3 逻辑门电路.ppt

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1、2022/12/291第第3 3章章 逻辑门电路逻辑门电路2/392/393.1 数字电路基础内容提要o半导体和半导体和PN结结oMOS晶体管oCMOS门电路o双极型逻辑和TTL电路3/393/39简单的回顾o按照使用器件技术的不同，数字逻辑电路可以分为：n继电器逻辑电路：RL逻辑电路n双极型晶体管电路：TTL逻辑电路，ECL电路n单极型MOS电路：NMOS，PMOS和CMOS等n常用的是TTL和CMOS电路o本世纪80年代开始，CMOS逐渐取代TTL，成为集成电路的主导技术4/394/32继电器逻辑电路o20世纪30年代，贝尔实验室第一部二进制加法器(1937)和后来的复数运算器(1940)

2、，采用继电器逻辑（Relay Logic）输入A输入B输出高高高高低低低低低低高低5/395/39半导体材料硅(Si)硅的晶格结构硅的晶格结构（平面图）6/396/39半导体材料硅(Si)VCC电子移动方向电流方向硅的晶格结构硅的晶格结构（平面图）7/397/39半导体的掺杂o半导体中参与导电的实体载流子(Carrier)n电子n空穴n通过改变载流子的数量，可以改变半导体的导电特性oP型掺杂nP：Positiven加入三价元素杂质，例如硼或者铟n增加空穴的数量oN型掺杂nN：Negativen加入五价元素杂质，例如磷、砷或锑n增加自由电子的数量8/398/39P型半导体B多余的空穴掺杂以后的半

3、导体依旧是电中性（不带电）的9/399/39N型半导体P多余的电子掺杂以后的半导体依旧是电中性（不带电）的10/3910/39P-N结(P-N Junction)耗尽层11/3911/39P-N结的导电特性VCC当PN结两端加上正向偏置电压时，PN结表现出很小的电阻，处于导通状态12/3912/39P-N结的导电特性VCC当PN结两端加上反向偏置电压时，PN结表现出很大的电阻，处于截至状态PN结具有单向导电特性。13/3913/39二极管和三极管N类型半导体P类型半导体二极管三极管双极型晶体管命名的由来两种载流子参与导电。ecbNPNPNP14/39NPN BJT导通示意图14/39http:

4、/en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor2022/12/2915下页下页返回返回上页上页v vBEBE V VONON 时三极管导通时三极管导通时三极管导通时三极管导通v vBEBE 0源极(S)栅极(G)漏极(D)VgsVdsp类型基底22/3922/39MOS晶体管符号栅极源极漏极栅极(gate)源极(source)漏极(drain)VgsVgsN沟道MOS管P沟道MOS管+-+-Tips：栅极和另外两个极之间没有什么联系。但是栅极和源、漏极之间有电容耦合，在高速电路中会产生功耗。23/39由其他材料构成的场效应管(FET)oAm

5、orphous silicon(无定形硅)oPolycrystalline silicon(多晶硅)oOrganic semiconductors(有机半导体)nH.Sirringhaus,Materials and Applications for Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors,Proc.IEEE,pp.1570-1579,2009nH.Sirringhaus,Device Physics of Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors,Adv.Mater.

6、2005,17,2411242523/392022/12/29243.1.5 3.1.5 分立元件逻辑门电路分立元件逻辑门电路 二极管二极管“与门与门”电路电路 二极管二极管“或门或门”电路电路 “非门非门”电路（反相器）电路（反相器）2022/12/2925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

7、成门电路。现在使用最多的是CMOS和TTL集成门电路。2022/12/29263.1.1 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ABF0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V2022/12/2927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

8、 B全1，F F才为1。可见实现了与逻辑2022/12/29285.5.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2022/12/2929 3.1.2 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2022/12/29304.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

9、（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2022/12/2931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+B2022/12/2932 3.1.3 非门电路（反相器）非门电路（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+VCC3.6V0.3V2022/12/29333.逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1 1表示高电

10、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=A2022/12/29343.2.1TTL与非门与非门 3.2.2 集电极开路门（集电极开路门（OC门）门）3.2 TTL3.2 TTL集成门电路集成门电路3.2.4 TTL集成电路系列简介集成电路系列简介3.2.3三态门（三态门（TS门）门）2022/12/29353.2.1 TTL3.2.1 TTL与非门与非门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

11、称TTL电路。2022/12/29361）电路结构）电路结构TTL与非门的内部结构与非门的内部结构+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 2022/12/2937输入级输入级输出级输出级中间级中间级+5VABCR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5T1 多发射极晶多发射极晶体管：体管：实现实现“与与”运算。运算。2022/12/2938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。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2022/12/2939+5VAB

12、CR1T1R2T2R3FR4R5T3T4T5“非非”复合管形式复合管形式与非门与非门输出级输出级“与与”2022/12/2940(1)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。NNP2022/12/2941(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2022/12/2942(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2022/12/29431.任一输入为低电平（任一输入为

13、低电平（0.3V）时）时“0”1.0V不足以让不足以让T2、T5导通导通+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC360 3k750 100 2）逻辑功能）逻辑功能三个三个PN结结导通需导通需2.1V2022/12/2944+5VFR4R2R13kR5R3T3T4T1T5b1c1ABC1.0V“0”uouo=5-ube3-ube4-uR2 3.6V 高电平！高电平！逻辑关系：逻辑关系：任任0则则1。2022/12/2945+5VFR4R2R13kT2R5R3T3T4T1T5b1c1ABC“1”全导通全导通电位被嵌电位被嵌在在2.1V全反偏全反偏 1V截止截止2.2.输入

14、全为高电平（输入全为高电平（3.6V3.6V）时）时2022/12/2946+5VFR2R13kT2R3T1T5b1c1ABC全反偏全反偏“1”饱和饱和uF=0.3V输入、输出的逻辑关系式：输入、输出的逻辑关系式：逻辑关系：逻辑关系：全全1则则0。2022/12/29473.2 集成门电路电气特性及主要参数集成门电路电气特性及主要参数 电压传输特性：输出电压uO与输入电压uI的关系曲线。1.1.曲线分析曲线分析2022/12/29482.输入输出电平(1)输出高电平UOH下限典型值为2.4V。(2)输出低电平UOL上限典型值为0.4V。2022/12/2949(3)开门电平UON一般要求UON

15、1.8V(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。2022/12/2950(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。2022/12/29512022/12/2952低电平噪声容限（低电平正向干扰范围）UNL=UOFF-

16、UILUIL为电路输入低电平的典型值（0.3V）若UOFF=0.8V，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)2022/12/29533.输入负载特性 输入电压VI随输入端对地外接电阻RI变化的曲线，称为输入负载特性曲线。如图2.4.6所示。2022/12/2954在一定范围内，uI随RI的增大而升高。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

17、。虚框内为TTL与非门的部分内部电路 2022/12/2955RI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？2022/12/2956(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

18、区。2022/12/2957 综上所述，改变电阻综上所述，改变电阻RI时，可改变门电路的时，可改变门电路的输出状态。维持输出高电平的输出状态。维持输出高电平的RI最大值称为关门最大值称为关门电阻，用电阻，用ROFF表示，其值约为表示，其值约为700。只要。只要RIROFF，与非与非门便处于关闭状态。同样，维持输出门便处于关闭状态。同样，维持输出低电平的低电平的RI的最小值称为开门电阻，用的最小值称为开门电阻，用RON表示，表示，其值约为其值约为2.1K。只要。只要RIRON，与非与非门便处于开门便处于开通状态。通状态。2022/12/29584.输出负载特性 指输出电压与输出电流之间的关系曲线

19、。(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。输出高电平时的输出特性（a）电路 （b）特性曲线拉电流负载2022/12/2959输出低电平时的输出特性（a）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2022/12/29605.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）/2TTL与非门的传输延迟时间 2022/12/29616.功耗7.延时功耗积 功耗是门电路重

20、要参数之一。功耗有静态功耗和动态功耗之分。理想的数字电路或或系统，希望它既有高速度，同时功耗又低。在实际中，要实现这种理想情况是较难的。一种综合性的指标叫做延时功耗积，它等于传输延迟时间和门电路功耗的乘积。一个逻辑器件的延时功耗积越小，表明它的特性愈接近于理想情况。2022/12/29623.2.2 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，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

21、电平，不能实现应有的逻辑功能。2022/12/2963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?2022/12/2964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。2022/12/2965 (1)电路结构：输出级是集电极开路的。1)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2022/12/2966(3)工作原理

22、：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。2022/12/2967下页下页上页上页线线线线与与与与OCOC门输出并联的接法及逻辑图门输出并联的接法及逻辑图门输出并联的接法及逻辑图门输出并联的接法及逻辑图返回返回2022/12/2968所有所有所有所有OCOC门同时截止时，门同时截止时，门同时截止时，门同时截止时，输出为高电平。输出为高电平。输出为高电平。输出为高电平。为保证高电平不低于为保证高电平不低于为保证高电平不低于为保证高电平不低于规定的规定的规定的规定的V VO

23、HminOHmin值，值，值，值，R RL L取值应满足：取值应满足：取值应满足：取值应满足：外接负载电阻外接负载电阻RL的计算的计算下页下页上页上页返回返回nm计算计算OCOC门负载电阻最大值的工作状态门负载电阻最大值的工作状态2022/12/2969当当当当OCOC门中只有一个导通时，负载电流全部都流入那个导通门中只有一个导通时，负载电流全部都流入那个导通门中只有一个导通时，负载电流全部都流入那个导通门中只有一个导通时，负载电流全部都流入那个导通的的的的OCOC门，门，门，门，R RL L值不可能太小，以确保流入导通值不可能太小，以确保流入导通值不可能太小，以确保流入导通值不可能太小，以确

24、保流入导通OCOC门的电流门的电流门的电流门的电流不至超过最大的负载电流不至超过最大的负载电流不至超过最大的负载电流不至超过最大的负载电流I ILMLM 。下页下页上页上页返回返回计算计算OCOC门负载电阻最小值的工作状态门负载电阻最小值的工作状态2022/12/2970下页下页上页上页 例例例例3.3.43.3.4 为电阻为电阻为电阻为电阻R RL L选定合适的阻值。选定合适的阻值。选定合适的阻值。选定合适的阻值。GG1 1、GG2 2为为为为OCOC门，门，门，门，I IOH OH=200=200 A A，I ILM LM=16mA=16mAGG3 3、GG4 4 和和和和GG5 5为为为

25、为7474系列，系列，系列，系列，I IILIL=200mA=200mA，I IIHIH=40=40 A A要求要求要求要求OCOC门输出的门输出的门输出的门输出的V VOH OH 3.0V 3.0V，V VOL OL 0.4V 0.4V。返回返回nYA AB BC CD D例例3.3.4的电路的电路2022/12/2971下页下页上页上页选定的选定的选定的选定的 R RL L值应在值应在值应在值应在2.63k2.63k 与与与与0.35 0.35 k k 之间。之间。之间。之间。解：解：解：解：返回返回2022/12/2972(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-

26、20 OC门的输出端并联实现线与功能 Y1Y2Y000010100111Y Y1 1=AB=AB Y Y2 2=CD=CD2)OC2)OC门的应用门的应用2022/12/2973图2-21用OC门实现电平转换的电路（2）用OC门实现电平转换用用OCOC门实现电平转换的电路门实现电平转换的电路，根据要求选择外接电源的大小，根据要求选择外接电源的大小，就可以得到所需的就可以得到所需的UOH.此外，有些此外，有些OC门的输出管设计得尺寸较门的输出管设计得尺寸较大，足以承受较大电流和较高电压，可以直接驱动小型继电器。大，足以承受较大电流和较高电压，可以直接驱动小型继电器。2022/12/29743.2

27、.3 三态门（三态门（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。2022/12/2975(1)电路结构：增加了控制输入端（Enable）。1)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。2022/12/297610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。2022/12/2977控制端高电平有效的三态门逻辑符号控制端低电平有效的三态门用“”表示

28、输出为三态。高电平有效低电平有效2022/12/29782)三态门的应用(1)总线传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。2022/12/29792022/12/2980 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%3.2.4

29、 TTL集成电路系列简介集成电路系列简介2022/12/2981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。2022/12/2982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

30、，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。2022/12/2983 TTL集成集成逻辑门逻辑门的使用注意事的使用注意事项项：一、一、电电源源电压电压及及电电源干源干扰扰的消除的消除 电电源源电电压压对对54系系列列应应满满足足5V V10%10%、对对7474系系列列应应满满足足5V V5%5%的的要要求求，电电源源的的正正极极和和地地线线不不可可接接错错。为为了了防防止止外外来来干干扰扰通通过过电电源源串串入入电电路路，需需要要对对电电源源进进行行滤滤波波，通通常常在在印印刷刷电电路路板板的的电电源源输输入入端端接接入入1010100100微微法法的的电电容容进进行行滤滤

31、波波，在在印印刷刷电电路路板板上上，每每隔隔6 68 8个个门门加接一个加接一个0.010.010.10.1微法的微法的电电容容对对高高频进频进行行滤滤波。波。二、二、输输出端的出端的连连接接 具具有有推推拉拉输输出出结结构构的的TTLTTL门门电电路路的的输输出出端端不不允允许许直直接接并并联联使使用用。输输出出端端不不允允许许直直接接接接电电源源或或直直接接接接地地。使使用用时时，输输出出电电流流应应小小于于产产品品手手册册上上规规定定的的最最大大值值。三三态态输输出出门门的的输输出出端端可可并并联联使使用用，但但在在同同一一时时刻刻只只能能有有一一个个门门工工作作，其其他他门门输输出出处

32、处于于高高阻阻状状态态。集集电电极极开开路路门门输输出出端端可可并并联联使使用用（线线与与），但但公公共共输输出出端端和和电电源源V VCCCC之之间间应应接接负负载电载电阻。阻。2022/12/2984三、三、闲闲置置输输入端的入端的处处理理TTLTTL集集成成门门电电路路使使用用时时，对对于于闲闲置置输输入入端端（不不用用的的输输入入端端）一一般般不不悬悬空空，主主要要是是防防止止干干扰扰信信号号从从悬悬空空端端上上引引入入电电路路。对对于于闲闲置置输输入入端端的的处处理理以以不不改改变变电电路路逻逻辑辑状状态态及及工工作作稳稳定定性性为为原原则则。常常用用的的方法有：方法有：（1 1）对

33、对于于与与非非门门的的闲闲置置输输入入端端可可直直接接接接电电源源电电压压，或或通通过过1 110K10K欧姆的欧姆的电电阻接阻接电电源；源；（2）如如前前级级驱驱动动能能力力允允许许时时，可可将将闲闲置置输输入入端端与与有有用用输输入入端端并并联联使用；使用；（3）在在外外界界干干扰扰很很小小时时，与与非非门门的的闲闲置置输输入入端端可可以以剪剪断断或或者者悬悬空，但不允空，但不允许许接开路接开路长线长线，以免引入干，以免引入干扰扰而而产产生生逻辑错误逻辑错误；（4）或或非非门门不不使使用用的的闲闲置置输输入入端端应应接接地地，对对与与或或非非门门中中不不使使用用的与的与门门至少有一个至少有

34、一个输输入端接地。入端接地。2022/12/2985四、四、电电路安装接路安装接线线和和焊焊接接应应注意的注意的问题问题（1）连线连线要尽量短，最好用要尽量短，最好用绞绞合合线线；（2）整体接地要好，地）整体接地要好，地线线要粗、短；要粗、短；（3）焊焊接接用用的的烙烙铁铁最最好好不不大大于于25W，使使用用中中性性焊焊剂剂，如如松松香香酒酒精溶液，不可使用精溶液，不可使用焊焊油；油；（4）由由于于集集成成电电路路外外引引线线间间距距离离很很近近，焊焊接接时时焊焊点点要要小小，不不得得将相将相邻邻引引线线短路，短路，焊焊接接时间时间要短；要短；（5）印印制制板板焊焊接接完完毕毕后后，不不得得浸

35、浸泡泡在在有有机机溶溶液液中中清清洗洗，只只能能用用少量酒精擦去外引少量酒精擦去外引线线上的助上的助焊剂焊剂和和污污垢。垢。五、五、调试调试中中应应注意的注意的问题问题当当输输出高出高电电平平时时，输输出端不能碰地，不然会出端不能碰地，不然会烧烧坏器件；坏器件；输输出出低低电电平平时时，输输出端不能碰出端不能碰电电源。源。2022/12/29863.3.1 CMOS反相器反相器 3.3.2 CMOS传输门传输门 3.3 CMOS 3.3 CMOS 门电路门电路3.4.2 CMOS电路的操作保护措施电路的操作保护措施 3.4.1 TTL逻辑电路的使用逻辑电路的使用3.4 3.4 集成门电路使用中

36、应注意的问题集成门电路使用中应注意的问题3.4.3 CMOS与与TTL电路接口电路接口 2022/12/2987MOS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。3.3 CMOS 门电路门电路2022/12/29883.3.1 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。2022/12/2989

37、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 2022/12/2990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2022/12/299191/39CMOS反相器的开关模型2022/12/2992图2-26CMOS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2022/12/2993 （2）工作原理图2-26CMOS反相器UIL=0V截止导通UOHVD

38、D当uI=UIL=0V时，VTN截止，VTP导通，uO=UOHVDD 2022/12/2994 （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。2022/12/2995CMOS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2022/12/29964.CMOS电路的优点

39、（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）2022/12/29971.CMOS与非门与非门 如图如图3.3.21所示，所示，T1、T3为两个为两个binh联的联的PMOS，T2、T4为两为两个个chuan联的联的NMOS*A、B有一个为有一个为“0”时，时，T2、T4至少有一至少有一个截止，个截止，T1、T3至少至少有一个导通，故输出有一

40、个导通，故输出为高电平，为高电平，Y1图图3.3.21 CMOS与非门与非门其他逻辑功能的其他逻辑功能的CMOS门电路门电路2022/12/2998故：故：*A、B同时为同时为“1”时，时，T2、T4同时导通，同时导通，T1、T3同时截止，故输出为同时截止，故输出为di电平，电平，Y0图图3.3.21 CMOS与非门与非门2022/12/2999如图如图2.6.32.6.3所示，所示，T1、T3为为两个并联的两个并联的PMOS，T2、T4为两个串联的为两个串联的NMOS2.2.或非门：或非门：A、B有一个为有一个为“1”时，时，T2、T4至少有一个导通，至少有一个导通，T1、T3至少有一个截止

41、，故输出为至少有一个截止，故输出为低电平，低电平，Y0A、B同时为同时为“0”时，时，T2、T4同时截止，同时截止，T1、T3同时导同时导通故输出为高电平，通故输出为高电平，Y1故：故：图图3.3.22 CMOS或非门或非门2022/12/29100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2022/12/29101 （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。3.3.2 3.3.2 CMOS传输门传输门图2-30CMOS传输门（a）电路

42、（b）逻辑符号2022/12/29102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。2022/12/29103（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=uI1；C=1时，TG1截止、TG2导通，uO=uI2。2022/12/29104图2-32

43、 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2022/12/291053.4.1 TTL逻辑电路的使用逻辑电路的使用3.4 3.4 集成门电路使用中应注意的问题集成门电路使用中应注意的问题多余或暂时不用的输入端不能悬空，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。2022/12/291063.4.2 CMOS电路的操作保护措施电路的操作保护措施 1输入电路的静电保护CMOS电路的输入端设置了保

44、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。为避免静电损坏，应注意以下几点：2022/12/29107 （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。2022/12/29108TTL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

45、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。3.4.3 CMOS与与TTL电路接口电路接口 2022/12/291091）TTL门输出驱动高速CMOS输入输入（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。2022/12/29110（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

46、上拉电阻RP，使TTL门电路的UOH5V。（当电源电压相同时）2022/12/29111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。2022/12/291122）高速CMOS输出驱动TTL输入（1）电平匹配 CMOS门电路作为驱动门，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

47、路的IIS1.4 mA，CMOS4000系列驱动电流不足。2022/12/29113（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。2022/12/29114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74LS30

48、8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74LS368六总线驱动器反相、三态、两组控制2022/12/29115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CC450

49、2六反相器/缓冲器三态、有选通端2022/12/29116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。2022/12/29117作业3 31 31 33 33 35 35 36 63 37 37 38 8