門電路的認(rèn)知及應(yīng)用(數(shù)字電路分析課件)

項目2門電路的認(rèn)知及應(yīng)用門電路又稱邏輯門，按照內(nèi)部所使用有源器件的不同，分為TTL型和CMOS型兩大類。門電路是入門級的數(shù)字電路，是構(gòu)成組合邏輯電路的基本單元。目前常見的門電路IC都屬于SSI，它們通常用于功能較為簡單的電子產(chǎn)品中。任務(wù)2.1TTL門電路及常用IC的認(rèn)知任務(wù)2.2CMOS門電路及常用IC的認(rèn)知任務(wù)2.3舉重裁判電路的設(shè)計仿真與裝調(diào)任務(wù)2.1TTL門電路與常用IC的認(rèn)知第一講分立元件門電路復(fù)合門電路典型TTL集成邏輯門目錄門電路簡介邏輯門電路簡介

獲得高、低電平的基本方法：利用半導(dǎo)體開關(guān)元件的導(dǎo)通、截止（即開、關(guān)）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。分立元件門電路邏輯門電路基本概念（1）半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性由于半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦裕赐饧诱螂妷捍笥谒绤^(qū)電壓時，二極管導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合（近似將正向?qū)娮枰暈?）；當(dāng)外加正向電壓小于死區(qū)電壓或加反向電壓時，二極管截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開（反向內(nèi)阻近似看作無窮大）。分立元件門電路

（a）二極管（b）截止時（c）導(dǎo)通時

理想二極管的開關(guān)等效電路分立元件門電路邏輯門電路基本概念（2）半導(dǎo)體三極管的開關(guān)特性三極管根據(jù)所加偏置電壓不同，有三種工作狀態(tài)：即放大、截止、飽和。在放大器中，使用三極管的放大狀態(tài)；在開關(guān)電路中，使用三極管的截止和飽和兩種狀態(tài)。數(shù)字電路中常用開關(guān)三極管作控制開關(guān)。分立元件門電路VTccceeebbb（a）三極管符號（b）飽和導(dǎo)通（c）截止分立元件門電路邏輯門電路基本概念（3）MOS管的開關(guān)特性MOS管是一種電壓控制器件，相當(dāng)于壓控開關(guān)，它也有三種工作狀態(tài)，即截止、恒流和可變電阻狀態(tài)。在放大器中，用可變電阻狀態(tài)；在數(shù)字電路中，用截止和恒流兩種狀態(tài)，而變阻區(qū)屬過渡狀態(tài)。分立元件門電路SGVDDDuoRDSGVDDDuoRD由于MOS管具備良好的開關(guān)特性，所以可以用來在數(shù)字邏輯電路中產(chǎn)生高低電平，用于表示邏輯“0”、“1”。分立元件門電路基本邏輯門邏輯門電路是實現(xiàn)基本邏輯運算功能的條件開關(guān)電路。例如實現(xiàn)與運算的電路叫與門，實現(xiàn)或運算的電路叫或門，實現(xiàn)非運算的電路叫非門（反相器）。分立門電路是指利用單個、獨立的半導(dǎo)體器件和電阻等構(gòu)成的基本門電路，與集成門電路相對。分立元件門電路基本邏輯門（1）二極管與門用二極管和電阻可以組成最簡單的與門電路。下圖是有兩個輸入端的與門電路。圖中A、B為兩個輸入變量，Y為輸出變量。分立元件門電路基本邏輯門（2）二極管或門由二極管組成的或門電路如下圖所示，圖中A、B是兩個輸入變量，Y是輸出變量。分立元件門電路基本邏輯門（3）三極管非門當(dāng)輸入為高電平時，輸出為低電平；而輸入為低電平時，輸出為高電平。因此，輸出與輸入的電平之間是反相關(guān)系，稱之為非門（也稱反相器）。VEE復(fù)合門電路復(fù)合門電路典型TTL集成邏輯門典型TTL與非門的電路組成由輸入級、中間級、輸出級三部分組成。（1）輸入級。由多發(fā)射極管V1和電阻R1組成，其作用是對輸入變量A、B、C實現(xiàn)邏輯與，相當(dāng)一個與門。1.TTL反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理（2）中間級。由V2、R2、R3組成，V2的集電極與發(fā)射極分別可以得到兩個相位相反的電壓，以滿足輸出級的需要。（3）輸出級。由V3、V4、V5和R4、R5組成，這種電路形式稱推拉式電路，它不僅輸出阻抗低，帶負載能力強，而且可以提高工作速度。輸入V1V2V3V4V5輸出與非門狀態(tài)全部為高電位倒置工作飽和導(dǎo)通截止飽和低電位UOL開門至少有一個為低電位深飽和截止微飽和導(dǎo)通截止高電位UOH關(guān)門TTL與非門輸入輸出關(guān)系表典型TTL集成邏輯門為解決一般TTL與非門不能線與而設(shè)計了集電極開路TTL與非門，簡稱OC（集電極開路）門。OC門的邏輯符號如圖1所示，在使用時必須在電源和輸出端之間外接一個上拉電阻RC，作為V5的上拉電阻，如圖2所示。2.集電極開路與非門（OC門）圖1圖2典型TTL集成邏輯門任務(wù)2.1TTL門電路與常用IC的認(rèn)知第二講TTL集成電路的命名規(guī)則及性能指標(biāo)TTL集成電路使用注意事項常用TTL集成邏輯門IC功能認(rèn)知目錄TTL集成電路的命名規(guī)則及性能指標(biāo)一.命名我國生產(chǎn)的TTL集成電路型號與國際54/74TTL電路系列完全一致，并采用了統(tǒng)一型號，即CT0000系列。例：CT74LS20CJ（a）（b）（c）（d）（e）說明：（a）CT表示ChineseTTL，中國TTL集成電路。（b）此部分表示國際通用系列代號（c）此部分表示邏輯功能，與國際標(biāo)準(zhǔn)一致，通常為用阿拉伯?dāng)?shù)字。（d）表示工作溫度范圍。C：(0～+70)℃，即國際74系列電路的工作溫度范圍。M：(－55～+125)℃，即國際54系列電路的工作溫度范圍。（e）表示封裝形式。B：塑料扁平；D：陶瓷雙列直插；F：全密封扁平；J：黑陶瓷雙列直插；P：塑料雙列直插；W：陶瓷扁平。二.性能指標(biāo)（1）工作電源TTL數(shù)字集成電路的工作電源普遍為+5V，正常工作情況下，電源電壓波動不超過±10%。（2）邏輯電平和抗干擾能力

根據(jù)對電壓傳輸特性的分析，我們可以確定TTL與非門（實際上可以適用于集成門電路）邏輯電平如下：

高電平UOH：UOH≥2.4V。

低電平UOL：UOL≤0.4V。

關(guān)門電平UOFF：又稱最大輸入低電平，UIL≤0.8V。

開門電平UON：又稱為最小輸入高電平，UIH≥1.8V。TTL集成電路的命名規(guī)則及性能指標(biāo)二.性能指標(biāo)（3）工作速度（開關(guān)速度）門輸出由低電平上升到高電平的傳輸時間，用tpdH表示；用tpdL表示門輸出從高電平上升到低電平的傳輸時間（4）功耗PCC=VCC×ICCTTL集成電路的命名規(guī)則及性能指標(biāo)注意事項1．TTL電路的電源均采用+5V，電源電壓波動范圍不能超過±10%，使用時切勿將電源與地顛倒錯接，否則會因為過大電流而造成器件損壞。2．電路的各輸入端不能直接與高于+5.5V和低于-0.5V的低內(nèi)阻電源連接，因為低內(nèi)阻電源能提供較大電流，會由于過熱而燒壞器件。3．輸出不允許與電源或地短路，否則可能造成器件損壞，但可以通過電阻與電源相連，提高輸出高電平。TTL集成電路使用注意事項TTL集成電路使用注意事項注意事項4．在電源接通時，不要移動或插入集成電路，因為電源的沖擊可能會造成其永久損壞。5．多余的輸入端最好不要懸空。雖然懸空相當(dāng)于高電平，并不影響與門的邏輯功能，但懸空容易接受干擾，有時會造成電路誤動作，在時序電路中表現(xiàn)得更明顯。因此，多余輸入端一般不采用懸空的辦法，而要根據(jù)需要處理。例如與非門、與門的多余輸入端可接到VCC上，也可將不同的輸入端共用一個公用電阻連接到VCC上，或?qū)⒍嘤噍斎攵伺c使用端短接起來。不用的或門和或非門輸入端可以直接接地，也可以將多余輸入端與使用端直接短接。常用TTL集成邏輯門IC功能認(rèn)知常用TTL門電路IC功能認(rèn)知1.四2輸入與非門IC74LS00下圖是常用集成器件74LS00的引腳圖，從圖中可知它內(nèi)含四個與非門電路單元，每個單元有兩個輸入端A和B，一個輸出端Y，故稱之為四2輸入與非門。常用TTL門電路IC功能認(rèn)知2.四2輸入或非門IC74LS02下圖是常用集成器件74LS02的引腳圖，它有四個或非門電路單元，每個單元有兩個輸入端，一個輸出端，稱之為四2輸入或非門。常用TTL集成邏輯門IC功能認(rèn)知常用TTL門電路IC功能認(rèn)知3.六非門IC74LS04下圖是常用集成器件74LS04的引腳圖，它含有6個非門（反相器）電路單元，每個單元有一個輸入端A，一個輸出端Y，稱之為六非門。常用TTL集成邏輯門IC功能認(rèn)知概述小結(jié)門電路是組成數(shù)字電路的基本單元之一，基本的邏輯門電路有與門、或門、非門。實用中通常采用集成門電路，常用的有與非門、或非門、與或非門、異或門等。

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，分立元件數(shù)字電路基本被集成電路取代TTL電路的優(yōu)點是開關(guān)速度高，抗干擾能力強，帶負載能力較強，缺點是功耗較大任務(wù)2.2CMOS門電路及常用IC的認(rèn)知CMOS管基礎(chǔ)知識典型CMOS集成邏輯門CMOS特點及使用注意問題目錄一、CMOS管基礎(chǔ)知識MOS管簡介MOS管是指金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體管，簡稱MOS管，有P型MOS管和N型MOS管之分。由MOS管構(gòu)成的集成電路稱為MOS集成電路，而由PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成的互補型MOS集成電路即為CMOS-IC（ComplementaryMOSIntegratedCircuit）。MOS管在模擬電路和數(shù)字電路中都得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)字集成電路按導(dǎo)電類型可分為雙極型集成電路（主要為TTL）和單極型集成電路（CMOS、NMOS、PMOS等）。MOS管與二極管和三極管一樣具有開關(guān)特性，在數(shù)字電路中同樣作為開關(guān)元件使用。一、CMOS管基礎(chǔ)知識1、CMOS管簡介CMOS管是MOS管的一種，全稱為ComplementaryMetalOxideSemiconductor，即互補金屬氧化物半導(dǎo)體，大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造中。將CMOS管組成的數(shù)字邏輯電路集成在一塊硅片上，形成各種功能，就是CMOS集成電路（俗稱芯片）。CMOS由PMOS管和NMOS管共同構(gòu)成，它的特點是低功耗。由于CMOS中一對MOS組成的門電路在瞬間，要么PMOS導(dǎo)通，要么NMOS導(dǎo)通，要么都截至，比線性的三極管（BJT）效率要高得多，因此功耗很低。CMOS電路結(jié)構(gòu)使得該電路單門靜態(tài)功耗在納瓦（nW）數(shù)量級。一、CMOS管基礎(chǔ)知識2、CMOS門電路性能特點（1）允許的電源電壓范圍寬，方便電源電路的設(shè)計；（2）邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強；（3）靜態(tài)功耗低；（4）隔離柵結(jié)構(gòu)使CMOS器件的輸入電阻極大，從而使CMOS期間驅(qū)動同類邏輯門的能力比其他系列強得多。二、典型CMOS集成邏輯門1.CMOS反相器CMOS反相器的基本電路結(jié)構(gòu)形式為下圖所示的有源負載反相器。其中VT1是P溝道增強型MOS管，VT2是N溝道增強型MOS管。二、典型CMOS集成邏輯門1.CMOS反相器CD4069是常用的六反向器的集成芯片,其引線圖如下圖所示。二、典型CMOS集成邏輯門2.COMS傳輸門和模擬開關(guān)COMS傳輸門TG的電路如圖所示，因源極和漏極可以對換，所以輸入輸出

可以對換，是一種雙向傳輸門。它可看做是一個受C和C互補控制的雙向壓控開關(guān)，當(dāng)VT1、VT2中至少有一個導(dǎo)通時,相當(dāng)于開關(guān)接通;當(dāng)VT1、VT2均截止，輸入電壓不能傳到輸出端，相當(dāng)于開關(guān)斷開。_CMOS集成邏輯門電路產(chǎn)品系列1）基本的CMOS4000系列

這是常用的CMOS集成邏輯門系列產(chǎn)品，工作電源電壓范圍為3～18V，產(chǎn)品的輸入端和輸出端都加反相器作為緩沖級。由于具有對稱的驅(qū)動能力和輸出波形，功耗低、噪聲容限大、扇出系數(shù)大等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣的CMOS器件。CMOS集成邏輯門電路產(chǎn)品系列2）高速的CMOS-HC（HCT）系列

一般CMOS電路工作速度較低，標(biāo)準(zhǔn)門的傳輸延遲時間平均為幾十ns，最高工作頻率小于5MHz。在高速CMOS集成電路中，由于在制造工藝等方面做了許多改進，使其大大提高了工作速度，邏輯門的平均傳輸延遲時間小于10ns，最高工作頻率可達50MHz。CMOS集成邏輯門電路產(chǎn)品系列3）先進的CMOS-AC（ACT）系列

該系列的工作頻率得到了進一步的提高，同時保持了CMOS超低功耗的特點。其中ACT系列與TTL器件電壓兼容，電源電壓范圍為4.5～5.5V。AC系列的電源電壓范圍為1.5～5.5V。AC（ACT）系列的邏輯功能、引腳排列順序等都與同型號的HC（HCT）系列完全相同。CMOS集成邏輯門電路產(chǎn)品系列常用CMOS芯片的類型及區(qū)別三、CMOS特點及使用注意問題1.TTL和CMOS電路比較（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3～18V，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μW，中規(guī)模集成電路的功耗也不會超過100uW。

（5）CMOS集成電路的集成度比TTL電路高。

（6）CMs電路適合于特殊環(huán)境下工作。

（7）CMOS電路容易受靜電感應(yīng)而擊穿，在使用和存放時應(yīng)注意靜電屏蔽，焊接時電烙鐵應(yīng)接地良好，尤其是CMOS電路多余不用的輸入端不能懸空，應(yīng)根據(jù)需要接地或接高電平。三、CMOS特點及使用注意問題2.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(dǎo)致性能下降或損壞器件。（2）數(shù)字集成電路中多余的輸入端在不改變邏輯關(guān)系的前提下可以并聯(lián)起來使用，也可根據(jù)邏輯關(guān)系的要求接地或接高電平。TTL電路多余的輸入端懸空表示輸入為高電平；但CMOS電路，多余的輸入端不允許懸空，否則電路將不能正常工作。（3）TTL電路和CMOS電路之間一般不能直接連接，而需利用接口電路進行電平轉(zhuǎn)換或電流變換才可進行連接，使前級器件的輸出電平及電流滿足后級器件對輸入電平及電流的要求，并不得對器件造成損害。小結(jié)CMOS電路具有制造工藝簡單、功耗小、輸入阻抗高、集成度高、電源電壓范圍寬等優(yōu)點，其主要缺點是工作速度稍低，但隨著集成工藝的不斷改進，CMOS電路的工作速度已有了大幅度的提高。一起來思考：1.

CMOS門電路的輸入端在使用中不允許懸空，為什么？2.

CMOS門電路有何優(yōu)缺點？3.

CMOS在使用時應(yīng)注意哪些問題？任務(wù)2.3舉重裁判電路的設(shè)計仿真與裝調(diào)簡單邏輯電路的設(shè)計方法舉重裁判電路的設(shè)計目錄舉重裁判電路的完善與仿真運行舉重裁判電路的組裝與調(diào)試項目2小結(jié)簡單邏輯電路的設(shè)計方法電路設(shè)計是指根據(jù)實際功能需求，通過一系列方法和步驟，設(shè)計出滿足功能的電路。電路設(shè)計概念簡單邏輯電路的設(shè)計方法（1）邏輯變量的定義和賦值；（2）列真值表；（3）寫表達式并化簡或變換，得到需要的邏輯表達式；（4）根據(jù)邏輯表達式畫邏輯電路圖。設(shè)計步驟舉重裁判電路的設(shè)計問題說明舉重運動中，有三名裁判，其中一名是主裁判，另外兩名是副裁判。當(dāng)某位運動員舉起杠鈴，主裁判和至少一名副裁判認(rèn)可（認(rèn)可時按下判決按鍵），該運動員方被裁定通過當(dāng)前重量級。若通過，綠色指示燈亮，若未通過，紅色指示燈亮。舉重裁判電路的設(shè)計1.變量的定義和賦值輸入變量：三名裁判，分別用A表示主裁，B、C表示副裁，認(rèn)可為1，不認(rèn)可為0；輸出變量：運動員本輪結(jié)果，用Y表示，規(guī)定通過為1，未通過為0。舉重裁判電路的設(shè)計2.列真值表輸入輸出ABCY00000010010001101000101111011111舉重裁判電路真值表舉重裁判電路的設(shè)計3.寫表達式并化簡由真值表寫出表達式：

用代數(shù)法或卡諾圖法化簡得到最簡與或式：

由于實際器件為74LS00（四2輸入與非門），將其變換為與非-與非表達式：

舉重裁判電路的設(shè)計4.畫邏輯電路圖根據(jù)表達式畫出邏輯圖如圖所示。實際元器件Proteus元件庫名稱74LS0074LS00按鍵開關(guān)SWITCHLED草帽燈LED-REDLED-RED300Ω色環(huán)電阻RES三個