第3章邏輯門電路

1、數(shù) 字 電 子 技 術(shù)第3章 邏輯門電路 范立南范立南 田丹田丹 李雪飛李雪飛 張明張明 編著編著清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社本章知識結(jié)構(gòu)圖 實例分析邏輯門電路半導(dǎo)體的開關(guān)特性分立元件門電路集成邏輯門電路邏輯描述問題使用注意事項 CMOS門電路TTL門電路第3章 邏輯門電路3.1 概述 3.2 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性 3.3 分立元件門電路3.4 MOS邏輯門電路3.5 TTL邏輯門電路3.6 邏輯描述中的幾個問題 3.7 邏輯門電路使用中的幾個實際問題 3.8 實例電路分析：水位指示器電路 3.1 概述 本章將從半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識出發(fā)介紹二極管、三極管和MOS管在開關(guān)狀態(tài)下的工作特性。重點講解目前

2、應(yīng)用廣泛的CMOS門電路和TTL門電路，以及邏輯門電路在實際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。3.2 半導(dǎo)體器件的開關(guān)特性 3.2.1 半導(dǎo)體二極管的開關(guān)特性 硅二極管的伏安特性曲線 二極管具有單向?qū)щ娦?3.2.2 晶體三極管的開關(guān)特性三極管可工作在截止、放大、飽和三種狀態(tài)。在模擬電路中，三極管通常作為放大元件使用，工作在放大狀態(tài)。在數(shù)字電路中，三極管作為電子開關(guān)，工作在飽和狀態(tài)(等效于開關(guān)閉合)和截止?fàn)顟B(tài)(等效于開關(guān)斷開)，并經(jīng)常在飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)之間通過放大狀態(tài)快速轉(zhuǎn)換。(a)三極管共發(fā)射極電路 (b)輸出特性曲線 3.2.3 MOS管的開關(guān)特性MOS管是由絕緣柵場效應(yīng)晶體管構(gòu)成的。場效應(yīng)晶體管按溝

3、道分可分為N溝道管和P溝道管。其中，在P型襯底上，利用光刻、擴散等方法，制作出兩個N型區(qū)，并引出電極，分別稱為源極S和漏極D，同時在源極和漏極之間的二氧化硅SiO2絕緣層上，制作一個金屬電極柵極G，便能得到N溝道MOS管。 NMOS管開關(guān)等效電路 開關(guān)特性如下： 當(dāng)uGS小于開啟電壓UT時，MOS管工作在截止區(qū)，漏源極間電流iDS基本上為零，MOS管漏源極間相當(dāng)于斷開狀態(tài)。 當(dāng)uGS大于開啟電壓UT時，MOS管工作在導(dǎo)通區(qū)，忽略導(dǎo)通電阻，漏源極間相當(dāng)于短路狀態(tài)，即開關(guān)閉合狀態(tài)。 3.3 分立元件門電路 1基本邏輯門電路 (1) 二極管與門 (a)電路 (b)邏輯符號 A BY0 00 11 0

4、1 10001 與門真值表 (2) 二極管或門 (a)電路 (b)邏輯符號 A BY0 00 11 01 10111或門真值表 (3) 三極管非門電路 (a)電路 (b)邏輯符號 AY0110非門真值表 2復(fù)合邏輯門電路 (1) 與非門電路 邏輯圖 邏輯符號 A BY0 00 11 01 11110與非門真值表 (2) 或非門電路 邏輯圖 邏輯符號 A BY0 00 11 01 11000或非門真值表 3.4 MOS邏輯門電路 3.4.1 CMOS反相器和傳輸門 1CMOS反相器 CMOS反相器 2CMOS傳輸門 電路 邏輯符號 3.4.2 CMOS與非門、或非門和異或門1CMOS與非門 CM

5、OS與非門電路 2CMOS或非門 CMOS或非門電路 3CMOS異或門 CMOS異或門邏輯圖 3.4.3 CMOS漏極開路門電路和三態(tài)輸出門電路1CMOS漏極開路門電路在實際電路系統(tǒng)中，往往需要將CMOS邏輯門的輸出端并聯(lián)使用，實現(xiàn)線與邏輯功能。但是實際上輸出端不能直接相連，為了使CMOS門電路的輸出能直接連在一起，并實現(xiàn)正常邏輯功能，可采用漏極開路(OD)門實現(xiàn) 。 (a)電路 (b)邏輯符號OD門電路 OD門的主要特點：(1) 漏極開路，工作時必須外接電源和電阻。(2) 可以實現(xiàn)線與功能。(3) 帶負載能力強。OD門線與功能圖 2CMOS三態(tài)輸出門電路 (a)電路 (b)邏輯符號 3.4.

6、4 各種系列CMOS數(shù)字集成電路的比較 1CMOS數(shù)字集成電路的分類 24000系列和74HC系列CMOS集成電路的比較 3.4.5 CMOS門電路的使用規(guī)則 (1) 在儲存和運輸CMOS器件時，一般用鋁箔將器件包起來，或者放在鋁箔內(nèi)進行靜電屏蔽。(2) 安裝調(diào)試CMOS器件時，電烙鐵及示波器等工具和儀表均要可靠接地，焊接CMOS器件最好在電烙鐵斷電時用余熱進行。(3) CMOS器件不用的輸入端不能懸空，必須進行適當(dāng)處理(接高電平或低電平，或與其他使用引腳相連)。(4) 當(dāng)CMOS電路接低內(nèi)阻信號源時，鉗位二極管可能會過流燒壞，在這種情況下，最好在信號源和CMOS輸入端間串接限流電阻。(5)

7、已安裝調(diào)試好的CMOS器件插件板，最好不要頻繁地從整機機架上拔下插上，尤其要注意不要在電源尚未切斷的情況下，插拔CMOS器件插件板，平時不通電時也放在機架上較為妥當(dāng)。 3.5 TTL邏輯門電路3.5.1 反相器的基本電路 TTL反相器的基本電路 3.5.2 TTL與非門電路結(jié)構(gòu)與工作原理 1TTL與非門的電路結(jié)構(gòu) TTL與非門電路 2工作原理TTL與非門的優(yōu)點是有效提高了工作速度，原理為： (1) 采用多發(fā)射極三極管加快了存儲電荷的消散過程。 (2) 采用了推拉式輸出級，輸出阻抗比較小，可迅速給負載電容充放電。常用的TTL與非門有74系列的74LS00集成芯片 (a)外形引腳排列 (b)邏輯符

8、號74LS00外形引腳排列及邏輯符號 3.5.3 TTL與非門的改進系列 174H系列 74H系列又稱高速TTL系列。該系列有效提高了電路的開關(guān)速度，減小了傳輸延遲時間。與標(biāo)準(zhǔn)74系列相比，電路采取了兩項改進措施： 輸出級采用達林頓結(jié)構(gòu)(由T3 、T4組成兩級射極輸出)。 大幅度降低了電路中電阻的阻值。 減小電阻阻值帶來的不利影響是增加了電路的靜態(tài)功耗。 274S系列 74S系列又稱肖特基TTL系列。與標(biāo)準(zhǔn)74系列相比，為了進一步提高速度，電路采取了三項改進措施： 輸出級采用達林頓結(jié)構(gòu)。 采用了抗飽和三極管(又稱肖特基三極管)。抗飽和三極管是由普通的雙極型三極管和肖特基二極管(SBD)組合而成

9、的。肖特基二極管正向壓降很小，本身無電荷存儲作用，開關(guān)時間極短(小于普通二極管的十分之一)。 用 、 、 組成有源泄放電路，減少了 的基極電流，也就減輕了 的飽和程度，從而加快其從導(dǎo)通變?yōu)榻刂沟倪^程。 6TBRCR5T5T374LS系列 474AS系列574ALS系列3.5.4 集電極開路門和三態(tài)門 1OC門OC門電路 符號 OC門的應(yīng)用 1. 實現(xiàn)線與 線與邏輯圖 2. 實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換 3. 驅(qū)動非邏輯性負載 OC門實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換 2三態(tài)門(a)電路 (b)E=0有效的邏輯符號 (c) E=1有效的邏輯符號三態(tài)輸出與非門 三態(tài)門的應(yīng)用 三態(tài)門用于總線傳輸 雙向傳輸 3.5.5 TTL門電路的使用

10、規(guī)則 (1) 接插集成塊時，要認清定位標(biāo)記，不得插反。(2) 電源電壓使用范圍為4.5V+5.5V之間。電源極性不允許接錯。(3) 閑置輸入端處理方法： 懸空，相當(dāng)于正邏輯1。對于一般小規(guī)模集成電路的數(shù)據(jù)輸入端，允許懸空處理。但易受外界干擾，導(dǎo)致電路的邏輯功能不正常。因此，對于中規(guī)模以上的集成電路和使用集成電路較多的復(fù)雜電路，所有控制輸入端必須按邏輯要求接入電路，不允許懸空。 直接接電源電壓VCC(也可以串入一只110k的固定電阻)或接至某一固定電壓(2.4V4.5V)的電源上，或與輸入端為接地的多余與非門的輸出端相接。 若前級驅(qū)動能力允許，可以與使用的輸入端并聯(lián)。(4) 輸入端通過電阻接地，

11、電阻值的大小將直接影響電路所處的狀態(tài)。當(dāng)R680時，輸入端相當(dāng)于邏輯0；當(dāng)R4.7k時，輸入端相當(dāng)于邏輯1。對于不同系列的器件，要求的阻值不同。(5) 輸出端不允許并聯(lián)使用(集電極開路門和三態(tài)輸出門除外)。否則不僅會使電路邏輯功能混亂，還會導(dǎo)致器件損壞。(6) 輸出端不允許直接接地或直接接5V電源，否則將損壞器件，有時為了使后級電路獲得較高的輸出電平，允許輸出端通過電阻R接至VCC，一般取R=35.1k。 3.6 邏輯描述中的幾個問題3.6.1 正負邏輯問題 正負邏輯對應(yīng)的門電路 3.6.2 基本邏輯門電路的等效符號及其應(yīng)用1與門及其等效符號 2或門及其等效符號3. 與非門及其等效符號4. 或非門及其等效符號3.7 邏輯門電路使用中的幾個實際問題 3.7.1 各種門電路之間的接口問題 1TTL門驅(qū)動CMOS門 TTL門驅(qū)動CMOS門 2CMOS門驅(qū)動TTL門 方法一：將同一封裝內(nèi)的CMOS門并聯(lián)使用，以增大負載電流。方法二：在CMOS輸出端增加一級CMOS同相輸出緩沖器電路(如CC4010)作為驅(qū)動門。方法三：由三極管構(gòu)成電流放大器作為接口電路。3.7.2 抗干擾措施 1多余輸入端的處理2去耦合濾波器 3接地和安裝工藝 3.8 實例電路分析：水位指示器電路 水位指示電路 CD4069引腳圖 本章小結(jié) 邏輯門電路是構(gòu)成各種復(fù)雜數(shù)字電路的基本邏輯單元。掌握各種門電路的邏輯功能和電氣