数字电路第五康华光逻辑门电路PPT课件

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1、13.1 MOS逻辑门逻辑门 数字集成电路简介数字集成电路简介 逻辑门的一般特性逻辑门的一般特性 MOS开关开关及其等效电路及其等效电路 CMOS反相器反相器 CMOS逻辑门电路逻辑门电路 CMOS漏极开路门和三态输出漏极开路门和三态输出门电路门电路 CMOS传输门传输门 CMOS逻辑门电路的技术参数逻辑门电路的技术参数第1页/共89页2数字集成电路简介数字集成电路简介概述概述: : TTLTTL电路问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成电路问世几十年来，经过电路结构的不断改进和集成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成工艺的逐步完善，至今仍广泛应用，几乎占据着数字集成电路领域

2、的半壁江山。电路领域的半壁江山。 把若干个把若干个有源器件有源器件和和无源器件无源器件及其及其连线连线，按照一定的功能，按照一定的功能要求，制做在同一块半导体芯片上，这样的产品叫要求，制做在同一块半导体芯片上，这样的产品叫集成电集成电路。路。若它完成的功能是逻辑功能或数字功能，若它完成的功能是逻辑功能或数字功能， 则称为则称为逻逻辑集成电路辑集成电路或或数字集成电路数字集成电路。最简单的数字集成电路是集最简单的数字集成电路是集成逻辑门成逻辑门。 集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两集成逻辑门，按照其组成的有源器件的不同可分为两大类：大类： 一类是一类是双极性晶体管逻辑门双极性晶体管逻

3、辑门；另一类是；另一类是单极性绝单极性绝缘栅场效应管逻辑门，简称缘栅场效应管逻辑门，简称MOSMOS门门。 双极性晶体管逻辑门主要有双极性晶体管逻辑门主要有TTLTTL门门( (晶体管晶体管- -晶体管逻辑门晶体管逻辑门) )、ECLECL门门( (射极耦合逻辑门射极耦合逻辑门) )和和IILIIL门门( (集成注入逻辑门集成注入逻辑门) )等。等。 单极性单极性MOSMOS门主要有门主要有PMOSPMOS门门(P(P沟道增强型沟道增强型MOSMOS管构成的管构成的逻辑门逻辑门) )、NMOSNMOS门门(N(N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管构成的逻辑门管构成的逻辑门) )和和CMOSCM

4、OS门门( (利用利用PMOSPMOS管和管和NMOSNMOS管构成的互补电路构成的门电管构成的互补电路构成的门电路，故又叫做互补路，故又叫做互补MOSMOS门。门。第2页/共89页31 1 、逻辑门、逻辑门: :实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。实现基本逻辑运算和复合逻辑运算的单元电路。2、 逻辑门电路的分类逻辑门电路的分类二极管门电路二极管门电路三极管门电路三极管门电路TTL门电路门电路MOS门电路门电路PMOS门门CMOS门门逻辑门电路逻辑门电路分立门电路分立门电路集成门电路集成门电路NMOS门门第3页/共89页4 根据制造工艺不同可分为根据制造工艺不同可分为单极型单极型和和双极

5、型双极型两大类。两大类。门电路中晶体管均工作在门电路中晶体管均工作在开关状态开关状态。首先介绍晶体管和场效应管的首先介绍晶体管和场效应管的开关特性开关特性。然后介绍两类门电路。然后介绍两类门电路。注意：各种门电路的工作原理，只要求注意：各种门电路的工作原理，只要求一般掌握一般掌握；而各；而各种门电路的种门电路的外部特性外部特性和和应用应用是要求是要求重点重点。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。当代门电路（所有数字电路）均已集成化。第4页/共89页5（1）CMOS集成电路集成电路: :广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路广泛应用于超大规模、甚大规模集成电路 4000 4000系列系列74HC

6、 74HCT74VHC 74VHCT速度慢速度慢与与TTL不不兼容兼容抗干扰抗干扰功耗低功耗低74LVC 74VAUC速度加快速度加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低速度两倍于速度两倍于74HC与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰抗干扰功耗低功耗低低低( (超低超低) )电压电压速度更加快速度更加快与与TTL兼容兼容负载能力强负载能力强抗干扰功耗低抗干扰功耗低 7474系列系列74LS系列74AS系列 74ALS（2）TTL 集成电路集成电路: :广泛应用于中大规模集成电路广泛应用于中大规模集成电路第5页/共89页6逻辑门电路的一般特性逻辑门电路的一般特性

7、 1. 1. 输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平 2. 2. 噪声容限噪声容限 3.3.传输延迟时间传输延迟时间 4. 4. 功耗功耗 5. 5. 延时延时 功耗积功耗积 6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数第6页/共89页7正逻辑：正逻辑：高电平表示高电平表示1 1，低电平表示，低电平表示0 0负逻辑：负逻辑：高电平表示高电平表示0 0，低电平表示，低电平表示1 11. 1. 输入和输出的高、低电平输入和输出的高、低电平第7页/共89页8 vO vI 驱动门G1 负载门G2 1 1 输出高电平的下限值输出高电平的下限值 VOH(min)输入低电平的上限值输入低电平的上限值 VIL(

8、max)输入高电平的下限值输入高电平的下限值 VIH(min)输出低电平的上限值输出低电平的上限值 VOL(max)输出输出高电平高电平+VDD VOH(min)VOL(max) 0 G1门vO范围范围 vO 输出输出低电平低电平 输入输入高电平高电平VIH(min) VIL(max) +VDD 0 G2门vI范围范围 输入输入低电平低电平 vI 第8页/共89页9VNH 当前一级门输出高电平的最小当前一级门输出高电平的最小值时值时允许负向噪声电压的最大值允许负向噪声电压的最大值。负载门输入高电平时的噪声容限：负载门输入高电平时的噪声容限：VNL 当前一级门输出低电平的最大当前一级门输出低电平

9、的最大值时值时允许正向噪声电压的最大值允许正向噪声电压的最大值负载门输入低电平时的噪声容限负载门输入低电平时的噪声容限：2. 噪声容限噪声容限VNH =VOH(min)VIH(min) VNL =VIL(max)VOL(max) 在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。在保证输出电平不变的条件下，输入电平允许波动的范围。它表示门电路的抗干扰能力。它表示门电路的抗干扰能力。 1 驱动门 vo 1 负载门 vI 噪声 第9页/共89页10类型参数74HCVDD=5V74HCTVDD=5V74LVCVDD=3.3V74AUCVDD=1.8VtPLH或tPHL(ns)782.10.93.传

10、输延迟时间传输延迟时间 传输延迟时间是表征门电路开关速度传输延迟时间是表征门电路开关速度的参数，它说明门电路在输入脉冲波的参数，它说明门电路在输入脉冲波形的作用下，其输出波形相对于输入形的作用下，其输出波形相对于输入波形延迟了多长的时间波形延迟了多长的时间。CMOS电路传输延迟时间电路传输延迟时间 tPHL 输出 50% 90% 50% 10% tPLH tf tr 输入 50% 50% 10% 90% 第10页/共89页114. 4. 功耗功耗静态功耗：静态功耗：指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时指的是当电路没有状态转换时的功耗，即门电路空载时电源总电流电源总电流ID与电源电压

11、与电源电压VDD的乘积。的乘积。5. 5. 延时延时 功耗积功耗积是速度功耗综合性的指标是速度功耗综合性的指标. .延时延时 功耗积功耗积，用符号，用符号DP表示表示扇入数：扇入数：取决于逻辑门的输入端的个数。取决于逻辑门的输入端的个数。如：一个如：一个3 3输入端的与非门，其扇入数输入端的与非门，其扇入数N NI I为为3 3。6. 6. 扇入与扇出数扇入与扇出数动态功耗：动态功耗：指的是电路在输出状态转换时的功耗，指的是电路在输出状态转换时的功耗，对于对于TTL门电路来说，静态功耗是主要的。门电路来说，静态功耗是主要的。CMOS电路的静态功耗非常低，电路的静态功耗非常低，CMOS门电路有动

12、态功耗门电路有动态功耗第11页/共89页12扇出数：扇出数：是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。是指其在正常工作情况下，所能带同类门电路的最大数目。（a)a)带拉电流负载带拉电流负载 当驱动门输出高电平时，将有电流当驱动门输出高电平时，将有电流I IOHOH从驱动门拉出而流入从驱动门拉出而流入负载门。若负载门的个数增加，总的拉电流将增加，会引起输负载门。若负载门的个数增加，总的拉电流将增加，会引起输出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制出高电压的降低。但不得低于输出高电平的下限值，这就限制了负载门的个数。了负载门的个数。)(I)(IN负载门负载门驱动门驱动门IH

13、OHOH 高电平高电平扇出数扇出数:IOH : :驱动门输出端的高电平电流驱动门输出端的高电平电流IIH : :负载门的输入电流。负载门的输入电流。负载门的输入电流负载门的输入电流第12页/共89页13(b)带灌电流负载带灌电流负载)(I)(IN负负载载门门驱驱动动门门ILOLOL 当驱动门输出低电平时，负载电流当驱动门输出低电平时，负载电流I IOLOL流入驱动门，它是负流入驱动门，它是负载门输入端电流载门输入端电流I IILIL之和。当负载门的个数增加时，总的灌电流之和。当负载门的个数增加时，总的灌电流I IOLOL将增加，同时也将引起输出低电压将增加，同时也将引起输出低电压V VOLOL

14、的升高。的升高。 故当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值故当输出为低电平，并且保证不超过输出低电平的上限值时，驱动门所能驱动同类门的个数为：时，驱动门所能驱动同类门的个数为：IOL ：驱动门的输出低电平电流：驱动门的输出低电平电流IIL ：负载门输入端电流：负载门输入端电流一般要计算才能得到扇出数，详见教材一般要计算才能得到扇出数，详见教材7474页。页。第13页/共89页14电路类型电源电压/V传输延迟时间/ns静态功耗/mW功耗延迟积/mW-ns直流噪声容限 输出逻辑摆幅/VVNL/VVNH/VTTLCT54/74510151501.22.23.5CT54LS/74LS57.5

15、2150.40.53.5HTL158530255077.513ECLCE10K系列5.2225500.1550.1250.8CE100K系列4.50.7540300.1350.1300.8CMOSVDD=5V5455103225 1032.23.45VDD=15V151215103180 1036.59.015高速CMOS5811038 1031.01.55各类数字集成电路主要性能参数的比较各类数字集成电路主要性能参数的比较第14页/共89页15 MOS开关及其等效电路开关及其等效电路：MOS管工作在可变电阻区，输出低电平管工作在可变电阻区，输出低电平: : MOS管截止，管截止， 输出高电平

16、输出高电平（1 1）当）当I VT（a a）N N沟道沟道MOSMOS管开关电路管开关电路（b b）N N沟道沟道MOSMOS管的输出特性曲线管的输出特性曲线：i iD D = f = f (V(VDSDS) ) 对应不同的对应不同的V VGSGS下的一组曲线下的一组曲线。Vi=VGs.Vo=VDs漏极漏极d栅极栅极g源极源极s开启电压（阀值电压）：开始形成沟道时的栅极电压。开启电压（阀值电压）：开始形成沟道时的栅极电压。VoVo（V Vdsds）与）与i iD D（漏极和源极（漏极和源极之间的电流）之间的关系之间的电流）之间的关系直流负载线直流负载线：VGSVT，iD = 0, : :i i

17、D D 基本上由基本上由V VGSGS决定，决定，与与V VDSDS 关系不大关系不大: :当VDS 较低（近似为0）,VGS 一定时, 这个电阻受VGS 控制、可变。常数（电阻）DDSiV(恒流区恒流区)1.MOS1.MOS管的开关作用管的开关作用第15页/共89页16故：故：MOS管管D-S间相当于一个由间相当于一个由VI（vGS）控制的无触点开关。控制的无触点开关。MOS管工作在可变电阻区，相管工作在可变电阻区，相当于开关当于开关“闭合闭合”，输出为低电平。，输出为低电平。MOS管截止，相当于开关管截止，相当于开关“断开断开”，输出为高电平。，输出为高电平。a.当输入为低电平时：当输入为

18、低电平时：b.当输入为高电平时：当输入为高电平时：MOSMOS管输入波形管输入波形MOSMOS管输出波形管输出波形2.MOS2.MOS管的开关特性管的开关特性见右图：由于见右图：由于MOSMOS管的中电容的存管的中电容的存在，使其在导通和闭合两状态间转在，使其在导通和闭合两状态间转换时，会受到电容充放电过程的影换时，会受到电容充放电过程的影响。故输出电压的波形与输入端的响。故输出电压的波形与输入端的理想波形已不一样。（理想波形已不一样。（上下沿变缓；上下沿变缓；滞后滞后）第16页/共89页171.1.工作原理工作原理N N沟道管开启电压沟道管开启电压V VGS(th)NGS(th)N记为记为V

19、 VTNTN; ;P P沟道管开启电压沟道管开启电压V VGS(th)PGS(th)P记为记为V VTPTP; ;要求满足要求满足V VDDDD V VTNTN+|V+|VTPTP|;|;输入低电平为输入低电平为0V0V；高电平为；高电平为V VDDDD; ;（1 1）输入为低电平）输入为低电平0V0V时；时；T T2 2截止；截止；T T1 1导通。导通。i iD D = 0 = 0， =V=VDDDD; ;O（2 2）输入为高电平）输入为高电平V VDDDD时；时；T T1 1截止；截止；T T2 2导通。导通。i iD D = 0 = 0， =0V;=0V;O结论：输入与输出间是逻辑非关

20、系。结论：输入与输出间是逻辑非关系。反相器反相器由由N N沟道和沟道和P P沟道两种沟道两种MOSFETMOSFET组成的电路称为组成的电路称为互补互补MOSMOS或或CMOSCMOS电路电路。TPTN栅极接栅极接在一起在一起漏极接漏极接在一起在一起第17页/共89页18 特点：特点：静态功耗近似为静态功耗近似为0 0；电；电源电压可在很宽的范围内选取。源电压可在很宽的范围内选取。 在正常工作状态，在正常工作状态，T T1 1与与T T2 2轮轮流导通，即所谓流导通，即所谓互补互补状态。状态。 CC4000 CC4000系列系列CMOSCMOS电路的电路的V VDDDD可可在在3 318V18

21、V之间选取。之间选取。第18页/共89页19AL1+VDD+10VD1S1vivOTNTPD2S20V+10VvivGSNvGSPTNTPvO0 V 0V-10V截止截止导通导通 10 V10 V 10V 0V导通导通截止截止0 V若若VTN = 2 V，VTP = 2 V，逻辑图逻辑图AL 逻辑表达式逻辑表达式vi (A)0vO(L)1逻辑真值表逻辑真值表10)(TPTNDDVVV有：有：第19页/共89页20P沟道沟道MOS管输出特性曲线管输出特性曲线输入高电平时的工作情况输入高电平时的工作情况输入低电平时的工作情况输入低电平时的工作情况TP为负载管时：为负载管时：第20页/共89页21V

22、TN)v(fvIO 电压传输特性电压传输特性2. 2. 电压传输特性和电流传输特性电压传输特性和电流传输特性T2截止，T1导通。T1截止，T2导通总有一只总有一只MOSMOS管截止，管截止，故故iD接近接近0 0值值总有一个总有一个MOSMOS管工作在饱管工作在饱和区，另一个管工作在和区，另一个管工作在可变电阻区。故可变电阻区。故i iD D较大较大功耗大阈值电压阈值电压为阈值电压为V VDDDD 的一半，特性对称的一半，特性对称特点：特点：转折区变化率大，特性更接近理想开关。转折区变化率大，特性更接近理想开关。输入电压为输入电压为V VDDDD/2/2时，时，i iD D较大，因较大，因此不

23、应使其长期工作在此不应使其长期工作在CDCD段。段。 在动态情况下，电路的状在动态情况下，电路的状态会通过态会通过BEBE段，使动态功耗不段，使动态功耗不为为0 0；而且输入信号频率越高，；而且输入信号频率越高，动态功耗也越大，这成为限制动态功耗也越大，这成为限制电路扇出系数的主要因素。电路扇出系数的主要因素。第21页/共89页223.CMOS3.CMOS反相器的工作速度反相器的工作速度 由于电路具有互补对称的性质，它的由于电路具有互补对称的性质，它的开通时间（充电过程）开通时间（充电过程）与与关闭时间关闭时间（放电过程）（放电过程）是相等的。平均延迟时间：是相等的。平均延迟时间：10 ns。

24、 CMOSCMOS反相器用于驱动其他反相器用于驱动其他MOSMOS器件时，带电容负载。器件时，带电容负载。负载电容负载电容充电充电第22页/共89页23A BTN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止 导通导通 截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止 截止截止导通导通导通导通1110与非门与非门1.CMOS 1.CMOS 与非门与非门vA+VDD+10VTP1TN1TP2TN2ABLvBvLAB&VTN = 2 VVTP = 2 V0V10VN输入的与非门的电路输入的与非门的电路?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题

25、?逻辑门逻辑门详见教材详见教材8080页页特点：特点：N N沟道管串联、沟道管串联、P P沟道管并联沟道管并联。L=AB第23页/共89页24或非门或非门BAL 2.2.CMOS 或非门或非门+VDD+10VTP1TN1TN2TP2ABLA B TN1 TP1 TN2 TP2L0 00 11 01 1截止截止导通导通截止截止导通导通 导通导通导通导通导通导通截止截止截止截止导通导通截止截止截止截止截止截止截止截止导通导通导通导通1000AB10V10VVTN = 2 VVTP = 2 VN输入的或非门的电路的结构输入的或非门的电路的结构?输入端增加有什么问题输入端增加有什么问题?特点：特点：N

26、 N沟道管并联、沟道管并联、P P沟道管串联。沟道管串联。详见教材80页第24页/共89页253. 异或门电路异或门电路BA BABAXBAL BABA BA =A B第25页/共89页264.4.输入保护电路和缓冲电路输入保护电路和缓冲电路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 基基本本逻逻辑辑功功能能电电路路 输输入入保保护护缓缓冲冲电电路路 输输出出缓缓冲冲电电路路 vi vo CMOS CMOS逻辑门通常要接输入、输出保护电路和缓冲电路，以规逻辑门通常要接输入、输出保护电路和缓冲电路，以规范电路的输入和输出逻辑电平。即采用缓冲电路能统一参数，使范电路的输入和输出逻辑电平。即采用缓冲电路能统

27、一参数，使不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。不同内部逻辑集成逻辑门电路具有相同的输入和输出特性。二极管保护电路二极管保护电路静电保护二极管静电保护二极管第26页/共89页27（1 1）输入端保护电路）输入端保护电路: :(a) 0 vI VDD + vDF 二极管导通电压：二极管导通电压：vDF(c) vI iB0条件饱 和放 大截 止工作状态1.BJT1.BJT的开关条件的开关条件 0 iB CSI CSI第43页/共89页442. BJT2. BJT的开关时间的开关时间从截止到导通从截止到导通开通时间开通时间ton(=td+tr)从导通到截止从导通到截止关闭时间关闭时间t

28、off(= ts+tf)BJT饱和与截止两种状态的相饱和与截止两种状态的相互转换需要一定的时间才能完成。互转换需要一定的时间才能完成。第44页/共89页45CL的充、放电过程均需经历一定的充、放电过程均需经历一定的时间，必然会增加输出电压的时间，必然会增加输出电压 O波波形的上升时间和下降时间，导致基形的上升时间和下降时间，导致基本的本的BJT反相器的开关速度不高。反相器的开关速度不高。基本基本BJTBJT反相器的动态性能反相器的动态性能若带电容负载若带电容负载故需设计有较快开关速度的实用型故需设计有较快开关速度的实用型TTL门电路。门电路。 第45页/共89页46输出级输出级T3、D、T4和

29、和Rc4构构成推拉式的输出级。成推拉式的输出级。用于提高开关速度用于提高开关速度和带负载能力。和带负载能力。中间级中间级T2和电阻和电阻Rc2、Re2组成，从组成，从T2的集电结和发射的集电结和发射极同时输出两个相极同时输出两个相位相反的信号，作位相反的信号，作为为T T3 3和和T T4 4输出级的输出级的驱动信号；驱动信号； Rb1 4k W Rc2 1.6k W Rc4 130 W T4 D T2 T1 + vI T3 + vO 负载 Re2 1K W VCC(5V) 输入级输入级 中间级中间级输出级输出级 反相器的基本电路反相器的基本电路1. 1. 电路组成电路组成输入级输入级T1和电

30、阻和电阻Rb1组成。用于提组成。用于提高电路的开关速度高电路的开关速度第46页/共89页472. TTL2. TTL反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善）反相器的工作原理（逻辑关系、性能改善） （1 1）当输入为低电平（）当输入为低电平（ I I = 0.2 V）mA 0251 1B1CCB1.RvVi 0 BS1 IBS1B1IiT1 深度饱和深度饱和V 3.6V 70705DBE4B4O ).(vvvv截止导通导通截止饱和低电平T4D4T3T2T T1 1输入高电平输出输出T2 、 T3截止，截止，T4 、D导通导通第47页/共89页48（2）当输入为高电平（）当输入为高电平（ I = 3

31、.6 V） T2、T3饱和导通饱和导通 T1:倒置的放大状态。倒置的放大状态。 T4和和D截止。截止。使输出为低电平使输出为低电平.vO=vC3=VCES3=0.2V第48页/共89页49输入A输出L0110逻辑真值表逻辑真值表 逻辑表达式逻辑表达式 L = A 饱和截止T4低电平截止截止饱和倒置工作高电平高电平导通导通截止饱和低电平输出D4T3T2T1输入第49页/共89页50（3 3 ）采用输入级以提高工作速度）采用输入级以提高工作速度 当当TTL反相器反相器 I由由3.6V变变0.2V的瞬间的瞬间 T2、T3管的状态变化滞管的状态变化滞后于后于T1管，仍处于导通管，仍处于导通状态。状态。

32、T1管管Je正偏、正偏、Jc反偏，反偏， T1工作在放大状态。工作在放大状态。T1管射极电流（管射极电流（1+ 1 ） iB1很快地从很快地从T2的基区抽的基区抽走多余的存储电荷走多余的存储电荷,从而从而加速了输出由低电平到加速了输出由低电平到高电平的转换。高电平的转换。 第50页/共89页51（4 4）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力）采用推拉式输出级以提高开关速度和带负载能力当当 O=0.2V时时当输出为低电平时，当输出为低电平时，T4截止，截止，T3饱和导通，其饱和电流全饱和导通，其饱和电流全部用来驱动负载部用来驱动负载a)带负载能力带负载能力第51页/共89页52当当 O O

33、=3.6V=3.6V时时 O由低到高电平跳变的瞬间，由低到高电平跳变的瞬间，CL充电，其时间常数很小使充电，其时间常数很小使输出波形上升沿陡直。而当输出波形上升沿陡直。而当 O由高变低后，由高变低后， CL很快放电，很快放电，输出波形的下降沿也很好。输出波形的下降沿也很好。 T T3 3截止，截止，T T4 4组成的电压跟随组成的电压跟随器的输出电阻很小，输出高器的输出电阻很小，输出高电平稳定，带负载能力也较电平稳定，带负载能力也较强。强。输出端接负载输出端接负载电容电容CL时时，b)输出级对提高开关速度的作用输出级对提高开关速度的作用第52页/共89页531. TTL与非门电路与非门电路多发

34、射极多发射极BJT T1e e bc eeb cA& BALB TTL逻辑门电路逻辑门电路第53页/共89页54TTLTTL与非门电路的工作原理与非门电路的工作原理 任一输入端为低电平时:TTL与非门各级工作状态与非门各级工作状态 IT1T2T4T5O输入全为高电平 (3.6V)倒置使用的放大状态饱和截止饱和低电平（0.2V）输入有低电平 (0.2V)深饱和截止放大截止高电平（3.6V）当全部输入端为高电平时：当全部输入端为高电平时： 输出低电平 输出高电平 第54页/共89页552. TTL或非门或非门 若若A、B中有一个为高电平中有一个为高电平:若若A、B均为低电平均为低电平:T2A和和T

35、2B均将截止，均将截止，T3截止。截止。 T4和和D饱和，饱和，输出为高电平。输出为高电平。T2A或或T2B将饱和，将饱和，T3饱和，饱和，T4截止，截止，输出为低电平。输出为低电平。BAL 逻辑表达式逻辑表达式第55页/共89页56vOHvOL输出为低电平输出为低电平的逻辑门输出的逻辑门输出级的损坏级的损坏集电极开路门和三态门电路集电极开路门和三态门电路1.1.集电极开路门电路集电极开路门电路 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C T1 T2 D Re2 1k T3 VCC(5V) Rb1 4k Rc2 1.6k Rc4 130 T4 A B C

36、T1 T2 D Re2 1k T3 第56页/共89页57a） 集电极开路与非门电路集电极开路与非门电路b） 使用时的外电路连接使用时的外电路连接C） 逻辑功能逻辑功能L = A BOC门输出端连接实现线与门输出端连接实现线与VCC T1 Re2 Rc2 Rc4 Rb1 T2 T3 T4 D A B L VCC T1 Re2 Rc2 Rb1 T2 T3 A B L VCCC D RP VDD L A B & & 第57页/共89页582. 三态与非门三态与非门(TSL ) 当当CS= 3.6V时时CS数据输入端输出端LAB10010111011100三态与非门真值表三态与非门真值表 第58页/

37、共89页59当当CS= 0.2V时时CS数据输入端输出端LAB10010111011100高阻高电平高电平使能使能高阻状态高阻状态与非逻辑与非逻辑 ZL ABLCS = 0_CS =1真值表真值表逻辑符号逻辑符号ABCS & L EN第59页/共89页60特点特点: :功耗低、速度快、驱动力强功耗低、速度快、驱动力强门电路门电路 I I为高电平为高电平: :MN、M1和和T2导通，导通，MP、M2和和T1截止，输出截止，输出 O O为低电平。为低电平。工作原理工作原理: :M1的导通的导通, , 迅速拉走迅速拉走T1的基区存储的基区存储电荷电荷; ; M2截止截止, , MN的输出电流全的输出

38、电流全部作为部作为T2管的驱动电流管的驱动电流, , M1 、 M2加快输出状态的转换加快输出状态的转换第60页/共89页61 I I为低电平为低电平: :MP、M2和和T1导通，导通，MN、M1和和T2截止，输出截止，输出 O O为高电平。为高电平。T2基区的存储电荷通过基区的存储电荷通过M2而消散。而消散。 M1 、 M2加快输出状态的转换加快输出状态的转换电电路的开关速度可得到改善路的开关速度可得到改善M1截止，截止，MP的输出的输出电流全部作为电流全部作为T1的驱动电流。的驱动电流。第61页/共89页623.33.3射极耦合逻辑门电路（略）射极耦合逻辑门电路（略）3.43.4砷化镓逻辑

39、门电路（略）砷化镓逻辑门电路（略）第62页/共89页63正负逻辑问题正负逻辑问题3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题基本逻辑门的等效符号及其应用基本逻辑门的等效符号及其应用第63页/共89页64正负逻辑问题正负逻辑问题1. 1. 正负逻辑的规定正负逻辑的规定 0 01 1 1 10 0正逻辑正逻辑负逻辑负逻辑3.5 逻辑描述中的几个问题逻辑描述中的几个问题正逻辑体制正逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑1 1表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑0 0表示表示负逻辑体制负逻辑体制: :将高电平用逻辑将高电平用逻辑0 0表示，低电平用逻辑表示，低电平用逻辑1 1表示表示第64页/

40、共89页65 A B L 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 _与非门与非门A B L 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 某电路输入与输出电平表某电路输入与输出电平表A B L L L H L H H H L H H H L 采用正逻辑采用正逻辑_或非门或非门采用负逻辑采用负逻辑与非与非 或非或非负逻辑负逻辑 正逻辑正逻辑2. 正负逻辑等效变换正负逻辑等效变换 与与 或或非非 非非第65页/共89页66基本逻辑门电路的等效符号及其应用基本逻辑门电路的等效符号及其应用1.基本逻辑门电路的等效符号基本逻辑门电路的等效符号ABL LA B & B A 与非门及其等效符号与非

41、门及其等效符号 B A BAL 1 系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。系统输入信号中，有的是高电平有效，有的是低电平有效。 低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有效，输入端不加低电平有效，输入端加小圆圈；高电平有效，输入端不加小圆圈。小圆圈。BA 第66页/共89页67BABAL B A LAB 1 或非门及其等效符号或非门及其等效符号BAL & B A 第67页/共89页68 & B A B A ABBAL 1 L=AB BABAL B A 1 & B A L=A+B BAABL BABAL 第68页/共89页69 & B A L 1 & B A & B A L 1 & B

42、A & B A L & & B A 2.逻辑门等效符号的应用逻辑门等效符号的应用 利用逻辑门等效符号，可实现对逻辑电路进行变换，利用逻辑门等效符号，可实现对逻辑电路进行变换，以简化电路，能减少实现电路的门的种类。以简化电路，能减少实现电路的门的种类。LA B & B A 第69页/共89页70 RE & 1 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IC L EN AL G1 G2 控制电路控制电路0 AL1 RE3.逻辑门等效符号强调低电平有效逻辑门等效符号强调低电平有效L=0下图是一个可以控制数据传输的电路。下图是一个可以控制数据传输的

43、电路。允许信号允许信号请求信号请求信号输入、输出均为低有效的与门实际是或门的等效符号，输入、输出均为低有效的与门实际是或门的等效符号，在此用等效符号是为了强调在此用等效符号是为了强调低电平有效低电平有效有效输出信号有效输出信号有效输入信号有效输入信号详见教材详见教材110-111页描述。页描述。第70页/共89页71 RE & L G2 AL & AL G2 L RE & AL G2 L RE 如如RE、AL都要求高电平有效，都要求高电平有效，EN高电平有效高电平有效如如RE、AL都要求低电平有效，都要求低电平有效，EN高电平有效高电平有效如如RE、AL都要求高电平有效，都要求高电平有效，EN

44、低电平有效低电平有效可用或非可用或非门实现门实现第71页/共89页723.6 逻辑门电路使用中的几个实际问题逻辑门电路使用中的几个实际问题 各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题 门电路带负载时的接口问题门电路带负载时的接口问题第72页/共89页73 （1）驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电驱动器件的输出电压必须处在负载器件所要求的输入电压范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。压范围，包括高、低电压值（属于电压兼容性的问题）。 在数字电路或系统的设计中，往往将在数字电路或系统的设计中，往往将TTL和和CMOS两种两种器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要

45、求。由于器件混合使用，以满足工作速度或者功耗指标的要求。由于每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连每种器件的电压和电流参数各不相同，因而在这两种器件连接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件：接时，要满足驱动器件和负载器件以下两个条件： （2）驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和驱动器件必须对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流灌电流（属于门电路的扇出数问题）。（属于门电路的扇出数问题）。各种门电路之间的接口问题各种门电路之间的接口问题1.1.驱动器件和负载器件连接时要满足的两个条件驱动器件和负载器件连接时要满足的两个条件第73页/共89页74vOvI驱动门 负载门1 1

46、VOH(min)vO VOL (max) vI VIH(min)VIL (max ) （1）负载器件所要求的输入电压）负载器件所要求的输入电压VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)第74页/共89页75灌电流灌电流IILIOLIIL拉电流拉电流IIHIOHIIH101111n个个011101n个个（2）对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流）对负载器件提供足够大的拉电流和灌电流 IOH(max) IIH(total)IOL(max) IIL(total)第75页/共89页76 （2）驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动电流。）驱动电路必须能为负载电路提供足够的驱动

47、电流。 驱动电路驱动电路 负载电路负载电路1）VOH(min) VIH(min)2）VOL(max) VIL(max)4） IOL(max) IIL(total) （1）驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、）驱动电路必须能为负载电路提供合乎相应标准的高、低电平；低电平； IOH(max) IIH(total)3） 结论：结论：第76页/共89页772. CMOS门驱动门驱动TTL门门VOH（min)=4.9V VOL(max) =0.1VTTL门（门（74系列）系列）： VIH(min) = 2V VIL(max )= 0.8VIOH（max)=-0.51mAIIH（max)=20

48、AVOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)带拉电流负载带拉电流负载输出、输入电压输出、输入电压带灌电流负载带灌电流负载?T3 VCC VDD T4 R1 R2 R3 T1 T2 CMOS门(4000系列）：IOL（max)=0.51mAIIL（max)=-0.4mA，IOH(max) IIH(total)第77页/共89页78例例 用一个用一个74HC00与非门电路驱动一个与非门电路驱动一个74系列系列TTL反反相器和六个相器和六个74LS系列逻辑门电路。试验算此时的系列逻辑门电路。试验算此时的CMOS门电路是否过载？门电路是否过载？VOH（min)=3.84V，

49、VOL(max) =0.33VIOH（max)=-4mAIOL（max)=4mA 74HC00：IIH（max)=0.04mAIIL（max)=1.6mA74系列：系列：VIH（min)=2V， VIL(max) =0.8V&111CMOS门门74系列系列74LS74LS系列系列74LS系列系列IIL（max)=-0.4mA，IIH（max)=0.02mA，VOH(min) VIH(min)VOL(max) VIL(max)第78页/共89页79总的输入电流总的输入电流IIL(total)=1.6mA+6 0.4mA=4mA灌电流情况灌电流情况 拉电流情况拉电流情况 74HC00: IOH(m

50、ax)=4mA74系列反相器系列反相器: IIH(max)=0.04mA74LS门：门： IIH(max)=0.02mA总的输入电流总的输入电流IIH(total)=0.04mA+6 0.02mA=0.16mA 74HC00: IOL(max)=4mA74系列反相器系列反相器: IIL(max)=1.6mA74LS门：门： IIL(max)=0.4mA 故故CMOS驱动驱动TTL门电路未过载门电路未过载。但。但灌电流灌电流时刚满足条件，而在实际设计中要考虑留出一定时刚满足条件，而在实际设计中要考虑留出一定的余量，即需要增加带灌电流的能力。可在的余量，即需要增加带灌电流的能力。可在CMOS门后加

51、一个门后加一个TTL系列的同相缓冲器（因其系列的同相缓冲器（因其IOL(max)比比CMOS的的IOL(max) 大的多大的多）作驱动器。作驱动器。&111CMOS门门 74系列系列74LS74LS系列系列第79页/共89页803. 3. TTL门驱动门驱动CMOS门门(如如74HC ）VOH(min)= =2.7V VIH(min)为为3.5VTTL（74LS ）： CMOS（7474HC）：其他参数其他参数都能满足，只有都能满足，只有 VOH(min) VIH(min)不满足。为解决该不满足。为解决该问题，常在问题，常在TTL输出端与输出端与+5V电源之间接一个上拉电阻电源之间接一个上拉电

52、阻RP。（ IO ：TTL输出级输出级T3截止管的漏电流）截止管的漏电流）IHOOHn(IIRVVPDD 因这两个电流都很小，如因这两个电流都很小，如RPRP取值不大，该项可忽略取值不大，该项可忽略第80页/共89页81结论：结论： TTL TTL驱动驱动74HCT74HCT系列系列CMOSCMOS时，不需另加接口电路。即常常时，不需另加接口电路。即常常用用74HCT74HCT系列器件当接口电路，以省去上拉电阻。系列器件当接口电路，以省去上拉电阻。第81页/共89页821. 用门电路直接驱动显示器件用门电路直接驱动显示器件门电路带负载时的接口电路门电路带负载时的接口电路LED R vI 1 D

53、FOHIVVR DOLFCCIVVVR 门电路的输入为低电平，输出为高电平时，门电路的输入为低电平，输出为高电平时，LED发光发光当输入信号为高电平，输出为低电平时当输入信号为高电平，输出为低电平时,LED发光发光 VCC LED R vI 1 限流电阻：限流电阻：LEDLED的正向压降的正向压降LEDLED的电流的电流第82页/共89页83解：解：LED正常发光需要几正常发光需要几mA的电流，并且导通时的压降的电流，并且导通时的压降VF为为1.6V。根据附录。根据附录A查得，当查得，当VCC=5V时，时，VOL=0.1V，IOL(max)=4mA，因此因此ID取值不能超过取值不能超过4mA。

54、限流电阻的最小值为。限流电阻的最小值为825mA4V10615 ).(R例例 试用试用74HC04六个六个CMOS反相器中的一个作为接口电路，反相器中的一个作为接口电路，使门电路的输入为高电平时，使门电路的输入为高电平时，LED导通发光。导通发光。第83页/共89页842. 2. 机电性负载接口机电性负载接口继电器继电器 限流电阻限流电阻 vI 1 1 用各种数字电路来控制机电性系统的功能用各种数字电路来控制机电性系统的功能, ,而机电系统所而机电系统所需的工作电压和工作电流比较大。要使这些机电系统正常工作，需的工作电压和工作电流比较大。要使这些机电系统正常工作，必须扩大驱动电路的输出电流以提

55、高带负载能力，而且必要时必须扩大驱动电路的输出电流以提高带负载能力，而且必要时要实现电平转移。要实现电平转移。 如果负载所需的电流不特别大，可以将两个反相器并联如果负载所需的电流不特别大，可以将两个反相器并联作为驱动电路，并联后总的最大负载电流略小于单个门最大作为驱动电路，并联后总的最大负载电流略小于单个门最大负载电流的两倍。负载电流的两倍。 如果负载所需的电流比较大，则需要在数字电路的输出端如果负载所需的电流比较大，则需要在数字电路的输出端与负载之间接入一个功率驱动器件（与负载之间接入一个功率驱动器件（外围外围驱动器件驱动器件）。）。继电器驱继电器驱动电路动电路第84页/共89页853.7

56、3.7 使用数字集成电路的注意事项使用数字集成电路的注意事项一、一、TTLTTL集成电路集成电路1.TTLTTL输出端输出端 输出端（输出端（OCOC门和三态门除外）不允许并联使用，也不门和三态门除外）不允许并联使用，也不允许直接与允许直接与+5V+5V电源或地线连接，否则会使电路的逻辑混乱电源或地线连接，否则会使电路的逻辑混乱并损坏器件。并损坏器件。2.TTL2.TTL输入端输入端 输入端外接电阻需慎重，否则会影响电路的正常工作。输入端外接电阻需慎重，否则会影响电路的正常工作。3.3.电源滤波电源滤波 TTLTTL电路的高速切换将产生电流跳变，其幅度约为电路的高速切换将产生电流跳变，其幅度约

57、为4-4-5mA5mA，该电流在公共走线上的压降会引起噪声，因此要尽量，该电流在公共走线上的压降会引起噪声，因此要尽量缩短地线，减小干扰。缩短地线，减小干扰。4.4.严禁带电操作严禁带电操作 要在电路切断电源的时候，插拔和焊接集成电路块，要在电路切断电源的时候，插拔和焊接集成电路块，否则容易引起集成电路块的损坏。否则容易引起集成电路块的损坏。第85页/共89页86二、二、CMOSCMOS集成电路集成电路 1.1.防静电防静电 在存放、运输、高温老化过程中，在存放、运输、高温老化过程中，CMOSCMOS器件应收藏器件应收藏于金属铝箔盒内或用金属铝箔包装，防止外来感应电势于金属铝箔盒内或用金属铝箔

58、包装，防止外来感应电势将栅极击穿。将栅极击穿。2.2.电烙铁的使用电烙铁的使用 焊接焊接CMOSCMOS电路时，不能使用电路时，不能使用25W25W以上的电烙铁，且以上的电烙铁，且烙铁外壳必须接地良好。不要使用焊油膏，焊接时间不烙铁外壳必须接地良好。不要使用焊油膏，焊接时间不宜过长。宜过长。3.3.电源电源 V VDDDD 接电源正极，接电源正极，V VSSSS接电源负极（通常接地）接电源负极（通常接地）, ,不不允许反接。在装接电路、插拔电路器件时，必须切断电允许反接。在装接电路、插拔电路器件时，必须切断电源，严禁带电操作。源，严禁带电操作。第86页/共89页874.4.输入信号输入信号 器

59、件的输入信号器件的输入信号 不允许超出电源电压范围不允许超出电源电压范围: :或者说输入端的电流不得超过额定电流，若不能保证这一点，或者说输入端的电流不得超过额定电流，若不能保证这一点，必须在输入端串联限流电阻起保护作用。必须在输入端串联限流电阻起保护作用。CMOSCMOS电路的电路的电源电电源电压应先接通压应先接通，然后再输入信号，否则会破坏输入端的结构。，然后再输入信号，否则会破坏输入端的结构。关断电源电压之前，应关断电源电压之前，应先去掉输入信号先去掉输入信号。5.5.接地接地 所有测试仪器、外壳必须良好接地。寻找故障时，若需所有测试仪器、外壳必须良好接地。寻找故障时，若需将将CMOSC

60、MOS电路的输入端与前级输出端脱开，也应用电路的输入端与前级输出端脱开，也应用 的电阻将输入端与地或电源相连。的电阻将输入端与地或电源相连。 iVSSDDVVWk10050第87页/共89页881.1.对于与非门及与门，多余输入端对于与非门及与门，多余输入端应接高电平，比如直接接电源正端，应接高电平，比如直接接电源正端，或通过一个上拉电阻（或通过一个上拉电阻（1 13kW3kW）接电源正端；在前级驱动能力允许接电源正端；在前级驱动能力允许时，也可以与有用的输入端并联使时，也可以与有用的输入端并联使用。用。2.2.对于或非门及或门，多余输入端对于或非门及或门，多余输入端应接低电平，比如直接接地；也可应接低电平，比如直接接地；也可以与有用的输入端并联使用。以与有用的输入端并联使用。三、多余输入端的处理：三、多余输入端的处理：V&CCBA&AB（a）（b）1ABBA（a）（b）1第88页/共89页89感谢您的观看！第89页/共89页