第15講邏輯門電路

1、第第1515講章講章 邏輯門電路邏輯門電路獲得高、低電平的基本方法：利用半導體開關元件的導通、截止（即開、關）兩種工作狀態(tài)。邏輯0和1： 電子電路中用高、低電平來表示。邏輯門電路：用以實現(xiàn)基本和常用邏輯運算的電子電路。簡稱門電路?；竞统Ｓ瞄T電路有與門、或門、非門（反相器）、與非門、或非門、與或非門和異或門等。15.115.1概述概述 15.2 分立元件門電路分立元件門電路一、一、二極管的開關特性二極管的開關特性二極管符號：正極負極+uD IF 0.5 0.7iD(mA) uD(V)伏安特性UBR0Ui0.5V時，二極管導通。 + ui RL +uo D開關電路 + ui=0V RL +uo

2、Dui=0V時的等效電路 + + ui=5V RL +uo D 0.7Vui=5V 時的等效電路uououi0V時，二極管截止，如同開關斷開，uo0V。ui5V時，二極管導通，如同0.7V的電壓源，uo4.3V。二極管的反向恢復時間限制了二極管的開關速度。二、三二、三極管的開關特性極管的開關特性 NPN 型三極管截止、放大、飽和3 種工作狀態(tài)的特點工作狀態(tài)截 止放 大飽 和條 件iB00iBIBSiBIBS偏置情況發(fā)射結(jié)反偏集電結(jié)反偏uBE0，uBC0，uBC0，uBC0集電極電流iC0iCiBiCICSce間電壓uCEVCCuCEVCCiCRcuCEUCES0.3V工作特點ce間等效電阻很大

3、，相當開關斷開可變很小，相當開關閉合Q2ui iB e Rb biC (mA) 直流負載線 VCC Rc 0+VCCiC uo工作原理電路輸出特性曲線80A60A40A20AiB=00 UCES VCC uCE(V) 0 0.5 uBE(V)輸入特性曲線iB(A)Q1Q Rc cRbRc+VCCbce截止狀態(tài)飽和狀態(tài)iBIBSui=UIL0.5Vuo=+VCCui=UIHuo=0.3VRbRc+VCCbce0.7V0.3V飽和區(qū)截止區(qū)放大區(qū) 10k ui iB e Rb b +VCC=+5V iC uo Rc 1k c =50 ui=0.3V時，因為uBE0.5V，iB=0，三極管工作在截止狀

4、態(tài)，ic=0。因為ic=0，所以輸出電壓：ui=1V，三極管導通，基極電流：因為0iBIBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓：uoUCES0.3V三三 * *、場效應、場效應管的開關特性管的開關特性 iD(mA) 0uDS(V)0 UT uGS(V)iD(mA)uGS=10V8V6V4V2V工作原理電路轉(zhuǎn)移特性曲線輸出特性曲線uiuiGDSRD+VDDGDSRD+VDDGDSRD+VDD截止狀態(tài)uiUTuo0四、四、 分立元件門電路分立元件門電路1 1、二極管與門二極管與門+VCC(+5V) R 3k Y D1A D2B5V0VABY &uA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V

5、 0V5V 5V0.7V0.7V0.7V5V導 通 導 通導 通 截 止截 止 導 通截 止 截 止A BY0 00 11 01 10001Y=ABA D1B D2 5V 0V YR3k2 2、二極管或門二極管或門ABY 1uA uBuYD1 D20V 0V0V 5V5V 0V5V 5V0V4.3V4.3V4.3V截 止 截 止截 止 導 通導 通 截 止導 通 導 通A BY0 00 11 01 10111Y=A+BA =40+5V Y電路圖1邏輯符號AY1k4.3k3 3、三極管非門三極管非門uA0V時，三極管截止，iB0，iC0，輸出電壓uYVCC5VuA5V時，三極管導通。基極電流為：

6、iBIBS，三極管工作在飽和狀態(tài)。輸出電壓uYUCES0.3V。mA1mA3 . 47 . 05Bi三極管臨界飽和時的基極電流為：mA1175. 01403 . 05BSIAY0110AY AA1電路圖邏輯符號YYGSDB+VDD+10V RD20k當uA0V時，由于uGSuA0V，小于開啟電壓UT，所以MOS管截止。輸出電壓為uYVDD10V。當uA10V時，由于uGSuA10V，大于開啟電壓UT，所以MOS管導通，且工作在可變電阻區(qū)，導通電阻很小，只有幾百歐姆。輸出電壓為uY0V。AY T4 +VCC(+5V) b1 A BR13kT3T2T1Y R4100+VCC(+5V)T5 A BT

7、TL與非門電路T1的等效電路D3c1R13kR2750R3360R53kD1D215.3 TTL集成門電路集成門電路1 1、TTL與非門與非門輸入信號不全為1：如uA=0.3V， uB=3.6V R4100T4 A BR13kT3T2T1Y+VCC(+5V)T5R2750R3360R53k0.7V0.7V+-3.6V0.3V1V則uB1=0.3+0.7=1V，T2、T5截止，T3、T4導通忽略iB3，輸出端的電位為：輸出Y為高電平。uY50.70.73.6VT4ABR13kT3T2T1YR4100+VCC(+5V)T5R2750 R3360 R53k0.7V0.7V+-+-0.3V+-0.3V

8、3.6V3.6V輸入信號全為1：如uA=uB=3.6V1.4V則uB1=1.4V，T2、T5導通，T3、T4截止輸出端的電位為： uY=UCES0.3V輸出Y為低電平。BAYuA uBuY0.3V 0.3V0.3V 3.6V3.6V 0.3V3.6V 3.6V3.6V3.6V3.6V0.3VA BY0 00 11 01 11110功能表功能表真值表真值表邏輯表達式邏輯表達式74LS00 的引腳排列圖VCC 3A 3B 3Y 4A 4B 4Y 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 14 13 12 11 10 9 874LS20 1 2 3 4 5 6 7VCC 2A 2B NC 2C 2

9、D 2Y 1A 1B NC 1C 1D 1Y GND74LS20 的引腳排列圖 14 13 12 11 10 9 874LS00 1 2 3 4 5 6 774LS00內(nèi)含4個2輸入與門，74LS20內(nèi)含2個4輸入與非門。2 2、TTL非門、或非門、與或非門、與門、或門及異或門非門、或非門、與或非門、與門、或門及異或門 14 13 12 11 10 9 874LS04 1 2 3 4 5 6 7VCC 4A 4Y 5A 5Y 6A 6Y 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND6 反相器 74LS04 的引腳排列圖T4AR13kT3T2T1YR4100+VCCT5R2750R3360R53k

10、TTL 反相器電路A=0時，T2、T5截止，T3、T4導通，Y=1。A=1時，T2、T5導通，T3、T4截止，Y=0。AY TTL非門 14 13 12 11 10 9 874LS02 1 2 3 4 5 6 7VCC 3Y 3B 3A 4Y 4B 4A 1Y 1B 1A 2Y 2B 3A GND74LS02 的引腳排列圖T4ABR1T3T2T1YR4+VCCT5R2R3R5T2T1R1TTL 或非門電路A、B中只要有一個為1，即高電平，如A1，則iB1就會經(jīng)過T1集電結(jié)流入T2基極，使T2、T5飽和導通，輸出為低電平，即Y0。AB0時，iB1、iB1均分別流入T1、T1發(fā)射極，使T2、T2、

11、T5均截止，T3、T4導通，輸出為高電平，即Y1。BAYTTL或非門與門ABAB&1Y=AB=ABAB&YABA+B11或門AB1YY=A+B=A+B異或門AB&11YBABABABABABABABABAY)()(AB=1Y3 3、OC門及門及TSL門門OC 與非門的電路結(jié)構(gòu)AB+VCCYR YABCD&OC 門線與圖+VCCR Y1 Y2 T1 T2 T3 uB1問題的提出：為解決一般TTL與非門不能線與而設計的。A、B不全為1時，uB1=1V，T2、T3截止，Y=1。接入外接電阻R后：A、B全為1時，uB1=2.1V，T2、T3飽和導通，Y=0。BAYOC門

12、(集電極開路與非門)OC門的主要用途 實現(xiàn)與或非邏輯功能 用作電平轉(zhuǎn)移 用作驅(qū)動器TSL門 三態(tài)門國標符號T4AR13kT3T2T1YR4100+VCC(+5V)T5R2750R3360R53kAE&ENYED電路結(jié)構(gòu)E0時，二極管D導通，T1基極和T2基極均被鉗制在低電平，因而T2T5均截止，輸出端開路，電路處于高阻狀態(tài)。結(jié)論：電路的輸出有高阻態(tài)、高電平和低電平3種狀態(tài)。E1時，二極管D截止，TSL門的輸出狀態(tài)完全取決于輸入信號A的狀態(tài)，電路輸出與輸入的邏輯關系和一般反相器相同，即：Y=A，A0時Y1，為高電平；A1時Y0，為低電平。TSL門的應用：G1總線ABE1ENY1EN1AE

13、1ENB1EN1 1ENE1 A1 1ENE2 A2 1ENEn An(a) 多路開關(b) 雙向傳輸(c) 單向總線G1G2G1G2G2Gn作多路開關：E=0時，門G1使能，G2禁止，Y=A；E=1時，門G2使能，G1禁止，Y=B。信號雙向傳輸：E=0時信號向右傳送，B=A；E=1時信號向左傳送，A=B 。構(gòu)成數(shù)據(jù)總線：讓各門的控制端輪流處于低電平，即任何時刻只讓一個TSL門處于工作狀態(tài)，而其余TSL門均處于高阻狀態(tài)，這樣總線就會輪流接受各TSL門的輸出。4 4、TTL系列集成電路及主要參數(shù)系列集成電路及主要參數(shù)TTL系列集成電路74：標準系列，前面介紹的TTL門電路都屬于74系列，其典型電

14、路與非門的平均傳輸時間tpd10ns，平均功耗P10mW。74H：高速系列，是在74系列基礎上改進得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時間tpd6ns，平均功耗P22mW。74S：肖特基系列，是在74H系列基礎上改進得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時間tpd3ns，平均功耗P19mW。74LS：低功耗肖特基系列，是在74S系列基礎上改進得到的，其典型電路與非門的平均傳輸時間tpd9ns，平均功耗P2mW。74LS系列產(chǎn)品具有最佳的綜合性能，是TTL集成電路的主流，是應用最廣的系列。TTL與非門主要參數(shù)（1）輸出高電平UOH：TTL與非門的一個或幾個輸入為低電平時的輸出電平。產(chǎn)品規(guī)范值UOH2.

15、4V，標準高電平USH2.4V。（2）高電平輸出電流IOH：輸出為高電平時，提供給外接負載的最大輸出電流，超過此值會使輸出高電平下降。IOH表示電路的拉電流負載能力。（3）輸出低電平UOL：TTL與非門的輸入全為高電平時的輸出電平。產(chǎn)品規(guī)范值UOL0.4V，標準低電平USL0.4V。（4）低電平輸出電流IOL：輸出為低電平時，外接負載的最大輸出電流，超過此值會使輸出低電平上升。IOL表示電路的灌電流負載能力。（5）扇出系數(shù)NO：指一個門電路能帶同類門的最大數(shù)目，它表示門電路的帶負載能力。一般TTL門電路NO8，功率驅(qū)動門的NO可達25。（6）最大工作頻率fmax：超過此頻率電路就不能正常工作。

16、（7）輸入開門電平UON：是在額定負載下使與非門的輸出電平達到標準低電平USL的輸入電平。它表示使與非門開通的最小輸入電平。一般TTL門電路的UON1.8V。（8）輸入關門電平UOFF：使與非門的輸出電平達到標準高電平USH的輸入電平。它表示使與非門關斷所需的最大輸入電平。一般TTL門電路的UOFF0.8V。（9）高電平輸入電流IIH：輸入為高電平時的輸入電流，也即當前級輸出為高電平時，本級輸入電路造成的前級拉電流。（10）低電平輸入電流IIL：輸入為低電平時的輸出電流，也即當前級輸出為低電平時，本級輸入電路造成的前級灌電流。（11）平均傳輸時間tpd：信號通過與非門時所需的平均延遲時間。在工

17、作頻率較高的數(shù)字電路中，信號經(jīng)過多級傳輸后造成的時間延遲，會影響電路的邏輯功能。（12）空載功耗：與非門空載時電源總電流ICC與電源電壓VCC的乘積。2 TTL與非門的外特性與非門的外特性 1. 電壓傳輸特性電壓傳輸特性 TTL與非門電壓傳輸特性是表示輸出電壓UO隨輸入電壓UI變化的一條曲線， 電壓傳輸特性曲線大致分為四段：如圖所示。 TTL與非門電壓傳輸特性（a） 測試電路示意圖（b） 曲線 AB段稱截止區(qū) 0UI0.6V，U03.6V BC段稱線性區(qū) 0.6UI1.3V，U0線性下降 CD段稱轉(zhuǎn)折區(qū) 1.3VUI1.4V，U0急劇下降 DE段稱飽和區(qū) UI1.4V，U00.3VTTL與非門

18、應用中的幾個問題1)輸入端全部接地,輸出為高電平2)輸入端全部接高電平,輸出為低電平3)輸入端懸空,相當于全部接高電平.輸出為低電平4)輸入端接電阻,當RiRON(開門電阻2)與非門開啟,輸出低電平5)多余端的 處理方式:一般不懸空.應將多余端接高電平或?qū)⒍嘤喽伺c使用端并聯(lián).通過大電阻接地15.4 CMOS集成門電路集成門電路1 1、CMOS非門非門uA+VDD+10VTPTN+VDD+10V+VDD+10VSSRONPRONN10V0V(a) 電路(b) TN截止、TP導通(c) TN導通、TP截止uYuYuY（1）uA0V時，TN截止，TP導通。輸出電壓uYVDD10V。（2）uA10V時

19、，TN導通，TP截止。輸出電壓uY0V。AY 2 2、CMOS與非門、或非門、與門、或門、與或非門和異或門與非門、或非門、與門、或門、與或非門和異或門CMOS與非門BY+VDDATP1TN1TN2TP2BAYA、B當中有一個或全為低電平時，TN1、TN2中有一個或全部截止，TP1、TP2中有一個或全部導通，輸出Y為高電平。只有當輸入A、B全為高電平時，TN1和TN2才會都導通，TP1和TP2才會都截止，輸出Y才會為低電平。BY+VDDATN1TP2TN2TP1CMOS或非門BAY只要輸入A、B當中有一個或全為高電平，TP1、TP2中有一個或全部截止，TN1、TN2中有一個或全部導通，輸出Y為低

20、電平。只有當A、B全為低電平時，TP1和TP2才會都導通，TN1和TN2才會都截止，輸出Y才會為高電平。CMOS TSL門11ENAETP2TP1 YTN1TN2AEY+VDD(a) 電路(b) 符號E=1時，TP2、TN2均截止，Y與地和電源都斷開了，輸出端呈現(xiàn)為高阻態(tài)。E=0時，TP2、TN2均導通，TP1、TN1構(gòu)成反相器?？梢婋娐返妮敵鲇懈咦钁B(tài)、高電平和低電平3種狀態(tài)，是一種三態(tài)門。C+VDDTGuiuiuouoTPTNCCC(a) 電路(b) 符號CMOS 傳輸門C0、 ，即C端為低電平（0V）、 端為高電平（VDD）時， TN和TP都不具備開啟條件而截止，輸入和輸出之間相當于開關斷

21、開一樣。C1、 ，即C端為高電平（VDD）、 端為低電平（0V）時，TN和TP都具備了導通條件，輸入和輸出之間相當于開關接通一樣，uoui。1C0CCC4 4、CMOS數(shù)字電路的特點及使用時的注意事項數(shù)字電路的特點及使用時的注意事項（1）CMOS電路的工作速度比TTL電路的低。（2）CMOS帶負載的能力比TTL電路強。（3）CMOS電路的電源電壓允許范圍較大，約在318V，抗干擾能力比TTL電路強。（4）CMOS電路的功耗比TTL電路小得多。門電路的功耗只有幾個W，中規(guī)模集成電路的功耗也不會超過100W。（5）CMOS集成電路的集成度比TTL電路高。（6）CMOS電路適合于特殊環(huán)境下工作。（7）CMOS電路容易受靜電感應而擊穿，在使用和存放時應注意靜電屏蔽，焊接時電烙鐵應接地良好，尤其是CMOS電路多余不用的輸入端不能懸空，應根據(jù)需要接地或接高電平。CMOS數(shù)字電路的特點使用集成電路時的注意事項（1）對于各種集成電路，使用時一定要在推薦的工作條件范圍內(nèi)，否則將導致性