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1、第三章逻辑门电路本讲稿第一页，共七十三页3.1 概概 述述主要要求：主要要求：1.了解逻辑门电路的作用和常用类型。了解逻辑门电路的作用和常用类型。2.理解高电平信号和低电平信号的含义。理解高电平信号和低电平信号的含义。本讲稿第二页，共七十三页 TTL 即 Transistor-Transistor Logic CMOS 即 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 一、门电路的作用和常用类型一、门电路的作用和常用类型 按功能特点不同分按功能特点不同分 普通门(推拉式输出)CMOS传输门 输出开路门 三态门 门电路门电路(Gate Circuit)指用以实现
2、基本逻辑关系和指用以实现基本逻辑关系和常用复合逻辑关系的电子电路。常用复合逻辑关系的电子电路。是构成数字电路的基本单元之一是构成数字电路的基本单元之一按逻辑功能不同分按逻辑功能不同分 与门 或门 非门 异或门 与非门 或非门 与或非门 按电路结构不同分按电路结构不同分 TTL 集成门电路 CMOS 集成门电路 输输入入端端和和输输出出端端都都用用三三极管的逻辑门电路。极管的逻辑门电路。用互补对称用互补对称 MOS 管管构成的逻辑门电路。构成的逻辑门电路。本讲稿第三页，共七十三页二、高电平和低电平的含义二、高电平和低电平的含义 高电平和低电平为某高电平和低电平为某规定范围规定范围的电位值，而非一
3、固定值。的电位值，而非一固定值。高电平信号是多大的信号？低电平信号又是多大的信号？10高电平低电平01高电平低电平正逻辑体制正逻辑体制负逻辑体制负逻辑体制由门电路种类等决定 本讲稿第四页，共七十三页主要要求：主要要求：理解理解三极管的开关特性。三极管的开关特性。掌握三极管开关工作的条件。掌握三极管开关工作的条件。3.2三极管的开关特性三极管的开关特性本讲稿第五页，共七十三页三极管为什么能用作开关？怎样控制它的开和关？当输入当输入 uI 为低电平，使为低电平，使 uBE Uth时，三极管截止。时，三极管截止。iB 0，iC 0，C、E 间相当于间相当于开关断开。开关断开。三极管关断的条件和等效电
4、路三极管关断的条件和等效电路IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS负载线临界饱和线临界饱和线 饱和区放大区一、三极管的开关作用及其条件一、三极管的开关作用及其条件 截止区uBE UthBEC三极管截止状态等效电路uI=UILuBE+-Uth为门限电压本讲稿第六页，共七十三页IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱和区放大区 uI 增大使 iB 增大，从而工作点上移，iC 增大，uCE 减小。截止区uBE Uth时，时，三极管开始导通，三极管开始导通，iB 0，三，三极管工作于放大导通状态。极管工作于放大导通状态。
5、本讲稿第七页，共七十三页IC(sat)QAuCEUCE(sat)OiCMNIB(sat)TS临界饱和线临界饱和线 饱和区放大区截止区uBE IB(sat)因为因为 iB=IHB-0.7 VUR所以求得所以求得 RB ton开关时间主要由于开关时间主要由于电荷存电荷存储效应储效应引起，要提高开关速度，引起，要提高开关速度，必须降低三极管饱和深度，加必须降低三极管饱和深度，加速基区存储电荷的消散。速基区存储电荷的消散。本讲稿第十三页，共七十三页C E B SBD B C E 在普通三极管的基极和集电极之间并接一个肖特基势垒二极管(简称 SBD)。BCSBD抗饱和三极管的开关速度高抗饱和三极管的开关
6、速度高 没有电荷存储效应 SBD 的导通电压只有 0.4 V 而非 0.7 V，因此 UBC=0.4 V 时，SBD 便导通，使 UBC 钳在 0.4 V 上，降低了饱和深度。三、三、抗饱和三极管简介抗饱和三极管简介本讲稿第十四页，共七十三页主要要求：主要要求：了解了解 TTL 与非门的组成和工作原理。与非门的组成和工作原理。了解了解 TTL 集成逻辑门的主要参数和使用常识。集成逻辑门的主要参数和使用常识。3.3TTL 集成逻辑门集成逻辑门 掌握掌握 TTL 基本门的逻辑功能和主要外特性。基本门的逻辑功能和主要外特性。了解集电极开路门和三态门的逻辑功能和应用。了解集电极开路门和三态门的逻辑功能
7、和应用。本讲稿第十五页，共七十三页ABCV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3R1R2R4R5RBRCB1C1C2E2YVCC+5V输入级输入级中间倒相级中间倒相级输出级输出级STTL系列与非门电路系列与非门电路逻辑符号逻辑符号8.2 k 900 50 3.5 k 500 250 V1V2V3V5V6一、一、TTL 与非门的基本组成与外特性与非门的基本组成与外特性(一一)典型典型 TTL 与非门电路与非门电路 除 V4外，采用了抗饱和三极管，用以提高门电路工作速度。V4不会工作于饱和状态，因此用普通三极管。输入级主要由多发射极管 V1 和基极电阻 R1 组成，用以实现输入变量 A、B、C
8、的与运算。VD1 VD3 为输入钳位二极管，用以抑制输入端出现的负极性干扰。正常信号输入时，VD1 VD3不工作，当输入的负极性干扰电压大于二极管导通电压时，二极管导通，输入端负电压被钳在-0.7 V上，这不但抑制了输入端的负极性干扰，对 V1 还有保护作用。中间级起倒相放大作用，V2 集电极 C2 和发射极 E2 同时输出两个逻辑电平相反的信号，分别驱动 V3和 V5。RB、RC 和 V6 构成有源泄放电路，用以减小 V5管开关时间，从而提高门电路工作速度。输出级由 V3、V4、R4、R5和V5组成。其中 V3 和 V4 构成复合管，与 V5 构成推拉式输出结构，提高了负载能力。本讲稿第十六
9、页，共七十三页VD1 VD3 在正常信号输在正常信号输入时不工作，因此下面的分入时不工作，因此下面的分析中不予考虑。析中不予考虑。RB、RC 和和V6 所构成的有源泄放电路的所构成的有源泄放电路的作用是提高开关速度，它们作用是提高开关速度，它们不影响与非门的逻辑功能，不影响与非门的逻辑功能，因此下面的工作原理分析中因此下面的工作原理分析中也不予考虑。也不予考虑。因为抗饱和三极管 V1的集电结导通电压为 0.4 V，而 V2、V5 发射结导通电压为 0.7 V，因此要使 V1 集电结和 V2、V5 发射结导通，必须 uB1 1.8 V。0.3 V3.6 V3.6 V 输入端有一个或数个为输入端有
10、一个或数个为 低电平时，低电平时，输出高电平。输出高电平。输入低电平端对应的发射结导通，输入低电平端对应的发射结导通，uB1=0.7 V+0.3 V=1 VV1管其他发射结因反偏而截止。管其他发射结因反偏而截止。1 V这时这时 V2、V5 截止。截止。V2 截止使截止使 V1 集电极等效电阻很大，使集电极等效电阻很大，使 IB1 IB1(sat)，V1 深度饱和。深度饱和。V2 截止使截止使 uC2 VCC=5 V，5 V因此，输入有低电平时，输出为高电平。因此，输入有低电平时，输出为高电平。截止截止截止截止深度深度饱和饱和V3 微饱和，微饱和，V4 放大工作。放大工作。uY=5V-0.7 V
11、-0.7 V=3.6 V电路输出为高电平。电路输出为高电平。微饱和微饱和放大放大(二二)TTL 与非门的工作原理与非门的工作原理 本讲稿第十七页，共七十三页综上所述综上所述,该电路实现了与非逻辑功能该电路实现了与非逻辑功能,即即3.6 V3.6 V3.6 V因此，因此，V1 发射结反偏而集电极正发射结反偏而集电极正偏，称偏，称处于倒置放大状态。处于倒置放大状态。1.8 V这时这时 V2、V5 饱和。饱和。uC2=UCE2(sat)+uBE5 =0.3 V+0.7 V=1 V使使 V3 导通，而导通，而 V4 截止。截止。1 V uY=UCE5(sat)0.3 V 输出为低电平输出为低电平 因此
12、，输入均为高电平时，输出为低电平。因此，输入均为高电平时，输出为低电平。0.3 V V4 截止使截止使 V5 的等效集电极电的等效集电极电阻很大，使阻很大，使 IB5 IB5(sat)，因此，因此 V5 深度饱和。深度饱和。倒置放大倒置放大饱饱和和饱和饱和截止截止导通导通TTL 电路输入端悬空时相电路输入端悬空时相当于输入高电平。当于输入高电平。输入均为高电平时，输入均为高电平时，输出低电平输出低电平 VCC 经经 R1 使使 V1 集电结和集电结和 V2、V5 发发射结导通，使射结导通，使uB1=1.8 V。深深注意注意2.TTL与非门的工作原理与非门的工作原理 本讲稿第十八页，共七十三页电
13、压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线(三三)TTL 与非门的外特性及主要参数与非门的外特性及主要参数 1.电压传输特性电压传输特性和噪声容限和噪声容限 输出电压随输入电压变化的特性 uI 较小时工作于AB 段，这时 V2、V5 截止，V3、V4 导通，输出恒为高电平，UOH 3.6V，称与非门工作在截止区或处于关门状态。uI 较大时工作于 BC 段，这时 V2、V5 工作于放大区，uI 的微小增大引起 uO 急剧下降，称与非门工作在转折区。uI 很大时工作于 C
14、D 段，这时 V2、V5 饱和，输出恒为低电平，UOL 0.3V，称与非门工作在饱和区或处于开门状态。电压传输特性测试电路电压传输特性测试电路0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOLSTTL与非门与非门电压传输特性曲线电压传输特性曲线饱和区：与非门处于开门状态。截止区：与非门处于关门状态。转折区 本讲稿第十九页，共七十三页下面介绍与电压传输特性有关的主要参数：有关参数有关参数 0uO/VuI/V0.31.02.03.03.61.02.0ACDBUOHUOL电压传输特性曲线电压传输特性曲线标准高电平标准高电平 USH 当当 uO USH 时，则认为输出高电
15、平，时，则认为输出高电平，通常取通常取 USH=3 V。标准低电平标准低电平 USL当当 uO USL 时，则认为输出低电时，则认为输出低电平，通常取平，通常取 USL=0.3 V。关门电平关门电平 UOFF保保证证输输出出不不小小于于标标准准高高电电平平USH 时时,允许的输入低电平的最大值。允许的输入低电平的最大值。开门电平开门电平 UON保保证证输输出出不不高高于于标标准准低低电电平平USL 时时,允许的输入高电平的最小值。允许的输入高电平的最小值。阈值电压阈值电压 UTH转转折折区区中中点点对对应应的的输输入入电电压压，又又称称门槛电平。门槛电平。USH=3VUSL=0.3VUOFFU
16、ONUTH近似分析时认为：uI UTH，则与非门开通，输出低电平UOL；uI UTH，则与非门关闭，输出高电平UOH。本讲稿第二十页，共七十三页噪声容限越大，抗干扰能力越强。噪声容限越大，抗干扰能力越强。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。指输入低电平时，允许的最大正向噪声电压。UNL=UOFF UIL 指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。指输入高电平时，允许的最大负向噪声电压。UNH=UIH UON 输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，输入信号上叠加的噪声电压只要不超过允许值，就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为就不会影响电路的正常逻辑功能，这个允许值称为噪声容限噪声容
17、限。输入高电平噪声容限输入高电平噪声容限 UNH输入低电平噪声容限输入低电平噪声容限 UNL本讲稿第二十一页，共七十三页输入负载特性测试电路输入负载特性测试电路 输入负载特性输入负载特性曲线曲线0uI/VR1/k UOFF1.1FNROFFRON2.输入负载特性输入负载特性 ROFF 称关门电阻。称关门电阻。RI RON 时时，相相应应输输入入端端相相当当于于输输入高电平。对入高电平。对 STTL 系列，系列，RON 2.1 k。RONROFFUOFF本讲稿第二十二页，共七十三页 例例 下图中，已知下图中，已知 ROFF 800 ，RON 3 k，试对应，试对应 输入波形定性画出输入波形定性画
18、出TTL与非门的输出波形。与非门的输出波形。(a)(b)tA0.3 V3.6 VO不同 TTL 系列，RON、ROFF 不同。相应输入端相当于输入低电平，也相应输入端相当于输入低电平，也即相当于输入逻辑即相当于输入逻辑 0。逻辑逻辑0因此因此 Ya 输出恒为高电平输出恒为高电平 UOH。相应输入端相当于输入高电平，相应输入端相当于输入高电平，也即相当于输入逻辑也即相当于输入逻辑 1。逻辑逻辑1因此，可画出波形如图所示。因此，可画出波形如图所示。YbtOYatUOHO解：图解：图(a)中，中，RI=300 RON 3 k 本讲稿第二十三页，共七十三页3.负载能力负载能力 负载电流流入与非负载电流
19、流入与非门的输出端。门的输出端。负载电流从与非门的负载电流从与非门的输出端流向外负载。输出端流向外负载。负载电流流入驱动门负载电流流入驱动门IOL负载电流流出驱动门负载电流流出驱动门IOH输入均为输入均为高电平高电平 输入有输入有低电平低电平 输出为低电平输出为低电平 输出为高电平输出为高电平 灌电流负载拉电流负载 不不管管是是灌灌电电流流负负载载还还是是拉拉电电流流负负载载，负负载载电电流流都都不不能能超超过过其其最最大大允允许许电电流流，否否则则将将导导致致电电路路不不能能正常工作，甚至烧坏门电路。正常工作，甚至烧坏门电路。实用中常用实用中常用扇出系数扇出系数 NOL 表示电路负载能力。表
20、示电路负载能力。门电路输出低电平时允许带同类门电路的个数。通常按照负通常按照负载电流的流向将载电流的流向将与非门负载分为与非门负载分为 灌电流负载灌电流负载 拉电流负载拉电流负载 本讲稿第二十四页，共七十三页 由于三极管存在开关时间，元、器件及连线存在一定的寄生电容，因此输入矩形脉冲时，输出脉冲将延迟一定时间。输入信号输入信号UOm0.5 UOm0.5 UImUIm输出信号输出信号4.传输延迟时间传输延迟时间 输入电压波形下降沿输入电压波形下降沿 0.5 UIm 处到输出电压上升沿处到输出电压上升沿 0.5 Uom处间隔处间隔的时间称的时间称截止延迟时间截止延迟时间 tPLH。输入电压波形上升
21、沿输入电压波形上升沿 0.5 UIm 处到输出电压下降沿处到输出电压下降沿 0.5 Uom处间隔处间隔的时间称的时间称导通延迟时间导通延迟时间 tPHL L。平均传输延迟时间平均传输延迟时间 tpd tPHLtPLHtpd 越小，则门电路越小，则门电路开关速度越高，工作频开关速度越高，工作频率越高。率越高。0.5 UIm0.5 UOm本讲稿第二十五页，共七十三页5.功耗功耗-延迟积延迟积 常用功耗常用功耗 P 和平均传输延迟时间和平均传输延迟时间 tpd 的乘积的乘积(简称简称功耗功耗 延迟积延迟积)来来综合评价门电路的性能，即综合评价门电路的性能，即M=P tpd 性能优越的门电路应具有功耗
22、低、工作速度高的性能优越的门电路应具有功耗低、工作速度高的特点，然而这两者矛盾。特点，然而这两者矛盾。M 又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。又称品质因素，值越小，说明综合性能越好。本讲稿第二十六页，共七十三页 使用时需外接上拉电阻 RL 即 Open collector gate，简称 OC 门。常用的有集电极开路与非门、三态门、或非门、与或非门和异或门等。它们都是在与非门基础上发展出来的，TTL 与非门的上述特性对这些门电路大多适用。VC 可以等于 VCC也可不等于 VCC 二、其他功能的二、其他功能的 TTL 门电路门电路(一一)集电极开路与非门集电极开路与非门 1.电路、逻辑符号和
23、工作原理电路、逻辑符号和工作原理 输入都为高电平时，输入都为高电平时，V2 和和 V5 饱和导通，输出为饱和导通，输出为低电平低电平 UOL 0.3 V。输入有低电平时，输入有低电平时，V2和和 V5 截止，输出为高电平截止，输出为高电平 UOH VC。因此具有与非功能。因此具有与非功能。工作原理工作原理 OC门门本讲稿第二十七页，共七十三页 相当于与门作用。因为 Y1、Y2 中有低电平时，Y 为低电平；只有 Y1、Y2 均为高电平时，Y才为高电平，故 Y=Y1 Y2。2.应用应用 (1)实现线与实现线与两个或多个两个或多个 OC 门的输出端直接相连，相门的输出端直接相连，相当于将这些输出信号
24、相与，称为线与。当于将这些输出信号相与，称为线与。Y只有只有 OC 门才能实现线与。普通门才能实现线与。普通 TTL 门输出端门输出端不能并联，否则可能损坏器件。不能并联，否则可能损坏器件。本讲稿第二十八页，共七十三页(2)驱动显示器和继电器等驱动显示器和继电器等 例例 下图为用下图为用 OC 门驱动发光二极管门驱动发光二极管 LED 的显示电路。的显示电路。已知已知 LED 的正向导通压降的正向导通压降 UF=2V，正向工作电流，正向工作电流 IF=10 mA，为保证电路正常工作，试确定，为保证电路正常工作，试确定 RC 的值。的值。解解：为保证电路正常工作，应满足为保证电路正常工作，应满足
25、因此因此RC=270 分析：该电路只有在 A、B 均为高电平，使输出 uO 为低电平时，LED 才导通发光；否则 LED 中无电流流通，不发光。要使 LED 发光，应满足IRc IF=10 mA。本讲稿第二十九页，共七十三页TTLCMOSRLVDD+5 V(3)实现电平转换实现电平转换 TTL 与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同与非门有时需要驱动其他种类门电路，而不同种类门电路的高低电平标准不一样。应用种类门电路的高低电平标准不一样。应用 OC 门就可以适门就可以适应负载门对电平的要求。应负载门对电平的要求。OC 门的 UOL 0.3V，UOH VDD，正好符合 CMOS 电路 UIH
26、VDD，UIL 0的要求。VDDRL本讲稿第三十页，共七十三页 即 Tri-State Logic 门，简称 TSL 门。其输出有高电平态、低电平态和高阻态三种状态。三态输出与非门电路三态输出与非门电路 EN=1 时，时，P=0，uP=0.3V01100.3V1V导通截止截止 另一方面，另一方面，V1 导通，导通，uB1=0.3V+0.7V=1V,V2、V5 截止。截止。这时，从输出端这时，从输出端 Y 看进去，对地看进去，对地和对电源和对电源 VCC 都相当于开路，都相当于开路，输出输出端呈现高阻态端呈现高阻态，相当于输出端开路。，相当于输出端开路。Y=AB1V导通截止截止Z这时这时 VD
27、导通，使导通，使 uC2=0.3 V+0.7 V=1 V，使，使 V4 截止。截止。(二二)三态输出门三态输出门 1.电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理工作原理工作原理 EN=0 时，时，P=1，VD 截止截止电路等效为一个输入为电路等效为一个输入为 A、B 和和1 的的 TTL 与非门。与非门。Y=AB 本讲稿第三十一页，共七十三页综上所述，可综上所述，可见：见：(二二)三态输出门三态输出门 1.电路、逻辑符号和工作原理电路、逻辑符号和工作原理只有当使能信号只有当使能信号 EN=0 时才允许三态时才允许三态门工作，故称门工作，故称 EN 低电平有效低电平有效。EN 称使能信号或
28、控制信号，称使能信号或控制信号，A、B 称数据信号。称数据信号。当当 EN=0 时，时，Y=AB，三态门处于工作态；三态门处于工作态；当当 EN=1 时，三态门输出呈时，三态门输出呈现高阻态，又现高阻态，又称称禁止态。禁止态。本讲稿第三十二页，共七十三页EN 即 Enable功能表功能表Z0AB1YEN使能端低电平有效使能端低电平有效使能端高电平有效使能端高电平有效功能表功能表Z1AB0YENEN本讲稿第三十三页，共七十三页2.应用应用 任何时刻任何时刻 EN1、EN2、EN3 中只能有一个为有效电平，中只能有一个为有效电平，使相应三态门工作，而其他三使相应三态门工作，而其他三态输出门处于高阻
29、状态，从而态输出门处于高阻状态，从而实现了总线的复用。实现了总线的复用。总线总线 (1)构成单向总线构成单向总线 本讲稿第三十四页，共七十三页DIDO/DIDO00高阻态高阻态工作工作DI EN=0 时，总线上的数据 DI经反相后在 G2 输出端输出。(2)构成双向总线构成双向总线 DIDO/DIDO11工作工作DO高阻态高阻态 EN=1 时，数据 DO 经 G1 反相后传送到总线上。DIDO/DIDO11工作工作DO高阻态高阻态 EN=1 时，数据 DO 经 G1 反相后传送到总线上。DIDO/DIDO本讲稿第三十五页，共七十三页 TTL 集成门的类型很多,那么如何识别它们?各类型之间有何异
30、同?如何选用合适的门?三、三、TTL 集成门应用要点集成门应用要点 1.各系列各系列 TTL 集成门的比较与选用集成门的比较与选用 用于民品用于民品 用于军品用于军品 具有完全相同的电路结构和电气性能参数，具有完全相同的电路结构和电气性能参数，但但 CT54 系列更适合在温度条件恶劣、供电电源系列更适合在温度条件恶劣、供电电源变化大的环境中工作。变化大的环境中工作。按工作温度和电源允许变化范围不同分为按工作温度和电源允许变化范围不同分为 CT74 系列 CT54 系列本讲稿第三十六页，共七十三页向高速向高速发展发展 向低功向低功耗发展耗发展 按平均传输延迟时间和平均功耗不同分按平均传输延迟时间
31、和平均功耗不同分 向减小向减小功耗功耗-延迟积延迟积发展发展 措施：增大电阻值 措施：(1)采用 SBD 和抗饱和三极管；(2)采用有源泄放电路；(3)减小电路中的电阻值。其中，其中，LSTTL 系列综合性能优越、品种多、价格便宜；系列综合性能优越、品种多、价格便宜；ALSTTL 系列性能优于系列性能优于 LSTTL，但品种少、价格较高，因，但品种少、价格较高，因此此实用中多选用实用中多选用 LSTTL。CT74 系列(即标准 TTL)CT74L 系列(即低功耗 TTL简称 LTTL)CT74H 系列(即高速 TTL简称 HTTL)CT74S 系列(即肖特基TTL简称 STTL)CT74AS
32、系列(即先进肖特基TTL简称 ASTTL)CT74LS 系列(即低功耗肖特基TTL 简称 LSTTL)CT74ALS 系列(即先进低功耗肖特基TTL 简称 LSTTL)本讲稿第三十七页，共七十三页集成门的选用要点集成门的选用要点(1)实际使用中的最高工作频率实际使用中的最高工作频率 fm 应不大于逻辑门最高工作应不大于逻辑门最高工作 频率频率 fmax 的一半。的一半。实实物物图图片片 (2)不同系列不同系列 TTL 中，器件型号后面几位数字相同时，通中，器件型号后面几位数字相同时，通常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速常逻辑功能、外型尺寸、外引线排列都相同。但工作速度度(平均传输
33、延迟时间平均传输延迟时间 tpd)和平均功耗不同。实际使用时和平均功耗不同。实际使用时，高速门电路可以替换低速的；反之则不行。高速门电路可以替换低速的；反之则不行。例如例如 CT7400CT74L00CT74H00CT74S00CT74LS00CT74AS00CT74ALS00 xx74xx00 引脚图引脚图 双列直插 14 引脚四 2 输入与非门 本讲稿第三十八页，共七十三页2.TTL 集成逻辑门的使用要点集成逻辑门的使用要点 (1)电源电压用电源电压用+5 V，74 系列应满足系列应满足 5 V 5%。(2)输出端的连接输出端的连接 普通普通 TTL 门输出端不允许直接并联使用。门输出端不
34、允许直接并联使用。三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有三态输出门的输出端可并联使用，但同一时刻只能有一个门工作，其他门输出处于高阻状态。一个门工作，其他门输出处于高阻状态。集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和集电极开路门输出端可并联使用，但公共输出端和电源电源 VCC 之间应接负载电阻之间应接负载电阻 RL。输出端不允许直接接电源输出端不允许直接接电源 VCC 或直接接地。或直接接地。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。输出电流应小于产品手册上规定的最大值。本讲稿第三十九页，共七十三页3.多余输入端的处理多余输入端的处理 与门和与非门的多余输入端接逻辑与门和与非门的多余输入
35、端接逻辑 1 或者与有用输入端并接。或者与有用输入端并接。接 VCC通过 1 10 k 电阻接 VCC与有用输入端并接TTL 电路输入端悬空时相当于输入高电平，做实验时与门和与非门等的多余输入端可悬空，但使用中多余输入端一般不悬空，以防止干扰。本讲稿第四十页，共七十三页或门和或非门的多余输入端接逻辑或门和或非门的多余输入端接逻辑 0或者与有用输入端并接或者与有用输入端并接本讲稿第四十一页，共七十三页 例例 欲用下列电路实现非运算，试改错。欲用下列电路实现非运算，试改错。(ROFF 700 ，RON 2.1 k)本讲稿第四十二页，共七十三页解：解：OC 门输出端需外接上拉电阻RC5.1kY=1Y
36、=0 RI RON，相应输入端为高电平。510 RI UGS(th)N+UGS(th)P且且 UGS(th)N=UGS(th)P UGS(th)N增强型 NMOS 管开启电压AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB NMOS 管的衬底接电路最低电位，PMOS管的衬底接最高电位，从而保证衬底与漏源间的 PN 结始终反偏。.uGSN+-增强型 PMOS 管开启电压uGSP+-UGS(th)PuGSN UGS(th)N 时，增强型时，增强型 NMOS 管导通管导通uGSN UGS(th)N 时，增强型时，增强型 NMOS 管截止管截止OiDuGSUGS(th)N增强型增强型 NMOS 管管转移特性
37、转移特性 时时,增强型增强型 PMOS 管导管导通通 时时,增强型增强型 PMOS 管截管截止止OiDuGSUGS(th)P增强型增强型 PMOS 管管转移特性转移特性AuIYuOVDDSGDDGSBVPVNB(一一)电路基本结构电路基本结构 UIL=0 V，UIH=VDD本讲稿第四十五页，共七十三页AuIYuOVDDSGDDGSVP衬底衬底 BVN衬底衬底 B(二二)工作原理工作原理 ROFFNRONPuO+VDDSDDS导通电阻 RON 截止电阻 ROFFRONNROFFPuO+VDDSDDS可见该电路构成可见该电路构成 CMOS 非门，又称非门，又称 CMOS 反相器。反相器。无论输入高
38、低，无论输入高低，VN、VP 中总有一管截止，使静态漏极电流中总有一管截止，使静态漏极电流 iD 0。因此。因此 CMOS 反相器静态功耗极微小。反相器静态功耗极微小。输入为低电平，输入为低电平，UIL=0V 时，时，uGSN=0V UGS(th)N,VN 导通，导通，VP 截止，截止，输入为低电平输入为低电平 UIL=0 V 时，时，uGSN=0V UGS(th)N，VN 截止，截止，VP 导通，导通，uO VDD ,为高电平。为高电平。UIH=VDDuO 0 V，为低电平。，为低电平。本讲稿第四十六页，共七十三页二、其他功能的二、其他功能的 CMOS 门电路门电路(一一)CMOS 与非门和
39、或非门与非门和或非门 1.CMOS 与非门与非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY 每个输入端对应一对 NMOS 管和PMOS 管。NMOS 管为驱动管，PMOS 管为负载管。输入端与它们的栅极相连。与非门结构特点：驱动管相串联，负载管相并联。本讲稿第四十七页，共七十三页ABVDDVPBVPAVNAVNBY CMOS 与非门工作原理与非门工作原理11导通导通截止截止0 驱动管均导通，驱动管均导通，负载管均截止，负载管均截止，输出为低电平。输出为低电平。当输入均为当输入均为 高电平时：高电平时：低电平输入端低电平输入端相对应的驱动管截相对应的驱动管截止，负载管导通，止，负载管导通，输出为高电
40、平。输出为高电平。当输入中有当输入中有 低电平时：低电平时：ABVDDVPBVPAVNAVNBY0截止导通1因此因此 Y=AB本讲稿第四十八页，共七十三页2.CMOS 或非门或非门 ABVDDVPBVPAVNAVNBY或非门结构特点：驱动管相并联，负载管相串联。本讲稿第四十九页，共七十三页YABuOuIVDD1漏极开路的漏极开路的CMOS与非与非门电路门电路(二二)漏极开路的漏极开路的 CMOS 门门简称 OD 门 与与 OC 门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。门相似，常用作驱动器、电平转换器和实现线与等。Y=AB构成与门 构成输出端开路的非门需外接上拉电阻 RD本讲稿第五十页，共
41、七十三页C、C 为互补控制信号 由一对参数对称一致的增强型 NMOS 管和 PMOS 管并联构成。PMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN(三三)CMOS 传输门传输门 工作原理工作原理 MOS 管的漏极和源极结构对称，可互换使用，因此 CMOS 传输门的输出端和输入端也可互换。uOuIuIuO 当当 C=0V，uI=0 VDD 时，时，VN、VP 均截止，输出与输入之间呈现高均截止，输出与输入之间呈现高电阻，相当于开关断开。电阻，相当于开关断开。uI 不能传输到输出端，称传输门关闭。不能传输到输出端，称传输门关闭。CC 当当 C=VDD，uI
42、=0 VDD 时，时，VN、VP 中至少有一管导通，输出与输入中至少有一管导通，输出与输入之间呈现低电阻，相当于开关闭合。之间呈现低电阻，相当于开关闭合。uO=uI，称传输门开通。，称传输门开通。C=1，C=0 时，传输门开通，uO=uI；C=0，C=1 时，传输门关闭，信号不能传输。本讲稿第五十一页，共七十三页PMOSCuI/uOVDDCMOS传输传输门电路结构门电路结构uO/uIVPCNMOSVN 传输门是一个理想的传输门是一个理想的双向开关，双向开关，可传输模拟信号可传输模拟信号，也可传输，也可传输数字信号数字信号。TGuI/uOuO/uICC传输门逻辑符号传输门逻辑符号 TG 即 Tr
43、ansmission Gate 的缩写 本讲稿第五十二页，共七十三页 在反相器基础上串接了 PMOS 管 VP2 和 NMOS 管 VN2，它们的栅极分别受 EN 和 EN 控制。(四四)CMOS 三态输出门三态输出门 AENVDDYVP2VP1VN1VN2低电平使能的低电平使能的 CMOS 三态输出门三态输出门工作原理工作原理001导通导通导通导通Y=A110截止截止截止截止Z EN=1 时，时，VP2、VN2 均截止，输出端均截止，输出端 Y 呈现高呈现高阻态。阻态。因此构成使能端低电平有效的三态门。EN=0 时，时，VP2 和和 VN2 导通，呈现低电阻，不影导通，呈现低电阻，不影响响
44、CMOS 反相器工作。反相器工作。Y=AEN本讲稿第五十三页，共七十三页三、三、CMOS 数字集成电路应用要点数字集成电路应用要点(一一)CMOS 数字集成电路系列数字集成电路系列 CMOS4000 系列系列 功耗极低、抗干扰能力强；功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围宽电源电压范围宽 VDD=3 15 V；工作频率低，工作频率低，fmax=5 MHz；驱动能力差驱动能力差。高速高速CMOS 系列系列(又称又称 HCMOS 系列系列)功耗极低、抗干扰能力强；电功耗极低、抗干扰能力强；电源电压范围源电压范围 VDD=2 6 V；工作频率高，工作频率高，fmax=50 MHz；驱动能力强。驱动能力
45、强。提高速度措施：减小MOS 管的极间电容。由于由于CMOS电路电路 UTH VDD/2，噪声容限，噪声容限UNL UNH VDD/2，因此抗，因此抗干扰干扰能力很强。电源电压越高，能力很强。电源电压越高，抗干扰能力越强。抗干扰能力越强。本讲稿第五十四页，共七十三页民品民品 军品军品 VDD=2 6 V T 表示与 TTL 兼容VDD=4.5 5.5 V CC54HC/74HC 系列系列CC54HC /74HC 系系列列 TT按按电源电压电源电压不同分为不同分为 按工作温度不同分为按工作温度不同分为 CC74 系列 CC54 系列 高速 CMOS 系列本讲稿第五十五页，共七十三页1.注意不同系
46、列注意不同系列 CMOS 电路允许的电源电压范围不同，电路允许的电源电压范围不同，一般多用一般多用+5 V。电源电压越高，抗干扰能力也越强。电源电压越高，抗干扰能力也越强。(二二)CMOS 集成逻辑门使用要点集成逻辑门使用要点 2.闲置输入端的处理闲置输入端的处理 不允许悬空。不允许悬空。可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，可与使用输入端并联使用。但这样会增大输入电容，使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。使速度下降，因此工作频率高时不宜这样用。与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；与门和与非门的闲置输入端可接正电源或高电平；或门和或非门的闲置输入端可接地或低电平。或门和或非
47、门的闲置输入端可接地或低电平。本讲稿第五十六页，共七十三页主要要求：主要要求：了解了解 TTL 和和 CMOS 电路的主要差异。电路的主要差异。了解集成门电路的选用和应用。了解集成门电路的选用和应用。3.5 集成逻辑门电路的应用集成逻辑门电路的应用 本讲稿第五十七页，共七十三页一、一、CMOS 门门电路比之电路比之 TTL 的主要特点的主要特点 注意：CMOS 电路的扇出系数大是由于其负载门的输入阻抗很高，所需驱动功率极小，并非 CMOS 电路的驱动能力比 TTL 强。实际上 CMOS4000 系列驱动能力远小于 TTL，HCMOS 驱动能力与 TTL 相近。功耗极低功耗极低 抗干扰能力强抗干
48、扰能力强 电源电压范围宽电源电压范围宽 输出信号摆幅大输出信号摆幅大(UOH VDD，UOL 0 V)输入阻抗高输入阻抗高 扇出系数大扇出系数大 本讲稿第五十八页，共七十三页二、集成逻辑门电路的选用二、集成逻辑门电路的选用 根据电路工作要求和市场因素等综合决定 若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用若对功耗和抗干扰能力要求一般，可选用 TTL 电路。电路。目前多用目前多用 74LS 系列，它的功耗较系列，它的功耗较小，工作频率一般可用至小，工作频率一般可用至 20 MHz；如工作频率；如工作频率较高，可选用较高，可选用 CT74ALS 系列，其工作频率一系列，其工作频率一般可至般可至 50 MH
49、z。若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用若要求功耗低、抗干扰能力强，则应选用 CMOS 电路。电路。其中其中 CMOS4000 系列一般用于工系列一般用于工作频率作频率 1 MHz 以下、驱动能力要求不高的场合；以下、驱动能力要求不高的场合；HCMOS 常用于工作频率常用于工作频率 20 MHz 以下、要求较以下、要求较强驱动能力的场合。强驱动能力的场合。本讲稿第五十九页，共七十三页解：解：三、集成逻辑门电路应用举例三、集成逻辑门电路应用举例 例例 试改正下图电路的错误，使其正常工作。试改正下图电路的错误，使其正常工作。CMOS 门门TTL 门门OD 门门(a)(b)(c)(d)VDDCMOS
50、 门门Ya=ABVDDYb=A+BTTL 门门OD 门门Yc=AVDDENYd=ABEN=1 时时EN=0 时时OD 门门&TTL 门门悬空悬空CMOS 门门悬空悬空本讲稿第六十页，共七十三页可用两级电路 2 个与非门实现之 例例 试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。试分别采用与非门和或非门实现与门和或门。解：解：(1)用与非门实现与门用与非门实现与门设法将 Y=AB 用与非式表示因为因为 Y=AB=AB因此，用与非门实现的与门电路为因此，用与非门实现的与门电路为Y=AB将与非门多余输入端与有用端并联使用构成非门本讲稿第六十一页，共七十三页可用两级电路 3 个与非门实现(2)用与非门实现或