间只能有一个三高电平，任何时间只能有一个三态门处工作状态，其余三态门均态门处工作状态，其余三态门均为高阻状态。这样，总线将轮番为高阻状态。这样，总线将轮番接受来自各个三态门的输出信号。接受来自各个三态门的输出信号。这种利用总线来传送
21、数据或信号这种利用总线来传送数据或信号的方法广泛应用于计算机技术中。的方法广泛应用于计算机技术中。总线（总线（BUSBUS）D1&EN&EN&END2DnE/DnE/D1E/D2L1L2Ln数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路&ABENFB BA AF F0 00 01 11 10 01 10 01 11 11 11 10 0ENEN0 00 00 00 0 高阻态高阻态高阻态高阻态1 1 EN=0 B=AEN=0 B=AEN=1 A=BEN=1 A=B数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑
22、门电路（4）运用TTL门的几个实际问题1.输入端电阻对TTL门工作状态的影响2.尖峰电流的影响3.不运用的输入端的处理悬空?uI&+VCC&+VCC uI与非门+VCC uI+VCC uI或非门数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路 4、几个TTL与非门输出端不能并联；输出高电平UOH(2.4V)、输出低电平 UOL(0.4V)，关门电平UOFF(0.8V)，开门电 电平UON(2.0V)。（P.59）与非门的负载实力用其所能驱动同类门的数目（扇出系数N）来表示，扇出系数NO越大带负载实力越强。运用运用TTLTTL与非门芯片时需留意事项与非
23、门芯片时需留意事项 1、不用的管脚 可以悬空，不行以接地；2、不用的管脚可以接高电平，不行以接低电平；5、输出端接容性负载时，应接大电阻(2.7K)限流；3、几个输入端引脚可以并联连接；6、TTL集成电路的电源电压应满足5V要求，输入信号电平应在05V之间。TTL与非门的与非门的主要参数？主要参数？7、用45W以下电铬铁焊接，最好用中性焊剂，设备应良好接地。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路3.3、CMOS集成电路1)CMOS反相器UDDuiu0T T1 1T T2 2PMOSPMOSNMOSNMOS工作原理工作原理 假如要使电路中的绝
24、缘栅型场效应假如要使电路中的绝缘栅型场效应管管形成导电沟道，形成导电沟道，T1T1的栅源电压必需的栅源电压必需大于大于开启电压的值，开启电压的值，T2T2的栅源电压必需的栅源电压必需低于低于开启电压的值，所以，电源电压开启电压的值，所以，电源电压UDDUDD必必须大于两管开启电压的确定值之和。须大于两管开启电压的确定值之和。ui0V时，T1截止，T2导通。输出 电压u0UDD，高电平；uiUDD时，T1导通，T2截止。输出 电压u00V，低电平。载管为P沟道增加型MOS管，两管的漏极接在一起作为电路的输出端，两管的栅极接在一起作为电路的输入端，T1、T2源极与其衬底相连，一个接地，一个接电源。
25、T1工作管为N沟道增加型MOS管，T2负实现了见见0 0出出1 1、见、见1 1出出0 0的非门功能！数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路2)CMOS传输门u0uiUDDT TP PT TN NCPCPCPCP工作原理工作原理 设高电平为10V，低电平为0V，电源电压为10V。开启电压为3V。在CP“1 1”时，若输入电压为0V7V，则TN管的栅源电压不低于3V，因此TN管导通；若输入电压为3V10V，则TP管导通。即在输入电压为0V10V的范围内，至少有一个管子是导通的，即u0=ui。此时传输门相当于接通的模拟开关。当CP=“0”时，无
26、论输入电压ui在010V之间如何变更，栅极和源极之间的电压都无法满足管子导通沟道产生的条件，因此两管都截止，输入信号不能传输到输出端，称传输门关断。此时相当于模拟开关断开。传输门在数字电路中起开关作用，所以也称作模拟开关。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路 CMOS CMOS集成电路的特点及运用留意事项集成电路的特点及运用留意事项CMOS电路简洁受静电感应而击穿，在运用和存放时应留意静电屏蔽，焊接时电烙铁应接地良好，尤其是CMOS电路多余不用的输入端不能悬空，应依据须要接地或接高电平。CMOS电路的工作速度比TTL电路低；CMOS电路的
27、带负载实力没有TTL电路强；CMOS电路的抗干扰实力强；CMOS电路的集成度比TTL电路的集成度高；CMOS电路的功耗比TTL电路小得多。门电路的功耗只有几个W，中规模集成电路的功耗也不会超过100W。CMOS电路的电源电压允许范围较大，约在318V；CMOS电路适合于特殊环境下工作；CMOS集成电路虽然出现较晚，但发展很快，更便于向大规模集成电路发展。其主要缺点是工作速度较低。数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计数字电路及逻辑设计逻辑门电路逻辑门电路TTLTTL门与门与CMOSCMOS门之间的互连门之间的互连(接口问题接口问题)两种不同类型的集成电路相互连接，驱动门必须要为负载门供应符合要求的凹凸电平和足够的输入电流，满足下列条件：1、驱动门的UOH（前级）负载门的UIH（后级）；2、驱动门的UOL（前级）负载门的UIL（后级）；4、驱动门的IOL（前级）负载门的nIIL（后级总)。3、驱动门的IOH（前级）负载门的nIIH（后级总)；TTL电路驱动电路驱动CMOS电路原理图电路原理图TTLTTL门门&R5VCMOSCMOS门门&CMOSCMOS门门TTLTTL门门CC74HC50CC74HC50专用专用CMOSTTL电平转换器电平转换器UDDUCCCMOS电路驱动电路驱动TTL电路原理图电路原理图有关具体内容参看课本有关具体内容参看课本75页页