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1、第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路 第第16章章 逻辑门电逻辑门电路路16.1 基本基本逻辑门电逻辑门电路路16.2 组组合合逻辑门逻辑门16.3 TTL集成集成门门和和CMOS集成集成门门习题习题16第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路16.1 基本基本逻辑门电逻辑门电路路具有逻辑功能的电路称为逻辑电路或逻辑门电路，它是构成数字电路的基本单元。逻辑门电路按照结构组成的不同可分为两类。(1)分立元件门：它是由单个半导体器件组成的，目前较少使用。(2)集成门：将各种半导体元器件集成在一个芯片上。无论哪一种门电路，都是用高、低电平分别表示逻辑1和0两种逻辑状态的，如图16.1所示。第第16章章 逻辑
2、门电路逻辑门电路图16.1正逻辑与负逻辑第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路1.与门电路能实现与逻辑关系的电路称为与门电路。二极管与门电路如图16.2(a)所示，其逻辑符号和波形图如图16.2(b)和图16.2(c)所示，其中A、B为输入变量，Y为输出变量。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.2与门电路(a)电路图；(b)逻辑符号；(c)波形图第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路设VCC=5V，A、B输入端的高、低电平分别为UIH=3V，UIL=0.3V，UO=0.7V。输出Y的高、低电平为UOH=3V，UOL=0.3V。输入、输出的逻辑电平及真值表如表16.1和表16.2所示。其逻辑表达式
3、为Y=AB;第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.1与门电路逻辑电平第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.2与门电路真值表第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2.或门电路能实现或逻辑关系的电路称为或门电路。二极管或门电路、符号和波形图如图16.3所示，其中，A、B为输入变量，Y为输出变量。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.3或门电路(a)电路图；(b)逻辑符号；(c)波形图第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路设UCC=5V，A、B端输入高电平为UIH=3V，输入低电平为UIL=0.3V；输出高电平为UOH=3V，输出低电平UOL=0.3V。输入、输出的逻辑电平和真值表如表16.3和
4、表16.4所示。其逻辑表达式为Y=A+B;第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.3或门电路逻辑电平第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.4或门电路真值表第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3.非门电路（反相器）能实现非逻辑关系的电路称为非门电路。非门电路、符号和波形图如图16.4所示，其中A为输入变量，Y为输出变量。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.4非门电路(a)电路图；(b)逻辑符号；(c)波形图第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路由图16.4可知，当输入端A为低电平时，输出端Y为高电平；当输入端A为高电平时，输出端Y为低电平。输入、输出的逻辑电平和真值表如表16.5和表16.
5、6所示。其逻辑表达式为第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.5非门电路逻辑电平第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.6非门电路真值表第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路16.2 组组合合逻辑门逻辑门1.与非门图16.5所示为与非门的组成及符号。表16.7是与非门的真值表。其逻辑表达式为第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.5与非门的组成及符号(a)组成；(b)符号第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.7与非门逻辑真值表第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2.或非门图16.6所示为或非门的组成及符号。表16.8为或非门的逻辑真值表。其逻辑表达式为第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图1
6、6.6或非门的组成及符号(a)组成；(b)符号第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.8或非门逻辑真值表第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3.与或非门图16.7所示是与或非门的组成及符号。表16.9是与或非门的逻辑真值表。其逻辑表达式为Y=AB+CD第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.9是与或非门的逻辑真值表第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.7与或非门的组成及符号(a)组成；(b)符号第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路表16.10异或门逻辑真值表第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.8异或门的逻辑符号第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路16.3 TTL集成集成门门和和CMOS
7、集成集成门门16.3.1TTL集成门电路1.TTL与非门电路1）电路结构TTL与非门的典型电路如图16.9所示。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.9TTL与非门典型电路第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2）TTL与非门的工作原理当输入信号中任意一个为低电平，即UIA=UIL或UIB=UIL时，T1的发射结正偏，UB1=UIL+0.7=0.3+0.7=1V，使 T1管 饱 和 导 通，此 时UB2=1V（要使T2导通，UB2=20.7V=1.4V）。T2管截止，T4也处于截止状态，而T3导通，则UO=VCC=UOH 第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路当输入信号都为高电平时，UIA=UIB
8、=UIH=3.6V，UB1=UIH+UBE1=3.6+0.7=4.3V，UBC0.1V，则UC14.3V，此时UB21.4V，则T2、T4饱和导通，T3截止输出，有UO=UT4CHS0.3V=UOL综上所述，电路实现的逻辑关系为与非关系：Y=AB第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2.TTL与非门的电气特性1）电压传输特性将与非门电路的输出电压随输入电压的变化用曲线描绘出来，可得到如图16.10所示的电压传输特性，它反映了TTL与非门电路的输出电压UO随输入电压UI的变化规律。电压传输特性曲线可分为四段:AB、BC、CD、DE。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.10TTL与非门电压传输特
9、性第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2）输入伏安特性输入伏安特性是指输入电压和输入电流之间的关系。图16.11(a)所示为输入电路，改变输入电压UI，测出对应的输入电流iI值，即可画出输入伏安特性曲线，如图16.11(b)所示。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.11输入电路及输入伏安特性(a)输入电路；(b)输入伏安特性第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路设R1=4k，VCC=5V，当UI=0V时，T1导通，T2截止，可求得输入端对地短路时的输入电流，用IIS表示，称为输入短路电流，即上式中负号表示与iI的参考方向相反。3）输入负载特性由于在UI=0V时有输入电流存在，因而在输入端与地之
10、间接入电阻Rp，就会影响输入电压。TTL与非门输入端串电阻接地时的等效电路如图16.12(a)所示。输入负载特性如图16.12(b)所示。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.12输入等效电路和输入负载特性(a)输入等效电路；(b)输入负载特性第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路4）高电平输入特性(带拉电流负载)与非门电路的输出等效电路及输出特性如图16.13所示。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.13带拉电流负载输出等效电路及输出特性(a)输出等效电路；(b)输出特性第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路5）低电平输出特性(带灌电流负载)当输入低电平时，与非门输出级的T4饱和导通，T3
11、截止，此时的输出等效电路及输出特性如图16.14所示。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.14带灌电流负载输出等效电路及输出特性(a)输出等效电路；(b)输出特性第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3.TTL与非门的扇出系数N扇出系数N表示TTL与非门电路的带负载能力，即代表电路能驱动同类型门电路的最大个数。当输出高电平、带拉电流负载时：当输出低电平、带灌电流负载时:第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路例16.1已知TTL与非门电路T1004的IOH=400A，IOL=16mA，IIL=-1.6mA，IIH=40A。电路如图16.15所示，求该电路的扇出系数N。第第16章章 逻辑门电路逻辑门
12、电路图16.15例16.1电路第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路解当输出高电平时:当输出低电平时:则NH=NL=10，取N=10。如果NHNL，则把较小的个数定义为扇出系数。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路16.3.2其它类型的TTL门电路1.集电级开路与非门（OC门）在实际使用中，经常将门电路的输出端连接在一起，以实现逻辑与的关系。图16.16给出了两个与非门“线与”的逻辑图，其输出逻辑表达式为Y=ABCD=AB+CD第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.16“线与”的逻辑图第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.17所示是与非门的电路结构图，将T3、D3、R4去掉，让T4的集电极输
13、出开路，即构成了OC门电路，如图16.18所示。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.17与非门的电路结构第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.18OC门电路第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2.CMOS三态输出门三态输出门的输出有三种状态：高电平、低电平和高阻态。图16.19所示为三态输出门的逻辑符号。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.19三态输出门的逻辑符号第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路其中，输入信号为A、B，输出为Y，EN为使能端。其输出分别为和第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3.或非门、与或非门和异或门图16.20所示是TTL或非门、与或非门和异或门的逻辑符号。第
14、第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.20逻辑符号(a)或非门；(b)与或非门；(c)异或门第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路4.TTL集成电路系列考虑到国际通用标准和我国的现行标准，根据不同的工作温度和电源，将TTL数字集成电路大体分为两大类：CT54系列和CT74系列。5.TTL集合逻辑门的使用1)输出端的连接除OC门以外，一般逻辑门的输出是不能“线与”连接的，也不能与电源或地短路。使用时，输出电压应小于手册上给出的最大值。三态门的输出端可以并联使用，但同一时刻只能有一个门工作。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2)多余输入端的处理TTL集成门电路在使用时，多余的输入端一般不能悬空。为防
15、止干扰，在保证输入正确逻辑电平的条件下，可将多余的输入端接高电平或低电平。与门的多余输入端接高电平，或门的多余输入端接低电平。接高、低电平的方法可通过限流电阻接正电源或地，也可直接和地相连接。但要注意输入端所接的电阻不能过大，否则将改变输入逻辑状态。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路16.3.3CMOS集成门电路1CMOS反相器图16.21(a)所示为CMOS反相器的原理图，其中TN是增强型NMOS管，TP是增强型PNOS管，两管的参数对称，且电压分别是：UTN=2V，UTP=-2V。两管的栅极相连作为输入端，漏极相连作为输出端。TP的源极接正电源VDD,TN的源极接地。第第16章章 逻辑门电
16、路逻辑门电路图16.21CMOS反相器(a)原理图；(b)UI=0V时的等效电路图；(c)UI=10V时的等效电路图第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2CMOS反相器的工作原理其等效电路如图16.22（b）所示，此时的输出电压为UOVDD=10V(UOH)当UI=UIH=10V时，UGSN=10VUTN=2V，TN管导通，而UGSP=0VUTP=-2V，则TP管截止，其等效电路如图16.22（c）图所示，此时的输出电压为UO=0V(UOL)第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3CMOS反相器的电气特性由图16.21（b）和图16.21(c)可知，TN、TP具有相同的导通电阻和截止电阻（RON，R
17、OFF），则输出电压以输入电压的变化曲线为电压的传输特性。1)CMOS反相器的电压传输特性图16.22所示为CMOS反相器的电压传输特性曲线。在特性曲线的CD段，由于UI时，TP管截止，TN管导通，因此此时的输出电压为UO=UOL=0V 第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.22CMOS反相器的电压传输特性第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2)CMOS反相器的电流转移特性图16.23所示为CMOS反相器的电流转移特性。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.23CMOS反相器的电流转移特性第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3)CMOS反相器的输入和输出特性由于存在保护电路，且MOS管的输
18、入电阻较高（1091014），因此输入电流II0A，输入特性曲线如图16.24所示。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.24输入特性曲线第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.25(a)所示为CMOS反相器输出高电平，带拉电流负载。图16.25(b)所示为CMOS反相器输出低电平，带灌电流负载。图16.25(c)所示是CMOS反相器输出电压曲线。从曲线上看，CMOS反相器与TTL反相器相比较，带负载能力较差。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.25拉电流负载和灌电流负载及输出特性曲线(a)带拉电流负载；(b)带灌电流负载；(c)输出特性曲线第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路4.其
19、它功能的CMOS门电路1)CMOS与非门CMOS与非门电路如图16.26(a)所示，其逻辑符号如图16.26(b)所示，其中T1、T2为NMOS管，T3、T4为PMOS管，A、B为输入端，Y为输出端，VDD为正电源。电路实现的逻辑功能为Y=AB第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.26CMOS与非门第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路2)CMOS或非门CMOS或非门电路如图16.27(a)所示，其逻辑符号如图16.27(b)所示，其中T1、T2为NMOS管，T3、T4为PMOS管，A、B为输入端，Y为输出端，VDD为正电源。电路实现的逻辑功能为Y=A+B第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图1
20、6.27CMOS或非门第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3）CMOS传输门CMOS传输门又称为模拟开关，它实质上是电压控制的无触点开关。图16.28所示是CMOS传输门电路图和逻辑符号。图16.29所示为用传输门和反相器组成的双向模拟开关。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.28CMOS传输门(a)门电路图；(b)逻辑符号第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.29双向模拟开关第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路4）CMOS三态门从逻辑功能和应用的角度讲，三态输出的CMOS门电路和TTL电路中的三态门电路没有什么区别。在电路结构上，CMOS的三态门电路要简单得多。图16.30所示为两种类
21、型的CMOS三态输入门。CMOS三态门的逻辑表达式为第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.30两种CMOS三态输入门第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路5）CMOS异或门CMOS异或门是利用反相器和传输门电路组合而成的，能实现异或功能的电路。图16.31所示为异或门电路的结构和逻辑符号。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路图16.31异或门(a)电路；(b)逻辑符号第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路5.CMOS集成门的正确使用1)电源电压CMOS集成门的电源极性不能接反，否则会造成电路的损坏。CMOS集成门的电源电压值不能超限程，一般应适当选择高一些，这样有利于抗干扰。2)多余输入端的处理多余
22、的输入端不能悬空，否则易接受干扰信号。如果是与门或与非门，应将多余的输入端接高电平；如果是或门或或非门，应将多余的输入端接地或接低电平。多余的输入端一般不应与输入端并联使用。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3)输出端的连接输出端不允许与电源、地相连接，因为这样会将CMOS集成门输出级的MOS管损坏（电流过大）。为提高驱动负载的能力，可将同一集成片上的CMOS集成门并联使用（输入、输出并联使用）。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路习题习题161.电路如题图16.1所示，试写出F和A、B、C之间关系的真值表和逻辑函数。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.1第第16章章 逻辑门电路逻辑门电
23、路2.在题图16.2(a),(b),(c)所示各CMOS电路中，已知输入信号A、B、C的波形如题图16.2(d)所示，写出各输出端Y的表达式，并画出相应的波形图。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.2第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.2第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路3.题图16.3中所示电路均为CMOS电路，为实现表达式的功能，改正图中错误。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.3第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.3第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路4.与非门电路如题图16.4所示，试求各输出值。第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.4第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.4第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路5.电路如题图16.5所示。已知UOH=3.6V，UOL=0.3V，IOH=-400A，IOL=12mA，IIH=40A，IIL=-1.2mA。(1)要实现Y1=AB,对电阻RI有何要求?(2)要实现Y2=AB,Rb的取值范围是多少?(3)图(c)电路的N为多少?第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.5第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路6.改正题图16.6所示TTL电路接法上的错误，实现以下逻辑表达式所示功能：第第16章章 逻辑门电路逻辑门电路题图16.6