第三章 邏輯門1

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第三章

門電路高低電平的實現(xiàn)在數(shù)字電路中，輸入輸出都是二值邏輯，其高、低電平分別用“1”和“0”表示。而高、低電平的獲得是通過開關(guān)電路來實現(xiàn)的，如三極管或MOS管電路組成。如圖所示。其原理為：當(dāng)開關(guān)S斷開時，輸出電壓vo＝Vcc，為高電平“1”；當(dāng)開關(guān)S閉合時，輸出電壓vo

＝

0，為低電平“0”。若開關(guān)由三極管或MOS管構(gòu)成，則控制三級管或MOS管工作在截止和飽和狀態(tài)，就相當(dāng)開關(guān)S的斷開和閉合。輸出信號的高、低電平都允許有一定的變化范圍3.1MOS管的開關(guān)特性

邏輯門（logicgate)是構(gòu)成所有數(shù)字電路的基本單元電路。目前的數(shù)字電路用得最多的是CMOS電路和TTL電路。在CMOS電路中，采用金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)三極管（Metal-Oxide-Semiconductor

FieldEffectTransistor）作為開關(guān)器件。在CMOS電路中利用了n溝道增強型MOS管和p溝道增強型MOS管特性的互補性，實現(xiàn)電路簡單和電氣特性突出的優(yōu)點。CMOS電路的制作工藝在數(shù)字集成電路中得到廣泛的應(yīng)用。3.1MOS管的開關(guān)特性一、NMOS管的結(jié)構(gòu)S(Source)：源極G(Gate)：柵極D(Drain)：漏極B(Substrate):襯底金屬層氧化物層半導(dǎo)體層PN結(jié)NMOS管的基本開關(guān)電路在NMOS管漏極D和源極S間加上電源電壓VDS，則漏極D和源極S之間就可以視為一個受柵極電位控制的開關(guān)了。當(dāng)柵極VGS電壓（VG-VS)處于低電平時，即VGS=0時，D--S之間不導(dǎo)通，NMOS管處于截止?fàn)顟B(tài)，漏極電流很小，可把D--S之間看作斷開的開關(guān)；若柵極電壓VGS足夠高，使D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）,NMOS管處于導(dǎo)通狀態(tài)，D--S之間導(dǎo)通電阻很小，把D--S之間看作接通的開關(guān)。NMOS管當(dāng)加+VDS時，VGS=0時，D-S間是兩個背向PN結(jié)串聯(lián)，iD=0；加上+VGS，且足夠大至VGS>VGS(th),D-S間形成導(dǎo)電溝道（N型層）開啟電壓NMOS管的基本開關(guān)電路VGS開啟電壓三、NMOS管的等效電路G=0時OFF，截止?fàn)顟B(tài)；G=1時ON，導(dǎo)通狀態(tài)NMOS與PMOS高、低電平實現(xiàn)原理電路3.2CMOS門電路單開關(guān)電路功耗較大，目前出現(xiàn)互補開關(guān)電路（如CMOS門電路），即用一個管子代替圖中的電阻，如圖所示互補開關(guān)電路的原理

開關(guān)S1和S2受同一輸入信號vI的控制，且S1和S2導(dǎo)通和斷開的狀態(tài)相反。當(dāng)S1閉合時，S2斷開，VO輸出為高電平“1”；相反當(dāng)S1斷開時，S2閉合，VO輸出為高電平“0”。

互補開關(guān)電路由于兩個開關(guān)中總有一個是斷開的，流過的電流為零，故電路的功耗非常低，因此在數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用。3.2CMOS門電路

CMOS邏輯門電路是在TTL器件之后出現(xiàn)的，是應(yīng)用比較廣泛的數(shù)字邏輯器件。在功耗、抗干擾、帶負載能力上優(yōu)于TTL邏輯門，所以超大規(guī)模器件幾乎都采用CMOS門電路，如存儲器ROM、可編程邏輯器件PLD等DSDSGPMOSNMOSPMOSNMOS

MOS型集成門電路的類型PMOSCMOSNMOSUCCST2DT1AFNMOS管PMOS管CMOS電路3.2CMOS門電路SDUCCST2DT1uiuoui=0截止ugs2=

UCC導(dǎo)通u０=“１”*當(dāng)ui=0時：uGS2=ui-uS2=-Ucc3.2CMOS門電路SDUCCST2DT1uiuoui=１導(dǎo)通截止u０=“０”*當(dāng)ui=1時：uGS1=ui-uS1=Ucc3.2CMOS門電路DS3.2.1CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

CMOS反相器電路右圖為CMOS反相器的電路。其中T1為P溝道增強型MOS管，T2為N溝道增強型MOS管，它們構(gòu)成互補對稱電路。1.結(jié)構(gòu)：SS

CMOS反相器電路3.2.1CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)VI＝VIL＝0為低電平時，T2截止，T1管導(dǎo)通，輸出電壓為高電平，即2.工作原理：SS

CMOS反相器電路當(dāng)VI＝VIH＝VDD為高電平時，T2導(dǎo)通，T1管截止，輸出電壓為低電平。即3.2.1CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理SSCMOS反相器的電壓傳輸特性反相器電壓傳輸特性是輸出電壓vo和輸入vI之間的關(guān)系曲線，如圖所示。并設(shè)

CMOS反相器的電壓傳輸特性1.電壓傳輸特性T1管導(dǎo)通，T2截止，輸出電壓為高電平，即CD段：輸入高電平

CMOS反相器的電壓傳輸特性T1管截止，T2導(dǎo)通，輸出電壓為低電平，即AB段：輸入低電平CMOS反相器的電壓傳輸特性CMOS反相器的電壓傳輸特性T1、T2同時導(dǎo)通，若T1、T2參數(shù)完全相同，則*BC段：CMOS反相器的電壓傳輸特性

*在數(shù)字電路中嚴(yán)格禁止出現(xiàn)的狀態(tài)*3.2.1CMOS反相器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

1.無論VI是高電平還是低電平，T1和T2管總是一個導(dǎo)通一個截止的工作狀態(tài)，稱為互補，這種電路結(jié)構(gòu)CMOS電路。2.由于無論輸入為低電平還是高電平，T1和T2總是有一個截止的，其截止電阻很高，故流過T1和T2的靜態(tài)電流很小，故其靜態(tài)功耗很小。2.特點：3.2.2CMOS與非門如圖所示，T1、T3為兩個并聯(lián)的PMOS管，T2、T4為兩個串聯(lián)的NMOS管。

CMOS與非門當(dāng)A=B=0時，T1和T3導(dǎo)通，T2和T4截止，Y＝1;當(dāng)A=0B=1時，T1導(dǎo)通，T2截止，（T4導(dǎo)通，T3截止）Y＝1;當(dāng)A=1B=0時，T3導(dǎo)通，T4截止，（T2導(dǎo)通，T1截止）Y＝1;當(dāng)A=B=1時，T2和T4導(dǎo)通，T1和T3截止，Y＝0。Y=(AB)'3.2.2CMOS或非門如圖所示，T1、T3為兩個串聯(lián)的PMOS管，T2、T4為兩個并聯(lián)的NMOS管。當(dāng)A、B有一個為“1”時，T2、T4至少有一個導(dǎo)通，T1、T3至少有一個截止，故輸出為低電平，Y＝0；A、B同時為“0”時，T2、T4同時截止，T1、T3同時導(dǎo)通故輸出為高電平，Y＝1。Y=(A+B)'

CMOS或非門3.2.3三態(tài)輸出的CMOS門電路如圖所示，這是三態(tài)反相器，也稱為輸出緩沖器，輸出的狀態(tài)不僅有高電平、低電平，還有第三態(tài)－高阻態(tài)。這是CMOS三態(tài)門的電路及符號。低電平有效當(dāng)EN'=0時，Y=A';當(dāng)EN'=1時，Y=Z（高阻）三態(tài)門的用途地址總線和數(shù)據(jù)總線3.2.3漏極開路輸出的門電路（OD門）OD門為了滿足輸出電平的變換，輸出大負載電流，以及實現(xiàn)“線與”功能，將CMOS門電路的輸出級做成漏極開路的形式，稱為漏極開路輸出的門電路，簡稱OD（Open－DrainOutput）門結(jié)構(gòu)和符號圖為OD輸出與非門電路結(jié)構(gòu)圖，其與非門和非門都是CMOS邏輯門，輸出管為漏極開路的NMOS管。3.2.3漏極開路輸出的門電路（OD門）工作原理在使用OD門時，一定要將輸出端通過電阻（叫做上拉電阻）接到電源上，如圖所示當(dāng)A、B有一個為低電平，則TN截止，輸出vo＝VDD2，為高電平；當(dāng)A、B同時為高電平，則TN導(dǎo)通，輸出vo＝0，為低電平。故輸出輸入的邏輯關(guān)系為Y=(AB)'。3.“線與”的實現(xiàn)普通的CMOS邏輯門輸出端不能并聯(lián)使用，但OD門可以將輸出端直接相接，即實現(xiàn)線與邏輯，其電路如圖所示“線與”邏輯電路的接法“線與”的實現(xiàn)工作原理：當(dāng)Y1、Y2有一個為低電平時，則為低電平；只有Y1、Y2同時為高電平，兩個輸出管同時截止，輸出為高電平，Y和Y1、Y2為與的關(guān)系輸出端邏輯式：Y=Y1Y2=(AB)'(CD)'=(AB+CD)';OD門的線與實現(xiàn)了與或非的邏輯功能。在使用OD門做線與時，一定外接上拉電阻RL。但RL的大小會影響驅(qū)動門輸出電平的大小。RL上的壓降不能太大，否則高電平會低于標(biāo)準(zhǔn)值；RL上的壓降不能太小，否則低電平會高于標(biāo)準(zhǔn)值。故RL的取值要合適。3.2.4CMOS電路的電壓、電流傳輸特性電壓、電流傳輸特性*在數(shù)字電路中嚴(yán)格禁止出現(xiàn)的狀態(tài)*3.2.4CMOS電路的電壓、電流傳輸特性輸入噪聲容限CMOS門電路的電氣特性和參數(shù)(74HC)1、直流電器特性和參數(shù)（靜態(tài)特性）：電路處于VDD=5V穩(wěn)定工作下的電壓、電流特性。輸入高電平VIH(min)3.5v和輸入低電平VIL(max)1.5v輸出高電平VOH(min)4.4v和輸出低電平VOL(max)0.33v高電平輸入電流VIH和低電平輸入電流IIL高電平輸出電流IOH和低電平輸出電流IOL噪聲容限VNH和VNL74HC/74HCT系列是高速CMOS邏輯（high-speedCMOSlogic)的簡稱。HC的工作電壓2V-6V,HCT的工作電壓為5V。2、開關(guān)電氣特性和參數(shù)（動態(tài)特性）：電路在狀態(tài)轉(zhuǎn)換工程中的電壓、電流特性。開關(guān)延遲時間tpd：CL越小越有利于減小tpd和改善輸出電壓波形。動態(tài)功耗：CL充放電和導(dǎo)通瞬間產(chǎn)生的瞬變功耗。-0.1×10－3-0.1×10－3-0.4-1.6IIL(max)/mA0.10.12040IIH(max)/μA0.810.80.8VIL(max)/V23.522VIH(min)/V44816IOL(max)/mA-4-4-0.4-0.4IOH(max)/mA0.10.10.50.4VOL(max)/V4.44.42.72.4VOH(min)/VCMOS(74HCT系列)CMOS(74HC系列)TTL(74LS系列)TTL(74系列)

電路種類參數(shù)名稱TTL電路系列和CMOS電路系列的參數(shù)3.3TTL門電路晶體三極管開關(guān)電路三極管替代開關(guān)雙極型三極管的開關(guān)特性雙極型三極管的開關(guān)特性當(dāng)vI=VIH，為高電平時，使得iB>IBS=VCC/βRC，三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，輸出vo＝VOL

＝Vces≈0,為低電平；當(dāng)vI=VIL<VON(死區(qū)電壓），為低電平時，使得三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出vo＝VOH≈VCC,為高電平其中：硅管為0.1V-0.3V很小，為幾十歐姆晶體三極管開關(guān)電路T穩(wěn)態(tài)時若合理選擇電路的參數(shù)，即當(dāng)三極管截止時，發(fā)射結(jié)反偏，iC≈0，相當(dāng)開關(guān)斷開；當(dāng)三極管飽和時，發(fā)射結(jié)正偏，vCE＝VCE（sat）≈0，相當(dāng)開關(guān)閉合。阻值很小，忽略三極管開關(guān)狀態(tài)下的等效電路截止?fàn)顟B(tài)飽和導(dǎo)通狀態(tài)雙極型三極管的基本開關(guān)電路特性曲線分三個部分放大區(qū)：條件VCE>0.7V,iB>0,iC隨iB成正比變化，ΔiC=βΔiB。飽和區(qū)：條件VCE<0.7V,iB>0,VCE很低，ΔiC

隨ΔiB增加變緩，趨于“飽和”。截止區(qū)：條件VBE=0V,iB=0,iC=0,c—e間“斷開”。雙極型三極管的基本開關(guān)電路只要參數(shù)合理：VI<=VIL時，T截止，VO=VccVI>=VIH時，T導(dǎo)通，VO=0三極管反相器三極管的基本開關(guān)電路就是非門 實際應(yīng)用中，為保證 VI=VIL時T可靠截止，常在 輸入接入負電壓。

參數(shù)合理？VI<=VIL時，T截止，VO=VccVI>=VIH時，T飽和，VO=0TTL的電路結(jié)構(gòu)和工作原理

TTL—Transistor-TransistorLogic(三極管－三極管邏輯），TTL邏輯門就是由雙極型晶體三極管構(gòu)成的邏輯門電路。TTL邏輯器件分成54系列和74系列兩大類，其電路結(jié)構(gòu)、邏輯功能和電氣參數(shù)完全相同。不同的是54系列工作環(huán)境溫度、電源工作范圍比74系列的寬。

54系列和74系列按工作速度和功耗可分：標(biāo)準(zhǔn)通用54/74系列、高速54H/74H（High-SpeedTTL）系列、肖特基54S/74S（SchottkyTTL）系列、低功耗肖特基54LS/74LS（Low-PowerSchottkyTTL）系列和先進74ALS系列（AdvancedLow-PowerSchottkyTTL）。不同系列的同一種邏輯門，結(jié)構(gòu)上略有差異，目的是為了提高邏輯門的工作速度，降低功耗。T1導(dǎo)通T2截止T4導(dǎo)通T5截止D2導(dǎo)通vo＝VOH≈VCC

－IC2R2－2VON

≈3.4V輸出為高電平

TTL反相器的電路0.9V3.4V0.2V當(dāng)VI＝VIL＝0.2V時3.3.1TTL的電路結(jié)構(gòu)和工作原理3.3.1TTL的電路結(jié)構(gòu)和工作原理T1截止T2導(dǎo)通T4截止T5導(dǎo)通D2截止vo＝VOL≈VCE（sat）≈0.2V輸出為低電平則輸出和輸入的邏輯關(guān)系為TTL反相器的電路當(dāng)VI＝VIH＝3.4V時3.3.2TTL反相器的電壓傳輸特性3.3.2TTL反相器的電壓傳輸特性3.3.2TTL反相器的電壓傳輸特性扇出系數(shù)就是一個門電路驅(qū)動同類型門電路的個數(shù)。也就是表示門電路的帶負載能力。G1門為驅(qū)動門，G2、G3

為負載門，N為扇出系數(shù)。當(dāng)輸出為低電平時，設(shè)可帶N1個非門，則有扇出系數(shù)的計算IOLIIL3.3.2TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性扇出系數(shù)的計算IOHIIH則取N＝min｛N1，N2}當(dāng)輸出為高電平時，設(shè)可帶N2個非門，則有3.3.2TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性

扇出系數(shù)的計算3.3.2TTL反相器的靜態(tài)輸入特性和輸出特性已知74系列的反相器輸出高低電平為VOH≥3.2V,VOL≤0.2V，輸出低電平電流為IOL（max）＝16mA，輸出高電平電流為IOH（max）＝0.4mA，輸入低電平電流IIL＝－1mA，輸入高電平電流IIH＝40μA，計算門G1可帶同類門的個數(shù)。G1輸出為低電平時，有N1=16；G1輸出為高電平時N2=10。TTL與非門電路輸入級倒相級輸出級故：注意：1.由于與非門電路結(jié)構(gòu)和電路參數(shù)與反相器相同，故反相器的輸出特性也適用于與非門；3.3.3其他類型的TTL門電路1.與非門如圖TTL或非門的電路，其輸出為TTL或非門的電路3.3.3其他類型的TTL門電路2.或非門與或非門電路如圖所示，與或非門電路與或門相比，輸入管T1和T

1都是多發(fā)射極的三極管，構(gòu)成與門電路，其輸出為3.3.3其他類型的TTL門電路3.與或非門異或門電路如圖所示，則注：與門和或門是在與非門和或非門的基礎(chǔ)上加了一級反相器構(gòu)成。異或門電路AB（A＋B）′3.3.3其他類型的TTL門電路4.異或門3.3.4三態(tài)輸出和集電極開路輸出的門電路三態(tài)門的用途TTL三態(tài)門除了電平轉(zhuǎn)換，也可以構(gòu)成數(shù)據(jù)的雙向傳輸和總線結(jié)構(gòu)，如圖如圖所示為OC門的電路和結(jié)構(gòu)和符號，輸出管的集電極開路3.3.4三態(tài)輸出和集電極開路輸出的門電路2.OC門的結(jié)構(gòu)特點若利用OC門實現(xiàn)線與功能，則將幾個OC門的輸出并聯(lián)起來用一個上拉電阻即可，如圖所